EP1215295B1

EP1215295B1 - Aushärtbare Aluminium-Gussliegerung und Bauteil

Info

Publication number: EP1215295B1
Application number: EP01127698A
Authority: EP
Inventors: Andreas Dr. Barth; Mohamed Dr. Douaoui
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2021-11-21
Also published as: US20020088509A1; DE10062547A1; DE50110140D1; US6676775B2; EP1215295A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminium Gusslegierung nach Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zu Herstellung eines Bauteils nach Patentanspruch 3.
Aus der DE 44 04 420 A1 ist eine aushärtbare Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung:

8,0 bis 10,9 Gew.% Silizium,
0,8 bis 2,0 Gew.% Magnesium,
4,0 bis 5,9 Gew.% Kupfer
1,0 bis 3,0 Gew.% Nickel,
0,2 bis 0,4 Gew.% Mangan

Diese Legierung ist insbesondere für Kolben in Verbrennungsmotoren gedacht. Der relativ hohe Siliziumanteil führt zu einer guten Verschleißbeständigkeit und hoher Festigkeit auch bei hohen Temperaturen. Die übrigen Legierungselemente verhindern die Ausbildung von scharfen Primärsilizium-Kristallen, die unter Wechselbelastung die Ausgangspunkte von Ermüdungsbrüchen bilden. Allerdings weißen derartige Bauteile lediglich begrenzte Bruchdehnungen auf.
Die DE 42 15 160 C2 beschreibt eine Aluminiumlegierung für Druckgussanwendungen, die eine gute Entformbarkeit eines Bauteils aus der Druckgussform gewährleistet. Sie weist neben 99,7% reinem Hüttenaluminium folgende Zusammensetzung auf:

5,0 bis 12,0 Gew.% Silizium,
0 bis 0,8 Gew.% Magnesium,
weniger als 0,01 Gew.% Kupfer
weniger als 0,2 Gew.% Eisen,
0,1 bis 0,5 Gew.% Kobalt.

