EP2920334B1 - Verfahren zur herstellung eines motorbauteils, motorbauteil und verwendung einer aluminiumlegierung - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines motorbauteils, motorbauteil und verwendung einer aluminiumlegierung Download PDF

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EP2920334B1
EP2920334B1 EP13798957.0A EP13798957A EP2920334B1 EP 2920334 B1 EP2920334 B1 EP 2920334B1 EP 13798957 A EP13798957 A EP 13798957A EP 2920334 B1 EP2920334 B1 EP 2920334B1
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EP
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aluminium alloy
weight
engine component
silicon
iron
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Roman Morgenstern
Klaus Lades
Scott Kenningley
Philipp Koch
Robert Willard
Rainer Weiss
Isabella Sobota
Martin Popp
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Nuernberg GmbH
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Publication date
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C22C21/04—Modified aluminium-silicon alloys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0084—Pistons  the pistons being constructed from specific materials

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing and using an engine component, in particular a piston for an internal combustion engine, in which an aluminum alloy is gravity-cast, an engine component at least partially made of an aluminum alloy, and the use of an aluminum alloy for producing such an engine component ,
  • a piston for an internal combustion engine must have a high heat resistance and at the same time be as light and strong as possible. It is of particular importance how the microstructural distribution, morphology, composition and thermal stability of highly heat-resistant phases are formed. An optimization in this regard usually takes into account a minimum content of pores and oxide inclusions.
  • the sought-after material has to be optimized in terms of both isothermal fatigue strength (HCF) and thermo-mechanical fatigue strength (TMF) become.
  • HCF isothermal fatigue strength
  • TMF thermo-mechanical fatigue strength
  • a fine microstructure reduces the risk of microplasticity or microcracks on relatively large primary phases (especially primary silicon precipitates) and hence the risk of crack initiation and propagation.
  • the DE 44 04 420 A1 describes an alloy which can be used in particular for pistons and for components which are exposed to high temperatures and are stressed mechanically.
  • the described aluminum alloy comprises 8.0 to 10.0% by weight of silicon, 0.8 to 2.0% by weight of magnesium, 4.0 to 5.9% by weight of copper, 1.0 to 3.0 Wt .-% nickel, 0.2 to 0.4 wt .-% manganese, less than 0.5 wt .-% iron and at least one element selected from antimony, zirconium, titanium, strontium, cobalt, chromium, and vanadium wherein at least one of these elements is present in an amount of> 0.3% by weight, the sum of these elements being ⁇ 0.8% by weight.
  • the EP 0 924 310 B1 describes an aluminum-silicon alloy which has its application in the production of pistons, in particular for pistons in internal combustion engines.
  • the aluminum alloy has the following composition: 10.5 to 13.5% by weight of silicon, 2.0 to less than 4.0% by weight of copper 0.8 to 1.5% by weight of magnesium, 0, 5 to 2.0% by weight of nickel, 0.3 to 0.9% by weight of cobalt, at least 20 ppm of phosphorus and either 0.05 to 0.2% by weight of titanium or up to 0.2% by weight. % Zirconium and / or up to 0.2% by weight vanadium and balance aluminum and unavoidable impurities.
  • the WO 00/71767 A1 describes an aluminum alloy suitable for high temperature applications, such as heavy loaded pistons or other applications in internal combustion engines.
  • the aluminum alloy is composed of the following elements: 6.0 to 14.0% by weight of silicon, 3.0 to 8.0% by weight of copper, 0.01 to 0.8% by weight of iron, 0 , 5 to 1.5% by weight of magnesium, 0.05 to 1.2% by weight of nickel, 0.01 to 1.0% by weight of manganese, 0.05 to 1.2% by weight of titanium , 0.05 to 1.2 wt .-% zirconium, 0.05 to 1.2 wt .-% vanadium, 0.001 to 0.10 wt .-% strontium and balance aluminum.
  • the DE 103 33 103 B4 describes a piston made of a cast aluminum alloy, wherein the aluminum casting alloy contains: 0.2 or less wt .-% magnesium, 0.05 to 0.3 mass% titanium, 10 to 21 wt .-% silicon, 2 to 3, 5 wt.% Copper, 0.1 to 0.7 wt.% Iron, 1 to 3 wt.% Nickel, 0.001 to 0.02 wt.% Phosphorus, 0.02 to 0.3 wt. % Zirconium and balance aluminum and impurities. It is further described that the size of a non-metallic inclusion present within the bulb is less than 100 ⁇ m.
  • the EP 1 975 262 B1 describes an aluminum casting alloy consisting of: 6 to 9% silicon, 1.2 to 2.5% copper, 0.2 to 0.6% magnesium, 0.2 to 3% nickel, 0.1 to 0.7% iron, 0.1 to 0.3% titanium, 0.03 to 0.5% zirconium, 0.1 to 0.7% manganese, 0.01 to 0.5% vanadium and one or more of the following elements: strontium 0.003 to 0.05%, antimony 0.02-0.2% and sodium 0.001-0.03%, the total amount of titanium and zirconium being less than 0.5%, and aluminum and unavoidable impurities forming the balance when the total amount is 100 percent by mass is used.
