DE4433891A1

DE4433891A1 - Aluminiumlegierungsteil und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE4433891A1
Application number: DE19944433891
Authority: DE
Inventors: Yukihiro Sugimoto; Nobuyuki Oda; Yoshifumi Yamamoto
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1993-09-24
Filing date: 1994-09-22
Publication date: 1995-03-30
Also published as: JPH0788645A

Description

Die Erfindung betrifft ein Aluminiumlegierungsteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Autozylinderköpfe aus Aluminiumguß werden in weitem Umfang benutzt, da Aluminiumguß eine hohe thermische Leitfähigkeit hat, leicht im Gewicht ist und leicht zu formen ist.

Wenn der Motor aufgeladen, also mit einem höheren Druck betrieben werden soll, steigt die Hitzebelastung des Zylinderkopfes und somit sind die Zuverlässigkeit und die Dauerhaftigkeit des Zylinderkopfes wichtig geworden. Besonders bei hoch gradig aufgeladenen Dieselmotoren, die unter schwerer Hitzebelastung arbeiten, ist eine Rißbildung in den Ventilbrückenteilen des Zylinderkopfes (in Teilen zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung) schwerwiegend und es ist wirksame Abhilfe notwendig. Ein besonders großer thermischer Streß (Streß aufgrund des Unterschieds in der Wärmeausdehnung) wirkt wiederholt auf die Ventilbrückenteile unter verschiedenen Teilen im Zylinderkopf aus den folgenden Gründen ein.

(1) Die Ventilbrückenteile werden auf die höchste Temperatur der Teile wäh rend des Betriebs des Motors erhitzt.
(2) Die Ventilbrückenteile werden wiederholt schnellem Erhitzen und schnellem Abkühlen unterworfen jedesmal, wenn der Motor gestartet und angehalten wird.
(3) Die Ventilbrückenteile sind durch die Ventilsitze eingeengt.
(4) Die Form der Ventilbrückenteile eignet sich zur Konzentration von thermi schem Streß.

Wenn die Ventilbrückenteile wiederholt thermischem Streß unterworfen werden, tritt leicht thermische Ermüdung auf und im schlimmsten Fall wird Rißbildung erfolgen.

Als Technik zur Verbesserung der thermischen Ermüdungsdauer ist ein Wieder schmelzverfahren durch hochdichte Energie bekannt, wie einen Laser- oder einen TIG- (Wolfram-lnertgas) bogen. Der Wiederschmelzprozeß ist ein Verfahren, bei welchem die Oberflächenschicht der Ventilbrückenteile durch hochdichte Energie schnell geschmolzen und wiederverfestigt wird, um die Metallstruktur zu mikroni sieren und dadurch die Ermüdungsfestigkeit und das Ermüdungsverhalten zu verbessern und wurde praktisch angewandt.

Obwohl die Ermüdungsdauer in gewissem Ausmaß verbessert werden kann, indem man einfach eine Wiederschmelzstufe an die herkömmlichen Stufen zur Herstellung des Zylinderkopfes anfügt, ist die feinstrukturierte Schicht (d. h. die modifizierte bzw. mikronisierte Schicht) nur 2 bis 3 mm dick und wenn sich eine Rißbildung über der modifizierten Schicht hinaus fortsetzt, vergrößert sich der Riß rasch. Demgemäß ist die Verbesserung der Ermüdungsdauer durch den Wiederschmelz prozeß nicht als ausreichend zu betrachten. Wenn man jedoch die Oberflächen schicht tiefer wiederschmilzt, um die modifizierte Schicht zu vertiefen, erniedrigt sich die Verfestigungsgeschwindigkeit, was zu ungenügendem Mikronisieren der Metallstruktur oder zur Bildung von Defekten, wie zur Bildung von Blasen führt. Somit kann die Ermüdungsdauer durch den Wiederschmelzprozeß nur in begrenz tem Umfang verbessert werden.

Als weitere Methode zur Verbesserung der Ermüdungsdauer des Ventilbrückenteils wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem eine Flammsprühüberzugsschicht aus einem Material auf dem Ventilbrückenteil gebildet wird, dessen thermische Leitfähigkeit höher ist als die des Grundmaterials des Zylinderkopfes, wie Kupfer, Kupferlegierung, Silber, Gold oder dergleichen, um Hitze im Ventilbrückenteil schnell zu zerstreuen. Siehe, z. B. japanische Offenlegungsschrift Nr. 61(1986)- 242 544.

Da jedoch die Flammsprühüberzugsschicht aus einem anderen Metall ist als das Grundmetall des Zylinderkopfes, nämlich Aluminiumlegierung, ist die Bindefestig keit an der Bindungsschicht zwischen der Flammsprühüberzugsschicht und der Aluminiumlegierung manchmal unzureichend und gleichzeitig kann eine Entbin dung, also ein Loslösen, an der Bindegrenze aufgrund des Unterschiedes in den Wärmeausdehnungskoeffizienten erfolgen.

