EP3143173A1 - Verfahren zur herstellung eines motorbauteils, motorbauteil und verwendung einer aluminiumlegierung - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines motorbauteils, motorbauteil und verwendung einer aluminiumlegierung

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EP3143173A1
EP3143173A1 EP15720740.8A EP15720740A EP3143173A1 EP 3143173 A1 EP3143173 A1 EP 3143173A1 EP 15720740 A EP15720740 A EP 15720740A EP 3143173 A1 EP3143173 A1 EP 3143173A1
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EP
European Patent Office
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weight
silicon
aluminum alloy
aluminum
manganese
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EP3143173B1 (de
EP3143173B2 (de
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Roman Morgenstern
Silvio Stephan
Scott Kenningley
Philipp Koch
Isabella Sobota
Martin Popp
Robert Willard
Klaus Lades
Rainer Weiss
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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Publication date
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    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0084—Pistons  the pistons being constructed from specific materials
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/06—Casting

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 material sought must be optimized for both isothermal fatigue strength (HCF) and thermo-mechanical fatigue strength (TMF).
  • HCF isothermal fatigue strength
  • TMF thermo-mechanical fatigue strength
  • a fine microstructure reduces the risk of microplasticity or microcracks on relatively large primary phases (in particular of primary silicon precipitates) and thus also the risk of crack initiation and propagation.
  • 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 mechanically stressed.
  • 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.
  • 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.
  • WO 00/71767 A1 describes an aluminum alloy suitable for high temperature applications, e.g. highly stressed 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.
  • DE 103 33 103 B4 describes a piston which is made of an aluminum casting 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% by weight of copper, 0.1 to 0.7% by weight of iron, 1 to 3% by weight of nickel, 0.001 to 0.02% by weight of phosphorus, 0.02 to 0.3 wt .-% zirconium and balance aluminum and impurities. It is further described that the size of a non-metal inclusion present within the bulb is less than 100 microns.
  • 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 strontium 0.003 to 0.05%, antimony 0.02 to 0.2%, and sodium 0.001 to 0.03%, the total amount of titanium and zirconium being less than 0.5%, and aluminum and unavoidable impurities the balance form when the total amount is set at 100 mass%.
  • WO 2010/025919 A2 describes a method for producing a piston of an internal combustion engine, wherein a piston blank of an aluminum-silicon alloy is poured with the addition of copper fractions 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 (Tl), zirconium (Zr), chromium (Cr) or vanadium (V) are admixed and the sum of all ingredients is 100%.
  • the application 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 cast by gravity die casting, a motor body, which consists at least partially of an aluminum alloy, and the use of an aluminum alloy for producing an engine component.
  • the Aluminiumtegados 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.
  • EP 1 340 827 B1 which describes the effects of beryllium in an aluminum-silicon casting alloy with a relatively low magnesium concentration. Additions of 5-100 ppm beryllium contribute to the formation of an advantageous, thin, stoichiometric MgO layer, which promotes the flowability and the short-time oxidation behavior of the alloy.
  • 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, wherein an aluminum alloy is poured in the gravity coke casting process, so that a highly heat resistant Motorbautetl can be produced by gravity die casting process.
  • 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:
  • Co Co up to ⁇ about 1 wt%, preferably from> about 0.2 wt% to ⁇ about 1 wt%;
  • Manganese (Mn) of about 0.1% by weight to ⁇ about 0.7, and preferably up to about 0.4% by weight; Zirconium (Zr) of> about 0.1, preferably from about> 0.2% by weight to ⁇ about 0.5, preferably up to about 0.4, and more preferably up to ⁇ about 0.2% by weight. -%;
  • V Vanadium (V) of from about 0.1% by weight to ⁇ about 0.3, preferably up to ⁇ about 0.2% by weight;
  • Phosphorus (P) of about 0.004 wt .-% to about ⁇ 0.05, preferably up to about 0.008 wt .-% and balance aluminum and unavoidable impurities, on.
  • impurities non-mentioned elements can be further considered above.
