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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine hochwarmfeste Aluminium-Gusslegierung.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen hochwarmfesten
Aluminium-Gusslegierung.
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Bei
der Herstellung von Zylinderköpfen von Motoren werden meist
AlSiMg-Legierungen verwendet. Insbesondere diese und Varianten mit
Kupfer, wie z. B. AlSi7MgCu0,5, weisen trotz ihrer hohen Ausgangsfestigkeit
keine hohe Warmfestigkeit auf, wobei durch den Kupfergehalt bereits
eine deutliche Verbesserung auftritt. Eine hohe Warmfestigkeit ist
jedoch gerade bei zwängungssensitiven Zylinderkopfstrukturen,
wie einem Ventil- oder Brennraumsteg wünschenswert.
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Aus
der
WO 2004/104240 geht
hervor, dass die bekannte hochwarmfeste und duktile Aluminium-Gusslegierung
AlSi7Mg0,3wa an die Grenzen der thermomechanischen Anforderungen
im Motorbau stößt. Am Beispiel der Legierung GK-AlSiMg0,3Cu0,5wa
wird darauf hingewiesen, dass die bekannte Legierung gegenüber
AlSi7Mg0,3wa durch die Zugabe von Kupfer spröde bzw. kerbempfindlich
und zudem rost- und korrosionsanfällig ist. Es wird daher
vorgeschlagen, Kupfer allenfalls mit einem geringen Gehalt von weniger
als 0,05 Gew.-% zuzulassen, also mehr oder weniger nur als unvermeidbare
Verunreinigung, und stattdessen die thermomechanische Stabilität
der Aluminium-Gusslegierung AlSi7Mg durch Zusatz von 0,03 bis 0,5
Gew.-% Zirkon und/oder 0,03 bis 1,50 Gew.-% Hafnium zu verbessern.
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Daher
schlägt die internationale Anmeldung
WO 2004/104240 eine Aluminium-Gusslegierung
mit folgenden Zusammensetzungen vor:
| Si: | 4,5–7,5
Gew.-% |
| Mg: | 0,2–0,32
Gew.-% |
| Zr: | 0,03–0,50
Gew.-% und/oder Hf: 0,03–1,5 Gew.-% |
| Ti: | 0,0–0,2
Gew.-% |
| Fe: | < 0,2 Gew.-% |
| Mn: | < 0,5 Gew.-% |
| Cu: | < 0,05 Gew.-% |
| Zn: | < 0,07 Gew.-% |
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Und
jeweils zu 100 Gew.-% mit Al ergänzt.
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Es
wurde jedoch festgestellt, dass die Warmfestigkeit dieser mit Zirkonium
und/oder Hafnium modifizierten AlSi7Mg-Gusslegierungen immer noch
nicht ausreichend hoch ist. Insbesondere bei zwängungssensitiven
Zylinderkopfstrukturen können eine zu geringe Warmfestigkeit
und damit eine zu geringe Alterungsbeständigkeit zum Ausfall über
die thermomechanische Ermüdung führen.
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Eine
weitere Lösung wird von der internationalen Anmeldung
WO 2004/001079 vorgeschlagen.
Diese versucht das angesprochene Problem durch eine Aluminium-Legierung
mit folgender Zusammensetzung:
| Si: | 5–11
Gew.-%, insbesondere 6,5–7,5 Gew.-%, |
| Fe: | < 0,6 Gew.-%, insbesondere < 0,3 Gew.-%, |
| Mg: | 0,15–0,6
Gew.-%, insbesondere 0,25–0,5 Gew.-%, |
| Cu: | 0,3–1,5
Gew.-%, insbesondere > 0,4-0,7
Gew.-%, |
| Ti: | 0,05–0,25
Gew.-%, insbesondere 0,08–0,20 Gew.-%, |
| Zr: | 0,05–0,25
Gew.-%, insbesondere > 0,12–0,18
Gew.-%, |
| Mn: | < 0,4 Gew.-%, insbesondere
0,1–0,3 Gew.-%, |
| Zn: | < 0,3 Gew.-%, insbesondere < 0,1 Gew.-%, |
| Ni: | < 0,4 Gew.-%, insbesondere < 0,1 Gew.-%, |
andere Elemente jeweils < 0,10 und 0,30 Gew.-% zusammen, Rest
Aluminium, zu lösen.
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Der
Kupfer-Anteil mit 0,3–1,5 Gew.-% ist bei der
WO 2004/001079 deutlich höher
als bei der
WO 2004/104240 .
