DE3605519A1 - Zylinderkopf aus einer aluminiumgusslegierung fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Zylinderkopf aus einer aluminiumgusslegierung fuer eine brennkraftmaschine

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DE3605519A1 DE19863605519 DE3605519A DE3605519A1 DE 3605519 A1 DE3605519 A1 DE 3605519A1 DE 19863605519 DE19863605519 DE 19863605519 DE 3605519 A DE3605519 A DE 3605519A DE 3605519 A1 DE3605519 A1 DE 3605519A1
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Description

Zylinderkopf aus einer AluminiumguSlegierung für eine Brennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes, der aus einer Aluminiumlegierung gegossen ist und bei Brennkraftmaschinen Verwendung findet. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Verbessern eines Abschnittes des Zylinderkopfes durch eine lokale Wärmebehandlung.
In neuerer Zeit findet eine zunehmende Anzahl von aus Aluminiumgußlegierungen hergestellten Zylinderköpfen bei Brennkraftmaschinen Verwendung. Aluminiumlegierungen haben im Vergleich zu anderen Leichtmetallegierungen ausgezeichnete Eigenschaften, und zwar ein geringes spezifisches Gewicht, eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine hohe Wärmebeständigkeit. Sie neigen jedoch dazu, im geschmolzenen Zustand Wasserstoff zu absorbieren und bei der Verfestigung beträchtlich zu schrumpfen. Somit besitzen die
Gußteile oft Defekte, wie beispielsweise feine Löcher, Gasblasen und Schrumpfhohlräume. Es ist bekannt, daß bei einer langsameren Abkühlung der geschmolzenen Aluminiumlegierung mehr Defekte auftreten und die Struktur des verfestigten Materiales gröber wird. Die mechanischen Eigen-
Dresdner Bank (MOnchen) Kto. C33S Si4
Deutsche Bank »München) KiO- 2S6 1060
Pos:sCe:Kar··. -woncfteni KtO
schäften von Aluminiumgußlegierungen hängen zum großen Teil von der Abkühlgschwindigkeit während des Gießens ab und werden schlecht, wenn die Abkühlgeschwindigkeit verringert wird.
5
Zylinderköpfe für Brennkraftmaschinen besitzen jedoch eine so umfangreiche Größe und komplizierte Form/ daß die Abkühlgeschwindigkeit beim Gießen gering ist. Somit weisen Zylinderköpfe von Brennkraftmaschinen, die aus Aluminiumgußlegierungen bestehen, mechanische Eigenschaften auf, die aus den vorstehend erwähnten Gründen unzureichend sind. Aufgrund der thermischen Spannungen während des Einsatzes der Zylinderköpfe ist die Wahrscheinlichkeit hoch, daß Risse in der die Verbrennungskammer begrenzenden Wand auftreten .
Diese thermischen Spannungen, die in den Zylinderköpfen während des Gebrauchs auftreten, sind über den gesamten Zylinderkopf nicht gleich. Diverse lokale Bereiche werden hoch beansprucht. Normalerweise schließen diese hochbeanspruchten Bereiche den Bereich ein, der zwischen den Ventilsitzen einer Auslaßöffnung und einer Einlaßöffnung, auch als Zwischenventilbereich bekannt, angeordnet ist, diejenigen Bereiche, die sich zwischen den Ventilsitzen und einer Verbindungsöffnung zu einer Hilfsbrennkammer befinden, den Bereich, der die Verbindungsöffnung zur Hilfsbrennkammer umgibt, und einen Bereich, der eine öffnung zur Aufnahme einer Zündkerze umgibt. Infolge der thermischen Beanspruchungen während des Gebrauchs tritt in diesen Bereichen eine Vielzahl von Rissen auf. Um in diesen hochbeanspruchten Bereichen besonders gute mechanische Eigenschaften zu erzielen, wurden beim Stand der Technik
die folgenden Versuche durchgeführt:
Es wurden bei den zum Gießen der Aluminiumlegierungen verwendeten Formen und Kernkörpern Modifikationen durchgeführt, um die mechanischen Eigenschaften eines vorgegebenen Abschnittes des resultierenden AluminiumgußIegierungskörpers, der der hohen Beanspruchung ausgesetzt ist, zu verbessern. Ein Versuch bestand hierbei darin, die Wanddicke des -vorgegebenen Abschnittes zusammen mit einer Änderung der Größe und Form zu erhöhen. Ein zweiter Versuch bestand in der Anordnung eines Kühlers. Hierbei wurde ein Sandkernkörper an einer Stelle, die dem vorgegebenen Abschnitt des resultierenden Gußteiles entsprach, mit einem Kühler versehen. Die Abkühlgeschwindigkeit des vorgegebenen Abschnittes, der mit dem Kühler in Kontakt stand, konnte dann örtlich erhöht werden. Ein dritter Versuch bestand darin, ein Kühlwasserrohr in einer Form benachbart zu dem vorgegebenen Abschnitt des resultierenden Gußstückes vorzusehen, um dadurch diesen Abschnitt örtlich und zwangsweise zu kühlen.
