Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren aus einer Aluminiumlegierung

Abstract

 Vorgeschlagen wird ein Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren aus einer Aluminiumlegierung aus Aluminium und Legierungselementen.
Der Zylinderkopf ist gemäß dem verbreiteten T6- oder T7-Standard wärmebehandelt, die Aluminiumlegierung weist Legierungselemente mit Si von 6 bis 12 Gew.-%, Fe kleiner 0,5 Gew.-%, Cu von 0,0015 bis 3 Gew.-%, Mn kleiner 0,4 Gew.-%, Mg von 0,05 bis 1 Gew.-%, Zn kleiner 0,4 Gew.-%, B von 0,0005 bis 0,025 Gew.-% sowie Ti und Zr in Addition kleiner 0,008 Gew.-% auf. Durch diese Maßnahmen lässt sich ein Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren aus einer Aluminiumlegierung herstellen, die besser an die steigenden Anforderungen an einen Zylinderkopf angepasst ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Zylinderköpfe von Verbrennungsmotoren bilden den oberen Abschluss des Verbrennungsraumes. Eine Abdichtung des Verbrennungsraumes zwischen den Auflageflächen des Zylinderblocks und des Zylinderkopfes wird durch die Zylinderkopfdichtung gewährleistet. Vor dem Hintergrund steigenden Umweltbewusstseins und verschärfter gesetzlicher Vorschriften gibt es einen Trend zum "Downsizing" bei Motoren. Darunter wird verstanden, dass Motoren bei immer kleiner werdenden Bauraum zumindest die gleiche bzw. sogar noch mehr Leistung abgeben. Dies führt zu stärkeren Belastungen im Brennraumbereich und somit auch des Zylinderkopfes, was hohe Anforderungen an die Warmbeständigkeit und die dynamische Festigkeit des Zylinderkopfes zur Folge hat.

[0003] Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Zylinderköpfen aus Aluminiumlegierungen kommen Wärmebehandlungen wie z. B. die bekannten T6-Verfahren und T7-Verfahren zum Einsatz. Es ist bekannt, dass die Zugabe von Legierungselementen unterschiedlichen Einfluss auf die einzelnen Eigenschaften des aus der jeweiligen Aluminiumlegierung bestehenden Bauteils hat. So kann eine Verbesserung von Festigkeit und Kriechbeständigkeit z. B. durch Kupfer- und Magnesiumzusätze erreicht werden. Ein niedriger Eisengehalt kann die Duktilität sowie Zr-, Cu-, Ni- und Ti-Zusätze die Warmbeständigkeit verbessern. Ein Cu-Zusatz führt zu einem ungünstigeren Verhalten in Bezug auf Korrosion und Duktilität.

[0004] In der europäischen Patentanmeldung 2 014 780 A1 wird eine Aluminiumlegierung für einen Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren offenbart. Die Legierung enthält neben Aluminium 4,0 bis 7,0 % Si, 0,5 bis 2,0 % Cu, 0,25 bis 0,5 % Mg, nicht mehr als 0,5 % Fe, nicht mehr als 0,5 % Mn und mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe von 0,002 bis 0,02 % Na, 002 bis 0,02 % Ca und 0,002 bis 0,02 % Sr sowie unvermeidbare Verunreinigungen. Darüber hinaus kann die Legierung auch Ti, B und/oder Zr enthalten, die jeweils in einer Menge von 0,005 bis 0,2 Gew.-% vorliegen können. Es wird offenbart, dass die beschriebene Legierung wegen der Si-, Cu- und Mg-Gehalte eine hohe Zeit- und Dauerfestigkeit sowie thermische Dauerfestigkeit aufweist.

[0005] Eine weitere Aluminiumlegierung wird in der EP 1 331 281 A1 offenbart, die von 10 bis 12 Gew.-% Si, von 0,15 bis 0,5 Gew.-% Mg, 0,5 bis 1,0 Gew.-% Mn, nicht mehr als 0,15 Gew.-% Fe, nicht mehr als 0,1 Gew.-% Ti, von 0,05 bis 0,2 Gew.-% Sb, 0,005 bis 0,2 Gew.-% B sowie unvermeidbare Verunreinigungen und einen Rest Al enthält. Die offenbarte Legierung soll für den Druckguss geeignet sein, ohne dass die mechanischen Eigenschaften der Legierung durch das Herstellungsverfahren bzw. Verarbeitungsverfahren beeinträchtigt werden.

[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren aus einer solchen Aluminiumlegierung bereitzustellen, die besser an die steigenden Anforderungen an einen Zylinderkopf angepasst ist.

[0007] Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Zylinderkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.

[0008] Überraschenderweise konnte durch die Beschränkung der Ti- und Zr-Gehalte bei gleichzeitig verhältnismäßig hohen Borgehalten nach einer Wärmebehandlung des Zylinderkopfes nach T6 und insbesondere dem T7-Standard im Vergleich zu derzeitigen Standard-AluminiumLegierungen für Zylinderköpfe eine Steigerung der Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitiger Steigerung der Duktilität erzielt werden.