  • the WO 2010/025919 A2 describes a method for producing a piston of an internal combustion engine, wherein a piston blank made of an aluminum-silicon alloy with the addition of copper portions is poured and then finished.
  • the invention provides that the copper content is at most 5.5% of the aluminum-silicon alloy and that the aluminum-silicon alloy portions of titanium (Ti), zirconium (Zr), chromium (Cr) or vanadium (V) are admixed and the sum of all ingredients is 100%.
  • the registration DE 102011083969 relates to a method for producing an engine component, in particular a piston for an internal combustion engine, in which an aluminum alloy is gravity-poured by casting, an engine component that consists at least partially of an aluminum alloy, and the use of an aluminum alloy for producing an engine component.
  • the aluminum alloy has the following alloying elements: 6 to 10 wt .-% silicon, 1.2 to 2 wt .-% nickel, 8 to 10 wt .-% copper, 0.5 to 1.5 wt .-% magnesium , 0.1 to 0.7% by weight of iron, 0.1 to 0.4% by weight of manganese, 0.2 to 0.4% by weight of zirconium, 0.1 to 0.3% by weight Vanadium, 0.1 to 0.5 wt .-% of titanium and aluminum and avoidable impurities as the remainder.
  • this alloy has a phosphorus content of less than 30 ppm.
  • JP 2004 256873 A discloses an alloy comprising in mass percent 9.5 to 11.5% Si, 5.0 to 7.7% Cu, 3.5 to 5.5% Ni, 0.55 to 1.5% Mg, 0.003 to 0 , 1% P and 0.15 to 0.7% Fe, and if necessary, at least one of the following metals 0.005 to 0.3% Ti, 0.02 to 0.3% Zr, 0.02 to 0.3 % V, 0.001 to 0.1% B and 0.1 to 0.7% Mn, and the remainder being essentially Al.
  • 0.01 to 0.3% of Ti, 0.0001 to 0.03% of B, 0.01 to 0.3% of Cr, 0.01 to 0.3% of Zr or the like may be contained.
  • JP H8-134577 A an aluminum alloy containing 1-7% Cu, 10-16% Si, 0.3-2% Mg, 0.5-2% Fe, 0.1-4% Mn, 0.01-0.3% Ti, 0.001-0.02% P, 0.0001-0.02% Ca and more, if necessary, containing 0.2-6% Ni.
  • An object of the present invention is to provide a method for producing an engine component, in particular a piston for an internal combustion engine, in which an aluminum alloy is poured by gravity die casting method, so that a highly heat resistant engine component can be produced by gravity die casting.
  • a further object of the invention is to provide an engine component, in particular a piston for an internal combustion engine, which is highly heat-resistant and at least partially consists of an aluminum alloy.
  • the aluminum alloy has the following alloying elements: Silicon: 9% by weight to ⁇ 10.5 wt%, Nickel: > 2.0% by weight to ⁇ 3.5% by weight, Copper: > 3.7% by weight to 5.2% by weight, Cobalt: to ⁇ 1% by weight Magnesium: 0.5% by weight to 1.5% by weight, Iron: 0.1% by weight to 0.7% by weight, Manganese: 0.1% by weight to 0.4% by weight, Zirconium: > 0.1% by weight to ⁇ 0.2% by weight, vanadium: > 0.1% by weight to ⁇ 0.2% by weight, Titanium: 0.05% by weight to ⁇ 0.2% by weight, Phosphorus: 0.004% by weight to 0.008% by weight, and the balance aluminum and unavoidable impurities.
  • the selected aluminum alloy it is possible to produce a motor component in the gravity die casting process, which has a high proportion of finely divided, highly heat-resistant, thermally stable phases and a fine microstructure. Susceptibility to crack initiation and crack propagation e.g. of oxides or primary phases and the TMF-HCF lifetime is reduced by the choice of the alloy according to the invention over the previously known production methods of pistons and similar engine components.
  • the alloy according to the invention in particular the comparatively low silicon content, also results in comparatively less and finer primary silicon being present in its thermally highly loaded bowl edge region, at least in the case of a piston produced according to the invention, so that the alloy leads to particularly good properties of a piston produced according to the invention.
  • a highly heat resistant engine component can be produced by the gravity die casting method.
  • the proportions of cobalt and nickel according to the invention are advantageous for increasing the heat resistance of the alloy. Nickel contributes to the formation of thermally stable intermetallic phases. Cobalt also increases the hardness and overall strength of the alloy. Phosphorus as a nucleating agent contributes to primary silicon precipitates are excreted as finely and homogeneously distributed.
