DE1758441B1

DE1758441B1 - Verwendung von AlMgSi-Gusslegierungen als Werkstoff fuer thermisch wechselbeanspruchte Zylinderkoepfe

Info

Publication number: DE1758441B1
Application number: DE19681758441
Authority: DE
Inventors: Paul Zimmermann
Original assignee: Honsel Werke AG
Current assignee: Honsel Werke AG
Priority date: 1968-06-01
Filing date: 1968-06-01
Publication date: 1975-09-25

Description

denn die deutsche Patentschrift 8 40 920 beschäftigt sich mit der Verwendung einer Al-Legierung für gleitende Reibung, während die britische Patentschrift 3 67 831 sich mit der Seewasserbeständigkeit von Al-Legierungen befaßt. Anregungen zur Lösung der hier gestellten Aufgabe sind nicht zu entnehmen.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Werkstücke entweder einer Lösungsglühung allein oder einer Lösungsglühung und einer zusätzlichen Warmaushärtung unterhalb des Härtemaximums unterworfen worden sind, bevor sie zum Einsatz gelangen.

Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Ansprüchen 3 bis 7 gekennzeichnet.

Versuche haben gezeigt, daß eine erhebliche Verbesserung aller für die thermische Belastbarkeit bedeutsamen Werte, besonders der Dichtflächenhärte, ohne Nachteile durch die angewendete thermische Behandlung eintritt. Die Ergebnisse solcher Versuche sind auf der beigefügten Zahlentafel aufgeführt ao und aus den Beispielen von thermischen Wechselbelastungen an Zylinderköpfen ersichtlich, die gleichzeitig die Brinellhärtewerte und in einzelnen Fällen Festigkeitswerte aus dem Kalottenrand der Zylinderköpfe zeigen. Es wurde gefunden, daß entweder nur eine Homogenisierungs- bzw. Lösungsglühung zur Anwendung gebracht werden muß oder eine Lösungsglühung mit nachfolgender Warmaushärtung vorzunehmen ist, ohne das Härtemaximum der Legierung zu überschreiten.

Aus diesen Ergebnissen ist abzulesen, daß die untersuchten Legierungen nach der erfindungsgemäßen Behandlung gegenüber ihren Ausgangswerten besonders für die Dichtflächenhärte erheblich höhere Werte aufweisen und zugleich eine Erhöhung der thermischen Wechselbelastbarkeit ergeben. Die Beispiele zeigen, daß die Brinellhärtewerte nach einer Stabilisierungsglühung niedrig sind.

Auf Grund dieser Ergebnisse zeigt sich, daß erfindungsgemäße Zylinderköpfe eine wesentlich längere Lebensdauer haben und daß eine Erhöhung der Dichtflächenhärte erfolgt.

Die Zylinderköpfe aus solchen Legierungen, die in den nachfolgenden Beispielen aufgeführt sind, insbesondere auch aus kupferhaitigen Legierungen, zeigen, daß durch die Anwendung der erfindungsgemäßen thermischen Behandlung die thermischen Wechsellastzahlen wesentlich gesteigert werden.

Diese wesentliche Verbesserung war nach dem Stand der Technik nicht vorauszusehen.

Es wird im Vergleich zur DT-AS 14 83 229 bzw. DT-AS 16 08 165 darauf verwiesen, daß wegen unterschiedlicher konstruktiver Gestaltung der untersuchten Zylinderköpfe die thermischen Wechsellastzahlen nicht gegenüberstellbar sind.

Die Ergebnisse der Beispiele geben das Wesen der Erfindung in zweierlei Richtung wieder; erstens die gefundene thermische Behandlung beseitigt den Einfluß ungünstiger Magnesium-Gehalte, wie sie in der DT-AS 14 83 229 und DT-AS 1608165 benannt sind; zweitens konnten auch nach der Lösungsglühung ohne Nachteil für die thermische Wechselbelastbarkeit die Härtewerte maßgeblich gesteigert werden, und zwar auch bei Heraufsetzen der Mg-Konzentration, ohne daß dabei die thermische Wechselbelastbarkeit der Zylinderköpfe vermindert wird.

