EP2173916A2 - Aluminium-gusslegierung und deren verwendung - Google Patents

Aluminium-gusslegierung und deren verwendung

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Publication number
EP2173916A2
EP2173916A2 EP08773992A EP08773992A EP2173916A2 EP 2173916 A2 EP2173916 A2 EP 2173916A2 EP 08773992 A EP08773992 A EP 08773992A EP 08773992 A EP08773992 A EP 08773992A EP 2173916 A2 EP2173916 A2 EP 2173916A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
alloy
aluminum
casting
alloy according
weight
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08773992A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Babette Tonn
Hennadiy Zak
Mehdi Asadi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Clausthal
Original Assignee
Technische Universitaet Clausthal
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Clausthal filed Critical Technische Universitaet Clausthal
Publication of EP2173916A2 publication Critical patent/EP2173916A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/043—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with silicon as the next major constituent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/90—Alloys not otherwise provided for
    • F05C2201/903—Aluminium alloy, e.g. AlCuMgPb F34,37

Definitions

  • the present invention relates to a new high and heat resistant aluminum-silicon casting alloy with high thermal conductivity, which is suitable for the production of engine components, in particular for casting cylinder heads and cylinder crankcases.
  • AI casting alloys are known in particular in engine construction. AI castings are widely used because of their low specific gravity, ease of molding and ease of processing. Also, through various casting methods, complicated workpieces such as e.g. Make pistons, cylinder heads, crankcases or engine blocks.
  • a proven alloy group for the production of engine components are Al-Si alloys. These materials are typically with silicon contents between 4.5 and 18 wt .-%, in some cases up to 24 wt .-%, and with admixtures of magnesium 0.1 to 1, 5 wt.%, Copper between 1 and 4 wt.
  • the improvement of the mechanical strength is in this case a deterioration of the thermal shock resistance and the fatigue behavior due to excessive contents on alloying elements such as silicon, copper, magnesium.
  • the cylinder heads are subject to high thermo-mechanical loads under operating stress. Since the heat dissipation one of the essential
  • the thermal conductivity can affect its life more than the increase in strength or ductility of the cylinder head alloy.
  • the patent DE 199 25 666 C1 discloses an aluminum cylinder head alloy with 6.80 to 7.20 wt .-% silicon, 0.35 to 0.45 wt .-% magnesium, 0.35 to 0.45 wt .-% Iron, 0.30 to 0.40 wt% copper, 0.45 to 0.55 wt% nickel and 0.11 to 0.15 wt% titanium.
  • the too low copper content of this alloy can not meet the high demands on the heat resistance at temperatures above 250 ° C. With long-term thermal stress already above 150 ° C., strength losses of more than 30% occur.
  • the aluminum-silicon alloys from the group EN AC-45000 to EN AC-45400 are known. These alloys contain from 4.5 to 7% by weight of silicon, from 1 to 5% by weight of copper, from 0.5 to 1% by weight of iron, from 0.05 to 0.65% by weight of magnesium and from 0.15 to 2% by weight of zinc. Although these alloys have good mechanical properties due to the high copper and magnesium contents, they have poor thermal conductivity.
  • DE 691 10 018 T2 discloses a high-strength cast aluminum alloy with 2.5 to 4.4 wt.% Si, 1, 5 to 2.5 wt.% Cu and 0.2 to 0.5 wt.% Mg, which should improve the alloy in terms of toughness and strength.
  • this alloy is not satisfactory in terms of its thermal conductivity.
  • the invention has for its object to provide a suitable for the production of engine components alloy having a high thermal conductivity, high strength, heat resistance, good creep strength and sufficient ductility with low susceptibility to corrosion and is also inexpensive.
  • This object is achieved by targeted adjustment of a silicon content of 2.6 to 4.5 wt .-% of a copper content of 0.5 to 3 wt .-% of a magnesium content of 0.001 to 0.3 wt.% Of a zirconium content of
  • alloy Barium, nitrogen, carbon dissolved, wherein the alloy is preferably a
  • thermo-mechanical properties is when the alloy contains from 0.001 to 0.19% by weight of magnesium.
