DE102018130544A1

DE102018130544A1 - Hochtemperatur-aluminiumgusslegierung für zylinderköpfe

Info

Publication number: DE102018130544A1
Application number: DE102018130544.3A
Authority: DE
Inventors: Qigui Wang; Michael J. Walker; Andrew C. Bobel
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2019-06-06
Also published as: CN109868393B; CN109868393A; US20190169716A1

Abstract

Es sind Aluminiumlegierungen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen vorgesehen. Eine Aluminiumlegierung, die für den Sandguss, den Kokillenguss oder den semi-permanenten Kokillenguss geeignet ist, beinhaltet etwa 3 bis etwa 12 Gew.-% Silizium, etwa 0,5 bis etwa 2,0 Gew.-% Kupfer, etwa 0,2 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium, etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Chrom; etwa 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Zirkonium, Vanadium, Kobalt und Barium; etwa 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Strontium, Natrium und Titan; etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisenmangan und Zink; und etwa 0,1 Gew.-% andere Spurenelemente. Ebenfalls offenbart wird ein semi-permanentes Formgussteil, wie beispielsweise ein Motorzylinderkopf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Aluminiumlegierungen und insbesondere Hochtemperatur-Aluminiumgusslegierungen mit verbesserter Gussqualität und verbesserten mechanischen Eigenschaften sowie Gussstücke, die daraus hergestellt sind, wie etwa Zylinderköpfe aus Sandguss oder semipermanentem Formguss.
EINLEITUNG
Die steigende Nachfrage nach Leichtbau und Kraftstoffeffizienz in Verbrennungsmotoren hat die Motorleistungsdichte, die Abgastemperaturen und den Zylinderspitzendruck deutlich erhöht. Dies stellt eine große Herausforderung für bestehende Aluminiumgusslegierungen für Hochtemperaturanwendungen dar, wie beispielsweise Zylinderköpfe. Aluminiumgusslegierungen werden zunehmend in der Automobilindustrie eingesetzt, um Gusseisen in Anwendungen wie Motorblöcken und Zylinderköpfen zu ersetzen, wodurch die Masse reduziert wird.
Mit zunehmender Nachfrage nach Kraftstoffeinsparung werden Hochtemperatureigenschaften wie Zug-, Kriech- und Dauerfestigkeit der Aluminiumgusslegierungen zunehmend kritisch. In den letzten 10 Jahren ist die maximale Betriebstemperatur von Komponenten wie Zylinderköpfen von ca. 170 °C auf Temperaturen über 200 °C angestiegen. Die erhöhten Betriebstemperaturen führten zu schwereren hochzyklischen Ermüdungsschäden (HCF) und mehr niedrigzyklischen Ermüdungsschäden (LCF) und/oder thermo-mechanischen Ermüdungsschäden (TMF) in den Bereichen der Zylinderköpfe, die hohen Temperaturgradienten ausgesetzt sind, in denen die komplexe phasenverschobene transiente thermo-mechanische Ermüdungsbelastung erzeugt wird.
In den heutigen Zylinderkopfkonstruktionen sind die am häufigsten verwendeten Aluminiumgusslegierungen A356, 319 und AS7GU (A356+0,5 %Cu). Die A356-Legierung ist eine primäre Aluminiumlegierung mit guten Duktilitäts- und Ermüdungseigenschaften bei niedrigen bis mittleren Temperaturen. Ab etwa 200 °C werden Kriechfestigkeit und Zugfestigkeit dieser Legierung jedoch durch die schnelle Vergröberung von Mg/Si-Ausfällungen in der Legierung schnell abgebaut. Die Legierung 319 ist eine sekundäre Aluminiumlegierung, die eine kostengünstigere Alternative zur A356 darstellt. Die kupferhaltige Legierung 319 weist den Vorteil einer besseren Zug- und Kriechfestigkeit bei mittleren Temperaturen auf, da die Al/Cu-Ausfällungen bei einer höheren Temperatur stabiler sind als die Mg/Si-Ausfällungen in A356. Diese Legierung ist jedoch aufgrund des hohen Fe und Cu-Gehalts und der geringen Duktilität bei Raumtemperatur anfällig für Schwindungsporosität. Die AS7GU-Legierung ist eine Variante von A356, einer mit 0,5 % Cu verstärkten Mischlösung. Wie auch die A356 weist die AS7GU-Legierung eine gute Gießbarkeit auf, während der geringe Kupferzusatz die Kriechfestigkeit und Zugfestigkeit bei mittleren Temperaturen verbessert. Sowohl Mg/Si als auch Al/Cu-Präzipitate sind thermisch instabil, sodass alle drei Legierungen aufgrund der schnellen Vergröberung dieser Präzipitate schlechte mechanische Eigenschaften über 250 °C aufweisen.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an der Entwicklung von Hochtemperatur-Aluminiumgusslegierungen für den Einsatz in semipermanenten Form- und Gussteilen, wie beispielsweise Motorzylinderköpfen.
KURZDARSTELLUNG
Diese Offenbarung stellt Aluminiumgusslegierungen mit einer verbesserten Gussqualität und Hochtemperatureigenschaften für die Herstellung von daraus hergestellten Artikeln bereit, wie beispielsweise Motorzylinderköpfe aus Sandguss, Dauerformen oder semipermanenten Formguss.
Die Legierung kann mindestens eines der Gießfähigkeits- und Stärkesteigerungselemente enthalten, wie beispielsweise Silizium, Kupfer, Magnesium, Chrom, Zirkonium, Vanadium, Kobalt, Strontium, Natrium, Barium, Titan, Eisen, Mangan und/oder Zink. Die Mikrostruktur der Legierung kann mindestens eine unlösliche verfestigte und/oder ausgeschiedene Partikel mit mindestens einem Legierungselement enthalten.