  • the impurity level may be, for example, 0.01% by weight per impurity element or 0.2% by weight in total.
  • 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 the thermally highly stressed edge region of 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 copper, zirconium, vanadium and titanium according to the invention, in particular the comparatively high content of zirconium, vanadium and titanium bring about an advantageous proportion of finely chain-increasing precipitates, without, however, causing large plate-shaped intermetallic phases.
  • the alloy properties can be optimized in an application-specific manner by a targeted selection of the Cu content in the range according to the invention.
  • the cobalt and phosphorus contents of the present invention are advantageous in that cobalt increases the hardness and (warm) strength of the alloy and contributes phosphorus as a nucleating agent for primary silicon precipitates, that these are excreted very finely and evenly distributed.
  • Zirconium and cobalt also contribute, especially in the Muidenrand Scheme, to increases in strength at elevated temperatures.
  • the said aluminum alloys preferably comprise 0.6% by weight to 0.8% by weight of magnesium, which in the preferred concentration range contributes, in particular, to the effective formation of secondary, strength-increasing phases 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 tilt in the casting mold, wherein the formation of plate-shaped phases remains limited in the concentration range mentioned.
  • the above-described aiuminium alloys may also be from about 0.0005, preferably from> about 0.006, and more preferably from about 0.01% to about 0.5, preferably to about ⁇ about 0.1% by weight beryllium (Be), wherein the content of calcium is limited to ⁇ about 0.0005 wt .-%.
  • Be beryllium
  • the addition of beryllium results in a particularly good castability of the alloy. Its addition to the melt causes a dense oxide skin on the melt, which acts as a diffusion barrier and reduces the oxidation and hydrogen uptake of the melt. The diffusion of aluminum and magnesium can also be prevented. The above effects are particularly relevant when using holding furnaces.
  • a fine / thin oxide layer is formed on the solidification front during casting, for example, in a mold, which improves flowability. Overall, thus thin walls and fine mold structures can be filled better and without additional assistance.
  • the addition of beryllium improves the strength characteristics of the alloy as a whole. During aging, a higher density of strength enhancing precipitates is achievable.
  • the addition of beryllium supplements the beneficial effects of the present Auminiumiegtechniken to a reduction in the oxidation of the melt, contributes to better castability, especially in gravity chill casting, and improves the strength of the alloy.
  • Aiuminiumiegierache A, B, C and D of the present invention are shown in the following table (in wt .-%): Composition AB c D min 9 9 9 7
  • alloys A, B, C and D realize the above-mentioned technical advantages, Moreover, in alloy A, the comparatively high Cu and Zr content proves to be advantageous, which causes an increase Festig keitssteigernder excretions. The same applies to the preferred alloy B, which has a reduced nickel content, which further contributes to the reduction of alloying costs.
  • the relatively high content of Zr, V and Ti in Alloy C also adds to the increase in strength-enhancing precipitates. In general, an increased Zr content causes a further improvement in strength. Alloy C particularly preferably has an Si content ⁇ 10.5% by weight.
  • Alloy D is advantageous in that the addition of beryllium, as described above, improves the oxidation and flow behavior of the melt as well as the strength of the alloy. This effect is further increased by the comparatively low Mg content and the limited to a low level Ca content. Alloy D may also have the alloying elements in the following preferred concentration ranges: nickel (Ni) from about 2 to about 3.5 wt%, copper (Cu) from about 3.7 to about 5.2 wt%.
  • the presence / addition of beryllium to improve the oxidation, flow and strength properties is also possible in / to the alloys A, B and C.
  • the calcium content should also be limited to the stated low level in order not to counteract the advantageous effects of beryllium. Overall, a certain combinability exists between the alloys A, B, C and D, so that their advantageous technical effects are also realized together in a single alloy can be.
  • the weight ratio of iron to manganese in said aluminum alloys 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 nickel concentrations are particularly preferably ⁇ 3.5% by weight, since otherwise too large, plate-shaped (primary, nickel-rich) phases can form in the microstructure, which due to their notch effect can reduce the strength and / or service life.
