Aluminium-Silizium-Gussleglerung und Verfahren zu Ihrer Herstellung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft hoch- und warmfeste siliziumhaltige Aluminium-Gusslegierungen, deren Herstellung und deren Verwendung zur Herstellung von Motorenkomponenten.

[0002] Zur Reduzierung von Emissionen und Kraftstoffverbrauch sowie zur Steigerung der Motorleistung sind in den letzten Jahren die Verbrennungsdrucke und Verbrennungstemperaturen der Bennstoffmotoren bzw. Verbrennungskraftmaschinen, vor allem im Dieselmotor, gestiegen. Dies führte zu erhöhten Anforderungen an die thermomechanischen Belastungen für Motorenkomponenten.

[0003] Im Stand der Technik sind insbesondere im Motorenbau. Al-Gussiegierungen bekannt. Al-Gussteile finden aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichts, der einfachen Formgebung und leichten Verarbeitbarkeit vielseitig Verwendung. Ebenfalls lassen sich über verschiedene Gießverfahren komplizierte Werkstücke, wie z.B. Kolben, Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse oder Motorblöcke herstellen.

[0004] Eine bewährte Legierungsgruppe zur Herstellung von Motorenkomponenten sind Al-Si-Legierungen. Diese Werkstoffe werden typischerweise mit Silizium-gehalten zwischen 6 und 18 Gew.-%, in Einzelfällen auch bis zu 24 Gew.-% sowie mit Beimengungen von Magnesium von 1 bis 1,5 Gew.-%, Kupfer zwischen 1 und 4 Gew.-% und häufig auch Nickel zwischen 1 bis 3 Gew.-% legiert (Katalog "Aluminium-Gusslegierungen", VAW-IMCO).

[0005] Um die Warmfestigkeit der Al-Si-Legierungen zu verbessern, wird z.B. gemäß der US 6 419 769 B1 empfohlen, den Kupfergehalt zwischen 5,6 und 8 Gew.-% einzustellen. Der Verbesserung der mechanischen Festigkeit stehen aber in diesem Fall eine Verschlechterung der Duktilität, Steigerung des spezifischen Gewichts sowie eine verminderte Korrosionsbeständigkeit gegenüber.

[0006] Eine warmfeste Legierung mit reduziertem spezifischem Gewicht wird in der DE-PS 747 355 als für Kolben besonders vorteilhaft beschrieben. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch einen Magnesiumgehalt zwischen 4 und 12 Gew.-% und einen Siliziumgehalt zwischen 0,5 und 5 Gew.-% aus. Ferner können zwischen 0,2 und 5 Gew.-% Kupfer und/oder Nickel zulegiert sein. Der hohe Magnesiumgehalt führt wegen der starken Wasserstoffaufnahme zur Gasporosität. Die zusätzliche Oxidation birgt darüberhinaus die Gefahr von Oxideinschlüssen, die die mechanischen Eigenschaften des Gussteils erheblich verschlechtern.

[0007] Belov N. et al. zeigen in "Multicomponent phase diagrams: applications for commercial aluminium alloys", 2005, Elsevier, Oxford, UK, XP009104020, ISBN: 0-080-44537-3, Seite 341 bis 345, Al-C-Si-Phasendiagramme, die die Kristallstruktur reiner Aluminium-Kohlenstoff-Siliziumphasen angeben, jedoch keinen Aufschluss über deren Beeinflussung durch andere Legierungselemente, insbesondere nicht bei zunehmendem Gehalt an Titan, Zirkonium oder Eisen.

[0008] Chunxian Xu et al., beschrieben in "Modifying effect of Al-Ti-C-P Master Alloy on hypereutectic Al-Si Alloy", 2006, Beijing International Materials Week, 30. Juni 2006 (2006-06-30), Seiten 947 bis 951 die Verwendung einer ganz bestimmten, kristallographisch untersuchten Al-Ti-C-P Masterlegierung zur Gefügeverbesserung hypereutektischer Al-Si-Legierungen. Es gelingt eine Feinung des Primärsiliziums schon mit nur 2 Gew.-% des Al-Ti-C-P-Master Alloys.