Bei diesen Versuchen des Standes der Technik traten jedoch diverse Probleme auf. Der erste Versuch ist mit den Verlust der Vorteile in bezug auf die Kompaktheit und das geringe Gewicht der Aluminiumlegierung verbunden, da eine Änderung der Konstruktion erforderlich ist, um die Wanddicke zu erhöhen.
Beim zweiten Versuch erhält der Sandkörper selbst eine sehr komplizierte Form und ist somit schwierig zu formen. Um die Zylinderköpfe der Brennkraftmaschinen, bei denen es sich um große Gußstücke handelt, mit der erforderlichen Geschwindigkeit abzukühlen, muß der Kühler eine beträcht-
liehe thermische Leistungsfähigkeit besitzen. In der Praxis ist es jedoch schwierig, einen Kühler, der eine derart hohe thermische Leistungsfähigkeit besitzt/ zu befestigen. Daher hat sich der zweite Versuch in bezug auf die Verbesserung der Qualität der Gußstücke als wenig zufriedenstellend erwiesen.
Der dritte Versuch, der auf einer Wasserkühlung basiert, ist in der Tat mit einer besseren Kühlleistung verbunden als der zweite Versuch. Trotzdem erhält die Form selbst einen sehr komplizierten Aufbau. Es ist äußerst schwierig, Wasser an den gewünschten Abschnitt heranzuführen. Der Versuch hat sich daher in bezug auf die Verbesserung der Qualität der Gußstücke um das erforderliche Ausmaß als nicht erfolgreich erwiesen. Darüberhinaus läßt sich dieser Versuch aus Sicherheitsgründen nur schwer bei handelsüblichen Formen durchführen, da Wasser in die Nähe der geschmolzenen Aluminiumlegierung geführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes aus einer Aluminiumgußlegierung für Brennkraftmaschinen zur Verfügung zu stellen, bei dem die mechanischen Eigenschaften eines Bereiches des gegossenen Zylinderkopfes, der später einer hohen Beanspruchung ausgesetzt sein wird, in ausreichender Weise verbessert werden, während gleichzeitig die Vorteile der Kompaktheit und des geringen Gewichtes, die auf die Verwendung der Aluminiumlegierung zurückzuführen sind, beibehalten werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes aus einer Aluminiumgußlegierung für Brennkraftmaschinen gelöst, das die folgenden
Schritte umfaßt:
Gießen eines Zylinderkopfkörpers aus einer Aluminiumlegierung mittels eines herkömmlichen Gießverfahrens, 5
Richten von Energie hoher Dichte, beispielsweise eines WIG-Lichtbogens (Wolfram-Inertgas-Lichtbogens) und Laserenergie, auf die Oberfläche von mindestens einem Bereich des Zylinderkopfkörpers, bei dem eine hohe Festigkeit gefordert wird, beispielsweise eines Bereiches zwischen den Ventilsitzen der Auslaß- und Einlaßöffnungen, im auf diese Weise eine Oberflächenschicht in diesem Bereich rasch wieder aufzuschmelzen, und
danach Entfernen der Strahlungsenergie und Ermöglichen eines raschen Abkühlens und Verfestigens der geschmolzenen Aluminiumlegierung der Oberflächenschicht über eine Wärmeübertragung von dieser Schicht auf die darunter befindliche Matrix, um auf diese Weise eine wiederaufgeschmolzene, verfestigte Schicht auszubilden.
