EP1972696A1 - Aluminium-Gusslegierung - Google Patents

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EP1972696A1 EP08002909A EP08002909A EP1972696A1 EP 1972696 A1 EP1972696 A1 EP 1972696A1 EP 08002909 A EP08002909 A EP 08002909A EP 08002909 A EP08002909 A EP 08002909A EP 1972696 A1 EP1972696 A1 EP 1972696A1
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C22C21/04—Modified aluminium-silicon alloys

Definitions

  • AlSiCu alloys AlSiMg alloys are mostly used, which have a favorable strength / expansion ratio after the heat treatment.
  • this alloy has the significant disadvantage that it has a very low heat resistance or aging resistance, which is expressed in the TMF (Thermo Mechanical Fatigue) or thermomechanical fatigue test by a low dynamic strength component.
  • the object of the invention is to provide a thermally shock resistant aluminum alloy good castability.
  • the Al cast alloy according to the invention has a good castability while avoiding, at least significant reduction of brittle phase components that promote the crack initiation and crack propagation in the thermo-mechanical fatigue. At the same time it has a high heat resistance / aging resistance. However, despite its high resistance to aging, it is associated with an output strength reduction to achieve high lifetimes.
  • the silicon content 4.5 to 6.0 wt.%, Brittle phases are avoided with sufficient castability.
  • the low copper content of at most 0.45, preferably at most 0.35 wt.% To avoid brittle phases, but at the same time ensures a low initial strength with sufficient heat resistance.
  • the castings of the invention alloy are preferably subjected to a heat treatment consisting of a solution annealing between 470 to 540 ° C, quenching with water and optionally air and then a hot curing for several hours at about 160 to 250 ° C.
  • the casting alloy according to the invention is particularly suitable for chill casting, especially for the core components of internal combustion engines, in particular the engine block / crankcase and cylinder head and, especially in the automotive industry. Due to the high heat resistance / aging resistance, it is particularly suitable for engine core components with constraint-intensive component geometry, ie for engines with closely spaced combustion chambers and tightly dimensioned valve webs.
  • the damage parameter (P SWT ) according to Smith, Watson and Topper was determined at a maximum temperature of 250 ° C and a minimum temperature of 50 ° C, which is a measure of the damage and derived for the aging resistance.
  • the load cycle time of the specimens was determined.
  • specimens were prepared from several cylinder heads, which were cast from the aforementioned AlSi7Mg alloy of the standard composition (DIN EN AB 42100) and subjected to the same heat treatment.
  • specimens were made of a plurality of cylinder heads made of an alloy similar to the AlSi7Mg alloy mentioned in the above-mentioned Comparative Example 1, except that instead of a copper content of less than 0.02 wt.%, a copper content of 0.45 to 0.55 wt.% had.
  • the damage parameter (P SWT ) and the number of cycles were determined under the same conditions as in Example 1.
  • alloy Damage parameter P SWT in MPa Load cycle number N example 0.29 to 0.38 2650 to 4100 AlSi5 Mean 0.35 Mean 3555
  • Example 1 0.22 to 0.27 1710 to 3300 AlSi 7Mg Mean 0.22 Mean 2555
  • Example 2 0.41 to 0.53 1580 to 2250 AlSi 7MgCu0,5 Mean 0.48 Means 1900
  • thermal conductivity of the alloy according to the invention was also determined. It is at the same high level as the thermal conductivity of the alloy 1 and significantly higher than that of the alloy according to Comparative Example 2.

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Abstract

Eine thermoschockbeständige Aluminium-Gusslegierung besteht aus:
4,5 bis 6,0 Gew.% Silizium,
0,20 bis 0,55 Gew.% Magnesium,
0 bis 0,20 Gew.% Titan,
weniger als 0,30 Gew.% Eisen,
Mangan max. 2/3 des Eisengehaltes,
0,10 bis 0,45 Gew.% Kupfer,
weniger als 0,07 Gew.% Zink,
Aluminium als Rest sowie unvermeidbare Verunreinigungen einzeln max. 0,03 Gew.%, insgesamt max. 0,1 Gew.%.

