WO2022058166A1 - Aluminiumlegierung, verfahren zur herstellung eines motorbauteils und motorbauteil - Google Patents

Aluminiumlegierung, verfahren zur herstellung eines motorbauteils und motorbauteil Download PDF

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WO2022058166A1
WO2022058166A1 PCT/EP2021/074121 EP2021074121W WO2022058166A1 WO 2022058166 A1 WO2022058166 A1 WO 2022058166A1 EP 2021074121 W EP2021074121 W EP 2021074121W WO 2022058166 A1 WO2022058166 A1 WO 2022058166A1
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Roman Morgenstern
Rainer Weiss
Klaus Lades
Andreas Hörauf
Robert Willard
Thomas Kirste
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Federal-Mogul Nürnberg GmbH
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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
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon 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
    • C22F1/043—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 silicon as the next major constituent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0084—Pistons  the pistons being constructed from specific materials

Definitions

  • the present invention relates to an aluminum alloy, a method for producing an engine component, and an engine component that consists at least partially of an aluminum alloy.
  • the invention is based on the object of finding a light aluminum alloy that is nevertheless highly heat-resistant and has a casting process and heat treatment that is tailored to it.
  • the microstructural distribution, morphology, composition and thermal stability of all phases play a special role here.
  • the microstructure should be optimized taking into account a minimum content of pores and oxidic inclusions.
  • the piston material sought was to be optimized primarily with regard to its density, but also with regard to isothermal fatigue strength (High Cycle Fatigue HCF) and thermomechanical fatigue strength (Thermo Mechanical Fatigue TMF).
  • pistons are mass-produced using gravity die casting.
  • quenching of pistons in water and artificial aging for several hours in the furnace are also known.
  • DE 10 2011 083 969 A1 discloses a method for producing an engine component, in particular a piston for an internal combustion engine, in which an aluminum alloy is cast using the gravity die casting method.
  • the aluminum alloy has the following alloying elements: silicon: 6% by weight to 10% by weight, nickel: 1.2% by weight to 2% by weight, copper: 8% by weight to 10% by weight. -%, magnesium: 0.5% to 1.5% by weight, iron: 0.1% to 0.7% by weight, manganese: 0.1% to 0 .4% by weight, zirconium: 0.2% by weight 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.
  • high concentrations of the expensive element copper are required to produce the high-temperature alloy.
  • DE 10 2018 210 007 A1 discloses an aluminum alloy which, in addition to aluminum and unavoidable impurities, has the following alloying elements: silicon: 10% by weight to ⁇ 13% by weight, nickel: up to ⁇ 0.6% by weight %, copper: 1.5% to ⁇ 3.6% by weight, magnesium: 0.5% to 1.5% by weight, iron: 0.1% by weight up to 0.7% by weight, manganese: 0.1 to 0.4% by weight, zirconium: >0.1 to ⁇ 0.3% by weight, vanadium: >0.08 to ⁇ 0, 2% by weight, titanium: 0.05 to ⁇ 0.2% by weight and phosphorus: 0.0025 to 0.008% by weight.
  • the microstructure of the alloy does not have the primary precipitations formed according to the invention, which are the cause of the significantly improved web strength in the pistons made from an alloy according to the invention.
  • one object of the present invention is therefore to provide an aluminum alloy that can be cast in gravity die casting, has a low density and still contains an increased proportion of finely divided, highly heat-resistant, thermally stable phases and, preferably, in the thermally highly stressed phase Bowl edge area or bottom area, has silicon precipitates in an advantageous form. Furthermore, the present invention has set itself the task of significantly increasing the web strength of pistons made from the alloy mentioned.
  • An aluminum alloy in particular an aluminum
  • Nickel up to ⁇ 0.6 wt. -%
  • zirconium > 0.1 to ⁇ 0.3% by weight
  • Vanadium > 0.08 to ⁇ 0.2% by weight
  • Titanium 0.05 to ⁇ 0.2% by weight
  • Phosphorus 0.0025 to 0.008% by weight, and the remainder being aluminum and those that cannot be avoided
  • the significantly reduced copper and nickel contents compared to the prior art reduce the overall costs of alloy production in an advantageous manner, because they are among the most expensive alloying elements, so that any (partial) substitution or Salary reduction of the two elements brings significant cost savings.
