EP3048179A1

EP3048179A1 - Verfahren zum Herstellen von komplex geformten Gussteilen und Gussteil bestehend aus einer AlCu-Legierung

Info

Publication number: EP3048179A1
Application number: EP15151960.0A
Authority: EP
Inventors: Michael RAFETZEDER
Original assignee: Nemak SAB de CV
Current assignee: Nemak SAB de CV
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: KR20170123307A; TWI583803B; RU2670627C1; BR112017014023A2; ES2633026T3; TW201636436A; BR112017014023B1; KR101891226B1; PL3048179T3; CN107208199A; JP6359778B2; CN107208199B; US20170362690A1; EP3048179B1; WO2016116805A1; MX2017009062A; US10081856B2; JP2018509525A

Abstract

Die Erfindung stellt somit ein Verfahren zum praxisgerechten, betriebssicheren Herstellen von Gussteilen aus einer AlCu-Legierung zur Verfügung, die aus (in Gew.-%) Cu: 6 - 8 %, Mn: 0,3 - 0,55 %, Zr: 0,15 - 0,25 %, Fe: bis zu 0,25 %, Si: bis zu 0,125 %, Ti: 0,05 - 0,2 %, V: bis zu 0,04 %, Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen, besteht. Eine entsprechend dieser Legierungsvorschrift erschmolzene Schmelze wird bei 730 - 810 °C über 4 - 12 Stunden gehalten und dann mindestens einmal kräftig durchmischt. Anschließend wird die Schmelze portionsweise zum jeweiligen Gussteil vergossen, das dann bei 475 - 545 °C über 1 - 16 Stunden lösungsgeglüht wird. Ausgehend von der Lösungsglühtemperatur wird das Gussteil auf höchstens 300 °C abgeschreckt, wobei in dem im Zuge des Abschreckens durchschrittenen Temperaturbereich von 500 - 300 °C die Abkühlrate 0,75 - 15 K/s beträgt. Danach wird das Gussteil über eine Dauer von 1 - 10 h bei 150 - 300 °C warmausgelagert. Schließlich wird das Gussteil auf Raumtemperatur abgekühlt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von komplex geformten Gussteilen aus einer AlCu-Legierung.
Wenn hier Angaben zu Gehalten von Legierungselementen gemacht werden, beziehen diese sich jeweils auf das Gewicht der betreffenden Legierung, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
Aus AlCu-Legierungen der hier in Rede stehenden Art bestehende Gussteile weisen besonders hohe Festigkeiten vor allem bei erhöhten Einsatztemperaturen von mehr als 250 °C auf. Dem stehen allerdings schlechte Gießeigenschaften gegenüber, die die gießtechnische Erzeugung von Bauteilen, die sich durch eine komplexe Formgebung auszeichnen, erschweren.
Typische Beispiele für solche Gussteile sind für Verbrennungsmotoren bestimmte Zylinderköpfe, die einerseits im praktischen Einsatz hohen Temperaturen ausgesetzt sind und andererseits eine kompakte Bauform besitzen, in die filigran gestaltete Formelemente, wie Kühl- und Ölkanäle, Ausnehmungen, Stege, Führungen und desgleichen, eingeformt sind.
Ein wesentliches Problem bei der Verarbeitung von im Wesentlichen Si-freien AlCu-Legierungen ergibt sich aus ihrer hohen Warmrissanfälligkeit und einem Nachspeisungsverhalten, das deutlich schlechter ist als bei konventionellen AlSi-Legierungen.
Aus der WO 2008/072972 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von komplex geformten Gussteilen aus einer AlCu-Legierung bekannt, die aus (in Gew.-%) 2 - 8 % Cu, 0,2 - 0,6 % Mn, 0,07 - 0,3 % Zr, bis zu 0,25 % Fe, bis zu 0,3 % Si, 0,05 - 0,2 % Ti, bis zu 0,04 % V und als Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen besteht, wobei die Summe der Gehalte an den Verunreinigungen nicht mehr als 0,1 % beträgt. Der Anwesenheit von Zr wird dabei eine besondere Bedeutung hinsichtlich der Erzeugung eines feinen Gefüges mit Korngrößen von maximal 100 µm zugeschrieben.
