DE102006059899A1

DE102006059899A1 - High temperature resistant aluminum casting alloy for use in engine core construction units, ingot pouring, engine block, cylinder head, crankcase and in automotive industry, consists of various metals

Info

Publication number: DE102006059899A1
Application number: DE200610059899
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Dr. Klinkenberg
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-06-26

Abstract

The high-temperature resistant aluminum casting alloy consists of 4.5-7.5 wt.% silicon, 0.2-0.55 wt.% magnesium, 0.03-0.50 wt.% zirconium or 0.03-1.50 wt.% hafnium, max. 0.20 wt.% titanium, less than 0.30 wt.% iron, less than 0.5 wt.% manganese, 0.1-1.00 wt.% coppers, less than 0.07 wt.% zinc as well as aluminum as remainder and other impurities max. 0.03 wt.%, altogether 0.1 wt.%.

Description

Zur Herstellung von Zylinderköpfen werden meist AlSiMg-Legierungen verwendet. Diese und Varianten mit Kupfer, wie AlSi7MgCu0,5, weisen trotz hoher Ausgangsfestigkeit noch keine ausreichende Warmfestigkeit auf.to Production of cylinder heads are mostly AlSiMg alloys used. These and variants with copper, such as AlSi7MgCu0,5, exhibit despite high initial strength still no sufficient heat resistance on.

Aus WO 2004/104240 A2 geht hervor, dass die bekannte hochfeste und duktile Al-Gusslegierung AlSi7Mg0,3wa an die Grenzen der thermomechanischen Anforderungen im Motorenbau stößt. Am Beispiel der Legierung GK-AlSi7Mg0,3Cu0,5wa wird darauf hingewiesen, dass die bekannte Legierung gegenüber AlSi7Mg0,3wa durch die Zugabe des Kupfers spröde bzw. kerbempfindlich und zudem rost- und korrosionsanfällig ist. Es wird daher vorgeschlagen, Kupfer allenfalls mit einem Gehalt von weniger als 0,05% zuzulassen, also mehr oder weniger nur als unvermeidbare Verunreinigung, und stattdessen die thermomechanische Stabilität der Al-Gusslegierung AlSi7Mg durch Zusatz von 0,03 bis 0,50 Gew.% Zirkon und/oder 0,03 bis 1,50 Gew.% Hafnium zu verbessern.Out WO 2004/104240 A2 It is clear that the well-known AlSi7Mg0.3wa high-strength and ductile Al casting alloy has reached the limits of thermo-mechanical requirements in engine construction. The example of the alloy GK-AlSi7Mg0,3Cu0,5wa is noted that the known alloy compared to AlSi7Mg0,3wa by the addition of copper is brittle or notch sensitive and also rust and corrosion prone. It is therefore proposed to allow copper at most with a content of less than 0.05%, ie more or less only as an unavoidable impurity, and instead the thermo-mechanical stability of the Al casting alloy AlSi7Mg by addition of 0.03 to 0.50 wt. % Zirconium and / or 0.03 to 1.50% by weight hafnium.

Wie sich gezeigt hat, lässt die Warmfestigkeit dieser mit Zirkon bzw. Hafnium modifizierten AlSi7Mg-Legierung jedoch auch noch zu wünschen übrig. Insbesondere bei zwängungsintensiven Zylinderkopfstrukturen kann eine geringe Warmfestigkeit/Alterungsbeständigkeit zum Ausfall über die thermomechanische Ermüdung führen.As has shown, lets the heat resistance of this zirconium or hafnium modified AlSi7Mg alloy but also to be desired. Especially in constraint-intensive Cylinder head structures can have low heat resistance / aging resistance to failure over the thermomechanical fatigue to lead.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine korrosions- und rissfeste Aluminiumgusslegierung bereitzustellen, deren Warmfestigkeit gegenüber der bekannten mit Zirkon und/oder Hafnium modifizierten AlSi7Mg-Legierung wesentlich verbessert ist, jedoch mit einer so großen Bruchdehnung, dass jegliche Sprödigkeit oder Kerbempfindlichkeit ausgeschlossen ist.task The invention is therefore a corrosion and crack resistant cast aluminum alloy to provide their thermal stability compared to the known with zircon and / or hafnium modified AlSi7Mg alloy significantly improved is, but with such a big one Elongation at break, that any brittleness or notch sensitivity is excluded.