[0009] Aus der W020071051162 A2 ist eine Aluminium-Silizium-Magnesium-Legierung für Formgussteile in der Automobilindustrie bekannt, die etwa 6,0 bis 8,0 Gew.-% Silizium, etwa 0,12 bis etwa 0,25 Gew.-% Magnesium, weniger gleich oder etwa 0,35 Gew.-% Kupfer, weniger gleich oder etwa 4 % Zink, weniger gleich oder etwa 0,6 Gew.-% Mangan und weniger oder gleich etwa 0,15 Gew.-% Eisen enthält, wobei der Gusskörper einer T5 oder T6 Wärmebehandlung unterzogen wird. Die Legierung enthält kein Titan und kein Zirkonium.

[0010] Aus der US 2005/0238529 A1 ist eine Gusslegierung für den gleichen Zweck bekannt, wobei diese Aluminiumlegierung etwa 3,5 bis 5,5 % Zink, von etwa 1 bis 1,5 % Magnesium, weniger als etwa 1 % Silizium, weniger als etwa 0,3 % Mangan und weniger als etwa 0,3 % Eisen oder andere zufällige Verunreinigungen enthält. Die Legierung enthält kein Titan und kein Zirkonium.

[0011] Soweit sich bei den vorbekannten Al-Gusslegierungen über eine Wärmebehandlung festigkeitssteigernde Mg₂Si- und Al₂Cu-Ausscheidungen bilden, sind diese oberhalb 150 °C nicht stabil und daher den thermomechanischen Belastungen moderner Motoren nicht gewachsen. Dagegen bleiben die intermetallischen Phasen, wie Al₆Mn, Al₃Fe, Al₇Cr, Al₃Ni, Al₈Fe₂Si, Al₇Cu₄Ni, Al₁₅Mn₃Si₂, Al₅FeSi, Al₃Ti und Al₃Zr bei thermischer Langzeitbeanspruchung unbeeinflusst und können bei günstiger Ausbildung (in Menge, Größe, Form und Verteilung) einen erheblichen Beitrag zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften der Al-Si-Legierungen für den Motorenbau leisten. Dabei ist jedoch von besonderer Bedeutung, dass die homogene Verteilung und feine Ausbildung der intermetallischen Phasen im Gussgefügte gewährleistet wird, um die Duktilität der Legierung und ihre gießtechnologischen Eigenschaften nicht zu beeinträchtigen.

[0012] Im Patent DE 101 17 298 C1 wird eine Möglichkeit zur Gefügemodifizierung der AlSi-Basislegierung durch Zugabe von bis zu 3 Gew.-% Seltenen Erden offenbart. Die Zusätze an Seltenen Erden bewirken eine wesentliche Feinung der intermetallischen Phasen, die eine erhebliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften insbesondere Dauerfestigkeit bei erhöhten Temperaturen, zur Folge hat. Die Seltenen Erden sind jedoch sehr teuer und werden in der Praxis selten eingesetzt.

[0013] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für die Herstellung von Motorenkomponenten geeignete Legierung bereitzustellen, die eine hohe Festigkeit, Warmfestigkeit, gute Kriechfestigkeit sowie ausreichende Duktilität bei gleichzeitig geringer Korrosionsanfälligkeit aufweist und zudem preiswert ist.

[0014] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Al-Si-Gusslegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, dem zugehörigen Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 6 und der zugehörigen Verwendung nach Anspruch 12 gelöst.

[0015] Vorzugsweise enthält die Aluminium-Silizium-Gusslegierung 5 bis 18 Gew.-%, insbesondere 12,5 bis 14,5 Gew.-% Silizium.

[0016] Weitere Elemente sind in der Legierung vorhanden, wie oben angegeben Hierbei handelt es sich um Zusätze, die im Vergleich
mit Aluminium und Silizium in untergeordneter Menge beigegeben wurden. So können beispielsweise die folgenden Mengen an zusätzlichen Legierungsbestandteilen für das gewünschte Eigenschaftsprofil von Vorteil sein:

0,1 bis 1,5 Gew.%, insbesondere 0,1 bis 0,6 Gew.-% Magnesium;

bis 0,5 Gew.-% Titan;

bis 0,7 Gew.-%, insbesondere 0,4 Gew.-% Zirkonium;

0,001 bis 1,2 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,6 Gew.-% Mangan;

bis 0,8 Gew.-% Eisen;

0,001 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,4 Gew.-% Kobalt;

0,001 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,4 Gew.-% Chrom;

0,0001 bis 0,1 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,01 Gew.-% Beryllium;

0,001 bis 2 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 1,5 Gew,-% Zink;

0,001 bis 4 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 1,8 Gew.-% Kupfer;

