DE69814013T2 - Aluminiumlegierung - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aluminium-Silizium-Legierung. Die Legierung weist eine Eignung für die Herstellung von Kolben, insbesondere für eine Verwendung in Verbrennungsmotoren, auf.
- Ein befriedigendes Kolbenmaterial muß eine Vielzahl unterschiedlicher Anforderungen erfüllen. In der Verwendung sind Kolben sowohl statischen als auch dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt, während sie bei mittleren Temperaturen von unter Null bis zu 400ºC arbeiten. Diese Beanspruchungen werden auch an verschiedenen Bereichen des Kolbens unterschiedlich sein, beispielsweise wird ein Verbrennungsbecken bzw. eine Verbrennungswanne bzw. -schüssel ("combustion bowl") in einem Kolben unterschiedlichen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt als Kolbenbolzenaugen. Der Kolben muß auch eine geringe thermische Ausdehnung aufweisen und bei geringfügiger Schmierung eine gute Lagereigenschaft über den beschriebenen Temperaturbereich besitzen. Das Kolbenmaterial muß auch selbst in Form eines Kolbens formbar sein, beispielsweise durch Gießen mit einer nachfolgenden Bearbeitung.
- Bekannte Gußlegierungen für die Herstellung von Kolben schließen solche ein, die in US 3765877 beschrieben sind. Unter den darin beschriebenen Legierungen ist eine Legierung auf Aluminiumbasis, die Silizium von 7 bis 20%, Kupfer von 3,5 bis 6%, bis zu 2,5% Nickel, von 0,1 bis 0,6% Magnesium und von 0,1 bis 1,0% Silber einschließt, wobei der Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen sind, beschrieben.
- Die vorliegende Erfindung weist den Vorteil einer verbesserten Gußvorsprungfestigkeit bzw. Augenfestigkeit ("boss strength") und auch einer verbesserten Hochtemperaturfestigkeit im Bereich des Kolbenbodens auf. Die Legierung der vorliegenden Erfindung ist aus der Gruppe von Aluminiumlegierungen ausgewählt, wobei jede Legierungselementkomponente in Gew.-%, wie nachfolgend beschrieben, vorhanden ist:
- Si = 10,5-13,5
- Cu = 2,0-4,0
- Ni = 0,5-2,0
- Mg = 0,8-1,5
- Ag = 0,2-0,6
- Co = 0,2-0,6
- P in mindestens 20 ppm,
- gegebenenfalls bis zu 0,1 Gew.-% Zn
- gegebenenfalls bis zu 0,1 Gew.-% Pb
- gegebenenfalls bis zu 0,1 Gew.-% Sn
- gegebenenfalls bis zu 0,2 Gew.-% Ti
- gegebenenfalls bis zu 0,2 Gew.-% Zr
- gegebenenfalls bis zu 0,2 Gew.-% V
- gegebenenfalls bis zu 0,35 Gew.-% Fe
- gegebenenfalls bis zu 0,15 Gew.-% Mn
- gegebenenfalls bis zu 0,03 Gew.-% Cr
- gegebenenfalls bis zu 10 ppm von jedem Element von Ca, Na, Sr und Li
- und als Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen.
- Für den Nickelanteil in dieser Legierung wird angenommen, daß er zu der Bildung von thermisch stabilen intermetallischen Verbindungen bzw. Phasen führt. Dies führt umgekehrt zu einer Hochtemperaturfestigkeit der Legierung. Mehr als 2 Gew.-% Nickel führen zur Bildung von großen bzw. groben Ni-reichen intermetallischen Verbindungen, insbesondere für die niedrigen Kühlraten, welche mit großen Kolhengußteilen verbunden sind, die hinsichtlich der Hochtemperaturdauerfestigkeit der Legierung ernsthaft schädlich sind.
- Der Kobaltanteil ist derart ausgewählt, daß er die Bildung einer großen Anzahl kleiner bzw. feiner intermetallischer Verbindungen gestattet. Es wird angenommen, daß dadurch die mechanischen Eigenschaften der Legierung bei 350ºC verbessert werden. Darüber hinaus wird angenommen, daß die Anwesenheit von Kobalt in der Aluminiumlegierung in einem Anteil von mehr als 0,2 Gew.-% das Diffusionsvermögen von Kupfer in Aluminium vermindert, wodurch der Überalterungsmechanismus der Legierung verlangsamt wird. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn die Verarbeitung eines Kolbenbolzenauges, das um 200ºC herum betrieben wird, in Betracht gezogen wird. Es wird jedoch angenommen, daß die Anwesenheit von Kobalt auch zu einer Erhöhung der Dauerfestigkeit der Legierung bei 350ºC führt. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn die Verarbeitung eines Verbrennungsbeckens bzw. einer Verbrennungswanne eines Kolbens in Betracht gezogen wird, das/die typischerweise derartigen Temperaturen ausgesetzt wird.
- Für Silber wird angenommen, daß es eine verbesserte Gußvorsprungfestigkeit für einen Kolben ergibt, der aus dieser Legierung hergestellt ist. Insbesondere erhöht ein Anteil von bis zu 0,6 Gew.-% Silber die Dauerfestigkeit der Legierung bei 200ºC. Die Wärmeleitfähigkeit der Legierung bei 350ºC ist ohne eine nachteilhafte Beeinflussung des Ausdehnungskoeffizienten erhöht. Die Zugabe von Silber in diesem Bereich scheint keine Probleme hinsichtlich der Vergießbarkeit zu verursachen.
