DE10110769C1

DE10110769C1 - Production of a thixotropic pre-material used in the manufacture of pistons for internal combustion engines comprises introducing a solid super eutectic aluminum-silicon alloy into an extruder

Info

Publication number: DE10110769C1
Application number: DE10110769A
Authority: DE
Inventors: Lothar Hofmann
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2021-03-08

Abstract

Production of a thixotropic pre-material comprises introducing a solid super eutectic aluminum-silicon alloy having a dentrite structure into an extruder; passing the alloy through a feed zone of the extruder; heating the alloy to a 80-150 K above the liquidus temperature as it passes through the heating zone; cooling the alloy to a temperature between its solidus and liquidus temperature; shearing the alloy with a screw or rotating plate using a force sufficient to break a part of the dentrite structure; and removing the alloy from the extruder. The alloy remains in the heating zone for 30 seconds to 4 minutes. The residence time of the alloy in the temperature region between the solidus and liquidus temperature is 2-8 minutes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines thixotropen Vormaterials für die Herstellung von Kolben für Verbrennungskraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for producing a thixotropic Materials for the manufacture of pistons for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.

Thixotrope Metall-Legierungen sind die Voraussetzung für die Herstellung von Kolben im sogenannten Semi-Solid-Gießverfahren.Thixotropic metal alloys are the prerequisite for the production of Pistons in the so-called semi-solid casting process.

Das Semi-Solid-Gießverfahren für Metall-Legierungen ist seit den 70er-Jahren bekannt, wobei für dieses Verfahren verschiedene Bezeichnungen wie Rheo- Cast, Thixo-Cast, Thixoforming und Semi-Solid-Molding verwendet werden.The semi-solid casting process for metal alloys has been around since the 1970s known, with various names such as rheo- Cast, Thixo-Cast, Thixoforming and Semi-Solid Molding can be used.

Dieses Gießverfahren unterscheidet sich von herkömmlichen Gießverfahren dadurch, daß die Verarbeitung des Metalls in teilflüssigem Zustand erfolgt. Das Semi-Solid-Gießverfahren nimmt eine Mittelstellung zwischen herkömmlichen Gießverfahren und Schmiedeverfahren ein.This casting process differs from conventional casting processes in that the processing of the metal takes place in a partially liquid state. The semi-solid casting process takes a middle position conventional casting and forging processes.

Die Grundlage des Semi-Solid-Gießverfahrens ist das thixotrope Verhalten bestimmter Metall-Legierungen. Ein Material wird als thixotrop bezeichnet, wenn die Viskosität einer Mischung aus festen und flüssigen Bestandteilen mit steigender Scherbeanspruchung abnimmt. Damit eine Metall-Legierung thixotrope Eigenschaft aufweist, muß vor dem eigentlichen Gießvorgang ein spezielles Gefüge vorliegen. Konventionell erstarrte Metall-Legierungen weisen eine dentritische Gefügestruktur auf. Erwärmt man eine Legierung mit einer dentritischen Struktur auf eine Temperatur, bei der flüssige und feste Bestandteile gleichzeitig vorliegen, so verhaken sich die festen dentritischen Phasen ineinander. Die Viskosität einer dentritischen, teilflüssigen Metall- Legierung ist deshalb für einen Gießprozeß zu hoch.The basis of the semi-solid casting process is the thixotropic behavior certain metal alloys. A material is called thixotropic, if the viscosity of a mixture of solid and liquid components with increasing shear stress decreases. So a metal alloy has thixotropic property, must before the actual casting process there is a special structure. Conventionally solidified metal alloys show a dentritic structure. If you heat an alloy with a dentritic structure to a temperature at which liquid and solid Components are present at the same time, so the fixed dentritic get caught Phases into each other. The viscosity of a dendritic, partially liquid metal Alloy is therefore too high for a casting process.

