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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Erfindung betrifft Aluminiumlegierungen, die in bearbeitbare und verschleißbeständige Objekte, wie beispielsweise Motorzylinderblöcke für Kraftfahrzeuge gegossen werden können.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Verwendung von Aluminium für Kraftfahrzeugmotorblöcke bietet die Möglichkeit für erhebliche Gewichteinsparungen in Fahrzeugen und für Verbesserungen bei der Kraftstoffwirtschaftlichkeit. Jedoch ist nach mehreren Jahrzehnten von Versuchen bisher keine Aluminiumlegierung entwickelt oder identifiziert worden, die die erforderliche Kombination aus Gieß-, Bearbeitbarkeits- und Verschleißbeständigkeitseigenschaften für die Zylinderblockherstellung und die Zylinderblockwartung vorsieht. Aluminiumlegierungen, die eine Beständigkeit gegenüber einem Kolbenverschleiß vorgesehen haben, sind schwierig in die kompliziert geformten Formen der Zylinderblöcke zu gießen gewesen und sind schwierig maschinell in die erforderlichen Endabmessungen zu bearbeiten gewesen. Aluminiumlegierungen, die geeignet gegossen und maschinell bearbeitet werden können, um Zylinderblöcke herzustellen, besaßen im Betrieb eine nur mangelhafte Verschleißbeständigkeit der Zylinderwände. Motorenhersteller haben daher zunehmend gießbare und maschinell bearbeitbare Legierungen gewählt und die Oberflächen der Zylinderwände modifiziert, um die notwendige Verschleißbeständigkeit zu erhalten.
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Somit erfordern, wenn derzeitige Zylinderblöcke aus Legierungen, wie beispielsweise Aluminium Alloy 319 oder AA 356 gegossen werden, diese Zylinderauskleidungen (Gusseisen, Matrixmetallverbund, AA 390) oder eine Oberflächenbehandlung (Plattieren, Beschichten), um im Betrieb eine Verschleißbeständigkeit vorzusehen. Gusseisenauskleidungen sind wie Kerne in die Gussform zum Einschluss in den Blöcken angeordnet oder in die maschinell bearbeiteten Zylinderbohrungen eingesetzt worden. Es sind auch andere verschleißbeständige Auskleidungszusammensetzungen verwendet worden. Als eine Alternative zu Zylinderauskleidungen sind verschleißbeständige Beschichtungen an die Zylinderwände des gegossenen und maschinell bearbeiteten Blockes aufgebracht worden. Jede dieser Modifikationen an dem Block steigert die Kosten des Produkts.
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Daher besteht nach wie vor ein Bedarf nach einer Aluminiumlegierung, die alle obigen Eigenschaften für die Zylinderblockherstellung und Verschleißeigenschaften vorsieht. Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein derartiges Material vorzusehen.
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Die Anforderungen für eine Aluminiumlegierung, die für die Serienfertigung eines Vollaluminiumzylinderblockes für einen Kraftfahrzeugmotor bestimmt ist, sind sehr anspruchsvoll. Eine derartige Legierung muss gleichzeitig vorsehen: eine ausreichende Festigkeit gegenüber einem Kolben/Ring-Abrieb an den Zylinderwänden, eine angemessene Festigkeit und Steifigkeit in dem Trennwandbereich; eine Druckdichtheit zwischen Öl/Wasser/Verbrennungsdurchgängen; eine Festigkeit gegenüber erhöhten Temperaturen, um ein Schraubendrehmoment bei gemäßigten und zyklischen Motorbetriebstemperaturen beizubehalten; und eine Abmessungsstabilität. Ferner muss die Legierung eine ausreichende Fluidität in dem geschmolzenen Zustand für das Gießen einer kompliziert geformten Form durch ein Gussverfahren nach Wahl aufweisen und muss maschinell auf enge Toleranzen bearbeitbar sein. Die Legierung darf nur eine minimale spezialisierte Ausstattung oder Verarbeitung erfordern und minimale Effekte bei Betriebsabläufen nach einem Gießen besitzen, wie beispielsweise Wärmebehandlung, maschinelle Bearbeitung und Montage. Sie muss gegenüber kleinen Variationen in der Bearbeitung unempfindlich sein. Schließlich sollten die Langzeitauswirkungen des Gebrauchs, wie beispielsweise Abmessungsstabilität, Korrosion, Kriechen und schließlich Recycling, neutral bleiben oder verbessert werden. Die Aluminiumlegierung dieser Erfindung sieht diese Eigenschaften und Vorteile vor.
