DE102009032588A1

DE102009032588A1 - Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils

Info

Publication number: DE102009032588A1
Application number: DE200910032588
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Dr. Klinkenberg; Sebastian Thalmair
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2011-02-17

Abstract

Zur Herstellung eines Gussbauteils aus einer thermoschockbeständigen Aluminium-Gusslegierung, bestehend aus 4,5 bis 7,5 Gew.-% Silizium, 0,20 bis 0,55 Gew.-% Magnesium, 0 bis 0,20 Gew.-% Titan, weniger als 0,30 Gew.-% Eisen, Mangan max. 2/3 des Eisengehaltes, mehr als 0,45 bis 0,80 Gew.-% Kupfer, weniger als 0,25 Gew.-% Zink, Aluminium als Rest sowie unvermeidbare Verunreinigungen einzeln max. 0,03 Gew.-%, insgesamt max. 0,1 Gew.-%, wird das Gussbauteil nach dem Gießen ohne Lösungsglühen einer Warmauslagerung bei 150 bs 250°C für 1 bis 10 Stunden unterworfen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils und die Anwendung dieses Verfahrens.
Zur Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren werden neben AlSiCu-Legierungen meist AlSiMg-Legierungen verwendet, die nach der Wärmebehandlung ein günstiges Festigkeits/-Dehnungsverhältnis aufweisen.
Hierzu gehört z. B. die Legierung AlSi7Mg mit der Normzusammensetzung (DIN EN AB 42100):
Si: 6,5 bis 7,5 Gew.-%
Mg: 0,30 bis 0,45 Gew.-%
Ti: 0,10 bis 0,18 Gew.-%
Fe: < 0,15 Gew.-%
Mn: < 0,10 Gew.-%
Cu: < 0,02 Gew.-%
Zn: < 0,07 Gew.-%.
Diese Legierung weist jedoch den entscheidenden Nachteil auf, dass sie eine sehr geringe Warmfestigkeit bzw. Alterungsbeständigkeit besitzt, die sich im TMF(Thermo Mechanical Fatigue)- bzw. thermomechanischen Ermüdungsversuch durch eine niedrige dynamische Festigkeitskomponente ausdrückt.
Um diesen Nachteil zu überwinden, ist es bekannt, Kupfer zuzugeben. So ist aus DE 10 2007 012 423 eine Al-Legierung der Zusammensetzung
Si: 4,5 bis 6,0 Gew.-%
Mg: 0,20 bis 0,55 Gew.-%
Ti: 0 bis 0,20 Gew.-%
Fe: < 0,30 Gew.-%
Mn: max. 2/3 Fe-Gehalts
Cu: 0,10 bis 0,45 Gew.-%
Zn: < 0,07 Gew.-%.
bekannt, die einer T6-Wärmebehandlung, also einem Lösungsglühen zwischen 470 und 540°C für 2 bis 10 Stunden, einem Abschrecken mit Wasser und anschließend einem Warmaushärten für mehrere Stunden bei 160 bis 250°C unterworfen wird. Aus dem Vergleichsbeispiel von DE 10 2007 012 423 geht hervor, dass bei einem Gussbauteil aus einer AlSi7MgCu 0,5-Legierung, also einem höhheren Cu-Gehalt, die Lastspielzahl, d. h. die Lebensdauer spürbar abnimmt.
Durch den erhöhten Kupfergehalt wird in dieser Legierung nämlich ein höherer Anteil an unerwünschten, die Thermoschockbeständigkeit negativ beeinflussenden eutektischen Phasen gebildet.
Die Anforderungen an eine thermoschockbeständige Legierung lauten:
Gute bis ausreichende Giessbarkeit bei gleichzeitiger Vermeidung, jedenfalls deutlicher Reduzierung von spröden Phasenbestandteilen, wie Silizium, Kupfer oder Nickel, die die Rissauslösung und Rissausbreitung bei der thermomechanischen Ermüdung begünstigen.
Hingegen ist insbesondere bei zwängungsintensiven Bauteilgeometrien eine ausreichende Warmfestigkeit und Alterungsbeständigkeit erforderlich, die jedoch die Giessbarkeit nicht nega tiv beeinflussen und vor allem das Auftreten von spröden Phasen nicht fördern darf. Zwängungsintensive Bauteilgeometrien liegen insbesondere bei Zylinderköpfen von Motoren mit eng benachbarten Brennräumen und eng bemessenen Ventilstegen vor.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung eines Gussbauteiles aus einer thermoschockbeständigen Aluminium-Legierung, die die vorstehend genannten Anforderungen erfüllt, wesentlich zu vereinfachen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass zur Herstellung des Gussbauteils eine Aluminium-Gusslegierung bestehend aus:
4,5 bis 7,5 Gew.-%, insbesondere 6 bis 7,5 Gew.-% Silizium, 0,20 bis 0,55 Gew.-%, insbesondere 0,25 bis 0,45 Gew.-% Magnesium,
0 bis 0,20 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,10 Gew.-% Titan, weniger als 0,30 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,20 Gew.-% Eisen,
Mangan maximal 2/3 des Eisengehalts, bezogen auf das Gewicht, mehr als 0,45 bis 0,80 Gew.-%, insbesondere 0,50 bis 0,65 Gew.-% Kupfer,
weniger als 0,25 Gew.-% Zink,
Aluminium als Rest sowie unvermeidbare Verunreinigungen einzeln maximal 0,03 Gew.-%, insgesamt maximal 0,1 Gew.-% verwendet wird und das Gussbauteil nach dem Giessen, ohne dass ein Lösungsglühen durchgeführt wird, einer Warmauslagerung bei 150 bis 250°C, insbesondere 150 bis 250°C, für 1 bis 10 Stunden, insbesondere 2 bis 5 Stunden unterworfen wird.
