EP3024958B1 - Hochwarmfeste aluminiumgusslegierung und gussteil für verbrennungsmotoren gegossen aus einer solchen legierung - Google Patents

Hochwarmfeste aluminiumgusslegierung und gussteil für verbrennungsmotoren gegossen aus einer solchen legierung Download PDF

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EP3024958B1
EP3024958B1 EP14744487.1A EP14744487A EP3024958B1 EP 3024958 B1 EP3024958 B1 EP 3024958B1 EP 14744487 A EP14744487 A EP 14744487A EP 3024958 B1 EP3024958 B1 EP 3024958B1
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EP
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alloy
cast
casting
weight
alloys
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Nemak SAB de CV
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    • 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
    • C22F1/057—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 copper as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a cast aluminum alloy, which can be cast well and has a high strength in the warm state even after a long service life at high operating temperatures.
  • the invention relates to a component for internal combustion engines, which is cast from a cast aluminum alloy.
  • Such components are, in particular, cylinder heads or engine blocks.
  • suitable cast aluminum alloys have a high yield strength both at room and at operating temperature, high elongation at break, high thermal conductivity, low thermal expansion, high creep strength, as well as favorable Have processing properties, including good fluidity and low tendency to crack. At the same time, these alloys should be readily castable in order to enable process-reliable production of the castings.
  • AlCu7xx A group of alloys utilizing this positive influence of Cu on the hot strength is known as "AlCu7xx”. This includes, for example, the alloy “AlCu7MnZr” which, in addition to Al and accompanying elements (in% by weight), contains 6.72% Cu, 0.22% Zr, 0.11% Ti, 0.5% Mn and the impurities attributable to impurities of Fe, Mg and Zn.
  • AlCu7MnZr the superior heat resistance of Cu-containing aluminum casting alloys of this type are opposed by an increased tendency to crack and severely limited castability.
  • the above-mentioned AlCu7MnZr alloy proves to be virtually non-pourable.
  • the object of the invention was to provide an aluminum casting alloy which, even after a prolonged period of use at high temperatures, still has high mechanical properties and at the same time sheds well.
  • a casting for an internal combustion engine should be created, which has optimized mechanical properties when used at high temperatures and at the same time can be reliably manufactured by casting.
  • the solution to the above-mentioned object is that such a casting is cast from an aluminum casting alloy according to the invention.
  • the alloy according to the invention is suitable in particular for the casting production of cylinder heads, which are exposed to extreme thermal and mechanical stresses in practical use.
  • the aluminum casting alloy according to the invention contains, in addition to aluminum and unavoidable impurities (in% by weight), 6.0-8.0% Cu, 0.3-0.55% Mn, 0.18-0.25% Zr, 3.0 7.0% Si, 0.05-0.2% Ti, up to 0.03% Sr, up to 0.04% V and up to 0.25% Fe.
  • aluminum cast alloy components reach in the state T6W, d. H. solution annealed and thermally aged for 4 hours at 240 ° C, at room temperature under static load in average regular tensile strength Rm of more than 260 MPa, a Brinell hardness HB of at least 90 HB, a yield strength Rp0.2 of at least 170 MPa and a breaking elongation A of at least 1.65%.
  • the average tensile strength Rm is at least 80 MPa
  • the yield strength Rp0.2 is at least 60 MPa
  • the elongation at break A at least 24%.
  • the high-temperature strength of an aluminum casting alloy according to the invention is consequently significantly higher than in the case of conventional aluminum casting alloys which are currently used by default for casting internal combustion engine components.
  • the mechanical properties of the components cast from the cast aluminum alloy according to the invention in the delivered condition T6W are at the level of the conventional high-strength AlCu7xx alloys.
  • the cast aluminum alloy according to the invention is characterized by a good castability and an optimum, insensitive solidification behavior. Practical experiments have shown that components cast from cast aluminum alloy according to the invention have no optically detectable cracks and are largely free of pores.
  • the cast aluminum alloy according to the invention thus allows the reliable casting production of castings, which also in high operating temperatures have optimal load capacity.
  • Cu is contained in the alloy according to the invention in contents of 6.0-8.0 wt .-% in order to ensure the required heat resistance. At the same time, Cu contributes to the hardenability of the aluminum casting alloy. These positive effects of Cu can be ensured particularly reliably in an aluminum casting alloy according to the invention if the Cu content is at least 6.5% by weight. At the same time, a negative effect of the presence of Cu on the mechanical properties, such as a reduction in the elongation at break, can be particularly reliably excluded by limiting the Cu content of the aluminum casting alloy according to the invention to at most 7.5% by weight.
  • the Si content of an aluminum casting alloy according to the invention is in the range of 3.0-7.0 wt .-%.