  • the aluminum alloy preferably comprises 0.6% to 0.8% by weight of magnesium, which in particular contributes to the effective formation of secondary, strength-increasing phases in the preferred concentration range without excessive oxide formation occurring.
  • the alloy alternatively or additionally preferably has from 0.4% by weight to 0.6% by weight of iron, which advantageously reduces the tendency of the alloy to stick in the casting mold, wherein the formation of plate-shaped phases remains limited in said concentration range.
  • the weight ratio of iron to manganese in the aluminum alloy is at most about 5: 1, preferably about 2.5: 1.
  • the aluminum alloy contains at most five parts iron versus one part manganese, preferably about 2.5 parts iron versus one part manganese.
  • the sum of nickel and cobalt is> 2.0 wt% and ⁇ 3.8 wt%.
  • the lower limit ensures an advantageous strength of the alloy and the upper limit advantageously ensures a fine microstructure and avoids the formation of coarse, plate-shaped phases which would reduce the strength.
  • the aluminum alloy has a fine microstructure with a low content of pores and inclusions and / or little and small primary silicon, especially in the highly loaded bowl edge region.
  • a low content of pores is preferably to be understood as meaning a porosity of ⁇ 0.01% and less than a few primary silicon ⁇ 1%.
  • the fine microstructure advantageously characterized in that the average length of the primary silicon is about ⁇ 5 microns and its maximum length is about ⁇ 10 microns and the intermetallic phases and / or primary precipitates lengths of on average about ⁇ 30 microns and max ⁇ 50 ⁇ m have.
  • the aluminum alloy in particular in the trough edge region, has an average value of an area of silicon precipitates ⁇ about 100 ⁇ m 2 and / or an average value of an area of the intermetallic phases ⁇ about 200 ⁇ m 2 .
  • the characterization of the microstructure of the aluminum alloy is preferably carried out by means of quantitative microstructure analysis.
  • a metallographic cut is made and micrographically corresponding micrographs are recorded, in particular for the technologically particularly important bowl rim area.
  • an inverted reflected-light microscope can be used for this purpose.
  • individual images are taken, compiled by computer into a surface (for example 5.5 mm ⁇ 4.1 mm) and the areas and surface portions of specific phases determined by means of image processing software.
  • the fine microstructure contributes in particular to the improvement of the thermomechanical fatigue strength. Limiting the size of the primary phases can reduce the susceptibility to crack initiation and crack propagation, thus significantly increasing the TMF-HCF lifetime. Furthermore, it is particularly advantageous due to the notch effect of pores and inclusions to keep their content low.
  • An engine component according to the invention consists at least partially of one of the abovementioned aluminum alloys.
  • Another independent aspect of the invention resides in the use of the above-described aluminum alloy for the manufacture of an engine component, in particular a piston of an internal combustion engine.
  • the found Aluminum alloy processed by gravity die casting process.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Verwendung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird, ein Motorbauteil, das zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht, und die Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines solchen Motorbauteils.
    • Stand der Technik
  • In den letzten Jahren wurden zunehmend Forderungen nach besonders ökonomischen und damit ökologischen Transportmitteln laut, die hohen Verbrauchs- und Emissionsanforderungen gerecht werden müssen. Zudem besteht jeher das Bedürfnis, Motoren möglichst leistungsfähig und verbrauchsarm zu gestalten. Ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung von leistungsfähigen und emissionsarmen Verbrennungsmotoren sind Kolben, die bei immer höheren Verbrennungstemperaturen und Verbrennungsdrücken eingesetzt werden können, was im Wesentlichen durch immer leistungsfähigere Kolbenwerkstoffe ermöglicht wird.
  • Grundsätzlich muss ein Kolben für einen Verbrennungsmotor eine hohe Warmfestigkeit aufweisen und dabei gleichzeitig möglichst leicht und fest sein. Dabei ist es von besonderer Bedeutung, wie die mikrostrukturelle Verteilung, Morphologie, Zusammensetzung und thermische Stabilität höchstwarmfester Phasen ausgebildet sind. Eine diesbezügliche Optimierung berücksichtigt üblicherweise einen minimalen Gehalt an Poren und oxidischen Einschlüssen.
  • Der gesuchte Werkstoff muss sowohl hinsichtlich isothermer Schwingfestigkeit (HCF) als auch hinsichtlich thermomechanischer Ermüdungsfestigkeit (TMF) optimiert werden. Um die TMF optimal auszugestalten ist stets eine möglichst feine Mikrostruktur des Werkstoffs anzustreben. Eine feine Mikrostruktur reduziert die Gefahr des Entstehens von Mikroplastizität bzw. von Mikrorissen an relativ großen primären Phasen (insbesondere an primären Siliziumausscheidungen) und damit auch die Gefahr von Rissinitiierung und -ausbreitung.
