DE10322309B4

DE10322309B4 - Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10322309B4
Application number: DE10322309A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Barth; Franz Dr. Rückert
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-05-17
Filing date: 2003-05-17
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2023-05-18
Also published as: WO2004101981A1; DE10322309A1; US20070051336A1

Abstract

Zylinderkopf (1) für einen Verbrennungsmotor, aus einer warmausgehärteten Aluminiumlegierung, mit einer Mehrzahl von Brennräume (6) ausbildenden Zylindern (5), mit einer Bodenplatte (4) und mit Brennstegen (7), wobei die Brennräume (6) und die Brennstege (7) mit ihrer unmittelbaren Umgebung Brennraumbereiche (3) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumbereiche (3) lokal begrenzt einen höheren Zustand der Warmaushärtung als die restlichen Bereiche (2) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für Verbrennungszmotoren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Vergütung von gegossenen Zylinderköpfen gemäß den Oberbegriff von Anspruch 4.
Die Erfindung betrifft insbesondere Zylinderköpfe und ein Verfahren zu deren Herstellung, welche aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gegossen sind. Die herkömmlichen Verfahren einer Herstellung von aluminiumbasierten Zylinderköpfen durch Gießen sehen eine Wärmebehandlung nach dem Gießen vor, wodurch die Festigkeits- und thermischen Kennwerte ebenso wie die Zähigkeit des Materials gezielt verbessert werden.
Bei dieser Wärmebehandlung werden insbesondere die aushärtenden Legierungsbestandteile, wie Kupfer, Magnesium und Silizium, durch ein Lösungsglühen oberhalb einer Temperatur von zum Beispiel 470°C gelöst. Durch ein anschließendes Abschrecken in einem Wasserbad wird dieser gelöste Zustand der Legierungsbestandteile metastabil bei Raumtemperatur eingefroren. Anschließend werden durch ein Warmaushärten bei einer Tempe- ratur oberhalb von 160°C aus den gelösten Legierungsbestandteilen ausscheidungshärtende Phasen gebildet. Letztere bestimmen maßgeblich die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften des gegossenen Zylinderkopfes. Hierbei hat sich gezeigt, dass für jede Aushärttemperatur beim Warmaushärten eine optimale Zeit für den Vergütungsvorgang gegeben ist. Bei dieser sind die Festigkeitswerte des Werkstoffes maximal, die Zähigkeit des Materials ist jedoch reduziert. Dieser Zustand einer "mittelgroßen Ausscheidung" von Legierungsbestandteilen wird herkömmlich als T6-Zustand bezeichnet.

Aus der DE 43 13 336 A1 , ist es bekannt, dass das bei Zylinderköpfen im Bereich der Brennräume besonders hohe Festigkeiten gewünscht sind, da dort besonders hohe Belastungen herrschen. Speziell für Zylinderköpfe aus Aluminiumguss bzw. Aluminiumgusslegierungen beschreibt die DE 100 16 187 C2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wärmebehandeln derselben. Dabei werden diese hochbelasteten Bereiche durch gezieltes besprühen lokal abgeschreckt. Damit entstehen in diesen Bereichen T6-Zustaände in der oben beschriebenen Art, welche die angestrebte hohe Festigkeit liefern.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen verbesserten und länger haltbaren Zylinderkopf sowie ein Verfahren zur Vergütung von gegossenen Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren bereitzustellen, welches einen solchen Zylinderkopf ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch den Zylinderkopf mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 sowie durch eine Verfahren mit den im Kennzeichen des Anspruchs 4 beschriebenen Schritten.

Es ist allgemein bekannt, dass über den o.g. T6-Zustand hinaus, das heißt bei weiterem Warmaushärten, die festigkeitssteigernden Ausscheidungen mit zunehmender Aushärtezeit gröber werden, so dass die Festigkeitswerte, wie die Zugfestigkeit oder die Dehngrenze des Materials, wieder abfallen. Die Zähigkeit des Werkstoffes steigt dann wieder an. Dieser Zustand einer thermischen Überalterung wird auch als T7-Zustand bezeichnet.

Den Erfindern hat sich nun in überraschenden Weise, entgegen dem allgemeinen Glauben, dass im Bereich der Brennräume höchste Festigkeiten erforderlich seien, gezeigt, dass eben dieser T7-Zustand optimal für die Brennräume von Zylinderköpfen ist, wegen der hohen Bruchzähigkeit und guten Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsrisse, insbesondere in den relativ dünnen und kerbwirkungsanfälligen Brennsteggeometrien, wie zum Beispiel den Brennstegfasen, den Fräsriefen durch das mechanische Bearbeiten der Brennräume oder die Glühstift/Glühkerzenbohrungen etc.

