Zylinderkopf- und Motorblockgussteil

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Zylinderkopf- und Motorblockgußteil aus Si 6,80 - 7,20, Fe 0,35 - 0,45, Cu 0,30 - 0,40, Mn 0,25 - 0,30, Mg 0,35 - 0,45, Ni 0,45 - 0,55, Zn 0,10 - 0,15, Ti 0,11 - 0,15, Rest Aluminium und Phasen vom Typ Aluminium-Nickel, Aluminium-Kupfer, Aluminium-Mangan, Aluminium-Eisen sowie Mischphasen. Zur Herstellung wird eine Aluminiumlegierung bei Temperaturen von 720 bis 740 °C in die Gußform eingegeben, die Aluminiumlegierung einer Abkühlung mit einer Abkühlgeschwindigkeit 0,1 - 10 K s^-1 unterzogen, nach der Abkühlung auf Raumtemperatur eine Wärmebehandlung unter folgenden Bedingungen durchgeführt: einem Lösungsglühen bei 530 °C für 5 Stunden, einem Abschrecken in Wasser bei 80 °C sowie einem Warmauslagern bei einer Temperatur von 160 bis 200 °C für 6 Stunden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Zylinderkopf- und Motorblockgußteil, bestehend aus einer Aluminiumlegierung folgender Zusammensetzung: Si 6,80 - 7,20, Fe 0,35 - 0,45, Cu 0,30 - 0,40, Mn 0,25 - 0,30, Mg 0,35 - 0,45, Ni 0,45 - 0,55 Zn 0,10 - 0,15, Ti 0,11 - 0,15, Rest Aluminium sowie unvermeidbare Verunreinigungen, max. je 0,05 einzeln, zusammen max. 0,15.

Stand der Technik

[0002] Die Eigenschaften von Aluminium hängen von einer ganzen Reihe von Faktoren ab; dabei spielen insbesondere zugesetzte oder zufällig vorhandene Beimengungen anderer Elemente eine sehr wichtige Rolle.

[0003] Hauptlegierungselemente sind Kupfer (Cu), Silizium (Si), Magnesium (Mg), Zink (Zn), Mangan (Mn).

[0004] In kleineren Mengen sind häufig als Verunreinigungen oder Zusätze vorhanden: Eisen (Fe), Chrom (Cr), Titan (Ti). Für Sonderlegierungen verwendet man Zusätze von: Nickel (Ni), Kobalt (Co), Silber (Ag), Lithium (Li), Vanadium (V), Zirkonium (Zr), Zinn (Sn), Blei (Pb), Cadmium (Cd), Wismut (Bi).

[0005] Alle Legierungskomponenten sind im flüssigen Aluminium bei genügend hoher Temperatur vollständig löslich. Die Löslichkeit im festen Zustand unter Mischkristallbildung ist für alle Elemente begrenzt; es gibt kein Legierungssystem mit Aluminium, das eine lückenlose Mischkristallreihe aufweist. Die nicht gelösten Anteile bilden im Legierungsgefüge eigene Phasen, die man als heterogene Gefügebestandteile bezeichnet. Es sind oft harte und spröde Kristalle, die aus den Elementen selbst (z.B. bei Si, Zn, Sn, Pb, Cd, Bi) oder aus intermetallischen Verbindungen mit Aluminium bestehen (z.B. Al₂Cu, Al₈Mg₅, Al₆Mn, Al₃Fe, Al₇Cr, Al₃Ni, AlLi). Zu den intermetallischen Verbindungen kommen in Legierungen mit drei oder mehreren Komponenten noch intermetallische Verbindungen der Zusätze untereinander (z.B. Mg₂Si, MgZn₂), ternäre (z.B. Al₈Fe₂Si, Al₂Mg₃Zn₃, Al₂CuMg) und höhere Phasen hinzu. Die Mischkristallbildung und die Ausbildung der heterogenen Gefügebestandteile (Menge, Größe, Form und Verteilung) bestimmen die physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften einer Legierung. Die mit der Temperatur abnehmende Diffusionsgeschwindigkeit hat zur Folge, daß Al-Mischkristalle nach rascher Abkühlung von höheren Temperaturen höhere Gehalte gelöst enthalten können, als dem Gleichgewicht bei Raumtemperatur entspricht. In solchen übersättigten Mischkristallen können bei Raumtemperatur oder mäßig erhöhten Temperaturen Ausscheidungsvorgänge ablaufen (z.T. unter Bildung metastabiler Phasen), die von erheblichem Einfluß auf die Eigenschaften sein können. Diffusionsträge Elemente wie Mn können bei rascher Erstarrung aus der Schmelze sogar weit über die maximale Gleichgewichts-Löslichkeit hinaus übersättigt werden. Diese Übersättigung kann durch Glühen bei hohen Temperaturen aufgehoben werden. Die Zusätze werden dann feindispers ausgeschieden. Meist wird diese Glühung (Hochglühung) auch zum Ausgleich der Kristallseigerung angewendet.

