[0001] Zur Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren werden neben AlSiCu-Legierungen
meist AlSiMg-Legierungen verwendet, die nach der Wärmebehandlung ein günstiges Festigkeits/-Dehnungsverhältnis
aufweisen.
[0003] Zum relevanten Stand der Technik gehört ferner z. B. die Legierung AlSi7Mg.
[0004] Hierzu gehört z. B. die Legierung AlSi7Mg mit der Normzusammensetzung (DIN EN AB
42100):
Si: 6,5 bis 7,5 Gew.%
Mg: 0,30 bis 0,45 Gew.%
Ti: 0,10 bis 0,18 Gew.%
Fe: <0,15 Gew.%
Mn: <0,10 Gew.%
Cu: <0,02 Gew.%
Zn: <0,07 Gew.%.
[0005] Diese Legierung weist jedoch den entscheidenden Nachteil auf, dass sie eine sehr
geringe Warmfestigkeit bzw. Alterungsbeständigkeit besitzt, die sich im TMF(Thermo
Mechanical Fatigue)- bzw. thermomechanischen Ermüdungsversuch durch eine niedrige
dynamische Festigkeitskomponente ausdrückt.
[0006] Um diesen Nachteil zu überwinden, ist es bekannt, Kupfer zuzugeben. So wird z. B.
eine Legierung, die die vorstehend genannte AlSi 7Mg-Normzusammensetzung aufweist,
jedoch einen Kupfergehalt von 0,45 bis 0,55 Gew.% besitzt, zur Herstellung von Zylinderköpfen
eingesetzt.
[0007] Durch den erhöhten Kupfergehalt wird in diesen Legierungen jedoch ein höherer Anteil
an unerwünschten, die Thermoschockbeständigkeit negativ beeinflussenden eutektischen
Phasen gebildet. Zudem führen hohe Kupfergehalte aufgrund der hohen Ausgangsfestigkeit
zu einer starken Anfangsschädigung.
[0008] Ferner ist es aus
WO 2004/104240 A2 bekannt, durch Zugabe von Zirkon und Hafnium und aus
DE 100 26 626 C1 durch Zugabe von Nickel die Warmfestigkeit zu erhöhen. Die Thermoschockbeständigkeit
wird dadurch jedoch nicht verbessert.
[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verwendung einer bekannten Aluminium-Gusslegierung
bereitzustellen, wobei Thermoschockbeständigkeit und gute Giessbarkeit erforderlich
sind.
[0010] Die Erfindung ist in Anspruch 1 angegeben und wird mit einer Aluminiumlegierung folgender
Zusammensetzung erreicht:
4,5 bis 6,0 Gew.% Silizium
0,20 bis 0,55 Gew.%, vorzugsweise 0,25 bis 0,45 Gew.% Magnesium,
0 bis 0,20 Gew.%, vorzugsweise 0,05 bis 0,10 Gew.% Titan, weniger als 0,30 Gew.%,
vorzugsweise weniger als 0,15 Gew.% Eisen,
Mangan max. 2/3 des Eisengehaltes bezogen auf das Gewicht, 0,10 bis 0,45 Gew.%, vorzugsweise
0,15 bis 0,35 Gew.% Kupfer, weniger als 0,07 Gew.% Zink,
Aluminium als Rest und unvermeidbare Verunreinigungen einzeln max. 0,03 Gew.%, insgesamt
max. 0,1 Gew.%.
[0011] Die Al-Gusslegierung gemäß Anspruch 1 weist eine gute Giessbarkeit bei gleichzeitiger
Vermeidung, jedenfalls deutlicher Reduzierung von spröden Phasenbestandteilen auf,
die die Rissauslösung und Rissausbreitung bei der thermomechanischen Ermüdung begünstigen.
Zugleich besitzt sie eine hohe Warmfestigkeit/Alterungsbeständigkeit. Trotz ihrer
hohen Alterungsbeständigkeit ist sie jedoch mit einer Ausgangsfestigkeitsreduzierung
zur Erzielung hoher Lebensdauern verbunden.