0,001 bis 4 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 3,0 Gew.-% Nickel;

0,001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,2 Gew.-% Vanadium;

0,0001 bis 1,2 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,5 Gew.-% Hafnium;

0,0001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,4 Gew.-% Niob;

0,0001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,2 Gew.-% Blei;

0,0001 bis 0,08 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,04 Gew.-% Strontium;

0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,002 bis 0,02 Gew.-% Natrium;

0,0001 bis 0,006 Gew.-%, insbesondere 0,002 bis 0,004 Gew.-% Calcium;

0,0001 bis 0.08 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 0,06 Gew.-% Bor;

0,0001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-% Cer;

0,0001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-% Scandium;

0,0001 bis 0,1 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,01 Gew.-% Phosphor.

[0017] Die Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach der Erfindung zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass in ihrem Gefüge feines Primärsilizium (kleiner als 50 µm) und veredeltes Eutektikum gleichzeitig vorliegen, wie anhand des Schüffbildes zu erkennen ist. Dieser Zustand ist bei nah- und übereutektischen Al-Si-Legierungen besonders anzustreben.

[0018] Der Veredelungsgrad des Eutektikums kann vom Gießereifachmann anhand der Ausbildungsformen der eutektischen Silizium-Ausscheidungen visuell - beispielsweise mit Hilfe von Schliffbildern - beurteilt werden. Für die visuelle Beurteilung siehe auch "Gießerei-Praxis" Nr. 11/12 - 1993, Seite 206 - 209, G. Chai, L. Bäckerud, "Wirksame Veredelung mit Strontium".

[0019] Es hat sich gezeigt. dass der erfindungsgemäße Kohlenstoffgehalt eine Änderung des gesamten Erstarrungsverhaltens der Al-Si-Gusslegierungen bewirkt und eine ausgezeichnet Gefügemodifizierung mit sich bringt. Als wesentliche Merkmale der Gefügemodifizierung durch Kohlenstoff sind eine erhebliche Feinung und homogene Verteilung der intermetallischen Phasen, eine gute Veredelung des Al-Si-Eutektikums und gute Feinung der Primärsiliziumkristalle zu nennen. Das hat eine deutliche Verbesserung der mechanischen und gießtechnologischen Eigenschaften zur Folge.

[0020] Durch Einstellung des erfindungsgemäßen Kohlenstoffgehaltes ist es auch möglich, die Konzentrationsgrenzen wichtiger Legierungskomponenten, wie Titan, Zirkonium, Eisen, Mangan, Chrom, Kobalt, Molybdän und je nach Anwendungsfall anderer Übergangselemente, zu höheren Werten zu verschieben, ohne Legierungsqualität dabei zu beeinträchtigen.

[0021] Bei bekannten Al-Si-Legierungen mit Zirkonium-Gehalten von über 0,3 Gew.-%, Titan-Gehalten von über 0,3 Gew.-% oder Eisengehalten von über 0,6 Gew.-% bilden sich im Gefüge sehr lange nadelförmige spröde Phasen.

[0022] Die Bildung dieser groben intermetallischen Phasen, wie sie bei den konventionellen Aluminiumlegierungen zu erwarten wäre, d. h. vor allem langer Nadeln intermetallischer Phasen mit Übergangselementen wie z. B. Al₃Zr, Al₃Ti und Al₅FeSi, wird durch Kohlenstoff unterdrückt. Die für hohe Gehalte an Übergangselementen typischen sehr langen nadelförmigen. intermetallischen Phasen erscheinen in den kohlenstoffhaltigen Al-Si-Legierungen meist als "Chinesische Schrift" bzw. als kleine Plättchen bis zu maximal 30 - 40 µm Länge. Dies bringt wesentliche Vorteile mit sich, wie z. B. eine erhebliche Verbesserung der Kornfeinungswirkung der Übergangselemente, sowie eine deutliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften, Warm-, Kriech- und Dauerfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung. Beim Gießen zeigt die Schmelze ein deutlich verbessertes Formfüllungs- und Fließverhalten, und an den fertigen Gussteilen kann eine merklich erhöhte Gussqualität und insbesondere eine wesentlich geringere Gasporosität nachgewiesen werden.

