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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. Motorenherstellern
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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Die
Legierung dieser Erfindung umfasst 9,5 bis 12,5 Gew.-% Silizium,
bis zu 1,5 Gew.-% Eisen, 0 bis 1,5 bis 4,5 Gew.-% Kupfer, 0,2 bis
3 Gew.-% oder mehr Mangan, 0,1 bis 0,6 Gew.-% Magnesium, 0 bis 1,5
Gew.-% Nickel, 0 bis 0,03 Gew.-% Strontium oder 0 bis 0,02 Gew.-%
Natrium oder insgesamt 0 bis 1,2 Gew.-% seltene Erden, maximal 0,25
Gew.-% Titan, insgesamt weniger als etwa 0,5 Gew.-% andere Elemente
und als Rest Aluminium.
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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. Wenn das Eisen vorhanden ist, jedoch
in einer Menge von weniger als 0,4 Gew.-%, liegt das Gewichtsverhältnis von
Mangan zu Eisen geeignet im Bereich von 0,6 bis 1,2, vorausgesetzt,
dass der Mangangehalt der Aluminiumlegierung zumindest 0,2 Gew.-%
beträgt.
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, Mangan und Strontium.
Eine bevorzugte Zusammensetzung umfasst 11,25 bis 11,75 Gew.-% Silizium,
0,35 bis 0,65 Gew.-% Eisen (kann für einen Druckgussblock höher sein),
1,75 bis 2,75 Gew.-% Kupfer, 0,4 bis 3 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 bearbeitba res 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 AlSCANTM-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 Ausführungsform einer spezifischen Zusammensetzung
der Legierung dieser Erfindung 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
derar tigen 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 erfindungsgemäße 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 dieser
Erfindung 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 0,4 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 lie gen 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 zu sehen, dass der UTS ansteigt, wenn
der Mangangehalt ansteigt. In dem Fall dieser be stimmten 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.
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Zusammenfassung
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Es
ist eine Aluminiumlegierung offenbart, die zum Gießen und
maschinellen Bearbeiten von Zylinderblöcken für Motoren und insbesondere
benzinbetriebene Motoren für
Kraftfahrzeuge geeignet ist. Das Gussstück besitzt die Festigkeit und
Verschleißbeständigkeit
gegenüber
Kolben/Ringabrieb für
derartige Motoren. Die Legierung umfasst 9,5 bis 12,5 Gew.-% Silizium,
0,1 bis 1,5 Gew.-% Eisen, 1,5 bis 4,5 Gew.-% Kupfer, 0,2 bis 3 Gew.-%
Mangan, 0,1 bis 0,6 Gew.-% Magnesium, maximal 2,0 Gew.-% Zink, 0 bis
1,5 Gew.-% Nickel, maximal 0,25 Gew.-% Titan, bis zu 0,05 Gew.-%
Strontium und als Rest Aluminium, wobei das Gewichtsverhältnis von
Mangan zu Eisen 1,2 bis 1,75 oder größer ist, wenn der Eisengehalt
gleich oder größer als
0,4 Gew.-% ist, und das Gewichtsverhältnis von Mangan zu Eisen zumindest 0,6
bis 1,2 beträgt,
wenn der Eisengehalt kleiner als 0,4 Gew.-% der Legierung ist.