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Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Gusslegierung mit 5 bis 12 Gew. % Silizium, 0 bis 0, 8 Gew. % Magnesium, mit zumindest einem Zusatzstoff aus der Gruppe Kupfer, Silber, Kalzium, Mangan, Zink, Zinn, für die gusstechnische Herstellung von Bauteilen sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Aluminium-Gusslegierung.
Aluminium-Gusslegierungen werden beispielsweise für Bauteile von Leichtbau-Brennkraft- maschine, wie etwa Zylinderköpfen, eingesetzt. Insbesondere Aluminium-Zylinderköpfe von direkt einspritzenden Dieselmotoren müssen folgende Anforderungen erfüllen : - exzellente Giessbarkeit im Kokillengussverfahren (möglichst geringe Klebeneigung) - Korrosionsbeständigkeit - hinreichende Härte (Quetschgrenze) im Bereich Ventiltrieb und Zylinderkopfschrauben - hohe Bruchdehnung, ab ca.
100 C ansteigend - möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit - thermodynamisch bis 250 C stabile Mikrostruktur - hohe dynamische Festigkeit bis 250 C - geringe Neigung zu Rekristallisation/Erholung/Kriechen unter Druck bis 250 C Für den Einsatz in Diesel-Brennkraftmaschinen werden überwiegend die beiden Legierungsfamilien Al-Si-Cu und Al-Si-Mg (Cu) verwendet. Bei ersterer handelt es sich um eine bewährte Sekundärlegierung, welche bisher für indirekt einspritzende Motoren mit niedriger Leistungsdichte verwendet wurde. Al-Si-Mg (Cu) Primärlegierungen werden in zunehmenden Masse, insbesondere für direkt einspritzende Motoren mit hoher Leistungsdichte eingesetzt.
Die hohe Festigkeit dieser Aluminium-Legierungen wird in beiden Fällen durch Ausscheidungshärtung erzielt, was aber systematisch mit folgenden Nachteilen verbunden ist : - die Mikrostruktur der Legierung ist thermodynamisch nicht stabil, daher ist der Einsatz für hohe Motorlaufleistungen problematisch ; - die Bruchdehnung wird durch Ausscheidungsbildung deutlich reduziert. Dabei entsteht die
Gefahr von Sprödbruch in thermisch nicht belasteten Bereichen des Zylinderkopfes ;
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gangsbereich zwischen den Ventilen auf der thermisch hoch belasteten Gasseite ("Ventilbrücke") nach relativ geringer Anzahl von thermomechanischen Lastzyklen.
Als Ursache für dieses Problem kommen in Frage : a) der Werkstoff ist nach der Wärmebehandlung und während der ersten Zyklen relativ hart und spröde, was die Bruchneigung deutlich steigert und zur Bildung erster mikroskopischer
Anrisse führen kann ; b) der Werkstoff ist an den Ventilbrücken weich geglüht, was Erholung, Rekristallisation und
Kriechen fördert, was insgesamt über drastische Reduktion der Streckgrenze zu starker
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Es hat sich gezeigt, dass die zyklische Belastung essentiell für den Versagensmechanismus ist, da der konstante Vollastbetrieb sich als weniger kritisch darstellt.
Bisher wurde versucht, der LCF-Problematik anhand des Parameters Festigkeit, also der Streckgrenze oder Zugfestigkeit, zu begegnen. So ist es bekannt, zu AI-Si7Mg Kupfer beizumischen, um die Festigkeit zu steigern. Allerdings korrelieren weder die Warmfestigkeit noch die Kriechhemmung mit der Cu-Beigabe, so dass das LCF-Problem nicht durch erhöhte Zugabe von ausscheidenden Zusätzen gelöst werden kann. Dazu kommt, dass durch die Cu-Beigabe die Bruchdehnung deutlich reduziert wird.
Aus der DE 42 15 160 C ist eine aushärtbare Aluminium-Gusslegierung der eingangs genannten Art bekannt, bei der durch Zugabe von 0, 1 bis 0, 5 Gew. % Kobalt die Klebeneigung in Druckgussformen günstig beeinflusst wird. Eine Auswirkung auf die LCF-Problematik ist der Schrift nicht zu entnehmen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine thermodynamisch stabile Aluminium-Legierung, insbesondere zur Anwendung bei Leichtmetall-Zylinderköpfen zu entwickeln.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Anteil des Zusatzstoffes maximal, vorzugsweise genau, der Löslichkeit bei der maximalen Betriebstemperatur des jeweiligen Bauteiles entspricht. Der Zusatzstoff aus der Gruppe Kupfer, Silber, Kalzium, Mangan, Zinn und Zink wird dabei bis zur Löslichkeitsgrenze bei maximaler Betriebstemperatur des Bauteiles zugegeben. Die maximale Betriebstemperatur beträgt beispielsweise für Zylinderköpfe etwa 250 C. Da die Zusatzstoffe bei der Betriebstemperatur des Bauteiles vollständig löslich sind, wird eine Ausscheidungshärtung verhindert. Daher tritt auch die damit in Zusammenhang stehende Überalterung des Werkstoffes nicht auf. Entfestigung und Versprödung des Bauteiles im Betrieb sollten also vermieden werden.