Im Hinblick auf die obigen Beobachtungen und Ausführungen ist Hauptziel der Erfindung die Bereitstellung eines Aluminiumlegierungsteils, das ausgezeichnetes thermisches Ermüdungsverhalten zeigt.

Weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Aluminiumlegierungsteils, das ausgezeichnetes thermisches Ermüdungs verhalten zeigt.

Das Aluminiumlegierungsteil gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Hauptkörper, der aus Aluminiumlegierung gebildet ist und einen, den thermischen Streß konzentrierenden Teil hat (ein Teil, auf dem thermischer Streß konzentriert wird) und eine hochfeste Schicht, die durch Auflegen und Binden einer Al-Cu Legierung auf die Oberfläche des den thermischen Streß konzentrierenden Teils gebildet ist, wobei die Al-Cu Legierung einen höheren Solidus hat als den der Aluminiumlegierung, welche den Hauptkörper bildet (d. h., die Al-Cu Legierung hat einen höheren Verfestigungspunkt als den der Aluminiumlegierung, die den Haupt körper bildet).

Vorzugsweise umfaßt die Al-Cu Legierung 2,0 bis 7,0 Gew.-% Cu und wenigstens eines der Metalle V, Zr und Ni.

Die vorliegende Erfindung kann geeignet auf einen Zylinderkopf angewandt wer den, der Ventilbrückenteile als den thermischen Streß konzentrierende Teile hat.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch die Stufen der Herstellung eines Hauptkörpers, der aus Aluminiumlegierung gebildet ist und einen, den thermischen Streß konzentrierenden Teil hat und Bildung einer hochfesten Schicht auf dem den thermischen Streß konzentrierenden Teil durch Aufbringen und Binden einer Al-Cu Legierung auf die Oberfläche des den thermischen Streß konzentrierenden Teils, wobei die Al-Cu Legierung einen höheren Solidus hat als den der Aluminiumlegierung, welche den Hauptkörper bildet.

Vorzugsweise wird der Hauptkörper nach Bildung der hochfesten Schicht einer Hitzebehandlung unterworfen.

Da die hochfeste Schicht aus Legierung gebildet ist, die von der gleichen Art ist wie die Aluminiumlegierung, welche den Hauptkörper bildet und einen höheren Solidus hat als den der Aluminiumlegierung, wird die Metallstruktur tief in den Hauptkörper hinein mikronisiert, und die Bindefestigkeit zwischen der hochfesten Schicht und dem Hauptkörper ist ausreichend, wodurch das thermische Ermü dungsverhalten und die Dauerhaftigkeit gegen Entbindung, also Ablösung, hoch gradig verbessert werden.

Wenn eine kleine Menge von zumindest einem der Metalle V, Zr und Ni zu der Al- Cu Legierung zugesetzt wird, wird eine Verbindung gebildet, die bei hoher Tempe ratur stabil ist und die Festigkeit der hochfesten Schicht bei hohen Temperaturen kann weiter verbessert werden. Wenn der Cu-Gehalt in der Al-Cu Legierung weniger als 2,0 Gew.-% ist, verschlechtert sich das Verhalten der aufgebrachten Schicht und Defekte, wie Rißbildung, können im geschweißten Teil erzeugt wer den. Andererseits, wenn der Kupfergehalt in der Al-Cu Legierung mehr als 7,0 Gew.-% ist, ist die Festigkeit gesättigt und steigt nicht weiter, und grobe Ver bindungen kristallisieren, was das thermische Ermüdungsverhalten nachteilig beeinflußt.

In den beigefügten Zeichnungen ist

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Zylinderkopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht, die längs der Linie II-II in Fig. 1 genommen ist,

Fig. 3A bis 3C sind Ansichten, um das Verfahren des Aufschweißens der Auflage zu zeigen,

Fig. 4 ist eine Draufsicht eines Prüfstückes für den thermischen Ermüdungstest, und

Fig. 5 ist eine schematische Seitenansicht der thermischen Ermüdungsprüfma schine.

Es wird nun eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben.

In den Fig. 1 und 2 hat ein Zylinderkopf 1, der aus Aluminiumlegierung gebildet ist, einen Ventilbrückenteil 4 (der Teil zwischen der Einlaßöffnung 2 und der Auslaßöffnung 3), auf welchem thermischer Streß konzentriert wird. Eine hoch feste Schicht 5 wird gebildet durch Aufbringen und Verschweißen einer Al-Cu Legierung mit einem höheren Solidus als dem der Aluminiumlegierung, welche den Zylinderkopf 1 bildet auf dem Ventilbrückenteil 4. Die Bezugszahlen 6 bzw. 7 bezeichnen Ventilsitze für die Einlaßöffnung 2 und die Auslaßöffnung 3, und die Bezugszahl 8 bedeutet eine Motorkühlleitung.