Nach dem Gießen wird nur eine Oberflächenschicht des vorgegebenen Bereiches durch den Einsatz der Energie mit hoher Dichte rasch wieder aufgeschmolzen und dann rasch verfestigt. Danach wird die Oberflächenschicht von der darunter befindlichen Matrix aus zur Oberfläche hin in gerichteter Weise verfesigt, so daß die Gießdefekte,wie beispielsweise Schrumpfhohlräume, feine Löcher, Lunker und Gasblasen, verschwinden, als wenn sie aus der Oberfläche herausgetrieben würden, was zu einer fehlerfreien Struktur führt. Zur gleichen Zeit wird durch die sehr rasche Verfestigung die Struktur des Bereiches feiner, so daß die mechanischen Eigenschaften dieses Bereiches
beträchtlich verbessert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Draufsicht auf den Zylinderkopf eines Dieselmotors, bei dem die vorliegende Erfindung Anwendung findet, wobei die die Verbrennungskammer begrenzende Fläche ei
nes ausgewählten Abschnittes des Zylinderkopfes dargestellt ist;
die Figu-
_ ren 2 und
Draufsichten auf andere Zylinderköpfe für
benzinbetriebene Motoren, bei denen die vorliegende Erfindung Anwendung findet, wobei die die Verbrennungskammer begrenzende
Fläche eines ausgewählten Abschnittes der
Zylinderköpfe dargestellt ist;
Figur 4 in schematischer Waise den Wiederaufschmelz-Wiederverfestigungs-Vorgang, der beim vorliegenden' Verfahren in der Oberflächenschicht auftritt;
die Figuren 5 bis
Diagramme, die die Ergebnisse von Material-
-_ eigenschaftstests zeigen, welche an einem
Zwischenventilbereich von Zylinderköpfen nach einem Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 und 2 durchgeführt wurden, wobei Figur 5 die Porosität, Figur 6 die Dichte,
Figur 7 die Zugfestigkeit, Figur 8 die Dehnung und Figur 9 den Kerbschlag zähigkeitswert nach Charpy zeigt; und
Figur 10 ein Mikrobild (3x), das die Struktur eines
Zwischenventilbereiches des nach Beispiel 1 hergestellten Zylinderkopfes im Schnitt zeigt.
' Die Zylinderköpfe der vorliegenden Erfindung können aus irgendeiner Aluitiiniumguß legierung, die traditionell beim Gießen von Zylinderköpfen für Brennkraftmaschinen verwendet wird, hergestellt werden. Nachfolgend werden hierzu einige Beispiele von geeigneten Aluminiumlegierungen aufgeführt, die jedoch keine Begrenzung darstellen:
Hypoeutektische Legierungen, wie beispielsweise
JIS AC2B Legierungen (Cu 2,0 - 4,0 Gew. %, Si 5,0 - 7,0 Gew. %, Mg < 0,5 Gew. %, Zn < 1,0 Gew. % , Fe < 1,0 Gew. %, Hn < 0,5 Gew. %, Ni <0,3 Gew. %, Ti < 0,2 Gew. %, Rest Al),
JIS AC4B Legierungen (Cu 2,0 - 4,0 Gew. %, Si 7,0 - 10,0 Gew. %, Mg < 0,5 Gew. %, Zn < 1,0 Gew. %, Fe < 1,0 Gew. %, Hn < 0,5 Gew. %, Ni < 0,3 Gew. %, Ti < 0,2 Gew. %, Rest Al),
JIS AC4C Legierungen (Cu^" 0,2 Gew.%, Si 6,5 - 7,5 Gew. %, Ni 0,20 - 0,4 Gew. %, Zn < 0,3 Gew. %, Fe < 0,5 Gew. %, Hn < 0,3 Gew. %, Ti < 0,2 Gew. %., Rest Al);
eutektische Legierungen, wie beispielsweise
JIS AC8A Legierungen (Cu 0,8 - 1,3 Gew. %, Si 11,0 - 13,0 Gew. %, Mg 0,7 - 1,3 Gew. %, Zn < 0,1 Gew. %, Fe < 0,8 Gew. %,
Hn < 0,1 Gew. %, Ni 1/0 - 2,5 Gew. %, Ti <0,2 Gew. %, Rest Al);
hypereutektische Legierungen, wie beispielsweise 5
AA A390 Legierungen (Cu 4,0 - 5,0 Gew. %, Si 16,0 - 18,0 Gew. %, Mg 0,45 - 0,65 Gew. %, Zn < 0,01 Gew. %, Fe < 0,50 Gew. %., Mn £ 0,10 Gew. %, Ti < 0,20 Gew. %, Rest Al); und
JIS AC5A Legierungen (Cu 3,5 - 4,5 Gew. %, Si <. 0,6 Gew. %, Mg 1,2 - 1,8 Gew. %, Zn < 0,1 Gew. %, Fe < 0,8 Gew. %, Mn < 0,3 Gew. %, Ni 1,7 - 2,3 Gew. %, Ti < 0,2 Gew. %, Rest Al). Bei JIS und AA handelt es sich um Abkürzungen der japanischen Industrienormen und der Normen der amerikanischen Aluminiumvereinigung.