  • this reduces the density of the aluminum material.
  • the present invention is characterized in that due to the optimal matching of the alloying elements magnesium, iron, manganese, zirconium, vanadium and titanium, despite a significant reduction in the contents of the elements copper and nickel otherwise required for high thermal resilience, good and sufficient strength is nevertheless ensured .
  • the content of silicon according to the invention serves to achieve good castability of the aluminum material.
  • a central aspect of the aluminum alloy according to the invention lies in the rounding or shaping of the primary precipitations in the structure.
  • This indentation is the result of a specially adapted heat treatment and leads to significantly improved ductility and higher strength at low temperatures.
  • the rounding or indentation of the primary precipitations according to the invention is characterized in that the primary precipitations contained in the alloy have an average roundness of >0.47.
  • the roundness (circularity) is determined in accordance with the following equation:
  • C ( 4nA/P 2 ) C describes the roundness of the respective elimination, A denotes the area of the elimination and P denotes the circumference of the elimination.
  • the heat treatment mentioned advantageously also leads to a rounding of the intermetallic phases, which preferably have an average roundness of >0.44.
  • the above alloy according to the invention contains only the components listed and unavoidable impurities, i.e. components in low concentrations which have not been deliberately added as functional components.
  • the alloy according to the invention is in particular free of beryllium (Be) and/or calcium (Ca).
  • the aluminum alloy or cast aluminum alloy according to the invention contains 11.0 to ⁇ 12.5% silicon and/or 1.8 to ⁇ 2.6% by weight copper and/or 0.8% by weight to 1.2% by weight magnesium and/or 0.4% by weight to 0.6% by weight iron.
  • the aluminum alloy or cast aluminum alloy according to the invention advantageously has a ratio of iron and manganese of 2:1 and preferably between 2:1 and 5:1 and/or a sum of the contents of iron and manganese that is 0.9 wt. -% does not exceed, on.
  • concentration ranges mentioned represent an optimal compromise between the key factors of material properties, weight/density and costs.
  • a further aspect of the invention lies in the method for producing an engine component, in particular a piston for an internal combustion engine, in which the aforementioned aluminum alloy is cast using the gravity die casting method and the resulting casting is then subjected to a heat treatment at 470° C. to 530° C. for a period of 30 minutes to 8 hours.
  • This heat treatment ensures the desired rounding/shaping of the primary precipitates, which as a result ensures improved ductility and strength and ultimately also improved web strength when manufacturing a piston.
  • a particularly advantageous synergistic effect is achieved by combining the heat treatment mentioned with the alloying elements titanium, zirconium and vanadium in the concentrations according to the invention, since these elements maintain the network of primary phases and thus lead to improved mechanical properties at high temperatures.
  • Particularly advantageous microstructures can be achieved at temperatures between 490° C. and 515° C., particularly preferably between 505° C. and 515° C., and/or with heat treatment times of between one hour and three hours.
  • the heat treatment is advantageously followed, preferably immediately, by quenching below the lowest limit of the aging temperature within a period of 2 seconds to 2 minutes.
  • the lowest limit of the aging temperature is 160 °C.
  • the casting is aged in the temperature range from 160° C. to 250° C. for a period of 3 hours to 36 hours, preferably up to 20 hours.
  • this aging ensures sufficient thermal stability without piston seizures during engine operation, but on the other hand it also ensures a high initial hardness and thus strength in colder regions of the engine component.
  • An engine component according to the invention in particular a piston for an internal combustion engine, preferably consists at least partially of one of the aforementioned aluminum alloys according to the invention.
  • Such an engine component has improved (hot) strength, ductility and web strength.

Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Aluminium-Gusslegierung, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird sowie ein Motorbauteil, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, zumindest teilweise bestehend aus einer Aluminiumlegierung. Dabei besteht die Aluminiumlegierung aus den folgenden Legierungselementen: Silizium: 10 Gew.-% bis < 13 Gew.-%, Nickel: bis < 0,6 Gew.-%, Kupfer: 1,5 Gew.-% bis < 3,6 Gew.-%, Magnesium: 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, Eisen: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, Mangan: 0,1 bis 0,4 Gew.-%, Zirkonium: > 0,1 bis < 0,3 Gew.-%, Vanadium: > 0,08 bis < 0,2 Gew.-%, Titan: 0,05 bis < 0,2 Gew.-%, Phosphor: 0,0025 bis 0,008 Gew.-%, sowie als Rest aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen. Darüber hinaus weist das Gefüge der Legierung eingeformte Primärausscheidungen auf.

Description

Aluminiumlegierung , Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils und Motorbauteil
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betri f ft eine Aluminiumlegierung, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils sowie ein Motorbauteil , das zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht .
STAND DER TECHNIK
Getrieben von der ökonomischen und ökologischen Forderung nach Verbrauchs- und emissionsoptimierten Transportmitteln ist in den letzten 15 Jahren eine rasante Entwicklung immer leistungs fähigerer und emissionsärmerer Motoren gelungen . Ein entscheidender Schlüssel für diesen kontinuierlichen Fortschritt sind Kolben, die bei immer höheren Verbrennungstemperaturen und -drücken eingesetzt werden können, aber trotzdem ein geringes Gewicht aufweisen . Dies wird im Wesentlichen durch die Entwicklung leistungs fähigerer Kolbenwerkstof fe ermöglicht .
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde , eine leichte und trotzdem höchstwarmfeste Aluminiumgusslegierung mit hierauf abgestimmten Gießprozess und Wärmebehandlung zu finden . Hierbei spielt vor allem die mikrostrukturelle Verteilung, Morphologie , Zusammensetzung und thermische Stabilität aller Phasen eine besondere Rolle . Die Optimierung der Mikrostruktur sollte dabei unter Berücksichtigung eines minimalen Gehalts an Poren und oxidischen Einschlüssen vorgenommen werden . Der gesuchte Kolbenwerkstof f sollte vor allem hinsichtlich seiner Dichte , aber auch bezüglich der isothermen Schwingfestigkeit (High Cycl e Fa tigue HCF) und der thermomechanischen Ermüdungs festigkeit ( Thermo Mechani cal Fa tigue TMF) optimiert werden . Unter TMF-Beanspruchung treten an relativ großen primären Phasen, insbesondere an primären Sili ziumausscheidungen, aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoef fi zienten der einzelnen Bestandteile der Legierung, nämlich der Matrix und der primären Phasen, Mikroplasti zitäten bzw . Mikrorisse auf , die die Lebensdauer des Kolbenwerkstof fs erheblich senken können . Zur Erhöhung der Lebensdauer ist es daher vorteilhaft , die primären Phasen möglichst klein zu halten . Zusammenfassend sollte , um die TMF-Eigenschaf ten des Kolbenwerkstof fes zu verbessern, seine feine Mikrostruktur angestrebt werden, die das Potential zur Entstehung von Mikroplasti zität bzw . Mikrorissen an relativ großen primären Phasen (vor allem primären Sili ziumausscheidungen) verringert und somit die Anfälligkeit gegen Rissinitiierung und -ausbreitung reduziert . Insbesondere soll der Werkstof f ferner einen hohen Widerstand gegen sogenannte Stegbrüche aufweisen .
Die Zugabe von festigkeitssteigernden, aber schweren und teuren Elementen wie z . B . Kupfer und Nickel erhöht vor allem die Dichte des Kolbenwerkstof fes und damit das Gewicht des Kolbens . Hierbei gilt es immer, einen Kompromiss aus Dichte , Festigkeit und Kosten zu finden .
Wie beim Druckguss gibt es j edoch auch beim Schwerkraf tkokillenguss eine Konzentrationsobergrenze , bis zu der Legierungselemente eingebracht werden sollten und bei deren Überschreiten die Gießbarkeit der Legierung erschwert oder unmöglich gemacht wird . Darüber hinaus kommt es bei zu hohen Konzentrationen von festigkeitssteigernden Elementen zur Bildung großer plattenförmiger intermetallischer Phasen, die die Ermüdungsfestigkeit (vor allem HCF, aber auch TMF) drastisch absenken.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Kolben in Serie im Schwerkraf tkokillenguss hergestellt werden. Grundsätzlich sind ferner das Abschrecken von Kolben in Wasser und das Warmauslagern für mehrere Stunden im Ofen vorbekannt.
