本发明涉及一种用于生产和使用发动机部件的方法，特别是用于内燃机的活塞，其中铝合金通过重力压铸工艺铸造而成，涉及一种发动机部件，其至少部分由铝合金构成，还涉及一种生产此类发动机部件的铝合金的应用。
背景技术：
在过去的几年里，存在对于特别是经济的增长的需要，因此，生态化的交通工具必须满足高消耗和排放要求。此外，一直存在设计具有最大可能性的性能和燃油效率的发动机的需要。在高性能和低排放内燃机的发展中的关键因素是能在不断上升的燃烧温度和燃烧压力下使用的活塞，本质上通过更高效的活塞材料而使上述成为可能。
原则上，用于内燃机的活塞必须在尽可能的轻量和坚固的同时展现出高度耐热性。因此，如何设计显微结构的分布、形态及成分和高度耐热相的热稳定性是至关重要的。就这一点而言，最优化通常考虑气孔和包含的氧化夹杂物的最小化。
寻求的材料必须在等温抗振性(HCF)和形变场疲劳强度(TMF)这两方面都被最优化。为了获得最佳的TMF，应努力寻找到具有可能存在的最佳微观结构的材料。较佳的微观结构降低了在相对大的初相上(特别在初生硅析出相上)发展微区塑性和微裂纹的风险，并且因此也降低了裂纹萌生和裂纹扩展的风险。
微区塑性或微裂纹可能会严重缩短活塞材料的使用寿命，当承受TMF压力时，由于合金单个组分不同的膨胀系数，即基体相和初相，在相对较大的初相上，尤其是初生硅析出相上可诱发微区塑性或微裂纹。公认地，为提高使用寿命应将初相尽可能的保持较小。
当应用重力压铸工艺时，存在合金元素应被包括在内的浓度上限，且超过此上限后合金的铸造性能会降低或铸造变得不可能。此外，增强元素的过高浓度会导致大的片状的金属间相的形成，此金属间相会大幅度降低疲劳强度。
DE 4404420A1描述了一种可用于特别是经受高温及高机械负载的活塞和部件的合金。所描述的铝合金包含8.0至10.0wt％的硅、0.8至2.0wt％的镁、4.0至5.9wt％的铜、1.0至3.0wt％的镍、0.2至0.4wt％的锰、少于0.5wt％的铁，还有至少从锑、锆、钛、锶、钴、铬及钒中选出一种元素，其中这些元素中的至少一种以大于0.3wt％的量存在且其中这些元素的总量小于0.8wt％。
EP 0924310B1描述了一种用于活塞生产(特别是用于内燃机中的活塞)的铝硅合金。铝合金有如下的组分：10.5至13.5wt％的硅、2.0至少于4.0wt％的铜、0.8至1.5wt％的镁、0.5至2.0wt％的镍、0.3至0.9wt％的钴、至少20ppm的磷、及0.05至0.2wt％的钛或高达0.2wt％的锆和/或高达0.2wt％的钒，和剩余的铝及不可避免的杂质。
WO 00/71767A1描述了一种适用于高温用途(比如高负载活塞或在内燃机中的其他用途)的铝合金。铝合金由如下元素组成：6.0至14.0wt％的硅、3.0至8.0wt％的铜、0.01至0.8wt％的铁、0.5至1.5wt％的镁、0.05至1.2wt％的镍、0.01至1.0wt％的锰、0.05至1.2的钛、0.05至1.2wt％的锆、0.05至1.2wt％的钒、0.001至0.10wt％的锶和剩余的铝。
DE 10333103B4描述了一种由铸铝合金制成的活塞，其中所述铸铝合金包含：0.2或少于0.2wt％的镁、0.05至0.3wt％的钛，10至21wt％的硅、2至3.5wt％的铜、0.1至0.7wt％的铁、1至3wt％的镍、0.001至0.02wt％的磷、0.02至0.3wt％的锆，及剩余的铝和杂质。此外描述了出现在活塞中的非金属夹杂物的尺寸小于100μm。
EP 1975262B1描述了一种铸铝合金，包含：6至9％的硅、1.2至2.5％的铜、0.2至0.6％的镁、0.2至3％的镍、0.1至0.7％的铁、0.1至0.3％的钛、0.03至0.5％的锆、0.1至0.7％的锰、0.01至0.5％的钒，及如下元素的一种或多种：0.003至0.05％的锶、0.02至0.2％的锑及0.001至0.03％的钠，其中当总量被认为是100％的质量百分数时，钛和锆的总量低于0.5％且剩余物由铝和不可避免的杂质组成。
WO 2010/025919A2描述了一种用于生产内燃机活塞的方法，其中活塞坯料由添加有铜含量的铝硅合金铸造之后完成。该发明提供了含铜量不超过铝硅合金的5.5％且钛(Ti)、锆(Zr)、铬(Cr)和/或钒(V)的含量混合到铝硅合金中，所有成分的总量等于100％。
