WO2008138614A1 - Verwendung einer al-mn-legierung für hochwarmfeste erzeugnisse - Google Patents

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WO2008138614A1
WO2008138614A1 PCT/EP2008/003899 EP2008003899W WO2008138614A1 WO 2008138614 A1 WO2008138614 A1 WO 2008138614A1 EP 2008003899 W EP2008003899 W EP 2008003899W WO 2008138614 A1 WO2008138614 A1 WO 2008138614A1
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aluminum
weight
temperature
alloy
manganese
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PCT/EP2008/003899
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Inventor
Babette Tonn
Hennadiy Zak
Carsten Reeb
Original Assignee
Technische Universität Clausthal
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/047—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with magnesium as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to the use of an aluminum-manganese alloy with aluminum as the main component and at least 2.1 wt.% Manganese for thermally highly resilient and heat-resistant products, a special alloy for this purpose and the products themselves. More specifically, the invention relates to heat-resistant and Wear-resistant cast aluminum alloys, such as are needed in particular for engine, turbine and engine components, with manganese as a second alloying ingredient.
  • AI cast alloys are state of the art in engine construction, and are widely used because of their low specific gravity, ease of molding, and ease of processing. Even complicated engine parts can be produced with these alloys using various casting methods.
  • Al-Si alloys A proven alloy group for the production of engine components are Al-Si alloys. These materials are typically with silicon contents between 6 and 18 wt .-%, in some cases up to 24 wt .-%, and with admixtures of 1 to 1, 5 wt .-% magnesium, between 1 and 4 wt .-% copper and frequently also between 1 and 3% by weight of nickel (catalog "Aluminum Casting Alloys", VAW-IMCO), but in this case the improvement of the mechanical strength is a deterioration of the thermo-mechanical resistance to change and corrosion resistance to.
  • VAW-IMCO catalog "Aluminum Casting Alloys"
  • US 2003/0152478 A1 discloses Al-Ni-Mn alloys with 0.5-6 wt.% Nickel, 1-3 wt.% Manganese, less than 1 wt.% Iron, less than 1 wt. -% silicon, less than 0.3 wt .-% titanium and less than 0.06 wt .-% boron, which were developed for the production of structural parts for automobiles and aerospace engineering.
  • These alloys have a low hot crack tendency, have very high ductility already in the cast state, but have the drawbacks of insufficient strength, heat resistance and wear resistance, and are thus useful for the production of engine components, such as e.g. Crankcase, cylinder heads, pistons, connecting rods and liners, unsuitable.
  • the high nickel content is a non-negligible cost driver.
  • the patent specification DE 1533297 discloses aluminum alloy with a high tensile strength and hardness and a method for its heat treatment.
  • This alloy contains 0.3-1, 2 wt .-% zirconium and 6-25 cm 3 of hydrogen per 100 g alloy weight, balance aluminum.
  • this alloy may contain one or more of the further alloying elements, namely 1-3% by weight of manganese, 0.1-1.5% by weight of silicon, 0.3-2% by weight.
  • the improvement of the mechanical properties is attributed to this patent exclusively to a high hydrogen content in combination with zirconium.
  • the subject of the patent DE 1533297 are also two variants of the method for heat treatment of a wrought alloy and a casting alloy.
  • hydrogen contents mentioned in this patent are not acceptable for quality reasons.
  • the guideline for the hydrogen content in the aluminum casting alloys is less than 5 cm 3 / 100g.
  • the invention has for its object to provide a suitable for the production of engine components in particular alloy, which has a high heat resistance and thereby allows a measured at the melting point of the aluminum alloy high thermal load during operation.
  • the alloy should have mechanical properties suitable for use, such as high strength, creep resistance and wear resistance, as well as sufficient ductility, with at the same time low susceptibility to corrosion and should be inexpensive to produce.
  • the alloy should have good casting technological properties to ensure proper production of the sophisticated components.
  • This object is achieved by the targeted adjustment of preferred concentrations of selected alloying elements in the Al-Mn alloys. Due to the amount of manganese, the high heat resistance is ensured and good corrosion properties are achieved. For the permanent preservation of these properties it is important that a certain manganese-to-iron ratio is not undershot.
  • the invention provides this solution for Al-Mn cast and wrought alloys.
  • the solution of the invention task is the use of an aluminum-manganese alloy (preferably an Al-Mn cast or wrought alloy) with aluminum as the main component, at least 2.1 wt .-% manganese and 0 to 4 wt .-% iron and other alloying constituents for thermally highly resilient and heat-resistant products, namely for machine elements, in particular engine, turbine and engine components, pistons, cylinder heads, cylinder crankcases, liners, connecting rods, camshafts, turbine blades, as well as for components in the foundry or high-temperature conveying ,
  • the condition Mn: Fe ⁇ 2 is simultaneously satisfied.
  • the term "hot strength” is to be understood as meaning that a product or component produced from the alloy can be subjected to a temperature of 0.6-0.8 theoretical temperature the hardness determined at elevated temperature and / or after prolonged thermal stress.
  • thermally highly resistant can be used to refer to an aluminum alloy component if it can be used at operating temperatures of up to 430 ° C. for extended periods without replacement or complete failure.
  • the use according to the invention for machine elements in particular engine, turbine and engine components.
  • the alloy is suitable for all products, components or machine elements that are exposed to high temperatures during operation.
