DE102005037738A1

DE102005037738A1 - Aluminium-Gusslegierung mit hoher dynamischer Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit

Info

Publication number: DE102005037738A1
Application number: DE200510037738
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.-Ing. Barth; Mohamed Dr.-Ing. Douaoui
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-08-10
Filing date: 2005-08-10
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2025-08-11
Also published as: DE102005037738B4

Abstract

Die Erfindung beinhaltet neue dynamische hochfeste als auch warmbeständige Al-Gusslegierungen, wobei die thermomechanischen Eigenschaften einer EN AC-Al Si7Mg-Basislegierung durch Ni- und/oder Co-Zusätze bei gleichzeitigem Ti-/Zr-Zusatz in erfindungsgemäßen Verhältnissen zueinander verbessert werden, ohne deren Wärmeleitfähigkeit merklich zu verschlechtern.

Description

Die Erfindung betrifft Ti-, Zr-, sowie Co- und/oder Ni-haltige Aluminiumlegierungen hoher dynamischer Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit, sowie hieraus gegossene Kurbelgehäuse oder Zylinderköpfe.
Kurbelgehäuse aus Al-Druckguss oder Al-Kokillenguss werden hinsichtlich der Reduzierung des Kraftstoffsverbrauchs immer höher mechanisch als auch thermisch belastet. Dies betrifft in besonderem Maße auch Kokillen-gegossene Al-Zylinderköpfe. Hierdurch ergeben sich höchste Anforderungen an die Warmbeständigkeit, die dynamische Festigkeit und die Wärmeleitfähigkeit der Al-Legierung.
Eine gattungsgemäße Al-Legierung ist die EN AC-Al Si7Mg wa, die wegen guter statischer Festigkeitswerte in Kombination mit einer guten Bruchdehnung breite Anwendung findet. Durch Reduzierung des Mg-Gehaltes und insbesondere durch Einsatz einer T7-Wärmebehandlung lässt sich eine hohe Duktilität in Kokillen-gegossenen Bauteilzonen erzielen, so dass an kerbwirkenden Bauteilgeometrien das Einleiten von Dauerbrüchen vermieden wird. Durch die T7-Wärmebehandlung wird zudem ein thermisch stabilisiertes Gefüge mit geringer irreversibler Wärmeausdehnung eingestellt, so dass sich insbesondere bei Zylinderköpfen auch die Temperaturwechselbeständigkeit kerbwirkender Brennraumgeometrien (insbesondere Glühstiftbohrung oder Drallfase) verbessert.
Ein Nachteil dieser Legierung ist jedoch, dass sie bei Temperaturen oberhalb 200°C einen starken Festigkeitsverlust aufweist, der durch Koagulation der festigkeitsteigernden Mg₂Si-Phase, die nicht umkehrbar ist, hervorgerufen wird. Die Legierung zeigt somit bei Temperaturbelastung oberhalb 200°C auch bei geringeren Temperaturen erniedrigte Festigkeiten auf. Die Warmbeständigkeit ist somit unzufriedenstellend.

In der DE 103 23 741 B3 ist beschrieben, wie ausgehend von einer Legierung EN AC-Al Si7Mg wa durch geringe Zr- und Hf-Zusätze, die Warmbeständigkeit verbessert werden kann. Nachteilig ist dabei, dass sich die Warmbeständigkeit nur begrenzt verbessern lässt. Im Fall von Hf-Zusätzen verschlechtert sich zudem die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes mit steigendem Hf-Zusatz. Werden derartige Legierungen mit Ti legiert, so bilden sich warmbeständige Al_x(Ti,Zr,Hf)_ySi-Dispersoide. Hierdurch wird die Warmbeständigkeit weiter verbessert.

Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Warmbeständigkeit ist in der DE 100 62 547 A1 beschrieben. Durch Ni-Zusätze in einer Menge von 0,3 bis 3,0-Gew.-% oder Co-Zusätze in einer Menge von 0,6 bis 3,0 Gew.-% zu einer EN AC-Al Si7Mg wa lässt sich die Bildung warmbeständiger Al₃Ni- und Al₃Co-Phasen erzielen. Jedoch verschlechtern sich mit zunehmendem Ni- oder Co-Legierungszusatz die Duktilität der Legierung und deren Wärmeleitfähigkeit. Dies ist insbesondere bei dynamisch und thermisch hoch belasteten Zylinderköpfen ein großer Nachteil.

