Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen

Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im

Niederdruckguseverfahren 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 verbrauchearm 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 möglichst gut 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 Siliziumauescheidungen) und damit auch die Gefahr von Rissinitiierung und -ausbreitung.

Grundsätzlich ist bekannt, dass sich beim

Niederdruckgussverfahren, im Gegensatz zum Druckguesverfahren, eine geringere Porosität und ein abnehmender Gehalt an

oxidischen Einschlüssen einstellen läset, weil hier nur

verhältnismäßig leichte Schmelzströmungsturbulenzen auftreten. Hierdurch wird eine vergleichsweise geringe Defektdichte

erhalten, was erheblich zu guten mechanischen Eigenschaften des hergestellten Bauteile beiträgt. Insbesondere in Bezug auf HCF, aber auch auf IMF sind die Eigenschaften eines derart

hergestellten Bauteile vorteilhaft.

Unter TMF-Beanspruchung treten an relativ großen primären

Phasen, insbesondere an primären Siliziumausscheidungen,

aufgrund unterschiedlicher Auedehnungekoeffizienten der

einzelnen Beetandteile der Legierung, nämlich der Matrix und der primären Phasen, Mikroplaetizitäten bzw. Mikrorisse auf, die die Lebensdauer des Kolbenwerkstoffs erheblich senken können. Zur Erhöhung der Lebensdauer ist bekannt, die primären Phasen möglichst klein zu halten.

Insbesondere beim Niederdruckguee kann Strontium zur

Dauerveredelung von Aluminium-Silizium-Legierungen verwendet werden. Eine solche Veredelung betrifft vor Allem die

Gießeigenschaften der Legierung und erhöht die Duktilität des Werkstoffs. Durch die gezielte Veredelung mit Strontium läset sich bewirken, dass dae eutektische Silizium in der Legierung nicht grobkörnig, sondern fein verteilt und in abgerundeter Form vorliegt. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die TMF und HCF

Eigenschaften der Legierung aus.

Wie beim Druckguss gibt es jedoch auch beim Niederdruckguss eine Konzentrationsobergrenze, bis zu der Legierungeelemente

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

festigkeltasteigernden Elementen zur Bildung großer

plattenförmiger intermetallischer Phasen, die die

Ermüdungsfestigkeit drastisch absenken.

DARSTELLUNO 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 Niederdruckgussverfahren

abgegossen wird, so dass ein höchstwarmfestes Motorbauteil im Niederdruckgussverfahren 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 6 gelöst und weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den diesbezüglichen Unteransprüchen.

Bei einem erfindungsgemaßen Verfahren weist die

Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente auf:

Silizium: 9 Gew.-% bis 11 Gew.-%,

Nickel: 1,7 Gew. -% bis 3,5 Gew. -%,

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

Magnesium: 1,6 Gew. -% bis 4,5 Gew. -%,

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

Mangan: 0,05 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%,

Zirkonium: 0,04 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%, Vanadium: 0,04 Gew. -% bis 0,1 Gew.-%,

Strontium: 150 ppm bis 250 ppm.

Durch die gewählte Aluminiumlegierung ist es möglich, im

Niederdruckguseverfahren ein Motorbauteil herzustellen, das einen hohen Anteil fein verteilter, hochwarmfeeter, thermisch stabiler Phasen enthält. Die Legierung weist ferner ein

veredeltes Gefüge auf, das unter anderem zu guten

Gießeigenschaften und erhöhter Duktilität führt. Die Wahl des Niederdruckgussverfahrens ermöglicht eine besonders geringe Ausprägung von Strömungsturbulenzen beim Abgießen des

Motorbauteils, was zu einer geringen Porosität und Oxidbildung führt. Die Anfälligkeit gegenüber Rissinitiierung und - ausbreitung an Poren, Oxiden oder primären Phasen wird durch die Wahl des Niederdruckgussverfahrens in Kombination mit der erfindungsgemäßen Legierung gegenüber den bisher bekannten

Herstellungsverfahren von Kolben und ähnlichen Motorbauteilen reduziert. Somit kann ein höchstwarmfestes Motorbauteil im

Niederdruckgussverfahren hergestellt werden.

Mit Vorteil weist die Aluminiumlegierung 0,4 Gew.-% bis 0,6 Gew. -% Eisen und alternativ oder zusätzlich 3,6 Gew. -% bis 4,5 Gew. -% Magnesium auf.

Mit Vorteil beträgt in der Aluminiumlegierung das

Gewichtsverhältnis von Eisen zu Mangan höchstens 6:1 bevorzugt etwa 4:1. In dieser Ausführungsform enthält die

Aluminiumlegierung also höchstens sechs Teile Eisen gegenüber einem Teil Mangan, bevorzugt etwa vier Teile Eisen gegenüber einem Teil Mangan. Durch dieses Verhältnis werden besonders vorteilhafte Festigkeiteeigenschaften des Motorbauteile erzielt.

Bevorzugt weist die Aluminiumlegierung einen Phosphorgehalt von weniger als 30 ppm auf. Dies hilft dabei, primäre

Siliziumausscheidungen zu vermeiden und dient, ebenso wie ein bevorzugter Silizium- und Strontiumgehalt der Legierung, dazu, den Kolben nahezu primär siliziumfrei zu halten. Der bevorzugte maximale Phosphorgehalt führt also ebenfalls zu besondere guten TMF-Eigenschaften des Motorbauteile. Im Übrigen weist die Aluminiumlegierung Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen auf.

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 Niederdruckgussverfahren

verarbeitet.