[0006] Im folgenden werden einige für die Praxis wichtige Zwei- und Dreistoff-Systeme mit kurzen Erläuterungen gebracht:

Aluminium-Kupfer

[0007] Im Bereich von 0 bis etwa 53 % Cu liegt ein einfaches eutektisches Teilsystem mit einem Eutektikum bei 33,2 % Cu und 547 °C vor. Die maximale Löslichkeit bei der eutektischen Temperatur im α-Mischkristall liegt bei 5,7 %. Die Löslichkeit fällt mit sinkender Temperatur und beträgt bei 300°C noch etwa 0,45 %. Nicht gelöstes Kupfer liegt im Gleichgewichtszustand als Al₂Cu vor. Durch Ausscheidung aus dem übersättigten Mischkristall können sich bei mittleren Temperaturen metastabile Übergangsphasen bilden.

Aluminium-Silizium

[0008] Das System ist rein eutektisch mit einem Eutektikum bei 12,5 % Si und 577°C. Im α-Mischkristall sind bei dieser Temperatur 1,65 % Si löslich. Bei 300°C sind es noch etwa 0,07 %. Die Kristallisation des eutektischen Siliziums läßt sich durch geringe Zusätze (z.B. von Natrium oder Strontium) beeinflussen. Dabei tritt eine von der Erstarrungsgeschwindigkeit abhängige Unterkühlung und Konzentrationsverschiebung des eutektischen Punktes ein.

Aluminium-Magnesium

[0009] Der Teilbereich von 0 bis etwa 36 % Mg ist eutektisch. Das Eutektikum liegt bei etwa 34 % Mg und 450°C. Bei dieser Temperatur beträgt die (maximale) Löslichkeit 17,4 % Mg. Bei 300°C sind 6,6 %, bei 100°C etwa 2,0 % Mg im α-Mischkristall löslich. Nicht gelöstes Mg liegt im Gefüge meist als β-Phase (Al₈Mg₅) vor.

Aluminium-Zink

[0010] Die Legierungen bilden ein eutektisches System mit einem zinkreichen Eutektikum bei 94,5 % Zn und 382°C. Im hier interessierenden aluminiumreichen Gebiet sind bei 275°C 31,6 % Zn im α-Mischkristall löslich. Die Löslichkeit ist stark temperaturabhängig und geht bei 200°C auf 14,5 %, bei 100°C auf etwa 3,0 % zurück.

[0011] Die Systeme Aluminium-Mangan, Aluminium-Eisen und Aluminium-Nickel weisen ein Eutektikum bei niedriger Konzentration auf. Der Schmelzpunkt wird nur sehr wenig erniedrigt. Mit Ausnahme von Mangan ist die Löslichkeit im festen Zustand gering.

[0012] Aus der Zeitschrift AFS Transactions, Band 61, 1998, Seiten 225 bis 231 ist es bekannt, Aluminium-Silizium-Gußlegierungen für Zylinderköpfe durch Zugabe von Kupfer zu optimieren. Dabei steigt die Warmfestigkeit einer AlSi7Mg-Legierung, der 0,5 bis 1 % Kupfer zugegeben wurde, signifikant an, wobei gleichzeitig auch die Kriechfestigkeit verbessert wurde. Der Verbesserung der mechanischen Festigkeiten steht aber eine Verschlechterung der Duktilität sowie eine verminderte Korrosionsbeständigkeit gegenüber.

[0013] Nach der gießtechnischen Herstellung von Zylinderkopf- und Motorblockgußteilen ist häufig eine spanende Bearbeitung erforderlich. Bei bestimmten Legierungen treten hier Probleme durch eine zu geringe Härte auf, da die Gußteile an der Oberfläche sehr weich sind, so daß bei der Zerspanung feine Riefen oder Verschmierungen auftreten können.

[0014] Derartige Legierungen müssen ferner eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, damit die Gußteile für die Anwendung im Motorenbereich einsetzbar sind. Die zum Vergleich herangezogenen Kolbenlegierungen mit 12% Si erfüllen diese Anforderungen nicht, ebensowenig wie die üblicherweise verwendete AlSi9Cu3.

[0015] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine für die Verwendung in Zylinderkopf- und Motorblockgußteilen geeignete Legierung hoher Wärmeleitfähigkeit mit einer entsprechenden Gefügeausbildung anzugeben, die eine hohe Warmfestigkeit, gute Kriechfestigkeit sowie ausreichende Duktilität bei gleichzeitig geringer Korrosionsanfälligkeit aufweist und die gleichzeitig gut zerspanbar ist.