Aus der CH-A-168 202 sind Legierungen bekannt mit einer Zusammensetzung in Gew.% von 8 bis 15 % Si, 0,1 bis 0,6 % Mg und bis zu 1 % Ni oder Co.
Im Allgemeinen wird für die Herabsetzung der Haftung zwischen dem Bauteil und der Gießform der Legierung Eisen zugegeben, das jedoch bei höheren Konzentrationen die Sprödigkeit des Bauteils erhöht. Insbesondere das Kobalt zeigt hier die funktionale Eigenschaft, die Klebeeigenschaften des Bauteils an der Gießform zu verringern, ohne die Sprödigkeit zu erhöhen. Somit kann der Eisenanteil stark reduziert werden.
Die bereits angesprochene Sprödigkeit der Legierung, die auf verschieden Legierungselemente zurückzuführen ist und als Kompromiss in verschiedenen Anwendungen akzeptabel ist, führt bei bestimmten, hoch belasteten Bauteilen zum Versagen. Dies gilt insbesondere für Motorenbauteile wie Zylinderköpfe oder Zylinderkurbelgehäuse. Hier wirken besonders hohe Temperaturen und Drücke und Wechselbelastungen. Hinzu kommt, dass komplexe Geometrien in hohem Maße Kerbwirkungen hervorrufen. In diesen Fällen ist eine außerordentlich hohe Duktilität des Werkstoffes erforderlich, um ein Bauteilversagen zu vermeiden. Dies gilt insbesondere bei modernen Hochleistungsmotoren, bei denen die Belastungen in den Zylinderköpfen stetig am steigen sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, eine Legierung bereitzustellen, aus der Bauteile resultieren, die eine hohe Warmfestigkeit, eine hohe Bruchdehnung, eine hohe Duktilität bei einer geringen Korrosionsneigung aufweisen.
Die Aufgabe wird durch eine Legierung nach Patentanspruch 1 und einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Patentanspruch 3 gelöst.
Die erfindungsgemäße Legierung nach Patentanspruch 1 weist einen Siliziumanteil auf, der zwischen 5 % und 10 % liegt. Ein niedrigerer Siliziumanteil würde die Gießbarkeit der Legierung beeinträchtigen. Ein höherer Siliziumanteil führt zu einer Materialversprödung. Besonders bevorzugt liegt der SiliziumAnteil zwischen 6,5 % und 7,5 %.
Das Legierungselement Magnesium bildet zusammen mit dem Silizium Mg₂Si-Kristalle (Magnesiumsilizid), die festigkeitssteigernd wirken. Bei einem Magnesiumanteil unterhalb der erfindungsgemäßen Untergrenze weist das resultierende Bauteil eine zu geringe Festigkeit auf, oberhalb von 0,35 % Magnesium führen die Mg₂Si-Kristalle zu einer zu hohen Sprödigkeit.
Das Legierungselement Nickel bildet zusammen mit dem Aluminium intermetallische Phasen, wie z. B. Al₃Ni (Nickelaluminid) die die Warmfestigkeit erhöhen und erst bei Temperaturen über 800° C kongruent schmelzen (im Gegensatz zu Al₂Cu (Kupferaluminid), das sich bei kupferhaltigen Legierungen bildet und bereits unterhalb von 600° C schmilzt). Zudem wirken sich die Phasen, die Aluminium und Nickel enthalten, nicht negativ auf die Duktilität des Materials aus. Der Nickel-Anteil an der erfindungsgemäßen Legierung liegt zwischen 0,3 % und 3 %, bevorzugt zwischen 0,5 % und 2,5 %.
Es ist möglich, der erfindungsgemäßen Legierung Kobalt als Legierungselement zuzugeben. Kobalt bildet ebenfalls intermetallische Verbindungen auf der Basis von Aluminium und Kobalt, ähnlich wie die Verbindungen auf Basis von Aluminium und Nickel, die die Warmfestigkeit erhöhen. Die erfindungsgemäße Legierung kann Kobalt zwischen 0,6 Gew. % und 3 Gew. % enthalten.
Auf Eisen, durch das die Bruchdehnung reduziert wird, kann in der erfindungsgemäßen Legierung verzichtet werden. Das selbe gilt für das Kupfer als Legierungselement, das die Korrosionsbeständigkeit verschlechtert.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Patentanspruch 3. Das Bauteil wird aus einer Legierung gegossen, die bereits im Patentanspruch 1 beschrieben wird und die Vorteile aufweist, die aus dieser Legierung resultieren.
Eine Wärmebehandlung des Bauteils vorzugsweise nach einem Lösungsglühen führt zu einer Ausscheidungshärtung (Warmaushärten) einer Al-Matrix (durch die das Bauteil bildet ist) indem gezielt intermetallischen Phasen wie z. B. das genannte Mg₂Si oder das Al₃Ni ausgeschieden werden. Die Ausscheidungshärtung erfolgt in einem Temperaturintervall zwischen 160° C und 240° C für eine Dauer von 0,2 h bis 10 h. Besonders bevorzugt erfolgt die Ausscheidungshärtung in einem Temperaturintervall zwischen 180° C und 220° C für eine Dauer von 0,5 h bis 8 h. Die Dauer der Temperaturbehandlung hängt von der Temperatur ab, bei höheren Temperaturen verkürzt sich die Wärmebehandlung erheblich.
Das Bauteil, das durch die erfindungsgemäße Legierung dargestellt wird, ist bevorzugt als Sandguß- oder Kokillenguß-Bauteil ausgebildet, da so die bereits genannte Wärmebehandlung erleichtert wird. Für ein Bauteil, das im Druckgießverfahren hergestellt wird, ist die Wärmebehandlung auf Grund von Lufteinschlüssen nicht ohne Weiteres möglich. In diesem Fall müßte ein, verfahrenstechnisch aufwendigeres Vakuumdruckgießverfahren angewandt werden.
Besonders zweckmäßig ist das erfindungsgemäße Bauteil als Zylinderkopf oder als Zylinderkurbelgehäuse in einem Verbrennungsmotor ausgestaltet. In diesen Bauteilen, insbesondere in Zylinderköpfen treten sehr hohe Drücke bei hohen Temperaturen auf. Hinzu kommt, dass diese Bauteile sehr komplexe Geometrien aufweisen wie z. B. an den Ventilstegen im Zylinderkopf oder an den Kühlkanälen im Zylinderkurbelgehäuse. Diese Konstruktionen wirken gerade bei den hohen Temperaturen, Drücken und Wechselbelastung als Kerben und Bruchausgangsstellen. Eine besonders hohe Bruchdehnung in Kombination mit einer erhöhten Warmfestigkeit bietet hier einen erheblichen Vorteil.
Die Ausgestaltung der Erfindung wird im folgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1,: das schematische Aushärtverhalten eines Bauteils als Funktion der Zeit, bei einer Temperatur T1.
Fig. 2,: das schematische Aushärtverhalten eines Bauteils als Funktion der Zeit, bei einer Temperatur T2, wobei T2 größer als T1 ist.