Die DE 10 2011 083 969 Al 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 Aluminiumlegierung 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.-%. Hier werden zur Herstellung der hochwarmfesten Legierung hohe Konzentrationen des kostspieligen Elementes Kupfer benötigt.
In der DE 10 2018 210 007 Al wird eine Aluminiumlegierung offenbart, die neben Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente aufweist: Silizium: 10 Gew.-% bis < 13 Gew.-%, Nickel: bis zu < 0, 6 Gew.-%, Kupfer: 1,5 Gew.-% bis < 3, 6 Gew.-%, Magnesium: 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, Eisen: 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, Mangan: 0,1 bis 0,4 Gew.-%, Zirkonium: > 0,1 bis zu < 0,3 Gew.-%, Vanadium: > 0,08 bis < 0,2 Gew.-%, Titan: 0,05 bis < 0,2 Gew.-% und Phosphor: 0,0025 bis 0,008 Gew.-%. Das Gefüge der Legierung weist jedoch nicht die erfindungsgemäß eingeformten Primärausscheidungen auf, die ursächlich für die deutlich verbesserte Stegfestigkeit in den aus einer erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Kolben ist. DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in Anbetracht der geschilderten Herausforderungen daher darin, eine Aluminiumlegierung bereitzustellen, die sich im Schwerkraf tkokillenguss abgießen lässt, eine geringe Dichte aufweist und trotzdem einen erhöhten Anteil fein verteilter, hochwarmfester, thermisch stabiler Phasen enthält sowie, bevorzugt im thermisch hochbelasteten Muldenrandbereich oder Bodenbereich, Siliziumausscheidungen in vorteilhafter Form aufweist. Ferner hat die vorliegende Erfindung es sich zur Aufgabe gemacht, die Stegfestigkeit von aus der genannten Legierung hergestellten Kolben deutlich zu erhöhen.
Die vorstehend formulierten Ziele werden durch die Legierung nach Anspruch 1 erreicht. Bevorzugte Aus führungs formen der Legierung ergeben sich aus den entsprechenden Unteransprüchen .
Eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Aluminium-
Gusslegierung, welche aus den Legierungselementen
Silizium: 10 Gew.-% bis < 13 Gew.-%,
Nickel : bis < 0, 6 Gew . -% ,
Kupfer : 1,5 Gew.-% bis < 3, 6 Gew.-%,
Magnesium: 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%,
Eisen : 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%,
Mangan : 0,1 bis 0,4 Gew.-%,
Zirkonium: > 0,1 bis < 0,3 Gew.-%,
Vanadium: > 0,08 bis < 0,2 Gew.-%,
Titan: 0,05 bis < 0,2 Gew.-%,
Phosphor : 0,0025 bis 0,008 Gew.-%, sowie als Rest aus Aluminium und nicht zu vermeidenden
Verunreinigungen besteht, weist besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich Warmfestigkeit auf und eignet sich durch die im Vergleich zum Stand der Technik reduzierte Dichte zur Herstellung gewichtsreduzierter und hoch belastbarer Kolben für Verbrennungsmotoren .
Die im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verringerten Gehalte an Kupfer und Nickel erniedrigen einerseits in vorteilhafter Weise die Gesamtkosten der Legierungsherstellung, denn sie zählen zu den kostspieligsten Legierungselementen, so dass j ede ( teilweise ) Substitution bzw . Gehaltsreduzierung der beiden Elemente erhebliche Kostenersparnisse einbringt . Andererseits wird dadurch die Dichte des Aluminiumwerkstof fes verringert . Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus , dass aufgrund der optimalen Abstimmung der Legierungselemente Magnesium, Eisen, Mangan, Zirkonium, Vanadium und Titan trotz deutlicher Verringerung der für hohe thermische Belastbarkeit sonst notwendigen Gehalte der Elemente Kupfer und Nickel dennoch eine gute und ausreichende Festigkeit gewährleistet wird . Der erfindungsgemäße Gehalt an Sili zium dient dem Erreichen einer guten Gießbarkeit des Aluminiumwerkstof fes .