[0016] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.

[0017] Nach den Untersuchungen der Erfinder weisen Zylinderkopf- und Motorblockgußteile, bestehend aus einer Aluminiumlegierung folgender Zusammensetzung:

Si 6,80 - 7,20

Fe 0,35 - 0,45

Cu 0,30 - 0,40

Mn 0,25 - 0,30

Mg 0,35 - 0,45

Ni 0,45 - 0,55

Zn 0,10 - 0,15

Ti 0,11 - 0,15

Rest Aluminium sowie unvermeidbare Verunreinigungen, max. je 0,05 einzeln, zusammen max. 0,15
eine besonders hohe Kriech- und Warmfestigkeit auf, wenn Phasen vom Typ Aluminium-Nickel, Aluminium-Kupfer, Aluminium-Mangan, Aluminium-Eisen und Mischphasen der genannten Typen mit 1 bis 3 Vol.-% enthalten sind und insbesondere ein Verhältnis Ni : Mg: Cu = 5 : 4 : 3,5 eingehalten wird. Die Wärmeleitfähigkeit und die Duktilität werden bei einem Zylinderkopf- und Motorblockgußteil durch eine Gefügeausbildung, bestehend aus einem α-Aluminium-Matrixgefüge mit 40 - 55 Vol.-% und der Einhaltung eines Mn/Fe-Verhältnisses von mindestens 0,7 : 1 verbessert. Sofern die Elemente der Aluminiumlegierung in den folgenden Verhältnissen vorliegen:

• Si : Fe : Cu = 7 : 0,4 : 0,35
• Ni : Mg : Cu = 5 : 4 : 3,5

weist das erfindungsgemäße Zylinderkopf- und Motorblockgußteil sehr gute Korrosionseigenschaften auf. Es wurde festgestellt, daß Zylinderkopf- und Motorblockgußteile besser zerspanbar sind und eine höhere Härte aufweisen, wenn sie wie folgt hergestellt wurden:
Die Aluminiumlegierung wird bei Temperaturen von 720 bis 740 °C in eine Gußform eingegeben, darauf wird die Aluminiumlegierung einer Abkühlung mit einer Abkühlgeschwindigkeit 0,1 - 10 K s^-1 unterzogen und nach einer Abkühlung auf Raumtemperatur wird eine Wärmebehandlung, bestehend aus einem Lösungsglühen bei 530 °C für 5 Stunden, einem Abschrecken in Wasser bei 80 °C sowie einem Warmauslagern bei einer Temperatur von 160 bis 200 °C für 6 Stunden durchgeführt.

[0018] Im folgenden sind mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt, aus denen sich die Verarbeitungsvorteile durch eine gesteigerte Härte und damit verbunden eine bessere Zerspanbarkeit sowie eine geringerer Korrosionsanfälligkeit bei gleichbleibend guten mechanischen Eigenschaften ergeben (Tabelle 1). Im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Legierungen wurde die aus dem Aluminium-Taschenbuch 14. Auflage, Seite 35 bekannte Aluininium-Silizium-Nickel-Legierung untersucht. Es ergab sich, daß hier nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit wegen des hohen eutektischen Anteils gemessen werden konnte.

[0019] Die Beurteilung der Verarbeitbarkeit basiert auf einem Härtevergleich, wobei die Einzelwerte im Eindruckverfahren nach Brinell gemessen wurden. Es ergab sich für die erfindungsgemäße Legierung eine Härte von 100 - 105 HB im Gegensatz zu 85 - 90 HB bei der Vergleichslegierung.

[0020] Die besonders hohen Härtewerte der erfindungsgemäßen Legierung konnten durch eine besondere Warmaushärtung erzielt werden, wie sie im Anspruch 4 definiert ist. Dabei wurden folgende Parameter eingehalten:

Gießtemperatur 730 °C

Abkühlgeschwindigkeit ca. 1 - 5 k/s

Lösungsglühen 530° für 5 Stunden

Abschrecken in 80° Wasser

Warmauslagern bei 180° für 6 Stunden

[0021] Ein Korrosionsvergleich mit einer kupferhaltigen Legierung (0,5 % Kupfer aus Leg. 6) zeigte eine deutliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit (gegenüber dem Stand der Technik) und insbesondere gegenüber herkömmlich verwendeten Legierungen, z.B. Legierung Nr. 5, die bisher zur Herstellung von Zylinder- und Motorblockgußteilen eingesetzt wurde. Somit ist davon auszugehen, daß mit der erfindungsgemäßen Legierung eine wesentliche Verbesserung der Korrosionseigenschaften durch Kompensierung des Kupfers mit Nickel erreicht werden konnte, wobei zur günstigen Ausbildung der Phasen, d.h. zur weitgehenden Einformung bzw. Abrundung der Phasen vom Typ Aluminium-Kupfer und Magnesium-Silizium die besondere Wärmebehandlung wie vorstehend angegeben und in den Gehaltsgrenzen von Anspruch 1 definiert zum Erfolg beitrug.

