DE10026626C5

DE10026626C5 - Zylinderkopf- und Motorblockgußteil

Info

Publication number: DE10026626C5
Application number: DE2000126626
Authority: DE
Inventors: Franz Josef Dr. 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: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2020-05-30
Also published as: DE10026626C1

Abstract

Zylinderkopf- und Motorblockgussteil, bestehend aus einer Aluminiumlegierung folgender Zusammensetzung:
Si: 6,80–7,20
Fe: 0,20– < 0,35
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 maximal 0,15,
wobei mindestens 1 Vol.-% an folgenden Phasen vom Typ Aluminium-Nickel, Aluminium-Kupfer, Aluminium-Mangan, Aluminium-Eisen und Mischphasen der genannten Typen vorhanden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein 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.
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), Magnesium (Mg), Zink (Zn), Mangan (Mn).
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).
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.
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 eutektisches 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 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
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
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
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.
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 Al-Si7Mg-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.
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.
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.
Hochbelastete Motoren werden so ausgelegt, daß es im Bereich der Verschraubung in Grenzbelastungen zur Plastifizierung des Materials kommen kann. Hierbei ist eine gewisse Mindestbruchdehnung erforderlich, um eine frühe Bildung von Anrissen zu vermeiden, die bei der im motorischen Bereich auftretenden Schwingbeanspruchung zum vorzeitigen Versagen des Bauteils führen könnte. Gleiches gilt für Zylinderköpfe im Brennraumbereich, der durch hohe Zünddrücke und Temperaturwechselbeanspruchung in Grenzsituationen über die Streckgrenze hinaus belastet wer den 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 Temperaturwechselbeanspruchung ist.
Diese Aufgabe wird durch Zylinderkopf- und Motorgußteile gelöst, die die in den Ansprüchen 1 oder 2 angegebenen Merkmale aufweisen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß zusammengesetzte Zylinderkopf- und Motorgussteile besitzen eine Kombination von hoher Kriech- und Warmfestigkeit sowie Rißunempfindlichkeit, wenn Phasen vom Typ Aluminium-Nickel, Aluminium-Kupfer, Aluminium-Mangan, Aluminium-Eisen und Mischphasen der genannten Typen mit 1 bis 3 Vol.-% enthalten sind. 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.
Die Aluminiumlegierung wird vorteilhafterweise bei Temperaturen von 720 bis 740°C in eine Gußform eingegeben, darauf wird die Aluminiumlegierung einer Abkühlung mit einer Abkühlgeschwindigkeit 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 Härtevergleich, wobei die Einzelwerte im Eindruckverfahren nach Brinell gemessen wurden.
Die besonders hohen Härtewerte von 100–105 HB der erfindungsgemäßen Legierung konnten durch eine besondere Warmaushärtung erzielt werden, wie sie im Anspruch 5 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
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 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 und 2 definiert zum Erfolg beitrug.
Für die erreichten Härtewerte waren nicht alleine die jeweils eingesetzten Phasentypen sondern auch ihre Verteilung und Feinheit 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 ermittelt. Während die dem Stand der Technik entsprechende Legierung 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.
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 Temperaturwechsel-Beanspruchung vermeiden.

Claims

Zylinderkopf- und Motorblockgussteil, bestehend aus einer Aluminiumlegierung folgender Zusammensetzung: Si: 6,80–7,20 Fe: 0,20– < 0,35 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 maximal 0,15, wobei mindestens 1 Vol.-% an folgenden Phasen vom Typ Aluminium-Nickel, Aluminium-Kupfer, Aluminium-Mangan, Aluminium-Eisen und Mischphasen der genannten Typen vorhanden sind.
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– < 0,35 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 maximal 0,15, wobei mindestens 1 Vol.-% an folgenden Phasen vom Typ Aluminium-Nickel, Aluminium-Kupfer, Aluminium-Mangan, Aluminium-Eisen und Mischphasen der genannten Typen vorhanden sind.
Zylinderkopf- und Motorblockgussteil nach Anspruch 1 oder 2, 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.
Zylinderkopf- und Motorblockgussteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisengehalt 0,20 bis 0,25 % und der Magnesiumgehalt 0,25– < 0,35 % beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgebildeten Zylinderkopfund Motorblockgussteils 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 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°C bis 200°C für 6 Stunden.