Ein Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors wird im Kokollengießverfahren mit der erfindungsgemäßen Legierung gegossen. Die Gießparameter entsprechen der üblichen verfahrensbedingten Prozeßführung.
Nach dem Gießen und nach dem Abkühlen weist das Bauteil eine grobe Kornstruktur von Mischkristallen auf, da Aluminium gegenüber den meisten Legierungselementen bei Raumtemperatur eine sehr geringe Löslichkeit aufweist. Aus diesem Grund erfolgt nun ein Lösungsglühen des Bauteils für ca. 4 -5 h bei einer Temperatur von ca. 540° C. Bei diesem Schritt lösen sich die Legierungselemente in der Aluminiummatrix. Anschließend wird das Bauteil in Wasser abgeschreckt, wobei die Legierungselemente in der Aluminiummatrix gelöst bleiben.
Im Weiteren erfolgt ein Auscheidungshärten, bei dem die in der Aluminiummatrix gelösten Elemente unter Bildung von Mischkristallen aus der Matrix kontrolliert ausscheiden. Dies erfolgt bei einer Temperatur von 220° C über 0,5 Stunden. Alternativ hierzu kann das Ausscheidungshärten bei 180° C für 8 Stunden erfolgen. Die Phasen, die sich beim Ausscheidungshärten bilden (Ausscheidungen)sind intermetallische Verbindungen, diese beinhalten unter anderem Mg₂Si, das die Festigkeit des Bauteils steigert und Al₃Ni (oder andere ternäre und/oder quarternäre intermetallische Verbindungen auf Basis von Aluminium und Nikkel) das auf Grund seiner hohen Schmelztemperatur die Warmfestigkeit des Bauteils erhöht.
Die Festigkeit und die Duktilität des Bauteils ist durch die Temperaturführung und der Dauer der Temperaturbehandlung einstellbar, was, wie erwähnt, auf die ausgeschiedenen Kristall (z. B. die intermetallische Verbindungen Mg₂Si und Al₃Ni) zurückzuführen ist.
Ebenso wirkt sich die Größe der Mg2Si und Al3Ti-Ausscheidungen, die ebenfalls durch die Wärmebehandlung beeinflußt werden auf die Bauteileigenschaften aus, was im Folgenden erläutert wird.
In Fig. 1 und Fig. 2 ist schematisch die Festigkeit σ des Bauteils (linke y-Achse) und die Bruchdehnung ε (rechte y-Achse, gestrichelt) als Funktion der Dauer der Wärmebehandlung t dargestellt. Die Figuren 1 und 2 unterscheiden sich in der Temperatur T der Wärmebehandlungen, wobei T von Figur 1 kleiner ist als T von Figur 2. Die durchgezogenen Kurven 1 und 3 zeigen schematisch den Verlauf der Festigkeit σ, die gestrichelten Linien 2 und 4 den Verlauf der Bruchdehnung ε.
Abhängig von der Temperatur erreicht die Bauteilfestigkeit nach einer bestimmten Dauer der Wärmebehandlung ein Maximum. Dieser Zustand wird im Allgemeinen T6 genannt, das Bauteil weist hier eine sehr feine Struktur der Ausscheidungen auf. Gleichzeitig erreicht die Bruchdehnung im T6 Zustand ein Minimum. Wird die Wärmebehandlung nach Erreichen des T6-Zustandes fortgesetzt, tritt eine sogenannte Überhärtung ein, was als T7-Zustand bezeichnet wird. Der T7-Zustand hat den Vorteil, dass auf Grund der gröberen Struktur der Ausscheidungen, die sich in diesem Zustand einstellt, die Bruchdehnung wieder zunimmt.
Die Bezeichnungen T6 und T7 sind feststehende Fachbegriffe, T steht in diesen Bezeichnungen nicht für Temperatur.
Bei der Wärmebehandlung des erfindungsgemäßen Bauteils ist darauf zu achten, dass sowohl die Festigkeit als auch die Bruchdehnung den Anforderungen an das Bauteil entsprechen. Im Allgemeinen ist aufgabenbezogen der Zustand T7 mit einer möglichst hohen Bruchdehnung anzustreben.
Ein Vergleich von Figur 1 und Figur 2 zeigt, dass die Maxima und Minima des T6-Zustandes bei einer höheren Temperatur (Figur 2) deutlich stärker ausgeprägt sind und früher erreicht werden als bei niedrigeren Temperaturen (Figur 1). Die Phasenbildung ist bei höheren Temperaturen jedoch schwerer zu kontrollieren. Die beschriebene Wärmebehandlung von 220° C für 1,2 h stellt einen Kompromiss dieser Aspekte dar.
Die Legierungselemente Silizium und Magnesium bewirken eine Festigkeitssteigerung und eine Verschiebung der Kurven 1 und 3 nach oben. Im Gegenzug werden durch diese Elemente die Kurven 2 und 4 nach unten verschoben, was sich negativ auf die Bruchdehnung auswirkt. Überraschenderweise konnte festgestellt werden, dass sowohl Nickel als auch Kobalt als Legierungselemente die Kurven 1 und 3 nach oben verschieben, ohne eine negative Auswirkung auf die Bruchdehnung auszuüben.
Somit führt die Zugabe von Nickel und/oder Kobalt an sich, insbesondere jedoch in Kombination mit einer kontrollierten Wärmebehandlung, durch die sich die gewünschten Ausscheidungen von Verbindungen auf der Basis von Aluminium und Nickel bzw. Aluminium und Kobalt bilden und die vorteilhafte Kornstruktur eingestellt wird, zu der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe.

