EP3277854A1 - Aluminium-gusslegierung, verfahren zur herstellung eines motorbauteils, motorbauteil und verwendung einer aluminium- gusslegierung zur herstellung eines motorbauteils - Google Patents

Aluminium-gusslegierung, verfahren zur herstellung eines motorbauteils, motorbauteil und verwendung einer aluminium- gusslegierung zur herstellung eines motorbauteils

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EP3277854A1
EP3277854A1 EP16710767.1A EP16710767A EP3277854A1 EP 3277854 A1 EP3277854 A1 EP 3277854A1 EP 16710767 A EP16710767 A EP 16710767A EP 3277854 A1 EP3277854 A1 EP 3277854A1
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EP
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weight
engine component
aluminum alloy
cast aluminum
aluminum
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • 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 
    • 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

  • Cast aluminum alloy method of making an engine component, engine component and use of an aluminum casting alloy to make an engine component
  • the present invention relates to an aluminum casting alloy, a process for producing a
  • Engine component consisting at least partially of an aluminum casting alloy, and the use of an aluminum casting alloy for producing such an engine component,
  • Combustion temperatures and combustion pressures can be used, which is essentially by always
  • a piston for a combustion engine must have a high heat resistance and at the same time to be as light and firm 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 material rauss both in terms of isothermal fatigue strength (HCF) and in terms
  • thermomechanical fatigue strength (TMF).
  • TMP thermomechanical fatigue strength
  • a fine microstructure reduces the risk of microplasticity or of microcracks on relatively large primary phases (in particular of primary silicon precipitates) and thus also the risk of
  • phase size must be limited with regard to the primary silicon and the intermetallic phases that are formed.
  • the aluminum alloy has the following alloying elements: silicon: 6 wt. % to 10% by weight, nickel: 1.2% by weight % to 2% by weight, copper: 8% by weight % to 10% 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 wt.%, zirconium: 0, 2 wt. % to 0.4% by weight, vanadium: 0.1% by weight % to 0.3% by weight, titanium: 0.1% by weight to 0.5% by weight.
  • silicon 6 wt. % to 10% by weight
  • nickel 1.2% by weight % to 2% by weight
  • copper 8% by weight % to 10% 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 wt.%
  • zirconium 0, 2 wt. % to 0.4% by weight
  • Alloying elements copper and nickel as well as 11 to 13 wt. Silicon.
  • the high silicon content increases the risk of large and numerous primary silicon precipitations.
  • An object of the present invention is
  • Nickel 0, 8% by weight to ⁇ 1, 9% by weight
  • Magnesium 0, 5 Gew. -% to 1, 8 Gew. -%, Iron: wt.% To ⁇ 1.4 wt.
  • impurities have particularly favorable properties with regard to heat resistance.
  • At least one of the elements zirconium and vanadium is present, and this having a concentration of up to 0.3% by weight in the case of
  • the concentration of the alloying element iron according to the invention leads to a high proportion of intermetallic phases.
  • the other alloying elements in particular copper and nickel, however, the formation of large, plate-shaped intermetallic phases is avoided. The latter restrict both the
  • the formed intermetallic phases are finely distributed, heat-resistant and thermally stable and therefore act as strength enhancing precipitates. This results in favorable properties in terms of
  • the relatively low levels of copper and nickel also advantageously reduce the overall cost of alloying, as they are among the most costly alloying elements, so that each (partial) substitution of the two elements brings significant cost savings,
  • conventional aluminum-silicon alloys advantageously result in an alloy with fewer and smaller primary silicon phases, so that the susceptibility to crack initiation and propagation is greatly reduced, especially under TMF stress.
  • An engine component in particular a piston for an internal combustion engine, preferably consists at least partially of one of the aluminum casting alloys according to the invention.
  • Such an engine component according to the invention has a high heat resistance.
  • a piston according to the invention is in the thermally highly loaded
  • Muldenrand Scheme also only little primary silicon before, so that the alloy in particular to a very high
  • Heat resistance of a piston according to the invention leads.
  • Another aspect of the invention resides in the preferred use of the above-described aluminum casting alloy for the production of an engine component, in particular a piston of an internal combustion engine,

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Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Aluminium- Gusslegierung, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminium-Gusslegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird, ein Motorbauteil, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, zumindest teilweise bestehend aus einer Aluminium-Gusslegierung und die Verwendung einer Aluminium- Gusslegierung zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor. Dabei besteht die Aluminium-Gusslegierung aus den folgenden Legierungselementen : Silizium: 9,0 Gew. -% bis < 10,5 Gew. - %, Nickel: 0,8 Gew. - % bis < 1,9 Gew. -%, Kupfer: 1,8 Gew. -% bis < 3,6 Gew. -%, Magnesium: 0,5 Gew. - % bis 1,8 Gew. -%, Eisen: 0,9 Gew. - % bis < 1,4 Gew. -%, Zirkonium und/oder Vanadium: jeweils 0,05 bis <= 0, 3 bzw. 0,2 Gew. -%, Mangan : bis <= 0, 4 Gew. -%, Titan: bis <= 0, 15 Gew. -%, Phosphor: bis <= 0,05 Gew. -%, sowie als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen.

