Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur

Herstellung und Verwendung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine

Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird, ein Motorbauteil, das zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht, und die Verwendung einer Aluminiumlegierung 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 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 muss sowohl hinsichtlich isothermer Schwingfestigkeit (HCF) als auch hinsichtlich

thermomechanischer Ermüdungsfestigkeit (TMF) optimiert werden. Um die TMF optimal 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, welche die Lebensdauer des Kolbenwerkstoffs erheblich senken können. Zur Erhöhung der Lebensdauer ist bekannt, die

primären Phasen möglichst klein zu halten.

Beim verwendeten Schwerkraftkokillenguss gibt es eine

Konzentrationsobergrenze, bis zu der Legierungselemente eingebracht werden sollten und bei deren Überschreiten die Gießbarkeit der Legierung verringert oder Gießen unmöglich wird. Darüber hinaus kommt es bei zu hohen Konzentrationen von festigkeitssteigernden Elementen zur Bildung großer plattenförmiger intermetallischer Phasen, welche die

Ermüdungsfestigkeit drastisch absenken.

Die DE 44 04 420 AI beschreibt eine Legierung die

insbesondere für Kolben und für Bauteile verwendet werden kann, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden und mechanisch stark beansprucht werden. Die beschriebene Aluminiumlegierung umfasst 8,0 bis 10,0 Gew.-% Silizium, 0,8 bis 2,0 Gew.-% Magnesium, 4,0 bis 5,9 Gew. -% Kupfer, 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel, 0,2 bis 0,4 Gew.-% Mangan, weniger als 0,5 Gew. -% Eisen sowie mindestens ein Element, ausgewählt aus Antimon, Zirkonium, Titan, Strontium, Kobalt, Chrom, und Vanadium, wobei mindestens eines dieser Elemente in einer Menge von >0,3 Gew.-% vorhanden ist wobei die Summe dieser Elemente <0,8 Gew.-% ist. Die EP 0 924 310 Bl beschreibt eine Aluminium- Siliziumlegierung die ihre Anwendung in der Herstellung von Kolben, insbesondere für Kolben in Brennkraftmaschinen hat. Die Aluminiumlegierung weist die folgende Zusammensetzung auf: 10,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium, 2,0 bis weniger als 4,0 Gew.-% Kupfer 0,8 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,5 bis 2,0 Gew.- % Nickel, 0,3 bis 0,9 Gew.-% Kobalt, wenigstens 20 ppm

Phosphor und entweder 0,05 bis 0,2 Gew.-% Titan oder bis zu 0,2 Gew.-% Zirkonium und/oder bis zu 0,2 Gew.-% Vanadium und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.

Die WO 00/71767 AI beschreibt eine Aluminiumlegierung die geeignet für Hochtemperaturanwendungen ist, wie z.B.

hochbelastete Kolben oder andere Anwendungen in

Brennkraftmaschinen. Die Aluminiumlegierung setzt sich dabei aus folgenden Elementen zusammen: 6,0 bis 14,0 Gew.-%

Silizium, 3,0 bis 8,0 Gew. -% Kupfer, 0,01 bis 0,8 Gew.-% Eisen, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,05 bis 1,2 Gew.-% Nickel, 0,01 bis 1,0 Gew.-% Mangan, 0,05 bis 1,2 Gew. -%

Titan, 0,05 bis 1,2 Gew. -% Zirkonium, 0,05 bis 1,2 Gew.-% Vanadium, 0,001 bis 0,10 Gew.-% Strontium und als Rest

Aluminium .

Die DE 103 33 103 B4 beschreibt einen Kolben der aus einer Aluminiumgusslegierung gefertigt ist, wobei die

Aluminiumgusslegierung enthält: 0,2 oder weniger Gew.-%

Magnesium, 0,05 bis 0,3 Masse% Titan, 10 bis 21 Gew.-%

Silizium, 2 bis 3,5 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 0,7 Gew.-%

Eisen, 1 bis 3 Gew.-% Nickel, 0,001 bis 0,02 Gew.-%

Phosphor, 0,02 bis 0,3 Gew. -% Zirkonium und als Rest

Aluminium und Verunreinigungen. Weiter wird beschrieben, dass die Größe von einem nicht-metallischen Einschluss, der innerhalb des Kolbens vorhanden ist, geringer als 100 μ,πι ist.