  • the focus of the properties can be placed on the castability on the one hand and on the heat resistance on the other hand by an appropriate adjustment of the Si content within this content range.
  • the Si content of the aluminum casting alloy according to the invention is less than 5.0 wt .-%.
  • the insensitivity of Aluminum casting alloy according to the invention against fluctuations in the phase formation can be increased thereby that the Si content is increased to at least 3.5 wt .-%.
  • the aluminum casting alloy according to the invention proves to be stable in terms of its properties and behavior in a heat treatment.
  • the Si content is restricted to at most 4.5% by weight, the range in which, with good reliable castability, highest strengths are achieved, in particular in the case of high-temperature use, can be achieved particularly accurately.
  • the Si content of the aluminum casting alloy according to the invention can be reduced to 5.0% by weight, in particular 5.5% by weight. %, be raised.
  • an aluminum casting alloy according to the invention which is optimized with regard to castability on the one hand and heat resistance on the other hand results when the Si content is limited to at most 7% by weight, in particular to at most 6.5% by weight.
  • Mn contents of 0.3-0.55% by weight contribute to increasing the strength of components cast from inventive aluminum casting alloy. This positive effect occurs in particular when the Mn content the aluminum casting alloy according to the invention is 0.4-0.55% by weight.
  • Zr at levels of 0.18-0.25% by weight contributes substantially to the fine grain of the structure of a cast part cast from an aluminum casting alloy according to the invention.
  • Zr contributes above all to increased temperature stability and thus strength at temperatures of more than 250 ° C. This applies in particular when the Zr content of the aluminum casting alloy according to the invention is 0.2-0.25% by weight.
  • the Ti contents of 0.05-0.2% by weight provided in the cast aluminum alloy according to the invention also support the formation of a fine-grained microstructure and contribute to increasing the strength. In order to be able to use this effect particularly reliably, it may be expedient to set the Ti content of an aluminum casting alloy according to the invention to at least 0.08% by weight.
  • the upper limit of the corridor in which an optimized effect of the titanium present in the cast aluminum alloy according to the invention is to be expected is 0.12% by weight.
  • Sr is optionally added to the cast aluminum alloy of the invention for refining.
  • the addition of Sr is therefore particularly useful in cast aluminum alloys according to the invention, which have Si contents of at least 5.0 wt .-%.
  • Si contents of at least 5.0 wt .-%.
  • the aluminum casting alloy optionally up to 0.025 wt .-% in order to use the finishing effect there.
  • a first variant of the aluminum casting alloy according to the invention in which the focus is on sufficient castability with simultaneously maximized mechanical properties, comprises (in% by weight) 6.0-8.0% Cu, 0.3-0 , 55% Mn, 0.18 - 0.25% Zr, up to 0.25% Fe, 3.0 - ⁇ 5.0 Si, 0.05 - 0.2% Ti, up to 0.04% V and up to 0.025% Sr.
  • a further optimized embodiment of this variant with good castability in view of maximized mechanical properties consists of aluminum and unavoidable impurities and (in wt .-%) 6.5 to 7.5 wt .-% Cu, 0.4-0.55 wt% Mn, 0.20-0.25% Zr, up to 0.12% Fe, 3.5-4.5% Si, 0.08-0.12% Ti , up to 0.02% V and 0.05-0.02% Sr.
  • an aluminum casting alloy according to the invention (in% by weight) contains 6.0-8.0% Cu , 0.3-0.55% Mn, 0.18-0.25% Zr, up to 0.25% Fe, 5.0-7.0 Si, 0.05-0.2% Ti, up to 0.04% V and 0.01-0.03% Sr.
  • a design optimized for optimum castability with high mechanical properties of this variant It then consists of aluminum and constituent elements produced by its manufacture and (in% by weight) 6.5-7.5% by weight of Cu, 0.4-0.55% by weight of Mn, 0.20-0.25% of Zr , up to 0.12% Fe, 5.5-6.5% Si, 0.08-0.12% Ti, up to 0.02% V and 0.015-0.03% Sr.
  • cylinder heads cast from the cast aluminum alloys E1, E2 and V have been subjected to a long-term heat treatment in which they last for a period of eight hours, then for a period of 100 hours and finally over a period of 300 hours at a temperature of 300 ° C have been maintained.
  • each sample is taken after expiry of the respective heat treatment time from the combustion chamber area and the yield strength Rp0,2, the tensile strength Rm and the elongation at break A at these casting samples at room temperature has been determined.
  • the arithmetic mean of the mechanical properties respectively determined for the casting samples thus treated are given in Table 3.
  • the test results show that after 100 hours, the tensile strength Rm and the yield strength Rp0.2 are substantially stable in the cylinder heads cast from the aluminum casting alloys E1, E2 according to the invention, while the elongation at break A increases.