  • plate-shaped (primary, nickel-rich) phases can form in the microstructure, which due to their notch effect can reduce the strength and / or service life.
  • a thermally stable primary phase network is produced with connectivity and contiguity.
  • the sum of nickel and cobalt in said aluminum alloys 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 alloys have a fine microstructure with a low content of pores and inclusions and / or little and small primary silicon, especially in the highly loaded bowl rim area.
  • 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 is advantageously described by the fact that the average length of the primary silicon about ⁇ 5 ⁇ and its maximum length is about ⁇ 10 ⁇ and the intermetallic phases and / or primary precipitates lengths of on average about ⁇ 30 ⁇ and maximum ⁇ 50 pm.
  • 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 and thus significantly increase 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 alloys for the manufacture of an engine component, in particular a piston of an internal combustion engine, according to claim 19 and the related subclaim.
  • the aluminum alloys found are processed by gravity die casting.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor beschrieben, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird und wobei die Aluminiumlegierung als Legierungselemente 7 bis < 14,5 Gew.-% Silizium, > 1,2 bis ≤ 4 Gew.-% Nickel, > 3,7 bis < 10 Gew.-% Kupfer, < 1 Gew.-% Kobalt, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,1 bis ≤ 0,7 Gew.-% Eisen, 0,1 bis ≤ 0,7 Gew.-% Mangan, > 0,1 bis < 0,5 Gew.-% Zirkonium, ≥0,1 bis ≤ 0,3 Gew.-% Vanadium, 0,05 bis 0,5 Gew.-% Titan, 0,004 bis ≤ 0,05 Gew.-% Phosphor und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist. Optional kann die Aluminiumlegierung Beryllium aufweisen, wobei der Kalziumgehalt auf ein niedriges Niveau begrenzt wird. Ferner beschreibt die Erfindung ein Motorbauteil, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei das Motorbauteil zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht und die Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens eines Verbrennungsmotors.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, Motorbauteii und Verwendung einer
Aluminiumlegierung
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 Kolben Werkstoffe 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. Mtkrorisse 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 graßer piattenformiger 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-metailischen Einschluss, der innerhalb des Kolbens vorhanden ist, geringer als 100 im 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 (Tl), 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 Motorbauteit, das zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht, und die Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Motorbauteils. Dabei weist die Aluminiumtegierung 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.
Abschließend soll die EP 1 340 827 B1 genannt werden, welche die Effekte von Beryllium in einer Aluminium- Silizium-Gusslegierung mit relativ geringer Magnesiumkonzentration beschreibt. Zugaben von 5 - 100 ppm Beryllium tragen dabei zur Bildung einer vorteilhaften, dünnen, stöchiometrischen MgO-Schicht bei, welche die Fliefifähigkeit und das Kurzzeitoxidationsverhalten der Legierung begünstigt.