Die EP 1 975 262 Bl beschreibt eine Aluminiumgusslegierung bestehend aus: 6 bis 9 % Silizium, 1,2 bis 2,5 % Kupfer, 0,2 bis 0,6 % Magnesium, 0,2 bis 3 % Nickel, 0,1 bis 0,7 % Eisen, 0,1 bis 0,3 % Titan, 0,03 bis 0,5 % Zirkonium, 0,1 bis 0,7 % Mangan, 0,01 bis 0,5 % Vanadium und einem oder mehreren der folgenden Elemente: Strontium 0,003 bis 0,05 %, Antimon 0,02 bis 0,2 % und Natrium 0,001 bis 0,03 %, wobei die Gesamtmenge aus Titan und Zirkonium weniger als 0,5 % beträgt und

Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen den Rest bilden, wenn die Gesamtmenge als 100 Massenprozent angesetzt wird.

Die WO 2010/025919 A2 beschreibt ein Verfahren zur

Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei ein Kolbenrohling aus einer Aluminium-Siliziumlegierung unter Zugabe von Kupferanteilen gegossen und danach fertig

bearbeitet wird. Die Erfindung sieht dabei vor, dass der Kupferanteil maximal 5,5 % der Aluminium-Siliziumlegierung beträgt und, dass der Aluminium-Siliziumlegierung Anteile von Titan (Ti) , Zirkonium (Zr) , Chrom (Cr) bzw. Vanadium (V) beigemischt werden und die Summe aller Bestandteile 100 % beträgt .

Die Anmeldung DE 102011083969 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird, ein Motorbauteil, das zumindest teilweise aus einer

Aluminiumlegierung besteht, und die Verwendung einer

Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Motorbauteils. Dabei weist die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente auf: 6 bis 10 Gew.-% Silizium, 1,2 bis 2 Gew.-% Nickel, 8 bis 10 Gew.-% Kupfer, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,1 bis 0,7 Gew.-% Eisen, 0,1 bis 0,4 Gew.-% Mangan, 0,2 bis 0,4 Gew. -% Zirkonium, 0,1 bis 0,3 Gew-% Vanadium, 0,1 bis 0,5 Gew. -% Titan und Aluminium sowie vermeidbare Verunreinigungen als Rest. Vorzugsweise weist diese Legierung einen Phosphorgehalt von weniger als 30 ppm auf. Darstellung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, bei dem eine Aluminiumlegierung im

Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird, so dass ein höchstwarmfestes Motorbauteil im

Schwerkraftkokillengussverfahren hergestellt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch das Verfahren nach

Anspruch 1 gegeben. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den diesbezüglichen

Unteransprüchen .

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein

Motorbauteil, insbesondere einen Kolben für einen

Verbrennungsmotor, bereitzustellen, das/der höchstwarmfest ist und dabei zumindest teilweise aus einer

Aluminiumlegierung besteht.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 8 gelöst und weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den diesbezüglichen Unteransprüchen.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren weist die

Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente :

Silizium: 9 Gew bis < 10,5 Gew -%,

Nickel : > 2,0 Gew. - -% bis < 3 , 5 Gew. - -%,

Kupfer: > 3, 7 Gew. - bis 5, 2 Gew. -% ,

Kobalt : bis < 1 Gew.-%

Magnesium: 0 , 5 Gew. - % bis 1, 5 Gew. - % ,

Eisen: 0 , 1 Gew . - % bis o, 7 Gew. -% ,

Mangan: 0 , 1 Gew. -% bis o, 4 Gew. -% ,

Zirkonium: > 0,1 Gew. - -% bis < 0,2 Gew.-

Vanadium: > 0,1 Gew. - bis < 0 , 2 Gew. -

Titan: 0,05 Gew.-% bis < 0,2 Gew.- -%,

Phosphor : 0, 004 Gew. - bis o, 008 Gew.- und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende

Verunreinigungen, auf.