Sehrwohl werden durch den hohen Grad an gelösten Fremdatomen in der Matrix aber Rekristallisation und Erholung des Werkstoffes
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behindert. Dies bewirkt in Summe, dass die Härte und Duktilität der Aluminium-Legierung auch nach einer Vielzahl von thermischen Zyklen annähernd konstant bleibt, so dass mikroskopische Anrisse nicht auftreten. Die Zusammensetzung und die Materialeigenschaften der Aluminium-Legierung bleiben somit auch über eine längere Betriebsdauer hinweg annähernd gleich.
Die statischen und dynamischen Festigkeiten des Bauteiles bei erhöhten Temperaturen werden statt durch Ausscheidungshärtung durch Mischkristallhärtung verbessert, wobei als Ausgangswerkstoff eine etablierte Alummium-PrimÅarlegierung, beispielsweise Al-Si7Mg oder Al-Si9Mg verwendet werden kann.
In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Zusätze aus der genannten Gruppe miteinander kombiniert hinzugegeben werden. Durch die Kombination mehrerer Zusatzstoffe kann ein höherer Grad an Zulegierung als bei isolierter Verwendung eines einzelnen Zusatzstoffes erreicht werden. Dadurch kann die Warmfestigkeit erhöht werden.
Mangan als Zusatzstoff hat den Vorteil, dass die Klebneigung reduziert wird. Weitere erwünschte Effekte sind Komfeinung und Rekristallisationshemmung.
Alternativ zu Primärlegierungen können als Ausgangsmaterial auch Sekundärlegierungen verwendet werden. Allerdings muss dann die genaue chemische Zusammensetzung der Sekundärlegierung bekannt sein und konstant gehalten werden, um unerwünschte Phasenanteile zu vermeiden. Sekundärlegierungen weisen wegen des hohen Gehaltes an unbekannten Beimengungen im Prinzip bessere Kriechbeständigkeit auf als chemisch reinere Primärlegierungen.
Allerdings sind diese unbekannten Legierungsanteile mit der Gefahr der Bildung spröder bzw. von der Form her ungünstiger Ausscheidungen verbunden, was über innere Kerbwirkung zu reduzierter Bruchdehnung führen kann.
Die Mischkristallhärtung ist systematisch von einem geringerem Ausmass an zu legierten Elementen geprägt als dies bei der Ausscheidungshärtung der Fall ist. Dies ist für die Erzielung einer hohen Wärmeleitfähigkeit von Vorteil, weil diese Werkstoffeigenschaft mit dem Gehalt an Beimengungen abnimmt. Um den eventuell auftretenden Nachteil mischkristallgehärteter Legierungen hinsichtlich Festigkeit zu kompensieren, können bei hoch belasteten Zylinderköpfen konstruktive Verstärkungen in thermisch gering belasteten Bereichen notwendig sein.
Die durch Mischkristallhärtung erzielte thermodynamisch stabile Mikrostruktur erlaubt die Verwendung von Aluminium-Legierungen bei Zylinderköpfen für mittelgrosse Motoren mit hoher Laufleistung, also der Klasse der leichten Nutzfahrzeuge. Für diese Motorenklasse wurden bisher Aluminium-Legierungen wegen deren nachteiliges Alterungsverhalten nicht in Betracht gezogen.
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Das vorgeschlagene Verfahren der Auflegierung bis zur Löslichkeitsgrenze bei maximaler Einsatztemperatur ist in allen Fällen sinnvoll, bei denen Bauteile bei Temperaturen oberhalb von ca. 150 C statisch oder dynamisch belastet werden.
Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Zylinderköpfen, aber auch für Kolben, die ebenfalls auf Al-Si-Systemen basieren. Darüber hinaus ist das Verfahren auch für faser- oder partikelverstärkte AI-Legierungen zur Stabilisierung der Matrix geeignet, sofern diese für den Hochtemperatureinsatz vorgesehen sind.