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 Schwerkraftkokiilengussverfahren abgegossen wird, so dass ein höchstwarmfestes Motorbautetl 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 10 gelöst und weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den diesbezüglichen Unteransprüchen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren weist die Aiuminiumlegierung die folgenden Legierungselemente:
Silizium (Si) von etwa 7, bevorzugt von etwa 9 Gew.-% bis zu < etwa 14,5, bevorzugt bis zu < etwa 12, weiter bevorzugt bis zu < etwa 10,5 und noch weiter bevorzugt bis zu < etwa 10 Gew.-%;
Nickel (Ni) von > etwa 1 ,2, bevorzugt von > etwa 2 Gew.-% bis zu £ etwa 4, bevorzugt bis zu < etwa 3,5 und weiter bevorzugt bis zu < etwa 2 Gew.-%;
Kupfer (Cu) von > etwa 3,7, bevorzugt von > etwa 5,2 und weiter bevorzugt von > 5,5 Gew.-% bis zu < etwa 10, bevorzugt bis zu < etwa 8, weiter bevorzugt bis zu < etwa 5,5 und noch weiter bevorzugt bis zu etwa 5,2 Gew.-%;
Kobalt (Co) bis zu < etwa 1 Gew.-%, bevorzugt von > etwa 0,2 Gew.-% bis < etwa 1 Gew.-%;
Magnesium (Mg) von etwa 0,1 , bevorzugt von etwa 0,5, weiter bevorzugt von etwa 0,6, noch weiter bevorzugt von > etwa 0,65 und insbesondere bevorzugt a etwa 1 ,2 bis zu etwa 1 ,5, bevorzugt bis zu etwa 1,2 Gew.-% und noch weiter bevorzugt bis zu £ etwa 0,8 Gew.-%;
Eisen (Fe) von etwa 0,1 , bevorzugt von etwa 0,4 Gew.-% bis zu ^ etwa 0,7, bevorzugt bis zu etwa 0,6 Gew.-%;
Mangan (Mn) von etwa 0,1 Gew.-% bis zu < etwa 0,7 und bevorzugt bis zu etwa 0,4 Gew.-%; Zirkonium (Zr) von > etwa 0,1, bevorzugt von etwa > 0,2 Gew.-% bis zu < etwa 0,5, bevorzugt bis zu £ etwa 0,4 und weiter bevorzugt bis zu < etwa 0,2 Gew.-%;
Vanadium (V) von ä etwa 0,1 Gew.-% bis zu < etwa 0,3, bevorzugt bis zu < etwa 0,2 Gew.-%;
Titan (Ti) von etwa 0,05, bevorzugt von etwa 0,1 Gew.-% bis zu etwa 0,5, bevorzugt bis zu £ etwa 0,2 Gew.-%;
Phosphor (P) von etwa 0,004 Gew.-% bis zu etwa < 0,05, bevorzugt bis zu etwa 0,008 Gew.-% und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen, auf. Als Verunreinigungen können ferner oben nicht genannte Elemente angesehen werden. Das Verunreinigungsniveau kann beispielsweise 0,01 Gew.-% je Verunreinigungselement bzw. 0,2 Gew.-% in Summe betragen.
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 Muidenrandbereich 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 festig kettssteigernder Ausscheidungen, ohne dabei jedoch große plattenförmige intermetallische Phasen zu verursachen. Beispielsweise können die Legierungseigenschaften durch eine gezielte Auswahl des Cu-Gehalts in dem erfindungsgemäßen Bereich anwendungsspezifisch optimiert werden. Höhere Cu-Gehalte verbessern insbesondere die Warmfestigkeit der Legierung. Geringere Gehalte erlauben hingegen die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit und Verringerung der Dichte der Legierung, Ferner sind die erfindungsgemäßen Anteile an Kobalt und Phosphor vorteilhaft darin, dass Kobalt die Härte und (Warm-) Festigkeit der Legierung erhöht und Phosphor als Keimbildner für primäre Siliziumausscheidungen dazu beiträgt, dass diese besonders fein und gleichmäßig verteilt ausgeschieden werden. Zirkonium und Kobalt tragen zudem, insbesondere im Muidenrandbereich, zu Festigkeitssteigerungen bei erhöhten Temperaturen bei. Mit Vorteil weisen die genannten Aluminiumlegierungen 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 Kiebeneigung der Legierung in der Gießkokille vorteilhaft vermindert, wobei in dem genannten Konzentrationsbereich die Bildung plattenförmiger Phasen begrenzt bleibt.