  • Unter TMF-Beanspruchung treten an relativ großen primären Phasen, insbesondere an primären Siliziumausscheidungen, aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Bestandteile der Legierung, nämlich der Matrix und der primären Phasen, Mikroplastizitäten bzw. Mikrorisse auf, welche die Lebensdauer des Kolbenwerkstoffs erheblich senken können. Zur Erhöhung der Lebensdauer ist bekannt, die primären Phasen möglichst klein zu halten.
  • Beim verwendeten Schwerkraftkokillenguss gibt es eine Konzentrationsobergrenze, bis zu der Legierungselemente eingebracht werden sollten und bei deren Überschreiten die Gießbarkeit der Legierung verringert oder Gießen unmöglich wird. Darüber hinaus kommt es bei zu hohen Konzentrationen von festigkeitssteigernden Elementen zur Bildung großer plattenförmiger intermetallischer Phasen, welche die Ermüdungsfestigkeit drastisch absenken.
  • Die DE 44 04 420 A1 beschreibt eine Legierung die insbesondere für Kolben und für Bauteile verwendet werden kann, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden und mechanisch stark beansprucht werden. Die beschriebene Aluminiumlegierung umfasst 8,0 bis 10,0 Gew.-% Silizium, 0,8 bis 2,0 Gew.-% Magnesium, 4,0 bis 5,9 Gew.-% Kupfer, 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel, 0,2 bis 0,4 Gew.-% Mangan, weniger als 0,5 Gew.-% Eisen sowie mindestens ein Element, ausgewählt aus Antimon, Zirkonium, Titan, Strontium, Kobalt, Chrom, und Vanadium, wobei mindestens eines dieser Elemente in einer Menge von >0,3 Gew.-% vorhanden ist wobei die Summe dieser Elemente <0,8 Gew.-% ist.
  • Die EP 0 924 310 B1 beschreibt eine Aluminium-Siliziumlegierung die ihre Anwendung in der Herstellung von Kolben, insbesondere für Kolben in Brennkraftmaschinen hat. Die Aluminiumlegierung weist die folgende Zusammensetzung auf: 10,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium, 2,0 bis weniger als 4,0 Gew.-% Kupfer 0,8 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,5 bis 2,0 Gew.-% Nickel, 0,3 bis 0,9 Gew.-% Kobalt, wenigstens 20 ppm Phosphor und entweder 0,05 bis 0,2 Gew.-% Titan oder bis zu 0,2 Gew.-% Zirkonium und/oder bis zu 0,2 Gew.-% Vanadium und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Die WO 00/71767 A1 beschreibt eine Aluminiumlegierung die geeignet für Hochtemperaturanwendungen ist, wie z.B. hochbelastete Kolben oder andere Anwendungen in Brennkraftmaschinen. Die Aluminiumlegierung setzt sich dabei aus folgenden Elementen zusammen: 6,0 bis 14,0 Gew.-% Silizium, 3,0 bis 8,0 Gew.-% Kupfer, 0,01 bis 0,8 Gew.-% Eisen, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,05 bis 1,2 Gew.-% Nickel, 0,01 bis 1,0 Gew.-% Mangan, 0,05 bis 1,2 Gew.-% Titan, 0,05 bis 1,2 Gew.-% Zirkonium, 0,05 bis 1,2 Gew.-% Vanadium, 0,001 bis 0,10 Gew.-% Strontium und als Rest Aluminium.
  • Die DE 103 33 103 B4 beschreibt einen Kolben der aus einer Aluminiumgusslegierung gefertigt ist, wobei die Aluminiumgusslegierung enthält: 0,2 oder weniger Gew.-% Magnesium, 0,05 bis 0,3 Masse% Titan, 10 bis 21 Gew.-% Silizium, 2 bis 3,5 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 0,7 Gew.-% Eisen, 1 bis 3 Gew.-% Nickel, 0,001 bis 0,02 Gew.-% Phosphor, 0,02 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium und als Rest Aluminium und Verunreinigungen. Weiter wird beschrieben, dass die Größe von einem nicht-metallischen Einschluss, der innerhalb des Kolbens vorhanden ist, geringer als 100 µm ist.
  • Die EP 1 975 262 B1 beschreibt eine Aluminiumgusslegierung bestehend aus: 6 bis 9 % Silizium, 1,2 bis 2,5 % Kupfer, 0,2 bis 0,6 % Magnesium, 0,2 bis 3 % Nickel, 0,1 bis 0,7 % Eisen, 0,1 bis 0,3 % Titan, 0,03 bis 0,5 % Zirkonium, 0,1 bis 0,7 % Mangan, 0,01 bis 0,5 % Vanadium und einem oder mehreren der folgenden Elemente: Strontium 0,003 bis 0,05 %, Antimon 0,02 bis 0,2 % und Natrium 0,001 bis 0,03 %, wobei die Gesamtmenge aus Titan und Zirkonium weniger als 0,5 % beträgt und Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen den Rest bilden, wenn die Gesamtmenge als 100 Massenprozent angesetzt wird.