Durch verschiedene Verfahren kann man erreichen, daß im teilflüssigen Zustand der Metall-Legierung die festen Phasen eine globulitische, d. h. rundliche Form aufweisen. Die globulitischen Phasen, die im teilflüssigen Zustand von Schmelze umgeben sind, verhaken sich nicht. Bringt man auf diese teilflüssige Legierung Scherkräfte auf, z. B. bei einem Druckgießprozeß, dann fließt das Material ähnlich einer Flüssigkeit. Die Viskosität des teilflüssigen Materials ist umso geringer je höher die aufgebrachten Scherkräfte sind. Eine teilflüssige Metall-Legierung, bei der die festen Phasen in globulitischer Form vorliegen, verhält sich somit thixotrop.Through various processes you can achieve that in the partially liquid State of the metal alloy the solid phases a globulitic, d. H. have a rounded shape. The globulitic phases in the semi-fluid Condition are surrounded by melt, do not get caught. You bring up this partially liquid alloy shear forces, e.g. B. in a die casting process, then the material flows like a liquid. The viscosity of the the higher the applied shear forces, the less liquid material are. A partially liquid metal alloy, in which the solid phases in globulitic form, behaves thixotropically.

Der Fertigungsprozeß des Semi-Solid-Gießverfahrens gliedert sich in der Regel in drei Unterprozesse:
The manufacturing process of the semi-solid casting process is usually divided into three sub-processes:

- Vormaterialherstellung
- heating of the primary material
- pouring the final product

Besonders wichtig für den Erfolg des Semi-Solid-Gießverlbhrens ist die Qualität und die Wirtschaftlichkeit der Vormaterialherstellung. Das Semi-Solid- Gießverfahren hat sich bisher im industriellen Maßstab nur für sogenannte untereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen durchsetzen können, wobei AlSi7Mg eine typische Aluminium-Silizium-Legierung ist. This is particularly important for the success of semi-solid casting Quality and economy of primary material production. The semi-solid Casting has so far only been used on an industrial scale for so-called can enforce hypoeutectic aluminum-silicon alloys, whereby AlSi7Mg is a typical aluminum-silicon alloy.

Bei diesen untereutektischen Legierungen liegen im teilflüssigen Zustand Aluminium-Mischkristalle (α-Phase) in globulitischer Form vor, während die flüssige Phase vom sogenannten Eutektikum gebildet wird, das in der Gießform feinkörnig erstarrt.These hypoeutectic alloys are in the partially liquid state Aluminum mixed crystals (α-phase) in globulitic form before, during the liquid phase is formed by the so-called eutectic, which in the Mold solidified fine-grained.

Metall-Legierungen für die Herstellung von Kolben sind jedoch typischerweise übereutektische Legierungen, d. h. der Siliziumgehalt ist so hoch, daß im teilflüssigen Zustand großräumige Silizium-Phasen, d. h. primäres Silizium, gemeinsam mit Aluminium-Mischkristallen (primäre α-Phase) als feste Phase vorliegen, die in einer flüssigen Phase (Eutektikum) eingebettet ist, die beim Erstarren Aluminium-Mischkristalle, intermetallische Verbindungen und feines Silizium ausscheidet.However, metal alloys for the manufacture of pistons are typical hypereutectic alloys, d. H. the silicon content is so high that in partially liquid state large-scale silicon phases, d. H. primary silicon, together with aluminum mixed crystals (primary α phase) as a solid phase are present, which is embedded in a liquid phase (eutectic), which in the Solidify aluminum mixed crystals, intermetallic compounds and fine Silicon excretes.

Das primäre Silizium erstarrt im Gegensatz zum primären Aluminium- Mischkristall auch im konventionellen Guß nicht dentritisch sondern globular. Die bisher bereits bekannten Verfahren zur Herstellung von Vormaterialien für das Semi-Solid-Gießverfahren ändern nicht die Morphologie des primären Siliziums.The primary silicon solidifies in contrast to the primary aluminum Mixed crystal, even in conventional casting, is not dentritic but globular. The previously known processes for the production of primary materials for the semi-solid casting process does not change the morphology of the primary Silicon.

Die Materialeigenschaften einer solchen Kolbenlegierung hängen jedoch entscheidend von der Größenverteilung des primären Siliziums ab. Das primäre Silizium sollte hierbei möglichst klein, d. h. < 70 µm, und möglichst gleichmäßig in der Legierung verteilt sein. Grobes und/oder agglomeriertes primäres Silizium wirkt bei dynamischer Bauteilbelastung, die bei Kolben typisch ist, als Rißstarter.However, the material properties of such a piston alloy depend depends crucially on the size distribution of the primary silicon. The primary silicon should be as small as possible, i. H. <70 µm, and if possible be evenly distributed in the alloy. Coarse and / or agglomerated primary silicon works with dynamic component loading, that with pistons is typical as a crack starter.