Die oben beschriebenen Aiuminiumiegierungen können zudem von etwa 0,0005, bevorzugt von > etwa 0,006 und weiter bevorzugt von etwa 0,01 Gew.-% bis zu etwa 0,5, bevorzugt bis zu etwa < etwa 0,1 Gew.-% Beryllium (Be) enthalten, wobei der Gehalt an Kalzium auf ί etwa 0,0005 Gew.-% begrenzt ist. Aus der Zugabe von Beryllium resultiert eine besonders gute Gießbarkeit der Legierung. Dessen Zugabe in die Schmelze bewirkt eine dichte Oxidhaut auf der Schmelze, welche als Diffusionsbarriere fungiert und die Oxidation und Wasserstoffaufnahme der Schmelze reduziert. Auch kann die Diffusion von Aluminium und Magnesium nach außer verhindert werden. Obige Effekte sind insbesondere beim Einsatz von Warmhalteöfen relevant. Zusätzlich kommt es zur Bildung einer feinen/dünnen Oxidschicht an der Erstarrungsfront beim Gießen, zum Beispiel in einer Kokille, welche das Fließvermögen verbessert. Insgesamt können somit dünne Wände und feine Formstrukturen besser und ohne zusätzliche Hilfsmaßnahmen gefüllt werden. Zusätzlich dazu verbessert die Zugabe von Beryllium die Festigkeitskennwerte der Legierung insgesamt. Während der Alterung ist eine höhere Dichte an festigkeitssteigernden Ausscheidungen erzielbar. Die Zugabe von Beryllium ergänzt die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Aiuminiumiegierungen um eine Reduzierung der Oxidation der Schmelze, trägt zur besseren Gießbarkeit, insbesondere im Schwerkraftkokillenguss, bei und verbessert die Festigkeit der Legierung. Gleichzeitig ist es bevorzugt, den Kalziumgehalt auf das obige niedrige Niveau zu begrenzen. Die gleichzeitige Anwesenheit von darüber hinausgehenden Gehalten an Kalzium kann den vorteilhaften Effekten des Berylliums entgegenwirken und die Oxidation verstärken. Diesbezüglich ist ein möglichst geringer Kalziumgehalt vorteilhaft.
Besonders bevorzugte Aiuminiumiegierungen A, B, C und D der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Tabelle (Angaben in Gew.-%): Zusammensetzung A B c D min 9 9 9 7
Si
max < 10,5 < 10,5 <12 < 14,5 min >2,0 > 1,2 2
Ni
max < 3,5 < 2,0 <3,5 <4 min >5,2 >5,2 >3.7
Cu
max <10 <10 5,2 <5,5 min
Co
max <1 <1 <1 <1 min 0,5 0,5 0,5 0,1
Mg
max 1,5 1,5 1,5 1,2 min 0,1 0,1 0,1
Fe
max 0,7 0,7 0,7 £0, min 0,1 0,1 0,1
Mn
max 0,4 0,4 0,4 <0J min 0,2 0,2 0,2 >0,1
Zr
max <0,4 <0,4 0,4 <0,5 min >0,1 > 0,1 0,1
V
max <0,2 <0,2 0,3 £0,3 min 0,05 0,05 0,1
Ti
max < 0,2 <0,2 0,5 £0,2 min 0,004 0,004 0,004
P
max 0,008 0,008 0,008 < 0,05 min - - - 0,0005
Be
max - - - 0,5 min - - -
Ca
max - - < 0,0005
Rest AI und nicht zu vermeidende Verunreinigungen Die Legierungen A, B, C und D realisieren die oben gennannten technischen Vorteile, Darüber hinaus erweist sich bei Legierung A der vergleichsweise hohe Cu- und Zr-Gehalt als vorteilhaft, welcher eine Anhebung festig keitssteigernder Ausscheidungen bewirkt. Gleiches gilt für die bevorzugte Legierung B, wobei diese einen verringerten Nickelgehalt aufweist, der ferner zur Senkung der Legierungskosten betträgt. Der in Legierung C vergleichsweise erhöhte Gehalt an Zr, V und Ti trägt ebenfalls zusätzlich zur Anhebung festig keitssteigernder Ausscheidungen bei. Generell bewirkt ein erhöhter Zr-Gehalt eine weitere Verbesserung der Festigkeit. Legierung C weist besonders bevorzugt einen Si- Gehalt < 10,5 Gew.