Das Verfahren der Bildung der hochfesten Schicht 5 wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3A bis 3C beschrieben. Wie in Fig. 3A gezeigt, wird zuerst eine Vertiefung 9 im Ventilbrückenteil 4 gebildet. Die Vertiefung 9 kann ausgebildet werden, wenn der Zylinderkopf 1 gegossen wird oder kann nach dem Gießen des Zylinderkopfes 1 spanabhebend gebildet werden. Dann wird Al-Cu Legierung polsterartig aufgebracht und durch TIG-Schweißung mit der Vertiefung 9 ver schweißt, wodurch ein polsterartig belegter Teil 5′, wie in Fig. 3B gezeigt gebildet wird. Dann wird der Zylinderkopf 1 einer Hitzebehandlung unterworfen (Härtung und Temperung). Danach wird der vorstehende Teil des bedeckten Teils 5′, so geschnitten, daß er die hochfeste Schicht 5 bildet, wie in Fig. 3C gezeigt.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Ein Zylinderkopf 1 wurde durch Gießen von Aluminiumlegierung gebildet, welche die in der folgenden Tabelle 1 mit Nr. 1 bezeichnete Zusammensetzung hatte, und eine hochfeste Legierung 5 wurde durch Aufbringen und Verschweißen einer Al- Cu Legierung der mit Nr. 3 bezeichneten Zusammensetzung in der folgenden Tabelle 1 gebildet. Der Zylinderkopf 1 wurde einer Hitzebehandlung unterworfen, nachdem der bedeckte Teil 5′, gebildet war, und zwar unter den folgenden Bedin gungen:
4 h lang bei 530°C gehalten, mit Wasser gehärtet und dann bei 180°C 6 h lang getempert.

In der so auf dem Ventilbrückenteil 4 des Zylinderkopfes 1 gebildeten, hochfesten Schicht 5 war die Metallstruktur tiefer mikronisiert als bei einem Wiederschmelz prozeß, und die Bindefestigkeit zwischen der hochfesten Schicht und dem Mutter material (Aluminiumlegierung) war ausreichend, während das thermische Ermü dungsverhalten und die Beständigkeit gegen Entbindung (also Ablösung) hoch gradig verbessert waren. Weiter wurde durch die Zugabe von 0,1 Gew.-% V und 0,15 Gew.-% Zr die Festigkeit der hochfesten Schicht bei hoher Temperatur weiter verbessert

Beispiel 2

In diesem Beispiel wurde eine hochfeste Schicht 5 auf einem Zylinderkopf 1 in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 ausgebildet mit der Ausnahme, daß eine Al-Cu Legierung als Bedeckungsmaterial verwendet wurde, die in Tabelle 1 mit Nr. 4 bezeichnet ist.

Obwohl die Al-Cu Legierung Nr. 4 1,0 Gew.-% Ni anstelle von 0,1 Gew.-% V und 0,15 Gew.-% Zr in der Legierung Nr. 3 enthielt, war das Verhalten der erhaltenen hochfesten Schicht 5 im wesentlichen das gleiche wie das der hochfesten Schicht 5, die in Beispiel 1 erhalten wurde.

Beispiel 3

In diesem Beispiel wurde eine hochfeste Schicht 5 auf einem Zylinderkopf 1 in der gleichen Weise ausgebildet wie in Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß eine Al-Cu Legierung der mit Nr. 5 bezeichneten Zusammensetzung in Tabelle 1 als Bedeckungsmaterial verwendet wurde.

Obwohl die Al-Cu Legierung Nr. 5 nicht 1,0% an V, Zr oder Ni enthielt, war das Verhalten der erhaltenen hochfesten Schicht 5 im wesentlichen das gleiche wie das der hochfesten Schicht 5, die in Beispiel 1 oder 2 erhalten wurde mit der Ausnahme, daß die Festigkeit der hochfesten Schicht bei hoher Temperatur etwas schlechter war.

Tabelle 1

Um die Wirkung der vorliegenden Erfindung zu beweisen, wurde eine Prüfung auf thermische Ermüdung durchgeführt. Wie in Fig. 4 gezeigt, umfaßte jedes der Prüfstücke 11, die im Ermüdungstest untersucht wurden, einen rechteckigen Block von 70 mm×150 mm×15 mm, der aus einem gegossenen Block genommen war, der durch Niederdruckguß erhalten war. Der rechteckige Block wurde mit einem Paar von Löchern 12 versehen, die 4 mm voneinander entfernt waren, um einen Ventilbrückenteil 13 zwischen ihnen zu simulieren.