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Aus der
DE 697 04 797 T2 ist eine Aluminiumlegierung bekannt, welche für Komponenten eingesetzt werden kann, die bei ihrem Betrieb einer Temperatur von weniger als 150°C ausgesetzt sind, welche 11 bis 13,5 Gew.-% Si, 0,5 bis 2 Gew.-% Mg, nicht mehr als 1 Gew.-% Fe, nicht mehr als 0,35 Gew.-% Cu, nicht mehr als 0,1 Gew.-% Zr, 0,02 bis 0,1 Gew.-% Sr, andere Bestandteile sowie Rest Aluminium enthält.
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In der
DE 37 24 928 A1 wird eine zur Verwendung von Leichtmetallgußrädern geeignete Aluminiumlegierung beschrieben, welche u. a. 9,5 bis 12,5 Gew.-% Si, 0,001 bis 0,4 Gew.-% Mg, maximal 0,5 Gew.-% Fe, maximal 0,4 Gew.-% Mn, maximal 0,05 Gew.-% Cu, andere Legierungsbestandteile und Rest Aluminium enthält.
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Aus der
EP 0 997 550 A1 ist eine zur Herstellung von Strukturbauteilen im Automobilbau einsetzbare Aluminiumlegierung bekannt, welche 9,5 bis 11,5 Gew.-% Si, 0,3 bis 0,6 Gew.-% Mn, 0,15 bis 0,35 Gew.-% Fe, 0,1 bis 0,4 Gew.-% Mg, maximal 0,1 Gew.-% Ti, 90 bis 180 ppm Sr, ggf. weitere Legierungsbestandteile und Rest Aluminium enthält.
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Die Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung besteht im Wesentlichen aus 11,25 bis 11,75 Gew.-% Silizium, mehr als 0,35 bis 0,65 Gew.-% Eisen, 1,75 bis 2,75 Gew.-% Kupfer, 0,42 bis 1,2 Gew.-% Mangan, 0,15 bis 0,3 Gew.-% Magnesium, maximal 0,5 Gew.-% Zink, einer Spur von Nickel, maximal 0,2 Gew.-% Titan, 0,01 Gew.-% bis 0,03 Gew.-% Strontium und als Rest Aluminium, wobei das Gewichtsverhältnis von Mangan zu Eisen zumindest 1,2 bis 1,75 beträgt.
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Ein wichtiges Merkmal der Zusammensetzung ist das Verhältnis des Mangangehalts zu dem Eisengehalt. Eisen ist gewöhnlich in Aluminiumlegierungen vorhanden. Es ist ein Fremdelement, das in Aluminium enthalten ist, das aus Bauxit hergestellt wird, welches oftmals Eisen(III)oxid enthält. Aluminiumlegierungen, die weniger als 0,4 Gew.-% Eisen enthalten, können einen Premiumpreis erzielen. Wenn der Eisengehalt der Legierung gleich oder größer als 0,4 Gew.-% ist, ist es nötig, dass das Gewichtsverhältnis von Mangan zu Eisen im Bereich von 1,2 bis 1,75 und bevorzugt im Bereich von 1,2 bis 1,5 liegt.
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Für die meisten Gießverfahren ist es bevorzugt, dass der Eisengehalt 0,8 Gew.-% der Legierung nicht überschreitet. Jedoch kann beim Druckguss der Eisengehalt in der Höhe von 1,5 Gew.-% liegen, um zu verhindern, dass das Gussmetall an der Metalloberfläche der Druckgießform kleben bleibt.
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Kupfer und Nickel sind ebenfalls Elemente, die den Mangangehalt der Legierung beeinflussen. Nickel ist kein notwendiger Bestandteil der Legierung. Es ist oftmals in verfügbaren Aluminiumlegierungen vorhanden und kann in Mengen bis zu etwa 2 Gew.-% toleriert werden. Ähnlicherweise ist Kupfer für die Legierung nicht erforderlich, dient jedoch als ein Verfestiger. Sie ist mit niedrigerem Kupfergehalt leichter ohne Porosität in den Zylinderblock zu gießen. Wenn der Kupfergehalt 1,5 Gew.-% überschreitet oder der Nickelgehalt 0,75 Gew.-% überschreitet, ist es bevorzugt, dass der Mangangehalt das zumindest 1,2- bis 1,5-fache des Eisengehaltes beträgt. Mangan wird typischerweise als eine geeignete Al-Mn-Vorlegierung zugesetzt.