Das heißt, erfindungsgemäß wird das Bauteil nach dem Giessen als Wärmebehandlung lediglich einer Warmauslagerung, also einem Stabilisierungsglühen unterworfen. Da erfindungsgemäß kein Lösungsglühen, also keine T6-Wärmebehandlung durchgeführt wird, wird die Herstellung des Bauteils wesentlich vereinfacht.
Durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung durch Warmauslagern ohne Lösungsglühen wird eine hohe Alterungsbeständigkeit erzielt. Zugleich wird die Ausgangsfestigkeit bei den ersten Lastspielen wesentlich weniger reduziert als bei einem Bauteil, das einer T6-Wärmebehandlung unterworfen wird. Eine hohe Ausgangsfestigkeit führt nämlich zu hohen Spannungen im Bauteil bei der thermomechanischen Beanspruchung, die eine Schädigung des Bauteils hervorruft. Durch die relativ niedrige Ausgangsfestigkeit des erfindungsgemäßen Bauteils werden solche das Bauteil schädigende Spannungen vermieden.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht also aus einer Kombination aus einer Legierung mit einem ausreichenden Anteil an Magnesium und Kupfer als selbstaushärtenden Komponenten und einer anschließenden Warmauslagerung. Dabei sind relativ geringe Mengen an Kupfer und Magnesium ausreichend, um das notwendige Festigkeitsniveau nach der Wärmbehandlung zu erreichen.
Vorzugsweise wird das Bauteil nach dem Giessen aus der Giesshitze, also nach dem Erstarren, abgeschreckt, bevor es warm ausgelagert wird. Das heißt, es wird vorzugsweise eine T5-Wärmebehandlung durchgeführt.
Das Abschrecken wird dabei vorzugsweise von einer Temperatur des Bauteils zwischen 320 und 480°C durchgeführt. Das Abschrecken erfolgt vorzugsweise mit Wasser oder Luft. Dabei sollte die Temperatur des Wassers maximal 80°C betragen.
Das heißt, erfindungsgemäß besteht die Wärmebehandlung des Gussbauteils ausschließlich aus der Warmauslagerung gegebenenfalls in Kombination mit einem Abschrecken vor der Wärmeauslagerung.
Das Giessen des Gussbauteils erfolgt vorzugsweise durch Kokillen- oder Sandguss. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur Herstellung von Motorkernbauteilen von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, insbesondere in der Automobilindustrie und im Flugzeugbau. Die Motorkernbauteile, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können, sind insbesondere Zylinderköpfe, Kolben von Verbrennungsmaschinen, Kurbelgehäuse oder Motorblöcke. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Herstellung zwängungssensitiver Zylinderkopfstrukturen aufgrund der hohen thermomechanischen Stabilität und der hohen Bruchdehnung besonders geeignet.
Beispiel 1
Aus einer AlSi5Mg0,3Cu0,5-Legierung wurden jeweils Zylinderköpfe gegossen, die einer T5-Wärmebehandlung unterworfen wurden, also mit Wasser abgeschreckt und anschließend bei 185, 200, 215 bzw. 230°C ausgelagert worden sind. Von den Zylinderköpfen wurden Probestücke aus dem Stegbereich entnommen und ihre Brinell-Härte bestimmt.
Beispiel 2
Das Beispiel 1 wurde wiederholt, ausser dass die Zylinderköpfe aus einer AlSi7Mg0,3Cu0,5-Legierung hergestellt worden sind.
Die Ergebnisse der Beispiele 1 und 2 sind in dem beigefügten Diagramm dargestellt. Danach ist die Schwankung der Brinell-Härte bei einer Auslagerungstemperatur zwischen 185 und 230°C zwischen ca. 75 und ca. 80 HB relativ gering. Dies gilt insbesondere für den Auslagerungstemperatur zwischen 200 und 215°C.
Beispiel 3
Es wurden mehrere AlSi5Mg0,3Cu0,5-Legierungen hergestellt und aus ihnen jeweils Zylinderköpfe gegossen. Die Zylinderköpfe wurden einer T5-Wärmebehandlung unterworfen, also mit Wasser abgeschreckt und anschließend bei 150 bis 250°C warm ausgelagert.
Von den Zylinderköpfen wurden Probestücke aus dem Stegbereich entnommen, mit denen TMF-Versuche durchgeführt wurden. Dazu wurde bei einer maximalen Temperatur von 250°C und einer minimalen Temperatur von 50°C der Schädigungsparameter (P_SWT) nach Smith, Watson und Topper bestimmt, der ein Mass für die Schädigung und abgeleitet für die Alterungsbeständigkeit darstellt. Außerdem wurde die Lastspielzeit N der Probestücke ermittelt.
Beispiel 4
Das Beispiel 3 wurde wiederholt, ausser dass als Aluminium-Legierung AlSi7Mg0,3Cu0,5-Legierungen verwendet wurde.
Vergleichsbeispiel
Das Beispiel 4 wurde wiederholt, ausser dass eine T6-Wärmebehandlung durchgeführt wurde.