Aus der EP 01516072 A2 sind Cu-Zusätze bekannt, die über Mischkristall- und Ausscheidungshärtung die Warmbeständigkeit von Legierungen des Typs EN AC-Al Si7Mg wa steigern. Jedoch ergibt sich durch den Cu-Zusatz ein ungünstiges Korrosions- und Duktilitätsverhalten, was besonders bei thermisch hoch beanspruchten Zylinderköpfen inakzeptabel ist.

Durch die Legierungszusätze zeigen die aufgeführten Legierungen in der Regel eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit auf. Dies ist insbesondere für die Anwendung in Zylinderköpfen sehr nachteilig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Al-Legierung mit weiter verbesserter Warmfestigkeit und Warmbeständigkeit, sowie hoher Wärmeleitfähigkeit bereit zu stellen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß ist eine Aluminiumlegierung mit hoher dynamischer Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit, vorgesehen, mit folgender Zusammensetzung:
Si von 4,5 bis 7,5 Gew.-%,
Mg von 0,15 bis 0,30 Gew.-%,
Fe unterhalb 0,20 Gew.-%,
Cu unterhalb 0,10 Gew.-%,
Zn unterhalb 0,10 Gew.-%,
Mn unterhalb 0,10 Gew.-%,
Ti und Zr jeweils 0,12 bis 0,25 Gew.-%
Ni- und/oder Co-Gehalt bei 0,15 bis 0,60 Gew.-%,
sowie Rest Al und Spuren.

Dabei ist es von besonderer Bedeutung, dass das Verhältnis von (Ti+Zr)/(Ni+Co) oberhalb 0,6 und das von Ti/Zr nahe 1 liegt. Zudem muss für eine gute Wärmeleitfähigkeit der Legierung der Gehalt an Ti und Zr mindestens 0,12 Gew.-% betragen.

Durch die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung werden warmbeständige Al₃Ni- und/oder Al₃Co-Phasen und warmbeständige als auch wärmeleitende Al_x(Ti,Zr)_ySi_z-Dispersoide ausgebildet, die in einem besonders günstigen Mengenverhältnis in der Legierungsmatrix vorliegen.

Es ist üblich, gattungsgemäße Aluminiumlegierungen hinsichtlich des Eutektikums durch Zugabe von Spuren von bis zu einigen 100 ppm an weiteren Elementen, insbesondere an Sr, Na oder Sb zu veredeln. Die erfindungsgemäßen Legierungen können ebenfalls derartige Zugaben in den üblichen Mengen aufweisen. Sie werden mit dem Begriff der Spuren nicht weiter erfasst.

Die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung zeigt verbesserte thermomechanische Werkstoffkennwerte, hervorgerufen durch die gleichzeitige Wirkung der Ti- und Zr-Zusätze, sowie der Ni- und/oder Co-Zusätze.

Das Verhältnis zwischen Zr und Ti einerseits und Ni und Co andererseits ist genau aufeinander abzustimmen.

Durch den Zr/Ti-Zusatz ergibt sich eine bessere Al-Kornfeinung, so dass die Legierung durch die Ni- und/oder Co-Zusätze weniger versprödet. Zudem verbessert sich durch den gleichzeitigen (Ti+Zr)-Zusatz die Wärmeleitfähigkeit der Legierung.

Die Warmbeständigkeit der zugrunde liegenden EN AC-Al Si7Mg wa-Legierung wird durch eine Kombinationshärtung von warmbeständigen Al_x(Ti,Zr)_ySi_z-Dispersoiden und Al₃Ni- und/oder Al₃Co-Phasen im Al/Si-Eutektikum deutlich verbessert.

