DE102016200535A1

DE102016200535A1 - Verfahren zum Herstellen einer Aluminium-Gusslegierung

Info

Publication number: DE102016200535A1
Application number: DE102016200535.9A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Klinkenberg
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-01-18
Filing date: 2016-01-18
Publication date: 2017-07-20

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Herstellen einer untereutektischen Aluminium-Gusslegierung mit Legierungsanteilen von insgesamt zwischen 2 und 10,5 Gew.-%, welche erfindungsgemäß bei einer dauerhaften Erwärmung auf ein Temperaturniveau bis zu 300°C eine nahezu unverändert hohe mechanische Festigkeit dadurch beibehält, dass die Gusslegierung als Hauptlegierungskomponente Kupfer oder Magnesium anstelle von Silizium sowie einen Übergangsmetallanteil (V oder Zr) zwischen 0,005 und 0,5 Gew.-% enthält und im Zuge einer T6-Wärmebehandlung derart ausgelagert wird, dass sich eine Ausscheidungsphase mit einer Phasenausdehnung zwischen 3 und 3000 nm und diese jeweils umgebenden Anlagerungen des Übergangsmetalls in einem Größenbereich zwischen 0,001 und 20 nm ausbilden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Aluminium-Gusslegierung mit einem Legierungsanteil von insgesamt zwischen 2 und 10,5 Gew.-%, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aluminium-Gussteile in Verbrennungsmotoren sind insbesondere im Bereich der Zylinderköpfe, der Arbeitskolben oder des Zylindergehäuses örtlich hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Zu diesem Zweck sind spezielle Aluminium-Gusslegierungen, zumeist auf Siliziumbasis, entwickelt worden, wie etwa die aus der DE 10 2008 024 531 A1 bekannte Al-Si-Legierung, mit denen sich die Warmfestigkeit der Gussteile in den erwähnten Einsatzfällen zwar in gewissem Umfang verbessern, das Problem eines bei thermischen Dauerbelastungen über 250°C immer ausgeprägteren Absenkens der Streckgrenze jedoch nicht beheben lässt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem auf zuverlässig wiederholbare Weise eine Aluminium-Gusslegierung erzeugt wird, mit welcher sich thermisch bis zu Betriebstemperaturen deutlich über 250°C dauerhaft belastete Gussteile und insbesondere die oben erwähnten Motorkomponenten mit weitgehend gleichbleibend hohen, mechanischen Festigkeitseigenschaften anfertigen lassen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung beruht zunächst auf der Erkenntnis; dass sich die Dauerfestigkeit einer untereutektischen, übergangsmetallhaltigen Al-Gusslegierung im Temperaturbereich über 250°C dadurch wesentlich steigern lässt, dass die Legierungszusätze siliziumfrei, zumindest aber siliziumarm gehalten werden und stattdessen als Hauptlegierungskomponente Kupfer oder Magnesium zugesetzt wird, und, hierauf aufbauend, der Wärmebehandlungsprozess im Rahmen der Auslagerung auch noch so geführt wird, dass eine stabile Ausscheidungsphase mit einer definierten Phasengröße im angegebenen Nanobereich sowie diese umgebenden Anlagerungen des Übergangsmetalls innerhalb anderer, ebenfalls spezifisch vorgegebener Nanometergrenzen erzeugt wird. Auf diese Weise wird eine temperaturstabile, intensive Wechselwirkung der Ausscheidungen mit den Versetzungen des angrenzenden Metallgitters und dadurch im fertigen Gussteil eine weitgehend unverändert hohe Streckgrenze bei dauerhaften Temperaturerhöhungen bis zu deutlich über 250°C sichergestellt, so dass die erfindungsgemäß hergestellte Al-Gusslegierung insbesondere für die eingangs erwähnten Motorkomponenten in hervorragender Weise geeignet ist.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden die Legierungsanteile und die Wärmebehandlung innerhalb der in den Unteransprüchen angegebenen Grenzen gehalten, wodurch das Festigkeitspotenzial der Gusslegierung bis zu einem Temperaturbereich von 270 bis 300°C erhalten bleibt.
Beispiele für eine erfindungsgemäß hergestellte Gusslegierung sind eine Al-Cu4MgTi/AlCu4Ti oder eine AlCu4MnMg-Legierung nach DN EN AC-21000/21100 bzw. DN EN 21200 mit einer zusätzlichen Zr-Komponente von 0,35 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtlegierung, und einer T6-Wärmebehandlung (Lösungsglühen und Warmauslagern) für 6 h bei 490°C und 10 h bei 515°C oder alternatives Lösungsglühen für 16 h bei 515°C und dann 8 h bei 180°C oder einer T6-Wärmebehandlung für 4 h bei 495°C und 2 h bei 525°C oder alternatives Lösungsglühen für 6 h bei 525°C und anschließend 3 h bei 180°C. Eine solche Al-Gusslegierung verfügt über ein bei thermischen Dauerbelastungen bis zu 300°C nahezu unverändert hohes Festigkeitspotenzial.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008024531 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DN EN AC-21000/21100 [0007]
DN EN 21200 [0007]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer untereutektischen Aluminium-Gusslegierung mit einem Legierungsanteil von insgesamt zwischen 2 und 10,5 Gew.-%, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Gusslegierung mit Kupfer oder Magnesium als Hauptlegierungskomponente, einem Siliziumgehalt unter 0,5 Gew.-% und einem Übergangsmetallanteil zwischen 0,005 und 0,5 Gew.-% im Rahmen einer Wärmebehandlung derart ausgelagert wird, dass sich eine Ausscheidungsphase mit einer Phasenausdehnung zwischen 3 und 3000 nm und diese jeweils umgebenden Anlagerungen des Übergangsmetalls in einem Größenbereich von 0,001 bis 20 nm ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Gusslegierung für die Dauer von mindestens 0,5 h auf einem Temperaturniveau zwischen 160 und 300 °C ausgelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil des Übergangsmetalls zwischen 0,1 und 0,3 % beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Übergangsmetall Zr und/oder V gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Aluminium-Gusslegierung bis zu einer Phasenausdehnung zwischen 100 und 1000 nm ausgelagert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Legierungszusätze der Aluminium-Gusslegierung siliziumfrei gehalten sind.