In der nachstehenden Tabelle sind die Ergebnisse der Versuche wiedergegeben.

Legierung	Schädigungsparameter P_SWT in MPa	Lastspielzahl N
Beispiel 3 AlSi5Mg0,3Cu0,5 T5-Behandlung	0,34 bis 0,37 Mittel 0,36	1650 bis 3050 Mittel 2350
Beispiel 4 AlSi7Mg0,3Cu0,5 T5-Behandlung	0,37 bis 0,47 Mittel 0,42	1600 bis 3400 Mittel 2340
Vergl. Beispiel AlSi7Mg0,3Cu0,5 T6-Behandlung	0,41 bis 0,53 Mittel 0,48	1580 bis 2250 Mittel 1900

Es ist ersichtlich, dass erfindungsgemäß bei guten P_SWT-Werten eine deutliche Erhöhung der Lastspielzahl gegenüber dem Vergleichsbeispiel erreicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007012423 [0005, 0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN EN AB 42100 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils aus einer Aluminium-Gusslegierung, bestehend aus 4,5 bis 7,5 Gew.-% Silizium, 0,20 bis 0,55 Gew.-% Magnesium, 0 bis 0,20 Gew.-% Titan, weniger als 0,30 Gew.-% Eisen, Mangan max. 2/3 des Eisengehaltes, mehr als 0,45 bis 0,80 Gew.-% Kupfer, weniger als 0,25 Gew.-% Zink, Aluminium als Rest sowie unvermeidbare Verunreinigungen einzeln max. 0,03 Gew.-%, insgesamt maximal 0,1 Gew.-%, wobei das Gussbauteil nach dem Giessen ohne Lösungsglühen einer Warmauslagerung bei 150 bis 250°C für 1 bis 10 Stunden unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminum-Gusslegierung 6 bis 7,5 Gew.-% Silizium, 0,25 bis 0,45 Gew.-% Magnesium, 0,05 bis 0,1 Gew.-% Titan, weniger als 0,20 Gew.-% Eisen und/oder 0,50 bis 0,65 Gew.-% Kupfer enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmauslagerung bei 180 bis 230°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmauslagerung 2 bis 5 Stunden durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Erstarren beim Gießen abgeschreckt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erstarrte Bauteil von einer Temperatur zwischen 320 und 480°C abgeschreckt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mit Wasser oder Luft abgeschreckt wird.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Herstellung von Motorkernbauteilen.