In einer exemplarischen Ausführungsform, die mit den anderen hierin vorgesehenen Beispielen und Merkmalen kombiniert oder getrennt werden kann, ist eine Aluminiumlegierung vorgesehen, die für Sandguss, Dauerformguss oder semipermanenten Formguss geeignet ist. Die Aluminiumlegierung kann enthalten: etwa 3,0 bis etwa 12,0 Gew.-% Silizium, etwa 0,5 bis etwa 2,0 Gew.-% Kupfer, etwa 0,2 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium und etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Chrom; die Aluminiumlegierung beinhaltet ferner etwa 0 bis etwa 0.3 Gew.-% Kobalt, Vanadium, Barium und/oder Zirkonium; die Aluminiumlegierung beinhaltet ferner 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Titan, Natrium und Strontium; die Aluminiumlegierung umfasst ferner 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen, Mangan und Zink; und die Aluminiumlegierung umfasst ferner etwa 0 bis etwa 0,1 Gew.-% andere Spurenelemente.
Zusätzliche Merkmale können vorgesehen werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Folgendes: die Aluminiumlegierung umfasst ferner etwa 80 bis etwa 91 Gew.-% Aluminium; die Aluminiumlegierung kann enthalten: etwa 5,0 bis etwa 9,0 Gew.-% Silizium, etwa 0,6 bis etwa 1,0 Gew.-% Kupfer, etwa 0,4 bis etwa 0,5 Gew.-% Magnesium, etwa 0,25 bis etwa 0,35 Gew.-% Chrom; etwa 0,1 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, Vanadium und Kobalt; etwa 0,0 bis etwa 0,02 Gew.-% Strontium und Natrium; etwa 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan; etwa 0 bis etwa 0,15 Gew.-% Eisen aus Eisen und Mangan; etwa 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Zink; und etwa 0 bis etwa 0,05 weitere Spurenelemente.
In einem weiteren Beispiel, das mit den anderen hierin vorgesehenen Beispielen und Merkmalen kombiniert oder getrennt werden kann, umfasst die Aluminiumlegierung ferner etwa 80 bis etwa 91 Gew.-% Aluminium; die Aluminiumlegierung kann enthalten: etwa 6,5 bis etwa 7,5 Gew.-% Silizium; etwa 0,7 bis etwa 0,8 Gew.-% Kupfer; etwa 0,35 bis etwa 0,45 Gew.-% Magnesium; etwa 0,3 bis etwa 0,35 Gew.-% Chrom; etwa 0,1 bis etwa 0,15 Gew.-% Zirkonium, Vanadium und Kobalt; etwa 0,005 bis etwa 0,02 Gew.-% Strontium; etwa 0,0 bis etwa 0,05 Gew.-% Nickel und Bor; und 0,0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan; etwa 0 bis etwa 0.15 Gew.-% Eisen; etwa 0,0 bis etwa 0,05 Gew.-% Phosphor, Zinn und Kalzium; etwa 0,0 bis etwa 0,1 Gew.-% Mangan und Zink; etwa 0 bis etwa 0,05 Gew.-% andere Spurenelemente.
Weitere zusätzliche Merkmale können vorgesehen werden, wie beispielsweise: der Eisen- und Mangangehalt, die jeweils in einer Menge bereitgestellt werden, sodass ein Schlammfaktor kleiner oder gleich 1,4 ist, worin der Schlammfaktor durch die folgende Gleichung berechnet wird: Schlammfaktor = (1 x Gew.-% Eisen) + (2 x Gew.-% Mangan) + (3 x Gew.-% Chrom), und worin die Aluminiumlegierung bis zu 0,5% Chrom enthalten kann; die Aluminiumlegierung enthält im Wesentlichen keine Beta-Eisenphase (β-Fe Phase); die Aluminiumlegierung enthält im Wesentlichen etwa 1,0 bis etwa 100 µm silizium- und eisenreiche intermetallische Partikel; die Aluminiumlegierung enthält im Wesentlichen nur Q-Phase (AlCuMgSi) nanoskalige Ausscheidungen, worin die Aluminiumlegierung nach der Wärmebehandlung eine Streckgrenze von mehr als oder gleich 275 MPa, eine Bruchzugfestigkeit von mehr als oder gleich 323 MPa und eine Dehnung von mindestens 2,3 % aufweist; worin die Aluminiumlegierung bei 300C eine Streckgrenze von mehr als oder gleich 49 MPa und eine Bruchzugfestigkeit von mehr als oder gleich 56 MPa aufweist.
In noch einem weiteren Beispiel, das mit den anderen hierin beschriebenen Beispielen und Eigenschaften kombiniert oder getrennt sein kann, kann die Aluminiumlegierung im Wesentlichen bestehen aus: etwa 5-8 Gew.-% Silizium, etwa 0,15 Gew.-% Eisen, Kobalt, Vanadium, Titan und Zirkonium; etwa 0,75 Gew.-% Kupfer; etwa 0,1 Gew.-% Mangan; etwa 0,4 Gew.-% Magnesium; etwa 0,35 Gew.-% Chrom; etwa 0,02 Gew.-% Strontium; und die Restmenge aus Aluminium und Silizium.
In noch einem weiteren Beispiel, das mit den anderen hierin beschriebenen Beispielen und Eigenschaften kombiniert oder getrennt sein kann, kann die Aluminiumlegierung im Wesentlichen bestehen aus: etwa 7,0 Gew.-% Silizium; etwa 1 Gew.-% Kupfer, etwa 0,4 Gew.-% Magnesium; etwa 0,1 Gew.-% Mangan; etwa 0,35 Gew.-% Chrom; etwa 0,15 Gew.-% Kobalt, Zirkonium, Vanadium, Titan und Eisen; etwa 0,02 Gew.-% Strontium; und die Restmenge Aluminium und Kupfer.
Weitere zusätzliche Merkmale können vorgesehen werden, wie beispielsweise: die Aluminiumlegierung mit Gusspartikeln, die im Wesentlichen etwa 1,0 bis etwa 100 µm aus silizium- und eisenreichen intermetallischen Partikeln enthalten; die Aluminiumlegierung mit Lösungsbehandlungsinduzierten Partikeln, die im Wesentlichen etwa 100 nm bis etwa 1 µm Partikel enthalten, einschließlich Aluminium-Chrom-Silizium, Aluminium-Zirkonium, Aluminium-Vanadium, Aluminium-Titan-Silizium und Aluminium-Titan-Partikel; und die Aluminiumlegierung mit Präzipitaten, die jeweils etwa 0,0 bis etwa 100 nm aus Q-Phase und S-Phase enthalten.
Ein semi-permanentes Formgussteil, wie beispielsweise ein Zylinderkopf, ist vorgesehen und wird mit einer der hierin offenbarten Versionen der Aluminiumlegierung gegossen.
Figurenliste
Die Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen diese Offenbarung oder die hier angehängten Ansprüche nicht einschränken.