Die darin beschriebenen Verfahren zur Vormaterialherstellung erzeugen typischerweise ein sehr grobes und häufig zusätzlich agglomeriertes primäres Silizium. Dies ist der Grund dafür, daß sich das Semi-Solid-Gießverfahren bis heute nicht für die Herstellung von Kolben durchgesetzt hat. Generate the processes described therein for the production of primary materials typically a very coarse and often additionally agglomerated primary Silicon. This is the reason why the semi-solid casting process is up has not prevailed today for the production of pistons.

Im folgenden werden die gängigsten Verfahren zur Herstellung thixotropen Vormaterials aus Aluminium-Legierungen und ihrer speziellen Nachteile bei der Herstellung von thixotropen, übereutektischen Aluminium- Kolbenlegierungen beschrieben.The following are the most common methods of producing thixotropes Materials made of aluminum alloys and their special disadvantages the production of thixotropic, hypereutectic aluminum Piston alloys described.

Bei dem sogenannten MHD-Verfahren (Magneto Hydrodynamic Stirring) wird die flüssige Aluminium-Legierung im Strangussverfahren vergossen. In der Erstarrungszone wird die teilerstarrte Legierung mittels Magnetfelder gerührt. Dadurch werden die dentritisch erstarrten Phasen zerbrochen und zu globulitischen Phasen eingerundet. Dies ist die Voraussetzung für ein thixotropes Verhalten der Legierung.In the so-called MHD process (Magneto Hydrodynamic Stirring) cast the liquid aluminum alloy using the continuous casting process. In the Solidification zone, the partially solidified alloy is stirred by means of magnetic fields. As a result, the dentritically frozen phases are broken and closed globulitic phases rounded. This is the prerequisite for one thixotropic behavior of the alloy.

Bei übereutektischen Aluminium-Kolbenlegierungen erstarrt als erste oder eine der ersten Phasen das primäre Silizium in der Schmelze. Da die Erstarrungsgeschwindigkeit bei diesem Prozeß relativ langsam ist, können die primär ausgeschiedenen Siliziumpartikel lange wachsen. Sie werden dadurch sehr groß. Zusätzlich agglomerieren die primären Siliziumphasen, wodurch ein für Kolbenlegierungen ungeeignetes Gefüge erhalten wird.In hypereutectic aluminum piston alloys, it solidifies first or one in the first phases the primary silicon in the melt. Since the The rate of solidification in this process is relatively slow primarily excreted silicon particles grow long. You will very large. In addition, the primary silicon phases agglomerate, creating a structure which is unsuitable for piston alloys is obtained.

Das sogenannte SSP-Verfahren (Single Slug Production) entspricht im Prinzip dem MHD-Verfahren mit dem Unterschied, daß die Legierung nicht im Strangussverfahren abgegossen wird, sondern daß einzelne Bolzen in einem Gefäß unter magnetisch induziertem Rühren erstarren. Die Nachteile für übereutektische Kolbenlegierungen entsprechen denen des MHD-Verfahrens.The so-called SSP process (Single Slug Production) corresponds in principle the MHD process with the difference that the alloy is not in the Continuous casting process is poured, but that individual bolts in one Solidify the vessel with magnetically induced stirring. The cons for hypereutectic piston alloys correspond to those of the MHD process.

Das Verfahren, das als Mechanical Stirring bezeichnet wird, entspricht im Prinzip dem MHD-Verfahren, wobei das Rühren mittels Magnetfelder durch mechanisches Rühren ersetzt wird. Die Nachteile für übereutektische Kolbenlegierungen entsprechen denen des MHD-Verfahrens. The procedure, which is called Mechanical Stirring, corresponds to Principle of the MHD process, with stirring using magnetic fields mechanical stirring is replaced. The disadvantages for hypereutectic Piston alloys correspond to those of the MHD process.