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Zink ist oftmals ein Fremdelement, das in dem festgelegten Maximalwert toleriert werden kann. Titan ist oftmals ein Eintrag von Schrottaluminiumlegierungen und verringert die Korngröße, wenn es im Bereich von 0,04 bis 0,25 Gew.-% vorhanden ist. Strontium wird hinzugesetzt, um die eutektische Aluminium-Silizium-Phase zu modifizieren und damit sicherzustellen, dass sich keine primäre Siliziumphase bildet. Alternativ dazu kann diese eutektische Phase durch den Zusatz von Natrium oder Seltenerdmetallen, insbesondere Zer, Lanthan und Neodym entweder einzeln oder in Kombination modifiziert werden.
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Somit besteht die erfindungsgemäße Legierung im Wesentlichen aus Aluminium, Silizium, Eisen, Kupfer, Mangan, Magnesium und Strontium. Erfindungsgemäß besteht die Legierung im Wesentlichen aus 11,25 bis 11,75 Gew.-% Silizium, mehr als 0,35 bis 0,65 Gew.-% Eisen (kann für einen Druckgussblock höher sein), 1,75 bis 2,75 Gew.-% Kupfer, 0,42 bis 1,2 Gew.-% Mangan (das zumindest 1,2 bis 1,5-fache des Eisengehalts), 0,15 bis 0,3 Gew.-% Magnesium, maximal 0,5 Gew.-% Zink, eine Spur von Nickel, 0,01 bis 0,03 Gew.-% Strontium und als Rest Aluminium.
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Die erfindungsgemäße Legierung sieht die Fluidität einer eutektischen Aluminium-Silizium-Legierung vor. Die Legierung kann in einem Motorblock durch eines der üblichen Gussverfahren gegossen werden: Druckguss (kann einen höheren Eisengehalt erfordern), Dauerformguss, Teildauerformguss, Sandguss mit gebundenem Sand, Guss mit verlorener Form wie auch Präzisionssandguss. Wenn der Mn/Fe-Gehalt wie festgelegt gesteuert wird, ist die Zugfestigkeit des Gußmaterials in der Größenordnung von 320 MPa, was um mehr als 20% größer ist, als die Zugfestigkeit gleicher Legierungen, in denen der Gehalt von Mangan zu Eisen nicht auf diese Werte gesteuert ist. Überdies ist das Gussmaterial zum Finish des Zylinderblockes leicht maschinell bearbeitbar, und das Material ist gegenüber einem Kolben/Ring-Abrieb und anderen Quellen eines Zylinderblockverschleißes beständig.
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Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung in der bevorzugten Ausführungsform offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Seitenansicht eines Motorzylinderblocks vom V-Typ schräg von der Seite, die ein maschinell bearbeitbares und verschleißbeständiges Motorgussstück zeigt, das durch die Aluminiumlegierung dieser Erfindung herstellbar ist.
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2 ist ein Schaubild von Zugfestigkeitswerten (UTS-Werten) (MPa), die an Gussproben einer Aluminiumlegierung dieser Erfindung gemessen wurden, wobei der Mangangehalt erhöht wurde, wie durch das Mn/Fe-Gewichtsverhältnis an der Abszisse gezeigt ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die vorgeschlagene Erfindung ist eine Aluminiumlegierungszusammensetzung, die die Herstell- und Leistungsbedingungen erfüllt, die oben für Zylinderblockgussstücke beschrieben wurden. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf Zylinderblockgussstücke für benzinbetriebene Hubkolben-Verbrennungsmotoren. Die Legierung kann durch einen beliebigen herkömmlichen Gussprozess gegossen werden, um starke verschleißbeständige Motorblöcke mit geringer Porosität ohne spezielle Wärmebehandlungen oder andere spezielle Bearbeitung herzustellen.
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1 zeigt ein Zylinderblockgussstück 10 des Typs, der unter Verwendung der Aluminiumlegierung dieser Erfindung gegossen werden kann. Bei diesem Beispiel ist das Gussstück 10 ein V6-Motorblock, wobei die erfindungsgemäße Legierung auch dazu verwendet werden kann, eine beliebige Form eines Motorzylinderblockes zu gießen, der eine Verschleißbeständigkeit an den Zylinderbohrungen und anderen Flächen des Gussproduktes erfordert.