Dies wird erfindungsgemäß mit einer Aluminium-Gusslegierung folgender Zusammensetzung erreicht:
4,5 bis 7,5 Gew.% Silizium,
0,2 bis 0,55, insbesondere 0,25 bis 0,45 Gew.% Magnesium,
0,03 bis 0,50, vorzugsweise 0,03 bis 0,25, insbesondere 0,03 bis 0,15 Gew.% Zirkon und/oder 0,03 bis 1,50 Gew.% Hafnium, max. 0,20 Gew.%, insbesondere 0,05 bis 0,10 Gew.% Titan,
< 0,30, insbesondere < 0,20 Gew.% Eisen,
< 0,50 Gew.% Mangan,
0,10 bis 1,00, vorzugsweise 0,15 bis 0,55 Gew.% Kupfer,
< 0,07 Gew.% Zink sowie
Aluminium als Rest und weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,03 Gew.%, insgesamt 0,1 Gew.%This is achieved according to the invention with an aluminum casting alloy having the following composition:
4.5 to 7.5% by weight of silicon,
0.2 to 0.55, in particular 0.25 to 0.45 wt.% Magnesium,
0.03 to 0.50, preferably 0.03 to 0.25, in particular 0.03 to 0.15 wt.% Zircon and / or 0.03 to 1.50 wt.% Hafnium, max. 0.20% by weight, in particular 0.05 to 0.10% by weight of titanium,
<0.30, in particular <0.20% by weight iron,
<0.50 wt% manganese,
0.10 to 1.00, preferably 0.15 to 0.55 wt.% Copper,
<0.07 wt.% Zinc as well
Aluminum as balance and further impurities individually max. 0.03% by weight, total 0.1% by weight

Der Mangangehalt beträgt dabei vorzugsweise etwa 70 Gew.% des Eisengehaltes.Of the Manganese content is preferably about 70% by weight of the iron content.

Wie festgestellt werden konnte, führt entgegen den Feststellungen in WO 2004/104240 A2 ein Zusatz von Kupfer zu einer Legierung AlSi7Mg nicht zu einer spröden, kerbempfindlichen Legierung.As could be stated, contrary to the findings in WO 2004/104240 A2 addition of copper to an AlSi7Mg alloy does not result in a brittle, notch sensitive alloy.

Dazu wurde die Bruchdehnung einer AlSi7Mg0,3-Legierung bestimmt, deren Kupfergehalt schrittweise von 0,01 auf 1,03 Gew.-% erhöht wurde.To the elongation at break of an AlSi7Mg0.3 alloy was determined, whose Copper content was gradually increased from 0.01 to 1.03 wt .-%.

Die Legierungen wurden dabei, wie üblich, einer T6-Wärmebehandlung unterworfen, bestehend aus einem Lösungsglühen zwischen 470°C und 540°C, Wasserabschrecken und eine Wärmeaushärtung bei etwa 150°C bis 200°C. Die Ergebnisse sind in den beigefügten 1 und 2 dargestellt, wobei 1 den Ausgangszustand der Legierung nach der Wärmebehandlung und 2 den Zustand nach dem Warmauslagern bei 250°C für 200 Stunden darstellt, um den Motorbetrieb zu simulieren.The alloys were subjected, as usual, to a T6 heat treatment consisting of solution annealing between 470 ° C and 540 ° C, water quenching, and heat curing at about 150 ° C to 200 ° C. The results are attached in the attached 1 and 2 shown, where 1 the initial state of the alloy after the heat treatment and 2 represents the state after hot aging at 250 ° C for 200 hours to simulate engine operation.

In 1 und 2 gibt „Rp0.2" die Streckgrenze, „Rm" die Zugfestigkeit und „A5" die Bruchdehnung der Legierung wieder.In 1 and 2 "Rp0.2" reflects the yield strength, "Rm" the tensile strength and "A5" the elongation at break of the alloy.

Wie 1 zu entnehmen, nimmt durch den Anstieg des Kupfergehalts von 0,01 Gew.% auf 1,03 Gew.% die Zugfestigkeit der Legierung von 321 auf 347 MPa zu. Demgegenüber bleibt die hohe Bruchdehnung mit durchschnittlich über 7% bei Erhöhung des Kupfergehaltes im wesentlichen unverändert, was eindeutig gegen eine spröde und kerbempfindliche Legierung spricht.As 1 As a result of the increase in the copper content from 0.01% by weight to 1.03% by weight, the tensile strength of the alloy increases from 321 to 347 MPa. On the other hand, the high elongation at break, with an average of more than 7%, remains essentially unchanged when the copper content is increased, which clearly speaks against a brittle and notch-sensitive alloy.