Die Nachteile von Kupfer, nämlich dass Kupfer die Aluminium-Gusslegierung
spröde bzw. kerbempfindlich und zudem rost- und korrosionsanfällig
macht, konnten nicht festgestellt werden. Mit Nickel wird ein weiteres
Element zur Steigerung der Warmfestigkeit hinzugefügt.
Allerdings hat Nickel den Nachteil, dass es die Formbarkeit bzw.
Dehnbarkeit des Gussteils reduziert. Ferner wurde festgestellt,
dass bereits bei Nickelzugaben von > 0,1 Gew.-% automatisch unerwünschte
Ausscheidungen in dem Legierungsgefüge auftreten. Diese
durch Nickel bedingten Ausscheidungen machen die Aluminium-Gusslegierung
spröde.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine hochwarmfeste Aluminium-Gusslegierung
zu schaffen, die eine hohe thermomechanische Stabilität
des gegossenen Gussbauteils gewährleistet. Insbesondere
soll die Aluminium-Gusslegierung neben der hohen Warmfestigkeit
eine hohe Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Ferner soll
die Aluminium-Gusslegierung eine hohe Korrosionsbeständigkeit
und eine hohe Bruchdehnung aufweisen, und dabei weder spröde,
rissanfällig noch kerbempfindlich sein.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine hochwarmfeste
Aluminium-Gusslegierung mit den Merkmalen gemäß dem
unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch eine Verwendung
der hochwarmfesten Aluminium-Gusslegierung gemäß dem
unabhängigen Patentanspruch 5 gelöst. Weitere
Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
sowie der Beschreibung. Merkmale und Details, die im Zusammenhang
mit der hochwarmfesten Aluminium-Gusslegierung beschrieben sind,
gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit
der Verwendung der hochwarmfesten Aluminium-Gusslegierung und jeweils
umgekehrt.
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Gemäß dem
ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine hochwarmfeste
Aluminium-Gusslegierung, bestehend aus:
4,50 bis 7,50 Gew.-%
Silizium, insbesondere 5,00 bis 6,00 Gew.-% Silizium,
0,20
bis 0,70 Gew.-% Magnesium,
0,05 bis 0,20 Gew.-% Titan,
< 0,20 Gew.-% Eisen,
< 0,50 Gew.-% Mangan,
< 0,10 bis 1,50 Gew.-%
Kupfer,
< 0,07
Gew.-% Zink,
0,05 bis 0,15 Gew.-% Vanadium,
weitere Verunreinigungen
einzeln maximal 0,05 Gew.-% und zusammen maximal 0,25 Gew.-%,
und
zu 100 Gew.-% mit Al ergänzt, gelöst
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Es
hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass eine
derartige Aluminium-Gusslegierung, insbesondere durch die Kombination
von Kupfer, Magnesium und Vanadium bzw. Kupfer und Vanadium eine hohe
Warmfestigkeit aufweist und nicht kerbempfindlich, spröde,
rissanfällig oder korrosionsanfällig ist. Ein weiterer
Kern der Erfindung beruht darauf, dass die Aluminium-Gusslegierung
kein Nickel aufweist, allenfalls nur als Verunreinigung in sehr
geringen Mengen. Eine derartige Aluminium-Gusslegierung bleibt,
insbesondere durch die Bestandteile an Kupfer, Vanadium und Magnesium
hoch warmfest und thermomechanisch stabil. Zudem weist eine derartige
Aluminium-Gusslegierung ein hohe Formbarkeit bzw. Dehnbarkeit auf.
Durch den erfindungsgemäßen Verzicht auf Nickel
kommt es nicht zu den unerwünschten Nickel-bedingten Ausscheidungen,
die die Aluminium-Gusslegierung spröde machen. Die Verwendung
von Nickel wurde dagegen im Stand der Technik als nahezu unerlässlich
für eine gute Warmfestigkeit angesehen.
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Eine
Aluminium-Gusslegierung mit derartigen Bestandteilen weist eine
hohe thermomechanische Stabilität auf, die auf dem Mechanismus
der Stabilisierung der Phasen der Ausscheidungshärtung,
insbesondere der Mg2Si-Phase (MgZn2-Phase), der Al2Cu-Phase
und derer Derivate, beruht.
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Insbesondere
ein Anteil von 0,1 Gew.-% Vanadium in der Aluminium-Gusslegierung
hat sich als besonders gut herausgestellt.