Zuerst wird ein Zylinderkopfkörper aus einer dieser Aluminiumlegierungen gegossen. Bei dem entsprechenden Gießprozeß kann es sich um irgendeinen gewünschten oder bekannten Vorgang zum Gießen von Zylinderköpfen aus einer Aluminiumlegierung handeln, beispielsweise um Niederuckformgieß- und Hochdruckformgießvorgänge.
25
Der gegossene Zylinderkopfkörper wird dann, nachdem er wahlweise bearbeitet worden ist, einer raschen Wiederaufschmelzbehandlung unterzogen, indem Energie hoher Dichte auf einen oder mehrere ausgewählte Bereiche, die eine hohe Festigkeit aufweisen müssen, d.h. hochbeanspruchte Bereiche, gerichtet wird.
Diese Bereiche werden in Verbindung mit den Figuren besonders beschrieben. Eine eine Verbrennungskammer begrenzende Fläche eines typischen Zylinderkopfes eines Dieselmotors ist in Figur 1 dargestellt. Der gezeigte Zylinderkopf 1 ist mit einer Einlaßöffnung 2 und einer Auslaßöffnung 3 versehen, in denen Ventilsitze in üblicher Weise ausgebildet oder befestigt sind, sowie mit einer öffnung 5, die mit einer wahlweise angeordneten Hilfsbrenkammer (nicht gezeigt) in Verbindung steht. Die ausgewählten Bereiche des Zylinderkopfkörpers umfassen einen Bereich 4, der sich zwischen der Einlaß- und Auslaßöffnung 2, 3 erstreckt, d.h. einen Zwischenventxlbereich, Bereiche 6 und 7, die sich zwischen der öffnung 5 und der Einlaß- und Auslaßöffnung 2, 3 erstrecken, und einen Bereich 8, der die öffnung 5 umgibt.
Eine eine Verbrennungskammer begrenzende Fläche eines typischen Zylinderkopfes für einen Benzinmotor ist in den Figuren 2 und 3 gezeigt. Der dargestellte Zylinderkopf 1 ist mit einer Einlaß- und Auslaßöffnung 10, 12 versehen, in denen Ventilsitze in der üblichen Weise ausgebildet oder befestigt sind, sowie mit einer öffnung 15, in der eine Zündkerze (nicht gezeigt) angeordnet ist. Bie ausgewählten Bereiche des Zylinder kopf körpers uir.-fassen hierbei Bereiche 14, die sich zwischen der Einlaß- und Auslaßöffnung 10, 12 erstrecken, d.h. Zwischenventilbereiche, die sich zwischen der öffnung für die Zündkerze und der Einlaß- und Auslaßöffnung erstrecken, und einen Bereich 16, der die öffnung 15 für die Zündkerze umgibt.
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Die erfindungsgemäß durchgeführte Wiederaufschmelzbehandlung kann an einem oder mehreren dieser ausgewählten Bereiche durchgeführt werden. Die hierbei eingesetzten Energiearten hoher Dichte umfassen WIG-Lichtbögen, Plasmalichtbögen, Laserenergie und Elektronenstrahlen.
Wenn der ausgewählte Bereich des Zylinderkopfkörpers mit der hochdichten Energie bestrahlt wird, wird die Energie auf einen Punkt des Bereiches gerichtet. Dieser Punkt der Strahlungsenergie wird relativ zur Zylinderkopffläche bewegt.