Vier (erstes bis viertes Prüfstück) von sechs Prüfstücken wurden aus Alumini umlegierung gebildet, die eine Zusammensetzung hatte, wie sie als Nr. 1 in Tabelle 1 angegeben ist, und die anderen zwei Prüfstücke (fünftes und sechstes Prüfstück) wurden aus Aluminiumlegierung gebildet, welche die mit Nr. 2 in Tabelle 1 be zeichnete Zusammensetzung hatte. Das erste bis dritte Prüfstück wurden dann mit hochfesten Schichten auf den simulierten Ventilbrückenteilen 13 in der gleichen Weise wie in der Beispielen 1 bis 3 versehen. Das vierte bis sechste Prüfstück wurden als Kontrollen verwendet. Das vierte und fünfte Prüfstück wurden so verwendet, wie sie waren. Das sechste Prüfstück wurde einem Wiederschmelzver fahren am simulierten Ventilbrückenteil 13 unterworfen und dann unter den folgenden Bedingungen wärmebehandelt:
4 h lang bei 500°C gehalten, mit Wasser gehärtet und dann bei 180°C 6 h lang getempert.

Das erste bis sechste Prüfstück (Beispiel 1 bis Beispiel 3 und Kontrolle 1 bis Kontrolle 3) wurden thermischen Ermüdungsprüfungen unter Verwendung der Prüfmaschine unterworfen, die in Fig. 5 gezeigt ist. Die hochfesten Schichten der Beispiele 1 bis 3 waren 3 mm dick und die modifizierte Schicht der Kontrolle 3 war ebenfalls 3 mm dick.

Wie in Fig. 5 gezeigt, umfaßt die Prüfmaschine einen rotierenden Körper 14, auf dessen Umfangsoberfläche die Prüfstücke 11 befestigt waren, einen Sauerstoff- Propan-Brenner 15 zum Erhitzen der Prüfstücke 11, ein Wasserbad 16, das mit Kühlwasser W gefüllt ist, um die Prüfstücke 11 abzukühlen und ein Wasserreser voir 17 zur Versorgung des Wasserbades 16 mit Wasser. Der rotierende Körper 14 wurde gedreht, wobei die Prüfstücke 11 auf seiner Umfangsoberfläche aufge bracht waren, wodurch die Prüfstücke wiederholt abwechselnd Erhitzung durch den Brenner 15 und Abkühlung durch das Wasser W unterworfen wurden. Das thermische Ermüdungsverhalten der Prüfstücke wurde auf der Basis der Anzahl von Zyklen bewertet, welche die Prüfstücke durchmachten, bis sich Rißbildung in dem simulierten Ventilbrückenteil 13 über den simulierten Ventilbrückenteil 13 fortsetzte.

Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2

Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, waren die Beispiele 1 bis 3 den Kontrollen 1 bis 3 im thermischen Ermüdungsverhalten bei allen höchsten Temperaturen überlegen. Besonders die Beispiele 1 und 3 waren ausgezeichnet.

Claims

1. Aluminiumlegierungsteil, enthaltend einen Hauptkörper, der aus Alumini umlegierung gebildet ist und einen, den thermischen Streß konzentrierenden Teil hat und eine hochfeste Schicht, die durch Auflegen und Binden einer Al- Cu Legierung auf die Oberfläche des den thermischen Streß konzentrieren den Teils gebildet ist, wobei die Al-Cu Legierung einen höheren Solidus hat als den der Aluminiumlegierung, welche den Hauptkörper bildet.

2. Aluminiumlegierungsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-Cu Legierung 2,0 bis 7,0 Gew.-% Cu umfaßt.

3. Aluminiumlegierungsteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-Cu Legierung auch wenigstens eines der Metalle V, Zr und Ni umfaßt.

4. Aluminiumlegierungsteil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkörper in Form eines Zylinderkopfes vorliegt, der Ventilbrücken teile als den thermischen Streß konzentrierende Teile hat.

5. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumlegierungsteils, dadurch gekenn zeichnet, daß man einen Hauptkörper herstellt, der aus Aluminiumlegierung gebildet ist und einen den thermischen Streß konzentrierenden Teil hat und eine hochfeste Schicht auf dem den thermischen Streß konzentrierenden Teil ausbildet, indem man eine Al-Cu Legierung auf die Oberfläche des den thermischen Streß konzentrierenden Teils aufbringt und damit verbindet, wobei die Al-Cu Legierung einen höheren Solidus hat als den der Alumini umlegierung, welche den Hauptkörper bildet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkörper nach Ausbildung der hochfesten Schicht einer Wärmebehandlung unter worfen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-Cu Legierung 2,0 bis 7,0 Gew.-% Cu enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-Cu Legie rung zusätzlich wenigstens eines der Metalle V, Zr und Ni enthält.

9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß der Hauptkörper in Form eines Zylinderkopfes vorliegt, der Ventil brückenteile als den thermischen Streß konzentrierende Teile hat.