1 ist eine Unteransicht eines Zylinderkopfgehäuses gemäß den Aspekten einer exemplarischen Ausführungsform;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Zylinderkopfgehäuses gemäß den Aspekten einer exemplarischen Ausführungsform;
3 ist ein Diagramm, das ein berechnetes Phasendiagramm einer Aluminiumlegierung zeigt, das Phasenumwandlungen als Funktion des Kupfer-(Cu)-Gehalts gemäß den Aspekten einer exemplarischen Ausführungsform darstellt; und
4 ist eine Grafik, die ein berechnetes Phasendiagramm einer Aluminiumlegierung darstellt, das Phasenumwandlungen als Funktion des Silizium-(Si)-Gehalts gemäß den Aspekten einer exemplarischen Ausführungsform darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es sind Aluminiumgusslegierungen mit verbesserten Hochtemperatureigenschaften für Zylinderköpfe vorgesehen. In den 1 und 2 ist ein im semi-permanenten Formgussverfahren hergestellter Zylinderkopf 10 aus einer Aluminiumlegierung gemäß einer exemplarischen Ausführungsform dargestellt und wird nun beschrieben. Im Allgemeinen beinhaltet der Zylinderkopf 10 Merkmale, wie etwa eine Kopf-Standfläche 12, Brennkammern 14, Einlass- und Auslassöffnungen 16, Nockenwellenlager 18, Zündkerzenlöcher 20, Wassermantelöffnungen 22 und Ölkanäle 24 sowie verschiedene andere Merkmale. Insbesondere beinhalten die wichtigen Merkmale des Zylinderkopfes 10, die zumindest teilweise während des Gießverfahrens ausgebildet sind, die Kopf-Standfläche 12 und die Brennkammern 14. Produktspezifikationen für die Kopf-Standfläche 12 und die Brennkammern 14 erfordern im Allgemeinen einen höheren Ertrag und eine höhere Zugfestigkeit als andere Bereiche des Zylinderkopfes 10.