  • the cylinder heads produced from the comparison alloy each have higher strengths, however their breaking elongation A is in each case significantly lower than the breaking elongation A determined for the samples according to the invention.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Aluminiumgusslegierung, die sich gut vergießen lässt und auch nach einer langen Einsatzdauer bei hohen Einsatztemperaturen eine hohe Festigkeit im warmen Zustand aufweist.
  • Ebenso betrifft die Erfindung ein Bauteil für Verbrennungsmotoren, welches aus einer Aluminiumgusslegierung gegossen ist. Bei solchen Bauteilen handelt es sich insbesondere um Zylinderköpfe oder Motorblöcke.
  • Steigende Anforderungen an die Motorleistung einerseits und die Minimierung des Kraftstoffverbrauchs und des Gewichts andererseits führen zu immer höheren Anforderungen an die mechanische und thermische Belastbarkeit von aus Aluminiumlegierungen gegossenen Motorbauteilen. Daher müssen für die Herstellung solcher Bauteile geeignete Aluminiumgusslegierungen eine hohe Dehngrenze sowohl bei Raum- als auch bei Betriebstemperatur, eine hohe Bruchdehnung, eine hohe thermische Leitfähigkeit, eine geringe thermische Ausdehnung, eine hohe Kriechfestigkeit, sowie günstige Verarbeitungseigenschaften aufweisen, wozu ein gutes Fließvermögen und geringe Warmrissneigung gehören. Gleichzeitig sollen diese Legierungen gut vergießbar sein, um eine prozesssichere Herstellung der Gussteile zu ermöglichen.
  • Es ist eine große Zahl von Werkstoffkonzepten bekannt, mit denen diese zum Teil einander entgegenstehenden Anforderungen an Aluminiumgusswerkstoffe der hier in Rede stehenden Art erfüllt werden sollen. Zu diesen Werkstoffkonzepten gehören Aluminiumgusslegierungen der Legierungsgruppen Al-Si-Mg und Al-Si-Cu. Bei Einsatztemperaturen von über 250°C kann es jedoch bei diesen Legierungen in Folge von Diffusion der zur Aushärtung beitragenden Elemente, wie Cu, Mg und Zn, zur Vergröberung der Aushärtungsphasen und damit einhergehend zu einer starken Abnahme der mechanischen Kennwerte kommen. Ziel der Entwicklung neuer Legierungen für den Aluminiumguss von Bauteilen für Verbrennungsmotoren ist daher eine optimierte Hochtemperaturfestigkeit (s. Artikel "Warmfeste Aluminiumgusslegierungen für Zylinderköpfe in direktem Wettbewerb", 6/2009 GIESSEREI-PRAXIS, Seiten 199 - 202).
  • Es ist bekannt, dass sich durch Zugabe hoher Cu-Gehalte die Warmfestigkeit von Al-Gusslegierung steigern lässt. Eine diesen positiven Einfluss von Cu auf die Warmfestigkeit nutzende Gruppe von Legierungen ist unter der Bezeichnung "AlCu7xx" bekannt. Darunter fällt beispielsweise die Legierung "AlCu7MnZr" die neben Al und Begleitelementen (in Gew.-%) 6,72 % Cu, 0,22 % Zr, 0,11 % Ti, 0,5 % Mn sowie den Verunreinigungen zuzurechnende Spuren an Fe, Mg und Zn enthält. Der überlegenen Warmfestigkeit von Cu-Gehalte aufweisenden Aluminiumgusslegierungen dieser Art stehen allerdings eine erhöhte Warmrissneigung und eine stark eingeschränkte Vergießbarkeit gegenüber. So erweist sich auch die voranstehend angegebene AlCu7MnZr-Legierung als praktisch unvergießbar.
  • Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Aluminiumgusslegierung zu nennen, die auch nach einer längeren Einsatzdauer bei hohen Temperaturen noch hohe mechanische Eigenschaften besitzt und sich gleichzeitig gut vergießen lässt.
  • Darüber hinaus sollte ein Gussteil für einen Verbrennungsmotor geschaffen werden, das optimierte mechanische Eigenschaften beim Einsatz bei hohen Temperaturen aufweist und gleichzeitig betriebssicher gießtechnisch hergestellt werden kann.
  • In Bezug auf die Aluminiumgusslegierung ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, dass eine solche Legierung in der in Anspruch 1 angegebenen Weise zusammengesetzt ist.