[0023] Bei übereutektischen Al-Si-Legierungen ist die gleichzeitige Feinung des primären Siliziums, die Veredelung des eutektischen Siliziums sowie die möglichst kleine Ausbildung und homogene Verteilung der intermetallischen Phasen für die Einstellung des gewünschten Eigenschaftsprofils besonders wichtig. Diese seit langem angestrebte Modifizierung der Gefüge konnte bisher nicht erzielt werden, da sich die Wirkungen von Strontium und Phosphor gegenseitig aufheben. Durch Zulegieren der naheeutektischen und übereutektischen Al-Si-Legierungen (besonders für Kolben und Motorblöcke) mit dem Kohlenstoff bei gleichzeitiger Zugabe von bis zu 100 ppm Phosphor ist es gelungen, die gewünschte kombinierte Gefügebeeinflussung zu erreichen.

[0024] Zur Verarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung sind grundsätzlich alle Gießverfahren geeignet. Hierzu gehören u. a. Sandguss, Vollformguss, Schwerkraft-Kokillenguss, Niederdruck-Kokillenguss, Differenzdruck-Kokillenguss, Druckguss und Vakuum-Druckguss.

[0025] Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Gusslegierung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die für die Zusammensetzung ausgewählten Grundbestandteile gemeinsam erschmolzen werden. Die Schmelztemperatur beträgt vorzugsweise von 650 °C bis 1000 °C, weiter vorzugsweise von 720 °C bis 950 °C. Anschließend wird in eine Gussform abgegossen. "Gemeinsam erschmolzen" erfasst auch das allmähliche Zudosieren aller Bestandteile in eine gemeinsame Schmelze. Kohlenstoff kann als elementarer Kohlenstoff, z.B. Graphit, aber auch in Form einer Verbindung oder Vorlegierung zugegeben werden.

[0026] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kohlenstoffgehalt insbesondere dadurch erzielt, dass chemische Kohlenstoffverbindungen und/oder ihre Mischungen zugegeben werden. Dies kann auch erfolgen, indem pulverförmige Karbide und Karbonitride, auch in Form eines Sinterproduktes aus Karbiden und Karbonitriden zugegeben werden.

[0027] Alternativ kann eine kohlenstoffhaltige Aluminium-Vorlegierung in die Schmelze aus den übrigen für die Legierung vorgesehenen Bestandteilen eingebracht oder vorab den einzuschmelzenden Bestandteilen hinzugefügt werden.

[0028] Die kohlenstoffhaltigen Zusätze können neben Kohlenstoff auch Phosphor und/oder Stickstoff enthalten.

[0029] Ein besonders bevorzugtes Verfahren nach dieser Erfindung besteht darin, eine Alumnium-Titan-Kohlenstoff-Vorlegierung zu verwenden.

[0030] Zwar ist aus der DE 37 29 937 A 1 bereits eine Komfeinung mit Al-Ti-C-Legierungen bekannt, diese bezieht sich jedoch ausdrücklich auf Al-Ti-Hauptlegierungen. Dabei werden lange bekannte Schwierigkeiten bei der Erhöhung des Kohlenstoffgehalts von Aluminium-Titan-Legierungen darauf zurückgeführt, dass es in diesen Zusammensetzungen schwierig ist, eine Benetzung zwischen dem Kohlenstoff und dem geschmolzenen Aluminium zu erzielen. Die beschriebenen Vorlegierungen sind bei der Herstellung von dünnem Flachmaterial, Folien oder Dosenmaterial besonders nützlich.

[0031] Auch ist die Zugabe von kohlenstoffhaltigen Vorlegierungen zu Reinaluminium und Aluminiumknetlegierungen mit dem Ziel der Kornfeinung als solches bekannt, wie z.B. in "Z. Metallkd. 91 (2000) Heft 10, S. 800 - 806 beschrieben. Die Wirkung von bekannten Al-Ti-C-Vorlegierungen beruht auf dem Einbringen von TiC-Teilchen, die als Keimbildner für den α-Mischkristall dienen, in die Schmelze und erfordert nach dem Stand der Technik eine strenge Einhaltung bestimmter Parameter bei der Schmelzeführung, wie z. B. möglichst niedrige Schmelzetemperaturen und möglichst kleine Siliziumgehalte, um die Stabilität der TiC-Partikel in der Schmelze zu gewährleisten und ihre Reaktion mit den anderen Legierungskomponenten zu vermeiden. Bei Silizium-Gehalten von über 3 Gew.-% kommt es nach Angaben von Greer u. a. (Advanced Engeneering Materials (2003) Nr. 1-2, Seiten 81 - 91 und "Continuous Casting, Ed. by K Ehrke and W. Schneider, DGM (2000), A. Tronche and A. L. Greer, "Effect of Solute Elements on the Grain Structures of Al-Ti-P and Al-Ti-C Grain-Refined Al Alloys", S. 218-222; 221, 222) zur Vergiftung von TiC durch Silizium, so dass die Kornfeinungswirkung von TiC auf die α-Aluminium-Mischkristallphase bei der Al-Si-Gusslegierungen verhindert wird. Die Wirkung des Kohlenstoffs auf die intermetallischen Verbindungen, das Primärsilizium sowie die eutektischen Phasen in Al-Si-Gusslegierungen ohne Auswirkung auf die α-Mischkristallphase (d.h. ohne Kornfeinungswirkung durch Kohlenstoff oder das Karbid in dieser Phase) war bisher nicht bekannt.