  • the alloy used according to the invention contains 2.1 to 5 wt .-% manganese, optionally individually from 0 to 4 wt .-% of the following alloying constituents: iron, magnesium, silicon, chromium, cobalt, copper, zinc, nickel, vanadium, niobium , Molybdenum, tungsten, beryllium, lead, yttrium, cerium, scandium, hafnium, silver, zirconium, titanium, boron, strontium, sodium, calcium, antimony, bismuth, carbon, these total alloy minor components preferably not more than 10% by weight and aluminum and unavoidable impurities.
  • the alloy may contain minor amounts of further alloying constituents and also unavoidable impurities.
  • the aluminum content will preferably not be below 80% by weight.
  • the manganese content is preferably from 2.1 to 5% by weight and the alloying minor components preferably add up to not more than 10% by weight, more preferably not more than 6% by weight, and in particular not more than 4% by weight. % out.
  • the alloying minor components may preferably comprise the following elements: iron, magnesium, silicon, chromium, cobalt, copper, zinc, nickel, vanadium, niobium, molybdenum, tungsten, beryllium, lead, yttrium, cerium, scandium, hafnium, silver, zirconium, Titanium, boron, strontium, sodium, calcium, antimony, bismuth, carbon.
  • Iron 0.1 to 2.0% by weight, in particular 0.5 to 1.5% by weight
  • Magnesium 0.01 to 1.5% by weight, in particular 0.2 to 1.0% by weight
  • Silicon 0.01 to 2.0 wt .-%, in particular 0.3 to 1, 6 wt .-%;
  • Chromium 0.001 to 1, 0 wt .-%, in particular 0.1 to 0.6 wt .-%;
  • Cobalt 0.001 to 0.5% by weight, especially 0.1 to 0.4% by weight;
  • Copper 0.001 to 2.0% by weight, in particular 0.3 to 1.0% by weight
  • Zinc 0.001 to 2.0 wt .-%, in particular 0.1 to 1.5 wt .-%;
  • Nickel 0.001 to 0.5 wt .-%, in particular 0.3 to 0.5 wt .-%;
  • Vanadium 0.001 to 0.4 wt .-%, in particular 0.05 to 0.2 wt .-%;
  • Niobium 0.0001 to 0.6% by weight, especially 0.005 to 0.4% by weight;
  • Molybdenum 0.0001 to 0.6% by weight, especially 0.005 to 0.4% by weight
  • Tungsten 0.0001 to 0.6% by weight, especially 0.005 to 0.4% by weight
  • Beryllium 0.0001 to 0.2 wt .-%, in particular 0.005 to 0.3 wt .-%;
  • Lead 0.0001 to 0.4% by weight, especially 0.005 to 0.2% by weight;
  • Yttrium 0.0001 to 0.4% by weight, especially 0.05 to 0.3% by weight
  • Cerium 0.0001 to 0.4% by weight, especially 0.05 to 0.3% by weight
  • Scandium 0.0001 to 0.6 wt .-%, in particular 0.05 to 0.3 wt .-%;
  • Hafnium 0.0001 to 0.6% by weight, especially 0.05 to 0.3% by weight;
  • Silver 0.0001 to 1, 0 wt .-%, in particular 0.4 to 1, 0 wt .-%;
  • Zirconium 0.001 to 1.2% by weight, especially 0.3 to 0.9% by weight;
  • Titanium 0.001 to 0.8% by weight, in particular 0.15 to 0.6% by weight;
  • Strontium 0.0001 to 0.08 wt .-%, in particular 0.005 to 0.04 wt .-%;
  • Antimony 0.001 to 0.5% by weight, especially 0.1 to 0.3% by weight;
  • Bismuth 0.001 to 1.0% by weight, especially 0.1 to 0.8% by weight;
  • Carbon 0.0007 to 0.1 wt .-%, in particular 0.0015 to 0.006 wt .-%.
  • the elements silicon, magnesium, iron, cobalt, copper, zinc, nickel, vanadium, niobium, molybdenum, chromium, tungsten, beryllium, lead, yttrium, cerium, scandium, hafnium, antimony, silver, zirconium, titanium, boron, Strontium, sodium, calcium, carbon, it is possible to customize the properties of the alloy according to the invention to the particular manufacturing process and purpose of use. For example, the additions of transition elements give the casting a high structural strength at elevated temperature.
  • the alloy according to the invention may contain the elements iron, cobalt, chromium, cerium individually or in combination with one another. The contents of these elements are matched to the requirements of the casting.
  • the iron content be adjusted with the manganese content such that a ratio of Mn / Fe is greater than or equal to two. It has also been found that by adding the elements molybdenum, niobium, chromium, scandium, hafnium, vanadium, yttrium, cerium, tungsten, zirconium, titanium, antimony, silver, zinc, copper, nickel, magnesium and silicon, the strength properties the alloy of the invention can be significantly improved both at room temperature and at higher temperatures.
  • the alloy of the present invention may be additionally added with lead, carbon, strontium, sodium, calcium and beryllium singly or in combination with each other. These elements help to transform the intermetallic phases into small, spherical particles, which are distributed homogeneously in the structure and thus less impair the mechanical properties.
  • the elements vanadium and beryllium substantially reduce the tendency of the alloy according to the invention to oxidize, which occurs especially at maximum magnesium contents.
  • a certain amount of boron and / or carbon associated with titanium is required for refining, with the addition of these elements to aluminum boron, aluminum-titanium-boron and aluminum-titanium-carbon master alloys. Good refinement contributes significantly to the improvement of the mechanical properties and the castability of the alloy according to the invention.