Diese Energiebestrahlung ist schematisch in Figur 4 dargestellt. Hochdichte Energie 22 in der Form eines Wolfram-Inertgas-Lichtbogens oder Laserstrahles wird auf einen Punkt auf der Oberfläche eines ausgewählten Bereiches eines Gußkörpers 20 gerichtet. Dabei wird derjenige Abschnitt der Oberflächenschicht der Aluminiumlegierung, der innerhalb des Punktes liegt, schnell erhitzt und aufgeschmolzen, so daß ein Schmelzbad 23 der Aluminiumlegierung gebildet wird. Wenn der Punkt der Strahlungsenergie in Richtung des gezeigten Pfeiles bewegt wird, wird das Schmelzbad 23 in dieser Bewegungsrichtung ausgedehnt. Eine Bewegung des Punktes der Strahlungsenergie bedeutet, daß die Strahlungsenergie von dem ursprünglichen Punkt, an dem eine rasche Wärmeübertragung vom Schmelzbad 23 der Aluminiumlegierung zur darunter befindlichen Matrix 26 stattfand, entfernt bzw. weggeführt wird. Als Ergebnis dieser Wärmeübertragung sinkt die Temperatur des Schmelzbades 23 ab, und dieses verfestigt sich, so daß eine verfestigte Schicht 24 ausgebildet wird. Da die Masse des Schmelzbades 23 der Aluminiumlegierung, die durch
Beaufschlagung mit der hochdichten Energie geschmolzen ist/ beträchtlich geringer ist als die Gesamtmasse des Zylinderkopfes, wirkt die Matrix 26, die nicht aufgeschmolzen wurde, als Kühler, so daß Wärmeenergie sehr rasch vom Schmelzbad 23 auf die Matrix 26 übertragen wird. Daher erstarrt die Aluminiumlegierung im Schmelzbad 23 sehr rasch in gerichteter Weise von der Seite der Matrix 26 aus zur Oberfläche hin, wie durch die Pfeile 25 angedeutet ist. Diese gerichtete Verfestigung von der Matrixseite zur Oberfläche dient dazu, feine Defekte, wie feine Löcher, Lunker und Gasblasen, die vor dem Wiederaufschmelzen im Gußkörper vorhanden sind, aus der Oberflächenschicht herauszutreiben. Größere Defekte, wie Schrumpfhohlräume/ fallen während des Aufschmelzens zusammen, so daß die aus der Wiederverfestigung resultierende Schicht frei von solchen größeren Defekten ist. Zur gleichen Zeit wird durch die rasche Verfestigung eine feinere Struktur erreicht. Somit kann durch Durchführung der"schnellen Wiederaufschmelz-Wiederverfestigungs-Behandlung durch Bestrahlung mit hochdichter Energie eine verfestigte Schicht 24 in den ausgewählten Bereichen, wie beispielsweise dem Zwischenventilbereich, ausgebildet werden, die eine von Defekten freie Struktur und verbesserte mechanische Eigenschaften besitzt.
Die wiederaufgeschmolzene verfestigte Schicht 24 besitzt vorzugsweise eine Dicke oder Tiefe von mindestens 0,1 ihr. Schichten einer Dicke von weniger als 0,1 mm sind zu dünn, um ausreichende Verbesserungen der mechanischen Eigenschäften zu erzielen. Dicken von mindestens 0,2 mm werden mehr bevorzugt. Allgemein gesagt liegt die obere Grenzebei etwa 2 mm, da mit einer verfestigten Schicht, deren
Dicke über etwa 2 mm hinausgeht, kein zusätzlicher Effekt erreicht werden kann.
Nachdem die Strahlungsenergie hoher Dichte, die die Aluminiumslegierungsoberflächenschicht aufgeschmolzen hat, entfernt worden ist, beträgt die Abkühlungsgeschwindigkeit bei dem Verfestigungsvorgang etwa 10 bis 100° C/sec, üblicherweise etwa 30 bis 50 C/sec. Diese Geschwindigkeit ist beträchtlich höher als die Abkühlgeschwindigkeit von 0,1 bis 1° C/sec während eines üblichen ZylinderkopfgießVorganges.
Nachdem der Wiederaufschmelz-Wiederverfestigungs-Vorgang beendet worden ist, kann der entstandene oberflächenbehandelte Zylinderkopfkörper wahlweise einer Wärmebehandlung unterzogen werden, wie beispielsweise einer T6-Behandlung (Festlösungsbehandlung-Abschreckhärtungkünstliche Alterung), und danach einer Endbearbeitung zu der endgültigen Zylinderkopfform.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen sowie Vergleichsbeispielen beschrieben, die keinerlei Einschränkung der Erfindung darstellen.