Die hohe Festigkeit des T6-Zustandes ist im Bereich der Brennräume zudem nutzlos, da im Betrieb des Verbrennungsmotors in den Brennräumen relativ hohe Temperaturen herrschen und oberhalb von 200°C automatisch innerhalb von kurzer Zeit (in der Regel etwa 100 Stunden) das Material von dem T6-Zustand zu dem T7-Zustand automatisch übergeht. Dieser Übergang geht einher mit einer Volumenzunahme, wodurch Druckeigenspannungen im Gefüge des Materials erzeugt werden, die letztendlich durch die lokale Erwärmung der Brennstege im Betrieb eines Verbrennungsmotors zu einer irreversiblen Plastifizierung führen können. Beim anschließenden Abkühlen des Zylinderkopfes entstehen dann Zugeigenspannungen in den Brennstegen, welche zu thermischen Ermüdungsrissen führen können.

Dies ist der Grund, warum eine T7-Wärmebehandlung einer T6-Wärmebehandlung überlegen ist. In ersterer werden die entstehenden Volumenveränderungen schon durch das Warmaushärten vorweggenommen, entstehen also nicht erst im Betrieb des Verbrennungsmotors.

Der Erfindungsgemäße Zylinderkopf kann außerdem die Nachteile einer kompletten T7 Behandlung des gesamten Zylinderkopfs vermeiden. Dabei entstünde nämlich eine Zylinderkopf, welcher auch außerhalb der Brennraumbereiche relativ weich wird, sodass die Zylinderkopfdichtung zum Kurbelgehäuse sich über die Zeit in den Zylinderkopf eingraben kann. Dies führt zu undichten Zylinderköpfen und Schäden am Motor.

Gemäß der Erfindung sind diese Brennraumbereiche also entsprechend den spezifischen thermischen und mechanischen Anforderungen adaptiv angepasst und unterschiedlich gegenüber dem Rest des Zylinderkopfes wärmebehandelt. Durch die adaptiv angepasste spezifische Wärmebehandlung der Brennraumbereiche können in dem einteiligen Gussteil des Zylinderkopfes die äußeren Bereiche mit hohen Festigkeitswerten gegenüber einer mechanischen Beanspruchung, wie zum Beispiel durch die angedrückte Zylinderkopfdichtung, entsprechend hoch gewählt werden, sodass über eine lange Betriebsdauer ein Eingraben oder Beschädigen vermieden wird. Die Brennraumbereiche des Zylinderkopfes hingegen können mit entsprechend geringeren Festigkeitswerten, jedoch einer hohen Duktilität (plastischen Verformbarkeit) spezifisch in ihrem Materialgefüge ausgebildet sein. Die hohen Betriebstemperaturen insbesondere in modernen Dieselmotoren, welche in der Größenordnung von i.d.R. mehr als 240°C liegen, führen daher bei dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf zu keinen Materialspannungen und/oder Rissen. Die Dauerbelastbarkeit des Zylinderkopfes ist gegenüber herkömmlichen Zylinderköpfen aus Aluminiumguss erhöht.

Die dabei eingesetzte T7-Wärmebehandlung führt in den Brennraumbereichen zu einer hohen Bruchzähigkeit und damit einer optimierten Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Ermüdungsrissen. Dies ist insbesondere in den relativ dünnen und kerbwirkenden Brennsteggeometrien des Zylinderkopfes, wie den Brennstegfasen, den Fräsriefen vom mechanischen Bearbeiten der Zylinder und den Bohrungen für die Glühstifte oder Glühkerze usw. von Vorteil. Außerdem werden Druck- und Zugeigenspannungen in dem Materialgefüge durch den Motorbetrieb hierdurch vermieden. Eine lokale unterschiedliche Erwärmung der verschiedenen Bereiche des Zylinderkopfes im Motorbetrieb hat keinen schädigenden Einfluss auf den gesamten Zylinderkopf.