Durch das Zusammenwirken von Zr/Ti und Ni/Co kann der Gehalte der teuren Legierungselemente Ni und Co niedrig gehalten werden. Bei Co können dann Co-Gehalte unter dem Co-Mindestgehalt von DE 100 62 547 A1 eingestellt werden. Auch mit geringen Ni/Co-Gehalten ist eine gute Warmbeständigkeit zu erzielen.

Für eine gute Wärmeleitfähigkeit von Al-Legierungen ist der Gehalt an Legierungszusätzen möglichst einzugrenzen. So führen in bekannter Weise höhere Si-Gehalte zur Verbesserung der Gießeigenschaften zu einer schlechteren Wärmeleitfähigkeit der Al-Gusslegierungen. Ebenso verschlechtern auch die Legierungszusätze Ni, und Co die Wärmeleitfähigkeit. Durch das Zusammenwirken von Zr/Ti und Ni/Co kann der Gehalte Legierungselemente Ni und Co niedrig gehalten werden, wodurch die Wär-meleitfähigkeit nicht nachteilig beeinträchtigt wird.

Besonders bevorzugt wird das Verhältnis von (Ti+Zr)/(Ni+Co) auf einen Bereich von 0,6 bis 1,5 eingestellt. Das Ni/Co-Verhältnis kann dabei unterschiedliche Werte annehmen.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird ein Zr/Ti-Verhältnis nahe 1, bevorzugt bei 0,8 bis 1,2 gewählt.

Des Weiteren ist erfindungsgemäß hinsichtlich einer guten Duktilität der Legierung der Mg-Gehalt im Gegensatz zur DIN-Norm auf unter 0,30 Gew.-% einzugrenzen. Dasselbe gilt für den Fe- und Mn-Gehalt.

In der erfindungsgemäßen Legierung sind der Cu- und Zn-Gehalt der Legierung auf jeweils unter 0,1 Gew.-% einzustellen, um eine gute Korrosionsbeständigkeit der Legierung zu gewährleisten.

Die zur Erhöhung der Warmbeständigkeit von Al Si7Mg wa zugesetzten Legierungszusätze Ni, und Co verschlechtern die Wär-meleitfähigkeit. Ursache hierfür ist, dass ausscheidungshärtende Phasen im Al/Si-Eutektikum bzw. zwischen den Al-Dendriten gebildet werden, die den Wärmefluss zwischen den gut wärmeleitenden Al-Körnern bzw. Al-Dendriten behindern. Hierbei wirkt insbesondere eine Cu- und/oder Zn-Mischkristallhärtung nachteilig auf die Wärmeleitfähigkeit. Die Anteile dieser Legierungsbegleiter sind erfindungsgemäß zu beschränken auf Cu unterhalb 0,10 Gew.-%, und Zn unterhalb 0,10 Gew.-%.

Bei Gusslegierungen verhindert zudem das zwischen den Al-Dendriten ausgeschiedene Al/Si-Eutektikum die Wärmeleitfähigkeit zwischen den gut wärmeleitenden Al-Dendriten.

Besonderes bevorzugte Legierungszusammensetzungen weisen bis auf Spuren kein Co bzw. Ni auf, wobei der Ni- bzw. Co-Gehalt bei 0,35 bis 0,45 Gew.%, sowie der Ti- und Zr-Gehalt bei jeweils 0,12 bis 0,17 Gew.% liegen.

Weitere bevorzugte Legierungszusammensetzung weisen einen Ni-Gehalt und der Co-Gehalt von jeweils 0,18 bis 0,22 Gew.%, sowie einen Ti- und Zr-Gehalt bei jeweils 0,12 bis 0,17 Gew.% auf. Die gleichzeitige Zugabe von Ni und Co verbessert die Warmbeständigkeit gegenüber den Co- oder der Ni-freien Legierungsvarianten.

Die Legierung eignet sich besonders gut zum Vergießen durch Sand- oder Kokillenguss. Zur Verbesserung der thermomechanischen Eigenschaften wird bevorzugt eine T6 oder T7 Wärmebehandlung durchgeführt.

Bevorzugt werden aus der erfindungsgemäßen Legierung Kurbelgehäuse oder Zylinderköpfe Kokillen-gegossen und mit einer T6 oder T7 wärmebehandelt.