Im Vergleich zu anderen Aluminiumlegierungen weisen diese Legierungen eine verbesserte Materialfestigkeit und höhere mechanische Eigenschaften auf (siehe Tabelle 1). Diese Legierungen können zudem eine verbesserte Gießfähigkeit und eine geringere Porosität sowie einen reduzierten Heißriss während der Ressourcenextraktion aufweisen. Dadurch können die Ausschussquoten für Aluminiumguss und die Herstellungskosten reduziert werden. In einigen Beispielen können die hohen Legierungstemperatureigenschaften und die Motorleistung verbessert werden. So kann beispielsweise die Zwischendurchlasskühlung reduziert, beseitigt oder vermieden werden. Ferner kann die Legierungsdichte in einigen Beispielen reduziert werden. In einigen Beispielen kann die Legierungen erfolgreich T6- oder T7-Behandlungen unterzogen werden. Tabelle 1: Mechanische Eigenschaften der neuen Legierung

	Aktuelle Legierung	Neue Legierung*
UTS @RT (MPa)	313	323
YS @RT (MPa)	251	275
Dehnung @RT (%)	6,2	2,3
Zugfestigkeit @300 C (MPa)	41	56
YS @300 C (MPa)	38	49
Dauerfestigkeit @10^7 Zyklen, 150 C (MPa)	64	76
Dauerfestigkeit @10^7 Zyklen, 200 C (MPa)	49	53
*Proben mit erhöhter Temperatur, die vor der Prüfung für 100 Stunden bei Temperatur konditioniert wurden. Die neue Legierung hat im ersten Versuch weder Cr noch Co enthalten.

Die Legierung kann mindestens eines der Gießfähigkeits- und Stärkesteigerungselemente enthalten, wie beispielsweise Silizium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Eisen, Zink und Nickel. Die Mikrostruktur der Legierung enthält eine oder mehrere unlösliche verfestigte und/oder ausgeschiedene Partikel mit mindestens einem Legierungselement.

Zwei Beispiele für Zusammensetzungsbereiche der neuen Legierung (in den Beispielen Version 1 und Version 2 genannt) sind in Tabelle 2 im Vergleich zu den anderen handelsüblichen Legierungen für den Motorkopfguss aufgelistet. Tabelle 2. Chemische Zusammensetzungen von zwei Versionen der neuen Legierung und den handelsüblichen Legierungen A356, AS7GU (A356+0,5 %Cu), 354, 319, 363.