  • the silicon content is particularly preferably 3.0 to 4.5 wt .-%.
  • thermo-mechanical behavior HCF and TMF
  • the thermal conductivity of the alloy at 250 0 C is at least 190 W / mK, more preferably at least 198 WVmK, that is adjusted thereto.
  • the silicon content according to the invention By adjusting the silicon content according to the invention, it is possible to set the concentration limits of important strength-increasing alloying elements, such as copper, titanium, zirconium, iron, manganese, chromium, cobalt, molybdenum and depending on the application of other transition elements relatively high, without affecting the thermal conductivity noticeably.
  • the alloy according to the invention has excellent thermal conductivity values, which represent an important life-time criterion when using the cylinder head alloys. This gives better thermal shock resistance and better fatigue behavior under thermomechanical stress for this alloy.
  • the elements silicon, magnesium, manganese, iron, cobalt, copper, zinc, nickel, vanadium, niobium, molybdenum, chromium, tungsten, beryllium, lead, lithium, yttrium, cerium, scandium, hafnium, silver, zirconium, titanium, Boron, strontium, sodium, potassium, calcium, antimony, sulfur, barium, nitrogen, carbon, it is possible to tailor the properties of the alloy according to the invention to the intended use. For example, the additions of transition elements give the casting a high creep strength and structural strength at elevated temperature, so that no distortion is to be expected during demoulding.
  • the alloy contains at least 0.01, more preferably at least 0.03, more preferably at least 0.1, even more preferably at least 0.2% by weight zirconium.
  • AI3Zr Phases of high thermal stability by the presence of the dispersion hardening is maintained at temperatures between 150 0 C and 400 0 C and contributes to the thermo-mechanical stability of the casting alloy according to the invention.
  • zirconium converts the plate-shaped intermetallic phases, which are particularly in the presence of iron, into Chinese-type forms, which also contributes to improving the elongation at break and thermal conductivity of the alloy according to the invention.
  • the zirconium content of the alloy is preferably from 0.001 to 0.8% by weight, more preferably from 0.03 to 0.8% by weight, more preferably from 0.1 to 0.8% by weight, further preferably from 0.2 to 0.8 wt .-%, more preferably 0.3 to 0.5 wt .-%, more preferably 0.001 to 0.5 wt .-%, further preferably 0.03 to 0.5 wt .-%.
  • Copper (Cu) preferably in an amount of 0.5 to 3 wt .-%, in particular 1 to
  • Iron (Fe) preferably in an amount of 0 to 1, 4 wt .-%, in particular 0.2 to
  • Manganese (Mn) preferably in an amount of 0.001 to 0.6 wt .-%, in particular
  • Titanium (Ti) preferably in an amount of 0.001 to 0.3 wt .-%, in particular 0.1 to 0.2 wt .-%;
  • Co Co
  • Co Co preferably in an amount of 0.001 to 0.5 wt .-%, in particular 0.1 to 0.4 wt .-%;
  • Chromium (Cr) preferably in an amount of 0.001 to 0.5 wt .-%, in particular
  • Beryllium (Be) preferably in an amount of 0.0001 to 0.2 wt .-%, in particular 0.005 to 0.1 wt .-%;
  • Zinc (Zn) preferably in an amount of 0.001 to 3 wt .-%, in particular 0.3 to 2 wt .-%;
  • Tungsten (Wo) preferably in an amount of 0.001 to 0.6 wt .-%, in particular
  • Nickel (Ni) preferably in an amount of 0.001 to 1, 5 wt%, in particular 0.5 to 1, 0 wt .-%;
  • Vanadium (V) preferably in an amount of 0.001 to 0.3 wt .-%, in particular
  • Hafnium (Hf) preferably in an amount of 0.0001 to 0.2 wt .-%, in particular
  • Niobium (Nb) preferably in an amount of 0.0001 to 0.3 wt .-%, in particular
  • Lead (Pb) preferably in an amount of 0.0001 to 0.2 wt .-%, in particular
  • Strontium (Sr) preferably in an amount of 0.0001 to 0.06 wt .-%, in particular 0.005 to 0.04 wt .-%;
  • Sodium (Na) preferably in an amount of 0.0001 to 0.01, especially 0.002 to 0.005 wt .-%;
  • Calcium (Ca) preferably in an amount of 0.0001 to 0.006 wt .-%, in particular 0.002 to 0.004 wt .-%; Boron (B) preferably in an amount of 0.0001 to 0.08, in particular 0.01 to
  • Cer (Ce) preferably in an amount of 0.0001 to 0.4 wt .-%, in particular 0.05 to 0.3 wt .-%
  • Scandium (Sc) preferably in an amount of 0.0001 to 0.6 wt .-%, in particular 0.05 to 0.3 wt .-%
  • Carbon preferably in an amount of 0.0001 to 0.006 wt .-%, in particular 0.0005 to 0.003 wt .-%;
  • Nitrogen (N) preferably in an amount of 0.0001 to 0.006 wt .-%, in particular 0.0005 to 0.003 wt .-%.