  • In Bezug auf das Gussteil besteht die Lösung der oben genannten Aufgabe darin, dass ein solches Gussteil aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung gegossen ist. Dabei eignet sich die erfindungsgemäße Legierung insbesondere zur gießtechnischen Herstellung von Zylinderköpfen, die im praktischen Einsatz extremen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
  • Die erfindungsgemäße Aluminiumgusslegierung enthält neben Aluminium und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) 6,0 - 8,0 % Cu, 0,3 - 0,55 % Mn, 0,18 - 0,25 % Zr, 3,0 - 7,0 % Si, 0,05 - 0,2 % Ti, bis zu 0,03 % Sr, bis zu 0,04 % V und bis zu 0,25 % Fe.
  • Aus der in erfindungsgemäßer Weise zusammengesetzten Aluminiumgusslegierung gegossene Bauteile erreichen im Zustand T6W, d. h. lösungsgeglüht und für 4 Stunden bei 240 °C warmausgelagert, bei Raumtemperatur bei statischer Belastung jeweils im Mittel regelmäßig Zugfestigkeiten Rm von mehr als 260 MPa, eine Brinellhärte HB von mindestens 90 HB, eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 170 MPa und eine Bruchdehnung A von mindestens 1,65 %.
  • Nach einer 100 Stunden dauernden, einem praktischen Einsatz in einem Verbrennungsmotor über eine entsprechende Dauer gleichkommenden Langzeitwärmebehandlung bei 300 °C weisen aus erfindungsgemäßer Aluminiumgusslegierung gegossene Bauteile bei Raumtemperatur bei statischer Belastung jeweils im Mittel eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 190 MPa, eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 90 MPa, eine Härte HB von mindestens 67 HB und eine Bruchdehnung A von mindestens 3,5 % auf. Diese Werte bleiben auch nach längerem Einsatz bei hohen Temperaturen stabil. So tritt beispielsweise während eines über 500 h dauernden Einsatzes bei 300 °C praktisch keine Änderung der Festigkeit und Härte ein, wogegen die Bruchdehnung auf mehr als 4,5 % ansteigt.
  • Werden die mechanischen Eigenschaften der aus erfindungsgemäßer Aluminiumgusslegierung gegossenen Bauteile nach einer 500 Stunden bei 300 °C durchgeführten Wärmebehandlung bei der Wärmebehandlungstemperatur von 300 °C gemessen, so beträgt jeweils im Mittel die Zugfestigkeit Rm mindestens 80 MPa, die Dehngrenze Rp0,2 mindestens 60 MPa und die Bruchdehnung A mindestens 24 %.
  • Die Hochtemperaturfestigkeit einer erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung ist folglich deutlich höher als bei konventionellen, heute standardmäßig für den Guss von Verbrennungsmotorbauteilen verwendeten Aluminiumgusslegierungen. Gleichzeitig liegen die mechanischen Eigenschaften der aus erfindungsgemäßer Aluminiumgusslegierung gegossenen Bauteile im Auslieferungszustand T6W auf dem Niveau der konventionellen hochfesten AlCu7xx-Legierungen. Im Gegensatz zu diesen Legierungen zeichnet sich die erfindungsgemäße Aluminiumgusslegierung jedoch durch eine gute Vergießbarkeit und ein optimales, unempfindliches Erstarrungsverhalten aus. Praktische Versuche haben gezeigt, dass aus erfindungsgemäßer Aluminiumgusslegierung gegossene Bauteile keine optisch feststellbaren Risse aufweisen und weitestgehend porenfrei sind. Die erfindungsgemäße Aluminiumgusslegierung erlaubt somit die betriebssichere gießtechnische Herstellung von Gussteilen, die auch bei hohen Einsatztemperaturen eine optimale Belastbarkeit aufweisen.
  • Cu ist in der erfindungsgemäßen Legierung in Gehalten von 6,0 - 8,0 Gew.-% enthalten, um die erforderliche Warmfestigkeit zu gewährleisten. Gleichzeitig trägt Cu zur Aushärtbarkeit der Aluminiumgusslegierung bei. Diese positiven Einflüsse von Cu können in einer erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung besonders sicher gewährleistet werden, wenn der Cu-Gehalt mindestens 6,5 Gew.-% beträgt. Gleichzeitig kann eine negative Wirkung der Anwesenheit von Cu auf die mechanischen Eigenschaften, wie eine Verminderung der Bruchdehnung, dadurch besonders sicher ausgeschlossen werden, dass der Cu-Gehalt der erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung auf höchstens 7,5 Gew.-% beschränkt wird.
  • Der Si-Gehalt einer erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung liegt im Bereich von 3,0 - 7,0 Gew.-%. Dabei kann durch eine entsprechende Einstellung des Si-Gehalts innerhalb dieses Gehaltsbereichs der Schwerpunkt der Eigenschaften auf die Vergießbarkeit einerseits und auf die Warmfestigkeit andererseits gelegt werden.