-% auf. Legierung D ist vorteilhaft darin, dass die Zugabe von Beryllium, wie oben beschrieben, das Oxidations- und Fließ verhalten der Schmelze sowie die Festigkeit der Legierung verbessert. Dieser Effekt wird noch durch den vergleichsweise geringen Mg-Gehalt und den auf ein niedriges Niveau begrenzten Ca-Gehalt weiter gesteigert. Legierung D kann zudem noch die Legierungselemente in folgenden bevorzugten Konzentrationsbereichen aufweisen: Nickel (Ni) von etwa 2 bis < etwa 3,5 Gew.-%, Kupfer (Cu) von > etwa 3,7 bis etwa 5,2 Gew.-%, Magnesium (Mg) von > etwa 0,65 bis < etwa 0,8 Gew.-%, Eisen (Fe) von etwa 0,4 bis etwa 0,6 Gew.-%, Mangan (Mn) von etwa 0,1 bis etwa 0,4 Gew.-% und für Beryllium, die oben genannten bevorzugten Konzentrationsgrenzen. Optional ist die Anwesenheit/Zugabe von Beryllium zur Verbesserung der Oxidations-, Fließ- und Festigkeitseigenschaften auch in/zu den Legierungen A, B und C möglich. Dabei sollte ebenfalls der Kalziumgehalt auf das angegebene niedrige Niveau begrenzt werden, um den vorteilhaften Effekten des Berylliums nicht entgegenzuwirken, insgesamt besteht zwischen den Legierungen A, B, C und D eine gewisse Kombinierbarkeit, sodass deren vorteilhafte technische Effekte auch zusammen in einer einzelnen Legierung realisiert werden können.
Mit Vorteil beträgt das Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan in den genannten Aluminiumlegierungen 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.
Besonders bevorzugt beträgt die Nickelkonzentrationen < 3,5 Gew.-%, da sich ansonsten zu große, plattenförmige (primäre, nickeireiche) Phasen im Gefüge ausbilden können, die aufgrund ihrer Kerbwirkung die Festigkeit und/oder Lebensdauer herabsetzen können. Bei den bevorzugten Nickelkonzentrationen größer > 1,2 Gew.-% wird ein thermisch stabiles Primärphasennetzwerk mit Konnektivität und Kontiguität erzeugt.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Summe aus Nickel und Kobalt in den genannten Aluminiumlegierungen > 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 weisen die Aluminiumlegierungen 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 Gehait 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 μηι und dessen maximale Länge ca. < 10 μηι beträgt und die intermetallischen Phasen und/oder primären Ausscheidungen Längen von im Mittel ca. < 30 μιη und maximal < 50 pm aufweisen. Die feine Mikrostruktur trägt insbesondere zur Verbesserung der thermomechanischen Ermüdungsfestigkeit bei. Eine Begrenzung der Größe der Primärphasen kann die Anfälligkeit gegen Rissinititerung 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 Aluminiumlegierungen für die Herstellung eines Motorbauteiis, insbesondere eines Kolbens eines Verbrennungsmotors, nach Anspruch 19 und dem diesbezüglichen Unteranspruch. Insbesondere werden die aufgefundenen Aluminiumlegierungen dabei im Schwerkraftkokillengussverfahren verarbeitet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird,
wobei die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungseiemente:
Silizium: 7 Gew.-% bis < 14,5 Gew.-%,
Nickel: > 1 ,2 Gew.-% bis 4 Ge .-%,
Kupfer: > 3,7 Gew.-% bis < 10 Gew.-%,
Kobalt: bis < 1 Gew.-%,
Magnesium: 0,1 Gew.-% bis 1 ,5 Gew.-%,
Eisen: 0,1 Gew.-% bis < 0,7 Gew.-%,
Mangan: 0,1 Gew.-% bis < 0,7 Gew.-%,
Zirkonium: > 0.1 Gew.-% bis < 0,5 Gew.-%,
Vanadium: ä 0,1 Gew.-% bis < 0,3 Gew.-%,
Titan: 0,05 Gew.-% bis 0,5 Gew.-%,
Phosphor: 0,004 Gew.-% bis 0,05 Gew.-%,
und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Aluminiumlegierung ferner aufweist:
Beryllium: 0,0005 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% und