Description

  • Zur Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren werden neben AlSiCu-Legierungen meist AlSiMg-Legierungen verwendet, die nach der Wärmebehandlung ein günstiges Festigkeits/-Dehnungsverhältnis aufweisen.
  • Hierzu gehört z. B. die Legierung AlSi7Mg mit der Normzusammensetzung (DIN EN AB 42100):
    • Si: 6,5 bis 7,5 Gew.%
    • Mg: 0,30 bis 0,45 Gew.%
    • Ti: 0,10 bis 0,18 Gew.%
    • Fe: <0,15 Gew.%
    • Mn: <0,10 Gew.%
    • Cu: <0,02 Gew.%
    • Zn: <0,07 Gew.%.
  • Diese Legierung weist jedoch den entscheidenden Nachteil auf, dass sie eine sehr geringe Warmfestigkeit bzw. Alterungsbeständigkeit besitzt, die sich im TMF(Thermo Mechanical Fatigue)- bzw. thermomechanischen Ermüdungsversuch durch eine niedrige dynamische Festigkeitskomponente ausdrückt.
  • Um diesen Nachteil zu überwinden, ist es bekannt, Kupfer zuzugeben. So wird z. B. eine Legierung, die die vorstehend genannte AlSi 7Mg-Normzusammensetzung aufweist, jedoch einen Kupfergehalt von 0,45 bis 0,55 Gew.% besitzt, zur Herstellung von Zylinderköpfen eingesetzt.
  • Durch den erhöhten Kupfergehalt wird in diesen Legierungen jedoch ein höherer Anteil an unerwünschten, die Thermoschockbeständigkeit negativ beeinflussenden eutektischen Phasen gebildet. Zudem führen hohe Kupfergehalte aufgrund der hohen Ausgangsfestigkeit zu einer starken Anfangsschädigung.
  • Ferner ist es aus WO 2004/104240 A2 bekannt, durch Zugabe von Zirkon und Hafnium und aus DE 100 26 626 C1 durch Zugabe von Nickel die Warmfestigkeit zu erhöhen. Die Thermoschockbeständigkeit wird dadurch jedoch nicht verbessert.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine thermoschockbeständige Aluminiumlegierung guter Giessbarkeit bereitzustellen.
  • Dies wird erfindungsgemäß mit einer Aluminiumlegierung folgender Zusammensetzung erreicht:
    • 4,5 bis 6,0 Gew.% Silizium
    • 0,20 bis 0,55 Gew.%, vorzugsweise 0,25 bis 0,45 Gew.% Magnesium,
    • 0 bis 0,20 Gew.%, vorzugsweise 0,05 bis 0,10 Gew.% Titan, weniger als 0,30 Gew.%, vorzugsweise weniger als 0,15 Gew.% Eisen,
    • Mangan max. 2/3 des Eisengehaltes bezogen auf das Gewicht, 0,10 bis 0,45 Gew.%, vorzugsweise 0,15 bis 0,35 Gew.% Kupfer, weniger als 0,07 Gew.% Zink,
    • Aluminium als Rest und unvermeidbare Verunreinigungen einzeln max. 0,03 Gew.%, insgesamt max. 0,1 Gew.%.
  • Die erfindungsgemäße Al-Gusslegierung weist eine gute Giessbarkeit bei gleichzeitiger Vermeidung, jedenfalls deutlicher Reduzierung von spröden Phasenbestandteilen auf, die die Rissauslösung und Rissausbreitung bei der thermomechanischen Ermüdung begünstigen. Zugleich besitzt sie eine hohe Warmfestigkeit/Alterungsbeständigkeit. Trotz ihrer hohen Alterungsbeständigkeit ist sie jedoch mit einer Ausgangsfestigkeitsreduzierung zur Erzielung hoher Lebensdauern verbunden.
  • Durch den Siliziumgehalt von 4,5 bis 6,0 Gew.% werden spröde Phasen bei ausreichender Giessbarkeit vermieden. Auch führt der geringe Kupfergehalt von höchstens 0,45, vorzugsweise höchstens 0,35 Gew.% zur Vermeidung spröder Phasen, gewährleistet jedoch zugleich bei ausreichender Warmfestigkeit eine niedrige Ausgangsfestigkeit.
  • Die Gussstücke aus der erfindungsgemäßen Legierung werden vorzugsweise einer Wärmebehandlung, bestehend aus einem Lösungsglühen zwischen 470 bis 540°C, einem Abschrecken mit Wasser und gegebenenfalls Luft und anschließend einem Warmaushärten für mehrere Stunden bei etwa 160 bis 250°C unterworfen.
  • Die erfindungsgemäße Gusslegierung ist insbesondere für den Kokillenguss geeignet, vor allem für die Kernbauteile von Verbrennungsmotoren, insbesondere den Motorblock/Kurbelgehäuse und Zylinderkopf und, insbesondere in der Automobilindustrie. Aufgrund der hohen Warmfestigkeit/Alterungsbeständigkeit ist sie insbesondere für Motorkernbauteile mit zwängungsintensiver Bauteilgeometrie geeignet, also für Motoren mit eng benachbarten Brennräumen und eng bemessenen Ventilstegen.