  • Maximierte mechanische Eigenschaften der aus erfindungsgemäßer Aluminiumgusslegierung gegossenen Bauteile bei ausreichender Vergießbarkeit lassen sich dadurch erreichen, dass der Si-Gehalt der erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung weniger als 5,0 Gew.-% beträgt. Die Unempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung gegen Schwankungen bei der Phasenausbildung kann dabei dadurch erhöht werden, dass der Si-Gehalt auf mindestens 3,5 Gew.-% erhöht wird. Bei derart angehobenen Si-Gehalten erweist sich die erfindungsgemäße Aluminiumgusslegierung als stabil hinsichtlich ihrer Eigenschaften und ihrem Verhalten bei einer Wärmebehandlung. Gleichzeitig lässt sich durch eine Beschränkung des Si-Gehalts auf höchstens 4,5 Gew.-% der Bereich, in dem bei guter betriebssicherer Vergießbarkeit höchste Festigkeiten insbesondere bei einem Hochtemperatureinsatz erreicht werden, besonders zielsicher treffen.
  • Wird dagegen beispielsweise für die Herstellung eines filigranen, komplex geformten Bauteils besonderer Wert auf eine optimierte Vergießbarkeit bei immer noch überlegener Warmfestigkeit gelegt, so kann der Si-Gehalt der erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung auf 5,0 Gew.-%, insbesondere 5,5 Gew.-%, angehoben werden. Eine im Hinblick auf die Vergießbarkeit einerseits und die Warmfestigkeit andererseits optimierte erfindungsgemäße Aluminiumgusslegierung ergibt sich dabei dann, wenn der Si-Gehalt auf höchstens 7 Gew.-%, insbesondere auf höchstens 6,5 Gew.-%, beschränkt ist.
  • Mn-Gehalte von 0,3 - 0,55 Gew.-% tragen zur Erhöhung der Festigkeit von aus erfindungsgemäßer Aluminiumgusslegierung gegossenen Bauteilen bei. Dieser positive Effekt tritt insbesondere dann ein, wenn der Mn-Gehalt der erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung 0,4 - 0,55 Gew.-% beträgt.
  • Zr in Gehalten von 0,18 - 0,25 Gew.-% trägt wesentlich zur Feinkörnigkeit des Gefüges eines aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung gegossenen Gussteils bei. Zusätzlich trägt Zr vor allem zu erhöhter Temperaturstabilität und damit Festigkeit bei Temperaturen von mehr als 250°C bei. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Zr-Gehalt der erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung 0,2 - 0,25 Gew.-% beträgt.
  • Auch die in der erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung vorgesehenen Ti-Gehalte von 0,05 - 0,2 Gew.-% unterstützen die Ausbildung eines feinkörnigen Gefüges und tragen zur Erhöhung der Festigkeit bei. Um diesen Effekt besonders sicher nutzen zu können, kann es zweckmäßig sein, den Ti-Gehalt einer erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung auf mindestens 0,08 Gew.-% zu setzen. Als Obergrenze des Korridors, in dem eine optimierte Wirkung des in der erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung vorhandenen Titans zu erwarten ist, beträgt 0,12 Gew.-%.
  • Sr wird der erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung optional zur Veredelung zugegeben. Die Zugabe von Sr ist daher insbesondere bei erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierungen sinnvoll, die Si-Gehalte von mindestens 5,0 Gew.-% aufweisen. Hier erweist es sich als zweckmäßig, einen Sr-Gehalt von mindestens 0,015 Gew.-% vorzusehen. Insbesondere bei geringeren Si-Gehalten reicht es dagegen aus, der Aluminiumgusslegierung optional bis zu 0,025 Gew.-% beizugeben, um den Veredelungseffekt auch dort zu nutzen.
  • Den voranstehenden Erläuterungen entsprechend enthält eine erste Variante der erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung, bei der der Schwerpunkt auf eine ausreichende Vergießbarkeit bei gleichzeitig maximierten mechanischen Eigenschaften gelegt ist, (in Gew.-%) 6,0 - 8,0 % Cu, 0,3 - 0,55 % Mn, 0,18 - 0,25 % Zr, bis zu 0,25 % Fe, 3,0 - <5,0 Si, 0,05 - 0,2 % Ti, bis zu 0,04 % V und bis zu 0,025 % Sr. Eine bei guter Vergießbarkeit im Hinblick auf maximierte mechanische Eigenschaften weiter optimierte Ausgestaltung dieser Variante besteht dabei aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen sowie (in Gew.-%) 6,5 - 7,5 Gew.-% Cu, 0,4 - 0,55 Gew.-% Mn, 0,20 - 0,25 % Zr, bis zu 0,12 % Fe, 3,5 - 4,5 % Si, 0,08 - 0,12 % Ti, bis zu 0,02 % V und 0,05 - 0,02 % Sr.