Legierung	Si	Sr	Ti	B	Mg	Fe	Mn	Cu	Zn	Ca/P/Sn/Ni	V/Zr/Co	Cr	Sonstige
A356	6,5-7,5		<0,2		0,25 0,45	<0,2	<0,1	<0,2	<0,1	<0,05			<0,15
AS7GU	7,5-9,5		<0,2		0,25 0,45	<0,2	<0,1	0,5	<0,1	<0,05			<0,15
354	8,6-9,4		<0,2		0,4-0,6	<0,2	<0,1	1,6-2,0	<0,5	<0,1			<0,15
319	5,5-6,5		<0,2 5		<0,1	<1,0	<0,5	3,0-4,0	<1,0	<0,35			<0,5
363	4,5-6,0		<0,2		0,15 -0,4	<1,1	<0,5	2,5-3,5	3-4,5	<0,25			<0,3
V1 (Gew.-%)	5,0-9,0	0,02 max	0,2 max		0,4-0,5	0,15 max	0,15 max	0,6-1,0	0,1 max		0,1-0,2	0,25 - 0,35	0,05 max
V2 (Gew.-%)	6,5-7,5	,005-0,02	0,20 max	0,05 max	0,35 - 0,45	0,15 max	0,10 max	0,7-0,8	0,10 max	0,05 max	0,1-0,15	0,30 - 0,35	0,05 max

