DE102007035940B4

DE102007035940B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses oder Motorblocks

Info

Publication number: DE102007035940B4
Application number: DE102007035940.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Klinkenberg Franz-Josef; Johann Wolf
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2027-08-01
Also published as: DE102007035940A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses oder Motorblocks aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung durch Niederdruckguss oder Schwerkraftkokillenguss, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgehäuse oder der Motorblock einem heißisostatischen Pressen, einer Luftabkühlung und einer Auslagerung bei einer Temperatur von mehr als 235°C und maximal 255°C unterworfen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses oder Motorblocks aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung.
Es ist bekannt, das Kurbelgehäuse oder den Motorblock aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Gusslegierung herzustellen, also einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumgehalt von mehr als 12,5 Gew.-%., beispielsweise aus AlSi17Cu4Mg. Der große Vorteil eines solchen monolithischen Kurbelgehäuses oder Motorblocks liegt in einer funktionsfähigen Zylinderlauffläche durch die Ausscheidung von Primärsiliziumkristallen, die nach dem Honen freigelegt werden, so dass der Kolben bzw. Kolbenring auf den gleichmäßig verteilten Primärsiliziumkristallen gleiten kann. Aufgrund des hohen Siliziumgehaltes sind übereutektische Aluminium-Silizium-Gussbauteile allerdings sehr spröde.
Kurbelgehäuse bzw. Motorblöcke aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Gusslegierung werden nach dem Gießen einer T5-Wärmebehandlung unterworfen. D. h. das Gussbauteil wird nach dem Giessen lediglich einer Stabilisierungsglühbehandlung bei 230–240°C für drei bis fünf Stunden ausgesetzt. Damit wird zwar eine akzeptable Zugfestigkeit erzielt, jedoch lässt die Bruchdehnung zu wünschen übrig.
Zwar kann das Gussbauteil auch einer T7-Wärmebehandlung unterworfen werden, also einem Lösungsglühen bei 470–500°C für zwei bis fünf Stunden, gefolgt von einem Abschrecken mit Wasser oder bewegter Luft und dann einem Auslagern für zwei bis fünf Stunden z. B. bei 220 bis 240°C. Dabei hat sich gezeigt, dass durch eine T7-Wärmebehandlung die statische Festigkeit, also die Zugfestigkeit, gegenüber der T5-Behandlung zwar verbessert werden kann, ebenso die dynamische Festigkeit und die Einformung des Siliziums, jedoch besteht neben einer extrem geringen Bruchdehnung eine erhebliche Rissbildungsgefahr.
Andere Wärmebehandlungen, wie die T6- oder insbesondere T64-Wärmebehandlung sind für Gussbauteile aus übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen ungeeignet, weil die niedrige Auslagerungstemperatur die Gefahr eines zu großen Siliziumwachstums und damit von Verzügen beim Betrieb des Motors in sich birgt.
Die DE 102 44 471 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einer Aluminium-Knetlegierung.
Die DE 103 57 096 A1 betrifft ein monolithisches Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse für hochbeanspruchte Dieselmotoren.
Die DE 34 46 176 C2 beschreibt ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Gegenständen aus Superlegierungen vor dem heißisostatischen Pressen.
Die DE 103 41 575 A1 beschreibt ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines Leichtmetall-Legierungsgussteils.
Die DE 32 38 598 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Kompression von Fluiden, auch während des Phasenüberganges Liquid <-> Solid durch einen mit Innendruck beaufschlagten Federbalg aus Visko- oder viskoelastischen Materialien.
Die US 2001/0023722 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gussteilen aus Leichtmetall.
Die EP 1 300 483 A2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren von Poren in einem Leichtmetalllegierungsguss durch HIP, sowie ein Flüssigsalz und einen Salzkern, die für das Verfahren genutzt werden.
Die WO 02/070771 A1 beschreibt das isostatische Heißpressen von Gussstücken.
Die WO 00/37201 A1 bezieht sich auf das Druckgießen von Hochtemperaturmaterialien.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kurbelgehäuse oder einen Motorblock aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bereit zu stellen, welche neben hohen dynamischen Festigkeitseigenschaften und einem geringen Siliziumwachstum beim Betrieb hohe statische Festigkeitseigenschaften, insbesondere auch eine hohe Bruchdehnung aufweisen.
Dies wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren erreicht. D. h. erfindungsgemäß wird das Kurbelgehäuse oder der Motorblock aus der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung nach dem Gießen zunächst einem heißisostatischen Pressen, also einer sogenannten HIP-Behandlung unterworfen, dann einer Luftabkühlung an ruhender Luft und schließlich einer Auslagerung bei einer Temperatur von mehr als 235°C und höchstens 255°C.
Bei der HIP-Behandlung wird das Gussbauteil, also das Kurbelgehäuse oder der Motorblock, bei einer Temperatur von 470 bis 510°C in einem Druckbehälter vorzugsweise unter Schutzgas, wie Stickstoff oder Argon, verdichtet. Dadurch erfolgt ein Diffusionsverschweissen der Porosität des Gussbauteiles, was zu einer extrem hohen dynamischen Festigkeit führt.