[0009] In einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Legierung neben Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen Legierungselemente, jeweils bezogen auf das Gewicht der Legierung, in den nachfolgend genannten Anteilen:

[0010] Der Anteil an Si beträgt 6 bis 12 Gew.-%.

[0011] Der Anteil an Fe beträgt kleiner 0,5 Gew.-% und vorzugsweise kleiner 0,1 Gew.-%.

[0012] Der Anteil an Cu beträgt 0,0015 bis 3 Gew.-% und vorzugsweise 0,003 bis 1,0 Gew.-%.

[0013] Der Anteil an Mn beträgt kleiner 0,4 Gew.-% und vorzugsweise kleiner 0,02 Gew.-%.

[0014] Der Anteil an Mg beträgt 0,05 bis 1 Gew.-% und vorzugsweise 0,15 bis 0,45 Gew.-%.

[0015] Der Anteil an Zn beträgt kleiner 0,4 Gew.-% und vorzugsweise kleiner 0,04 Gew.-%.

[0016] Der Anteil an B beträgt 0,0005 bis 0,025 Gew.-% und vorzugsweise 0,0025 bis 0,01 Gew.-%.

[0017] Der Anteil an Ti und Zr in Addition beträgt kleiner 0,008 Gew.-%. Vorteilhaft kann eine weitere Reduktion der so bereits stark reduzierten Legierungselemente Ti und Zr auf in Summe weniger als 0,0015 Gew.-% sein. Durch diese weitere Reduzierung konnte eine Steigerung der erfindungsgemäßen Wirkungen, wie die Steigerung der Wärmeleitfähigkeit sowie der Duktilität des Zylinderkopfes erzielt werden.

[0018] Die erfindungsgemäße Legierung kann auch V enthalten, das beispielsweise auch durch Verunreinigungen der Ausgangsmaterialien eingebracht werden kann. Es ist vorteilhaft den Gehalt an V in der Legierung möglichst gering zu halten. Die Gesamtmenge an Ti, Zr und V sollte vorzugsweise 0,008 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,0030 Gew.-% nicht überschreiten.

[0019] Die Anteile der Legierungselemente können jeweils unabhängig voneinander ausgewählt und eingestellt werden.

[0020] Neben den Legierungselementen können auch geringe Anteile an Verunreinigungen enthalten sein, die z. B. über die verwendeten Rohstoffe eingebracht sein können.

[0021] Trotz der geringen Mengen der üblicherweise als Kornfeinungsmittel eingesetzten Legierungselemente Ti und Zr zeigt die erfindungsgemäße Legierung ein sehr feines Gefüge, wodurch auch eine Steigerung der Wärmeleitfähigkeit erzielt wird.

[0022] Ein weiterer Vorteil der Legierung ist, dass ein sehr feines Gefüge erhalten wird. Dieses feine Gefüge ist auf einen verringerten Dendritenarmabstand zurückzuführen. Dendriten sind Kristallstrukturen, die sogenannte Sekundärarme aufweisen. Je geringer dieser Abstand ist, also je enger die Arme aneinanderliegen, desto feiner ist das Gefüge. Die beanspruchte Legierung zeigt einen geringeren Dendritenarmabstand bei gleicher Abkühlungsgeschwindigkeit verglichen mit den Standardlegierungen, die Ti, Zr und/oder V enthalten. Der Unterschied beträgt 10 bis 15 %.

[0023] Die Legierung kann neben den oben genannten Legierungselementen noch weitere Elemente enthalten, durch welche sich die Eigenschaften der Legierung, weiter beeinflussen und veredeln lassen, wie Natrium, Strontium oder Phosphor. Der Fachmann kann Art und Mengen dieser Elemente entsprechend auswählen.

[0024] Die Legierung kann zur Herstellung von komplizierten Gussteilen, wie Zylinderköpfen verwendet werden. Die Herstellung erfolgt üblicherweise durch Sandguss oder Kokillenguss. Eine Verarbeitung über Druckgussverfahren ist weniger bevorzugt.

Beispiele

[0025] In Tabelle 1 ist eine tabellarische Aufstellung der Legierungselemente in Gew.-% von zwei Standardlegierungen, die für Zylinderköpfe eingesetzt werden, sowie zwei erfindungsgemäßen Legierungen dargestellt. In Tabelle 2 sind die Eigenschaften der Legierungen wiedergegeben.

Tabelle 1

Legierungsbestandteile jeweils in Gew.-%
		Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Zn	Ti	Zr	V	B	Sr	Al und unvermeidbare Verunreinigungen
Standard	1	7,3	0,080	0,004	0,014	0,330	0,005	0,12	0,0030	0,0090	0,0002	0,030	auf 100
Erfindung	2	7,1	0,060	0,005	0,010	0,303	0,014	0,0001	0,0002	0,0001	0,0060	0,030	auf 100
Standard	3	9,81	0,35	0,26	0,31	0,26	0,17	0,12	0,003	0,002	0,003	0,0161	auf 100
Erfindung	4	10,5	0,09	0,53	0,00	0,30	0,01	2ppm	2ppm	3ppm	0,009	155ppm	auf 100