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Drei Zylinder 12, 14 und 16 eines Abzweigs 18 des V sind in dieser Ansicht des Zylinderblockgussstückes 10 erkennbar. Ein Zylinderblockgussstück aus Aluminiumlegierung erfordert eine erhebliche Bearbeitung. Beispielsweise muss eine große Anzahl von Schraubenlöchern 20, wie beispielsweise für die beiden Zylinderköpfe, die nicht gezeigt sind, gebohrt und mit Gewinde versehen werden. Die ebene Trennwandfläche 22, an der der Zylinderkopf liegt, muss maschinell bearbeitet werden. Und selbstverständlich müssen Wände (Bohrungen) der Zylinder 12, 14 und 16 maschinell bearbeitet werden. Diese sind nur einige der Bearbeitungsvorgänge, die erforderlich sind, um ein Zylinderblockgussstück für die Montage in einen Kraftfahrzeugmotor vollständig herzustellen. Durch den hohen Mangangehalt sind Aluminiumlegierungen dieser Erfindung für eine derartige Anwendung bearbeitbar.
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Wie es bekannt ist, besitzt ein Motorzylinderblock viele kompliziert geformte Teile für eine Kühlmittel- und Ölströmung, und es ist erforderlich, dass eine sehr flüssige und gießbare Legierung den Gusshohlraum während des Gießens und Verfestigens der geschmolzenen Legierung ausfüllt. Die Legierungen dieser Erfindung sind für derartige kompliziert geformte Produkte gießbar.
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Die Zylinderwände des Hubkolben-Verbrennungsmotors sind einem langfristigen Verschleiß durch die Hubbewegung des Kolbens und seiner Ringe beim Betrieb des Fahrzeugmotors ausgesetzt. Durch das hohe Verhältnis von Mangan zu Eisen sehen Aluminiumlegierungen dieser Erfindung eine gute Verschleißbeständigkeit an derartigen Oberflächen ohne den Bedarf spezieller verschleißbeständiger Auskleidungen vor.
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Herstellung der Gusslegierung
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Es wird eine gießbare Schmelze durch Schmelzen eines Aluminiumblocks mit geeigneten, auf Aluminium basierenden Vorlegierungen, wie beispielsweise Al-25Fe, Al-50Cu, Al-20Mn, Al-50Si und reinem Magnesiummetall zu einer gewünschten Zusammensetzung vorbereitet, wie in der obigen Zusammenfassung beschrieben ist. Seltenerdzusätze werden über eine Mischmetallvorlegierung oder als reine Metalle oder als Seltenerdaluminiumvorlegierungen gemacht. Derartige Zusätze können der anfänglichen Beladung zugesetzt werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass sie zugesetzt werden, nachdem die Schmelze mit einem Flussmittel behandelt und/oder entgast worden ist, wenn eine derartige Bearbeitung verwendet wird.
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Die Schmelze wird in einem geeigneten Ofen, wie beispielsweise einem kernlosen Induktionsofen, einem Widerstandsofen, einem Flammofen oder einem gasbefeuerten Tiegelofen aus Ton-Graphit oder Silizium-Carbid hergestellt. Ein Flussmittel ist nur bei verschmutzten oder schlackigen Beladematerialien erforderlich. Gewöhnlich ist keine spezielle Ofenatmosphäre erforderlich. Das Schmelzgut kann in Umgebungsluft geschmolzen werden. Nach dem Schmelzen wird die Schmelze unter Verwendung einer gängigen Aluminiumgießereipraxis entgast, wie beispielsweise einem Spülen der Schmelze mit trockenem Argon oder Stickstoff durch einen Rotationsentgaser. Der Entgasungsvorgang kann auch ein Halogengas enthalten, wie beispielsweise Chlor oder Fluor oder Halogensalze, um die Entfernung von Unreinheiten zu erleichtern. Bevorzugt wird die Schmelze in einer unbewegten Art und Weise gehandhabt, um so Turbulenzen wie auch die Aufnahme von Wasserstoffgas zu minimieren.
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Nach dem Entgasen und Reinigen wird das Metall mit Strontium oder einem Seltenerdmischmetall behandelt, um eine eutektische Siliziummodifikation zu bewirken. Das bevorzugte Verfahren besteht darin, Al-10Sr oder Al-90Sr-Vorlegierungen, die in das Metall während der letzten Stufen der Entgasung getaucht werden, zu verwenden, vorausgesetzt, dass kein Halogenmaterial verwendet ist. Das Gasniveau der Schmelze wird über eines der üblichen kommerziell erhältlichen Verfahren ermittelt, wie beispielsweise dem Test mit verringertem Druck oder einem AISCANTM-Instrument.