Ein zentraler Aspekt der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung liegt in der Einrundung beziehungsweise Einformung der Primärausscheidungen im Gefüge . Diese Einformung ist Resultat einer speziell angepassten Wärmebehandlung und führt zu einer signi fikant verbesserten Duktilität sowie einer höheren Festigkeit bei niedrigen Temperaturen . Im Ergebnis führt die Verwendung einer solchen Legierung in der Herstellung von Kolben somit zu einer verbesserten Stegfestigkeit . Die erfindungsgemäße Einrundung beziehungsweise Einformung der Primärausscheidungen zeichnet sich dadurch aus , dass die in der Legierung enthaltenen Primärausscheidungen eine durchschnittliche Rundheit von >0 , 47 aufweisen . Die Rundheit ( Circularity) wird dabei in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung bestimmt :
C = ( 4nA/P2 ) Dabei beschreibt C die Rundheit der jeweiligen Ausscheidung, A bezeichnet die Fläche der Ausscheidung und P bezeichnet den Umfang der Ausscheidung.
Die genannte Wärmebehandlung führt darüber hinaus in vorteilhafter Weise auch zu einer Einrundung der intermetallischen Phasen, die bevorzugt eine durchschnittliche Rundheit von >0,44 aufweisen.
Obige erfindungsgemäße Legierung enthält nur die auf gelisteten Bestandteile und unvermeidbare Verunreinigungen d.h. Bestandteile in geringer Konzentration, die nicht bewusst als funktionale Bestandteile zugegeben worden sind. Die erfindungsgemäße Legierung ist insbesondere frei von Beryllium (Be) und/oder Calcium (Ca) .
Ferner ist es bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung bzw. Aluminium-Gusslegierung 11,0 bis < 12,5 Silizium und/oder 1,8 bis < 2, 6 Gew.-% Kupfer und/oder 0,8 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% Magnesium und/oder 0,4 Gew.-% bis 0, 6 Gew.-% Eisen enthält. Mit Vorteil weist die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung bzw. Aluminium-Gusslegierung ein Verhältnis aus Eisen und Mangan von 2:1 und bevorzugt zwischen 2:1 und 5:1 auf und/oder eine Summe der Gehalte von Eisen und Mangan, die 0,9 Gew.-% nicht überschreitet, auf. Die genannten Konzentrationsbereiche stellen einen optimalen Kompromiss im Spannungsfeld zwischen den wesentlichen Faktoren Materialeigenschaften, Gewicht/Dichte und Kosten dar .
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in dem Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei die vorstehend genannte Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren vergossen wird und das resultierende Gussstück anschließend einer Wärmebehandlung bei 470°C bis 530°C über eine Zeitspanne von 30 Minuten bis 8 Stunden unterzogen wird. Diese Wärmebehandlung sorgt für die angestrebte Einrundung/Einf ormung der Primärausscheidungen, die im Ergebnis die verbesserte Duktilität und Festigkeit und schlussendlich auch die verbesserte Stegfestigkeit bei der Herstellung eines Kolbens sicherstellt . Ein besonders vorteilhafter synergistischer Ef fekt wird dabei durch die Kombination aus der genannten Wärmebehandlung mit den Legierungselementen Titan, Zirkonium und Vanadium in den erfindungsgemäßen Konzentrationen erzielt , da diese Elemente das Netzwerk aus primären Phasen aufrechterhalten und somit zu verbesserten mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen führen .
Besonders vorteilhafte Gefügestrukturen lassen sich dabei bei Temperaturen zwischen 490 ° C und 515 ° C, besonders bevorzugt zwischen 505 ° C und 515 ° C, und/oder mit Wärmebehandlungsdauern zwischen einer Stunde und drei Stunden erreichen .