[0032] Obwohl im Gusszustand schon gute mechanische Werte vorhanden sind. können aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellte Gussteile allen Wärmebehandlungen unterzogen werden.

[0033] Die erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-GUS$Iegierungen sind zum Gießen von Kolben und anderen Maschinenteilen für Verbrennungskraftmaschinen, für Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse, Laufbuchsen oder Motorblöcke besonders geeignet. Die Lösung der Aufgabe der Erfindung umfasst daher auch diese Verwendungen.

[0034] Unter Bezugnahme auf die Figuren und Beispiele soll die Erfindung näher illustriert werden, ohne dass die Beispiele beschränkend zu verstehen wären. Der Fachmann kann die Erfindung mit Hilfe dessen, was in Beispielen und Figuren anschaulich erläutert ist, ohne weiteres im gesamten oben angegebenen Umfang ausführen.

[0035] Die Figuren zeigen Gefüge zu den Vorversuchen

Fig. 1 zeigt das Mikrogefüge einer AlSi₁₂CuNiMg-Sekundärlegierung, x 500

Fig. 2 zeigt das Mikrogefüge einer erfindungsgemäß legierten Al-Si₁₂CuNiMgSekundärlegierung unter Zugabe von Kohlenstoff, x 500

Fig. 3 zeigt das Mikrogefüge einer AlSi₁₄Cu₃Mg-Legierung mit Phosphorzugabe. x 100

Fig. 4 zeigt das Mikrogefüge einer erfindungsgemäß legierten Al-Si₁₄Cu₃MgLegierung unter Zugabe von Kohlenstoff und Phosphor, x 100

(Maßstab in den Figuren = 50 µm)

Beispiel 1 (nicht erfindungsgemäßer Vorversuch)

Naheutektische Al-Si-Gusslegierung mit Kohlenstoff

[0036] Stellvertretend für die große Gruppe der Al-Si-Gusslegierung wurden die Sekundärlegierung AlSi₁₂CuNiMg ausgewählt. Die Versuchslegierung wurde in zylindrischer Probekörper mit einer Gießtemperatur von 780 °C in eine geschlichtete auf 300 °C erwärmte Stahlkokille. Die Zugabe von Kohlenstoff erfolgte mit Hilfe der selbst hergestellten Al-Ti-C-Vorlegierung.

[0037] Zur Herstellung der AlTi₆C₁-Vorlegierung kam ein Mittelfrequenz-Induktionsofen zum Einsatz. In einem Graphittiegel wurde zunächst 2000 g AlTi₆-Vorlegierung bei 1400 °C erschmolzen. Dieser Schmelze wurde 30 g Graphitpulver, eingewickelt in Aluminiumfolie, zugegeben. Der Abguss der so hergestellten Al-Ti-C-Vorlegierung erfolgte nach einer Haltezeit von etwa 30 in eine Kupferform, Die Vorlegierung besteht aus einer Aluminium-Matrix, in der Al₃Ti- und TiC-Teilchen eingelagert sind.

[0038] Die Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung der untersuchten Legierungen.