  • the alloy according to the invention may contain from 0.1 to 1.4% by weight of iron.
  • the high iron content in die casting is used to reduce the adhesion tendency.
  • Al-Si eutectic and the precipitation of Al 2 Cu and Mg 2 Si phases in the alloy according to the invention which in turn are influenced by a suitable heat treatment.
  • the limitation of the magnesium content to a maximum of 0.3 wt .-%, preferably 0.19 wt .-%, causes the elongation values of the alloy according to the invention in the casting state does not fall below 4%.
  • the magnesium content In order to achieve a significantly higher elongation, however, the magnesium content must be limited to a maximum of 0.15% by weight, more preferably to a maximum of 0.1% by weight.
  • the setting of the lowest possible magnesium contents also ensures at the same time excellent thermal conductivity of the alloy according to the invention.
  • a certain amount of titanium or boron and / or carbon in combination with titanium is used for grain refining, the addition of these elements with aluminum-titanium, aluminum-boron, aluminum-titanium-boron and aluminum-titanium-carbon Pre-alloys takes place.
  • the ⁇ -aluminum mixed crystal can also be grain-refined by zirconium additions of 0.2 to 0.8 wt%.
  • a good grain refining contributes significantly to the improvement of the mechanical properties and castability of the alloy according to the invention.
  • the master alloys AITi6, AIB4, AITi3C0,15, AIZMO and AITiI, 8B1, 8 were particularly effective.
  • the melt can be degassed by flushing gas, purge gas tablets or by vacuum.
  • castings produced from the alloy according to the invention can be subjected to all heat treatments.
  • Exemplary embodiment chill casting
  • the above-mentioned alloy was used in a mold according to DIN 29531 at the casting temperature of
  • the drained sample rods were stored ahead of an additional 100 hours at 250 0 C for all alloys.
  • Table 1 gives a comparison of the alloy according to the invention with conventional alloys for engine components.
  • the determination of the thermal diffusivity was carried out with a laser flash apparatus.
  • the specific heat capacity was determined with a high-temperature calorimeter.
  • Table 1 gives a comparison of the alloy according to the invention with conventional alloys for engine components.

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Abstract

Die neue hoch- und warmfeste Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit guter Wärmeleitfähigkeit ist besonders zur Herstellung von Motorenbauteilen insbesondere zum Gießen von Zylinderköpfen und Zylinderkurbelgehäusen geeignet und besitzt folgende Zusammensetzung: 2,6 bis 4,5 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 3 Gew.-% Kupfer, 0,001 bis 0,3 Gew.-% Magnesium, 0,001 bis 0,8 Gew.-% Zirkonium, gegebenenfalls eines oder mehrerer der Elemente Mangan, Eisen, Kobalt, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Beryllium, Lithium, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Titan, Strontium, Natrium, Kalium, Calcium, Antimon, Schwefel, Barium, Bor, Stickstoff und Kohlenstoff in Summe von 0 bis 4 Gew.-% und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen, bei einer durch die oben angegebene Zusammensetzung eingestellten Wärmeleitfähigkeit bei 250 °C von mehr als 178 W/mK.