Zugleich erfolgt durch die HIP-Behandlung ähnlich dem Lösungsglühen ein Lösen der aushärtenden, also festigkeitssteigernden Elemente, wie Kupfer oder Magnesium, in der Aluminium-Silizium-Legierung und ferner eine Trennung und Einformung des Siliziums und zwar neben den Pimärsiliziumkristallen (Einformung) insbesondere auch der eutektischen Siliziumkristalle.
Durch die Luftabkühlung, die vorzugsweise in ruhender Luft erfolgt, wird die Rissbildung vermieden. Überraschenderweise wird aber dennoch ein Bauteil hoher Festigkeit erhalten. D. h. die aushärtenden oder festigkeitssteigernden Elemente, wie Kupfer oder Magnesium, bleiben in einem solchen Ausmaß in Lösung, dass sie auch nach dem Auslagern zu einer hohen Zugfestigkeit bei hoher Bruchdehnung führen.
Nach der Auslagerung bei einer Temperatur von mehr als 235°C und höchstens 255°C wird schließlich ein Bauteil hervorgebracht, das ein günstiges Verhältnis von Streckgrenze zur Bruchdehnung bei einer hohen Bruchdehnung aufweist. Zugleich wird ein Siliziumwachstum, also eine Ausscheidung von atomaren Silizium aus Aluminiummischkristallen in dem Gussteil zu Siliziumkristallen beim Betrieb verhindert.
Die Temperatur bei der Auslagerung muss mindestens 235°C, normalerweise mehr als 240°C betragen. Darunter ist ein deutlicher Abfall der Bruchdehnung festzustellen. Dem gegenüber nimmt bei einer Auslagerungstemperatur von mehr als 250°C die Streckgrenze deutlich ab.
Vorzugsweise beträgt die Auslagerungstemperatur bei dem erfindungsgemäßen Verfahren 243 bis 253°C, insbesondere 246 bis 249°C. Die Auslagerung wird vorzugsweise mindestens zwei, insbesondere drei bis fünf Stunden lang durchgeführt.
Die Luftabkühlung erfolgt vorzugsweise mit ruhender Luft bei Raumtemperatur.
Das Giessen des Kurbelgehäuses bzw. des Motorblocks aus der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung erfolgt erfindungsgemäß durch Niederdruckguss oder Schwerkraftkokillenguss.
Der Silizium-Gehalt der übereutektischen Aluminium-Silizium-Gusslegierung beträgt vorzugsweise mehr als 14, insbesondere 14 bis 20 Gew.-%. Als übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung wird vorzugsweise eine Legierung verwendet, die zusätzlich aushärtende oder festigkeitssteigernde Elemente enthält, wie Kupfer oder Magnesium. Als besonders geeignet hat sich eine AlSi17Cu4Mg-Legierung oder eine AlSi18CuNiMg-Legierung herausgestellt. Dabei kann der Kupfergehalt beispielsweise jeweils bis zu 5 Gew.-% und der Magnesiumgehalt sowie der Nickelgehalt beispielsweise bis zu 2 Gew.-% betragen. Ein Kurbelgehäuse oder ein Motorblock aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung, das bzw. der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, weist eine Bruchdehnung von mindestens 0,4% bei einer Zugfestigkeit von mindestens 170 MPa auf.
Die nachstehenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
Beispiel 1 (Vergleich)
Aus einer AlSi17Cu4Mg-Gusslegierung wird durch Niederdruckguss ein Kurbelgehäuse gegossen. Das Kurbelgehäuse wird nach dem Giessen einer T5-Stabilisierungsglühbehandlung unterworfen, d. h. ca. drei Stunden einer Temperatur von ca. 240°C ausgesetzt.
Beispiel 2 (Vergleich)
Das Beispiel 1 wird wiederholt, außer dass statt einer T5-Stabilisierungsglühbehandlung eine T7-Wärmebehandlung mit einem Lösungsglühen bei ca. 500°C für ca. 4 Stunden, einem Abschrecken mit Wasser und einer Auslagerung bei ca. 240°C für ca. drei Stunden durchgeführt wird.
Beispiel 3 (Erfindung).
Das Beispiel 1 wird wiederholt, außer dass statt einer T5-Stabilisierungsglühbehandlung das Kurbelgehäuse nach dem Giessen einer HIP-Behandlung mit Schutzgas bei einer Temperatur von etwa 480 bis 505°C unterworfen wird, gefolgt von einer Luftabkühlung an ruhender Luft und einer Auslagerung bei einer Temperatur von ca. 248°C für ca. 3 Stunden.
Die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung der nach den Beispielen 1 bis 3 erhaltenen Kurbelgehäuse ist in dem beigefügten Diagramm dargestellt.
Danach ist bei einer T5-Stabilisierung (Beispiel 1) die Bruchdehnung mit ca. 0,2 gering und bei einer T7-Wärmebehandlung (Beispiel 2) mit weniger als 0,1 extrem gering.
Demgegenüber wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Beispiel 3) ein Kurbelgehäuse mit ausreichender Zugfestigkeit und Streckgrenze und zudem mit einer hohen Bruchdehnung von fast 0,6 erhalten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses oder Motorblocks aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung durch Niederdruckguss oder Schwerkraftkokillenguss, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgehäuse oder der Motorblock einem heißisostatischen Pressen, einer Luftabkühlung und einer Auslagerung bei einer Temperatur von mehr als 235°C und maximal 255°C unterworfen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteiles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftabkühlung in ruhender Luft durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das heißisostatische Pressen bei einer Temperatur von 470 bis 510°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslagerung bei einer Temperatur von 243 bis 253°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslagerung zwei bis fünf Stunden lang durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Kupfergehalt von bis zu 5 Gew.-% und/oder einem Magnesiumgehalt von bis zu 2 Gew.-% und/oder einem Nickelgehalt von bis zu 2 Gew.-% verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung eine AlSi17Cu4Mg- oder eine AlSi18CuNiMg-Legierung verwendet wird.