Tabelle 1. Zusammensetzung der Al-Si-Gusslegierung, Gew.-%

	Si	C	Cu	Ni	Mg	Fe	Mn	Cr	Ti	Zn
Erfg. Leg. 1	12,4	0,003	1,3	0,8	1,4	1,2	0,3	0,15	0,07	0,3
Vergl Leg.2	12.6	-	1,5	0,9	1,6	1,3	0,4	0,13	0,05	0,4

[0039] Die Ergebnisse der metallographischen Untersuchungen sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Tabelle 2. Veredelungsgrad und Länge der intermetallischen Teilchen in der untersuchten Legierung AlSi₁₂CuNiMg

	Veredelungsgrad	Länge der intermetallischen Teilchen, µm
Erfg. Leg. 1	Grad 6: gut veredelt	20-30
Vergl. Leg. 2	Grad 3: teilveredelt	100-600

[0040] Die Sekundärlegierung AlSi₁₂CuNiMg weist im Gussgefüge sehr grobe nadelförmige eisenhaltige Phasen (vorwiegend Al₅FeSi-Nadeln) aus, Fig. 1. Dagegen bewirkt Zulegieren mit dem Kohlenstoff sowohl ein gut veredeltes Eutektikum als auch Ausscheidungen kleiner intermetallischer Phasen in einer sehr gleichmäßigen Verteilung, Fig.2.

Beispiel 2

Übereutektlsche Al-Si-Legierung mit Kohlenstoff

[0041] In diesem Beispiel ist eine übereutektische Al-Si-Gusslegierung mit der erfindungsgemäßen Legierung mit einer annähernd gleichen Zusammensetzung verglichen wurde, Tabelle 3. Beide Legierungen wurden mit einer gleichen Menge Phosphor behandelt.

Tabelle 3. Zusammensetzung der übereutektische Al-Si-Gusslegierungen, Gew,-%

	Si	Cu	C	Mg	Fe	Mn	Ti	Zn	P
Erfg. Leg. 3	14,1	3,7	0,02	0,33	0,94	0,29	0,21	0,33	0,006
Vergl. Leg. 4	14,6	4,1	-	0,32	0,73	0,28	0,22	0,35	0,006

[0042] Eine gleichzeitige Felnung des Primärsiliziums und des Al-Si-Eutektikums war bisher nicht möglich, Fig. 3. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich Phosphor und Kohlenstoff in ihrer Wirkung nicht gegenseitig behindern. Auf dem Bild 4 ist es zu sehen, dass bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,005 Gew.-% eine gute Feinung des primären Siliziums sowie einen akzeptablen Veredelungsgrad des eutektischen Siliziums erreicht werden kann. Auch die kompakte Ausbildung und homogene Verteilung der intermetallischen Phasen in der erfindungsgemäßen Legierung ist von großem technologischem Vorteil.

Beispiel 3

Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Al-Si-Gusslegierungen

[0043] Den positiven Einfluss von Kohlenstoff auf Al-Si-Legierungen geben auch die bereits im Gusszustand erzielten mechanischen Eigenschaften deutlich wieder, Tabelle 4 und Tabelle 5.

Tabelle 4. Chemische Zusammensetzung der untersuchten Legierungen

	Si	C	Cu	Ni	Mg	Fe	Mn	Zr	Ti	Zn
Erfg. Leg. 5	11,8	0,025	1,8	0,8	0,7	0,7	0,3	0,1	0,18	0,4
Vergl. Leg. 6	12,5	-	1,5	1,1	1,1	0,4	0,3	-	0,15	0,1

Tabelle 5. Vergleich der mechanischen Eigenschaften bei RT und 250 °C

	Mechanische Eigenschaften Prüfung bei RT			Mechanische Eigenschaften nach Vorauslagerung bei 259 °C/100 h Prüfung bei 250 °C
	Rm, MPa	Rp0.2, MPa	A5, %	Rm, MPa	Rp0,2 MPa	A5, %
Erfg. Leg. 5, F	241	171	0,6	147	105	3,2
Vergl. Leg. 6, F	225	152	0.7	112	83	9,3

Rm - Zugfestigkeit (MPa); Rp0,2 - Dehngrenze (MPa), A5 % - Bruchdehnung in %

[0044] Die erfindungsgemäße Legierung 5 besitzt für eine Gusslegierung eine gute Festigkeit, wie sich aus den o. a. Tabellendaten ergibt. Die erfindungsgemäße Legierung 5 hat zusätzlich eine deutlich bessere Warmfestigkeit als die Vergleichslegierung 6, deren R_p0,2-Wert bei einer Messung der mechanischen Eigenschaften bei 250 °C nach Vorauslagerung bei 250 °C stark absinkt.

[0045] Unter "warmfest" verstehen wir hier eine Legierung, deren R_p0.2-Wert nach Vorauslagerung bei 250 °C über wenigstens 50 h, geprüft bei 250 °C, über 55 MPa beträgt.