Bevorzugt weist die Aluminiumlegierung: von > etwa 9 bis ^ etwa 10,5 weiter bevorzugt < etwa 10 insbesondere bevorzugt < etwa 9,5 oder weiter bevorzugt von etwa 9,5 bis etwa 10,5 Gew.-% Silizium; von > etwa 2,3 weiter bevorzugt > etwa 3 bis < etwa 3,5 oder weiter bevorzugt von etwa 2,5 insbesondere bevorzugt etwa 2,9 bis etwa 3 Gew.-% Nickel; von > etwa 3,8 weiter bevorzugt > etwa 4 und insbesondere bevorzugt > etwa 4,8 bis etwa 5,2 oder weiter bevorzugt von > etwa 3,7 bis etwa < 5 insbesondere bevorzugt < 4 oder weiter bevorzugt von etwa 4 insbesondere bevorzugt etwa 4,1 bis etwa 4,6 Gew.-% Kupfer; von > etwa 0,5 und weiter bevorzugt > etwa 0,9 bis < etwa 1 Gew.-% Kobalt; von etwa 0,5 und weiter bevorzugt > etwa 0,6 und insbesondere etwa 0,7 bis < etwa 1,5 weiter bevorzugt < etwa 0,8 oder weiter bevorzugt von > etwa 1 weiter bevorzugt > etwa 1,3 bis etwa 1,5 Gew.-% Magnesium; von > etwa 0,5 weiter bevorzugt > etwa 0,6 bis etwa 0,7 oder weiter bevorzugt etwa 0,45 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen; von etwa 0,1 bis < etwa 0,2 oder weiter bevorzugt von > etwa 0,25 bis etwa 0,4 Gew.-% Mangan; von etwa 0,12 weiter bevorzugt etwa 0,13 bis etwa 0,19 Gew.-% Zirkonium; von etwa 0,12 bis etwa 0,14 Gew.-% Vanadium; von etwa 0,05 bis < etwa 0,15 oder weiter bevorzugt von etwa 0,11 insbesondere bevorzugt etwa 0,12 bis etwa 0,13 Gew. -% Titan; und von etwa 0,005 bis etwa 0,006 Gew.-% Phosphor, auf.

Durch die gewählte Aluminiumlegierung ist es möglich, im Schwerkraftkokillengussverfahren ein Motorbauteil

herzustellen, das einen hohen Anteil fein verteilter, hochwarmfester, thermisch stabiler Phasen und eine feine Mikrostruktur aufweist. Die Anfälligkeit gegenüber

Rissinitiierung und Rissausbreitung z.B. an Oxiden oder primären Phasen und die TMF-HCF-Lebensdauer wird durch die Wahl der erfindungsgemäßen Legierung gegenüber den bisher bekannten Herstellungsverfahren von Kolben und ähnlichen Motorbauteilen reduziert.

Die erfindungsgemäße Legierung, insbesondere der

vergleichsweise geringe Siliziumgehalt, führt auch dazu, dass zumindest bei einem erfindungsgemäß hergestellten Kolben in dessen thermisch hochbelastetem Muldenrandbereich

vergleichsweise weniger und feineres primäres Silizium vorliegt, sodass die Legierung zu besonders guten

Eigenschaften eines erfindungsgemäß hergestellten Kolbens führt. Somit kann ein höchstwarmfestes Motorbauteil im

Schwerkraftkokillengussverfahren hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Anteile an Kupfer, Zirkonium, Vanadium und Titan, insbesondere der vergleichsweise hohe Gehalt an

Zirkonium, Vanadium und Titan bewirken einen vorteilhaften Anteil festigkeitssteigernder Ausscheidungen, ohne dabei jedoch große plattenförmige intermetallische Phasen zu verursachen. Ferner sind die erfindungsgemäßen Anteile an Kobalt und Nickel vorteilhaft für die Steigerung der

Warmfestigkeit der Legierung. Nickel trägt dabei zur

Ausbildung thermisch stabiler intermetallischer Phasen bei. Kobalt steigert zudem die Härte und allgemein die Festigkeit der Legierung. Phosphor als Keimbildner trägt dazu bei, dass primäre Siliziumausscheidungen möglichst fein und homogen verteilt ausgeschieden werden.

Mit Vorteil weist die Aluminiumlegierung bevorzugt 0,6 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Magnesium auf, das in dem bevorzugten

Konzentrationsbereich insbesondere zur wirkungsvollen

Ausbildung sekundärer, festigkeitssteigernder Phasen

beiträgt, ohne dass eine übermäßige Oxidbildung auftritt. Ferner weist die Legierung alternativ oder zusätzlich

bevorzugt 0,4 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Eisen auf, das die

Klebeneigung der Legierung in der Gießkokille vorteilhaft vermindert, wobei in dem genannten Konzentrationsbereich die Bildung plattenförmiger Phasen begrenzt bleibt.

Mit Vorteil beträgt das Gewichtsverhältnis von Eisen zu

Mangan in der Aluminiumlegierung höchstens etwa 5 : 1 bevorzugt etwa 2,5:1. In dieser Ausführungsform enthält die

Aluminiumlegierung also höchstens fünf Teile Eisen gegenüber einem Teil Mangan, bevorzugt etwa 2,5 Teile Eisen gegenüber einem Teil Mangan. Durch dieses Verhältnis werden besonders vorteilhafte Festigkeitseigenschaften des Motorbauteils erzielt .

