DE102010060670A1

DE102010060670A1 - Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren aus einer Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE102010060670A1
Application number: DE201010060670
Authority: DE
Inventors: Ansgar Pithan; Dr. Koch Hubert; Dr. Rosefort Marcel; Dr. Kleine Andreas
Original assignee: Trimet Aluminium SE; Martinrea Honsel Germany GmbH
Current assignee: Trimet Aluminium SE; Martinrea Honsel Germany GmbH
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2012-05-24
Also published as: EP2455505A1

Abstract

Der Zylinderkopf ist gemäß dem verbreiteten T6- oder T7-Standard wärmebehandelt, die Aluminiumlegierung weist Legierungselemente mit Si von 6 bis 12 Gew.-%, Fe kleiner 0,5 Gew.-%, Cu von 0,0015 bis 3 Gew.-%, Mn kleiner 0,4 Gew.-%, Mg von 0,05 bis 1 Gew.-%, Zn kleiner 0,4 Gew.-%, B von 0,0005 bis 0,025 Gew.-% sowie Ti, Zr und V in Addition kleiner 0,008 Gew.-% auf. Durch diese Maßnahmen lässt sich ein Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren aus einer Aluminiumlegierung herstellen, die besser an die steigenden Anforderungen an einen Zylinderkopf angepasst ist