Zählertafel: Festigkeitswerte von Kokillengußstäben nach LN 29531 mit 22mm0 aus der Mn-haltigen Al-Mg-Si-Legierung ohne und mit Cu

Mittelwerte aus je 2 Stäben	Mn	Mechanische Werte	Fe Ti	0,2	B	Be,	5	HB
Zusammensetzung in %>	0,85	Glühbehandlung	0,20 0,16 Stabilisierungs-	kp/mm*	kp/mm¹		·/·	kp/mm¹
Leg. Cu Be Mg Si		glühung/Luft	10,1	22,9		10,6	66,5
411/1 0,02 0,004 3,9 0,9		12»565°C/H₂O
		12^h565°C/H₂O	10,5	25,1	19,6	68,5
		+ 6"175⁰C	17,8	29,4	15,8	85
		12^h565°C/H₂O
		+ 6"175⁰C	19,4	29,5	14,1	83
	0,85	0,20 0,16 Stabilisierungs-
		glühung/Luft	11,4	21,0	3,8	72,5
411/1 0,84 0,005 4,0 0,89		12^h565 ⁰OH₂O
+ Cu		12^h565°C/H₂O	12,9	28,9	12,6	75
		+ 6^h155°C	25,5	33,3	6,2	110
		12^h565°C/H₂O
		+ 6"175⁰C	25,5	36,7	8,6	103
		Beispiel 1
	aus	einer Legierung mit

Untersuchungen an Zylinderköpfen				O,18«/oTi,
O,9°/oMn,			0,24VoFe,
3,9VoMg,			0,004 °/o
0,9«/oSi,		Rest Al.
-Vo Cu,

12h565°C/H₂O

6hl55°C

Die Brinellhärten in Zylinderköpfen lagen bei dieser Legierung nach Stabilisierungsglühung zwischen 60 und 70 kp/mm².

Thermische	σ 0,2	1418	1751	₅ Beispiel 2
Wechsel lastzahl	σΒ			Untersuchungen an Zylinderköpfen aus einer Le gierung mit
HB	<55	80	83	0,9% Mn,
kp/mm²	HB			3,9% Mg, ίο 0,9% Si,
Werte aus		13,0 kp/mm²	18,2 kp/mm²	0,8% Cu,
dem Ka	27,0 kp/mm²	27,2 kp/mm²	0,18 % Ti,
lottenrand	10,0%	8,8%	0,32% Fe,
des Zylinder	80,0 kp/mm²	83,0 kp/mm²	0,004% Be₅
kopfes			15 Rest Al.

Stabilisierungsglühung

12h565°C/H2O

+6hl75°C

Thermische Wechsellastzahl	σ 0,2 oB 65 HB	1275	1570	2095
HB kp/mm²	71	110	104
Werte aus dem Kalottenrand des Zylinderkopfes	12,0 kp/mm² 18,4 kp/mm² 2,9% 71 kp/mm²	16,8 kp/mm² 32,6 kp/mm² 5,4% 110 kp/mm²	27,8 kp/mm² 33,5 kp/mm² 6,6% 108 kp/mm²

Beispiel 3 Beispiel 4

Mit nachstehender Legierung an gleichartigen Zy- ³⁵ Weitere Untersuchungen an Zylinderköpfen linderköpfen gemäß Beispiel 1 und 2 wurden folgende nachstehender Legierung: Ergebnisse gefunden:

	0,9 VoMn,	40	Thermische	0,9% Mn,	12h565°C/H2O
	4,5% Mg,		Wechsellast	5,5% Mg,	2184
	1,5% Si,		zahlen	1,5% Ni,
	1,5% Ni,		HB	1,5% Si,
	0,2% Cu,		kp/mm²	0,2% Cu,	96
	0,18% Ti,	45	0,18% Ti,
	0,25% Fe,		0,004% Be,
	0,004 «/0 Be,		Rest Al.
	Rest Al.	50
	Stabilisie- 12^565° C/H2O rungs- — +6hl75°C glühung		Stabilisierungs glühung
Thermische	1642 1700 1930		1091
Wechsellast		55
zahlen
HB	74 93 102		85
kp/mm²