Nach einem vorteilhaften Aspekt sind die Brennraumbereiche entsprechend einer Betriebstemperatur des Motors bzw. der Brennräume, insbesondere auf einer Temperatur > 240°C, wärme behandelt. Eine thermische Vorschädigung aufgrund unterschiedlicher Wärmebehandlung in verschiedenen Bereichen des Zylinderkopfes wird vermieden. Das Auftreten von Ermüdungsrissen und Gefügespannungen ist auch im Betrieb des Motors weitestgehend vermieden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vergütung von gegossenen Zylinderköpfen von Verbrennungsmotoren, wie zum Beispiel Diesel- oder Ottomotoren, wird der Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung oder aus einem Aluminiumguss nach dem Gießen wärmebehandelt, wobei er in unterschiedlichen Bereichen entsprechend den thermischen und mechanischen Anforderungen dieser Bereiche adaptiv angepasst unterschiedlich wärmebehandelt wird gegenüber den restlichen Bereichen des Zylinderkopfes. Auf diese Weise sind die Brennraumbereiche des gegossenen Zylinderkopfes, welche auf einen höheren Zustand wärmebehandelt sind, optimiert wärmebehandelt, ohne dass der Rest des Zylinderkopfes eine unzureichende Festigkeit aufweist. Die thermischen und mechanischen Anforderungen dieser Brennraumbereiche sind gegenüber den Anforderungen des restlichen Zylinderkopfes eine relativ hohe Zähigkeit des Werkstoffes, wohingegen die Festigkeit, wie die Zugfestigkeit und die Dehngrenze des Materials, weniger hoch sein müssen. Die Duktilität der Brennraumbereiche kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren relativ hoch sein, wohingegen die Festigkeit des Materials sich in mittleren Bereichen abspielt.

Dennoch kann der gesamte Rest des Zylinderkopfes (Nicht-Brennraumbereiche), insbesondere die Bodenplatte und die äußeren Seitenbereiche sowie die Auflagefläche für die Zylinderkopfdichtung, an der Oberseite mit einem unterschiedlichen Wärmebehandlungs- bzw. Vergütungsverfahren hergestellt werden, sodass diese weniger duktil sind, jedoch eine dort notwendige höhere Festigkeit aufweisen. Ein Eingraben einer Zylinderkopfdichtung aufgrund einer zu niedrigen Festigkeit des Materials wird somit effektiv vermieden. Die Belastungsgrenzen und die Widerstandsfähigkeit gegen Risse oder Ermüdungs erscheinungen des Zylinderkopfes wird erheblich reduziert. Die hohen Festigkeits- und Härtewerte in den Brennraumbereichen werden lediglich direkt in diesen Bereichen erfindungsgemäß hergestellt, sodass eine angepasste bzw. adaptive Einstellung von thermischen und mechanischen Festigkeits- und Materialeigenschaften je nach Bereich ermöglicht wird. Die Wärmebehandlung zur Aushärtung des gegossenen Zylinderkopfes ist unterschiedlich entsprechend den jeweiligen Anforderungen in den Bereichen und vermeidet so aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen und/oder Gefügeveränderungen eine Beschädigung des Zylinderkopfes. Die Festigkeiten und/oder die plastische Verformbarkeit des Materials wird an unterschiedlichen Bereichen jeweils entsprechend den Anforderungen optimiert.