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zylinderköpfe von Verbrennungsmotoren bilden den oberen Abschluss des Verbrennungsraumes. Eine Abdichtung des Verbrennungsraumes zwischen den Auflageflächen des Zylinderblocks und des Zylinderkopfes wird durch die Zylinderkopfdichtung gewährleistet. Vor dem Hintergrund steigenden Umweltbewusstseins und verschärfter gesetzlicher Vorschriften gibt es einen Trend zum „Downsizing” bei Motoren. Darunter wird verstanden, dass Motoren bei immer kleiner werdenden Bauraum zumindest die gleiche bzw. sogar noch mehr Leistung abgeben. Dies führt zu stärkeren Belastungen im Brennraumbereich und somit auch des Zylinderkopfes, was hohe Anforderungen an die Warmbeständigkeit und die dynamische Festigkeit des Zylinderkopfes zur Folge hat.
Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Zylinderköpfen aus Aluminiumlegierungen kommen Wärmebehandlungen wie z. B. die bekannten T6-Verfahren und T7-Verfahren zum Einsatz. Es ist bekannt, dass die Zugabe von Legierungselementen unterschiedlichen Einfluss auf die einzelnen Eigenschaften des aus der jeweiligen Aluminiumlegierung bestehenden Bauteils hat. So kann eine Verbesserung von Festigkeit und Kriechbeständigkeit z. B. durch Kupfer- und Magnesiumzusätze erreicht werden. Ein niedriger Eisengehalt kann die Duktilität sowie Zr-, Cu-, Ni- und Ti-Zusätze die Warmbeständigkeit verbessern. Ein Cu-Zusatz führt zu einem ungünstigeren Verhalten in Bezug auf Korrosion und Duktilität.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren aus einer solchen Aluminiumlegierung bereitzustellen, die besser an die steigenden Anforderungen an einen Zylinderkopf angepasst ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Zylinderkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
Infolge der starken Beschränkung der Ti-, Zr- und V-Gehalte bei gleichzeitig verhältnismäßig hohen Borgehalten kommt es nach einer Wärmebehandlung des Zylinderkopfes nach T6 und insbesondere dem T7-Standard im Vergleich zu derzeitigen Standard-Aluminium-Legierungen für Zylinderköpfe zu einer Steigerung der Wärmeleitfähigkeit, bei gleichzeitiger Steigerung der Duktilität. Gemäß der Erfindung betragen die Legierungsanteile, jeweils bezogen auf das Gewicht der Aluminiumlegierung: Der Anteil an Si beträgt 6 bis 12 Gew.-% und vorzugsweise 6 bis 8 Gew.-%.
Der Anteil an Fe beträgt kleiner 0,5 Gew.-% und vorzugsweise kleiner 0,1 Gew.-%.
Der Anteil an Cu beträgt 0,0015 bis 3 Gew.-% und vorzugsweise 0,003 bis 0,01 Gew.-%.
Der Anteil an Mn beträgt kleiner 0,4 Gew.-% und vorzugsweise kleiner 0,02 Gew.-%.
Der Anteil an Mg beträgt 0,05 bis 1 Gew.-% und vorzugsweise 0,2 bis 0,45 Gew.-%.
Der Anteil an Zn beträgt kleiner 0,4 Gew.-% und vorzugsweise kleiner 0,04 Gew.-%.
Der Anteil an B beträgt 0,0005 bis 0,025 Gew.-% und vorzugsweise 0,0025 bis 0,01 Gew.-%.
Der Anteil an Ti, Zr und V in Addition beträgt kleiner 0,008 Gew.-%. Vorteilhaft kann eine weitere Reduktion der so bereits stark reduzierten Legierungselemente Ti, Zr und V auf in Summe weniger als 0,0015 Gew.-% sein. Diese weitere Beschränkung führt zu einer weiteren Verstärkung der Effekte der Steigerung der Wärmeleitfähigkeit sowie der Duktilität des Zylinderkopfes.
Aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ergeben sich weitere Vorteile und Einzelheiten, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. Darin zeigen:
1 eine tabellarische Aufstellung der Legierungsgehalte in Gew.-% einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung im Vergleich zu einer derzeitigen Standardaluminiumlegierung für Zylinderköpfe;
2 eine tabellarische Aufstellung von Eigenschaften der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung aus 1 im Vergleich zu der Standardaluminiumlegierung aus 1;
3 eine Grafik der prozentualen Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung aus 1 im Vergleich zu der Standardaluminiumlegierung aus 1 bei verschiedenen Temperaturen.
Die in 1 gegenübergestellten Aluminiumlegierungen umfassen beide dieselben Legierungselemente. Die Gewichtsanteile an Si, Fe, Cu, Mn, Mg, Sr, V und Zn befinden sich bei der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung und der Standardaluminiumlegierung für Zylinderköpfe in einer vergleichbaren Größenordnung. Der größte Unterschied der Gewichtsanteile dieser Legierungselemente besteht in Bezug auf Zn mit einem Verhältnis von nahezu 3:1 (Erfindung/Standard). Hingegen weichen die Gewichtsanteile der Legierungselemente Ti, Zr und B sehr viel stärker voneinander ab und weisen stark unterschiedliche Größenordnungen auf. Das Verhältnis der Gewichtsanteile von Ti ist 1:12, von Zr 1:15 und B 30:1 (jeweils im Vergleich Erfindung/Standard).
2 zeigt verschiedene Werte der beiden in 1 gegenübergestellten Aluminiumlegierungen, welche Werte aussagekräftig für die Duktilität der beiden nach dem üblichen T7-Standard wärmebehandelten Aluminiumlegierungen sind. So bleiben die Dehngrenze sowie die Zugfestigkeit in einem vergleichbaren Bereich, wohingegen die Bruchdehnung der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung mit 11% im Vergleich zu 5% bei der Standardlegierung einen mehr als doppelt so großen Wert einnimmt. Somit weist der erfindungsgemäße Zylinderkopf aus dieser Aluminiumlegierung eine stark erhöhte Duktilität auf.
Anhand einer Grafik veranschaulicht die 3 die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit in Prozent in einem Temperaturbereich von 0 bis 400°C. Während bei Raumtemperatur die Steigerung der Wärmeleitfähigkeit bei über 14% liegt, verringert sich dieser Prozentsatz relativ konstant bis zu einem Prozentsatz von ca. 9 bei einer Temperatur von 300°C.
Eine derart verbesserte Wärmeleitfähigkeit ermöglicht eine ebenfalls verbesserte Wärmeabfuhr in den Zylinderkopf. Auf diese Weise kann eine Verringerung der thermischen Belastung erzielt werden.

Claims

Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren, bestehend aus einer Aluminiumlegierung aus Aluminium und Legierungselementen, wobei der Zylinderkopf nach T6 oder T7 wärmebehandelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungselemente, bezogen auf die Aluminiumlegierung, Si von 6 bis 12 Gew.-%, Fe kleiner 0,5 Gew.-%, Cu von 0,0015 bis 3 Gew.-%, Mn kleiner 0,4 Gew.-%, Mg von 0,05 bis 1 Gew.-%, Zn kleiner 0,4 Gew.-%, B von 0,0005 bis 0,025 Gew.-%, Ti, Zr und V in Addition kleiner 0,008 Gew.-% aufweisen.
Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungselemente, bezogen auf die Aluminiumlegierung, Ti, Zr und V in Addition kleiner 0,0015 Gew.-% aufweisen.
Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungselemente, bezogen auf die Aluminiumlegierung, B von 0,0025 bis 0,1 Gew.-% aufweisen.