  • Zirconium improves both the strength properties and the casting-technological properties of the alloy according to the invention by means of refinement.
  • the mechanism for the increase in high temperature strength and creep resistance can be seen in the formation of the fine zirconium aluminides, which have a high stability even at temperatures of about 300 0 C.
  • the dispersion hardening can be caused either by special heat treatment or without heat treatment by thermal stress at the use temperatures of 300 to 430 0 C.
  • the invention further comprises a special aluminum-manganese alloy (preferably an aluminum-manganese cast or wrought alloy) which is particularly suitable for the intended use within the scope of the invention.
  • This aluminum-manganese alloy comprises aluminum as the main constituent, at least 2.1% by weight of manganese, less than 0.5% by weight of nickel, and from 0 to 4% by weight of iron and other secondary alloying constituents, all in all than 10% by weight. It is particularly preferred if the manganese-to-iron ratio satisfies the condition Mn: Fe ⁇ 2.
  • the alloy may be specified as described above with reference to the use according to the invention.
  • casting methods for the processing of the alloy according to the invention, basically all casting methods are suitable. These include u.a. Sand casting, gravity die casting, low pressure die casting, differential pressure die casting, thixocasting, squeeze casting, die casting and vacuum die casting.
  • the greatest advantages are found in casting processes that proceed at high cooling rates, such as in the die casting process.
  • the production of pistons, liners and connecting rods from the alloy according to the invention can take place inter alia by forging semi-finished products. In this case, the use of extruded products or cast strands of the alloy according to the invention is particularly suitable.
  • the liners made of the alloy according to the invention can also be produced by the extrusion process according to this invention.
  • the melt can be degassed by purge gas, purge gas tablets or by vacuum.
  • a heat treatment is preferred which comprises the following steps:
  • Step 1 annealing at 300-350 0 C for 0.5-5 h
  • the invention further includes refractory products of the alloys of this invention. These are preferably machine elements and in particular engine, turbine or engine elements.
  • the invention is particularly suitable for the following products and components: pistons, cylinder heads, cylinder crankcases, liners, connecting rods, camshafts, turbine blades, components in foundry or high-temperature conveying technology.
  • Fig. 1 Yield point as a function of the storage temperature, determined in a hot tensile test after 100 hours of advance storage
  • Fig. 2 hardness as a function of the pre-storage temperature, determined at room temperature
  • Fig. 3 flow curves as a function of the pre-storage temperature, determined in the cylinder compression test. Test at storage temperature.
  • the Al alloys for engine construction also demand good hot compressive strength properties.
  • An important criterion for the evaluation of the thermal behavior under compressive stress is the flow curve of the alloy at the appropriate temperature.
  • the cylinder upsetting tests to determine the flow curve were performed with a Umformdilatometer carried out.
  • a cylindrical sample (diameter 5 mm, length 10 mm), equipped with a thermocouple, is compressed between two flat parallel tool surfaces and can be heated inductively under an inert gas atmosphere.
  • the servohydraulically actuated plungers are connected to two LVDTs and measure the change in length of the sample with a resolution of 0.05 ⁇ m.
  • the flow curve determination was carried out without consideration of friction losses, since only comparative values under identical conditions are required.

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Abstract

Für die Herstellung von thermisch hoch belastbaren und warmfesten Erzeugnissen, nämlich für Maschinenelemente, Motor- Turbinen-, und Triebwerkskomponenten, Kolben, Zylinderköpfe, Zylinderkurbelgehäuse, Laufbuchsen, Pleuel, Nockenwellen, Turbinenschaufeln, sowie für Bauteile in der Gießerei- oder Hochtemperatur-Fördertechnik, wird eine Aluminium-Mangan-Legierung mit hoher Warmfestigkeit und hoher thermischer Belastbarkeit im Betrieb vorgeschlagen, die Aluminium als Hauptbestandteil, wenigstens 2,1 Gew.-% Mangan, 0 bis 4 Gew.-% Eisen und je 0 bis 4 Gew.-% weitere Legierungsnebenbestandteile enthält.

Description

Verwendung einer Al-Mn-Legierung für hochwarmfeste Erzeugnisse
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Aluminium-Mangan-Legierung mit Aluminium als Hauptbestandteil und wenigstens 2,1 Gew.% Mangan für thermisch hochbelastbare und warmfeste Erzeugnisse, eine spezielle Legierung für diesen Verwendungszweck sowie die Erzeugnisse selbst. Genauer bezieht sich die Erfindung auf warmfeste und verschleißfeste Aluminiumgusslegierungen, wie sie insbesondere für Motor-, Turbinen- und Triebwerkskomponenten benötigt werden, mit Mangan als zweitem Legierungsbestandteil.
Die kontinuierliche Zunahme der Motorleistung in Verbindung mit höheren Leistungs- dichten stellt ständig wachsende technische Anforderungen an die Motorkomponenten aus Aluminiumlegierungen wie Zylinderköpfe, Zylinderkurbelgehäuse, Kolben, Laufbuchsen und Pleuel. Dies gilt insbesondere in Bezug auf Festigkeit, thermo- mechanische Wechselbeständigkeit, Thermoschock- und Kriechbeständigkeit bei Temperaturen bis zu 350 0C. Bei Kolbenlegierungen werden in den kommenden Jahren Einsatztemperaturen von bis zu 430 0C für Pkw-Dieselmotoren erwartet.