Description

Aluminium-Gusslegierung und deren Verwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue hoch- und warmfeste Aluminium- Silizium-Gusslegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die zur Herstellung von Motorenbauteilen insbesondere zum Gießen von Zylinderköpfen und Zylinderkurbelgehäusen geeignet ist.
Zur Reduzierung von Emissionen und Kraftstoffverbrauch sowie Steigerung der Motorleistung sind in den letzten Jahren die Verbrennungsdrücke und Verbrennungstemperaturen der Brennstoffmotoren bzw. Verbrennungskraftmaschinen, vor allem im Dieselmotor, gestiegen. Dies führte zu erhöhten Anforderungen an die thermomechanischen Belastungen für Motorenkomponenten.
Im Stand der Technik sind insbesondere im Motorenbau AI-Gusslegierungen bekannt. AI-Gussteile finden aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichts, der einfachen Formgebung und leichten Verarbeitbarkeit vielseitig Verwendung. Ebenfalls lassen sich über verschiedene Gießverfahren komplizierte Werkstücke, wie z.B. Kolben, Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse oder Motorblöcke herstellen.
Eine bewährte Legierungsgruppe zur Herstellung von Motorenkomponenten sind Al- Si-Legierungen. Diese Werkstoffe werden typischerweise mit Siliziumgehalten zwischen 4,5 und 18 Gew.-%, in Einzelfällen auch bis zu 24 Gew.-%, sowie mit Beimengungen von Magnesium 0,1 bis 1 ,5 Gew.%, Kupfer zwischen 1 und 4 Gew.- % und häufig auch Nickel zwischen 1 bis 3 Gew.-% legiert (Katalog „Aluminium- Gusslegierungen", VAW-IMCO). Der Verbesserung der mechanischen Festigkeit stehen aber in diesem Fall eine Verschlechterung der Thermoschockbeständigkeit und des Ermüdungsverhaltens durch zu hohe Gehalte an Legierungselementen wie Silizium, Kupfer, Magnesium gegenüber. Besonders die Zylinderköpfe unterliegen bei Betriebsbeanspruchung hohen thermomechanischen Belastungen. Da die Wärmeabfuhr eine der wesentlichen
Funktionen des Zylinderkopfes ist, kann die Wärmeleitfähigkeit seine Lebensdauer stärker beeinflussen als die Steigerung der Festigkeit bzw. Duktilität der Zylinderkopf legierung.
Die Patentschrift DE 199 25 666 C1 offenbart eine Aluminium-Zylinderkopflegierung mit 6,80 bis 7,20 Gew.-% Silizium, 0,35 bis 0,45 Gew.-% Magnesium, 0,35 bis 0,45 Gew.-% Eisen, 0,30 bis 0,40 Gew.-% Kupfer, 0,45 bis 0,55 Gew.-% Nickel und 0,11 bis 0,15 Gew.-% Titan. Die zu niedrigen Kupfergehalte dieser Legierung können aber die hohen Anforderungen an die Warmfestigkeit bei Temperaturen von über 250 0C nicht erfüllen. Bei thermischer Langzeitbeanspruchung bereits oberhalb 150 0C treten Festigkeitsverluste von über 30 % auf.
Als Stand der Technik sind auch die Aluminium-Silizium-Legierungen aus der Gruppe EN AC-45000 bis EN AC-45400 bekannt. Diese Legierungen enthalten von 4,5 bis 7 Gew.-% Silizium, von 1 bis 5 Gew.-% Kupfer, von 0,5 bis 1 Gew.-% Eisen, von 0,05 bis 0,65 Gew.-% Magnesium und von 0,15 bis 2 Gew.-% Zink. Diese Legierungen besitzen zwar gute mechanische Eigenschaften aufgrund der hohen Kupfer- und Magnesiumgehalte, haben aber eine schlechte Wärmeleitfähigkeit.
Ebenso offenbart die DE 691 10 018 T2 eine hochfeste Aluminium-Gusslegierung mit 2,5 bis 4,4 Gew.% Si, 1 ,5 bis 2,5 Gew.% Cu und 0,2 bis 0,5 Gew.% Mg, was die Legierung bezüglich iher Zähigkeit und Festigkeit verbessern soll. Auch diese Legierung ist jedoch bezüglich ihrer Wärmeleitfähigkeit nicht zufrieden stellend.