申请DE 102011083969涉及一种用于生产发动机部件(特别是用于内燃机的活塞)的方法，其中铝合金以重力压铸工艺铸造而成，涉及一种发动机部件，其至少部分包括：铝合金，还涉及一种用于生产发动机部件的铝合金的应用。这里，铝合金包含如下合金元素：6至10wt％的硅、1.2至2wt％的镍、8至10wt％的铜、0.5至1.5wt％镁、0.1至0.7wt％的铁、0.1至0.4wt％的锰、0.2至0.4wt％的锆、0.1至0.3wt％的钒、0.1至0.5wt％的钛和剩余的铝及不可避免的杂质。此合金优选地含有低于30ppm的磷含量。
最后，可提及EP1340827B1，其描述了具有相对较低的镁浓度的铸造铝硅合金中铍的效应。5至100ppm铍的添加会促进一种有利的薄的化学计量氧化镁层的形成，此层提升了合金的流动性和短期氧化行为。
技术实现要素：
本发明目的是提供一种用于生产发动机部件、特别是用于内燃机的活塞的方法，其中铝合金以重力压铸工艺铸造而成，这样可使高度耐热发动机部件以重力压铸工艺进行生产。
通过根据权利要求1的方法提供了解决此目的的技术方案。本发明进一步的优选实施方案可从相应的从属权利要求中得到。
本发明的另一目的是提供一种发动机部件，特别是用于内燃机的活塞，此部件至少部分地由铝合金组成的同时是高度耐热的。
此目的通过权利要求10的主题名称而实现，且进一步优选的实施案可由相应的从属权利要求得到。
在根据本发明的方法中，铝合金包含如下合金元素：
硅(Si)，从约7wt％，优选地从约9wt％至小于约14.5wt％，优选地至小于约12wt％，更优选地至小于约10.5wt％，且更加优选地至小于10wt％；
镍(Ni)，从大于约1.2wt％，优选地从大于约2wt％，至小于等于约4wt％，优选地至小于约3.5wt％，且更优选地至小于约2wt％；
铜(Cu)，从大于约3.7wt％，优选地从大于约5.2wt％，且更优选地大于5.5wt％，至小于约10，优选地至小于约8，更优选地至小于等于约5.5，且更加优选地至约5.2wt％；
钴(Co)，高达小于约1wt％，优选地从大于约0.2wt％至小于约1wt％；
镁(Mg)，从约0.1wt％，优选地从约0.5wt％，更优选地从约0.6wt％，更加优选地从大于约0.65wt％，且特别优选的大于等于约1.2wt％，至约1.5wt％，优选地至约1.2wt％，且更加优选地至小于等于约0.8wt％；
铁(Fe)，从约0.1wt％，优选地从约0.4wt％，至小于等于约0.7wt％，优选地至约0.6wt％；
锰(Mn)，从约0.1wt％至小于等于约0.7wt％，且优选地至约0.4wt％；
锆(Zr)，从大于约0.1wt％，优选地从约大于0.2wt％，至小于约0.5wt％，优选地至小于等于约0.4wt％，且更优选地至小于约0.2wt％；
钒(V)，从大于等于约0.1wt％至小于等于约0.3wt％，优选地至小于约0.2wt％；
钛(Ti)，从约0.05wt％，优选地从约0.1wt％，至约0.5wt％，优选地至小于等于约0.2wt％；
磷(P)，从约0.004wt％至约小于等于0.05wt％，优选地至约0.008wt％，及剩余的铝和不可避免的杂质。上述未提及的其他元素也可被认为是杂质。例如，不纯度可总计为每一种杂质元素的0.01wt％或总体的0.2wt％。
选取的铝合金使得在重力压铸工艺下生产具有细分散、高度耐热、热稳定的相及精细结构的高掺量的发动机部件成为可能。相比于迄今已知的用于生产活塞和类似发动机部件工艺而言，根据本发明的所选择的合金例如在氧化物或初生相上降低了裂纹萌生和裂纹扩展的敏感性和TMF-HCF使用寿命。
至少在根据本发明生产的活塞中，根据本发明的合金，且更特别地相对较低的硅含量，也允许相对更少的且更精细的初生硅出现在活塞的喉口区域(bowl rim area)，此处往往承受较高的热负荷，使得合金产生了根据本发明生产的活塞特别好的性能。因此，高度耐热的发动机部件可通过重力压铸工艺生产。根据本发明，铜、锆、钒及钛的含量，且更特别地相对较高的锆、钒及钛的含量，导致了增强析出相的有利性质，但没有产生大的片状的金属间相。例如，通过有针对性地在根据本发明的范围内选取铜含量用于具体应用中从而使合金性质最优化是可行的。较高的铜含量特别地增强了合金的耐热性。另一方面，较低含量使得导热系数升高且合金的密度降低。进一步地，根据本发明的钴及磷的含量是有利的，因为钴提高了合金的硬度和(热)强度，且磷作为初生硅析出相的成核剂可促成初生硅以特别精细且均匀分散的方式被析出。此外锆和钴有助于在高温下特别是在喉口区域提高强度。