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Schließlich wird kurz vor dem Gießen die Schmelze unter Verwendung einer Titan-Bor-Vorlegierung mit einem typischen Zusatz von etwa 0,02 bis 0,1 Gew.-% Titan umgekörnt. Einige Anwendungen benötigen keine Kornverfeinerung.
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Eine Überhitzung der Schmelze ist von weniger als 150°F bis zu gut über 700°F erfolgreich variiert worden. Zylinderblöcke sind aus den erfindungsgemäßen Legierungen bei Schmelztemperaturen von 1170°F bis 1500°F gegossen worden. Gießschmelztemperaturen von etwa 1170°F bis 1200°F sind bevorzugt. Geringere Beträge an Überhitzung werden empfohlen, um eine Mikroporosität zu minimieren. Jedoch resultieren höhere Beträge an Überhitzung in einer Verfeinerung der intermetallischen Verbindungen in der Mikrostruktur, so dass unter bestimmten Umständen dieses Verfahren bevorzugt sein kann.
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Das Metall wird in eine geeignete Form gegossen, die durch eine einer Anzahl bekannter Formherstelltechniken hergestellt worden ist, wie beispielsweise die Herstellung von Sandformen mit gebundenem Sand, Metall- oder Dauerformen oder Modellausschmelzformen. Sandformen können Metallabschreckplatten enthalten, um eine gerichtete Verfestigung zu erleichtern oder um die Mikrostruktur in bestimmten kritischen Bereichen des Gussstückes zu verfeinern. Das Metall kann sich in der Form verfestigen, und dann wird die Form geöffnet, um das Gussstück zu entfernen. In dem Fall von Sandformen wird überschüssiger Sand von dem Gussstück durch einen Blasvorgang entfernt. Angussabschnitte des Gussstückes werden entfernt.
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Die Gussstücke können durch üblicherweise verwendete zerstörungsfreie Prüfungen, wie beispielsweise Röntgenstrahlenüberprüfung, Farbstoffeindringprüfung oder Ultraschallprüfung bewertet werden. Diese Prüfungen werden typischerweise durchgeführt, um zu bestimmen, ob das Gussstück aufgrund einer Schrumpfung bei der Verfestigung eine Porosität gebildet hat. Eine derartige Schrumpfung kann auf die Zusammensetzung der Gusslegierung und/oder auf die Form des Gussstückes zurückzuführen sein. Das Gießen von Motorblöcken mit den erfindungsgemäßen Legierungen weist typischerweise nicht die Schrumpfungsprobleme aufgrund der Zusammensetzung der Legierung auf.
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Die Motorblockgussstücke der Aluminiumlegierungen dieser Erfindung können wärmebehandelt werden, um die mechanischen Eigenschaften durch bekannte Ausscheidungshärtmechanismen für Aluminiumlegierungen zu verbessern. Beispielsweise besteht ein T5-Härtegrad aus einer künstlichen Alterung des Gussstückes bei einer Temperatur im Zwischenbereich typischerweise von 300 bis 450°F für bis zu 12 Stunden oder mehr. Anspruchsvollere Gussstückanwendungen können den Spitzenfestigkeits-T6-Härtegrad erfordern, der aus einer Lösungsbehandlung bei einer Temperatur in der Nähe von, aber kleiner als der Legierungssolidustemperatur für eine Zeitdauer besteht, die typischerweise im Bereich von 4 bis 12 Stunden liegt, kann jedoch aber abhängig von der anfänglichen Stufe der Mikrostruktur in dem Gussstück länger oder kürzer sein.
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Das Gussstück wird von der Lösungstemperatur in einem geeigneten Abschreckfluid abgeschreckt, wie beispielsweise Wasser, Öl oder Polymer oder sich schnell bewegende Luft. Eine derartige Abschreckung kühlt das wärmebehandelte Gussstück schnell durch das kritische Temperaturgebiet, gewöhnlich 850°F bis 450°F. Nach dem Kühlen bleibt das Gussstück gewöhnlich bei Raumtemperatur für 1 Stunde bis zu 24 Stunden und wird dann wieder auf eine Zwischentemperatur erhitzt, ähnlich dem T5-Härtegrad. Bei Anwendungen, bei denen eine Abmessungsstabilität von größter Wichtigkeit ist, ist der T7-Härtegrad festgelegt. Dieser ist ähnlich zu dem T6-Härtegrad, mit der Ausnahme, dass der künstliche Alterungszyklus entweder bei höheren Temperaturen oder für eine längere Zeitdauer oder beides ausgeführt wird, um einen etwas weicheren Zustand zu erreichen, jedoch mit einer größeren Abmessungsstabilität.