Claims

Patentansprüche: Vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von AlMgSi-Gußlegierungen, bestehend aus 0,6 bis 4,5 °/o Silizium, mit der Maßgabe, daß im Rahmen der angegebenen Bereiche das Verhältnis von Magne-5 sium zu Silizium so aufeinander abgestimmt ist, daß 1 bis 4,5% Magnesium nicht an Silizium gebunden vorliegen, 0,6 bis 1,8 0Zo Mangan, Rest Aluminium mit den üblichen herstellungsbedingten Verunreinigungen, sowie bis zu 0,6 Vo Kupfer als zulässige Bei-

1. Verwendung von AlMgSi-Gußlegierungen, bestehend aus 0,6 bis 4,5% Silizium, mit der Maßgabe, daß im Rahmen der angegebenen Bereiche das Verhältnis von Magnesium zu Silizium so aufeinander abgestimmt ist, daß 1 bis 4,5% Magnesium nicht an Silizium gebunden vorliegen, 0,6 bis 1,8% Mangan, Rest Aluminium mit den

üblichen herstellungsbedingten Verunreinigungen, io mengung, als hochfester im Bestandteil Mg₂Si gesowie bis zu 0,6% Kupfer als zulässige Bei- feinter Werkstoff für thermisch wechselbeanspruchte mengung, als hochfester im Bestandteil Mg₂Si Zylinderköpfe, wobei vorzugsweise beim Guß die gefeinter Werkstoff für thermisch wechsel- jeweils besonders gefährdeten bzw. hochbeanspruchbeanspruchte Zylinderköpfe, wobei vorzugsweise ten Partien der Zylinderköpfe während der Erbeim Guß die jeweils besonders gefährdeten bzw. 15 starrung durch zusätzliches Kühlen einer schnelleren hochbeanspruchten Partien der Zylinderköpfe Abkühlung unterworfen worden sind als die übrigen während der Erstarrung durch zusätzliches Partien der Zylinderköpfe.

Kühlen einer schnelleren Abkühlung unterworfen Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen Weg

worden sind als die übrigen Partien der Zylinder- zu zeigen, wie die thermische Belastbarkeit, insköpfe, dadurch gekennzeichnet, daß die 20 besondere bei Verwendung der AI-Mg-Si-Legieruneinschränkende Maßgabe bezüglich des Magne- gen gemäß DT-AS 14 83 229 und DT-AS 16 08 165 sium-Silizium-Verhältnisses entfallen kann, wenn zur Fertigung von gegossenen Zylinderköpfen zur der Werkstoff lösungsgeglüht worden ist. Erzielung einer wesentlichen Erhöhung der Motor-

2. Verwendung von Legierungen der Zusam- laufzeit, der thermischen Wechselbelastung, durch mensetzung nach Anspruch 1, behandelt nach 25 wesentlich erhöhte Standfestigkeit der Dichtflächen, Anspruch 1, die nach der Lösungsglühung nicht erheblich verbessert werden kann. Diese beiden über das Härtemaximum hinaus warmausgehärtet deutschen Auslegeschriften sind nicht vorveröffentworden sind, für den Zweck nach Anspruch 1. licht.