以有利的方式，上述的铝合金优选地包含0.6wt％至0.8wt％的镁，此处镁在优选的浓度范围内，特别地促成了第二增强相的高效形成而没有氧化物的过度形成。备选地或附加地，合金优选地还包含0.4wt％至0.6wt％的铁，其有利地降低了合金插入压铸模型的趋势，伴有在上述浓度范围内限制的片状相的形成。
上述的铝合金还包含从约0.0005wt％，优选地从大于约0.006wt％，且更优选地从约0.01wt％到约0.5wt％，优选地至约小于0.1wt％的铍(Be)，钙的含量限制在小于等于约0.0005wt％。铍的添加导致合金特别好的铸造性能。向熔化物添加的铍可在熔化物上产生厚的氧化皮，其起到扩散势垒的作用并减少熔化物氧化和吸氢。并且，随后阻止铝和镁扩散到外界是可能的。当使用保温炉时上述效果是密切相关的。此外，能够改善流动性的精细的/薄的氧化层是在铸造期间(例如在模具内)的凝固前沿形成的。总的来说，因此薄壁和精细形状的结构可被更好地填充且不用任何附加的辅助手段。铍的添加还提升了作为整体的合金的强度特性。在时效期间，可在强度提高的析出相上获得更大的密度。铍的添加通过降低熔化物的氧化补充了当前的铝合金的有益效果，且促进了改进的铸造性能并且提升了合金的强度，特别是在重力压铸过程中。同时，优选地钙含量被限制在上述的低水平。较高的钙含量的共存会抵消铍的有益效果并且会增强氧化作用。就这一点而言，最低的钙含量是有利的。
本发明的特别优选的铝合金A、B、C和D可从下表中得到(单位为wt％)：
合金A、B、C和D实现了上述的技术优势。此外，合金A中相对高的Cu和Zr含量证明是有利的，因为其提升了强度提高的析出相的水平。同样应用于优选的合金B，由于具有降低的镍含量，更加帮助降低了合金的成本。在合金C中Zr、V和Ti的相对高含量还额外地有助于提升强度提高的析出相的水平。Zr增加的含量通常带来进一步的强度提升。特别优选地，合金C具有少于10.5wt％的硅含量。如上所述，合金D是有利的，因为铍的添加会改善熔化物的氧化作用和流动性能及合金的强度。限制在低水平的相对低含量的Mg和Ca更进一步地增强此效果。此外，合金D可包含在下述优选的浓度范围内的合金元素：从约2至小于约3.5wt％的镍(Ni)、从大于约3.7至约5.2wt％的铜(Cu)、从大于约0.65至小于约0.8wt％的镁(Mg)、从约0.4至约0.6wt％的铁(Fe)、从约0.1至约0.4wt％的锰(Mn)，而至于铍，遵循上述优选的浓度限值。为了改善氧化作用、流动和强度性能，合金A、B和C中现存的铍/向合金A、B和C添加的铍视情况也是可行的。其中，为了不抵消铍的有益效果，钙含量还应被限制在指定的低水平。总体上，可在一定程度上对合金A、B、C和D进行组合，且因此，其中有益的技术效果也可同时在一种单一的合金中被实现。
有利地，上述铝合金中铁和锰的重量比不超过5：1，优选地约2.5：1。在该实施方案中，铝合金因此包含不超过5份的铁对应1份的锰，优选地约2.5份的铁对应1份的锰。归因于这个比例，获得了发动机部件的特别有利的强度性质。
镍含量小于3.5wt％是特别优选的，因为否则会在结构中形成过大的片状(初生，富镍)相，由于它们的冲孔效应，此结构可降低强度和/或使用寿命。在优选的大于1.2wt％的镍含量下，可产生具有连通性和相邻性的初生相的热稳定网。
上述铝合金内的镍和钴的总量大于2.0wt％且小于3.8wt％是更优选的。下限确保了合金的有利的强度，并且上限有利地保证了精细结构且避免了会降低强度的粗糙的片状相的形成。
铝合金有利地呈现了精细结构，其具有低含量的气孔及夹杂物和/或很少的且小的初生硅，特别是在高负荷的喉口区域内。在这点上，气孔的低含量优选地理解为孔隙率小于0.01的含义，且很少的初生硅为小于1％的含义。进一步地，精细结构有利地描述为初生硅的平均长度为约小于5μm且其最大长度为约小于10μm，金属间相和/或初生析出相具有平均约小于30μm且不超过小于50μm的长度。精细结构特别有助于提升热机的疲劳强度。限制初生相的尺寸可降低裂纹萌生和裂纹扩展的敏感性且因此会显著提高TMF-HCF使用寿命。由于气孔和夹杂物的冲孔效应，保持其含量尽可能低是更特别有利的。
根据本发明的发动机部件，其至少部分由上述铝合金中的一种构成。根据权利要求19和相应的从属权利要求，本发明另一独立的方面是为了生产发动机部件(特别是内燃机的活塞)的上述铝合金的应用。特别地，铸造铝合金是通过重力压铸工艺加工的。