WO2012171552A1 - KOLBEN FÜR EINEN VERBRENNUNGSMOTOR, VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES KOLBENS UND VERWENDUNG EINER LEGIERUNG ZUM GIEßEN EINES KOLBENS - Google Patents

KOLBEN FÜR EINEN VERBRENNUNGSMOTOR, VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES KOLBENS UND VERWENDUNG EINER LEGIERUNG ZUM GIEßEN EINES KOLBENS Download PDF

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Robert Willard
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F2003/0007—Monolithic pistons; One piece constructions; Casting of pistons

Definitions

  • the invention relates to a piston for a
  • Combustion engines are used, a number of requirements, such as high strength, a suitable thermal expansion, a high
  • the piston according to the invention is made of a
  • A13Sc phase, and the further precipitation coarsening of the A13 (Sc, Zr) phase is determined by the low zirconium diffusion in the aluminum.
  • scandium it should be mentioned that it with about 3 g / cm has a relatively low density and thus the weight of the piston according to the invention not
  • the two elements are not just unavoidable contaminants, but
  • Ratio of scandium and zirconium has an influence on the properties of the piston. This ratio
  • Silicon is preferably present with a lower limit of 0.001%, more preferably more than 0.1%, particularly preferably 7% and in particular at least 12%.
  • the upper limit is 25%, preferably 14.5%. In this case, the mentioned limit values can be combined with each other as desired.
  • the piston according to the invention further comprises titanium in a proportion of 0.001% to 0.3%.
  • titanium it has been found to provide a favorable grain refinement in combination with scandium.
  • the piston according to the invention is currently further
  • Impurities has no lithium.
  • Embodiments is poured. Preferred embodiments will be apparent from the foregoing.
  • Quenching for example in water. This also makes it possible to generate the so-called "frozen" state.
  • solution annealing is currently a temperature of 410 ° C to 560 ° C, in particular 480 e C to 515 ° C and / or a period of 1 to 12 hours, preferably 2 to 5
  • the invention manifests itself in the use of an alloy in one of the above embodiments for casting a piston for an internal combustion engine. This also allows the above-mentioned advantages with regard to the piston produced thereby can be achieved.