Claims

Aushärtbare Aluminium-Gusslegierung
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung neben Aluminium als funktionale Elemente
5 bis 7,5 Gew.% Silizium,

0,2 bis 0,35 Gew.% Magnesium,

0,3 bis 3 Gew.% Nickel

und/oder 0,6 bis 3 Gew. % Kobalt,
Rest Al sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen enthält.
Aushärtbare Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung neben Aluminium als funktionale Elemente
6,5 bis 7,5 Gew.% Silizium,

0,2 bis 0,35 Gew.% Magnesium,

0,5 bis 2,5 Gew.% Nickel,
Rest Al sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteil aus einer Aluminiumlegierung,
dadurch gekennzeichnet, dass
• für das Bauteil eine Legierung gewählt wird, die neben Aluminium als funktionale Elemente
5 bis 7,5 Gew.% Silizium,

0,2 bis 0,35 Gew.% Magnesium,

0,3 bis 3 Gew.% Nickel
und/oder 0,6 bis 3 Gew. % Kobalt,
Rest Al sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen aufweist und

• dass das Bauteil Phasen enthält, die Aluminium und Nickel und/oder Aluminium und Kobalt aufweisen und in Form von binären und/oder ternären und/oder quaternären intermetallischen Verbindungen vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
• für das Bauteil eine Legierung gewählt wird, die neben Aluminium als funktionale Elemente
6,5 bis 7,5 Gew.% Silizium,

0,2 und 0,35 Gew.% Magnesium und

0,5 und 2,5 Gew.% Nickel
aufweist und

• dass das Bauteil Phasen enthält, die Aluminium und Nickel aufweisen und in Form von binären und/oder ternären und/oder quaternären intermetallischen Verbindungen vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil bei einer Temperatur zwischen 160° C und 240° C 0,2 bis 10 h warmausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil bei einer Temperatur zwischen 180° C und 220° C 0,5 bis 8 h wärmebehandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil in einem Sandgieß- oder Kokillengieß- oder Vakuumdruckgießverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Zylinderkopf oder ein Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors gebildet wird.