[0012] Durch den Siliziumgehalt von 4,5 bis 6,0 Gew.% werden spröde Phasen bei ausreichender
Giessbarkeit vermieden. Auch führt der geringe Kupfergehalt von höchstens 0,45, vorzugsweise
höchstens 0,35 Gew.% zur Vermeidung spröder Phasen, gewährleistet jedoch zugleich
bei ausreichender Warmfestigkeit eine niedrige Ausgangsfestigkeit.
[0013] Die Gussstücke aus der Legierung gemäß Anspruch 1 werden vorzugsweise einer Wärmebehandlung,
bestehend aus einem Lösungsglühen zwischen 470 bis 540°C, einem Abschrecken mit Wasser
und gegebenenfalls Luft und anschließend einem Warmaushärten für mehrere Stunden bei
etwa 160 bis 250°C unterworfen.
[0014] Die Gusslegierung gemäß Anspruch 1 ist insbesondere für den Kokillenguss geeignet,
vor allem für die Kernbauteile von Verbrennungsmotoren, insbesondere den Motorblock/Kurbelgehäuse
und Zylinderkopf und, insbesondere in der Automobilindustrie. Aufgrund der hohen Warmfestigkeit/Alterungsbeständigkeit
ist sie insbesondere für Motorkernbauteile mit zwängungsintensiver Bauteilgeometrie
geeignet, also für Motoren mit eng benachbarten Brennräumen und eng bemessenen Ventilstegen.
Beispiel
[0015] Es wurden mehrere Legierungen gemäß Anspruch 1 mit der vorstehend angegebenen, bevorzugten
Zusammensetzung hergestellt. Aus den Legierungen wurden jeweils Zylinderköpfe gegossen.
die Zylinderköpfe wurden einem Lösungsglühen zwischen 470° und 540°C, einem Abschrecken
mit Wasser und anschließend einem Warmaushärten für mehrere Stunden bei 160° bis 250°C
unterworfen.
[0016] Von den Zylinderköpfen wurden Probestücke aus dem Stegbereich entnommen, mit denen
TMF-Versuche durchgeführt wurden. Dazu wurde bei einer maximalen Temperatur von 250°C
und einer minimalen Temperatur von 50°C der Schädigungsparameter (P
SWT) nach Smith, Watson und Topper bestimmt, der ein Mass für die Schädigung und abgeleitet
für die Alterungsbeständigkeit darstellt. Zum anderen wurde die Lastspielzeit der
Probestücke ermittelt.
Vergleichsbeispiel 1
[0017] In gleicher Weise wie nach dem vorstehenden Beispiel wurden Probestücke aus mehreren
Zylinderköpfen hergestellt, die aus der eingangs genannten AlSi7Mg-Legierung der Normzusammensetzung
(DIN EN AB 42100) gegossen und der gleichen Wärmebehandlung unterworfen worden sind.
[0018] Für diese Probestücke wurde unter den gleichen Bedingungen wie nach dem Beispiel
1 der Schädigungsparameter (P
SWT) und die Lastspielzahl ermittelt.
Vergleichsbeispiel 2
[0019] In gleicher Weise wie nach dem vorstehenden Beispiel und dem Vergleichsbeispiel 1
wurden Probestücke aus mehreren Zylinderköpfen hergestellt, die aus einer Legierung
hergestellt worden sind, die der eingangs genannten, auch im Vergleichsbeispiel 1
verwendeten AlSi7Mg-Legierung entsprachen, abgesehen davon, dass sie anstelle eines
Kupfergehaltes von weniger als 0,02 Gew.%, einen Kupfergehalt von 0,45 bis 0,55 Gew.%
aufwiesen.
[0020] Für die Probestücke wurde unter den gleichen Bedingungen wie nach dem Beispiel 1
der Schädigungsparameter (P
SWT) und die Lastspielzahl ermittelt.
[0021] In der nachstehenden Tabelle sind die Ergebnisse der Versuche wiedergegeben.