3. Verwendung von Legierungen der Zusam- Bisher konnte nach den Vorschriften der DT-AS mensetzung nach Anspruch 1, behandelt nach 3<> 14 83 229 die mit der Brinellhärte der Legierungen Anspruch 1 oder 2, die nicht langer als 12 Stun- zusammenhängende Dichtflächenstandfestigkeit nicht den bei maximal 565° C lösungsgeglüht und da- allein durch eine Konzentrationserhöhung der Legienach nicht langer als 12 Stunden warmausgehärtet rung maßgeblich verbessert werden, ohne daß gleichworden sind, für den Zweck nach Anspruch 1. zeitig die thermische Belastbarkeit der Zylinderköpfe

4. Verwendung von Legierungen der Zusam- 35 aus diesen Legierungen stark vermindert worden wäre, mensetzung nach Anspruch 1, behandelt nach Insbesondere bei thermisch hochbelasteten Werkstücken, wie Zylinderköpfen von Motoren, bestand bisher die Auffassung, daß die thermische Vergütung nur in einer Art Stabil isierungsglühung bestehen soll

40 und diese nicht durch andere Glühbehandlungen, insbesondere Lösungsglühen, allein oder eine für alle anderen Legierungen übliche Lösungsglühung und nachfolgenden Warmaushärtung verbessert, sondern nur verschlechtert werden kann.

Es ist bekannt, bei Kolbenlegierungen zwecks Verhinderung oder Verminderung einer Volumenvergrößerung eine Homogenisierung bei 500° C mit nachfolgender Warmaushärtung durchzuführen, nochmals anschließend bei Temperaturen von 250° im

Anspruch 3, die nicht länger als 12 Stunden bei 180⁰C warmausgehärtet worden sind, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung von Legierungen der Zusammensetzung nach Anspruch 1, die bei einem Gehalt von 0,6 bis 1,8% Mangan, 2 bis 3,5% Magnesium, 0,6 bis 2,5% Silizium, neben dem Aluminium als Rest noch 0,1 bis 0,3% Titan, 0 bis 1,5% Nickel, 0 bis 0,1 % Beryllium, weniger 45 als 0,6% Eisen und 0 bis 3% Kupfer enthalten, behandelt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, für den Zweck nach Anspruch 1.

6. Verwendung von Legierungen der Zusammensetzung nach Anspruch 1, die bei einem 5° Erweichungsgebiet zu glühen, um vollständige Gehalt von 0,6 bis 1,2% Mangan, 3,0 bis 4,5% Wachstumsbeständigkeit und Spannungsfreiheit zu Magnesium, 0,8 bis 1,2% Silizium, neben dem erzielen. Jedoch ist die Lösungsglühung bei KoI-Aluminium als Rest noch 0,1 bis 0,3% Titan, benlegierungen nicht die Regel, und es hat sich ge-0 bis 1,5% Nickel, 0 bis 0,1 % Beryllium, weniger zeigt, daß eine auch ohne Lösungsglühung angewenals 0,6% Eisen und 0,2 bis 1,0% Kupfer ent- 55 dete übertrieben lange Anlaßbehandlung bei 185° C halten, behandelt nach einem der Ansprüche 1 zwischen 16 und 40 Stunden ebenfalls zum Zwecke bis 4, für den Zweck nach Anspruch 1. der Stabilisierung bzw. Wachstumshinderung aus-

7. Verwendung von Legierungen der Zusam- reicht, daneben wurden bei Anlaßbehandlungen mensetzung nach Anspruch 1, die bei einem allein auch Temperaturen von etwa 220° C ange-Gehalt von 0,6 bis 1,2% Mangan, 4,5 bis 7,5% 60 wendet.

Magnesium, 0,8 bis 2,5% Silizium, neben dem Das Ergebnis dieser thermischen Behandlungen ist

Aluminium als Rest noch 0,1 bis 0,3% Titan, eine starke Entmischung des Mischkristalls. Es wer-0 bis 1,5 % Nickel, 0 bis 0,1% Beryllium, weniger den hierbei entweder höchste Brinellhärtewerte mit als 0,6% Eisen und 0,2 bis 1,0% Kupfer ent- stark geminderten Dehnungswerten oder sehr niedrige halten, behandelt nach einem der Ansprüche 1 65 Brinellhärtewerte erzielt.

bis 4, für den Zweck nach Anspruch 1. Mit der eingangs gestellten Aufgabe und deren

Lösung haben die deutsche Patentschrift 8 40 920 und die britische Patentschrift 3 67 831 nichts zu tun,