DE102007033827A1

DE102007033827A1 - Aluminium-Gusslegierung und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102007033827A1
Application number: DE102007033827A
Authority: DE
Inventors: Babette Prof. Dr. Tonn; Hennadiy Dr. Zak; Mehdi Asadi
Original assignee: Technische Universitaet Clausthal
Current assignee: Technische Universitaet Clausthal
Priority date: 2007-07-18
Filing date: 2007-07-18
Publication date: 2009-01-22
Also published as: EP2173916A2; WO2009010264A3; WO2009010264A2

Abstract

Die neue hoch- und warmfeste Aluminium-Silizium-Gusslegierung ist besonders zur Herstellung von Motorenbauteilen insbesondere zum Gießen von Zylinderköpfen und Zylinderkurbelgehäusen geeignet und besitzt folgende Zusammensetzung: 2,2 bis 4,5 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 3 Gew.-% Kupfer, 0,001 bis 0,19 Gew.-% Magnesium, gegebenenfalls eines oder mehrerer der Elemente Mangan, Eisen, Kobalt, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Beryllium, Lithium, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Zirkonium, Titan, Strontium, Natrium, Kalium, Calcium, Antimon, Schwefel, Barium, Bor, Stickstoff und Kohlenstoff in Summe von 0 bis 4 Gew.-% und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue hoch- und warmfeste Aluminium-Silizium-Gusslegierung, die zur Herstellung von Motorenbauteilen insbesondere zum Gießen von Zylinderköpfen und Zylinderkurbelgehäusen geeignet ist.
Zur Reduzierung von Emissionen und Kraftstoffverbrauch sowie Steigerung der Motorleistung sind in den letzten Jahren die Verbrennungsdrücke und Verbrennungstemperaturen der Brennstoffmotoren bzw. Verbrennungskraftmaschinen, vor allem im Dieselmotor, gestiegen. Dies führte zu erhöhten Anforderungen an die thermomechanischen Belastungen für Motorenkomponenten.
Im Stand der Technik sind insbesondere im Motorenbau Al-Gusslegierungen bekannt. Al-Gussteile finden aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichts, der einfachen Formgebung und leichten Verarbeitbarkeit vielseitig Verwendung. Ebenfalls lassen sich über verschiedene Gießverfahren komplizierte Werkstücke, wie z. B. Kolben, Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse oder Motorblöcke herstellen.
Eine bewährte Legierungsgruppe zur Herstellung von Motorenkomponenten sind Al-Si-Legierungen. Diese Werkstoffe werden typischerweise mit Siliziumgehalten zwischen 4,5 und 18 Gew.-%, in Einzelfällen auch bis zu 24 Gew.-%, sowie mit Beimengungen von Magnesium 0,1 bis 1,5 Gew.-%, Kupfer zwischen 1 und 4 Gew.-% und häufig auch Nickel zwischen 1 bis 3 Gew.-% legiert (Katalog „Aluminium-Gusslegierungen", VAW-IMCO). Der Verbesserung der mechanischen Festigkeit stehen aber in diesem Fall eine Verschlechterung der Thermoschockbeständigkeit und des Ermüdungsverhaltens durch zu hohe Gehalte an Legierungselementen wie Silizium, Kupfer, Magnesium gegenüber.
Besonders die Zylinderköpfe unterliegen bei Betriebsbeanspruchung hohen thermomechanischen Belastungen. Da die Wärmeabfuhr eine der wesentlichen Funktionen des Zylinderkopfes ist, kann die Wärmeleitfähigkeit seine Lebensdauer stärker beeinflussen als die Steigerung der Festigkeit bzw. Duktilität der Zylinderkopf legierung.
Die Patentschrift DE 199 25 666 C1 offenbart eine Aluminium-Zylinderkopflegierung mit 6,80 bis 7,20 Gew.-% Silizium, 0,35 bis 0,45 Gew.-% Magnesium, 0,35 bis 0,45 Gew.-% Eisen, 0,30 bis 0,40 Gew.-% Kupfer, 0,45 bis 0,55 Gew.-% Nickel und 0,11 bis 0,15 Gew.-% Titan. Die zu niedrigen Kupfergehalte dieser Legierung können aber die hohen Anforderungen an die Warmfestigkeit bei Temperaturen von über 250°C nicht erfüllen. Bei thermischer Langzeitbeanspruchung bereits oberhalb 150°C treten Festigkeitsverluste von über 30% auf.
