DE10026626C1

DE10026626C1 - Zylinderkopf- und Motorblockgußteil

Info

Publication number: DE10026626C1
Application number: DE2000126626
Authority: DE
Inventors: Franz Josef Feikus; Leonhard Heusler
Original assignee: Vereinigte Aluminium Werke AG; Vaw Aluminium AG
Current assignee: Vereinigte Aluminium Werke AG; Vaw Aluminium AG
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2001-05-10
Anticipated expiration: 2020-05-30
Also published as: DE10026626C5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zylinderkopf- und Motorblockgußteil aus Si 6,80-7,20, Fe 0,20-0,45, Cu 0,30-0,40, Mn 0,25-0,30, Mg 0,25-0,45, 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 eines rißunempfindlichen Gußteils wird eine Aluminiumlegierung bei Temperaturen von 720 bis 740 DEG 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: DOLLAR A einem Lösungsglühen bei 530 DEG C für 5 Stunden, einem Abschrecken in Wasser bei 80 DEG C sowie einem Warmauslagern bei einer Temperatur von 160 bis 200 DEG C für 6 Stunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zylinderkopf- und Motorblockgußteil, bestehend aus einer Aluminiumlegierung folgender Zusammenset zung: Si 6,80-7,20, Fe 0,20-0,45, Cu 0,30-0,40, Mn 0,25- 0,30, Mg 0,25-0,45, 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.

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.

Hauptlegierungselemente sind Kupfer (Cu), Silizium (Si), Magne sium (Mg), Zink (Zn), Mangan (Mn).

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

Alle Legierungskomponenten sind im flüssigen Aluminium bei genü gend 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 An teile 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 Legierun gen 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 heteroge nen Gefügebestandteile (Menge, Größe, Form und Verteilung) be stimmen die physikalischen, chemischen und technologischen Ei genschaften 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 Raumtempera tur entspricht. In solchen übersättigten Mischkristallen können bei Raumtemperatur oder mäßig erhöhten Temperaturen Ausschei dungsvorgänge 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 Zu sätze werden dann feindispers ausgeschieden. Meist wird diese Glühung (Hochglühung) auch zum Ausgleich der Kristallseigerung angewendet.

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

Aluminium-Kupfer

Im Bereich von 0 bis etwa 53% Cu liegt ein einfaches eutekti sches Teilsystem mit einem Eutektikum bei 33,2% Cu und 547°C vor. Die maximale Löslichkeit bei der eutektischen Temperatur im a-Mischkristall liegt bei 5,7%. Die Löslichkeit fällt mit sin kender 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

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 Kristalli sation des eutektischen Siliziums läßt sich durch geringe Zusät ze (z. B. von Natrium oder Strontium) beeinflussen. Dabei tritt eine von der Erstarrungsgeschwindigkeit abhängige Unterkühlung und Konzentrationsverschiebung des eutektischen Punktes ein.

Aluminium-Magnesium

Der Teilbereich von 0 bis etwa 36% Mg ist eutektisch. Das Eu tektikum 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

Die Legierungen bilden ein eutektisches System mit einem zink reichen Eutektikum bei 94,5% Zn und 382°C. Im hier interessie renden aluminiumreichen Gebiet sind bei 275°C 31,6% Zn im α- Mischkristall löslich. Die Löslichkeit ist stark temperatur abhängig und geht bei 200°C auf 14,5%, bei 100°C auf etwa 3,0 % zurück.

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.

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 gegen über.

Nach der gießtechnischen Herstellung von Zylinderkopf- und Mo torblockgußteilen ist häufig eine spanende Bearbeitung erforder lich. 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 Ver schmierungen auftreten können.

Derartige Legierungen müssen ferner eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, damit die Gußteile für die Anwendung im Motorenbe reich einsetzbar sind. Die zum Vergleich herangezogenen Kolben legierungen mit 12% Si erfüllen diese Anforderungen nicht, eben sowenig wie die üblicherweise verwendete AlSi9Cu3.

Hochbelastete Motoren werden so ausgelegt, daß es im Bereich der Verschraubung in Grenzbelastungen zur Plastifizierung des Mate rials kommen kann. Hierbei ist eine gewisse Mindestbruchdehnung erforderlich, um eine frühe Bildung von Anrissen zu vermeiden, die bei der im motorischen Bereich auftretenden Schwingbean spruchung zum vorzeitigen Versagen des Bauteils führen könnte. Gleiches gilt für Zylinderköpfe im Brennraumbereich, der durch hohe Zünddrücke und Temperaturwechselbeanspruchung in Grenzsi tuationen über die Streckgrenze hinaus belastet werden kann und dann noch Verformungsreserven in Form einer Mindestbruchdehnung aufweisen muß.