AI-Gusslegierungen sind Stand der Technik im Motorbau, sie finden aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichts, der einfachen Formgebung und leichten Verarbeitbarkeit vielseitig Verwendung. Auch komplizierte Motorteile lassen sich mit diesen Legierungen über verschiedene Gießverfahren herstellen.
Eine bewährte Legierungsgruppe zur Herstellung von Motorkomponenten sind Al-Si- Legierungen. Diese Werkstoffe werden typischerweise mit Siliziumgehalten zwischen 6 und 18 Gew.-%, in Einzelfällen auch bis zu 24 Gew.-%, sowie mit Beimengungen von 1 bis 1 ,5 Gew.-% Magnesium, zwischen 1 und 4 Gew.-% Kupfer und häufig auch zwischen 1 bis 3 Gew.-% Nickel legiert (Katalog „Aluminium-Gusslegierungen", VAW- IMCO). Der Verbesserung der mechanischen Festigkeit stehen aber in diesem Fall eine Verschlechterung der thermo-mechanischen Wechselbeständigkeit und der Korrosions beständigkeit gegenüber. Für die Legierungen auf Al-Cu- und Al-Mg-Si- Basis, die für Zylinderköpfe und Kurbelwellengehäuse eingesetzt werden, gilt das gleiche.
Bei allen oben genannten Al-Gusslegierungen bilden sich zwar über eine Wärmebehandlung festigkeitssteigemde Mg2Si und AI2Cu-Ausscheidungen, jedoch sind diese oberhalb 150 0C nicht stabil und daher den thermo-mechanischen Belastungen moderner Motoren nicht gewachsen. Dagegen bleiben die intermetallischen Phasen, wie AI6Mn, AI3Fe, AI7Cr, AI3Ni, AI8Fe2Si, AI7Cu4Ni, AIi5Mn3Si2, AI5FeSi, AI3Ti und AI3Zr bei thermischer Langzeitbeanspruchung nicht beeinflusst und können bei günstiger Ausbildung (Menge, Größe, Form und Verteilung) einen erheblichen Beitrag zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften der Al-Si-Legierungen für Motorbau leisten. Dabei ist es von besonderer Bedeutung, die homogene Verteilung und feine Ausbildung der in- termetallischen Phasen im Gussgefüge zu gewährleisten, um die Duktilität der Legierung und ihre gießtechnologischen Eigenschaften nicht zu beeinträchtigen.
Aus der US 2003/0152478 A1 sind Al-Ni-Mn-Legierungen mit 0,5-6 Gew.-% Nickel, 1-3 Gew.-% Mangan, weniger als 1 Gew.-% Eisen, weniger als 1 Gew.-% Silizium, weniger als 0,3 Gew.-%Titan und weniger als 0,06 Gew.-% Bor bekannt, die für die Herstellung von Strukturteilen für Automobile und Luft- und Raumfahrttechnik entwickelt wurden. Diese Legierungen haben eine geringe Warmrissneigung, weisen bereits im Gusszustand eine sehr hohe Duktilität auf, haben aber den Nachteil einer unzureichenden Festigkeit, Warmfestigkeit und Verschleißfestigkeit und sind somit für die Herstellung von Motorkomponenten, wie z.B. Zylinderkurbelgehäuse, Zylinderköpfe, Kolben, Pleuel und Laufbuchsen, ungeeignet. Außerdem ist der hohe Nickelanteil ein nicht zu vernachlässigender Kostentreiber.
Die Patentschrift DE 1533297 offenbart Aluminiumlegierung mit einer hohen Zugfestig- keit und Härte sowie ein Verfahren zu ihrer Wärmebehandlung. Diese Legierung enthält 0,3-1 ,2 Gew.-% Zirkonium und 6-25 cm3 Wasserstoff je 100 g Legierungsgewicht, Rest Aluminium. Zusätzlich kann diese Legierung eins oder mehrere der weiteren Legierungselemente, nämlich 1-3 Gew.-% Mangan, 0,1-1 ,5 Gew.-% Silizium, 0,3-2 Gew.-% Magnesium, 0,5-3 Gew.-% Nickel und 1-4 Gew.-% Kupfer enthalten. Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist nach diesem Patent ausschließlich auf einen hohen Wasserstoffgehalt in Kombination mit Zirkonium zurückzuführen. Gegenstand des Patentes DE 1533297 sind ferner zwei Verfahrensvarianten zur Wärmebehandlung einer Knetlegierung und einer Gusslegierung. Für eine Gusslegierung sind in diesem Patent genannten Wasserstoffgehalte aus Qualitätsgründen nicht akzeptabel. Es hat sich in der Gießerei-Praxis als sehr wichtig erwiesen, durch entsprechende Entga- sungsmaßnahmen den Wasserstoffgehalt in Aluminiumschmelzen möglichst gering zu halten, um die Bildung von Fehlern wie Lunker und Poren zu vermeiden. Der Richtwert für den Wasserstoffgehalt in den Aluminiumgusslegierungen liegt bei unter 5 cm3/100g.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für die Herstellung insbesondere von Motorkomponenten geeignete Legierung bereitzustellen, die eine hohe Warmfestigkeit aufweist und dadurch eine am Schmelzpunkt der Aluminiumlegierung gemessen hohe thermische Belastbarkeit im Betrieb ermöglicht. Die Legierung soll für die Verwendung geeignete mechanische Eigenschaften, wie hohe Festigkeit, Kriechfestigkeit und Verschleißfestigkeit sowie ausreichende Duktilität, bei gleichzeitig geringer Korrosionsanfäl- ligkeit besitzen und preiswert herstellbar sein. Darüber hinaus soll die Legierung gute gießtechnologische Eigenschaften haben, um eine einwandfreie Produktion der anspruchsvollen Bauteile zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die gezielte Einstellung von bevorzugten Konzentrationen an ausgewählten Legierungselementen in den Al-Mn-Legierungen gelöst. Durch den Anteil an Mangan werden die hohe Warmfestigkeit gewährleistet und gute Korrosionseigenschaften erreicht. Für den dauerhaften Erhalt dieser Eigenschaften ist wichtig, dass ein bestimmtes Mangan-zu-Eisen-Verhältnis nicht unterschritten wird. Die Erfindung sieht diese Lösung für Al-Mn-Guss- und -knetlegierungen vor.