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Der
dem Kurbelgehäuse zugewandte Bereich eines Zylinderkopfs,
auch Brennraumplatte genannt, der den Ventilsteg, den Ventilsitz,
die Ventilkanäle und die Glühstiftbohrung bzw.
Zündkerzen- und/oder Einspritzdüsenbohrungen sowie
den Wasserraum umfassen kann, kann durch die Zugabe von Vanadium
höher warmfest und thermomechanisch stabiler ausgebildet
werden. Trotz Zugabe von Kühlmitteln bleibt eine derartige
Aluminium-Gusslegierung hoch korrosionsbeständig.
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Durch
diese Erfindung ist es möglich, dass bereits bestehende
Legierungspotential einer kupferhaltigen AlSiMg-Legierung und die
Kombination mit Vanadium (V) optimal zu nutzen.
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Die
aus der erfindungsgemäßen Legierung gegossenen
Gussbauteile, insbesondere Zylinderköpfe, Kolben von Verbrennungsmaschinen,
Kurbelgehäuse oder Motorblöcke, werden vorzugsweise
einer Wärmebehandlung unterworfen. Als besonders geeignet
hat sich eine Wärmebehandlung in Form von Stabilisierungsglühen über
einen Zeitraum von einer Stunde bis zu 10 Stunden, insbesondere
von 2 bis 5 Stunden, bei etwa 150°C bis 250°C,
oder eine T6-Wärmebehandlung herausgestellt. Die T6-Wärmebehandlung
besteht vorzugsweise aus einem ersten Schritt, der Lösungsglühbehandlung
bei 470°C bis 540°C und 2–10 Stunden, einem
zweiten Schritt, d. h. einer anschließenden Abschreckung
durch Wasser oder Luft, ggf. Wasser mit einem Polymer angereichert,
sowie einem dritten Schritt, d. h. einer nachfolgenden Warmauslagerung
bzw. Warmaushärtung für 2 bis 5 Stunden bei etwa
150°C bis 250°C. Durch die Wärmebehandlung
wird die Festigkeit des gegossenen Gussbauteils gesteigert.
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Bei
der erfindungsgemäßen Aluminium-Gusslegierung
bleibt dabei trotz zunehmender Festigkeit die Bruchdehnung hoch.
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Bei
dem Stabilisierungsglühen oder der Warmauslagerung der
T6-Wärmebehandlung verläuft ein Diffusionsprozess
bei einer Temperatur zwischen 150°C bis 250°C
ab. Durch das Stabilisierungsglühen bzw. die Warmauslagerung
können hochtemperaturstabile Vanadium-haltige Phasen entstehen,
die die Phasen der Ausscheidungshärtung, insbesondere die
Mg2Si-Phase, die Al2Cu-Phase
und die MgZn2-Phase stabilisieren.
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Bevorzugt
ist ferner eine hochwarmfeste Aluminium-Gusslegierung, die dadurch
gekennzeichnet ist, dass sie 0,25 bis 0,65 Gew.-% Magnesium, 0,05
bis 0,10 Gew.-% Titan und 0,15 bis 0,55 Gew.-% Kupfer 1,00 bis 1,50
Gew.-% Kupfer aufweist.
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Ferner
ist bevorzugt, wenn der Mangananteil bis zu 70 Gew.-% des Eisengehaltes
beträgt.
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Die
erfindungsgemäße hochwarmfeste Aluminium-Gusslegierung
ist besonders für den Kokillenguss geeignet. Insbesondere
ist die Verwendung der erfindungsgemäßen hochwarmfesten
Aluminium-Gusslegierung bei Zylinderköpfen, Kolben von
Verbrennungsmaschinen, Kurbelgehäusen oder Motorblöcken
sinnvoll.
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Aber
auch andere Gussbauteile aus der Automobilindustrie oder dem Flugzeugbau
sind bevorzugt durch eine derartige hochwarmfeste Aluminium-Gusslegierung
herstellbar. Insbesondere bei zwängungssensitiven Zylinderkopfstrukturen
ist die erfindungsgemäße hochwarmfeste Aluminium-Gusslegierung
aufgrund der hohen thermomechanischen Stabilität und der
hohen Bruchdehnung besonders geeignet. Beispielsweise können
Brennraumplatten von Zylinderköpfen durch die Zugabe von
Vanadium und den Verzicht auf Nickel in der Aluminium-Gusslegierung
so ausgebildet werden, dass diese nicht mehr spröde, kerbempfindlich
und rissanfällig, gleichzeitig aber hoch warmfest sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2004/104240 [0003, 0004, 0008]
- - WO 2004/001079 [0007, 0008]