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Das Motorblockgussstück ist nun bereit zur Bearbeitung auf die Endabmessungen der komplizierten Blockstruktur. Eine derartige maschinelle Bearbeitung umfasst einen beträchtlichen Umfang an Bohren, Hohnen und dergleichen, um den Block für die Motormontage fertigzustellen. Somit ist eine derartige maschinelle Bearbeitbarkeit des Gussmaterials kritisch für seine Verwendung für Motorblockanwendungen. Ferner ist in dem Fall eines Gießens von Motorblöcken zu Prüf- oder Legierungsbewertungszwecken der Block nun bereit, um Prüfproben aus diesem maschinell herauszuarbeiten.
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Für die Prüfung mechanischer Eigenschaften und physikalischer Eigenschaften werden Testabschnitte geeignet aus dem Kurbelwellenlagerzapfen und aus den Kopfschraubenvorsprüngen der Zylinderblöcke geschnitten und dann zur Prüfung in die Prüfprobengeometrie bearbeitet. Andere Prüfanwendungen können eine spezielle Prüfgussstückgeometrie erfordern, wie beispielsweise Gussstücke mit gerippter Platte für die Prüfung der maschinellen Bearbeitbarkeit. Diese Gussstücke werden flach geschliffen, so dass eine Bohr- und Gewindeschneidprüfung unabhängig von dem Gussstückoberflächenzustand durchgeführt werden kann, um gerade die Wirkung der neuen Legierung auf Werkzeugverschleißraten zu bestimmen.
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Spezifische Beispiele von Motorblockgussstücken und Vergleichsbewertung von Legierungen
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Eine Serie von V8-Zylinderblöcken für benzinbetriebene Motoren mit einem Hubraum von 4,3 Litern wurde in Sandformen aus gebundenem Sand schwerkraftgegossen. Einige der Formen besaßen Abschreckblöcke, um den Abschnitt des Hohlraums zu bilden, der den Kurbelwellenlagerzapfenabschnitt des Gussstückes definiert. Die verbleibenden Oberflächen derartiger ”gekühlter” Motorblockgussstücke wurden durch die Sandabschnitte aus gebundenem Sand der Form geformt.
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Einige der Gussstücke wurden unter Verwendung einer spezifischen Zusammensetzung gegossen. Die Zusammensetzung betrug 10,7 Gew.-% Silizium, 0,37 Gew.-% Eisen, 0,72 Gew.-% Mangan, 1,0 Gew.-% Kupfer, 0,42 Gew.-% Magnesium, wobei der Rest im Wesentlichen insgesamt Aluminium war, mit der Ausnahme nebensächlicher Unreinheiten. Hierbei wichtig ist, dass das Gewichtsverhältnis von Mangan zu Eisen bei dieser Legierung 1,94 beträgt.
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Zu Zwecken des Vergleichs der Gusseigenschaften wurden die gleichen Motorblockformen auch unter Verwendung kommerzieller Legierungen AA 319 und AA 356 hartgegossen, die derzeit für derartige Motorgussstücke verwendet werden. Die AA 319-Zusammensetzung umfasste 6,5 Gew.-% Silizium, 0,8 Gew.-% Eisen, 0,5 Gew.-% Mangan, 3,5 Gew.-% Kupfer, 0,4 Gew.-% Magnesium, 3,0 Gew.-% Zink, 0,25 Gew.-% Titan und als Rest Aluminium. Die AA 356-Zusammensetzung umfasste 7,0 Gew.-% Silizium, 0,2 Gew.-% Eisen, 0,1 Gew.-% Mangan, 0,20 Gew.-% Kupfer, 0,2 Gew.-% Magnesium, 0,05 Gew.-% Zink, 0,20 Gew.-% Titan und als Rest Aluminium. Sowohl die AA 319-Legierung als auch die AA 356-Legierung wurden für das Giessen der Motorblöcke verwendet. Sie besaßen eine geeignete Fluidität für das Gießen derartig kompliziert geformter Strukturen mit den eng beabstandeten Zylindern und Kühldurchgängen. Zudem können Gussstücke dieser kommerziellen Legierungen ohne unakzeptablen Werkzeugverschleiß schnell maschinell bearbeitet werden. Jedoch sind derartige Gussstücke anfällig gegenüber einem übermäßigen Verschleiß von den Kolben und Kolbenringen, die sich in abgedichtetem Gleiteingriff in ihren Zylinderbohrungen hin- und herbewegen. Diese Eisenauskleidungen oder anderen verschleißbeständigen Auskleidungsmaterialien müssen in den Zylindern der Gussstücke der AA 319- und AA 356-Zusammensetzungen angeordnet werden. Die Herstellung und Anordnung derartiger Auskleidungen trägt wesentlich zu den Kosten der Motoren bei, die Gussblöcke dieser kommerziellen Legierungen verwenden.