Ansprüche

1. Aluminium-Silizium-Gussiegierung mit folgender Zusammensetzung:

- 5 bis 25 Gew.-% Silizium,

- 0,0007 bis 0,1 Gew.-% Kohlenstoff,

- jeweils 0 bis 4 Gew.-% der folgenden Legierungsbestandteile, wobei bevorzugt wenigstens einer dieser Bestandteile vorhanden ist und deren Summe bis 10 Gew.-%, vorzugsweise bis 6 Gew.-%, weiter vorzugsweise bis 4 Gew.-% beträgt:

Magnesium, Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Molybdän, Chrom, Wolfram, Beryllium, Blei, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Zirkonium, Titan, Bor, Strontium, Natrium, Kalium, Calzium, Antimon, Schwefel, Barium, Phosphor unter der Maßgabe, dass

- über 0,3 Gew.-% Zr oder über 0,3 Gew.-% Ti oder über 0,6 Gew.-% Fe enthalten sind,

- und als Rest auf 100 Gew.-% wenigstens 65 Gew.-% Aluminium einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen.

2. Aluminium-Silizium-Gussiegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 5 bis 18 Gew.-%, insbesondere 12,5 bis 14,5 Gew.-% Silizium enthält.

3. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass in ihrem Gefüge feines Primärsilizium und veredeltes Eutektikum gleichzeitig vorliegen.

4. Aluminium-Silizium-Gussiegierung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in ihrem Gefüge intermetallische Phasen als Nadeln oder kleine Plättchen bis zu maximal 40 µm Länge vorhanden sind.

5. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, erhältlich durch gezielte Einstellung des Kohlenstoffgehaltes auf 0,0007 bis 0,1 Gew.-%.

6. Verfahren zur Herstellung einer Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt durch Zugabe von Kohlenstoff in beliebiger Form gezielt eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Zusammensetzung ausgewählten Grundbestandteile gemeinsam erschmolzen, dabei auf eine Temperatur im Intervall von 650 °C bis 1.000 °C, vorzugsweise von 720 °C bis 950 °C erwärmt und in eine Gussform abgegossen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt erzielt wird durch Zugabe von chemischen Kohlenstoffverbindungen und/oder ihren Mischungen, insbesondere durch Zugabe pulverförmiger Karbide und Karbonitride, auch in Form eines Sinterproduktes aus Karbiden und Karbonitriden.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine kohlenstoffhaltige Aluminium-Vorlegierung in die Schmelze aus den übrigen für die Legierung vorgesehenen Bestandteilen eingebracht oder vorab den einzuschmelzenden Bestandteilen hinzugefügt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Titan-Kohlenstoff-Vorlegierung verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlegierung neben Kohlenstoff auch Phosphor enthält.

12. Verwendung der Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Gießen von thermisch hochbelasteten Maschinenelementen, insbesondere Kolben, Zylinderköpfen, Kurbelgehäusen, Laufbuchsen oder Motorblöcken jeweils für Verbrennungskraftmaschinen.

Claims

1. Aluminium-silicon casting alloy having the following composition:

- from 5 to 25% by weight of silicon,

- from 0.0007 to 0.1% by weight of carbon,

- from 0 to 4% by weight of each of the following alloy constituents, with preference being given to at least one of these constituents being present and their total being up to 10% by weight, preferably up to 6% by weight, more preferably up to 4% by weight:

magnesium, manganese, iron, cobalt, copper, zinc, nickel, vanadium, niobium, molybdenum, chromium, tungsten, beryllium, lead, yttrium, cerium, scandium, hafnium, silver, zirconium, titanium, boron, strontium, sodium, potassium, calcium, antimony, sulphur, barium, phosphorus, with the proviso that

- more than 0.3% by weight of Zr or more than 0.3% by weight of Ti or more than 0.6% by weight of Fe is present

- and at least 65% by weight of aluminium including unavoidable impurities is present as balance to 100% by weight.

2. Aluminium-silicon casting alloy according to Claim 1, characterized in that the alloy contains from 5 to 18% by weight, in particular from 12.5 to 14.5% by weight, of silicon.

3. Aluminium-silicon casting alloy according to either Claim 1 or 2, characterized in that fine primary silicon and modified eutectic are simultaneously present in its microstructure.

4. Aluminium-silicon casting alloy according to either Claim 2 or 3, characterized in that intermetallic phases are present as needles or small platelets having a length of up to 40 µm in its microstructure.