Kalzium: bis < 0,0005 Gew.-%.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aiuminiumlegierung aufweist:
Silizium: 9 Gew.-% bis < 10,5 Gew.-%,
Nickel: > 2 Gew.-% bis < 3,5 Gew.- ,
Kupfer: > 5,2 Gew.-% bis < 10 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: 0,2 Gew.-% bis < 0,4 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.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aiuminiumiegierung aufweist:
Silizium: 9 Gew.-% bis < 10,5 Gew.-%,
Nickel: > 1 ,2 Gew.-% bis < 2,0 Gew.-%,
Kupfer: > 5,2 Gew.-% bis < 10 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: 0,2 Gew,-% bis < 0,4 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.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aiuminiumiegierung aufweist:
Silizium: 9 Gew.-% bis < 12 Gew.-%,
Nickel: 2 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: 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%,
Vanadium: 0,1 Gew.-% bis 0,3 Gew.-%,
Titan: 0,1 Gew.-% bis 0,5 Gew .-%,
Phosphor: 0,004 Gew.-% bis 0,008 Gew.-%,
und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Aiuminiumiegierung aufweist:
Silizium: 7 Gew.-% bis < 14,5 Gew.-%,
Nickel: bis < 4 Gew.-%,
Kupfer: bis £ 5,5 Gew.-%,
Kobalt: bis < 1 Gew.-%,
Magnesium: 0,1 Gew.-% bis 1 ,2 Gew.-%,
Eisen: 0,1 Gew.-% bis < 0,7 Gew.-%,
Mangan: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, Zirkonium: > 0,1 Gew.-% bis < 0,5 Gew.-%,
Vanadium: bis -S 0,3 Gew.-%,
Titan: bis < 0,2 Gew.-%,
Phosphor: bis £ 0,05 Gew.-%,
Beryllium: 0,0005 Gew.-% bis 0,5 Gew.-%,
Kalzium: bis < 0,0005 Gew,-%
und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen.
7. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 6, wobei in der Aluminiumiegierung ein Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan höchstens etwa 5:1 , bevorzugt das Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan etwa 2,5:1 beträgt.
8. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Summe aus Nickel und Kobalt bevorzugt > 2,0 Gew.-% und < 3,8 Gew.-% beträgt.
9. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 8, wobei die Aluminiumlegierung eine feine Mikrostruktur mit einem geringen Gehalt von Poren und Einschlüssen und/oder wenig und kleines primäres Silizium, insbesondere in einem Muldenrandbereich des Motorbauteils, aufweist, wobei die Porosität < 0,01 % und/oder der Gehalt an primärem Silizium < 1 % beträgt, wobei das primäre Silizium Längen von im Mittel < 5 pm und/oder maximale Längen < 10 pm aufweist, und die intermetallischen Phasen und/oder primären Ausscheidungen Längen von im Mittel < 30 pm und/oder maximale Längen < 50 pm aufweisen.
Motorbauteil, insbesondere Kolben für einen Verbrennungsmotor, das zumindest teilweise aus einer
Aluminiumiegierung besteht, wobei die Aluminiumiegierung die folgenden Legierungselemente: Silizium: 7 Gew,-% bis < 14,5 Gew.-%, Nickel: > 1 ,2 Gew.-% bis < 4 Gew.-%, Kupfer: > 3,7 Gew.-% bis < 10 Gew.-%, Kobalt: bis < 1 Gew.-%,
Magnesium: 0,1 Gew.-% bis 1 ,5 Gew.-%, Eisen: 0,1 Gew.-% bis < 0,7 Gew.-%, Mangan: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, Zirkonium: > 0,1 Gew.-% bis < 0,5 Gew.-%, Vanadium: 0,1 Gew.-% bis < 0,3 Gew.-%, Titan: 0,05 Gew.-% bis 0,5 Gew.-%,
Phosphor: 0,004 Gew.-% bis < 0,05 Gew.-%, und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist.
11. Motorbauteil nach Anspruch 10, wobei die Aluminiumiegierung ferner aufweist:
Beryllium: 0,0005 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% und
Kalzium: bis < 0,0005 Gew.-%.