Legierung |
Schädigungsparameter PSWT in MPa |
Lastspielzahl N |
Beispiel |
0,29 bis 0,38 |
2650 bis 4100 |
AlSi5 |
Mittel 0,35 |
Mittel 3555 |
Vergl.Beispiel 1 |
0,22 bis 0,27 |
1710 bis 3300 |
AlSi 7Mg |
Mittel 0,22 |
Mittel 2555 |
Vergl.Beispiel 2 |
0,41 bis 0,53 |
1580 bis 2250 |
AlSi 7MgCu0,5 |
Mittel 0,48 |
Mittel 1900 |
[0022] Es ist ersichtlich, dass mit der AlSi5-Legierung gemäß Anspruch 1 nach dem Beispiel
bei guten P
SWT-Werten eine deutliche Erhöhung der Lastspielzahl erreicht wird. Zwar ist mit der
AlSi7MgCu0,5-Legierung nach dem Vergleichsbeispiel 2 der P
SWT-Wert verbessert, jedoch ist die Lastspielzahl wesentlich herabgesetzt. Bei der AlSi
7Mg-Legierung nach dem Vergleichsbeispiel 1 ist sowohl der Schädigungsparameter wie
die Lastspielzahl wesentlich schlechter.
[0023] Erwähnt sei, dass auch die Wärmeleitfähigkeit der Legierung gemäß Anspruch 1 bestimmt
wurde. Sie liegt auf gleich hohem Niveau wie die Wärmeleitfähigkeit der Legierung
1 und deutlich über der der Legierung nach dem Vergleichsbeispiel 2.
1. Verwendung einer Aluminium-Gusslegierung, bestehend aus
4,5 bis 6,0 Gew.% Silizium,
0,20 bis 0,55 Gew.% Magnesium,
0 bis 0,20 Gew.% Titan,
weniger als 0,30 Gew.% Eisen,
Mangan max. 2/3 des Eisengehaltes,
0,10 bis 0,45 Gew.% Kupfer,
weniger als 0,07 Gew.% Zink,
Aluminium als Rest sowie unvermeidbare Verunreinigungen
Einzeln max. 0,03 Gew%, insgesamt maximal 0,1 Gew.%, zur Herstellung von Zylinderköpfen
für Verbrennungsmotore.
2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Aluminium-Gusslegierung
0,25 bis 0,45 Gew.% Magnesium,
0,05 bis 0,10 Gew.% Titan,
weniger als 0,15 Gew.% Eisen, und/oder
0,15 bis 0,35 Gew.% Kupfer enthält.
1. Use of an aluminium casting alloy consisting of:
4.5 to 6.0 % by weight silicon,
0.20 to 0.55 % by weight magnesium,
0 to 0.20 % by weight titanium,
less than 0.30 % by weight iron,
manganese max. 2/3 of the iron content,
0.10 to 0.45 % by weight copper,
less than 0.07 % by weight zinc,
aluminium as the remainder and unavoidable impurities, individually max
0.03 % by weight, in total max. 0.1 % by weight, to produce cylinder heads for internal
combustion engines.
2. Use according to claim 1, wherein the aluminium casting alloy contains
0.25 to 0.45% by weight magnesium,
0.05 to 0.10% by weight titanium
less than 0.15 % by weight iron, and/or
0.15 to 0.35 % by weight copper
1. Utilisation d'un alliage d'aluminium coulé composé de : 4,5-6,0 % pondéraux de silicium,
0,20-055 % pondéraux de magnésium,
0-0,20 % pondéraux de titane,
moins de 0,30 % pondéraux de fer,
du manganèse jusqu'à un maximum de 2/3 de la teneur en fer,
0,10-0,45 % pondéraux de cuivre,
moins de 0,07 % pondéraux de zinc,
de l'aluminium pour le complément, ainsi que les inévitables impuretés,
séparément au maximum 0,03 % pondéraux et en tout au maximum 0,1 % pondéraux pour
la fabrication de têtes de cylindre pour des moteurs à combustion.
2. Utilisation selon la revendication 1, selon laquelle l'alliage de fonderie d'aluminium
contient entre :
0,25-0,45 % pondéraux de magnésium,
0,05-0,10 % pondéraux de titane,
moins de 0,15 % pondéraux de fer, et/ou
0,15-0,35 % pondéraux de cuivre.