    • Beispiel
  • Es wurden mehrere erfindungsgemäße Legierungen mit der vorstehend angegebenen, bevorzugten Zusammensetzung hergestellt. Aus den Legierungen wurden jeweils Zylinderköpfe gegossen. die Zylinderköpfe wurden einem Lösungsglühen zwischen 470° und 540°C, einem Abschrecken mit Wasser und anschließend einem Warmaushärten für mehrere Stunden bei 160° bis 250°C unterworfen.
  • Von den Zylinderköpfen wurden Probestücke aus dem Stegbereich entnommen, mit denen TMF-Versuche durchgeführt wurden. Dazu wurde bei einer maximalen Temperatur von 250°C und einer minimalen Temperatur von 50°C der Schädigungsparameter (PSWT) nach Smith, Watson und Topper bestimmt, der ein Mass für die Schädigung und abgeleitet für die Alterungsbeständigkeit darstellt. Zum anderen wurde die Lastspielzeit der Probestücke ermittelt.
    • Vergleichsbeispiel 1
  • In gleicher Weise wie nach dem vorstehenden Beispiel wurden Probestücke aus mehreren Zylinderköpfen hergestellt, die aus der eingangs genannten AlSi7Mg-Legierung der Normzusammensetzung (DIN EN AB 42100) gegossen und der gleichen Wärmebehandlung unterworfen worden sind.
  • Für diese Probestücke wurde unter den gleichen Bedingungen wie nach dem Beispiel 1 der Schädigungsparameter (PSWT) und die Lastspielzahl ermittelt.
    • Vergleichsbeispiel 2
  • In gleicher Weise wie nach dem vorstehenden Beispiel und dem Vergleichsbeispiel 1 wurden Probestücke aus mehreren Zylinderköpfen hergestellt, die aus einer Legierung hergestellt worden sind, die der eingangs genannten, auch im Vergleichsbeispiel 1 verwendeten AlSi7Mg-Legierung entsprachen, abgesehen davon, dass sie anstelle eines Kupfergehaltes von weniger als 0,02 Gew.%, einen Kupfergehalt von 0,45 bis 0,55 Gew.% aufwiesen.
  • Für die Probestücke wurde unter den gleichen Bedingungen wie nach dem Beispiel 1 der Schädigungsparameter (PSWT) und die Lastspielzahl ermittelt.
  • In der nachstehenden Tabelle sind die Ergebnisse der Versuche wiedergegeben.
    Legierung Schädigungsparameter PSWT in MPa Lastspielzahl N
    Beispiel 0,29 bis 0,38 2650 bis 4100
    AlSi5 Mittel 0,35 Mittel 3555
    Vergl.Beispiel 1 0,22 bis 0,27 1710 bis 3300
    AlSi 7Mg Mittel 0,22 Mittel 2555
    Vergl.Beispiel 2 0,41 bis 0,53 1580 bis 2250
    AlSi 7MgCu0,5 Mittel 0,48 Mittel 1900
  • Es ist ersichtlich, dass mit der erfindungsgemäßen AlSi5-Legierung nach dem Beispiel bei guten PSWT-Werten eine deutliche Erhöhung der Lastspielzahl erreicht wird. Zwar ist mit der AlSi7MgCu0,5-Legierung nach dem Vergleichsbeispiel 2 der PSWT-Wert verbessert, jedoch ist die Lastspielzahl wesentlich herabgesetzt. Bei der AlSi 7Mg-Legierung nach dem Vergleichsbeispiel 1 ist sowohl der Schädigungsparameter wie die Lastspielzahl wesentlich schlechter.
  • Erwähnt sei, dass auch die Wärmeleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung bestimmt wurde. Sie liegt auf gleich hohem Niveau wie die Wärmeleitfähigkeit der Legierung 1 und deutlich über der der Legierung nach dem Vergleichsbeispiel 2.

Claims (2)

  1. Aluminium-Gusslegierung, bestehend aus
    4,5 bis 6,0 Gew.% Silizium,
    0,20 bis 0,55 Gew.% Magnesium,
    0 bis 0,20 Gew.% Titan,
    weniger als 0,30 Gew.% Eisen,
    Mangan max. 2/3 des Eisengehaltes,
    0,10 bis 0,45 Gew.% Kupfer,
    weniger als 0,07 Gew.% Zink,
    Aluminium als Rest sowie unvermeidbare Verunreinigungen einzeln max. 0,03 Gew%, insgesamt maximal 0,1 Gew.%
  2. Aluminium-Gusslegierung, gekennzeichnet durch
    0,25 bis 0,45 Gew.% Magnesium,
    0,05 bis 0,10 Gew.% Titan,
    weniger als 0,15 Gew.% Eisen, und/oder
    0,15 bis 0,35 Gew.% Kupfer.
EP20080002909 2007-03-15 2008-02-16 Verwendung einer Aluminium-Gusslegierung zur Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren Active EP1972696B1 (de)

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