5. Aluminium-silicon casting alloy according to any of Claims 1 to 4 which can be obtained by targeted setting of the carbon content to from 0.0007 to 0.1% by weight.

6. Process for producing an aluminium-silicon casting alloy according to any of Claims 1 to 4, characterized in that the carbon content is set in a targeted manner by addition of carbon in any form.

7. Process according to Claim 6, characterized in that the base constituents selected for the composition are melted together while being heated to a temperature in the range from 650°C to 1000°C, preferably from 720°C to 950°C, and are poured into a casting mould.

8. Process according to Claim 6 or 7, characterized in that the carbon content is achieved by addition of chemical carbon compounds and/or mixtures thereof, in particular by addition of pulverulent carbides and carbonitrides, including in the form of a sintered product composed of carbides and carbonitrides.

9. Process according to Claim 6 or 7, characterized in that a carbon-containing aluminium prealloy is introduced into the melt composed of the other constituents provided for the alloy or is added beforehand to the constituents to be melted.

10. Process according to Claim 9, characterized in that an aluminium-titanium-carbon prealloy is used.

11. Process according to any of Claims 6 to 10, characterized in that the prealloy also contains phosphorus in addition to carbon.

12. Use of the aluminium casting alloy according to any of Claims 1 to 5 for casting highly thermally stressed machine elements, in particular pistons, cylinder heads, crankcases, bushes or engine blocks, in each case for internal combustion engines.

Revendications

1. Alliage de moulage aluminium-silicium ayant la composition suivante :

- 5 à 25 % en poids de silicium,

- 0,0007 à 0,1 % en poids de carbone,

- à chaque fois 0 à 4 % en poids des constituants d'alliage suivants, au moins un de ces constituants étant de préférence présent et leur somme étant de jusqu' à 10 % en poids, de préférence jusqu'à 6 % en poids, de manière davantage préférée jusqu'à 4 % en poids :

magnésium, manganèse, fer, cobalt, cuivre, zinc, nickel, vanadium, niobium, molybdène, chrome, tungstène, béryllium, plomb, yttrium, cérium, scandium, hafnium, argent, zirconium, titane, bore, strontium, sodium, potassium, calcium, antimoine, soufre, baryum, phosphore, à condition que

- plus de 0,3 % en poids de Zr ou plus 0,3 % en poids de Ti ou plus de 0,6 % en poids de Fe soit contenu,

- le reste jusqu'à 100 % en poids étant au moins 65 % en poids d'aluminium, y compris des impuretés inévitables.

2. Alliage de moulage aluminium-silicium selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage contient 5 à 18 % en poids, notamment 12,5 à 14,5 % en poids, de silicium.

3. Alliage de moulage aluminium-silicium selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que du silicium primaire fin et un eutectique raffiné sont présents simultanément dans sa structure.

4. Alliage de moulage aluminium-silicium selon l'une quelconque des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que des phases intermétalliques sont présentes dans sa structure sous la forme d'aiguilles ou de petites plaquettes jusqu'à au plus 40 µm de longueur.

5. Alliage de moulage aluminium-silicium selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, pouvant être obtenu par ajustement ciblé de la teneur en carbone de 0,0007 à 0,1 % en poids.

6. Procédé de fabrication d'un alliage de moulage aluminium-silicium selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la teneur en carbone est ajustée de manière ciblée par ajout de carbone sous une forme quelconque.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les constituants de base choisis pour la composition fondent ensemble, et ainsi sont portés à une température dans l'intervalle de 650 °C à 1 000 °C, de préférence de 720 °C à 950 °C, et versés dans un moule.

8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la teneur en carbone est atteinte par ajout de composés de carbone chimiques et/ou leurs mélanges, notamment par ajout de carbures et carbonitrures sous forme de poudre, ou également sous la forme d'un produit fritté de carbures et de carbonitrures.

9. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'un pré-alliage d'aluminium contenant du carbone est introduit dans la masse fondue des autres constituants prévus pour l'alliage ou ajouté auparavant aux constituants à fondre.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un pré-alliage aluminium-titane-carbone est utilisé.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que le pré-alliage contient également du phosphore en plus du carbone.

12. Utilisation de l'alliage de moulage d'aluminium selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour le moulage d'éléments de machine fortement sollicités thermiquement, notamment de pistons, de têtes de cylindres, de carters de vilebrequins, de chemises de cylindres ou de blocs moteurs, à chaque fois pour des moteurs à combustion.

Zeichnung