Beispiel 1
Es wurde ein Zylinderkopfkörper für einen Dieselmotor hergestellt, indem eine JIS AC2B-Legierung (Cu 2,7 Gew.%, Si 6,2 Gew. %, Mg 0,1 Gew.%, Zn 0,3 Gew.%, Fe 0,3 Gew. %, Mn 0,1 Gew. %, Rest Al) geschmolzen und die geschmolzene Legierung durch Niederdruckguß zu deia Zylinderkopfkörper vergossen wurde. Der Zwischenventilbereich 4 des gegossenen Zylinderkopfkörpers, der zwischen der Einlaß-
und Auslaßöffnung 2,3 angeordnet ist, wie in Figur 1 gezeigt, wurde mit einem Wolfram-Inertgas-Lichtbogen abgetastet, um eine schnelle WiederaufSchmelzung und danach eine rasche Verfestigung zu erreichen» Dieser Lichtbogen wurde unter Verwendung eines Wolframelektrodenstabes mit einem Durchmesser von 3,2 mm und von Argon als Schutzgas, das mit einer Geschwindigkeit von 25 l/min strömte, hergestellt. Die Spitzenstromstärke betrug 310 A und die Basisstromstärke 180 A. Der Schweißbrenner wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,75 mm/see bewegt. Nach Entfernung des Lichtbogens betrug die Abkühlgeschwindigkeit 30 bis 50° C/sec.
Nachdem der Zwischenventilbereich 4 auf diese Weise wieder aufgeschmolzen und wieder verfestigt wurde, wurde der Zylinderkopfkörper wärmebehandelt. Bei dieser Wärmebehandlung handelte es sich um eine T6-Behandlung. Der Körper wurde daher 5 Stunden lang auf 500° C erhitzt, mit Wasser bei 70° C abgeschreckt und dann zum Altern 5 Stunden lang auf 180° C erhitzt.
Vergleidhsbeispiel 1
Aus der gleichen JIS AC2B-Legierung wurde ein Zylinderkopfkörper für einen Dieselmotor mit der gleichen Niederdruckgußtechnik wie bei Beispiel 1 hergestellt. Der Körper wurde der gleichen Wärmebehandlung wie in Beispiel 1, jedoch ohne WiederaufSchmelzbehandlung, unterzogen.
Vergleichsbeispiel 2
Aus der gleichen JIS AC2B-Legierung wurde ein Zylinder-
to co
kopfkörper für einen Dieselmotor mit Hilfe der gleichen Niederdruckgußtechnik wie in Beispiel 1 hergestellt. Ein Kühlwasserrohr wurde in die Form eingesetzt/ um den Zwischenventilbereich des gegossenen Zylinderkopfkörpers rasch abzukühlen.
Die nach Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 gegossenen Zylinderköpfe wurden in üblicher Weise endbearbeitet, in Dieselmotoren eingebaut und einem Ausdauertest unterzogen. Dieser Ausdauertest wurde durchgeführt, indem man die Motoren mit 4.700 UpM unter Vollast und mit 1.000 UpM unter 1-astfreien Bedingungen laufen ließ.
Bei den Ausdauertests wurde festgestellt, daß sich im Zwischenventilbereich des Zylinderkopfes des Vergleichsbeispiels 1 nach 100 bis 200 h Mikrorisse bildeten, während im Zylinderkopf nach Beispiel 1 sogar nach 300 h von kontinuierlichem Betrieb keine Abnormitäten festgestellt werden konnten.
Aus dem Zwischenventilbereich der Zylinderköpfe des Beispiels 1 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurden Testproben herausgeschnitten. Eei diesen Proben wurden die Dichte, Porosität, Zugfestigkeit, Dehnung und der Kerbschlagzähigkeitswert nach Charpy gemessen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in den Figuren 5 bis 9 dargestellt. Wie man aus den Figuren 5 bis 9 entnehmen kann, besaß der mit Hilfe der Wasserkühlung gegossene Körper (Vergleichsbeispiel 2) eine merklich reduzierte Porositat und erhöhte Dichte im Vergleich zu dem üblichen Gußstück (Vergleichsbeispiel 1), was auf eine merkliche Reduzierung von Defekten hinwies. In ähnlicher Weise waren
die Zugfestigkeit, die Dehnung und der Kerbschlagzähigkeitswert nach Charpy verbessert. Das wiederaufgeschmolzene, wiedererstarrte Gußstück der vorliegenden Erfindung (Beispiel 1) wies im Vergleich zu dem Gußstück des Vergleichsbeispiels 2 eine weiter erhöhte Dichte auf und besaß eine extrem niedrige Porosität. Dies zeigte an, daß der behandelte Bereich des Gußkörpers des Beispiels 1 im wesentlichen frei von Defekten war. In entsprechender Weise waren auch die mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Dehnung und Kerbschlagzähigkeit nach Charpy, gegenüber dem Gußkörper des Vergleichsbeispiels 2 verbessert.