  • Soll dagegen die erfindungsgemäße Aluminiumgusslegierung so variiert werden, dass bei ihr der Schwerpunkt auf eine weiter verbesserte Vergießbarkeit bei gleichzeitig immer noch sehr guten mechanischen Eigenschaften gelegt ist, enthält eine erfindungsgemäße Aluminiumgusslegierung (in Gew.-%) 6,0 - 8,0 % Cu, 0,3 - 0,55 % Mn, 0,18 - 0,25 % Zr, bis zu 0,25 % Fe, 5,0 - 7,0 Si, 0,05 - 0,2 % Ti, bis zu 0,04 % V und 0,01 - 0,03 % Sr. Eine im Hinblick auf optimale Vergießbarkeit bei hohen mechanischen Eigenschaften optimierte Ausgestaltung dieser Variante besteht dann aus Aluminium und herstellbedingten Begleitelementen sowie (in Gew.-%) 6,5 - 7,5 Gew.-% Cu, 0,4 - 0,55 Gew.-% Mn, 0,20 - 0,25 % Zr, bis zu 0,12 % Fe, 5,5 - 6,5 % Si, 0,08 - 0,12 % Ti, bis zu 0,02 % V und 0,015 - 0,03 % Sr.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Diagramm, in dem die jeweils bei Raumtemperatur ermittelten mechanischen Eigenschaften von Gussproben aus drei erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierungen E1,E2,E3 den mechanischen Eigenschaften einer Gussprobe aus einer Vergleichslegierung V jeweils im Zustand T6W gegenübergestellt sind;
    Fig. 2
    ein Diagramm, in dem die jeweils bei 300 °C ermittelte Zugfestigkeit Rm, Dehngrenze Rp0,2 und Bruchdehnung A von Gussproben der drei erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierungen E1,E2,E3 und der Vergleichsprobe V nach einer jeweils bei 300 °C über 500 Stunden durchgeführten Wärmebehandlung gegenübergestellt sind.
    Fig. 3
    ein Diagramm, in dem die jeweils bei 250 °C ermittelte Zugfestigkeit Rm und Dehngrenze Rp0,2 von Gussproben der erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung E1 und der Standardgußlegierungen AlSi6Cu4 und AlSi7Cu0,5Mg nach einer jeweils bei 250 °C über 500 Stunden durchgeführten Wärmebehandlung gegenübergestellt sind.
    Fig. 4
    ein Diagramm, in dem die jeweils bei 300 °C ermittelte Zugfestigkeit Rm und Dehngrenze Rp0,2 von Gussproben der erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierung E1 und der Standardgusslegierungen AlSi6Cu4 und AlSi7Cu0,5Mg nach einer jeweils bei 300 °C über 500 Stunden durchgeführten Wärmebehandlung gegenübergestellt sind.
  • Es wurden drei erfindungsgemäße Aluminiumgusslegierungen E1,E2,E3 erschmolzen, deren Zusammensetzung in Tabelle 1 angegeben ist. Zum Vergleich wurde eine Vergleichslegierung V erschmolzen, deren in Tabelle 1 ebenfalls verzeichnete Zusammensetzung der bekannten Aluminiumgusslegierung "AlCu7MnZr" entspricht.
  • Aus den Aluminiumgusslegierungen E1,E2,E3,V sind Zylinderköpfe gegossen worden, die nach der Erstarrung einer T6W-Behandlung unterzogen worden sind. Dabei sind die Zylinderköpfe bei 480 - 500 °C über jeweils siebeneinhalb Stunden lösungsgeglüht, anschließend mit Wasser abgeschreckt und dann über vier Stunden bei 240 °C ausgelagert worden. Anschließend sind an den so behandelten Zylinderköpfen im Bereich der Brennraumkammern die mechanischen Eigenschaften Zugfestigkeit Rm, Dehngrenze Rp0,2 Brinellhärte HB und Bruchdehnung A ermittelt worden. Dabei sind jeweils vierzig aus den Aluminiumgusslegierung E1 und E2 sowie jeweils fünfzehn aus der Aluminiumgusslegierung E3 und der Vergleichslegierung V bestehende Gussteilproben untersucht worden. Die arithmetischen Mittel der für die Gussteilproben jeweils festgestellten mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle 2 im Einzelnen angegeben und in Fig. 1 graphisch zusammengefasst.
