DE102019128675B3

DE102019128675B3 - Aluminiumlegierung, deren Verwendung sowie Zylinderkopf

Info

Publication number: DE102019128675B3
Application number: DE102019128675.1A
Authority: DE
Inventors: Robert Ellmerich; Alejandro Javier Guirao Blank; Andreas Marx
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2021-03-11
Anticipated expiration: 2039-10-24

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eineAluminiumlegierung, enthaltend die folgenden Massenanteile wenigstens einiger seiner Bestandteile:- Cu: >3,50 - 5,00 m%,- Ti: 0,10 - 0,40 m%,- Zr: 0,10 - 0,80 m%,- Mg: 0,03 - 0,80 m%,- Fe: 0,12 - 0,50 m%,- Zn: 0,07 - 0,20 m%,- Mn: 0,10-1,50 m%,- Si: 1,60 - 2,00 m%,wobei der Rest aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Aluminiumlegierung.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf die Verwendung einer solchen Legierung zur Herstellung eines Zylinderkopfes einer Verbrennungskraftmaschine für ein Automobil.
Die Erfindung bezieht sich schließlich auf Zylinderköpfe aus einer solchen Legierung.
Stand der Technik
Der Begriff der Aluminiumlegierung impliziert vorliegend, dass Aluminium (AI) den Hauptbestandteil der Legierung stellt. Insbesondere umfasst der Begriff in Verbindung mit der expliziten Nennung anderer Bestandteile die jeweils bevorzugten Ausführungsformen, bei denen - abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen - der zu 100 m% fehlende Anteil ausschließlich aus Al besteht.
Die DE 10 2011 014 590 A1 offenbart eine Aluminiumlegierung, die sich aufgrund ihres speziellen Erstarrungsverhaltens gut für die fehlerfreie Herstellung hochwärmefester Bauteile von Automobilen, insbesondere von Zylinderköpfen deren Verbrennungskraftmaschinen, eignet. Der beim modernen Motorenbau vorliegende Trend hin zu immer höheren Verbrennungsdrücken und -temperaturen führt zu einer gleichzeitigen Verringerung der Lebensdauer dieser hochbelasteten Bauteile. Insbesondere die zyklischen Eigenschaften des bekannten Werkstoffs unter thermischem Einfluss sowie sein Alterungsverhalten erscheinen für zukünftige Motorengenerationen unzureichend. Eine verbesserte Legierung, die insbesondere höhere Wärmeleitfähigkeitswerte und bevorzugt auch eine verbesserte zyklische Festigkeit (Kurzzeitfestigkeit sowie Zeitfestigkeit) zeigt, wäre wünschenswert.
In der US 2013/0068411 A1 werden verschiedene, sehr unterschiedliche Aluminiumlegierungen offenbart, deren Gießbarkeit durch einen hohen Anteil von bis zu 20 m% unlösbarer Partikel verbessert sein soll. Zu den thermischen und mechanischen Eigenschaften entsprechend hergestellter Bauteile macht die genannte Druckschrift keine Angaben.
Aus der DE 10 2009 015 316 A1 ist eine AI-Legierung mit folgenden Bestandteilen bekannt:

- Cu: 1,90 - 5,00 m%,
- Ti: 0,02 - 0,20 m%,
- Zr: bis zu 0,7 m%
- Mg: 0,20 - 0,50 m%,
- Fe: 0,10 - 0,50 m%,
- Zn: bis zu 0,50 m%,
- Mn: 0,20 - 0,75 m%,
- Si: bis zu 1,30 m%

Aus der JP 2001 - 115 226 A ist eine AI-Legierung mit folgenden Bestandteilen bekannt:

- Cu: 1,2 - 3,5 m%,
- Ti: 0,01 - 0,2 m%,
- Zr: 0,01 - 0,2 m%
- Mg: 0,2 - 5,5 m%,
- Fe: 0,1 - 2,0 m%,
- Zn: 0,1 - 1,5 m%,
- 0,01 - 1,5 m%,
- Si: 1,5 - 5 m%

Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Legierung anzugeben, die insbesondere eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Legierung gemäß Anspruch 1 gelöst, d. h. durch eine Aluminiumlegierung, enthaltend die folgenden Massenanteile wenigstens einiger seiner Bestandteile:

- Cu: >3,50 - 5,00 m%,
- Ti: 0,10 - 0,40 m%,
- Zr: 0,10 - 0,80 m%,
- Mg: 0,03 - 0,80 m%,
- Fe: 0,12 - 0,50 m%,
- Zn: 0,07 - 0,20 m%,
- Mn: 0,10- 1,50 m%,
- Si: 1,60 - 2,00 m%,

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Der hohe Si-Anteil führt zu einer hohen Wärmeleitfähigkeit von aus der erfindungsgemäßen Legierung gefertigten Bauteilen. Die erfindungsgemäße Legierung eignet sich in besonderem Maße für die Herstellung thermisch hochbelasteter Bauteile, wie insbesondere Zylinderköpfe von Verbrennungskraftmaschinen moderner Kraftfahrzeuge.
Bereits bei einem Si-Gehalt von 1,0 m% stellt sich eine nach derzeitiger Einschätzung in vielen Fällen hinreichend hohe Wärmeleitfähigkeit ein; höhere Gehalte, nämlich erfindungsgemäß im Bereich von 1,60 - 2,00 m% steigern die Wärmeleitfähigkeit weiter.
Wie die Erfinder weiter erkannt haben, lässt sich mit der alleinigen Steigerung des Si-Gehaltes zwar die Wärmeleitfähigkeit, nicht aber die zyklische Festigkeit der resultierenden Bauteile steigern. Eine solche Steigerung ist jedoch, wie eingangs bereits erläutert, durchaus wünschenswert. Bei der Erfindung ist daher außerdem vorgesehen, dass als weiterer Bestandteil Mangan (Mn) enthalten ist, wobei der Massenanteil von Mn 0,1 - 1,5 m%, insbesondere 0,60 bis 1,5 m%, insbesondere 0,90 bis 1,5 m%, bevorzugt 0,5 m% beträgt. Der positive Effekt der Steigerung der zyklischen Festigkeit bei Steigerung des Mn-Gehaltes wird allerdings von dem Nebeneffekt einer Reduktion der (durch das Si gesteigerten) Wärmeleitfähigkeit begleitet. Es gilt daher, einen ausgewogenen Kompromiss zu finden, der sowohl zu einer hinreichenden Steigerung der Wärmeleitfähigkeit (durch Anpassung des Si-Gehaltes) als auch zu einer hinreichenden Steigerung der zyklischen Festigkeit (durch Anpassung des Mn-Gehaltes) führt.
Der Massenanteil des ebenfalls in der Legierung enthaltenen Zirkoniums (Zr) liegt bevorzugt bei 0,3 m%; allerdings hat sich auch ein Anteil von 0,60 - 0,80 m% als sehr tauglich erwiesen.
Hinsichtlich der übrigen Bestandteile ist bevorzugt vorgesehen, dass der Massenanteil von Kupfer (Cu) 4,0 m% und/oder der Massenanteil von Titan (Ti) 0,15 m% und/oder der Massenanteil von Magnesium (Mg) < 0,1 m% und/oder der Massenanteil von Zinn (Zn) < 0,1 m% beträgt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Figurenliste
Es zeigen:

1: eine Grafik zur Verdeutlichung der Wirkung der Si- und Mn-Steigerung im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit,
2: eine Grafik zur Verdeutlichung der Wirkung der Si- und Mn-Steigerung im Hinblick auf die zyklische Kurzzeitfestigkeit und
3 ein Wöhler-Diagramm zur Verdeutlichung der Wirkung der Si- und Mn-Steigerung im Hinblick auf die zyklische Zeitfestigkeit.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 zeigt in schematisierter Darstellung die Ergebnisse einer Wärmeleitfähigkeitsmessung an verschiedenen Legierungen. Die Vergleichslegierung , abgekürzt als AlCu4(TiZr) besteht aus Cu: 4,0 m%, Ti: 0,15 m%, Zr: 0,30 m%, Mg: <0,1 m%, Fe: < 0,1 m%, Zn: < 0,1 m%, Al: ad 100 m%. Insbesondere enthält diese Vergleichslegierung kein Si und kein Mn.
Die Wärmeleitfähigkeit k, dargestellt in W/mK als Funktion der Temperatur T in °C, der Vergleichslegierung ist vergleichsweise niedrig (Quadrate). Eine modifizierte Legierung mit 1,0 m% Si (Rauten) führt zu einer drastischen Steigerung der Wärmeleitfähigkeit. Weitere modifizierte Legierungen mit zusätzlich 0,5 m% Mn (aufrechte Dreiecke), 1,0 m% Mn (Kreise) bzw. 1,5 m% Mn (umgekehrte Dreiecke) verringern demgegenüber die Wärmeleitfähigkeit, wobei die Werte noch immer deutlich über der Vergleichslegierung bleiben. Dieser Effekt erscheint zunächst zwar nachteilig; wie in 2 dargestellt, ist mit der Mn-Zugabe jedoch eine Verbesserung der zyklischen Festigkeit verbunden.
2 zeigt den für die zyklische Kurzzeitfestigkeit charakteristischen Parameter DTMF als Funktion der Anrisslastspielzahl. Speziell gibt das gezeigte Diagramm eine Lebensdauerabschätzung im Kurzzeitfestigkeitsbereich R = -1, Kt = 1 und Dehnrate 10^-3 1/s. Man erkennt, dass die Kurven aller modifizierten Legierungen deutlich über derjenigen der Vergleichslegierung liegen, wobei durch die Zugabe von Mn eine weitere Steigerung sowie eine Aufsteilung der Regressionsgeraden erzielt werden kann. Der Fachmann wird also im Lichte der hier offenbarten Lehre bei der konkreten Wahl der Anteile von Si und Mn einen Kompromiss hinsichtlich der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit einerseits und der Verbesserung der Kurzzeitfestigkeit andererseits zu finden haben.
3 zeigt ein Wöhler-Diagramm (Last L in MPa über Lastwechsel LW) im Zeitfestigkeitsbereich mit Prüfparametern R=-1, 150°K, Kt=1, modifiziert nach Haibach 2K-1. Insbesondere bei den Ausführungsformen mit 0,5 und 1,0 m% Mn zeigt sich eine markante Steigerung der zyklischen Zeitfestigkeit von ca. 34% ggü. der Vergleichslegierung (Überlebenswahrscheinlichkeit Pü50 bei 2.000.000 Lastwechseln: 103 MPa bzw. 102 MPa ggü. 76 MPa).

Claims

Aluminiumlegierung, enthaltend die folgenden Massenanteile wenigstens einiger seiner Bestandteile: - Cu: >3,50 - 5,00 m%, - Ti: 0,10 - 0,40 m%, - Zr: 0,10 - 0,80 m%, - Mg: 0,03 - 0,80 m%, - Fe: 0,12 - 0,50 m%, - Zn: 0,07 - 0,20 m%, - Mn: 0,10- 1,50 m%, - Si: 1,60 - 2,00 m%, wobei der Rest aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil von Mn 0,60 bis 1,5 m%, insbesondere 0,90 bis 1,5 m%, bevorzugt 0,5 m% beträgt.
Aluminiumlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil von Zr 0,3 m% oder 0,60 bis 0,80 m% beträgt.
Aluminiumlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil von Cu 4,0 m% und/oder der Massenanteil von Ti 0,15 m% und/oder der Massenanteil von Mg < 0,1 m% und/oder der Massenanteil von Zn < 0,1 m% beträgt.
Aluminiumlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie frei von unlöslichen Partikeln ist.
Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine eines Automobils, bestehend aus einer Aluminiumlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verwendung einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung eines Zylinderkopfes einer Verbrennungskraftmaschine für ein Automobil.