Der Zylinderkopf des Beispiels 1 wurde entlang der Linien X-X in Figur 1 zerschnitten, um eine Schnittbetrachtung zu ermöglichen. Figur 10 ist ein Foto des Schnittes in vergrößertem Maßstab. Es ist augenscheinlich, daß Mikroporen, die auf Gießdefekte hinweisen, zwar in der Matrix 26 vorhanden sind, daß jedoch die wiederaufgeschmolzene, wiedererstarrte Schicht 24 keine derartigen Poren besitzt und eine sehr feine Struktur aufweist.
Beispiel 2
Es wurde ein Zylinderkopfkörper für einen Benzinmotor der in Figur 2 gezeigten Art aus der gleichen JIS AC2B-Legierung mit Hilfe der gleichen Niederdruckgießtechnik wie beim Beispiel 1 gegossen. Um die Laserabsorption zu erhöhen, wurde der Zwischenventilbereich 14 des Gußkörpers mit einem 1/1 Gemisch aus Ruß und Polyvinylalkohol beschichtet, wonach ein Trockenvorgang folgte.
Der Bereich wurde dann mit Hilfe einer CO2-Laser-Behandlungsmaschine/ die mit einer Leistung von 4 kW arbeitete, einer Wiederaufschmelz-Wiedererstarrungs-Behandlung unterzogen. Der verwendete Laser besaß eine Leistungsdichte von 83 W/mm2 und eine Energiedichte von 500 J/mm2. Die Strahlbewegungsgeschwindigkeit betrug 1 mm/sec, und Argon wurde als Hilfsgas mit einer Geschwindigkeit von 60 l/min zugeführt. Nach dem Wiederaufschmelzen betrug die Abkühlungsgeschwindigkeit 30 bis 50° C/sec.
Nach der Wiederaufschmelz-Wiedererstarrungs-Behandlung durch Laserenergie wurde der oberflächenbehandelte Körper über die gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 beschrieben einer Wärmebehandlung und einer Endbearbeitung unterzogen.
Es wurde festgestellt, daß die wiederaufgeschmolzene, erstarrte Schicht im Zwischenventilbereich des entstandenen Zylinderkopfes im wesentlichen frei von Gießdefekten war und eine feine Struktur wie beim Ausführungsbeispiel 1 besaß.
Bei dem vorliegenden Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfes aus einer Aluminiumgußlegierung für eine Brennkraftmaschine wird somit Energie hoher Dichte auf einen ausgewählten Bereich eines Zylinderkopfkörpers gerichtet, der aus der Aluminiumlegierung gegossen wurde, um auf diese Weise diesen Bereich zu erhitzen und schnell wiederaufzuschmelzen. Die geschmolzene Masse wird dann zur Niedererstarrung sehr rasch abgekühlt. Hierdurch werden die mechanischen Eigenschaften der hochbeanspruchten Bereiche des Zylinderkopfes, wie beispielsweise die Zwischenventilbereiche, stark verbessert, während die Vorteile aufrechterhalten werden, die für Aluminiumguß-
legierungen charakteristisch sind, nämlich geringes Gewicht/ Kühlung und Kompaktheit. Ferner kann eine Reihe von Gußkörpern in relativ einfacher Weise ohne mögliche Gefahren rasch und kontinuierlich behandelt werden. 5
Ein Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung für eLne Brennkraftmaschine wird somit erfindungsgemäß durch die folgenden Schritte hergestellt: Vergießen einer Aluminiumlegierung durch ein herkömmliches Gießverfahren, Richten von Energie hoher Dichte, wie beispielsweise
' eines Wolfram-Inertgas-Lichtbogens oder von Laserenergie, auf einen ausgewählten Bereich des Kopfes, der eine hohe Festigkeit benötigt, w.e beispielsweise ein Bereich zwischen der Einlaß- und Auslaßöffnung, um auf diese Weise einen Oberflächenabschnitt der Aluminiumlegierung" an der bestrahlten Stelle schnell wiederaufzuschmelzen, Entfernen der Strahlungsenergie und rasches Erstarrenlassen des geschmolzenen Abschnittes in einer Richtung von der Matrix zur Oberfläche, um auf diese Weise eine von Defekten freie wiedererstarrte Schicht mit feiner Struktur herzustellen.