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 rißunempfindlich unter Schwing- und Temperaturwechselbeanspru chung ist.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Werkstoff durch die in den Patentan sprüchen 1 und 4 angegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Nach den Untersuchungen der Erfinder weisen Zylinderkopf- und Motorblockgußteile, bestehend aus einer Aluminiumlegierung fol gender Zusammensetzung:
Si 6,80-7,20
Fe 0,20-0,45
Cu 0,30-0,40
Mn 0,25-0,30
Mg 0,25-0,45
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 Kombination von hoher Kriech- und Warmfestigkeit und Riß unempfindlichkeit auf, wenn Phasen vom Typ Aluminium-Nickel, Aluminium-Kupfer, Aluminium-Mangan, Aluminium-Eisen und Misch phasen der genannten Typen mit 1 bis 3 Vol.-% enthalten sind. Die Wärmeleitfähigkeit und die Duktilität werden bei einem Zy linderkopf- 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.

Die Aluminiumlegierung wird vorteilhafterweise bei Temperaturen von 720 bis 740°C in eine Gußform eingegeben, darauf wird die Aluminiumlegierung einer Abkühlung mit einer Abkühlgeschwin digkeit 0,1-10 Ks^-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.

Im folgenden sind mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt, aus denen sich die Verarbeitungsvorteile durch eine gesteigerte Härte und damit verbunden eine bessere Bruchdehnung sowie eine geringerer Korrosionsanfälligkeit ergeben.

Die Beurteilung der Verarbeitbarkeit basiert auf einem Härtever gleich, wobei die Einzelwerte im Eindruckverfahren nach Brinell gemessen wurden.

Die besonders hohen Härtewerte von 100-105 HB der erfindungs gemäßen Legierung konnten durch eine besondere Warmaushärtung erzielt werden, wie sie im Anspruch 4 definiert ist. Dabei wur den 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

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, die bisher zur Herstellung von Zylinder- und Motorblockgußteilen eingesetzt wurde. Somit ist davon auszugehen, daß mit der erfin dungsgemäßen Legierung eine wesentliche Verbesserung der Korro sionseigenschaften durch Kompensierung des Kupfers mit Nickel erreicht werden konnte, wobei zur günstigen Ausbildung der Pha sen, 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 Gehalts grenzen von Anspruch 1 definiert zum Erfolg beitrug.

Für die erreichten Härtewerte waren nicht alleine die jeweils eingesetzten Phasentypen sondern auch ihre Verteilung und Fein heit sowie die Menge, gemessen in Volumen-%, von entscheidender Bedeutung. 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 ermit telt. Während die dem Stand der Technik entsprechende Legierung lediglich 0,5 Vol.-% der Cu-haltigen Phase enthielt, weist die erfindungsgemäße Legierung fein verteilte intermetallische Pha sen mit einer mittleren Länge von höchstens 20 µm des Typs Alu minium-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 beein flußt werden. Bei den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gießtempe raturen 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.

Wenn sowohl der Fe-Gehalt (0,2-0,25%) als auch der Mg-Gehalt (0,25-0,35%) innerhalb der angegebenen Spanne liegen, lassen sich Anrisse im Motorblock bei schwingender oder Temperaturwech sel-Beanspruchung vermeiden.

Claims

1. Zylinderkopf- und Motorblockgußteil, bestehend aus einer Aluminiumlegierung folgender Zusammensetzung:
Si 6, 80-7, 20
Fe 0,20-0,45
Cu 0,30-0,40
Mn 0,25-0,30
Mg 0,25-0,45
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-Kup fer, 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 Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisengehalt 0,20-0,25% und der Magnesiumgehalt 0,25-0,35% beträgt.

4. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopf- und Motor blockgußteils nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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 Ab kühlgeschwindigkeit 0,1-10 Ks^-1 unterzogen wird,
c) nach der Abkühlung auf Raumtemperatur eine Wärmebe handlung unter folgenden Bedingungen durchgeführt wird:
einem Lösungsglühen bei 530°C für 5 Stunden, einem Abschrecken in Wasser bei 80°C sowie einem Warmausla gern bei einer Temperatur von 160 bis 200°C für 6 Stunden.