Im einzelnen weist die Wärmebehandlung dabei die Schritte eines Lösungsglühens, eines Abschreckens und eines Warmaushärtens, wobei die Brennraumbereiche des Zylinderkopfes beim Warmaushärten lokal mit einer höheren Temperatur als der Rest des Zylinderkopfes behandelt werden, auf. Hierdurch können die Brennraumbereiche in den für sie optimalen Zustand einer thermischen Überalterung gebracht werden, in welchem die Festigkeitswerte reduziert sind, jedoch die Zähigkeit des Werkstoffes des Zylinderkopfes ansteigt (T7-Zustand). Die höhere Temperatur für die lokalen Bereiche der Brennräume und ihrer unmittelbaren Umgebung kann hierbei durch jedes geeignete Mittel, wie zum Beispiel eine zusätzliche Wärmequelle oder dergleichen, realisiert werden. Insbesondere kann eine höhere Temperatur beim Warmaushärten der gegossenen Zylinderköpfe durch lokale, zusätzliche Wärmequellen, wie zum Beispiel Gasbrenner oder dergleichen, realisiert werden. Die herkömmliche Warmaushärtung von Zylinderköpfen insgesamt, welche bei relativ niedrigen Bereichen in der Regel zwischen 160 und 220°C erfolgt, wird parallel und/oder vorher zu der erfindungsgemäßen zweiten Stufe eines lokalen Warmaushärtens der Brennraumbereiche ausgeführt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Wärmebehandeln in zwei Stufen ausgeführt mit einer zweiten Stufe, in welcher die Brennraumbereiche des Zylinderkopfes lokal und direkt im Anschluss an die erste Stufe bei einer höheren Temperatur wärmebehandelt werden. Die Temperatur der zweiten Stufe für die lokale Wärmebehandlung der Brennraumbereiche ist erhöht gegenüber der Temperatur der ersten Stufe für den gesamten Zylinderkopf. Die lokale Temperaturerhöhung kann über jedes geeignete Mittel erfolgen, mit welchem unterschiedliche Temperaturen in unterschiedlichen Bereichen des Zylinderkopfes realisierbar sind. Die Brennraumbereiche können auf diese Weise mit besonderen Werkstoff- bzw. Gefügeeigenschaften ausgestattet werden, ohne dass Nachteile für die Festigkeit des gesamten Zylinderkopfes entstehen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die zusätzliche bzw. unterschiedliche Wärmebehandlung der Brennraumbereiche des Zylinderkopfes durch zusätzliche, lokale Wärmeeinbringung in den Brennraumbereichen beim Warmaushärten durchgeführt. Die zusätzliche Wärmeeinbringung kann gemäß einem vorteilhaften Aspekt durch einen Laser, einen Brenner oder durch hochfrequente Induktionsenergie auf elektronische Weise erfolgen. Die Wärmeeinbringung erfolgt hierbei jeweils durch entsprechend der Brennraumanzahl vorgesehenen Einrichtungen, mittels welchen eine lokale Wärmeerhöhung ermöglicht wird. Selbstverständlich sind die Übergänge zu den Brennraumbereichen und dem Rest des Zylinderkopfes hierbei im Wesentlichen fließend, und es kann keine genaue Grenzenziehung im geometrischen Sinne erfolgen. Wesentlich für die Erfindung ist hierbei, dass die Brennraumbereiche, das heißt die Brennstege, die Zylinderbohrungen und die unmittelbar an die Brennräume angrenzenden inneren Bereiche des Materials des Zylinderkopfes, anders wärmebehandelt werden als der Rest, insbesondere die Außenseite und die Zylinderkopfplatte. Durch das Vorsehen einer Wärmeeinbringung mittels eines Lasers, eines Brenners oder einer hochfrequen ten Induktionsenergie können auf relativ einfache Weise die Bereiche der Brennräume verschieden wärmebehandelt bzw. warmausgehärtet werden gegenüber dem Rest des Zylinderkopfes, ohne dass der Zylinderkopf in mehreren Teilen oder unterschiedlichen Modulen ausgebildet sein muss.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die unterschiedliche Wärmeeinbringung in den Brennraumbereichen durch Kühlung der Restbereiche des Zylinderkopfes mit Ausnahme der Brennraumbereiche selbst durchgeführt Durch äußere Kühlung beispielsweise mittels eines Kühlwassers oder eines Kühlfluids, welches die Außenseite und die Unterseite des Zylinderkopfes umströmt, kann bei einer gleichbleibenden Wärmequelle und Wärmeeinbringung die unterschiedliche Wärmebehandlung der Brennraumbereiche gegenüber dem Rest des Zylinderkopfes erreicht werden. Dadurch sind keine zusätzlichen Vorkehrungen bzw. Einrichtungen erforderlich, mittels welchen die spezifische Warmaushärtung in den Brennraumbereichen realisiert wird. Mit einer herkömmlichen, dem Fachmann bekannten Vorrichtung einer Wärmebehandlung kann die erfindungsgemäße spezifische Wärmebehandlung daher an ein und demselben einstückigen Zylinderkopf durchgeführt werden.

Durch die Wärmeeinbringung mittels eines Lasers, eines gasbeheizten Brenners oder auf induktivem Wege lassen sich in relativ kurzen Zeiten hohe Temperaturen erzeugen, sodass relativ kurze und zudem reproduzierbare Wärmeaushärtezeiten an dem Zylinderkopf realisierbar sind.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Wärmeeinbringung in den Brennraumbereichen gepulst durchgeführt und direkt am Ende einer ersten, konventionellen Warmaushärtung des Zylinderkopfes. Durch das gepulste Warmaushärten bzw. den Energieeintrag wird vermieden, dass die Brennstege in ihrer Wärmeausdehnung behindert werden und es zu Ermüdungsrissen aufgrund einer thermischen Vorschädigung kommt. Die lokale Überhitzung in den Brennräumen wird ver mieden, sodass sich keine zu hohen Temperaturdifferenzen zwischen den umgebenden, kälteren Bereichen einstellen.