Aus Metals Handbook (1998), Seite 428 sind einige Aluminium-Knetlegierungen mit geringem Siliziumgehalt z.B. 4643 mit 3,6-4,6% Si, max. 0,8% Fe, max. 0,1% Cu, max. 0,3% Mg, max. 0,05% Mn, max. 0,1% Zn und max. 0,15% Ti bekannt. Aufgrund der geringen mechanischen Eigenschaften sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen können diese Legierungen für Zylinderköpfe nicht eingesetzt werden.
Im Metals Handbook (1998), Seite 431 ist auch die Aluminium-Knetlegierung 296 mit geringem Silizium- und erhöhtem Kupfergehalt bekannt. Diese Legierung enthält 2- 3% Si, max. 0,8-1 ,2% Fe, 4-5% Cu, 0,03-0,05% Mg, max. 0,35% Mn, max. 0,5% Zn, max. 0,25% Ti. Aufgrund des hohen Kupfergehalts sind die Wärmeleitfähigkeits- und Bruchdehnungswerte bei dieser Legierung sehr gering.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für die Herstellung der Motorenkomponenten geeignete Legierung bereitzustellen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit, Warmfestigkeit, gute Kriechfestigkeit sowie ausreichende Duktilität bei gleichzeitig geringer Korrosionsanfälligkeit aufweist und gleichzeitig preiswert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch gezielte Einstellung eines Siliziumgehaltes von 2,6 bis 4,5 Gew.-% eines Kupfergehaltes von 0,5 bis 3 Gew.-% eines Magnesiumgehalts von 0,001 bis 0,3 Gew.% eines Zirkoniumgehaltes von
0,001 bis 0,8 Gew.-% sowie gegebenenfalls einzeln oder in Summe 0 bis 4 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente, Mangan, Eisen, Kobalt, Zink, Nickel, Vanadium,
Niob, Molybdän, Chrom, Wolfram, Beryllium, Blei, Lithium, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Titan, Bor, Strontium, Natrium, Kalium, Kalzium, Antimon, Schwefel,
Barium, Stickstoff, Kohlenstoff gelöst, wobei die Legierung vorzugsweise eine
Wärmeleitfähigkeit bei 250 0C von wenigsens 178 W/mK besitzt
Besonders bevorzugt für die Erzielung guter thermomechanischer Eigenschaften ist es, wenn die Legierung von 0,001 bis 0,19 Gew.-% Magnesium enthält. Der Siliziumgehalt beträgt besonders bevorzugt 3,0 bis 4,5 Gew.-%. Für ein besonders gutes thermomechanisches Verhalten (HCF und TMF) ist es außerdem sehr vorteilhaft, wenn die Wärmeleitfähigkeit der Legierung bei 250 0C wenigstens 190 W/mK, weiter vorzugsweise wenigstens 198 WVmK beträgt, d.h. hierauf eingestellt wird.
Durch Einstellung des erfindungsgemäßen Siliziumgehaltes ist es möglich, die Konzentrationsgrenzen wichtiger festigkeitssteigender Legierungselemente, wie Kupfer, Titan, Zirkonium, Eisen, Mangan, Chrom, Kobalt, Molybdän und je nach Anwendungsfall anderer Übergangselemente relativ hoch einzustellen, ohne die Wärmeleitfähigkeit spürbar zu beeinträchtigen. Die erfindungsgemäße Legierung weist exzellente Wärmeleitfähigkeitswerte auf, die ein wichtiges Lebensdauerkriterium beim Einsatz der Zylinderkopflegierungen darstellen. Damit sind für diese Legierung eine bessere Thermoschockbeständigkeit und ein besseres Ermüdungsverhalten bei thermomechanischer Beanspruchung gegeben.