Tabelle 2

Werte in T7: Lösungsglühen 535°C / 6h / in Wasser abschrecken, warmauslagern / 220°C

			Rp0.2 MPa	Rm MPa	A %
Standard	1	Kokille (300°C)	186	227	5
Erfindung	2	Kokille (300°C)	177	228	11
Standard	3		240	300	5
Erfindung	4		250	310	9

[0026] Die in Tabelle 1 gegenübergestellten Aluminiumlegierungen umfassen beide dieselben Legierungselemente. Die Gewichtsanteile an Si, Fe, Cu, Mn, Mg, Sr, V und Zn befinden sich bei der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung und der Standardaluminiumlegierung für Zylinderköpfe in einer vergleichbaren Größenordnung. Der größte Unterschied der Gewichtsanteile dieser Legierungselemente besteht in Bezug auf Zn mit einem Verhältnis von nahezu 3:1 (Erfindung/Standard). Besonders weichen die Gewichtsanteile der Legierungselemente Ti, Zr und B sehr viel stärker voneinander ab und weisen stark unterschiedliche Größenordnungen auf. Das Verhältnis der Gewichtsanteile von Ti ist 1 : 12, von Zr 1 : 15 und B 30 : 1 (jeweils im Vergleich Erfindung/Standard).

[0027] Tabelle 2 gibt verschiedene Werte der beiden in Tabelle 1 gegenübergestellten Aluminiumlegierungen, welche aussagekräftig für die Duktilität der beiden nach dem üblichen T7-Standard wärmebehandelten Aluminiumlegierungen sind. So bleiben die Dehngrenze sowie die Zugfestigkeit in einem vergleichbaren Bereich, wohingegen die Bruchdehnung der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung mit 11 % im Vergleich zu 5 % bei der Standardlegierung einen mehr als doppelt so großen Wert einnimmt. Somit weist der erfindungsgemäße Zylinderkopf aus dieser Aluminiumlegierung eine stark erhöhte Duktilität auf.

[0028] Die Figuren 1 und 2 zeigen das Gefüge der Standardlegierung 1 und der erfindungsgemäßen Legierung 2 aus Tabelle 1. Diese Darstellungen zeigen, dass das Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung feiner ist als das Gefüge der Standardlegierung. So beträgt der Dendritenarmabstand der Standardlegierung 47 µm und der der erfindungsgemäßen Legierung nur 21 µm, bei gleichen Erstarrungsgeschwindigkeiten.

[0029] Anhand einer Grafik veranschaulicht die Figur 3 die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit in Prozent in einem Temperaturbereich von 0 bis 400 °C. Während bei Raumtemperatur die Steigerung der Wärmeleitfähigkeit bei über 14 % liegt, verringert sich dieser Prozentsatz relativ konstant bis zu einem Prozentsatz von ca. 9 bei einer Temperatur von 300 °C.

[0030] Eine derart verbesserte Wärmeleitfähigkeit ermöglicht eine ebenfalls verbesserte Wärmeabfuhr in den Zylinderkopf. Auf diese Weise kann eine Verringerung der thermischen Belastung erzielt werden.

Ansprüche

1. Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren, bestehend aus einer Aluminiumlegierung aus Aluminium und Legierungselementen, wobei der Zylinderkopf nach T6 oder T7 wärmebehandelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung, die neben Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen, als Legierungselemente, jeweils bezogen auf die Legierung,
Si von 6 bis 12 Gew.-%,
Fe kleiner 0,5 Gew.-%,
Cu von 0,0015 bis 3 Gew.-%,
Mn kleiner 0,4 Gew.-%,
Mg von 0,05 bis 1 Gew.-%,
Zn kleiner 0,4 Gew.-%,
B von 0,0005 bis 0,025 Gew.-%,
Ti und Zr in Addition kleiner 0,008 Gew.-% aufweist.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung Fe in einer Menge kleiner 0,1 Gew.-% aufweist.

3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung Cu in einer Menge von 0,003 bis 1,0 Gew.-% aufweist.

4. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung Mn in einer Menge kleiner 0,02 Gew.-% aufweist.

5. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung Mg in einer Menge von 0,15 bis 0,45 Gew.-% aufweist.

6. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung Zn in einer Menge kleiner 0,04 Gew.-% aufweist.

7. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung B in einer Menge von 0,0025 bis 0,01 Gew.-% aufweist.

8. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung, jeweils bezogen auf die Aluminiumlegierung, Ti und Zr in Addition in einer Menge kleiner 0,0015 Gew.-%, bezogen auf die Aluminiumlegierung, aufweist.

9. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass V in der Aluminiumlegierung enthalten ist, wobei die Gesamtsumme der Elemente Ti, Zr und V, bezogen auf die Aluminiumlegierung 0,008 Gew.-%, nicht überschreitet.

10. Zylinderkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtsumme der Elemente Ti, Zr und V, bezogen auf die Aluminiumlegierung 0,0030 Gew.-%, nicht überschreitet.

11. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er mittels Kokillenguss- und/oder Sandgussverfahren hergestellt wird.

Zeichnung