Grundsätzlich ist zur Lösung der Erfindungsaufgabe die Verwendung einer Aluminium- Mangan-Legierung (vorzugsweise einer Al-Mn-Guss- oder -Knetlegierung) mit Aluminium als Hauptbestandteil, wenigstens 2,1 Gew.-% Mangan und je 0 bis 4 Gew.-% Eisen und weiteren Legierungsnebenbestandteilen für thermisch hochbelastbare und warmfeste Erzeugnisse, nämlich für Maschinenelemente, insbesondere Motor-, Turbinen- und Triebwerkskomponenten, Kolben, Zylinderköpfe, Zylinderkurbelgehäuse, Laufbuchsen, Pleuel, Nockenwellen, Turbinenschaufeln, sowie für Bauteile in der Gießerei- oder Hochtemperatur-Fördertechnik, vorgesehen. Vorzugsweise wird gleichzeitig die Bedingung Mn:Fe ≥ 2 erfüllt.
Der Begriff „Warmfestigkeit" ist definitionsgemäß so zu verstehen, dass ein aus der Legierung hergestelltes Erzeugnis oder Bauteil bei Temperaturen von 0,6-0,8 SoIi- dustemperatur belastbar ist. Zur Überprüfung der Warmfestigkeit wird beispielsweise die Druckfestigkeit, die Zugfestigkeit und/oder die Härte bei erhöhter Temperatur und/oder nach längerer thermischer Belastung bestimmt.
Von „thermisch hochbelastbar" kann man bei einem Bauteil aus einer Aluminium- Legierung dann sprechen, wenn dieses bei Einsatztemperaturen von bis zu 430 0C über längere Zeiträume ohne den Austausch oder komplettes Versagen genutzt werden kann.
Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Verwendung für Maschinenelemente, insbesondere Motor-, Turbinen- und Triebwerkskomponenten. Allgemein ist die Legierung für alle Erzeugnisse, Bauteile oder Maschinenelemente geeignet, die im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt werden.
Die erfindungsgemäß verwendete Legierung enthält demnach 2,1 bis 5 Gew.-% Mangan, gegebenenfalls einzeln von 0 bis 4 Gew.-% der folgenden Legierungsbestandteile: Eisen, Magnesium, Silizium, Chrom, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Molybdän, Wolfram, Beryllium, Blei, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Zirkonium, Titan, Bor, Strontium, Natrium, Calcium, Antimon, Wismut, Kohlenstoff, wobei diese Legierungsnebenbestandteile in Summe vorzugsweise nicht mehr als 10 Gew.% ausmachen sollen, und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen. Neben Aluminium als Hauptbestandteil und Mangan als der Bedeutung nach zweitem Legierungsbestandteil kann also die Legierung in untergeordneter Menge weitere Le- gierungsnebenbestandteile und auch unvermeidbare Verunreinigungen enthalten.
Der Aluminiumgehalt wird vorzugsweise nicht unter 80 Gew.-% betragen. Der Mangangehalt beträgt vorzugsweise von 2,1 bis 5 Gew.-% und die Legierungsnebenbestandteile machen vorzugsweise in Summe nicht mehr als 10 Gew.-%, weiter vorzugsweise nicht mehr als 6 Gew.-%, und insbesondere nicht mehr als 4 Gew.-% aus.
Im Einzelnen können die Legierungsnebenbestandteile bevorzugt folgende Elemente umfassen: Eisen, Magnesium, Silizium, Chrom, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Moybdän, Wolfram, Beryllium, Blei, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Zirkonium, Titan, Bor, Strontium, Natrium, Calcium, Antimon, Wismut, Kohlenstoff.
Folgende Gehalte erscheinen besonders geeignet:
Eisen: 0,1 bis 2,0 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 1 ,5 Gew.-%; Magnesium: 0,01 bis 1 ,5 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 1 ,0 Gew.-%;
Silizium: 0,01 bis 2,0 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 1 ,6 Gew.-%;
Chrom: 0,001 bis 1 ,0 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,6 Gew.-%;
Kobalt: 0,001 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,4 Gew.-%;
Kupfer: 0,001 bis 2,0 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 1 ,0 Gew.-%; Zink: 0,001 bis 2,0 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 1,5 Gew.-%;
Nickel: 0,001 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 0,5 Gew.-%;
Vanadium: 0,001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,2 Gew.-%;
Niob: 0,0001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,4 Gew.-%;
Molybdän: 0,0001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,4 Gew.-%; Wolfram: 0,0001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,4 Gew.-%;
Beryllium: 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,3 Gew.-%;
Blei: 0,0001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,2 Gew.-%;
Yttrium: 0,0001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-%; Cer: 0,0001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-%;
Scandium: 0,0001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-%;
Hafnium: 0,0001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-%;
Silber: 0,0001 bis 1 ,0 Gew.-%, insbesondere 0,4 bis 1 ,0 Gew.-%;
Zirkonium: 0,001 bis 1 ,2 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 0,9 Gew.-%;
Titan: 0,001 bis 0,8 Gew.-%, insbesondere 0,15 bis 0,6 Gew.-%;
Bor: 0,0001 bis 0,08 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 0,06 Gew.-%;
Strontium: 0,0001 bis 0,08 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,04 Gew.-%;
Natrium: 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,002 bis 0,02 Gew.-%;
Calcium: 0,0001 bis 0,006 Gew.-%, insbesondere 0,002 bis 0,004 Gew.-%;
Antimon: 0,001 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,3 Gew.-%;
Wismut: 0,001 bis 1 ,0 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,8 Gew.-%;
Kohlenstoff: 0,0007 bis 0,1 Gew.-%, insbesondere 0,0015 bis 0,006 Gew.-%.