Der zugeschnittene Cu-Gehalt in den neuen Aluminiumlegierungen zum Bilden der Q-Phase (AlSiMgCu) fällt im Vergleich zu traditionellem A356 und seinen Variationen aus.
Obwohl allgemein bekannt ist, dass Kupfer die Festigkeit und Härte in Aluminiumlegierungen erhöht, verringert es auf der anderen Seite im Allgemeinen die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium; und bei bestimmten Legierungen und Wärmebehandlungsbedingungen erhöht Kupfer die Empfindlichkeit gegen Spannungskorrosion. Kupfer erhöht zudem den Gefrierbereich der Legierung und verringert die Zufuhrfähigkeit, was zu einem hohen Potential an Schrumpfporosität führt. Weiterhin ist Kupfer kostenintensiv und schwer.
Die künstliche Aushärtung (T5) wird verwendet, um eine Ausscheidungshärtung zu erzeugen, indem die lösungsgeglühten und abgeschreckten Gussstücke auf eine Zwischentemperatur (z. B. 160-240 Grad C) erwärmt und dann die Gussstücke für einen bestimmten Zeitraum gehalten werden, um eine Aushärtung oder eine Verfestigung durch Ausscheidung zu erreichen. In Anbetracht der Tatsache, dass die Ausscheidungshärtung ein kinetisches Verfahren ist, spielen die Inhalte (Übersättigung) der zurückgehaltenen gelösten Elemente in der Aluminium-Feststofflösung im Gusszustand eine wichtige Rolle bei den Aushärtungsreaktionen der Gussstücke. Daher ist die Verfügbarkeit und tatsächliche Menge der Aushärtungslösungen in der Aluminium-Weichmatrixlösung nach dem Gießen und der Lösungsbehandlung entscheidend für die spätere Aushärtung, die von der Legierungszusammensetzung, wie dem Cu- und Mg-Gehalt, und der Lösungsbehandlungstemperatur abhängig ist.
Bei Aluminiumgusslegierungen auf Al-Si-Mg-Basis, wie der A356-Legierung, sind die Verstärkungsausscheidungen hauptsächlich Mg2Si, die bei Temperaturen über 200 °C sehr schnell vergröbert werden. Die Zugabe von Cu in die Legierung in dieser Anwendung soll das Bilden von Mg2Si-Präzipitaten unterdrücken und die wärmebeständige Q-Phase (AlCuMgSi) bilden. Da die Q-Phase einen Zusammensetzungsbereich aufweist, variiert Cu von 9 bis 10 in Atomprozent, Mg von 35 bis 45 Atomprozent, Si von 38 bis 36 Atomprozent und ein Rest von Aluminium. Um lediglich die Q-Phase in der Legierung zu bilden, variiert der Gehalt an Cu im Schüttgut von 0,5 bis 2 Gew.-%, der Mg-Gehalt von 0,2 bis 0,6 Gew.-% und Si von über 0,7 Gew.-%.
Überschüssiges Cu in der Legierung bildet jedoch andere niedrigschmelzende Phasen und reduziert so die Bildung der Q-Phase. Typische Aluminiumgusslegierungen aus Sandguss, wie beispielsweise 319, 354 oder 363, enthalten 3~4% Cu in der Soll-Zusammensetzung und die Cu-haltigen Phasen bestehen nicht nur aus Q-Phase, sondern auch aus θ-Phase (Al2Cu), S-Phase (AlSiMg) und AlMCu-Phase wie Al6CoCu3. Andere Cu-haltige niedrigschmelzende Phasen können die Gießfähigkeit der Legierung erheblich beeinträchtigen und die Porosität in den Gussteilen erhöhen. Eine der Maßnahmen zur Gießfähigkeit einer Legierung ist der Gefrierbereich zwischen Liquidus und Solidus. Je größer der Gefrierbereich, desto höher die Schwindungsporosität und desto geringer die Gießfähigkeit. 3 veranschaulicht ein berechnetes Phasendiagramm 50 einer Legierung auf Al-7wt%Si-0,4wt%Mg-Basis mit einem Cu-Gehalt von 0 bis 5 Gew.-%. Die obere Linie wird als Liquidusgrenze 52 und die untere Linie als Solidusgrenze 54 bezeichnet. Der Temperaturbereich zwischen der Liquidusgrenze 52 und der Solidusgrenze 54 ist der Legierungsgefrierbereich 56. Der Gefrierbereich 56 erhöht sich mit dem Cu-Gehalt in der Legierung und erreicht einen Maximalwert, wenn Cu etwa 3,5 Gew.-% beträgt. 1 zeigt auch, dass sich keine θ-Phase (Al2Cu) bildet, wenn der Cu-Gehalt im Schüttgut unter 1,0 Gew.-% gehalten wird.
Bis zur Q-Phase (AlCuMgSi) wird Mg in den neuen Aluminiumlegierungen im Vergleich zu herkömmlichen 319 und dessen Varianten erhöht.
Um die Aushärtungsreaktionen der Aluminiumgusslegierungen weiter zu verbessern, sollte der Magnesiumgehalt in der neuen Legierung nicht bei weniger als 0,2 Gew.-% gehalten werden und der bevorzugte Gehalt liegt über 0,3 Gew.-%. Der maximale Mg-Gehalt sollte unter 0,6 Gew.-% gehalten werden, mit einem bevorzugten Gehalt von 0,55 Gew.-%, sodass ein Großteil der Mg-Zusätze nach der Lösungsbehandlung in Al-Festlösung verbleibt und nur Q-Phasen (AlCuMgSi) Ausfällungen bildet.
Es wurde festgestellt, dass im Wesentlichen keine weitere Verbesserung der Festigkeit vorliegt, wenn Mg etwa 0,6 Gew.-% betrug.
Si ist ein wichtiges Element für Aluminiumgusslegierungen. Si erhöht die Gießfähigkeit der Legierung durch eine erhöhte Fließfähigkeit und die Freisetzung hoher latenter Wärme während der Verfestigung, um den Schwund zu reduzieren und die Zuführung zu verbessern. Der hohe Si-Gehalt reduziert auch den Gefrierbereich der Legierung. Zum Beispiel unter Bezugnahme auf 4, die ein berechnetes Phasendiagramm 100 einer Legierung auf Al-0,75wt%Si-0,4wt%Mg-Basis mit einem Si-Gehalt von 0 bis 10 Gew.-% darstellt. Wie in 3 wird die obere Linie als Liquidusgrenze 105 und die untere Linie als Solidusgrenze 110 bezeichnet. Der Temperaturbereich zwischen den Begrenzungslinien Liquidus 105 und Solidus 110 ist der Legierungsgefrierbereich 115. Der Gefrierbereich 115 wird bei einem Si-Gehalt zwischen 5,0 und 9,0 Gew.-% nahezu konstant gehalten.
Die hierin beschriebenen Legierungen können zur Herstellung von Sand- oder Dauerformen oder semi-permanenten Formgussteilen, wie beispielsweise Motorzylinderköpfen, verwendet werden. Daher ist die Absicht der Erfinder hierin, dass sich die Offenbarung auf Gussstücke einschließlich Zylinderköpfe erstreckt, die die verbesserte Legierung enthalten (einschließlich Beispiele, Versionen und Variationen davon).
Weiterhin wird, während die obigen Beispiele einzeln beschrieben werden, von Fachleuten auf dem Gebiet mit dem Vorteil dieser Offenbarung verstanden werden, dass die hierin beschriebenen Anteile von Elementen gemischt und aus den verschiedenen Beispielen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche angepasst werden können.
Es versteht sich ferner, dass jedes der oben beschriebenen Konzepte allein oder in Kombination mit irgendeinem oder allen anderen oben beschriebenen Konzepten verwendet werden kann. Obwohl eine Ausführungsform dieser Erfindung offenbart worden ist, würden Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, dass bestimmte Modifikationen in den Umfang dieser Erfindung fallen würden. Aus diesem Grund sollten die folgenden Ansprüche untersucht werden, um den wahren Umfang und Inhalt dieser Erfindung zu bestimmen.