Description

Aluminium-Gusslegierung, Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, Motorbauteil und Verwendung einer Aluminium- Gusslegierung zur Herstellung eines Motorbauteils
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aluminium- Gusslegierung, ein Verfahren zur Herstellung eines
Motorbauteiis, insbesondere eines Kolbens für einen
Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminium»Gusslegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird, ein
Motorbauteil, das zumindest teilweise aus einer Aluminium- Gusslegierung besteht, und die Verwendung einer Aluminium- Gusslegierung 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 seit 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 rauss sowohl hinsichtlich isothermer Schwingfestigkeit (HCF) als auch hinsichtlich
thermomechanischer Ermüdungsfestigkeit (TMF) optimiert werden. Um die TMP möglichst gut 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, die die Lebensdauer des Kolbenwerkstoffs erheblich senken können. Zur Erhöhung der Lebensdauer ist bekannt, die primären Phasen möglichst klein zu halten.
Günstige mechanische Eigenschaften bei hohen
Betriebstemperaturen weisen insbesondere hochlegierte naheutektische oder übereutektische Aluminium-Silizium- Legierungen mit auf , Dabei ist hinsichtlich des Primär- Siliziums und der entstehenden intermetallischen Phasen die Phasengröße zu begrenzen.
Die DE 10 2011 083 969 Äl offenbart in diesem Zusammenhang ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils,
insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im
Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird. Dabei weist die Äluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente auf: Silizium: 6 Gew . - % bis 10 Gew. -%, Nickel : 1,2 Gew . - % bis 2 Gew. -%, Kupfer: 8 Gew . - % bis 10 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. -% . Allerdings werden zur Herstellung der
hochwarmfesten Legierung hohe Konzentrationen des
kostspieligen Elementes Kupfer benötigt .
In ähnlicher Weise fordern konventionelle Aluminium- Gusslegierungen für thermisch hochbelastbare Motorbauteil üblicherweise zwischen 5 und 7 Gew . - % für die Summe der
Legierungselemente Kupfer und Nickel sowie 11 bis 13 Gew. Silizium . Der hohe Siliziumgehalt erhöht dabei die Gefahr großer und zahlreicher primärer Siliziumausscheidungen .
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin,
eine höchstwarmfeste Aluminium-Gusslegierung zur Verfügung zu stellen, welche kostengünstig produziert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Legierung nach Anspruch 1 erreicht . Bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung ergeben sich aus den diesbezüglichen
Unteransprüchen .
Eine Aluminium-Gusslegierung, bestehend aus den
Legierungselementen
Silizium : 9 , 0 Gew. -% bis < 10,5 Gew. -% ,
Nickel : 0 , 8 Gew.-% bis < 1 , 9 Gew. -% ,
Kupfer : 1 , 8 Gew. -% bis < 3 , 6 Gew. -%,
Magnesium : 0 , 5 Gew. -% bis 1 , 8 Gew. -% , Eisen: Gew. -% bis < 1,4 Gew.
Zirkonium
und/oder Vanadium: jeweils 0,05 bis <= 0,3 bzw. 0,2 Gew . - % ,
Mangan ; bis <= 0,4 Gew. -%,
Titan: bis <= 0,15 Gew . - % ,
Phosphor : bis <= 0 , 05 Gew. -%, sowie als Rest Aluminium und nicht zu vermeidenden
Verunreinigungen weist dabei besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich Warmfestigkeit auf , Von den Elementen Zirkonium und Vanadium ist zumindest eines vorhanden, und zwar mit einer Konzentration von bis zu 0,3 Gew.-% im Fall von
Zirkonium und 0,2 Gew.-% im Fall von Vanadium, wobei sie in der obigen Liste und im Patentanspruch 1 auch durch
„Zirkonium bis <=0 , 3 Gew. -% , Vanadium bis <=0,2 Gew . - % " ersetzt werden können.
Die erfindungsgemäße Konzentration des Legierungselementes Eisen führt dabei zu einem hohen Anteil intermetallischer Phasen. Durch die Feinabstimmung hinsichtlich der weiteren Legierungselemente, insbesondere Kupfer und Nickel, wird jedoch die Bildung großer, plattenförmiger intermetallischer Phasen vermieden. Letztere beschränken sowohl die
Gießbarkeit , als auch die Festigkeit und Dauerhaltbarkeit eines aus diesem Werkstoff hergestellten Bauteils.
Stattdessen sind die gebildeten intermetallischen Phasen fein verteilt, hochwarmfest sowie thermisch stabil und fungieren daher als festigkeitssteigernde Ausscheidungen. Hieraus resultieren günstige Eigenschaften hinsichtlich der
isothermen Schwingfestigkeit und der thermomechanischen
Ermüdungsfestigkeit .
Ferner führt die im Vergleich zu konventionellen Aluminium- Silizium-Legierungen erhöhte Toleranzschwelle für Eisen die
Flexibilität bezüglich der nutzbaren Rohstoffe; So können für die Herstellung der erf indungsgemäßen Legierung kostengünstige Schrotte verwendet werden, die bisher aufgrund ihres Eisengehaltes nicht rezyklierbar waren.
Die relativ geringen Gehalte an Kupfer und Nickel erniedrigen dabei ebenfalls in vorteilhafter Weise die Gesamtkosten der Legierungsherstellung, denn sie zählen zu den kostspieligsten Legierungselementen, so dass jede (teilweise) Substitution der beiden Elemente erhebliche Kostenersparnisse einbringt ,
Die Verringerung der Siliziumkonzentration gegenüber
konventionellen Aluminium- Silizium- Legierungen führt zudem mit Vorteil zu einer Legierung mit weniger und kleineren primären Siliziumphasen, so dass die Anfälligkeit gegen Rissinitiierung und -ausbreitung vor allem unter TMF- Beanspruchung stark reduziert ist.
Mir Vorteil wird die aufgefundene Aluminium-Gusslegierung erfindungsgemäß im Schwerkraftkokillengussverfahren
verarbeitet .
Bevorzugt besteht ein Motorbauteil, insbesondere ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, zumindest teilweise aus einer der erfindungsgemäßen Aluminium-Gusslegierungen . Ein derartiges erfindungsgemäßes Motorbauteil weist eine hohe Warmfestigkeit auf. Bei einem erfindungsgemäß hergestellten Kolben liegt in dessen thermisch hoch belastetem
Muldenrandbereich zudem nur wenig primäres Silizium vor, so dass die Legierung insbesondere zu einer sehr hohen
Warmfestigkeit eines erfindungsgemäß hergestellten Kolbens führt .
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der bevorzugten Verwendung der oben ausgeführten Aluminium-Gusslegierung für die Herstellung eines Motorbauteiis , insbesondere eines Kolbens eines Verbrennungsmotors,