[0022] Für die jeweils erreichten Härtewerte waren nicht alleine die jeweils eingesetzten Phasentypen sondern auch ihre Verteilung und Feinheit sowie die Menge, gemessen in Volumen-%, von entscheidender Bedeutung. In den untersuchten Legierungen 1 - 6 gemäß Tabelle 1 erfolgte die Definition der Phasenverhältnisse über die Verteilung der Elemente. Zur Kontrolle der Menge wurde das Phasenverhältnis sowohl durch Ausplanemetrieren als auch mittels quantitativer Bildanalysen anhand statistisch verteilter Schliffe bestimmt, die Phasentypen wurden durch Mikrosondenuntersuchungen ermittelt. Während die dem Stand der Technik entsprechende Legierung 6 (Tabelle 1) lediglich 0,5 Vol.-% der Cu-haltigen Phase enthielt, weist die erfindungsgemäße Legierung fein verteilte intermetallische Phasen mit einer mittleren Länge von höchstens 20 µm des Typs Aluminium-Nickel, Aluminium-Kupfer und Aluminium-Eisen-Mangan auf, wobei der Volumenanteil mindestens 1 Vol.-% beträgt, was als ein wesentlicher Grund zur Steigerung der Warmfestigkeit anzusehen ist. Die Feinheit der einzelnen Phasentypen konnte durch die jeweilige Gießtemperatur und die Abkühlungsbedingungen beeinflußt werden. Bei den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gießtemperaturen zwischen 720 und 740°C werden Phasen des Typs Al-Fe-Mn, Al-Ni und AlCu mit einer mittleren Länge von höchstens 15 µm erzeugt, wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit zwischen 0,1 - 10 Ks^-1 gehalten wird.

Ansprüche

1. Zylinderkopf- und Motorblockgußteil, bestehend aus einer Aluminiumlegierung folgender Zusammensetzung:

Si 6,80 - 7,20

Fe 0,35 - 0,45

Cu 0,30 - 0,40

Mn 0,25 - 0,30

Mg 0,35 - 0,45

Ni 0,45 - 0,55

Zn 0,10 - 0,15

Ti 0,11 - 0,15

Rest Aluminium sowie unvermeidbare Verunreinigungen, max. je 0,05 einzeln, zusammen max. 0,15
und ferner gekennzeichnet durch mindestens 1 Vol.-% an folgenden Phasen vom Typ Aluminium-Nickel, Aluminium-Kupfer, Aluminium-Mangan, Aluminium-Eisen und Mischphasen der genannten Typen.

2. Zylinderkopf- und Motorblockgußteil nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende Gefügeausbildung:

a) einem α-Aluminium-Matrixgefüge mit 40 - 60 Vol.-%,

b) einer eutektischen Aluminium-Silizium-Phase mit 40 bis 55 Vol.-%,

c) weitere Phasen mit 1 bis 3 Vol.-% von Aluminium und den Legierungsbestandteilen Eisen, Kupfer, Magnesium, Nickel, Mangan und Silizium.

3. Zylinderkopf- und Motorblockgußteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elemente der Aluminiumlegierung in den folgenden Verhältnissen vorliegen:

a) Si : Fe : Cu = 7 : 0,4 : 0,35

b) Fe : Mn = 1 : 0,7

c) Mg : Ni = 4 : 5

4. Zylinderkopf- und Motorblockgußteil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elemente der Aluminiumlegierung in den folgenden Verhältnissen vorliegen:

a) Si : Fe : Cu = 7 : 0,4 : 0,35

b) Fe : Mn = 1 : 0,7

c) Ni : Mg : Cu = 5 : 4 : 3,5

5. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopf- und Motorblockgußteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß

a) eine Aluminiumlegierung bei Temperaturen von 720 bis 740 °C in die Gußform eingegeben wird,

b) die Aluminiumlegierung einer Abkühlung mit einer Abkühlgeschwindigkeit 0,1 - 10 K s^-1 unterzogen wird,

c) nach der Abkühlung auf Raumtemperatur eine Wärmebehandlung unter folgenden Bedingungen durchgeführt wird:
einem Lösungsglühen bei 530 °C für 5 Stunden, einem Abschrecken in Wasser bei 80 °C sowie einem Warmauslagern bei einer Temperatur von 160 bis 200 °C für 6 Stunden.