Beim New-Rheo-Cast-Verfahren (s. Aluminium 76, 2000, 1/2, S. 70-74) wird die flüssige Legierung in isolierte Gefäße gegossen und erstarrt in diesen Gefäßen ohne Rühren extrem langsam. Aufgrund der extrem langsamen Erstarrung formen sich die primär in der Schmelze ausgeschiedenen Phasen infolge der Oberflächenspannung globulitisch anstatt dentritisch aus. Damit liegen die Voraussetzungen für thixotropes Verhalten der Legierung vor.In the New Rheo Cast process (see Aluminum 76, 2000, 1/2, pp. 70-74) the liquid alloy poured into insulated vessels and solidifies in these vessels extremely slow without stirring. Shape due to the extremely slow solidification the phases which are primarily excreted in the melt as a result of the Surface tension globular rather than dentritic. With that lie the Requirements for thixotropic behavior of the alloy.

Dieses Verfahren eignet sich für übereutektische Kolbenlegierungen noch weniger als die bekannten Verfahren MHD oder SSP, da die extrem langsame Erstarrung zu extrem groben primären Siliziumphasen führt. Die Siliziumpartikel haben bei diesem Verfahren extrem viel Zeit zum wachsen. Die mit diesem Verfahren herstellbaren Gefüge sind für Kolben völlig ungeeignet.This method is even less suitable for hypereutectic piston alloys than the known methods MHD or SSP because of the extremely slow solidification leads to extremely coarse primary silicon phases. The silicon particles have this process takes a lot of time to grow. Those with this procedure manufacturable structures are completely unsuitable for pistons.

Aus der DE 198 20 976 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Rohlings für eine Zylinderlaufbuchse aus einer übereutektischen AlSi-Legierung bekannt. Die geschmolzene Legierung wird zu einem Vormaterial im Sprühkompaktierungsverfahren verarbeitet und anschließend zu einem rohrförmigen Halbzeug im Strangpreßverfahren im thixotropen Zustand der Legierung umgeformt.DE 198 20 976 A1 describes a method for producing a blank for a cylinder liner made of a hypereutectic AlSi alloy is known. The molten alloy becomes a primary material in the Spray compaction process processed and then into one tubular semi-finished product in the extrusion process in the thixotropic state of Alloy formed.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Rohlingen für Zylinderlaufbuchsen aus einer übereutektischen AlSi-Legierung ist aus der DE 199 18 231 A1 bekannt.Another method of manufacturing blanks for cylinder liners from a hypereutectic AlSi alloy is known from DE 199 18 231 A1.

Ein Druckgießverfahren zur Herstellung von Gußstücken aus Legierungen mit thixotropen Eigenschaften wird in der EP 1 004 374 A1 beschrieben.A die casting process for the production of alloy castings with thixotropic properties are described in EP 1 004 374 A1.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssig/Fest-Metall-Legierung, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, ist aus der EP 0 080 786 B1 bekannt. Dieses Verfahren ist geeignet für die Herstellung von thixotropen Vormaterials auf der Basis von Blei-Legierungen, Magnesium-Legierungen, Zink-Legierungen, Aluminium-Legierungen, Kupfer-Legierungen, Eisen-Legierungen, Nickel- Legierungen und Kobalt-Legierungen. Bezüglich der interessierenden Aluminium- Legierungen werden allerdings keine Angaben über die Zusammensetzung gemacht. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß dieses bekannte Verfahren für die Herstellung von Kolbenlegierungen aufgrund des sich ausbildenden groben Gefüges nicht geeignet ist.A method of manufacturing a liquid / solid metal alloy, of which the the present invention is known from EP 0 080 786 B1. This Process is suitable for the production of thixotropic primary material on the Base of lead alloys, magnesium alloys, zinc alloys, Aluminum alloys, copper alloys, iron alloys, nickel Alloys and cobalt alloys. With regard to the aluminum Alloys, however, do not give any information about the composition made. However, it has been found that this known method for Manufacture of piston alloys due to the developing coarse Structure is not suitable.