Die zusätzliche Wärmeeinbringung in den Brennraumbereichen kann alternativ auch während der konventionellen Warmaushärtung des Zylinderkopfes erfolgen. Wesentlich für die Erfindung ist lediglich, dass kein zu großer Abstand zwischen einem konventionellen Warmaushärten und einem zusätzlichen spezifischen und lokalen Aushärten der Brennraumbereiche besteht, da sonst die Temperaturdifferenz zwischen den ausgehärteten Brennraumbereichen und den äußeren Zylinderkopfrandzonen zu hoch ist. Letzteres kann zu Spannungen und somit Rissen in dem Gefüge führen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in einer ersten Stufe der Zylinderkopf einer Warmaushärtung ausgesetzt bei einer Temperatur zwischen 160 bis 220°C zum Erzeugen eines T6- oder T7-Zustands, und anschließend wird in einer zweiten Stufe ein Warmaushärten auf einen höheren Zustand, insbesondere einen T7-Zustand, lediglich lokal in den Brennraumbereichen durchgeführt. Die zweite Stufe des Warmaushärtens wird vorzugsweise auf einer Temperatur durchgeführt, welche mindestens gleich zu der späteren Betriebstemperatur der Brennräume ist. Hierdurch können dauerfeste und hochbelastbare Zylinderköpfe auf kostengünstige Weise durch eine einfache, mehrstufige Wärmebehandlung hergestellt werden. Die verschiedenen Bereiche des Zylinderkopfes können adaptiv auf ihre jeweiligen Anforderungen hin optimiert wärmebehandelt werden, ohne dass der Herstellungsprozess verkompliziert oder in seiner Dauer wesentlich verlängert wird. Die zweistufige Warmaushärtung kann vorteilhafterweise parallel erfolgen oder alternativ direkt im Anschluss zueinander. Es lassen sich relativ leichte und dennoch hochbelastbare Zylinderköpfe aus Aluminiumlegierungen herstellen, und die Gefahr von Rissbildungen oder materialinduzierten Schwachstellen wird reduziert.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden detaillierten Beschreibung zu entnehmen, in welcher die Erfindung mehr im Detail in Bezug auf die in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben wird.