Ferner ist es bevorzugt, dass die Summe aus Nickel und Kobalt > 2,0 Gew.-% und < 3,8 Gew.-% beträgt. Die untere Grenze stellt dabei eine vorteilhafte Festigkeit der Legierung sicher und die obere Grenze gewährleistet mit Vorteil eine feine Mikrostruktur und vermeidet die Bildung grober, plattenförmiger Phasen, welche die Festigkeit verringern würden .

Mit Vorteil weist die Aluminiumlegierung eine feine

Mikrostruktur mit einem geringen Gehalt von Poren und

Einschlüssen und/oder wenig und kleines primäres Silizium, insbesondere im hochbelasteten Muldenrandbereich, auf. Dabei ist unter einem geringen Gehalt von Poren vorzugsweise eine Porosität von < 0,01 % und unter wenig primärem Silizium < 1 % zu verstehen. Ferner ist die feine Mikrostruktur vorteilhaft dadurch beschrieben, dass die mittlere Länge des primären Silizium ca. < 5 μπι und dessen maximale Länge ca. < 10 μτη beträgt und die intermetallischen Phasen und/oder primären Ausscheidungen Längen von im Mittel ca. < 30 μτα und maximal < 50 μπι aufweisen.

Ferner ist es bevorzugt, dass die Aluminiumlegierung, insbesondere im Muldenrandbereich, einen Mittelwert einer Fläche von Siliziumausscheidungen < etwa 100 μτη ² und/oder einen Mittelwert einer Fläche der intermetallischen Phasen < etwa 200 μπι ² aufweist.

Die Charakterisierung der Mikrostruktur der

Aluminiumlegierung erfolgt bevorzugt mittels quantitativer Gefügeanalyse . Dafür wird zunächst ein metallographischer Schliff angefertigt und lichtmikroskopisch entsprechende Schliffbilder , insbesondere für den technologisch besonders wichtigen Muldenrandbereich, aufgezeichnet. Beispielhaft kann dafür ein inverses Auflichtmikroskop verwendet werden. Damit werden dann, bei einer definierten Vergrößerung, Einzelbilder aufgenommen, per Computer zu einer Fläche (z.B. 5,5 mm x 4,1 mm) zusammengesetzt und mittels Bildbearbeitungssoftware die Flächen und Flächenanteile bestimmter Phasen ermittelt.

Die feine Mikrostruktur trägt insbesondere zur Verbesserung der thermomechanisehen Ermüdungsfestigkeit bei. Eine

Begrenzung der Größe der Primärphasen kann die Anfälligkeit gegen Rissinitiierung und Rissausbreitung verringern und so die TMF-HCF-Lebensdauer signifikant erhöhen. Ferner ist es auf Grund der Kerbwirkung von Poren und Einschlüssen

besonders vorteilhaft deren Gehalt gering zu halten.

Ein erfindungsgemäßes Motorbauteil besteht zumindest

teilweise aus einer der oben genannten Aluminiumlegierungen. Ein weiterer unabhängiger Aspekt der Erfindung liegt in der Verwendung der oben ausgeführten Aluminiumlegierung für die Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens eines Verbrennungsmotors . Insbesondere wird die aufgefundene Aluminiumlegierung dabei im Schwerkraftkokillengussverfahren verarbeitet .

Beispiele

Für die oben beschriebene Aluminiumlegierung seien

beispielhaft eine Legierung 1 mit 10,5 Gew. -% Silizium; 3 Gew.-% Nickel; 4,1 Gew.-% Kupfer; 0,7 Gew.-% Magnesium; 0,5 Gew.-% Eisen; 0,2 Gew. -% Mangan; 0,13 Gew.-% Zirkonium; 0,12 Gew.-% Vanadium; 0,13 Gew.-% Titan und 0,006 Gew.-% Phosphor, eine Legierung 2 mit 9,5 Gew.-% Silizium; 2,9 Gew.-% Nickel; 4,0 Gew.-% Kupfer; 0,7 Gew. -% Magnesium; 0,45 Gew.-% Eisen; 0,2 Gew.-% Mangan; 0,12 Gew.-% Zirkonium; 0,12 Gew.-%

Vanadium; 0,12 Gew.-% Titan und 0,006 Gew.-% Phosphor und eine Legierung 3 mit 9,5 Gew.-% Silizium; 2,5 Gew.-% Nickel; 4,6 Gew.-% Kupfer; 0,7 Gew.-% Magnesium; 0,45 Gew.-% Eisen; 0,2 Gew.-% Mangan; 0,19 Gew.-% Zirkonium; 0,14 Gew.-%

Vanadium; 0,11 Gew.-% Titan und 0,005 Gew.-% Phosphor und jeweils als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende

Verunreinigungen, genannt.