Mit Hilfe der Elemente Silizium, Magnesium, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Molybdän, Chrom, Wolfram, Beryllium, Blei, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Antimon, Silber, Zirkonium, Titan, Bor, Strontium, Natrium, Calcium, Kohlenstoff ist es möglich, die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung auf das jeweilige Herstellungsverfahren und das Verwendungszweck speziell anzupassen. So geben beispielsweise die Zugaben von Übergangselementen dem Gussteil eine hohe Gestaltfestigkeit bei erhöhter Temperatur.
Zur Verbesserung der Ausformbarkeit kann die erfindungsgemäße Legierung die Elemente Eisen, Kobalt, Chrom, Cer einzeln oder in Kombination miteinander enthalten. Die Gehalte an diesen Elementen werden auf die Anforderungen an das Gussstück abgestimmt.
Zur Erzielung einer geringen Warmrissneigung und einer guten Kombination der mechanischen Eigenschaften ist von wesentlicher Bedeutung, dass der Eisengehalt mit dem Mangangehalt so angepasst ist, dass ein Verhältnis von Mn/Fe größer oder gleich zwei ist. Es hat sich darüber hinaus gezeigt, dass durch eine Zugabe der Elemente Molybdän, Niob, Chrom, Scandium, Hafnium, Vanadium, Yttrium, Cer, Wolfram, Zirkonium, Titan, Antimon, Silber, Zink, Kupfer, Nickel, Magnesium und Silizium die Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung sowohl bei Raumtemperatur als auch bei höheren Temperaturen deutlich verbessert werden können.
Der erfindungsgemäße Legierung kann zusätzlich Blei, Kohlenstoff, Strontium, Natrium, Calcium und Beryllium einzeln oder in Kombination miteinander zugegeben werden. Diese Elemente wirken unterstützend auf die Umwandlung der intermetallischen Phasen in kleine, kugelige Partikel, die homogen im Gefüge verteilt sind und auf diese Weise die mechanischen Eigenschaften weniger beeinträchtigen.
Die Elemente Vanadium und Beryllium reduzieren wesentlich die Oxidationsneigung der erfindungsgemäßen Legierung, die besonders bei maximalen Magnesiumgehalten verstärkt auftritt.
Eine gewisse Menge an Bor und/oder Kohlenstoff in Verbindung mit Titan wird zur Komfeinung benötigt, wobei die Zugabe von diesen Elementen mit Aluminium-Bor, Aluminium-Titan-Bor- und Aluminium-Titan-Kohlenstoff-Vorlegierungen erfolgt. Eine gute Komfeinung trägt wesentlich zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Gießbarkeit der erfindungsgemäßen Legierung bei.
Zirkon verbessert sowohl die Festigkeitseigenschaften als auch die gießtechnologische Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung durch Komfeinung. Außerdem ist es möglich, durch Zirkoniumzusätze einen Dispersionshärtungseffekt in der erfindungsgemäßen Legierung zu erzielen. Der Mechanismus für die Erhöhung von Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit ist in der Bildung der feinen zirkoniumhaltigen Aluminiden zu sehen, die eine große Stabilität auch bei Temperaturen von über 300 0C aufweisen. Von Vorteil ist es auch, dass die Dispersionsaushärtung entweder durch spezielle Wärmebehandlung oder auch ohne Wärmebehandlung durch thermische Belastung bei den Einsatztemperaturen von 300 bis 430 0C hervorgerufen werden kann. Die Erfindung umfasst weiterhin eine spezielle Aluminium-Mangan-Legierung (vorzugsweise eine Aluminium-Mangan-Guss- oder -Knetlegierung), die für den im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Verwendungszweck besonders geeignet ist. Diese Aluminium- Mangan-Legierung weist Aluminium als Hauptbestandteil, wenigstens 2,1 Gew.-% Mangan, weniger als 0,5 Gew.-% Nickel und je 0 bis 4 Gew.-% Eisen und weitere Legierungsnebenbestandteile, die in Summe nicht mehr als 10 Gew.-% ausmachen, auf. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Mangan-zu-Eisen-Verhältnis die Bedingung Mn:Fe ≥ 2 erfüllt. Weiterhin kann die Legierung wie oben anhand der erfindungsgemäßen Verwendung beschrieben näher spezifiziert sein.