  • Die WO 2010/025919 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei ein Kolbenrohling aus einer Aluminium-Siliziumlegierung unter Zugabe von Kupferanteilen gegossen und danach fertig bearbeitet wird. Die Erfindung sieht dabei vor, dass der Kupferanteil maximal 5,5 % der Aluminium-Siliziumlegierung beträgt und, dass der Aluminium-Siliziumlegierung Anteile von Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Chrom (Cr) bzw. Vanadium (V) beigemischt werden und die Summe aller Bestandteile 100 % beträgt.
  • Die Anmeldung DE 102011083969 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird, ein Motorbauteil, das zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht, und die Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Motorbauteils. Dabei weist die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente auf: 6 bis 10 Gew.-% Silizium, 1,2 bis 2 Gew.-% Nickel, 8 bis 10 Gew.-% Kupfer, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,1 bis 0,7 Gew.-% Eisen, 0,1 bis 0,4 Gew.-% Mangan, 0,2 bis 0,4 Gew.-% Zirkonium, 0,1 bis 0,3 Gew-% Vanadium, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Titan und Aluminium sowie vermeidbare Verunreinigungen als Rest. Vorzugsweise weist diese Legierung einen Phosphorgehalt von weniger als 30 ppm auf.
  • JP 2004 256873 A offenbart eine Legierung, aufweisend in Massenprozent 9,5 bis 11,5% Si, 5,0 bis 7,7% Cu, 3,5 bis 5,5% Ni, 0,55 bis 1,5% Mg, 0,003 bis 0,1% P und 0,15 bis 0,7% Fe, und, falls notwendig, mindestens eines der folgenden Metalle 0,005 bis 0,3% Ti, 0,02 bis 0,3% Zr, 0,02 bis 0,3% V, 0,001 bis 0,1% B und 0,1 bis 0,7% Mn, sowie als Rest im wesentlichen Al.
  • Ferner betrifft JP 2000 204428 A einen Kolben aus einer Aluminiumlegierung mit 11 bis 16% Si, 0,5 bis 2,0% Mg, 3 bis 7% Cu, 3 bis 7% Ni, 0,2 bis 1,5% Fe, 0,2 bis 1,0% Mn, 0,003 bis 0,015% P und <=0,002% Ca, wobei Verunreinigungen <=0,2% enthalten sein können. Darüber hinaus können 0,01 bis 0,3% Ti, 0,0001 bis 0,03% B, 0,01 bis 0,3% Cr, 0,01 bis 0,3% Zr oder ähnliche Elemente enthalten sein.
  • Schließlich beschreibt JP H8-134577 A eine Aluminiumlegierung, die 1-7% Cu, 10-16% Si, 0,3-2% Mg, 0,5-2% Fe, 0,1-4% Mn, 0,01-0,3% Ti, 0,001-0,02% P, 0,0001-0,02% Ca und darüber hinaus, wenn notwendig, 0,2-6% Ni enthält.
    • Darstellung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird, so dass ein höchstwarmfestes Motorbauteil im Schwerkraftkokillengussverfahren hergestellt werden kann.
  • Die Lösung dieser Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gegeben. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den diesbezüglichen Unteransprüchen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Motorbauteil, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, bereitzustellen, das/der höchstwarmfest ist und dabei zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 8 gelöst und weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den diesbezüglichen Unteransprüchen.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren weist die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente:
    Silizium: 9 Gew.-% bis ≤ 10,5 Gew.-%,
    Nickel: > 2,0 Gew.-% bis < 3,5 Gew.-%,
    Kupfer: > 3,7 Gew.-% bis 5,2 Gew.-%,
    Kobalt: bis < 1 Gew.-%
    Magnesium: 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%,
    Eisen: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%,
    Mangan: 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%,
    Zirkonium: > 0,1 Gew.-% bis < 0,2 Gew.-%,
    Vanadium: > 0,1 Gew.-% bis < 0,2 Gew.-%,
    Titan: 0,05 Gew.-% bis < 0,2 Gew.-%,
    Phosphor: 0,004 Gew.-% bis 0,008 Gew.-%,
    und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen, auf.