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Abstract

Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor wird aus einer Aluminium-Silizium-Legierung gegossen, die ferner Scandium und Zirkonium enthält. Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor wird der Kolben aus einer Aluminium- Silizium-Legierung gegossen, die ferner Scandium und Zirkonium enthält. Ferner wird eine Verwendung einer Aluminium-Silizium- Legierung, die ferner Scandium und Zirkonium enthält, zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor/ Verfahren zur Herstellung eines Kolbens und Verwendung einer Legierung zum Gießen eines Kolbens
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen
Verbrennungsmotor, ein Verfahren zur Herstellung eines
Kolbens und eine Verwendung einer Legierung zum Gießen eines Kolbens .
Auf dem Gebiet der Kolben für Verbrennungsmotoren ergeben sich infolge der geforderten höheren Leistungen und/oder des minimierten Kraftstoffverbrauchs höhere Kompressionsdrücke und Verbrennungstemperaturen. Diejenigen Legierungen, die für die Herstellung der Kolben in derartigen modernen
Verbrennungsmotoren verwendet werden, müssen eine Reihe von Anforderungen, wie beispielsweise hohe Festigkeit, eine geeignete thermische Ausdehnung, eine hohe
Verschleißbeständigkeit und ein geringes Gewicht erfüllen.
Stand der Technik
Aus der DE 101 17 298 Cl geht eine Aluminium-Silizium- Legierung für einen Kolben für Verbrennungsmotoren hervor, die bis zu 3 Gew.-% aus einer Mischung von mindestens zwei Elementen der seltenen Erdenmetalle aufweist. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie eine Verwendung einer Legierung hierfür zu schaffen, der in besonderer Weise den oben genannten Anforderungen gerecht wird.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.
Demzufolge ist der erfindungsgemäße Kolben aus einer
Aluminium-Silizium-Legierung gegossen, die ferner Scandium und Zirkonium enthält. Für die genannten Elemente hat sich herausgestellt, dass diese in vorteilhafter Weise sekundäre Ausscheidungen bilden, diese jedoch gleichzeitig nicht nennenswert vergröbern, so dass die Legierung dauerhaft eine hohe Festigkeit auch bei den im Verbrennungsmotor
auftretenden Temperaturen aufweist. In dem binären Aluminium- Scandium-System ist in vorteilhafter Weise eine nennenswerte Löslichkeit von Scandium gegeben. Diese Zustände lassen sich durch das Gießen und das nachfolgende Abkühlen und/oder eine Lösungsglühung und gegebenenfalls ein nachfolgendes
Abschrecken "einfrieren". In diesem eingefrorenen Zustand bilden sich beispielsweise durch ein Anlassen sekundäre
A13Sc-Teilchen, die eine Ausscheidungshärtung bewirken.
Insbesondere nach einem Anlassen kann hierdurch die
Festigkeit des Kolbens erheblich gesteigert werden. Für die Zugabe von Zirkonium ist eine weitere Verbesserung zu erwarten, da die A13Sc-Phase einen signifikanten Anteil Zirkonium lösen kann. Ferner verlangsamt das Zirkonium in vorteilhafter Weise die Vergröberung der A13Sc-Phase. Erste Untersuchungen zeigen, dass sich Zirkonium nach der
A13Sc-Ausscheidungsbildung als eine Art Kern um die
A13Sc-Phase legt, und die weitere Ausscheidungsvergröberung der A13(Sc, Zr) -Phase durch die geringe Zirkoniumdiffusion im Aluminium bestimmt wird. Für Scandium sei erwähnt, dass es mit etwa 3 g/cm eine relativ geringe Dichte aufweist und somit das Gewicht des erfindungsgemäßen Kolbens nicht
nennenswert erhöht.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Der Anteil von Scandium und Zirkonium beträgt jeweils
bevorzugt bis zu 5 Gew.-% und weiter bevorzugt bis zu
0,6 Gew.-%. Eine üntergrenze ist bei einem technisch
relevanten Wert, beispielsweise 0,001 Gew.-% zu sehen. Mit anderen Worten sind die beiden Elemente nicht lediglich als unvermeidbare Verunreinigungen, sondern als
Legierungsbestandteile vorgesehen. Eine bevorzugte
Untergrenze für die genannten Elemente liegt bei 0,05 Gew.-%. Hierbei können die genannten Grenzwerte beliebig miteinander kombiniert und beliebig für die beiden genannten Elemente unabhängig variiert werden. Im Folgenden ist unter % stets Gew.-% zu verstehen.
Bei ersten Versuchen hat sich herausgestellt, dass das
Verhältnis von Scandium und Zirkonium einen Einfluss auf die Eigenschaften des Kolbens hat. Dieses Verhältnis
(Scandium: Zirkonium) soll höchstens bei 3:1 liegen. Derzeit wird ein Verhältnis von etwa 1:1 bevorzugt.
Silizium ist bevorzugt mit einer üntergrenze von 0,001 %, weiter bevorzugt mehr als 0,1 %, besonders bevorzugt 7 % und insbesondere mit mindestens 12 % vorhanden. Die Obergrenze liegt bei 25 %, bevorzugt bei 14,5 %. Hierbei können die genannten Grenzwerte beliebig miteinander kombiniert werden.
Bevorzugt weist der erfindungsgemäße Kolben ferner Titan mit einem Anteil von 0,001 % bis 0,3 % auf. Für Titan wurde festgestellt, dass es in Kombination mit Scandium eine vorteilhafte Kornfeinung bewirkt. Für den erfindungsgemäßen Kolben wird derzeit ferner
bevorzugt, dass er mit Ausnahme von unvermeidbaren
Verunreinigungen kein Lithium aufweist.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, bei dem der Kolben aus einer Legierung in einer der oben genannten
Ausführungsformen gegossen wird. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den vorangehenden Erläuterungen.
Für das Herstellungsverfahren wird derzeit ferner bevorzugt, dass die Erstarrung mit einer Rate von mindestens 12 K/min, bevorzugt 18 K/min und weiter bevorzugt 70 K/min vorgenommen wird. Dies begünstigt in vorteilhafter Weise die Lösung von Scandium in der Aluminiummatrix.
Für die Nutzung der vorteilhaften Eigenschaften von Scandium im Rahmen der Ausscheidungshärtung wird ferner ein Anlassen des Kolbens für 10 Minuten bis 24 Stunden, bevorzugt 4 bis 8 Stunden bei 200eC bis 360°C bevorzugt. Im Hinblick auf die Vorgehensweise bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens werden die Aufsätze von M. Ocko et al. in J. Phys. F: Metall Phys., Volume 6, 1976, Seiten 703 bis 707 und M. E. Drits et al. in Russ. Metall. 1983, Nr. 1, Seiten 150 bis 153 zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Es wird ferner bevorzugt, nach dem Gießen und bevorzugt vor dem Anlassen eine Lösungsglühung und ein nachfolgendes
Abschrecken, beispielsweise in Wasser, durchzuführen. Auch hierdurch lässt sich der sogenannte "eingefrorene" Zustand erzeugen. Für die Lösungsglühung wird derzeit eine Temperatur von 410°C bis 560°C, insbesondere 480eC bis 515°C und/oder eine Zeitdauer von 1 bis 12 Stunden, bevorzugt 2 bis 5
Stunden favorisiert. Im Rahmen des Abschreckens kann ein partielles oder vollständiges Eintauchen in Wasser erfolgen. Hierbei wird für die Wassertemperatur ein Maximum von 90°C bevorzugt. Die Erfindung manifestiert sich schließlich in der Verwendung einer Legierung in einer der oben genannten Ausführungsformen zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor. Auch hierdurch können die oben genannten Vorteile im Hinblick auf den dadurch erzeugten Kolben erreicht werden.