Zur Verarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung sind grundsätzlich alle Gießverfahren geeignet. Hierzu gehören u.a. Sandguss, Schwerkraft-Kokillenguss, Niederdruck- Kokillenguss, Differenzdruck-Kokillenguss, Thixocasting, Squeeze-Casting, Druckguss und Vakuum-Druckguss. Die größten Vorteile ergeben sich bei Giessverfahren, die mit hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten ablaufen, wie beispielweise beim Druckgiessver- fahren. Die Herstellung von Kolben, Laufbuchsen und Pleueln aus der erfindungsgemäßen Legierung kann unter anderem durch Schmieden von Halbzeugen erfolgen. Hierbei bietet sich besonders der Einsatz von Strangpressprodukten oder gegossenen Strängen aus der erfindungsgemäßen Legierung an.
Die Laufbuchsen aus der erfindungsgemäßen Legierung können nach dieser Erfindung auch mit dem Strangpressverfahren hergestellt werden.
Um eine ausreichende Schmelzequalität zu gewährleisten, kann die Schmelze durch Spülgas, Spülgastabletten oder auch durch Vakuum entgast werden.
Obwohl im Gusszustand schon gute mechanische Werte vorhanden sind, können aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellte Gussteile allen bekannten Wärmebe- handlungen unterzogen werden. Bevorzugt ist eine Wärmebehandlung, die folgende Schritte umfasst:
1) ein Glühen bei einer Temperatur zwischen 300 und 350 0C für eine halbe Stunde bis zu fünf Stunden, 2) ein Glühen bei einer Temperatur zwischen 350 und 500 0C für eine halbe Stunde bis zu fünf Stunden,
3) ein Abkühlen an Luft.
Zur Einstellung der maximalen Festigkeitseigenschaften bei erfindungsgemäßen Legierungen mit Zirkoniumgehalten bis 0,3 Gew.-% bietet sich folgende Wärmebehandlung an:
1. Schritt: Glühen bei 300-350 0C für 0,5-5 h, 2. Schritt: Glühen bei 450-500 0C für 0,5-5 h, 3. Schritt: Abkühlen an der Luft
Bei Zirkoniumgehalten von 0,3 bis 1,2 Gew.-% zeigte sich als besonders vorteilhaft folgende Wärmebehandlung:
1. Schritt: Glühen bei 300-350 0C für 0,5-5 h,
2. Schritt: Glühen bei 350-450 0C für 0,5-5 h,
3. Schritt: Abkühlen an der Luft
Die Erfindung umfasst ferner hochwarmfeste Erzeugnisse aus den Legierungen nach dieser Erfindung. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um Maschinenelemente und insbesondere um Motor-, Turbinen- oder Triebwerkselemente.
Allgemein ist die Erfindung für folgenden Erzeugnisse und Bauteile besonders geeignet: Kolben, Zylinderköpfe, Zylinderkurbelgehäuse, Laufbuchsen, Pleuel, Nockenwellen, Turbinenschaufeln, Bauteile in der Gießerei- oder Hochtemperaturfördertechnik.
Unter Bezugnahme auf die Figuren soll die Erfindung anhand von Beispielen noch näher erläutert werden, ohne dass die Erfindung auf die Beispiele beschränkt ist.
Es zeigen: Fig. 1: Dehngrenze als Funktion der Vorauslagerungstemperatur, ermittelt im Warmzugversuch nach 100 h Vorauslagerung
Fig. 2: Härte in Abhängigkeit von der Vorauslagerungstemperatur, ermittelt bei Raumtemperatur
Fig. 3: Fließkurven in Abhängigkeit von der Vorauslagerungstemperatur, ermittelt im Zylinderstauchversuch. Prüfung bei Vorauslagerungstemperatur.
Beispiel 1. Zugversuche bei erhöhten Temperaturen
Als Referenzlegierungen dienten folgende Werkstoffe:
Legierung AISiI 7Cu4Mg. Einsatzgebiet: Zylinderkurbelgehäusen, Kolben.
Legierung AICu5Ni1 ,5CoSbZr. Einsatzgebiet: hochbeanspruchte Zylinderköpfe.
Die chemische Zusammensetzung der Referenzlegierungen ist der Tabelle 1 zu ent- nehmen.
Tabelle 1. Chemische Zusammensetzung der Referenzlegierungen und der erfindungsgemäßen Legierung
Figure imgf000012_0001
Geschmolzen wurde in einem widerstandsbeheizten Tiegelofen mit einer Tiegelkapazität von 3 kg. Die Schmelze- und Gießtemperatur wurde auf 100 0C über der Liqui- dustemperatur eingestellt. Für die Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften wurden die obigen Legierungen in einer Kokille nach DIN 29531 abgegossen und Probestäbe mit dem Probendurchmesser von 6 mm nach DIN 50125 mechanisch gefertigt. Die Legierung AISiI 7Cu4Mg wurde im Zustand T6 und die Legierung Al- Cu5Ni1 , 5CoSbZr im Zustand T7 untersucht. Die erfindungsgemäßen Legierung AIMn3ZrO,8CrO,6 wurde bei 400 0C 5 Stunden geglüht. Anschließend wurden die Proben dieser Legierung an der Luft abgekühlt und zeigten in diesem Zustand folgende mechanische Eigenschaften: Rm 214 MPa, Rpo,2 210 MPa, A5 0,4 %. Die Ergebnisse der Warmzugversuche nach der Vorauslagerung 100 h bei der Testtemperatur sind in Fig.1 dargestellt.