In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Schrägansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vergütung von Zylinderköpfen mit induktiver Wärmeeinbringung;
2 eine schematische Schrägansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vergütung von Zylinderköpfen mit Wärmeeinbringung mittels Gasbrennern;
3 eine schematische Schrägansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vergütung von Zylinderköpfen mit Wärmeeinbringung mittels Laser;
4 eine schematische Schrägansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vergütung von Zylinderköpfen mit äußerer Wasserkühlung;
5 eine schematische Schrägansicht eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vergütung von Zylinderköpfen mit Wärmedämmung der Brennräume beim Abschrecken.
In 1 ist in einer schematischen Schrägansicht ein erstes Ausführungsbeispiel für die Vergütung durch Wärmebehandlung eines Zylinderkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Zylinderkopf 1 weist Brennraumbereiche 3 auf, welche durch die Brennräume selbst und die Brennstege 7 sowie die unmittelbare Umgebung der Zylinder 5 gebildet werden. Der Zylinderkopf 1 weist weiter eine Bodenplatte 4 auf und einen äußeren Bereich 2, im Folgenden auch bezeichnet als Nicht-Brennraumbereich. Selbstverständlich sind die Übergänge zwischen dem Brennraumbereich 3 und dem Nichtbrennraum-Bereich 2 keine geradlinig und abrupt voneinander abgegrenzten Abschnitte des Zylinderkopfes 1, sondern es werden sich in der Praxis fließende Übergänge zwischen den Brennraumbereichen 3 und dem äußeren Bereich 2 ergeben.
Der gegossene Zylinderkopf 1 besteht vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, wie zum Beispiel AlSi7Mg, AlSi10Mg, Al-Si6Cu4, AlSi9Cu3 etc. Der Zylinderkopf 1 wird nach dem Gießen wärmebehandelt und erfindungsgemäß in unterschiedlichen Bereichen adaptiv angepasst unterschiedlich wärmebehandelt. Der Brennraumbereich 3 des Zylinderkopfes wird durch die Induktionseinrichtung 10 über eine der Anzahl der Zylinder 6 entsprechenden Anzahl von Induktoren 10 bei der eigentlichen Wärmebehandlung zusätzlich mit Wärmeenergie versorgt. Die Induktoren 10 können hierfür in die jeweiligen Brennräume 6 der Zylinder 5 eingefahren werden. Die zusätzliche Wärmebehandlung der Brennraumbereiche 3 mit den Induktoren 10 erfolgt vorzugsweise direkt anschließend an eine konventionelle Wärmebehandlung bzw. Warmaushärtung des Zylinderkopfes 1 oder zeitgleich zu dieser. Die konventionelle Vergütung des gesamten Zylinderkopfes 1 erfolgt mit den Verfahrensschritten eines Lösungsglühens, insbesondere oberhalb von 470°C. Danach wird der Zylinderkopf 1 in einem Wasserbad abgeschreckt, und der lösungsgeglühte Zustand wird metastabil bei Raumtemperatur eingefroren. Anschließend wird der Zylinderkopf 1 oberhalb einer Temperatur von vorzugsweise 160°C warmausgehärtet, beispielsweise in einem (nicht dargestellten) Ofen. Hierdurch erreicht man einen Materialzustand, der auch bezeichnet wird als T6-Zustand, in welchem die Festigkeitswerte entsprechend einer optimalen Aushärtungstemperatur über eine optimale Zeit maximal sind, bei einer möglichst geringen Werkstoffzähigkeit.
Diese bekannte Vergütung wird gemäß der vorliegenden Erfindung überlagert bzw. ergänzt durch ein bereichsweises spezifisches Wärmebehandeln bzw. Warmaushärten in den Brennraumbereichen 3. Letztere werden beispielsweise durch den in 1 dargestellten induktiven Wärmeeintrag über Induktionsspulen und hochfrequenten Wechselstrom, welcher Wirbelströme erzeugen lässt, über den sogenannten T6-Zustand hinaus weiter wärmebehandelt. Die Brennraumbereiche 3 werden so auf einen T7-Zustand gebracht, in welchem der Aluminiumwerkstoff bzw. die Aluminiumlegierung thermisch überaltert und die Zähigkeit angestiegen ist, wohingegen die Festigkeitswerte gegenüber dem T6-Zustand wieder abgefallen sind. Hierdurch werden unterschiedliche, entsprechend den thermischen und mechanischen Anforderungen angepasste Wärmebehandlungen in den Brennraumbereichen 3 und den äußeren Bereichen 2 des Zylinderkopfes 1 realisiert. Die äußere Festigkeit des Zylinderkopfes 1 ist insbesondere bei aluminiumbasierten Zylinderköpfen erforderlich, damit im Betrieb eines Motors sich eine Zylinderkopfdichtung nicht in das Material eingräbt und es zu Undichtigkeiten am Motor zwischen dem Kurbelgehäuse und dem Zylinderkopf 1 kommen kann.