Als Stand der Technik sind auch die Aluminium-Silizium-Legierungen aus der Gruppe EN AC-45000 bis EN AC-45400 bekannt. Diese Legierungen enthalten von 4,5 bis 7 Gew.-% Silizium, von 1 bis 5 Gew.-% Kupfer, von 0,5 bis 1 Gew.-% Eisen, von 0,05 bis 0,65 Gew.-% Magnesium und von 0,15 bis 2 Gew.-% Zink. Diese Legierungen besitzen zwar gute mechanische Eigenschaften aufgrund der hohen Kupfer- und Magnesiumgehalte, haben aber eine schlechte Wärmeleitfähigkeit.
Ebenso offenbart die DE 691 10 018 T2 eine hochfeste Aluminium-Gusslegierung mit 2,5 bis 4,4 Gew.-% Si, 1,5 bis 2,5 Gew.-% Cu und 0,2 bis 0,5 Gew.-% Mg, was die Legierung bezüglich ihrer Zähigkeit und Festigkeit verbessern soll. Diese Legierung ist jedoch wegen des hohen Magnesiumsgehaltes bezüglich ihrer Wärmeleitfähigkeit nicht zufriedenstellend. Darüber hinaus weist dieser Gusswerkstoff wegen Mangel an Übergangselementen nur geringe Kriechbeständigkeit auf.
Aus Metals Handbook (1998), Seite 428 sind einige Aluminium-Knetlegierungen mit geringem Siliziumgehalt z. B. 4643 mit 3,6–4,6% Si, max. 0,8% Fe, max. 0,1% Cu, max. 0,3% Mg, max. 0,05% Mn, max. 0,1% Zn und max. 0,15% Ti bekannt. Aufgrund der geringen mechanischen Eigenschaften sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen können diese Legierungen für Zylinderköpfe nicht eingesetzt werden.
Im Metals Handbook (1998), Seite 431 ist auch die Aluminium-Knetlegierung 296 mit geringem Silizium- und erhöhtem Kupfergehalt bekannt. Diese Legierung enthält 2– 3% Si, max. 0,8–1,2% Fe, 4–5% Cu, 0,03–0,05% Mg, max. 0,35% Mn, max. 0,5% Zn, max. 0,25% Ti. Aufgrund des hohen Kupfergehalts sind die Wärmeleitfähigkeits- und Bruchdehnungswerte bei dieser Legierung sehr gering.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für die Herstellung der Motorenkomponenten geeignete Legierung bereitzustellen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit, Warmfestigkeit, gute Kriechfestigkeit sowie ausreichende Duktilität bei gleichzeitig geringer Korrosionsanfälligkeit aufweist und gleichzeitig preiswert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch gezielte Einstellung eines Siliziumgehaltes von 2,2 bis 4,5 Gew.-% eines Kupfergehaltes von 0,5 bis 3 Gew.-% eines Magnesiumgehalts von 0,001 bis maximal 0,19 Gew.-% sowie gegebenenfalls einzeln oder in Summe 0 bis 4 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Mangan, Eisen, Kobalt, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Molybdän, Chrom, Wolfram, Beryllium, Blei, Lithium, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Zirkonium, Titan, Bor, Strontium, Natrium, Kalium, Calcium, Antimon, Schwefel, Barium, Stickstoff, Kohlenstoff gelöst.
Durch Einstellung des erfindungsgemäßen Siliziumgehaltes ist es möglich, die Konzentrationsgrenzen wichtiger festigkeitssteigernder Legierungselemente, wie Kupfer, Titan, Zirkonium, Eisen, Mangan, Chrom, Kobalt, Molybdän und je nach Anwendungsfall anderer Übergangselemente relativ hoch einzustellen, ohne die Wärmeleitfähigkeit spürbar zu beeinträchtigen. Die erfindungsgemäße Legierung weist exzellente Wärmeleitfähigkeitswerte auf, die ein wichtiges Lebensdauerkriterium beim Einsatz der Zylinderkopflegierungen darstellen. Damit sind für diese Legierung eine bessere Thermoschockbeständigkeit und ein besseres Ermüdungsverhalten bei thermomechanischer Beanspruchung gegeben.