Mit Vorteil schließt sich an die Wärmebehandlung, bevorzugt unmittelbar, ein Abschrecken unter die niedrigste Grenze der Auslagerungstemperatur innerhalb einer Zeitspanne von 2 Sekunden bis 2 Minuten an . Die niedrigste Grenze der Auslagerungstemperatur beträgt 160 ° C .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach der Wärmebehandlung, bevorzugt im Anschluss an das Abschrecken, das Gussstück im Temperaturbereich von 160 ° C bis 250 ° C für eine Zeitspanne von 3 Stunden bis 36 , bevorzugt bis 20 Stunden ausgelagert . Dieses Auslagern sorgt einerseits für ausreichende thermische Stabilität ohne Kolbenfresser im Motorbetrieb, andererseits aber auch für eine hohe Ausgangshärte und damit Festigkeit in kälteren Regionen des Motorbauteils .
Als besonders vorteilhaft haben sich Auslagerungstemperaturen von 200 ° C bis 235 ° C, bevorzugt 210 ° C bis 235 ° C und/oder Auslagerungs zeitspannen zwischen 4 Stunden und 15 Stunden, bevorzugt zwischen 8 Stunden und 15 Stunden erwiesen .
Bevorzugt besteht ein erfindungsgemäßes Motorbauteil , insbesondere ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, zumindest teilweise aus einer der vorgenannten erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen . Ein derartiges Motorbauteil weist eine verbesserte (Warm- ) Festigkeit , Duktilität und Stegfestigkeit auf .

Claims

9 Patentansprüche
1. Aluminiumlegierung, insbesondere Aluminium-
Gusslegierung, wobei die Aluminiumlegierung aus den folgenden Legierungselementen besteht:
Silizium: 10 Gew.-% bis < 13 Gew.-%,
Nickel : bis < 0, 6 Gew . -% ,
Kupfer : 1,5 Gew.-% bis < 3, 6 Gew.-%,
Magnesium: 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%,
Eisen : 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%,
Mangan : 0,1 bis 0,4 Gew.-%,
Zirkonium: > 0,1 bis < 0,3 Gew.-%,
Vanadium: > 0,08 bis < 0,2 Gew.-%,
Titan: 0,05 bis < 0,2 Gew.-%,
Phosphor : 0,0025 bis 0,008 Gew.-%, sowie als Rest aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge der Legierung eingerundete Primärausscheidungen aufweist, die eine durchschnittliche Rundheit von >0,47 aufweisen.
2. Aluminiumlegierung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese 11 Gew.-% bis < 12,5 Gew.-% Silizium enthält.
3. Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese 1,8 Gew.-% bis < 2, 6 Gew.- % Kupfer enthält.
4. Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche ; bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese 0,8 Gew.-% bis 1, 2 Gew.-% Magnesium enthält.
5. Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese 0,4 Gew.-% bis 0, 6 Gew.-% Eisen enthält.
6. Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus Eisen und Mangan zwischen 2:1 und 5:1 beträgt.
7. Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Gehalte von Eisen und Mangan 0,9 Gew.-% nicht überschreitet.
8. Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumlegierung mit einer chemischen Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 im Schwerkraftkokillengussverfahren vergossen wird und das resultierende Gussstück anschließend einer Wärmebehandlung bei 470°C bis 530°C über eine Zeitspanne von 30 Minuten bis 8 Stunden unterzogen wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei 490°C bis 515°C, bevorzugt bei 505°C bis 515°C durchgeführt wird.
10. Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne für die Wärmebehandlung zwischen einer Stunde und 3 Stunden liegt.
11. Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussstück im Anschluss an die Wärmebehandlung innerhalb einer Zeitspanne von 2 Sekunden bis 2 Minuten auf eine Temperatur unter 160°C abgeschreckt wird.
12. Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Wärmebehandlung, bevorzugt im Anschluss an das 11
Abschrecken, das Gussstück im Temperaturbereich von 160°C bis 250°C für eine Zeitspanne von 3 Stunden bis 36 Stunden, bevorzugt bis 20 Stunden ausgelagert wird.
13. Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslagern bei 200°C bis 235°C, bevorzugt 210°C bis 235°C durchgeführt wird.
14. Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne für das Auslagern zwischen 4 Stunden und 15 Stunden, bevorzugt zwischen 8 Stunden und 15 Stunden beträgt.
15. Motorbauteil, insbesondere Kolben für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 besteht.
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