Claims

Patentansprüche
1. Aluminium-Gusslegierung , dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Gusslegierung aus den folgenden
Legierungselementen besteht :
Silizium: 3,0 Gew . - % bis < 10,5 Gew. -% ,
Nickel : 0,8 Gew. -% bis < 1,9 Gew. -%,
Kupfer : 1,8 Gew . - % bis < 3,6 Gew. -%,
Magnesium : 0,5 Gew . - % bis 1,8 Gew. -%,
Eisen .· 0,9 Gew. -%· bis < 1,4 Gew. -%,
Zirkonium
und/oder Vanadium : jeweils 0,05 bis <= 0 , 3 bzw. 0,2 Gew. -%,
Mangan : bis <= 0,4 Gew. -%,
Titan: bis <- 0 , 15 Gew. -%,
Phosphor : bis <= 0 , 05 Gew. -%, sowie als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende
Verunreinigungen .
2. Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass sie 9,0 Gew. - % bis 9,5 Gew. -% oder 9,5 Gew . - % bis < 10 , 5 Gew . - % Silizium enthält .
3. Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass sie 1 , 0 Gew. - % bis < 1 , 5 Gew . - % Nickel enthält.
4. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass sie > 3 , 0 Gew . - % bis < 3,6 Gew . - % Kupfer enthält .
5. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , dass sie > 0,5 Gew. -% bis < 0 , 9 Gew. -% Magnesium enthält .
6. Äluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,9 Gew. -% bis 1,1 Gew. -%
Eisen enthält ,
7. Äluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,2 Gew. -% bis 0,4 Gew. -%
Mangan enthält.
8. Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils im
Schwerkraftkokillengussverfahren, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass eine Äluminium-Gusslegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 vergossen wird.
9. Motorbauteil, insbesondere Kolben für einen
Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest teilweise aus einer Äluminium-Gusslegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 besteht,
10. Verwendung einer Äluminium-Gusslegierung zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Äluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.
EP16710767.1A 2015-04-01 2016-03-21 Aluminium-gusslegierung, verfahren zur herstellung eines motorbauteils, motorbauteil und verwendung einer aluminium- gusslegierung zur herstellung eines motorbauteils Active EP3277854B1 (de)

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