  • Bevorzugt weist die Aluminiumlegierung:
    • von > 9 bis ≤ 10,5 weiter bevorzugt < 10 insbesondere bevorzugt < 9,5 oder weiter bevorzugt von 9,5 bis 10,5 Gew.-% Silizium;
    • von > 2,3 weiter bevorzugt > 3 bis < 3,5 oder weiter bevorzugt von 2,5 insbesondere bevorzugt 2,9 bis 3 Gew.-% Nickel;
    • von > 3,8 weiter bevorzugt > 4 und insbesondere bevorzugt > 4,8 bis 5,2 oder weiter bevorzugt von > 3,7 bis < 5 insbesondere bevorzugt < 4 oder weiter bevorzugt von 4 insbesondere bevorzugt 4,1 bis 4,6 Gew.-% Kupfer;
    • von > 0,5 und weiter bevorzugt > 0,9 bis < 1 Gew.-% Kobalt;
    • von 0,5 und weiter bevorzugt > 0,6 und insbesondere 0,7 bis < 1,5 weiter bevorzugt < 0,8 oder weiter bevorzugt von > 1 weiter bevorzugt > 1,3 bis 1,5 Gew.-% Magnesium;
    • von > 0,5 weiter bevorzugt > 0,6 bis 0,7 oder weiter bevorzugt 0,45 bis 0,5 Gew.-% Eisen;
    • von 0,1 bis < 0,2 oder weiter bevorzugt von > 0,25 bis 0,4 Gew.-% Mangan;
    • von 0,12 weiter bevorzugt 0,13 bis 0,19 Gew.-% Zirkonium;
    • von 0,12 bis 0,14 Gew.-% Vanadium;
    • von 0,05 bis < 0,15 oder weiter bevorzugt von 0,11 insbesondere bevorzugt 0,12 bis 0,13 Gew.-% Titan; und
    • von 0,005 bis 0,006 Gew.-% Phosphor, auf.
  • Durch die gewählte Aluminiumlegierung ist es möglich, im Schwerkraftkokillengussverfahren ein Motorbauteil herzustellen, das einen hohen Anteil fein verteilter, hochwarmfester, thermisch stabiler Phasen und eine feine Mikrostruktur aufweist. Die Anfälligkeit gegenüber Rissinitiierung und Rissausbreitung z.B. an Oxiden oder primären Phasen und die TMF-HCF-Lebensdauer wird durch die Wahl der erfindungsgemäßen Legierung gegenüber den bisher bekannten Herstellungsverfahren von Kolben und ähnlichen Motorbauteilen reduziert.
  • Die erfindungsgemäße Legierung, insbesondere der vergleichsweise geringe Siliziumgehalt, führt auch dazu, dass zumindest bei einem erfindungsgemäß hergestellten Kolben in dessen thermisch hochbelastetem Muldenrandbereich vergleichsweise weniger und feineres primäres Silizium vorliegt, sodass die Legierung zu besonders guten Eigenschaften eines erfindungsgemäß hergestellten Kolbens führt. Somit kann ein höchstwarmfestes Motorbauteil im Schwerkraftkokillengussverfahren hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Anteile an Kupfer, Zirkonium, Vanadium und Titan, insbesondere der vergleichsweise hohe Gehalt an Zirkonium, Vanadium und Titan bewirken einen vorteilhaften Anteil festigkeitssteigernder Ausscheidungen, ohne dabei jedoch große plattenförmige intermetallische Phasen zu verursachen. Ferner sind die erfindungsgemäßen Anteile an Kobalt und Nickel vorteilhaft für die Steigerung der Warmfestigkeit der Legierung. Nickel trägt dabei zur Ausbildung thermisch stabiler intermetallischer Phasen bei. Kobalt steigert zudem die Härte und allgemein die Festigkeit der Legierung. Phosphor als Keimbildner trägt dazu bei, dass primäre Siliziumausscheidungen möglichst fein und homogen verteilt ausgeschieden werden.
  • Mit Vorteil weist die Aluminiumlegierung bevorzugt 0,6 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Magnesium auf, das in dem bevorzugten Konzentrationsbereich insbesondere zur wirkungsvollen Ausbildung sekundärer, festigkeitssteigernder Phasen beiträgt, ohne dass eine übermäßige Oxidbildung auftritt. Ferner weist die Legierung alternativ oder zusätzlich bevorzugt 0,4 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Eisen auf, das die Klebeneigung der Legierung in der Gießkokille vorteilhaft vermindert, wobei in dem genannten Konzentrationsbereich die Bildung plattenförmiger Phasen begrenzt bleibt.
  • Mit Vorteil beträgt das Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan in der Aluminiumlegierung höchstens etwa 5:1 bevorzugt etwa 2,5:1. In dieser Ausführungsform enthält die Aluminiumlegierung also höchstens fünf Teile Eisen gegenüber einem Teil Mangan, bevorzugt etwa 2,5 Teile Eisen gegenüber einem Teil Mangan. Durch dieses Verhältnis werden besonders vorteilhafte Festigkeitseigenschaften des Motorbauteils erzielt.
  • Ferner ist es bevorzugt, dass die Summe aus Nickel und Kobalt > 2,0 Gew.-% und < 3,8 Gew.-% beträgt. Die untere Grenze stellt dabei eine vorteilhafte Festigkeit der Legierung sicher und die obere Grenze gewährleistet mit Vorteil eine feine Mikrostruktur und vermeidet die Bildung grober, plattenförmiger Phasen, welche die Festigkeit verringern würden.