Mit Hilfe der Elemente Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Molybdän, Chrom, Wolfram, Beryllium, Blei, Lithium, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Zirkonium, Titan, Bor, Strontium, Natrium, Kalium, Kalzium, Antimon, Schwefel, Barium, Stickstoff, Kohlenstoff ist es möglich, die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung auf den Verwendungszweck speziell anzupassen. So geben beispielsweise die Zugaben von Übergangselementen dem Gussteil eine hohe Kriechfestigkeit und Gestaltfestigkeit bei erhöhter Temperatur, so dass beim Entformen mit keinem Verzug zu rechnen ist.
Besonders vorteilhaft für eine gute Kriechfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung ist es, wenn die von uns entwickelte Legierung neben AI, Si, Cu, Mg und Zr wenigstens ein Element der Gruppe Fe, Ni, Co1 Ti, enthält.
Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Legierung mindestens 0,01 , weiter vorzugsweise wenigstens 0,03, weiter vorzugsweise wenigstens 0,1 , weiter vorzugsweise wenigstens 0,2 Gew.-% Zirkonium enthält. Hierdurch bilden sich AI3Zr- Phasen von hoher thermischer Stabilität aus, durch deren Anwesenheit die Dispersionshärtung bei Temperaturen zwischen 150 0C und 400 0C erhalten bleibt und zur thermo-mechanischen Stabilität der erfindungsgemäßen Gusslegierung beiträgt. Durch die Zirkoniumzugabe werden darüber hinaus die plattenförmigen intermetallischen Phasen, die sich insbesondere bei Anwesenheit von Eisen einstellen, in chinesische-Schrift-artige Formen umgewandelt, was zur Verbesserung der Bruchdehnung und Wärmeleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung ebenfalls beiträgt. Der Zirkoniumgehalt der Legierung beträgt vorzugsweise 0,001 bis 0,8 Gew.-%, weiter vorzugsweise 0,03 - 0,8 Gew.-%, weiter vorzugsweise 0,1 bis 0,8 Gew.-%, weiter vorzugsweise 0,2 - 0,8 Gew.-%, weiter vorzugsweise 0,3 - 0,5 Gew.-%, weiter vorzugsweise 0,001 - 0,5 Gew.-%, weiter vorzugsweise 0,03 - 0,5 Gew.-%.
Es hat sich gezeigt, dass durch eine Zugabe der Elemente Molybdän, Niob, Scandium, Hafnium, Vanadium, Kobalt, Chrom, Mangan, Lithium, Yttrium, Cer, Wolfram, Zirkonium, Titan, Silber, Zink die Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung deutlich verbessert werden können, ohne ihre Dehnungswerte erheblich zu beeinträchtigen. Der bevorzugte Gehalt bei Einzelzugabe von diesen Elementen liegt bei 0,03 bis 0,5 Gew.-%, soll aber in Summe nicht 4 Gew.-% übersteigen.
Vorzugsweise gelten für die zusätzlich in geringerer Menge beigefügten Elemente folgende Anteilsvorgaben:
Kupfer (Cu) vorzugsweise in einer Menge von 0,5 bis 3 Gew.-%, insbesondere 1 bis
2,5 Gew.-%;
Eisen (Fe) vorzugsweise in einer Menge von 0 bis 1 ,4 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis
0,5 Gew.-%; Mangan (Mn) vorzugsweise in einer Menge von 0,001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere
0,001 bis 0,4 Gew.-%; Titan (Ti) vorzugsweise in einer Menge von 0,001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,2 Gew.-%;
Kobalt (Co) vorzugsweise in einer Menge von 0,001 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,4 Gew.-%;
Chrom (Cr) vorzugsweise in einer Menge von 0,001 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere
0,1 bis 0,4 Gew. -%;
Beryllium (Be) vorzugsweise in einer Menge von 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,1 Gew.-%; Zink (Zn) vorzugsweise in einer Menge von 0,001 bis 3 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 2 Gew.-%;
Wolfram (Wo) vorzugsweise in einer Menge von 0,001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere
0,1 bis 0,2 Gew.-%;