2 zeigt eine schematische Schrägansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vergütung eines Zylinderkopfes. Im Unterschied zu dem zuvorigen Ausführungsbeispiel der 1 wird die Wärmeeinbringung in den Brennraumbereich 3 zur unterschiedlichen Wärmebehandlung verschiedener Bereiche des Zylinderkopfes 1 hier mittels eines Gasbrenners 8 durchgeführt, welcher eine der Anzahl von Zylindern 5 entsprechende Anzahl von Brenndüsen 15 aufweist, die in die Brennräume 6 einführbar sind. Die Warmaushärtung erfolgt hier in den Brennraumbereichen 3 über die Brennerflammen des vorzugsweise Gasbrenners 8, die in Richtung zu den Brennräumen 6 des Zylinderkopfes 1 weisen. Durch die zusätzliche Wärmeeinbringung mittels des Gasbrenners 8 wird in den Brennraumbereichen 3, das heißt der unmittelbaren Umgebung der Zylinder 5 und der Brennraumstege 7, das Material des einstückig gegossenen Zylinderkopfes 1 spezifisch und angepasst wärmebehandelt und auf einen vorzugsweise T7-Zustand gebracht. Der Zylinderkopf 1 ist außerhalb dieser Brennraumbereiche 3, das heißt in den Restbereichen 2 und vor allem an der Außenseite und der Dichtfläche der Zylinderkopfdichtung (nicht gezeigt), einer konventionellen Wärmebehandlung unterzogen. Vorzugsweise ist die letztere eine Wärmebehandlung bzw. ein Warmaushärten über eine Zeitdauer und bei einer Temperatur, die zu einem T6-Zustand führt (entspricht einer mittelgroßen Ausscheidung von aussscheidungshärtenden Phasen der Legierungselemente).
Eine weitere alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vergütung von Zylinderköpfen aus gegossenem Aluminium ist in einer schematischen Schrägansicht in 3 gezeigt. Anstatt eines Gasbrenners oder eines induktiven Wärmeeintrages wie bei den zuvorigen Ausführungsbeispielen wird bei diesem Ausführungsbeispiel eine Lasereinrichtung 9 verwendet, mittels welcher gezielt in die Brennraumbereiche 3 des Zylinderkopfes 1 ein zusätzliches Warmaushärten durchgeführt wird. Die Lasereinrichtung 9 weist wie zuvor eine den Zylindern 5 entsprechende Anzahl von Laserstrahlen auf, im vorliegenden Fall vier. Mittels der Laser kann in den Brennräumen 6 der Zylinder 5 eine lokale Wärmeeinbringung durchgeführt werden. Die Wärmeeinbringung dient einem zusätzlichen Warmaushärten dieser Brennraumbereiche 3 gegenüber dem Rest 2 und insbesondere der Außenseite des Zylinderkopfes 1. Die Bodenplatte 4 und die äußeren Bereiche 2 des Zylinderkopfes 1, welche sich um die Brennraumbereiche 3 herum befinden, werden lediglich in einer konventionellen Warmaushärtung bearbeitet, das heißt vorzugsweise einer T7-Warmaushärtung mit den jeweiligen, dem Material entsprechenden Zeiten und Temperaturen.
Die Variabilität der Eigenschaften innerhalb des gegossenen Zylinderkopfes 1 kann vorteilhafterweise adaptiv auf jeweilige Beanspruchungsformen angepasst werden. Wie bei den zuvorigen Ausführungsbeispielen der 2 und 1 erlaubt die erfindungsgemäße, spezifische mehrstufige Wärmebehandlung, einen stabilen duktilen Zustand in den Brennraumbereichen 3 zu realisieren bei gleichzeitigem hochfesten Materialzustand und erhöhtem Verschleißwiderstand in den restlichen Bereichen. Hierdurch können dauerfeste und hochbelastbare Zylinderköpfe 1 auf kostengünstige Weise durch eine einfache mehrstufige Wärmebehandlung hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Vergütung von gegossenen Zylinderköpfen aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen beinhaltet keine potenziellen Schwachstellen in der Produktion, wie zum Beispiel unterschiedliche Werkstoffe, Schweißnähte, Beschichtungen oder dergleichen. Die Vergütung ist für die Serienherstellung ausreichend reproduzierbar.
In der 4 ist eine alternative Ausführungsform eines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Schrägansicht schematisch dargestellt. Hier wird der Zylinderkopf 1 durch eine zusätzliche Kühlung mittels Kühlwasser 16 in einer Kühlwanne 14 von außen gekühlt während des Einbringens einer Wärme über Induktoren 10 in den Brennraumbereichen 3. Die zusätzliche Kühlung insbesondere der Bodenplatte 4 und des äußeren Bereichs 2 des Zylinderkopfes 1 ermöglicht eine zusätzliche Wärmeeinbringung über die Induktoren 10, ohne dass der Wärmeaushärtzustand am äußeren Bereich 2 des Zylinderkopfes 1 verändert wird. Das Kühlwasser 16 wird vorzugsweise mit einer Temperatur von 20°C eingeführt.
Alternativ hierzu zeigt die 5 eine Ausführungsform, bei welcher anstatt einer äußeren Kühlung mittels Kühlwasser die Brennraumbereiche 3 über ein Wärmedämmmaterial 11 länger auf einer höheren Temperatur gehalten werden als der Rest des Zylinderkopfes 1. Dies wird erreicht, indem die Wärmedämmung 11 in die Zylinder 5 bzw. die Brennräume 6 eingesteckt wird während des Schritts eines Abschreckens, da hierdurch die Temperaturabnahme in diesen Bereichen verringert wird. Beispielsweise wird das Warmaushärten bei einer Temperatur von 160 bis 220°C über zwei bis sechs Stunden durchgeführt mit einem anschließenden Abschrecken mit der Wärmedämmung 11 in den Brennraumbereichen.