Werden erfindungsgemäß 0,40 Gew.-% Ni oder Co in einem mit je 0,15 Gew.-% Ti- und Zr-korngefeinten, T7-wärmebehandelten GK-Al Si7Mg0,25TiSr T7-Zylinderkopf legiert, so verbessern sich dessen mechanischen Eigenschaften in der Kokillen-gegossenen Brennraumplatte, wie folgt:

Die aufgeführten Legierungen sind jeweils hinsichtlich des Eutektikums mit Spuren von Sr veredelt. Wider Erwartens konnte mit steigendem Zr-Zusatz die Wärmeleitfähigkeit von mit Ni- und Co-legiertem Al Si7Mgwa im untersuchten Temperaturbereich von 20 bis 200°C verbessert werden (1–2). So erhöht sich erfindungsgemäß die Wärmeabfuhr im Zylinderkopf entscheidend und verringert somit auch dessen thermische Belastung.

1 und 2: zeigen den Verlauf der Wärmeleitfähigkeit von AlSi7Mg0,25Ni0,42Ti0,15 mit T7-Wärmebehandlung, respektive Al Si7Mg0,25Co0,42Ti0,15 mit T7-Wärmebehandlung, jeweils mit 0,15 Gew.-% Zr-Zusatz in Abhängigkeit von der Temperatur.
3 zeigt den Vergleich der Wärmeleitfähigkeiten von Si7Mg0,25Ti0,15wa, Al Si7Mg0,25Ti0,15 Zr0,10 wa und Al Si7Mg0,25Ti0,15 Zr0,15 Die Legierungen sind jeweils durch Spuren an Sr veredelt.
Es zeigte sich, dass die ebenfalls zwischen den Al-Dendriten befindlichen Al_x(Ti,Zr)_ySi_z-Dispersoide besser wärmeleitend sind als die anderen hier vorliegenden schlecht wärmeleitenden Legierungsphasen wie Al/Si-Eutektikum, Al₃Ni, oder Al₃Co. Infolge dessen wird bei ausreichendem Ti-/Zr-Mindestgehalt die Wärmeleitfähigkeitsbarriere zwischen den gut wärmeleitfähigen Al-Dendriten egalisiert (3).

Claims

Aluminiumlegierung mit hoher dynamischer Festigkeit, Warmbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit, die neben Al und üblichen Verunreinigungen sowie Spuren die Legierungselemente Si von 4,5 bis 7,5 Gew.-%, Mg von 0,15 bis 0,30 Gew.-%, warmbeständige Al₃Ni- und/oder Al₃Co-Phasen und wärmeleitende Al_x(Ti,Zr)_ySi_z-Dispersoide, sowie Fe unterhalb 0,20 Gew.-%, Cu unterhalb 0,10 Gew.-%, Zn unterhalb 0,10 Gew.-% und Mn unterhalb 0,10 Gew.-% aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Ti und Zr-Gehalt bei jeweils 0,12 bis 0,25 Gew.-% sowie der Ni- und/oder Co-Gehalt bei 0,15 bis 0,60 Gew.-% liegt und das Verhältnis von (Ti+Zr)/(Ni+Co) größer ist als 0,6.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Zr/Ti bei 0,8 bis 1,2 liegt.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von (Ti+Zr)/(Ni+Co) im Bereich 0,6 bis 1,5 liegt.
Aluminiumlegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bis auf Spuren Co- bzw. Ni-frei ist, der Ni- bzw. Co-Gehalt bei 0,35 bis 0,45 Gew.%, sowie der Ti- und Zr-Gehalt bei jeweils 0,12 bis 0,17 Gew.% liegen.
Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ni-Gehalt und der Co-Gehalt jeweils bei 0,18 bis 0,22 Gew.% liegen, sowie der Ti- und Zr-Gehalt bei jeweils 0,12 bis 0,17 Gew.% liegen.
Aluminiumlegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mg-Gehalt im Bereich von 0,15 bis 0,2 Gew.-% liegt.
Kurbelgehäuse oder Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil Kokillen-gegossen ist und mit einer T6 oder T7 wärmebehandelt ist.