Verwendung einer Aluminium-Gusslegierung zur Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren

Beschreibung

[0001] Zur Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren werden neben AlSiCu-Legierungen meist AlSiMg-Legierungen verwendet, die nach der Wärmebehandlung ein günstiges Festigkeits/-Dehnungsverhältnis aufweisen.

[0002] Zum relevanten Stand der Technik gehören die JP 59056559 A, JP JP 11217647 A, JP 05208296 A, EP-A 1 715 084 A1.

[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.

Ansprüche

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.

Claims

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

Revendications

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.