  • Mit Vorteil weist die Aluminiumlegierung eine feine Mikrostruktur mit einem geringen Gehalt von Poren und Einschlüssen und/oder wenig und kleines primäres Silizium, insbesondere im hochbelasteten Muldenrandbereich, auf. Dabei ist unter einem geringen Gehalt von Poren vorzugsweise eine Porosität von < 0,01 % und unter wenig primärem Silizium < 1 % zu verstehen. Ferner ist die feine Mikrostruktur vorteilhaft dadurch beschrieben, dass die mittlere Länge des primären Silizium ca. < 5 µm und dessen maximale Länge ca. < 10 µm beträgt und die intermetallischen Phasen und/oder primären Ausscheidungen Längen von im Mittel ca. < 30 µm und maximal < 50 µm aufweisen.
  • Ferner ist es bevorzugt, dass die Aluminiumlegierung, insbesondere im Muldenrandbereich, einen Mittelwert einer Fläche von Siliziumausscheidungen < etwa 100 µm2 und/oder einen Mittelwert einer Fläche der intermetallischen Phasen < etwa 200 µm2 aufweist.
  • Die Charakterisierung der Mikrostruktur der Aluminiumlegierung erfolgt bevorzugt mittels quantitativer Gefügeanalyse. Dafür wird zunächst ein metallographischer Schliff angefertigt und lichtmikroskopisch entsprechende Schliffbilder, insbesondere für den technologisch besonders wichtigen Muldenrandbereich, aufgezeichnet. Beispielhaft kann dafür ein inverses Auflichtmikroskop verwendet werden. Damit werden dann, bei einer definierten Vergrößerung, Einzelbilder aufgenommen, per Computer zu einer Fläche (z.B. 5,5 mm x 4,1 mm) zusammengesetzt und mittels Bildbearbeitungssoftware die Flächen und Flächenanteile bestimmter Phasen ermittelt.
  • Die feine Mikrostruktur trägt insbesondere zur Verbesserung der thermomechanischen Ermüdungsfestigkeit bei. Eine Begrenzung der Größe der Primärphasen kann die Anfälligkeit gegen Rissinitiierung und Rissausbreitung verringern und so die TMF-HCF-Lebensdauer signifikant erhöhen. Ferner ist es auf Grund der Kerbwirkung von Poren und Einschlüssen besonders vorteilhaft deren Gehalt gering zu halten.
  • Ein erfindungsgemäßes Motorbauteil besteht zumindest teilweise aus einer der oben genannten Aluminiumlegierungen. Ein weiterer unabhängiger Aspekt der Erfindung liegt in der Verwendung der oben ausgeführten Aluminiumlegierung für die Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens eines Verbrennungsmotors. Insbesondere wird die aufgefundene Aluminiumlegierung dabei im Schwerkraftkokillengussverfahren verarbeitet.
    • Beispiele
  • Für die oben beschriebene Aluminiumlegierung seien beispielhaft eine Legierung 1 mit 10,5 Gew.-% Silizium; 3 Gew.-% Nickel; 4,1 Gew.-% Kupfer; 0,7 Gew.-% Magnesium; 0,5 Gew.-% Eisen; 0,2 Gew.-% Mangan; 0,13 Gew.-% Zirkonium; 0,12 Gew.-% Vanadium; 0,13 Gew.-% Titan und 0,006 Gew.-% Phosphor, eine Legierung 2 mit 9,5 Gew.-% Silizium; 2,9 Gew.-% Nickel; 4,0 Gew.-% Kupfer; 0,7 Gew.-% Magnesium; 0,45 Gew.-% Eisen; 0,2 Gew.-% Mangan; 0,12 Gew.-% Zirkonium; 0,12 Gew.-% Vanadium; 0,12 Gew.-% Titan und 0,006 Gew.-% Phosphor und eine Legierung 3 mit 9,5 Gew.-% Silizium; 2,5 Gew.-% Nickel; 4,6 Gew.-% Kupfer; 0,7 Gew.-% Magnesium; 0,45 Gew.-% Eisen; 0,2 Gew.-% Mangan; 0,19 Gew.-% Zirkonium; 0,14 Gew.-% Vanadium; 0,11 Gew.-% Titan und 0,005 Gew.-% Phosphor und jeweils als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen, genannt.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird,
    wobei die Aluminiumlegierung aus den folgenden Legierungselementen: Silizium: 9 Gew.-% bis ≤ 10,5 Gew.-%, Nickel: > 2,0 Gew.-% bis < 3,5 Gew.-%, Kupfer: > 3,7 Gew.-% bis 5,2 Gew.-%, Kobalt: bis < 1 Gew.-% Magnesium: 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, Eisen: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, Mangan: 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%, Zirkonium: > 0,1 Gew.-% bis < 0,2 Gew.-%, Vanadium: > 0,1 Gew.-% bis < 0,2 Gew.-%, Titan: 0,05 Gew.-% bis < 0,2 Gew.-%, Phosphor: 0,004 Gew.-% bis 0,008 Gew.-%,
    und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidenden Verunreinigungen besteht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumlegierung bevorzugt 0,6 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Magnesium aufweist.