12. Motorbauteil nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Aluminiumiegierung aufweist:
Silizium: 9 Gew.-% bis < 10,5 Gew.-%,
Nickel: > 2 Gew.-% bis < 3,5 Gew.-%,
Kupfer: > 5,2 Gew.-% bis < 10 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: 0,2 Gew.-% bis < 0,4 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. 3. Motorbauteil nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Aluminiumiegierung aufweist:
Silizium: 9 Gew.-% bis < 10,5 Gew.-%,
Nickel: > 1,2 Gew.-% bis < 2,0 Gew.-%,
Kupfer: > 5,2 Gew.-% bis < 10 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: 0,2 Gew.-% bis < 0,4 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.
14. Motorbauteü nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Aluminiumtegierung aufweist.
Silizium: 9 Gew.-% bis < 12 Gew.-%,
Nickel: 2 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 07 Gew.-%,
Mangan: 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%,
Zirkonium: 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%,
Vanadium: 0,1 Gew.-% bis 0,3 Gew.-%,
Titan: 0,1 Gew.-% bis 0,5 Gew.-%,
Phosphor: 0,004 Gew.-% bis 0,008 Gew.-%,
und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen,
15. Motorbauteil nach Anspruch 10, wobei die Alurniniumlegterung aufweist:
Silizium: 7 Gew.-% bis < 14,5
Nickel: bis s 4
Kupfer: bis s 5,5
Kobalt: bis < 1 Gew.-%,
Magnesium: 0,1 Gew.-% bis 1,2
Eisen: bis £ 0,7
Mangan: bis £ (
Zirkonium: > 0,1 Gew.-% bis < 0,5
Vanadium: bis s 0,3
Titan: bis < 0,2 Gew.-%,
Phosphor: bis s 0,05 Gew.-%,
Beryllium: 0,0005 Gew.-% bis 0,5 Gew.-%,
Kalzium: bis < 0,0005 Gew.-%
und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen.
16. Motorbauteü gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 15, 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,
17. Motorbauteil gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 16, wobei eine Summe aus Nickel und Kobalt bevorzugt > 2,0 Gew.-% und < 3,8 Gew.-% betragen soll.
18. Motorbautei! gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 17, wobei die Aluminiumlegierung eine feine Mikrostruktur mit einem geringen Gehalt von Poren und Einschlüssen und/oder wenig und kleines primäres Silizium, insbesondere in einem Muldenrandbereich des Bauteils, aufweist, wobei die Porosität < 0,01 % und/oder der Gehalt an primärem Silizium < 1 % beträgt, wobei das primäre Silizium Längen von im Mittel < 5 Mm und/oder maximale Längen < 10 μπ aufweist, und die intermetallischen Phasen und/oder primären Ausscheidungen Längen von im Mittel < 30 μιη und/oder maximale Längen < 50 μιη aufweisen.
Verwendung einer Alumintum!egierung zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines
Kolbens eines Verbrennungsmotors, wobei die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente:
Silizium: 7 Gew.-% bis < 14,5 Gew.-%,
Nickel: > 1,2 Gew.-% bis < 4 Gew.-%,
Kupfer: > 3,7 Gew.-% bis < 10 Gew.-%,
Kobalt: bis < 1 Gew.-%
Magnesium: 0,1 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%,
Eisen: 0,1 Gew.-% bis s 0,7 Gew.-%,
Mangan: 0,1 Gew.-% bis < 0,7 Gew.-%,
Zirkonium: > 0,1 Gew.-% bis < 0,5 Gew.-%,
Vanadium: > 0,1 Gew.~% bis < 0,3 Gew.-%,
Titan: 0,05 Gew.-% bis 0,5 Gew.-%,
Phosphor: 0,004 Gew.-% bis < 0,05 Gew.-%,
und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist.
20. Verwendung nach Anspruch 19, wobei die Aluminiumlegierung ferner aufweist:
Beryllium: 0,0005 Gew.~% bis 0,5 Gew.-% und
Kalzium: bis < 0,0005 Gew.-%.
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