Ferner zeigt 2 einen erheblichen Anstieg der Streckgrenze von 64 auf 108 MPa, wenn der Kupfergehalt der Legierung von 0,01 auf 1,03 Gew.% erhöht wird, was eine deutliche Erhöhung der Warmfestigkeit der Legierung bedeutet. Zwar ist nach den Warmauslagern bei 250°C für 200 Stunden eine Abnahme der Bruchdehnung mit zunehmendem Kupfergehalt festzustellen, und zwar beispielsweise auf 11,5% bei einem Kupfergehalt von 1,03 Gew.%, jedoch stellt eine Bruchdehnung von 11,5% einen Wert dar, der von der Bruchdehnung eines spröden, kerbempfindlichen Werkstoffs weit entfernt liegt. Auch führt ein Kupfergehalt, wie die motorische Erprobung zeigt, weder zu einer Rissanfälligkeit noch einer Korrosionsanfälligkeit. Erfindungsgemäß wird daher das bestehende Legierungspotenzial einer kupferhaltigen AlSiMg-Legierung in Kombination mit Zirkon bzw. Hafnium als weiteren Legierungsbestandteilen optimal genutzt.Further shows 2 a significant increase in the yield strength from 64 to 108 MPa, when the copper content of the alloy is increased from 0.01 to 1.03 wt.%, which means a significant increase in the heat resistance of the alloy. Although a decrease in elongation at break with increasing copper content is observed for 200 hours after 250 ° C for the hot aging, for example, to 11.5% with a copper content of 1.03 wt.%, However, an elongation at break of 11.5% one Value that is far from the breaking elongation of a brittle, notch sensitive material. Also, a copper content, as shown by the engine testing, neither leads to a susceptibility to cracking nor a susceptibility to corrosion. According to the invention, therefore, the existing alloying potential of a copper-containing AlSiMg alloy in combination with zirconium or hafnium is used optimally as further alloy constituents.

Mit anderen Worten: Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Warmfestigkeit einer AlSi7Mg-Legierung, die Sr und/oder Hf enthält, durch Cu noch erhöht werden kann, ohne dass eine Abnahme der Bruchdehnung zu befürchten ist.In other words, the invention is based on the finding that the heat resistance of an AlSi7Mg alloy containing Sr and / or Hf can be increased by Cu, without a decrease the elongation at break is to be feared.

Die aus der erfindungsgemäßen Legierung gegossenen Guss-Stücke werden vorzugsweise einer Wärmebehandlung, bestehend aus einem Lösungsglühen zwischen 470°C und 540°C, einem Abschrecken mit Wasser oder gegebenenfalls Luft und anschließend einem Warmaushärten für mehrere Stunden bei etwa 160°C bis 200°C unterworfen.The cast from the alloy according to the invention Become cast pieces preferably a heat treatment, consisting of a solution annealing between 470 ° C and 540 ° C, one Quenching with water or optionally with air and then one artificial aging for several hours at about 160 ° C up to 200 ° C subjected.

Die erfindungsgemäße Gusslegierung ist insbesondere für den Kokillenguss geeignet, vor allem von Motorkernbauteilen, insbesondere dem Motorblock, Zylinderkopf, Kurbelgehäuse und dergleichen Gussbauteilen, insbesondere in der Automobilindustrie. Aufgrund der hohen Streckgrenze und Bruchdehnung, die bei Arbeitstemperatur erhalten bleibt, ist sie insbesondere für zwängungssensitive Zylinderkopfstrukturen geeignet, also für Motoren mit eng benachbarten Brennräumen und eng bemessenen Ventilstegen.The Cast alloy according to the invention is especially for suitable for chill casting, especially of engine core components, in particular the engine block, cylinder head, crankcase and the like cast components, especially in the automotive industry. Due to the high yield strength and elongation at break, which is maintained at working temperature, is she especially for Cushion-sensitive cylinder head structures suitable, ie for Engines with closely spaced combustion chambers and narrow valve stems.

Claims

High-temperature cast aluminum alloy, consisting out 4.5 to 7.5% by weight of silicon 0.2 to 0.55 wt.% Magnesium 0.03 to 0.50% by weight zirconium and / or 0.03 to 1.50% by weight hafnium, Max. 0.20% by weight of titanium, <0.30 % By weight iron, <0.5 % By weight of manganese, 0.1 to 1.00% by weight of copper, <0.07 wt.% Zinc as well aluminum as remainder and further impurities individually max. 0.03 wt.%, 0.1 wt.% In total.

Cast aluminum alloy according to claim 1, characterized by 0.25 to 0.45% by weight of magnesium, 0.03 to 0.25, in particular 0.03 to 0.15% by weight zirconium, 0.05 to 0.10% by weight of titanium, <0.20% by weight iron, approximately 70 wt.% Manganese, based on the iron content, and / or 0.15 to 0.55% by weight of copper.