  • Um den Temperatureinfluss auf die langfristige Entwicklung der mechanischen Kennwerte zu überprüfen, sind aus den Aluminiumgusslegierungen E1, E2 und V gegossene Zylinderköpfe einer Langzeitwärmebehandlung unterzogen worden, bei der sie zunächst über eine Dauer von acht Stunden, dann über eine Dauer von 100 Stunden und schließlich über eine Dauer von 300 Stunden bei einer Temperatur von 300 °C gehalten worden sind. An den so wärmebehandelten Zylinderköpfen sind nach Ablauf der jeweiligen Wärmebehandlungsdauer aus dem Brennraumbereich jeweils eine Probe entnommen und an diesen Gussteilproben bei Raumtemperatur die Dehngrenze Rp0,2, die Zugfestigkeit Rm und die Bruchdehnung A bestimmt worden. Die arithmetischen Mittel der für die so behandelten Gussteilproben jeweils ermittelten mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle 3 angegeben. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass nach 100 Stunden die Zugfestigkeit Rm und die Dehngrenze Rp0,2 bei den aus den erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierungen E1, E2 gegossenen Zylinderköpfen im Wesentlichen stabil sind, während die Bruchdehnung A ansteigt. Die aus der Vergleichslegierung erzeugten Zylinderköpfe weisen dagegen zwar jeweils höhere Festigkeiten auf, jedoch liegt ihre Bruchdehnung A jeweils deutlich unter der für die erfindungsgemäßen Proben ermittelten Bruchdehnung A.
  • Schließlich sind weitere aus den erfindungsgemäßen Legierungen E1,E2,E3 und V erzeugte Zylinderköpfe einer bei ebenfalls 300 °C durchgeführten, sich über 500 Stunden erstreckenden Langzeitwärmebehandlung unterzogen worden. An 300 °C heißen Proben, die wiederum aus dem Bereich der Brennraumkammer entnommen worden sind, sind dann auch hier die Dehngrenze Rp0,2, die Zugfestigkeit Rm und die Bruchdehnung A ermittelt worden. Die dabei aus den erhaltenen Werten gebildeten arithmetischen Mittelwerte sind in Tabelle 4 verzeichnet und in Fig. 2 zusammengefasst.
  • Zusätzlich zu den Untersuchungen an aus den erfindungsgemäßen Legierungen E1,E2,E3 und den aus der höchstwarmfesten Legierung V gefertigten Proben wurden auch Vergleiche mit konventionellen Standardgusslegierungen angestellt, deren Vergießbarkeit - im Gegensatz zu der eine deutlich schlechtere Vergießbarkeit aufweisenden Vergleichslegierung V - mit der Vergießbarkeit der erfindungsgemäßen Legierungen vergleichbar ist. Dazu wurden die gleichen Zylinderköpfe wie für die Proben E1,E2,E3, und V aus den Standardgusslegierungen S1 und S2 hergestellt, deren in Tabelle 5 verzeichnete Zusammensetzungen den bekannten Aluminiumgusslegierungen "AlSi7Cu0,5Mg" und "AlSi6Cu4" entsprechen. Die aus den Standardlegierungen S1 und S2 gegossenen Zylinderköpfe wurden jeweils den für sie typischen Wärmebehandlungen unterzogen. So wurden die aus der Legierung S1 gegossenen Zylinderköpfe einer T6-Luft-Wärmebehandlung und die aus der Legierung S2 gegossenen Zylinderköpfe einer T6W-Wärmebehandlung unterzogen.
  • Um die Warmfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierungen den heute verwendeten Standardlegierungen gegenüberzustellen sind aus den Legierungen S1, S2 und der erfindungsgemäßen Legierung E1 erzeugte Proben einer bei 250 °C durchgeführten, sich über 500 Stunden erstreckenden Langzeitwärmebehandlung unterzogen worden. An 250 °C heißen Proben, die wiederum aus dem Bereich der Brennraumkammer entnommen worden sind, sind dann auch hier die Dehngrenze Rp0,2 und die Zugfestigkeit Rm ermittelt worden. Die dabei aus den erhaltenen Werten gebildeten arithmetischen Mittelwerte sind in Tabelle 6 verzeichnet und in Fig. 3 zusammengefasst.
  • Schließlich sind weitere aus der erfindungsgemäßen Legierung E1 und den Standardlegierungen S1 und S2 erzeugte Zylinderköpfe einer bei 300 °C durchgeführten, sich über 500 Stunden erstreckenden Langzeitwärmebehandlung unterzogen worden. An 300 °C heißen Proben, die wiederum aus dem Bereich der Brennraumkammer entnommen worden sind, sind dann wiederum die Dehngrenze Rp0,2 und die Zugfestigkeit Rm ermittelt worden. Die aus den so erhaltenen Werten gebildeten arithmetischen Mittelwerte sind in Tabelle 7 verzeichnet und in Fig. 4 zusammengefasst.