Mit Hilfe der Elemente Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Molybdän, Chrom, Wolfram, Beryllium, Blei, Lithium, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Zirkonium, Titan, Bor, Strontium, Natrium, Kalium, Calcium, Antimon, Schwefel, Barium, Stickstoff, Kohlenstoff ist es möglich, die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung auf den Verwendungszweck speziell anzupassen. So geben beispielsweise die Zugaben von Übergangselementen dem Gussteil eine hohe Kriechfestigkeit und Gestaltfestigkeit bei erhöhter Temperatur, so dass beim Entformen mit keinem Verzug zu rechnen ist.
Besonders vorteilhaft für eine gute Kriechfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung ist es, wenn die von uns entwickelte Legierung neben Al, Si, Cu und Mg wenigstens ein Element der Gruppe Fe, Ni, Co, Ti, Zr enthält.
Es hat sich gezeigt, dass durch eine Zugabe der Elemente Molybdän, Niob, Scandium, Hafnium, Vanadium, Kobalt, Chrom, Mangan, Lithium, Yttrium, Cer, Wolfram, Zirkonium, Titan, Silber, Zink die Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung deutlich verbessert werden können, ohne ihre Dehnungswerte erheblich zu beeinträchtigen. Der bevorzugte Gehalt bei Einzelzugabe von diesen Elementen liegt bei 0,03 bis 0,5 Gew.-%, soll aber in Summe nicht 4 Gew.-% übersteigen.
Zur Verbesserung der Ausformbarkeit kann die erfindungsgemäße Legierung von 0,1 bis 1,4 Gew.-% Eisen enthalten. Darüber hinaus dient der hohe Eisengehalt beim Druckguss der Verringerung der Klebeneigung.
Mit der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung lässt sich für Gussteile bereits im Guss- und Wärmebehandlungszustand sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen eine hohe Festigkeit erzielen. Die erreichte optimale Kombination der mechanischen Eigenschaften ist auf ein fein ausgebildetes Al-Si-Eutektikum und die Ausscheidung von Al₂Cu- und Mg₂Si-Phasen in der erfindungsgemäßen Legierung zurückzuführen, die wiederum durch eine geeignete Wärmebehandlung beeinflusst werden.
Die Beschränkung des Magnesiumgehaltes auf maximal 0,19 Gew.-% bewirkt, dass die Dehnungswerte der erfindungsgemäßen Legierung im Gusszustand nicht unter 4% absinken. Um eine deutlich höhere Dehnung zu erzielen, ist jedoch der Magnesiumgehalt auf maximal 0,15 Gew.-%, besonders bevorzugt auf maximal 0,1 Gew.-% zu begrenzen. Die Einstellung der möglichst niedrigen Magnesiumgehalte sorgt auch gleichzeitig für hervorragende Wärmeleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung.
Eine gewisse Menge an Titan bzw. Bor und/oder Kohlenstoff in Verbindung mit Titan wird zur Kornfeinung benötigt, wobei die Zugabe von diesen Elementen mit Aluminium-Titan-, Aluminium-Bor-, Aluminium-Titan-Bor- und Aluminium-Titan-Kohlenstoff-Vorlegierungen erfolgt. Der α-Aluminiummischkristall kann auch durch Zirkoniumzusätze von 0,2 bis 0,8 Gew.-% korngefeint werden. Eine gute Kornfeinung trägt wesentlich zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und Gießbarkeit der erfindungsgemäßen Legierung bei. Besonders wirksam zeigten sich die Vorlegierungen AlTi6, AlB3, AlTi3C0,15, AlZr10, AlTi5B1 und AlTi1,8B1,8.
Um ausreichende Schmelzequalität zu gewährleisten, kann die Schmelze durch Spülgas, Spülgastabletten oder auch durch Vakuum entgast werden.
Zur Verarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung sind grundsätzlich alle Gießverfahren geeignet. Hierzu gehören u. a. Sandguss, Schwerkraft-Kokillenguss, Niederdruck-Kokillenguss, Differenzdruck-Kokillenguss, Druckguss und Vakuum-Druckguss.
Obwohl im Gusszustand schon gute mechanische Werte vorhanden sind, können aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellte Gussteile allen Wärmebehandlungen unterzogen werden.
Die Erfindung soll anhand eines Beispiels näher erläutert werden, ohne dass die Erfindung auf das Beispiel beschränkt ist.
Ausführungsbeispiel: Kokillenguss
Als konkrete Beispiele der erfindungsgemäßen Legierung seien folgende Zusammensetzungen angegeben:

Legierung 1 Legierung 2

2,2 Gew.-% Si 4,0 Gew.-% Si

1,5 Gew.-% Cu 0,5 Gew.-% Cu

1,4 Gew.-% Fe 0,4 Gew.-% Fe

0,15 Gew.-% Mg 0,1 Gew.-% Mg

0,4 Gew.-% Ni 0,3 Gew.-% Zr

0,15 Gew.-% Ti
Für die Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften wurden die obigen Legierungen in einer Kokille nach DIN 29531 bei der Gießtemperatur von 740°C abgegossen und Probestäbe mit dem Probendurchmesser von 6 mm nach DIN 50125 mechanisch gefertigt. Zu Vergleichszwecken wurden ferner drei Standardlegierungen verwendet. An Probestäben wurden die mechanischen Eigenschaften Dehngrenze (R_p0,2), Zugfestigkeit (R_m) und Bruchdehnung (A₅) im Zugversuch nach DIN 50 145 bestimmt. Die Dehngeschwindigkeit betrug nach dem Aufbringen einer Vorlast von 100 N zum Bruch der Probe 0,08 mm/s.
Um den Einfluss thermischer Belastung über einen längeren Zeitraum auf die Eigenschaften der Al-Legierungen zu ermitteln, wurden die abgegossenen Probestäbe für alle Legierungen zusätzlich 100 Stunden bei 250°C vorausgelagert.
Die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit λ bei 250°C erfolgte anhand folgender Formel: λ = a·cp·ρ

λ: – Wärmeleitfähigkeit
a: – Temperaturleitfähigkeit
c_p: – spezifische Wärmekapazität
ρ: – Dichte

Die Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit erfolgte mit einer Laser-Flash-Apparatur. Die spezifische Wärmekapazität wurde mit einem Hochtemperaturkalorimeter ermittelt.

Die Tabelle 1 gibt einen Vergleich der erfindungsgemäßen Legierung mit konventionellen Legierungen für Motorenkomponenten. Tabelle 1

		Konventionelle Legierung, T6			Erfindungsgemäße Legierung, T6
		AlSi7Mg	AlSi9Cu3	AlSi6Cu4	Leg. 1	Leg. 2
Mechanische Eigenschaften bei RT (T6)	R_m, MPa	290	315	302	303	312
	R_p0,2, MPa	233	303	248	274	248
	A₅, %	6	1	2	4	5
Mechanische Eigenschaften bei 250°C nach 100 h Vorauslagerung	R_m, MPa	100	115	120	120	91
	R_p0,2, MPa	49	80	82	87	76
	A₅, %	24	16	14	16	18
Wärmeleitfähigkeit bei 250°C, W/mK		178	140	138	196	198

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19925666 C1 [0006]
- DE 69110018 T2 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Metals Handbook (1998), Seite 428 [0009]
- Metals Handbook (1998), Seite 431 [0010]
- DIN 29531 [0026]
- DIN 50125 [0026]
- DIN 50 145 [0026]

Claims

Aluminium-Gusslegierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2,2 bis 4,5 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 3 Gew.-%, Kupfer, 0,001 bis 0,19 Gew.-% Magnesium und gegebenenfalls eines oder mehrerer der Elemente in Summe von 0 bis 4 Gew.-% Mangan, Eisen, Kobalt, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Beryllium, Lithium, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Zirkonium, Titan, Strontium, Natrium, Kalium, Calcium, Antimon, Schwefel, Barium, Bor, Stickstoff, Kohlenstoff und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben Al, Si, Cu und Mg wenigstens ein Element der Gruppe Ti, B, C vorhanden ist.
Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2,2 bis 4,5 Gew.-%, insbesondere 3,0 bis 4,5 Gew.-% Silizium enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,5 bis 3 Gew.-%, insbesondere 1 bis 2,5 Gew.-% Kupfer enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0 bis 1,4 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 0,5 Gew.-% Eisen enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,4 Gew.-% Mangan enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,2 Gew.-% Titan enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,001 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,4 Gew.-% Kobalt enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,001 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,4 Gew.-% Chrom enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,1 Gew.-% Beryllium enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,001 bis 3 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 2 Gew.-% Zink enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,2 Gew.-% Wolfram enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,001 bis 1,5 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 1,0 Gew.-% Nickel enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,2 Gew.-% Vanadium enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,15 Gew.-% Hafnium enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,0001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,2 Gew.-% Niob enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,1 Gew.-% Blei enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,0001 bis 0,06 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,04 Gew.-% Strontium enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,0001 bis 0,01 Gew.-%, insbesondere 0,002 bis 0,005 Gew.-% Natrium enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,0001 bis 0,006 Gew.-%, insbesondere 0,002 bis 0,004 Gew.-% Calcium enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,0001 bis 0,08 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 0,05 Gew.-% Bor enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,0001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-% Cer enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,0001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-% Scandium enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,0001 bis 0,006 Gew.-%, insbesondere 0,0005 bis 0,003 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,0001 bis 0,006 Gew.-%, insbesondere 0,0005 bis 0,003 Gew.-% Stickstoff enthält.
Verwendung der Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zum Giessen von Motorenbauteilen.
Verwendung der Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zum Giessen von Zylinderköpfen und Zylinderkurbelgehäusen.