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Jede Schmelze wurde mit geeigneten Praktiken für die Legierung in ihre festgelegte Zusammensetzung vorbereitet. Die Schmelze der erfindungsgemäßen Hoch-Mn/Fe-Legierung wurde bei einer Temperatur von 1200°F gehalten und behandelt. Die Gussstücke wurden gegossen und wurden abgekühlt und verfestigt. Die Gussstücke wurden aus den Sandformen entfernt und wärmebehandelt sowie auf einen T6-Härtegradzustand gealtert. Aus den Kopfschraubenvorsprungsflächen (ein ungekühltes Gebiet des Gussstückes für durchschnittliche Eigenschaften) der gegossenen Motorzylinderblöcke wurden Zug- und Ermüdungsprüfproben entnommen. Werte für die Streckgrenze (Ys) und Werte für die Zugfestigkeit (UTS) der Proben, die aus den gegossenen Blöcken der erfindungsgemäßen Legierung herausgearbeitet wurden, wurden mit Ys- und UTS-Werten verglichen, die von Motorblockgussstücken aus AA 319 und 356 erhalten wurden. Genauer zeigen die Gusslegierungen dieser Erfindung Werte der Fließgrenze, Zugfestigkeit, Fließdehnung und Dauerfestigkeit, die für Motorzylinderblockanwendungen geeignet sind. Ferner sind Motorblockgussstücke der Aluminiumlegierungszusammensetzungen dieser Erfindung geeignet für die Motorblockherstellung bearbeitbar. Die Gussstücke besitzen niedrige Porositätsgrade, typischerweise unterhalb von einem Volumenprozent. Überraschenderweise zeigen die Legierungen dieser Erfindung eine geeignete Verschleißbeständigkeit wie auch Lebensdauer beim Motorbetrieb, so dass keine separaten Zylinderauskleidungen erforderlich werden.
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Es wurden 20-stündige Hochgeschwindigkeitsprüfstandversuche (Cameron-Plint) an Teilen ausgeführt, die von hergestellten Zylinderbohrungen genommen wurden, die eine Bohrung (ohne eine Eisenauskleidung) aus einem AA 319-Zylinderblock, einem AA 319-Zylinderblock mit einer Eisenauskleidung, einem AA 319-Zylinderblock mit einer kommerziellen hypereutektischen Al-Si-Auskleidung und einem Zylinderblock der erfindungsgemäßen Hoch-Mn/Fe-Aluminiumlegierung umfassten. Ein Teil eines Produktionskolbenringes wurde unter gesteuerten Temperatur- und Schmierbedingungen in der kommerziellen Cameron-Plint-Prüfausstattung an jedem Zylinderblockteil betrieben. Die Prüfung wurde unter Hochlastbedingungen durchgeführt, um einen beschleunigten Verschleiß innerhalb der 20-stündigen Zeitdauer zu erhalten. Die Prüfung, die bei diesen Experimenten durchgeführt wurde, ist gegenüber laufenden Motoren mit verschiedenen Zylinderbohrungsmaterialien und Verschleißraten kalibriert worden. Es ist bestimmt worden, dass, wenn ein Prüfverschleißkerbvolumen kleiner als 0,5 mm3 war, ein Motor aus einem derartigen Zylinderbohrungsmaterial Motorlebensdauertests als Eignung für den kommerziellen Gebrauch hat.
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Am Ende der 20-stündigen Läufe wurden die jeweiligen Bohrungsteile analysiert, und es wurde das Verschleißvolumen in Kubikmillimeter der Einkerbung der Zylinderwände sorgfältig gemessen. Die spezifische Legierung zeigte wesentlich weniger Einkerbungsvolumen (0,25 bis 0,5 mm3) in diesen Prüfungen, als der Block aus reinem AA 319 (0,8 bis 1,3 mm3), und einen vergleichbaren Verschleiß zu den hypereutektischen Al-Si-Auskleidungen (0,28 bis 0,5 mm3). Die Motorblöcke aus der spezifischen Legierung zeigten einen geringfügig größeren Verschleiß als die Motoren mit den herkömmlichen Eisenauskleidungen (etwa 0,1 mm3). Selbstverständlich behalten die Blöcke der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung den Vorteil der Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungsbohrungen und auch den Kostenvorteil der auskleidungslosen Aluminiumlegierung.