Nickel (Ni) vorzugsweise in einer Menge von 0,001 bis 1 ,5 Gew-%, insbesondere 0,5 bis 1 ,0 Gew.-%;
Vanadium (V) vorzugsweise in einer Menge von 0,001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere
0,05 bis 0,2 Gew.-%;
Hafnium (Hf) vorzugsweise in einer Menge von 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere
0,005 bis 0,15 Gew. -%; Niob (Nb)vorzugsweise in einer Menge von 0,0001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere
0,005 bis 0,2 Gew.-%;
Blei (Pb) vorzugsweise in einer Menge von 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere
0,005 0,1 Gew.%;
Strontium (Sr) vorzugsweise in einer Menge von 0,0001 bis 0,06 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,04 Gew.-%;
Natrium (Na) vorzugsweise in einer Menge von 0,0001 bis 0,01 , insbesondere 0,002 bis 0,005 Gew.-%;
Calcium (Ca) vorzugsweise in einer Menge von 0,0001 bis 0,006 Gew.-%, insbesondere 0,002 bis 0,004 Gew.-%; Bor (B) vorzugsweise in einer Menge von 0,0001 bis 0,08, insbesondere 0,01 bis
0,05 Gew.-%; Cer (Ce) vorzugsweise in einer Menge von 0,0001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-%; Scandium (Sc) vorzugsweise in einer Menge von 0,0001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-%; Kohlenstoff vorzugsweise in einer Menge von 0,0001 bis 0,006 Gew.-%, insbesondere 0,0005 bis 0,003 Gew.-%;
Stickstoff (N) vorzgusweise in einer Menge von 0,0001 bis 0,006 Gew.-%, insbesondere 0,0005 bis 0,003 Gew.-%.
Zur Verbesserung der Ausformbarkeit kann die erfindungsgemäße Legierung von 0,1 bis 1 ,4 Gew.-% Eisen enthalten. Darüber hinaus dient der hohe Eisengehalt beim Druckguss der Verringerung der Klebeneigung.
Mit der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung lässt sich für Gussteile bereits im Guss- und Wärmebehandlungszustand sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen eine hohe Festigkeit erzielen. Die erreichte optimale Kombination der mechanischen Eigenschaften ist auf ein fein ausgebildetes
Al-Si-Eutektikum und die Ausscheidung von AI2Cu- und Mg2Si-Phasen in der erfindungsgemäßen Legierung zurückzuführen, die wiederum durch eine geeignete Wärmebehandlung beeinflusst werden.
Die Beschränkung des Magnesiumgehaltes auf maximal 0,3 Gew.-%, vorzugsweise 0,19 Gew.-%, bewirkt, dass die Dehnungswerte der erfindungsgemäßen Legierung im Gusszustand nicht unter 4% absinken. Um eine deutlich höhere Dehnung zu erzielen, ist jedoch der Magnesiumgehalt auf maximal 0,15 Gew.%, besonders bevorzugt auf maximal 0,1 Gew.-% zu begrenzen. Die Einstellung der möglichst niedrigen Magnesiumgehalte sorgt auch gleichzeitig für hervorragende Wärmeleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung. Eine gewisse Menge an Titan bzw. Bor und/oder Kohlenstoff in Verbindung mit Titan wird zur Kornfeinung eingesetzt, wobei die Zugabe von diesen Elementen mit Aluminium-Titan-, Aluminium-Bor-, Aluminium-Titan-Bor- und Aluminium-Titan- Kohlenstoff-Vorlegierungen erfolgt. Der α-Aluminiummischkristall kann auch durch Zirkoniumzusätze von 0,2 bis 0,8 Gew.-% korngefeint werden. Eine gute Kornfeinung trägt wesentlich zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und Gießbarkeit der erfindungsgemäßen Legierung bei. Besonders wirksam zeigten sich die Vorlegierungen AITi6, AIB4, AITi3C0,15, AIZMO und AITiI, 8B1 , 8.
Um ausreichende Schmelzequalität zu gewährleisten, kann die Schmelze durch Spülgas, Spülgastabletten oder auch durch Vakuum entgast werden.
Zur Verarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung sind grundsätzlich alle Gießverfahren geeignet. Hierzu gehören u.a. Sandguss, Schwerkraft-Kokillenguss, Niederdruck-Kokillenguss, Differenzdruck-Kokillenguss, Druckguss und Vakuum- Druckguss.