Ähnliche Verfahren für Magnesium-Legierungen sind aus US 4,694,881 und 4,694,882 bekannt.Similar processes for magnesium alloys are known from US 4,694,881 and 4,694,882 known.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines thixotropen Vormaterials bereitzustellen, das eine Gefügestruktur aufweist, so daß dieses Vormaterial für die Herstellung von Kolben für Verbrennungskraftmaschinen geeignet ist. The object of the invention is therefore to provide a method for producing a To provide thixotropic material, which has a structure, so that this material for the manufacture of pistons for Internal combustion engines is suitable.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ausgehend von dem in der EP 0 080 786 B1 bekannten Verfahren als Metall-Legierung eine übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung verwendet wird, daß während des Durchgangs der Metall-Legierung durch die Heizzone des Extruders die Legierung auf eine Temperatur erwärmt wird, die 80 bis 150 K über der Liquidus-Temperatur liegt, wobei die Verweildauer der Aluminium-Silizium-Legierung in der Heizzone des Extruders 30 Sekunden bis 4 Minuten beträgt und daß die Verweildauer der Aluminium-Silizium-Legierung im Temperaturbereich zwischen der Liquidus- und der Solidus-Temperatur 2 bis 8 Minuten beträgt.This object is achieved in that, starting from that in EP 0 080 786 B1 known method as a metal alloy a hypereutectic Aluminum-silicon alloy is used during the passage the metal alloy through the heating zone of the extruder Temperature is heated, which is 80 to 150 K above the liquidus temperature lies, the residence time of the aluminum-silicon alloy in the Heating zone of the extruder is 30 seconds to 4 minutes and that the Dwell time of the aluminum-silicon alloy in the temperature range between the liquidus and solidus temperatures is 2 to 8 minutes.

Es hat sich herausgestellt, daß übereutektische Aluminium-Legierungen dann in diesem Herstellungsverfahren eingesetzt werden können, wenn die beanspruchten Parameter in der Heizzone des Extruders und während der Abkühlung der Aluminium-Silizium-Legierung auf eine Temperatur zwischen ihrer Solidus- und Liquidus-Temperatur eingehalten werden. Es war überraschend, daß die Größe der primären Siliziumkristalle die zulässige Größe von etwa 70 µm nicht überschreitet, und daß die primären Siliziumkristalle nicht koagulieren.It has been found that hypereutectic aluminum alloys are then used in this manufacturing process can be used if the claimed parameters in the heating zone of the extruder and during the Cooling of the aluminum-silicon alloy to a temperature between their solidus and liquidus temperature are observed. It was Surprisingly, the size of the primary silicon crystals is the allowable size of about 70 microns and that the primary silicon crystals do not coagulate.

Es hat sich gezeigt, daß die Temperaturen in der Heizzone des Extruders möglichst wenig über der Liquidus-Temperatur der Legierung liegen dürfen, wobei sich ein Temperaturbereich von 80 bis 150 K über der Liquidus- Temperatur als vorteilhaft herausgestellt hat. Dadurch verbleiben in der Schmelze genügend Keime, die beim Abkühlen der Legierung auf eine Temperatur zwischen der Liquidus- und Solidus-Temperatur als Keime für die primär ausgeschiedenen Siliziumpartikel dienen. Dadurch beginnen offensichtlich viele Siliziumpartikel zu wachsen und konkurrieren um das in der Schmelze gelöste Silizium miteinander. Es wird vermutet, daß die Siliziumpartikel deshalb nur zu einer geringen Größe heranwachsen, was eine Voraussetzung dafür ist, daß das Material für die Produktion von Kolben verwendet werden kann. It has been shown that the temperatures in the heating zone of the extruder as little as possible above the liquidus temperature of the alloy, with a temperature range of 80 to 150 K above the liquidus Temperature has proven to be advantageous. As a result, remain in the Melt enough germs to cool down when the alloy cools down Temperature between the liquidus and solidus temperature as seeds for serve primarily secreted silicon particles. Start by doing this obviously a lot of silicon particles grow and compete for that in the melt dissolved silicon together. It is believed that the Silicon particles therefore only grow to a small size, which is a The prerequisite for this is that the material for the production of pistons can be used.

Desweiteren hat sich gezeigt, daß die Verweildauer der Legierung in der Heizzone des Extruders möglichst kurz sein sollte. Bei den bevorzugten niedrigen Temperaturen der Legierung in der Heizzone des Extruders neigen die Keime zum Ausseigern aus der Schmelze, wodurch die Schmelze an Keimen für die primär ausgeschiedenen Siliziumpartikel verarmt.Furthermore, it has been shown that the residence time of the alloy in the Heating zone of the extruder should be as short as possible. With the preferred low temperatures of the alloy in the heating zone of the extruder tend the germs to ooze out of the melt, causing the melt to Germs for the primary secreted silicon particles are impoverished.