- Für Titan, Zirkonium und Vanadium, wenn vorhanden, wird angenommen, daß diese jeweils als Kornverfeinerungszusätze in der Legierung wirken.
- Der Kupferanteil beträgt vorzugsweise mindestens 2,5 Gew.-% und kann weniger als 3,5 Gew.-% betragen.
- Eine Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die folgenden Elementkomponenten in Gew.-% umfassen:
- Si = 10,5-11,5
- Cu = 2,75-3,25
- Ni = 0,8-1,2
- Mg = 0,9-1,2
- Ag = 0,45-0,55
- Co = 0,25-0,35
- Ti = 0,14-0,19
- Pb = bis zu 0,1
- Sn = bis zu 0,1, wobei der Gesamtanteil von Pb und Sn 0,1 nicht übersteigt,
- P zwischen 50-100 ppm
- und als Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen.
- Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele näher erläutert.
- Die Verwendung einer spezifischen Legierungszusammensetzung bei der Herstellung von geschmiedeten Kolben hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Die Metallegierungszusammensetzungen einer ersten Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung mit den Elementkomponenten, die in Gew.-% angegeben sind, betragen:
- Si = 10,5-13,5
- Cu = 2,0-4,0
- Ni = 0,5-2,0
- Mg = 0,8-1,5
- Ag = 0,2-0,6
- Co = 0,2-0,6
- P mindestens 20 ppm,
- und als Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen.
- Eine zweite Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung weist im Vergleich zu der ersten Legierung eine ähnliche Zusammensetzung auf, außer daß Nickel in einem Bereich von 0,5 bis 1,5 Gew.-% vorhanden ist.
- Eine dritte Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung weist im Vergleich zu der ersten und der zweiten Legierung eine ähnliche Zusammensetzung auf, aber sie kann darüber hinaus mindestens eine der folgenden Elementkomponenten umfassen:
- bis zu 0,1 Gew.-% Zink
- bis zu 0,1 Gew.-% Blei
- bis zu 0,1 Gew.-% Zinn.
- Eine vierte Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung weist im Vergleich zu der von Beispiel 3 eine ähnliche Zusammensetzung auf, aber sie kann darüber hinaus mindestens eine der folgenden Elementkomponenten umfassen:
- bis zu 0,1 Gew.-% Titan
- bis zu 0,1 Gew.-% Zirkonium
- bis zu 0,1 Gew.-% Vanadium.
- Eine fünfte Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung mit den Elementkomponenten, die in Gew.-% angegeben sind, weist:
- Si = 10,5-11,5
- Cu = 2,75-3,25
- Ni = 0,8-1,2
- Md = 0,9-1,2
- Ag = 0,45-0,55
- Co = 0,25-0,35
- Ti = 0,14-0,19
- Pb = bis zu 0,1
- Sn = bis zu 0,1, wobei der Gesamtanteil von Pb und Sn 0,1 nicht übersteigt,
- zwischen 50-100 ppm P
- und als Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen auf.
- Eine sechste Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung weist im Vergleich zu der fünften Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung eine ähnliche Zusammensetzung auf, aber sie kann darüber hinaus mindestens eine der folgenden Elementkomponenten umfassen:
- bis zu 0,35 Gew.-% Eisen
- bis zu 0,15 Gew.-% Mangan
- bis zu 0,1 Gew.-% Zink
- bis zu 0,03 Gew.-% Chrom.
- Die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung können zusätzlich zu deren Verwendung in der Herstellung von geschmiedeten Kolben auch in der Herstellung von Kolben durch Dauerformguß verwendet werden.
Claims (6)
1. Aluminiumlegierung für Verbrennungsmotorkolben, wobei die
Elementkomponenten in Gew.-% angegeben sind, umfassend:
Si = 10,5-13,5
Cu = 2,0-4,0
Ni = 0,5-2,0
Mg = 0,8-1,5
Ag = 0,2-0,6
Co = 0,2-0,6
P in mindestens 20 ppm
gegebenenfalls bis zu 0,1 Gew.-% Zn
gegebenenfalls bis zu 0,1 Gew.-% Pb
gegebenenfalls bis zu 0,1 Gew.-% Sn
gegebenenfalls bis zu 0,2 Gew.-% Ti
gegebenenfalls bis zu 0,2 Gew.-% Zr
gegebenenfalls bis zu 0,2 Gew.-% V
gegebenenfalls bis zu 0,35 Gew.-% Fe
gegebenenfalls bis zu 0,15 Gew.-% Mn
gegebenenfalls bis zu 0,03 Gew.-% Cr
gegebenenfalls bis zu 10 ppm von jedem Element von Ca, Na, Sr und Li
und als Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element
Nickel in einem Bereich von 0,5 bis 1,5 Gew.-% vorhanden ist.
3. Legierung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Elementkomponenten in Gew.-%:
Si = 10,5-11,5
Cu = 2,75-3,25
Ni = 0,8-1, 2
Mg = 0,9-1, 2
Ag = 0,45-0,55
Co = 0,25-0,35
Ti = 0,14-0,19
Pb = bis zu 0,1
Sn = bis zu 0,1, wobei der Gesamtanteil von Pb und Sn 0,1 nicht
übersteigt,
P zwischen 50-100 ppm
und als Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen umfassen.
4. Kolben, hergestellt aus einer Legierung nach einem vorhergehenden
Anspruch.
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben durch
Schmieden hergestellt ist.
6. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben durch
Dauerformguß hergestellt ist.
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