Claims

Patentansprüche Kolben für einen Verbrennungsmotor, der aus einer
Aluminium-Silizium-Legierung gegossen ist, die ferner Scandium und Zirkonium enthält. Kolben nach Anspruch 1,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
dieser jeweils bis zu 5 %, bevorzugt bis zu 0, 6 %
Scandium und Zirkonium enthält. Kolben nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Verhältnis Scandium: Zirkonium maximal 3:1, bevorzugt etwa 1:1 beträgt. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
dieser mindestens 0,001 %, bevorzugt mehr als 0,1 %, weiter bevorzugt 7 % und insbesondere 12 % bis zu 25 %, bevorzugt bis zu 14,5 % Silizium enthält. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
dieser ferner Titan mit einem Anteil von 0,001 % bis 0,3 % enthält. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
dieser mit Ausnahme von unvermeidlichen Verunreinigungen kein Lithium enthält. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen
Verbrennungsmotor, bei dem der Kolben aus einer
Aluminium-Silizium-Legierung gegossen wird, die ferner Scandium und Zirkonium enthält. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Erstarrung mit einer Rate von mindestens 12 K/min, bevorzugt 18 K/min und weiter bevorzugt 70 K/rain erfolgt. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Kolben für 10 Minuten bis 24 Stunden, bevorzugt 4 bis 8 Stunden bei 200°C bis 360°C angelassen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
nach dem Gießen und bevorzugt vor dem Anlassen eine Lösungsglühung bei 410°C bis 560eC, bevorzugt 480°C bis 515eC für 1 bis 12 Stunden, bevorzugt 2 bis 5 Stunden und ein nachfolgendes Abschrecken in Wasser bei einer bevorzugten Wassertemperatur von maximal 90°C
durchgeführt wird. Verwendung einer Aluminium-Silizium-Legierung, die ferner Scandium und Zirkonium enthält, zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
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