Es würden nur wenige primäre Siliziumpartikel entstehen, die die Größe von 70 µm übersteigen würden. Damit wäre die Legierung nicht mehr für die Herstellung von Kolben geeignet. Durch die Einstellung einer kurzen Verweildauer ist es gelungen, das Ausseigern der Keime aus der Schmelze zu begrenzen.There would be only a few primary silicon particles that are the size of Would exceed 70 µm. So that the alloy would no longer be for them Production of pistons suitable. By hiring a short The dwell time has been successful in eliminating the germs from the melt limit.

Desweiteren ist die Verweildauer der Legierung in der Abkühlzone des Extruders von Bedeutung, in der sich die Legierung in einem Temperaturbereich zwischen Liquidus- und Solidus-Temperatur befindet. Hierbei hat sich eine Verweildauer von 2 bis 8 Minuten als geeignet herausgestellt. Eine längere Verweildauer über 8 Minuten hinaus ermöglicht den primär ausgeschiedenen Siliziumpartikeln ebenfalls ein zu starkes Wachstum. Die Siliziumpartikel würden größer als 70 µm werden und die Legierung wäre damit nicht mehr für die Herstellung von Kolben geeignet.Furthermore, the residence time of the alloy in the cooling zone of the Extruder of importance in which the alloy is in one Temperature range between liquidus and solidus temperature. A stay of 2 to 8 minutes has proven to be suitable exposed. A longer stay beyond 8 minutes enables the primarily separated silicon particles are also too strong Growth. The silicon particles would be larger than 70 µm and that Alloy would no longer be suitable for the production of pistons.

Vorzugsweise wird eine Aluminium-Legierung mit einem Siliziumgehalt von 12 bis 16 Gew.-% verwendet.Preferably, an aluminum alloy with a silicon content of 12 to 16 wt .-% used.

Die Verweildauer im Schritt c.) beträgt vorzugsweise 30 Sekunden bis 2 Minuten und die Verweildauer im Schritt d.) vorzugsweise 2 bis 5 Minuten.The dwell time in step c.) Is preferably 30 seconds to 2 Minutes and the residence time in step d.) Preferably 2 to 5 minutes.

Um die gewünschte Härte der Legierung herzustellen, ist die Zugabe von Kupfer wünschenswert. Vorzugsweise weist daher die Aluminium-Silizium- Legierung einen Kupfergehalt von 1 bis 8% auf. Mit den gängigen Gießverfahren wurden bisher nur Kolbenlegierungen verarbeitet, die einen Kupfergehalt bis maximal 5 Gew.-% aufwiesen, weil höhere Kupfergehalte, die bezüglich der Härte wünschenswert sind, typische Gießfehler wie sogenannte Mikrolunker aufwiesen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß mit dem Semi- Solid-Verfahren auch Legierungen vergießbar sind, die höhere Kupfergehalte aufweisen. Hier hat sich ein Bereich von mehr als 5 bis 8 Gew.-% bezüglich des Kupfergehaltes als vorteilhaft herausgestellt.To achieve the desired hardness of the alloy, the addition of Copper desirable. Therefore, the aluminum silicon Alloy has a copper content of 1 to 8%. With the usual Casting processes have so far only been used for piston alloys Copper content up to a maximum of 5 wt .-%, because of higher copper contents in terms of hardness, typical casting defects such as so-called Have micro voids. However, it has been found that with the semi- Solid processes are also castable alloys that have higher copper contents exhibit. A range of more than 5 to 8% by weight has been found here the copper content was found to be advantageous.