Beispiel 2. Härte in Abhängigkeit von der Vorauslagerungstemperatur
Um den Einfluss thermischer Belastung über einen längeren Zeitraum auf die Eigenschaften der AI-Legierungen zu ermitteln, wurden die abgegossenen Probestäbe für alle drei Legierungen zusätzlich 500 Stunden bei 250 0C, 350 0C und 400 0C vorausgelagert. Die Ergebnisse dieser Versuche gibt Fig.2 wieder. Man kann erkennen, dass die erfindungsgemäße Legierung AIMn3ZrO,8CrO,6 den Referenzlegierungen deutlich überlegen ist. Während bei den bekannten Legierungen eine zunehmende Vorauslagerungstemperatur die Härtewerte vermindert, kommt es bei der erfindungsgemäßen Le- gierung im Temperaturintervall von 250 0C bis 350 0C sogar zur Steigerung der Härte, was sich mit den Aushärtungseffekten der AI-Matrix durch zirkonhaltige Ausscheidungen erklärt. Somit ist für Al-Mn-Gusslegierungen nach langer thermischer Beanspruchung eine deutlich bessere Verschleißfestigkeit als für Referenzlegierungen zu erwarten.
Beispiel 3. Zylinderstauchversuche zur Ermittlung der Fließkurve bei hohen Temperaturen
Neben guten Warmfestigkeitseigenschaften im Zugversuch werden von den Al- Legierungen für den Motorbau auch gute Warmdruckfestigkeitseigenschaften verlangt. Ein wichtiges Kriterium für die Bewertung des Warmverhaltens bei Druckbeanspruchung ist die Fließkurve der Legierung bei entsprechender Temperatur. Die Zylinderstauchversuche zur Ermittlung der Fließkurve wurden mit einem Umformdilatometer durchgeführt. Eine zylindrische Probe (Durchmesser 5 mm, Länge 10 mm), mit einem Thermoelement versehen, wird zwischen zwei ebenen parallelen Werkzeugflächen ge- staucht und kann unter Inertgasatmosphäre induktiv beheizt werden. Die servohydrau- lisch betätigten Stempel sind mit zwei LVDTs verbunden und messen die Längenänderung der Probe mit einer Auflösung von 0,05 μm. Die Fließkurvenermittlung wurde ohne Berücksichtigung von Reibungsverlusten durchgeführt, da lediglich Vergleichswerte bei identischen Bedingungen gefordert sind.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass die Fließgrenze der erfindungsgemäßen Legierung im Temperaturbereich 350-450 0C nach 100 h Vorauslagerung bei Prüftemperatur doppelt so hoch ist wie die der Kolben- und Motorblocklegierung AISM7Cu4Mg.
ML/rü

Claims

Patentansprüche:
1. Verwendung einer Aluminium-Mangan-Legierung mit Aluminium als Hauptbestandteil, wenigstens 2,1 Gew.-% Mangan, O bis 4 Gew.-% Eisen und je O bis 4
Gew.-% weiteren Legierungsnebenbestandteilen für thermisch hochbelastbare und warmfeste Erzeugnisse, nämlich für Maschinenelemente, insbesondere Motor-, Turbi- nen- und Triebwerkskomponenten, Kolben, Zylinderköpfe, Zylinderkurbelgehäuse, Laufbuchsen, Pleuel, Nockenwellen, Turbinenschaufeln, sowie für Bauteile in der Gießerei- oder Hochtemperatur-Fördertechnik.
2. Verwendung nach Anspruch 1 , wobei die Bedingung Mn:Fe ≥ 2 erfüllt ist.
3. Aluminium-Mangan-Legierung mit Aluminium als Hauptbestandteil, wenigstens 2,1 Gew.-% Mangan, weniger als 0,5 Gew.-% Nickel, je 0 bis 4 Gew.-% Eisen und weiteren Legierungsnebenbestandteilen, die in Summe nicht mehr als 10 Gew.-% ausmachen und wobei zusätzlich die Bedingung Mn:Fe ≥ 2 erfüllt ist, für die Verwendung gemäß Anspruch 1 oder 2.
4. Aluminium-Mangan-Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mangangehalt von 2,1 bis 5 Gew.-% beträgt.
5. Aluminium-Mangan-Legierung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsnebenbestandteile in Summe nicht mehr als 6 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr als 4 Gew.-% ausmachen.
6. Aluminium-Mangan-Legierung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Legierungsnebenbestandteile folgende Elemente umfassen: Eisen, Magnesium, Silizium, Chrom, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Moybdän, Wolfram, Beryllium, Blei, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Zirkonium, Titan, Bor, Strontium, Natrium, Calcium, Antimon, Wismut, Kohlenstoff.
7. Aluminium-Mangan-Legierung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einer Wärmebehandlung unterzogen wurde, die folgende Schritte umfasst:
1) ein Glühen bei einer Temperatur zwischen 300 und 350 0C für eine halbe Stunde bis 5 Stunden, 2) ein Glühen bei einer Temperatur zwischen 350 und 500 0C für eine halbe Stunde bis 5 Stunden, 3) ein Abkühlen an Luft.
8. Hochwarmfestes Erzeugnis aus einer Legierung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7.
9. Hochwarmfestes Erzeugnis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Motor-, Turbinen- oder Triebwerkselement handelt.
10. Hochwarmfestes Erzeugnis nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eines der folgenden Bauteile handelt: Kolben, Zylinderkopf, Zylinderkurbelgehäuse, Laufbuchse, Pleuel, Nockenwelle, Turbinenschaufel, Bauteil in der Gießereioder Hochtemperatur-Fördertechnik.
ML/rü
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