  3. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 2, wobei die Aluminiumlegierung bevorzugt 0,4 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Eisen aufweist.
  4. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, wobei in der Aluminiumlegierung ein Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan höchstens etwa 5:1, bevorzugt das Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan etwa 2,5:1 beträgt.
  5. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Summe aus Nickel und Kobalt bevorzugt > 2,0 Gew.-% und < 3,8 Gew.-% beträgt.
  6. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, wobei die Aluminiumlegierung eine feine Mikrostruktur mit einem geringen Gehalt von Poren und Einschlüssen und/oder wenig und kleines primäres Silizium, insbesondere im Muldenrandbereich, aufweist, wobei die Porosität < 0,01 % und/oder der Gehalt an primärem Silizium < 1 % beträgt, wobei das primäre Silizium Längen von im Mittel < 5 µm und/oder maximale Längen < 10 µm aufweist, und die intermetallischen Phasen und/oder primären Ausscheidungen Längen von im Mittel < 30 µm und/oder maximale Längen < 50 µm aufweisen.
  7. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 6, wobei die-Aluminiumlegierung, insbesondere im Muldenrandbereich, einen Mittelwert einer Fläche von Siliziumausscheidungen < etwa 100 µm2 und/oder einen Mittelwert einer Fläche der intermetallischen Phasen < etwa 200 µm2 aufweist.
  8. Motorbauteil, insbesondere Kolben für einen Verbrennungsmotor, das zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht,
    wobei die Aluminiumlegierung aus den folgenden Legierungselementen: Silizium: 9 Gew.-% bis ≤ 10,5 Gew.-%, Nickel: > 2,0 Gew.-% bis < 3,5 Gew.-%, Kupfer: > 3,7 Gew.-% bis 5,2 Gew.-%, Kobalt: bis < 1 Gew.-% Magnesium: 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, Eisen: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, Mangan: 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%, Zirkonium: > 0,1 Gew.-% bis < 0,2 Gew.-%, Vanadium: > 0,1 Gew.-% bis < 0,2 Gew.-%, Titan: 0,05 Gew.-% bis < 0,2 Gew.-%, Phosphor: 0,004 Gew.-% bis 0,008 Gew.-%,
    und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidenden Verunreinigungen besteht.
  9. Motorbauteil gemäß Anspruch 8, wobei die Aluminiumlegierung bevorzugt 0,6 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Magnesium aufweist.
  10. Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 9, wobei die Aluminiumlegierung bevorzugt 0,4 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Eisen aufweist.
  11. Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 10, wobei in der Aluminiumlegierung ein Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan höchstens etwa 5:1, bevorzugt das Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan etwa 2,5:1 beträgt.
  12. Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 11, wobei eine Summe aus Nickel und Kobalt bevorzugt > 2,0 Gew.-% und < 3,8 Gew.-% betragen soll.
  13. Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 12, wobei die Aluminiumlegierung eine feine Mikrostruktur mit einem geringen Gehalt von Poren und Einschlüssen und/oder wenig und kleines primäres Silizium, insbesondere im Muldenrandbereich, aufweist, wobei die Porosität < 0,01 % und/oder der Gehalt an primärem Silizium < 1 % beträgt, wobei das primäre Silizium Längen von im Mittel < 5 µm und/oder maximale Längen < 10 µm aufweist, und die intermetallischen Phasen und/oder primären Ausscheidungen Längen von im Mittel < 30 µm und/oder maximale Längen < 50 µm aufweisen.
  14. Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 13, wobei die Aluminiumlegierung, insbesondere im Muldenrandbereich, einen Mittelwert einer Fläche von Siliziumausscheidungen < etwa 100 µm2 und/oder einen Mittelwert einer Fläche der intermetallischen Phasen < etwa 200 µm2 aufweist.
  15. Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens eines Verbrennungsmotors,
    wobei die Aluminiumlegierung aus den folgenden Legierungselementen: Silizium: 9 Gew.-% bis ≤ 10,5 Gew.-%, Nickel: > 2,0 Gew.-% bis < 3,5 Gew.-%, Kupfer: > 3,7 Gew.-% bis 5,2 Gew.-%, Kobalt: bis < 1 Gew.-% Magnesium: 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, Eisen: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, Mangan: 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%, Zirkonium: > 0,1 Gew.-% bis < 0,2 Gew.-%, Vanadium: > 0,1 Gew.-% bis < 0,2 Gew.-%, Titan: 0,05 Gew.-% bis < 0,2 Gew.-%, Phosphor: 0,004 Gew.-% bis 0,008 Gew.-%,
    und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidenden Verunreinigungen besteht.
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