Vorzugsweise enthält die Aluminium-Silizium-Legierung einen Phosphorgehalt von 20 bis 200 ppm. Der Phosphorgehalt ist vorteilhaft, weil Aluminium- Phosphorkeime gebildet werden, die wiederum für die Bildung feiner Siliziumpartikel von Bedeutung sind.The aluminum-silicon alloy preferably contains a phosphorus content from 20 to 200 ppm. The phosphorus content is advantageous because aluminum Phosphorus nuclei are formed, which in turn are fine for formation Silicon particles are important.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Aluminium-Silizium-Legierung eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe der seltenen Erden aufweist. Die Zugabe eines oder mehrerer der Elemente der Gruppe der seltenen Erden hat den Vorteil, daß die Größe des primären Siliziums reduziert wird.It is also advantageous if the aluminum-silicon alloy is one or has several rare earth elements. The Has added one or more of the elements of the rare earth group the advantage that the size of the primary silicon is reduced.

Eine bevorzugte Legierung weist folgende Zusammensetzung auf:
10 bis 18% Silizium, 1 bis 8 Gew.-% Kupfer, 1 bis 4 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 30 bis 50 ppm Phosphor und Rest Aluminium.A preferred alloy has the following composition:
10 to 18% silicon, 1 to 8% by weight copper, 1 to 4% by weight nickel, 0.5 to 1.5% by weight magnesium, 30 to 50 ppm phosphorus and the rest aluminum.

Die Aluminium-Silizium-Legierung kann eines oder mehrere der folgenden Elemente enthalten:
maximal 1 Gew.-% Fe, maximal 1 Gew.-% Cr, maximal 1 Gew.-% Zn, maximal 0,2 Gew.-% Pb, maximal 0,2 Gew.-% Sn, maximal 100 ppm Ca, maximal 100 ppm Sr, maximal 100 ppm Na, 0,05 bis 2 Gew.-% Ti, 0,05 bis 1 Gew.-% Zr, 0,05 bis 1 Gew.-% V, 0,05 bis 1 Gew.-% Mn, 005 bis 1 Gew.-% Co, 0,05 bis 1 Gew.-% Sb, 0,05 bis 1 Gew.-% Ag und/oder 0,04 bis 1 Gew.-% Ce. The aluminum-silicon alloy can contain one or more of the following elements:
maximum 1% by weight Fe, maximum 1% by weight Cr, maximum 1% by weight Zn, maximum 0.2% by weight Pb, maximum 0.2% by weight Sn, maximum 100 ppm Ca, maximum 100 ppm Sr, maximum 100 ppm Na, 0.05 to 2 wt.% Ti, 0.05 to 1 wt.% Zr, 0.05 to 1 wt.% V, 0.05 to 1 wt. % Mn, 005 to 1 wt% Co, 0.05 to 1 wt% Sb, 0.05 to 1 wt% Ag and / or 0.04 to 1 wt% Ce.

Es ist vorgesehen, daß die aus dem Extruder abgeführte Aluminium-Silizium- Legierung vorzugsweise einer Druckguß-, inbesondere einer Hochdruck- Kaltkammer-Druckgußmaschine zugeführt wird, um der ausgestoßenen Legierung eine Gestalt zu geben. Es ist möglich, unmittelbar an diese Vormaterialherstellung die Herstellung von Kolben in dieser Druckgußmaschine durchzuführen.It is envisaged that the aluminum-silicon discharged from the extruder Alloy preferably a die cast, especially a high pressure Cold chamber die casting machine is fed to the ejected To give shape to alloy. It is possible to get directly to this Manufacture of pistons in this material Perform die casting machine.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine Zwischenlagerung von Vorteil ist, weil dadurch die Schritte der Herstellung des Vormaterials und Gießen der Kolben zeitlich entkoppelt sind. Eine Störung beispielsweise im nachfolgenden Prozeßschritt Gießen des Kolbens würde zwangsläufig eine verzögerte Materialabnahme aus dem Extruder zur Folge haben, was wiederum eine unzulässig lange Verweildauer der Aluminium-Legierung in der Heizzone bzw. im Temperaturbereich zwischen Liquidus- und Solidus-Temperaturen im Extruder nach sich ziehen würde. Da jedoch zu lange Haltezeiten in diesen Zonen des Extruders bei den erfindungsgemäßen übereutektischen Kolbenlegierungen zu unzulässig großen primären Siliziumpartikeln führen würde, ist es empfehlenswert, beide Verfahrensschritte zeitlich zu trennen. Es ist deshalb vorgesehen, daß vorzugsweise nach dem Abführen der Legierung aus dem Extruder die Aluminium-Legierung zwischengelagert wird und daß vor der Weiterverarbeitung in einer Druckgußmaschine eine Vorerwärmung der Aluminium-Legierung auf eine Temperatur durchgeführt wird, bei der ca. 30% bis 70% der Legierung als flüssige Phase vorliegen.However, it has been shown that temporary storage is advantageous because thereby the steps of manufacturing the primary material and casting the pistons are decoupled in time. A disturbance for example in the following Process step casting the piston would inevitably be delayed Material removal from the extruder result, which in turn a impermissibly long residence time of the aluminum alloy in the heating zone or in the temperature range between liquidus and solidus temperatures in Extruder would entail. However, because of long waiting times in these Zones of the extruder in the hypereutectic invention Piston alloys lead to impermissibly large primary silicon particles it would be advisable to separate the two steps in time. It it is therefore provided that preferably after the removal of the alloy the aluminum alloy is temporarily stored in the extruder and that preheating before further processing in a die casting machine the aluminum alloy is carried out to a temperature at which approx. 30% to 70% of the alloy is present as a liquid phase.