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Gewichtsverhältnis von Mangan zu Eisen
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Ein wichtiges Merkmal dieser Erfindung ist die Steuerung des Gewichtsverhältnisses von Mangan zu Eisen in der Aluminiumlegierungszusammensetzung. Die Beachtung des Mangangehaltes ist bei den Aluminiumlegierungen dieser Erfindung aufgrund der üblichen Anwesenheit von Eisen, Kupfer und/oder Nickel wichtig. Wie oben beschrieben wurde, sind oftmals Eisen und Nickel in Aluminiumlegierungen vorhanden, und Kupfer wird oftmals als ein Verstärkungselement hinzugefügt. Allgemein ist es, wenn der Eisengehalt dieser Aluminiumlegierung 0,42 Gew.-% oder mehr beträgt, bevorzugt, dass das Mangan in die Legierung in einer Menge integriert wird, die zumindest das 1,2- bis 1,5-fache des Gewichtes des Eisens beträgt. Es sei selbstverständlich angemerkt, dass die Atomgewichte von Mangan (54,938) und Eisen (55,847) ziemlich eng beieinander liegen und somit das erforderliche Gewichtsverhältnis nahe an dem Atomverhältnis liegt. Der hohe Mangangehalt ist auch wichtig, sogar mit relativ niedrigem Eisengehalt, wenn das Nickel vorhanden ist und/oder Kupfer hinzugefügt worden ist.
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Der hohe Mangangehalt trägt zu der Festigkeit der Legierung bei. Der Mangangehalt trägt auch zu der Verschleißbeständigkeit dieser gießbaren Legierung bei, was von kritischer Wichtigkeit in den Zylinderbohrungsgebieten des Zylinderblockes ist. Es wird angenommen, dass die Häufigkeit von Manganatomen in der Legierung zu der Verfestigung und dem Härten der Mikrostruktur beiträgt.
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2 ist ein Schaubild, das den Effekt eines ansteigenden Mangangehaltes, ausgedrückt als Gewichtsverhältnis von Mangan zu Eisen, auf die Zugfestigkeit in Megapascal (UTS in MPa) einer Aluminiumlegierung zeigt, die für diese Erfindung repräsentativ ist. Der Gehalt der Legierung lag bei 11,75 Gew.-% Silizium, 0,4 Gew.-% Eisen, 2,1 Gew.-% Kupfer, 0,22 Gew.-% Magnesium, 0,03 Gew.-% Strontium und als Rest Aluminium mit Ausnahme des Mangangehaltes. Es wurde eine Serie von Gussstücken hergestellt, wobei das Mangan von einem Gewichtsverhältnis von 0,1 des Eisengehaltes auf das Zweifache des Eisengehaltes anstieg, wie durch die Datenpunkte in 1 gezeigt ist. Die Gussstücke wurden gereinigt, auf ein T6-Härtegradniveau wärmebehandelt und es wurden daraus Zugversuchsproben herausgearbeitet.
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2 ist ein Schaubbild von UTS-(MPa)-Werten, die an gegossenen Proben der Aluminiumlegierung gemessen wurden, wobei der Mangangehalt, wie durch das Mn/Fe-Gewichtsverhältnis an der Abszisse gezeigt ist, anstieg. Aus den Daten für diese beispielhafte Legierung ist zusehen, dass der UTS ansteigt, wenn der Mangangehalt ansteigt. In dem Fall dieser bestimmten Legierung und Wärmebehandlung wurde ein Maximalwert der UTS von etwa 310 MPa bei einem Mn/Fe-Verhältnis von etwa 1,3 für diese Legierung erhalten. Wie beschrieben wurde, ist die Verschleißbeständigkeit von Aluminiumzylinderblöcken, die gemäß den hohen Mn/Fe-Verhältnissen dieser Erfindung erzeugt wurden, für einen Motorbetrieb ohne die Verwendung von Eisenzylinderauskleidung oder derselben geeignet.
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Diese Erfindung ist in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden. Es können jedoch auch andere Ausführungsformen leicht durch Fachleute angepasst werden. Der Schutzumfang der Erfindung ist nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt.