Claims

Aluminiumlegierung, die sich zum Sandgießen, Dauerformen oder semi-permanenten Formenguss eignet, wobei die Aluminiumlegierung Folgendes umfasst: etwa 3 bis etwa 12 Gew.-% Silizium; etwa 0,5 bis etwa 2,0 Gew.-% Kupfer; etwa 0,2 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium; etwa 0,0 bis etwa 0,5 Gew.-% Chrom; etwa 0,0 bis etwa 0,3 Gew.-% Zirkonium, Vanadium, Kobalt und Barium; etwa 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Strontium, Natrium und Titan; etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisenmangan und Zink; und etwa 0,1 Gew.-% anderer Spurenelemente.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, ferner umfassend etwa 80 bis etwa 91 Gew.-% Aluminium.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 2, ferner umfassend im Gussverfahren hergestellte Partikel im Wesentlichen etwa 1,0 bis etwa 100 µm jeweils aus silizium- und eisenreichen intermetallischen Partikeln.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 2, ferner umfassend Lösungsbehandlungspartikel die im Wesentlichen etwa 100 nm bis etwa 1 µm Partikel beinhalten, einschließlich Aluminium-Chrom-Silizium-, Aluminium-Zirkonium-, Aluminium-Vanadium- und Aluminium-Titan-Partikel.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 2, ferner umfassend als ausgehärtet, präzipitiert jeweils etwa 0,0 bis etwa 100 nm der Q-Phase und S-Phase.
Aluminiumlegierung, die sich zum Sandgießen, Dauerformen oder semi-permanenten Formenguss eignet, wobei die Aluminiumlegierung Folgendes umfasst: etwa 5 bis etwa 9 Gew.-% Silizium; etwa 0,6 bis etwa 1,0 Gew.-% Kupfer; etwa 0,4 bis etwa 0,5 Gew.-% Magnesium; etwa 0,25 bis etwa 0,35 Gew.-% Chrom; etwa 0,1 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, Vanadium und Kobalt; etwa 0 bis etwa 0,02 Gew.-% Strontium und Natrium; etwa 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan; etwa 0 bis etwa 0,15 Gew.-% Eisen etwa 0 bis etwa 0,15 Gew.-% Mangan; etwa 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Zink; und etwa 0 bis etwa 0,05 Gew.-% anderer Spurenelemente.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 6, ferner umfassend etwa 80 bis etwa 91 Gew.-% Aluminium.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 7, ferner umfassend im Gussverfahren hergestellte Partikel im Wesentlichen etwa 1,0 bis etwa 100 µm jeweils aus silizium- und eisenreichen intermetallischen Partikeln.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 8, ferner umfassend Lösungsbehandlungspartikel die im Wesentlichen etwa 100 nm bis etwa 1 µm Partikel beinhalten, einschließlich Aluminium-Chrom-Silizium-, Aluminium-Zirkonium-, Aluminium-Vanadium, Aluminium-Titan-Silizium und Aluminium-Titan-Partikel.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 9, ferner umfassend als ausgehärtet, präzipitiert jeweils etwa 0,0 bis etwa 100 nm der Q-Phase und S-Phase.