  • Die Versuche belegen, dass an den aus den erfindungsgemäßen Legierungen E1,E2,E3 gegossenen Zylinderköpfen jeweils keine Risse feststellbar waren und das Gefüge der Gussteile weitgehend porenfrei war. Die für die aus den erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierungen E1,E2,E3 bestehenden Gussteile ermittelten Festigkeitswerte sind zwar nach einer Hochtemperaturbelastung jeweils niedriger als bei der Vergleichslegierung V. Dafür lassen sich die erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierungen E1,E2,E3 jedoch auch unter großtechnischen Bedingungen problemlos und betriebssicher vergießen. Gleichzeitig belegen die Versuche, dass die Festigkeiten der aus den erfindungsgemäßen Aluminiumgusslegierungen E1,E2,E3 gegossenen Zylinderköpfe doppelt so hoch wie die Festigkeiten von Standardlegierungen mit vergleichbarer Vergießbarkeit sind. Tabelle 1
    Cu Si Zr Ti Mn Fe Zn Sr
    E1 6,74 3,92 0,21 0,11 0,51 0,12 0,02 -
    E2 6,67 6,28 0,22 0,11 0,51 0,12 0,02 -
    E3 6,58 6,16 0,22 0,12 0,51 0,13 0,02 0,02
    V 6,72 0,06 0,22 0,11 0,5 0,08 0,02 -
    Angaben in Gew.-%,
    Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen
    Tabelle 2
    Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A [%] HB [-]
    E1 179,4 284,2 2,45 92,5
    E2 170,3 266,1 1,75 94,0
    E3 173,1 276,7 2,09 96,0
    V 178,6 264,5 1,92 93,0
    Tabelle 3
    Legierung Dauer [h]
    8 100 500
    Rp0,2 [MPa] E1 123,27 95,72 91,71
    E2 126,89 101,49 96,46
    V 193,67 186,33 193,00
    Rm E1 235,69 196,33 190,57
    E2 243,78 206,04 194,95
    V 263,33 280,67 298,67
    A E1 3,46 3,80 4,58
    E2 3,51 4,59 4,76
    V 1,30 1,87 2,20
    Tabelle 4
    Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A [%]
    E1 67,00 88,33 27,73
    E2 64,33 86,67 24,47
    E3 60,33 82,67 28,47
    V 106,33 148,33 21,13
    Tabelle 5
    Cu Si Sr Ti Mn Fe Zn Mg
    S1 0,52 7,11 0,02 0,10 0,12 0,14 0,02 0,39
    S2 3,97 6,18 0,02 0,11 0,31 0,47 0,34 0,37
    Angaben in Gew.-%,
    Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen
    Tabelle 6
    Rp0,2 [MPa] Rm [MPa]
    S1 79 91
    S2 75 90
    E1 95 135
    Tabelle 7
    Rp0,2 [MPa] Rm [MPa]
    S1 35 42
    S2 48 55
    E1 65 90

Claims (12)

  1. Aluminiumgusslegierung, mit (in Gew.-%) Cu: 6,0 - 8,0 %, Mn: 0,3 - 0,55 %, Zr: 0,18 - 0,25 %, Si: 3,0 - 7,0 %, Ti: 0,05 - 0,2 %, Sr: bis zu 0,03 %, V: bis zu 0,04 %, Fe: bis zu 0,25 %,
    Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
  2. Aluminiumgusslegierung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass ihr Si-Gehalt weniger als 5,0 Gew.-% beträgt.
  3. Aluminiumgusslegierung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass ihr Si-Gehalt mindestens 3,5 Gew.-% beträgt.
  4. Aluminiumgusslegierung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass ihr Si-Gehalt mindestens 5,0 Gew.-% beträgt.
  5. Aluminiumgusslegierung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass ihr Si-Gehalt mindestens 5,5 Gew.-% beträgt.
  6. Aluminiumgusslegierung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
    gekennzeichnet, dass ihr Cu-Gehalt höchstens 7,0 Gew.-% beträgt.
  7. Aluminiumlegierung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
    gekennzeichnet, dass ihr Mn-Gehalt 0,4 - 0,55 Gew.-% beträgt.
  8. Aluminiumgusslegierung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
    gekennzeichnet, dass ihr Zr-Gehalt 0,2 - 0,25 Gew.-% beträgt.
  9. Aluminiumgusslegierung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
    gekennzeichnet, dass ihr Ti-Gehalt 0,08 - 0,12 Gew.-% beträgt.
  10. Aluminiumgusslegierung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
    gekennzeichnet, dass ihr Sr-Gehalt mindestens 0,015 Gew.-% beträgt.
  11. Gussteil für einen Verbrennungsmotor, gegossen aus einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildeten Aluminiumgusslegierung.
  12. Gussteil nach Anspruch 11, dadurch
    gekennzeichnet, dass es ein Zylinderkopf ist.
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