Claims

1. A method for producing a thixotropic material for the manufacture of pistons for internal combustion engines, in which

a) a solid metal alloy with dentrite structure is fed to an extruder,
b) the metal alloy is passed through a feed zone in the extruder,
c) the metal alloy is heated to a temperature above the liquidus temperature while passing through a heating zone of the extruder,
d) the metal alloy is cooled to a temperature between its solidus and liquidus temperatures,
e) the cooled metal alloy is sheared with a screw or a rotating plate with a force sufficient to break at least part of the dendrite structure as it is formed, and
f) the metal alloy is removed from the extruder,

characterized by
that a hypereutectic aluminum-silicon alloy is used as the metal alloy,
that in step c.) the alloy is heated to a temperature which is 80-150 K above the liquidus temperature, the residence time of the aluminum-silicon alloy in the heating zone of the extruder being 30 seconds to 4 minutes and
that in step d.) the residence time of the aluminum-silicon alloy in the temperature range between the liquidus and the solidus temperature is 2 to 8 min.

2. The method according to claim 1, characterized in that a Aluminum-silicon alloy with a silicon content of 10 to 18% by weight is used.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a Aluminum-silicon alloy with a Si content of 12 to 16% by weight is used.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the residence time in step c.) about 30 sec to 2 min is.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the residence time in step d.) 2 to 5 min is.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized characterized in that an aluminum-silicon alloy with a Copper content of 1 to 8 wt .-% is used.

7. The method according to claim 6, characterized in that a Aluminum-silicon alloy with a copper content of <5 to 8% by weight is used.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized characterized in that an aluminum-silicon alloy with a Phosphorus content of 20-200 ppm is used.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized characterized in that an aluminum-silicon alloy with 0.1 to 1% by weight of one or more elements from the group of the rare Earth is used.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the alloy used has the following composition:
10 to 18 wt .-% silicon, 1 to 8 wt .-% copper, 1 to 4 wt .-% nickel, 0.5 to 1.5 wt .-% Mg, 30 ppm-150 ppm P and the rest aluminum.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the aluminum-silicon alloy used contains one or more of the following elements:
maximum 1% by weight Fe, maximum 1% by weight Cr, maximum 1% by weight Zn, maximum 0.2% by weight Pb, maximum 0.2% by weight Sn, maximum 100 ppm Ca, maximum 100 ppm Sr, maximum 100 ppm Na, 0.05 to 2 wt.% Ti, 0.05 to 1 wt.% Zr, 0.05 to 1 wt.% V, 0.05 to 1 wt. % Mn, 005 to 1 wt% Co, 0.05 to 1 wt% Sb, 0.05 to 1 wt% Ag and / or 0.04 to 1 wt% Ce.

12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized characterized in that a die casting machine is used to the to give shape to the ejected alloy.

13. The method according to claim 12, characterized in that in the Die casting machine uses a mold to make pistons becomes.

14. The method according to claim 13, characterized in that according to the Removing the alloy from the extruder the aluminum alloy is temporarily stored and that before further processing in the Die casting machine preheating the aluminum alloy a temperature is carried out at which approx. 30% to 70% of the Alloy present as a liquid phase.