Alle zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens einer Wärmebehandlung mit adaptiven Eigenschaften in unterschiedlichen Bereichen des Zylinderkopfes 1 weisen die Prozessschritte eines Lösungsglühens auf bei Temperaturen insbesondere oberhalb von 470°C, eines anschließenden Abschreckens des gesamten Zylinderkopfes und einer lokalen Aushärtung oder Abschreckung in den Brennraumbereichen 3, die unterschiedlich und spezifisch ist gegenüber dem Rest des Zylinderkopfes 1. Der gesamte Zylinderkopf 1 wird ebenfalls warmausgehärtet mit den herkömmlich bekannten Verfahren. Die Schritte eines spezifischen und lokalen Aushärtens mit zusätzlicher Wärmeeinbringung und/oder Kühlung oder Wärmedämmung können hierbei vor der Aushärtung des gesamten Zylinderkopfes oder anschließend zu dieser erfolgen.
Sämtliche in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen sowie in der Zeichnung dargestellten Merkmale und Elemente können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Zylinderkopf (1) für einen Verbrennungsmotor, aus einer warmausgehärteten Aluminiumlegierung, mit einer Mehrzahl von Brennräume (6) ausbildenden Zylindern (5), mit einer Bodenplatte (4) und mit Brennstegen (7), wobei die Brennräume (6) und die Brennstege (7) mit ihrer unmittelbaren Umgebung Brennraumbereiche (3) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumbereiche (3) lokal begrenzt einen höheren Zustand der Warmaushärtung als die restlichen Bereiche (2) aufweisen.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumbereiche (3) auf einen T7-Zustand wärmebehandelt sind.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumbereiche (3) mindestens entsprechend einer Betriebstemperatur der Brennräume (6) des Verbrennungsmotors zusätzlich wärmebehandelt sind gegenüber den Nicht-Brennraumbereichen (2).
Verfahren zur Vergütung von gegossenen Zylinderköpfen (1) für Verbrennungsmotoren, wobei die Zylinderköpfe (1) aus einem Aluminiumguss oder einer Aluminiumgusslegierung bestehen und der Zylinderkopf (1) Brennraumbereiche (3) und Nicht-Brennraumbereiche (2) aufweist, wobei der Zylinderkopf (1) nach dem Gießen wärmebehandelt wird und die Wärmebehandlung des Zylinderkopfes (1) die Schritte aufweist: Lösungsglühen, Abschrecken und Warmaushärten, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumbereiche (3) beim Warmaushärten zusätzlich lokal mit einer höheren Temperatur und/oder längeren Zeit als der restliche Bereich (2) des Zylinderkopfes (1) behandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in zwei Stufen ausgeführt wird mit einer zweiten Stufe, in welcher die Brennraumbereiche (3) lokal und direkt im Anschluss an die erste Stufe bei erhöhter Temperatur wärmebehandelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche Wärmebehandlung durch zusätzliche, lokale Wärmeeinbringung in den Brennraumbereichen (3) beim Warmaushärten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche Wärmebehandlung durch Wärmedämmung (11) der Brennraumbereiche (3) beim Abschrecken erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche Wärmebehandlung durch Kühlung der Nicht-Brennraumbereiche (2) des Zylinderkopfes (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine äußere Wasserkühlung von mindestens einer Bodenplatte (4) des Zylinderkopfes (1) während des Warmaushärtens.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass lokal in den Brennraumbereichen (3) zusätzlich warmausgehärtet wird gegenüber dem Rest des Zylinderkopfes (1) durch Wärmeeinbringung mittels eines Brenners (8), eines Lasers (9) oder hochfrequenter Induktionsenergie (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Wärmeeinbringung gepulst und direkt am Ende einer ersten, konventionellen Warmaushärtung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Wärmeeinbringung während eines konventionellen Warmaushärtens des Zylinderkopfes (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Stufe eines Warmaushärtens des gesamten Zylinderkopfes (1) bei einer Temperatur zwischen 160 bis 220°C auf einen T6- oder einen T7-Zustand erfolgt und dass in einer zweiten Stufe ein Warmaushärten auf einen höheren Zustand lediglich lokal in den Brennraumbereichen (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmaushärten der Brennraumbereiche (3) bei einer Aushärttemperatur von mindestens gleich zu der Betriebstemperatur der Brennräume (6) des Verbrennungsmotors durchgeführt wird.