Obwohl im Gusszustand schon gute mechanische Werte vorhanden sind, können aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellte Gussteile allen Wärmebehandlungen unterzogen werden.
Die Erfindung soll anhand eines Beispiels näher erläutert werden, ohne dass die Erfindung auf das Beispiel beschränkt ist.
Ausführungsbeispiel: Kokillenguss
Als konkretes Beispiel der erfindungsgemäßen Legierung sei folgende Zusammensetzung angegeben:
Legierung 1 4,0 Gew.-% Si 0,5 Gew.-% Cu 0,4 Gew.-% Fe 0,1 Gew.-% Mg 0,3 Gew.-% Zr ad 100 Gew.-% AI
Für die Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften wurde die oben angegebene Legierung in einer Kokille nach DIN 29531 bei der Gießtemperatur von
740 0C abgegossen und Probestäbe mit dem Probendurchmesser von 6 mm nach
DIN 50125 mechanisch gefertigt. Zu Vergleichszwecken wurden ferner drei
Standardlegierungen verwendet. An Probestäben wurden die mechanischen
Eigenschaften Dehngrenze (Rpo,2), Zugfestigkeit (Rm) und Bruchdehnung (A5) im Zugversuch nach DIN 50 145 bestimmt. Die Dehngeschwindigkeit betrug nach dem
Aufbringen einer Vorlast von 100 N zum Bruch der Probe 0,08 mm/s.
Um den Einfluss thermischer Belastung über einen längeren Zeitraum auf die Eigenschaften der AI-Legierungen zu ermitteln, wurden die abgegossenen Probestäbe für alle Legierungen zusätzlich 100 Stunden bei 250 0C vorausgelagert.
Die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit λ bei 250 oC erfolgte anhand folgender Formel: λ = a* Cp * p
Die Tabelle 1 gibt einen Vergleich der erfindungsgemäßen Legierung mit konventionellen Legierungen für Motorenkomponenten.
λ - Wärmeleitfähigkeit a - Temperaturleitfähigkeit
Cp - spezifische Wärmekapazität p - Dichte
Die Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit erfolgte mit einer Laser-Flash- Apparatur. Die spezifische Wärmekapazität wurde mit einem Hochtemperaturkalorimeter ermittelt.
Die Tabelle 1 gibt einen Vergleich der erfindungegemäßen Legierung mit konventionellen Legierungen für Motorenkomponenten.
Tabelle 1
ML/rü

Claims

Patentansprüche:
1. Aluminium-Gusslegierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2,6 bis 4,5 Gew.-% Silizium 0,5 bis 3 Gew.-%, Kupfer, 0,001 bis 0,3 Gew.% Magnesium, 0,001 bis 0,8 Gew.-% Zirkonium und gegebenenfalls eines oder mehrerer der Elemente Mangan, Eisen, Kobalt, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Beryllium, Lithium, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Titan, Strontium, Natrium, Kalium, Calcium, Antimon, Schwefel, Barium, Bor, Stickstoff, Kohlenstoff in Summe von 0 bis 4 Gew.- % und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen enthält und eine Wärmeleitfähigkeit bei 250 °C von mehr als 178 W/mK besitzt.
2. Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,001 bis 0,19 Gew.-% Magnesium enthält.
3. Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass neben AI, Si, Cu, Mg und Zr wenigstens ein Element der Gruppe Ti, B, C vorhanden ist.
4. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 3,0 bis 4,5 Gew.-% Silizium enthält.
5. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,03 bis 0,8 Gew.-% Zirkonium, vorzugsweise 0,1 bis 0,8 Gew.-% Zr, weiter vorzugsweise 0,2 bis 0,8 Gew.-% Zr, weiter vorzugsweise 0,3 bis 0,5 Gew.% Zr enthält.
6. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Wärmeleitfähigkeit bei 250 0C von größer 190, weiter vorzugsweise wenigstens 198 W/mK besitzt.
7. Verwendung der Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Gießen von Motorenbauteilen.
8. Verwendung der Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 7 zum Gießen von Zylinderköpfen und Zylinderkurbegehäusen.
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