- Leerseite -

Claims (9)

Patentan sprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes aus einer Aluminiumgußlegierung für eine Brennkraftmaschine, g e kennzeic hnet durch die folgenden Schritte:
Gießen eines ZyIinderkopfkörpers aus einer Aluminiumlegierung ,
Richten von Energie hoher Dichte auf die Oberfläche von '4 mindestens einem Bereich des Zylinderkopfkörpers, der ^
eine hohe Festigkeit benötigt, um auf diese Weise eine Oberflächenschicht in dem Bereich rasch wieder aufzuschmelzen, und
darauf folgendes Entfernen dar Strahlungsenergie und rasches Abkühlen und Erstarrenlassen der geschmolzenen Aluminiumlegierung der Oberflächenschicht durch Wärmeübertragung auf die darunter befindliche Matrix, um auf diese Weise eine wiederaufgeschmolzene, verfestigte Schicht herzu-
20 stellen.
2. Verfahren nach Anspruch l,dad ure h gekenn-r ze ichnet, daß als Energie mit hoher Dichte Wolfram-Inertgas-Lichtbögen, Laserenergie, Plasraalichtbögen und
Elektronenstrahlen verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dad urch g e kennzei c h ne t, daß ein Zylinderkopfkörper gegossen wird, der eine Vielzahl von Ventilöffnungen aufweist, und daß es sich bei dem vorstehend erwä-hnten Bereich um denjenigen Bereich des Zylinderkopfkörpers handelt, der zwischen benachbarten Ventilöffnungen angeordnet ist.
10
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne t, daß ein Zylinderkopfkörper gegossen wird, der eine öffnung zur Aufnahme einer Zündkerze aufweist, und daß es sich bei dem vorstehend erwä-hnten Bereich um denjenigen Bereich des Zylinderkopfkörpers handelt,cer benachbart zu dieser öffnung angeordnet ist.
/
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a -
durch gekennzeichnet, daß ein für Dieselmotoren geeigneter Zylinderkopf gegossen wird, der eine öffnung zur Verbindung mit einer Hilfsbrennkammer aufweist, und daß es sich bei dein vorstehend erwähnten Bera.ch um denjenigen Bereich des Zylinderkopfkörpers handelt, der benachbart zu dieser öffnung angeordnet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichn et, daß ein für Dieselmotoren geeigneter Zylinderkopf gegossen wird, der eine Öffnung zur Verbindung mit einer Hilfsbrennkamner und eine Vielzahl von Ventilöffnungen aufweist, und daß es sich bei den vorstehend erwähnten Bereich um denjenigen Bereich des Zylinderkopfkörpers handelt, der zwischen der öffnung
und den Ventilöffnungen angeordnet ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a durch gekennzeic hn et, daß die wiederaufgeschmolzene, erstarrte Schicht eine Dicke von mindestens 0,1 mm aufweist.,
8. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem aus einer Aluminiumlegierung gegossenen Körper, dadurch geke nnzei c hne t, daß der Körper eine in gerichteter Weise wiedererstarrte Oberflächenschicht (24) aufweist, die in einem ausgewählten Bereich des Zylinderkopfkörpers, der eine hohe Festigkeit benötigt, vorhanden ist und die in gerichteter WEise von der darunter befindliehen Matrix (26) aus zur Oberfläche hin wiedererstarrt ist.
9. Zylinderkopf nach Anspruch 8,dadurch gekenn- ^ zeichne t, daß die in gerichteter Weise wiederer- ''M starrte Oberflächenschicht (24) dadurch hergestellt ist, -e daß Energie (22) hoher Dichte auf die Oberfläche des ausgewählten Bereiches des Gußkörpers gerichtet worden ist, um eine Oberflächenschicht in dem Bereich rasch aufzuschmelzen, und daß danach die Strahlungsenergie (22) entfernt und eine rasche Abkühlung und Wiedererstarrung der geschmolzenen Aluminiumlegierung (23) durch Wärmeübertragung von dieser auf die darunter befindliche Matrix (26) ermöglicht- worden ist, um eine wiederaufgeschmolzene, wiedererstarrte Schicht herzustellen.
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