Zur Verbesserung der Feinheit des Gussteilgefüges kann bei der Durchführung des bekannten Verfahrens einer entsprechend zusammengesetzten Schmelze zusätzlich vor dem Vergießen ein Kornfeinungsmittel, wie beispielsweise TiC in einer Dosierung von typischerweise 2 kg pro Tonne Schmelze, zugegeben werden. Das nach dem Gießen und Erstarren erhaltene Gussteil wird einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der es zunächst bei 530 - 545 °C lösungsgeglüht wird. Von der Lösungsglühtemperatur wird das Gussteil mittels Wasser oder im Luftstrom beschleunigt abgekühlt, wobei insbesondere die Abschreckung mit Wasser als vorteilhaft im Hinblick auf die angestrebte hohe Festigkeit angesehen wird, jedoch die Abkühlung im Luftstrom für den Fall empfohlen wird, dass das Gussteil infolge seiner komplexen Formgebung bei einer schnelleren Abkühlung zur Rissbildung neigt. Nach dem Abschrecken wird das Gussteil über eine Dauer von 3 - 14 Stunden bei einer Temperatur von 160 - 240 °C gehalten, um die Härte des Gefüges zu steigern.
Versuche zur praktischen Umsetzung des bekannten Verfahrens haben gezeigt, dass die bekannte Legierung zwar Vorteile hinsichtlich der Materialeigenschaften aufweist, die sie insbesondere für die gießtechnische Erzeugung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren interessant macht. Jedoch gelingt es im großtechnischen Rahmen nicht mit der notwendigen Betriebssicherheit, mit dem bekannten Verfahren aus dieser Legierung Gussteile zu erzeugen, die den im praktischen Einsatz an sie gestellten Anforderungen standhalten.
So hat sich gezeigt, dass die Korngröße der jeweils erhaltenen Gussteile je nach dem Abguss tatsächlich extrem schwankt. So konnte beispielsweise an einem sehr großen Probestück, das sehr langsam erstarrt ist, eine mittlere Korngröße von ca. 100 µm festgestellt werden. Trennt man jedoch aus diesem Probestück ein kleineres Stück heraus, schmelzt es erneut auf und lässt es dann wieder sehr schnell erstarren, so stellen sich trotz der schnellen Erstarrungsgeschwindigkeit wider Erwarten Korngrößen von 500 - 900 µm ein. Gussteile mit einem derart groben Gefüge sind für die Anwendung, auf die die hier in Rede stehenden Verfahren abzielen, völlig unzureichend.
Vor dem Hintergrund des Standes der Technik bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, das auf praxisgerechte, betriebssichere Weise die Erzeugung von Gussteilen aus einer AlCu-Legierung der bekannten Art ermöglicht.
In Bezug auf das Verfahren hat die Erfindung diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei der Herstellung von Gussteilen aus einer AlCu-Legierung die in Anspruch 1 angegebenen Arbeitsschritte absolviert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Gießen von filigran geformten Gussteilen umfasst folglich folgende Arbeitsschritte:

a) Erschmelzen einer AlCu-Legierung, die aus (in Gew.-%)
- Cu: 6 - 8 %,
- Mn: 0,3 - 0,55 %,
- Zr: 0, 15 - 0, 25 %,
- Fe: bis zu 0,25 %,
- Si: bis zu 0,125 %,
- Ti: 0,05 - 0,2 %,
- V: bis zu 0,04 %,
- Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen,
besteht;
b) Halten der Schmelze bei einer 730 - 810 °C betragenden Haltetemperatur über eine Haltedauer von 4 - 12 Stunden;
c) Durchmischen der Schmelze;
d) Entnehmen einer Schmelzenportion aus der Schmelze;
e) Vergießen der aus der Schmelze entnommenen Schmelzenportion zu dem Gussteil;
f) Lösungsglühen des Gussteils bei einer 475 - 545 °C betragenden Lösungsglühtemperatur über eine Lösungsglühdauer von 1 - 16 Stunden;
g) Abschrecken des Gussteils von der Lösungsglühtemperatur auf eine höchstens 300 °C betragende Abschreckstopptemperatur, wobei das Gussteil mindestens im Temperaturbereich von 500 - 300 °C mit einer Abkühlrate von 0,75 - 15 K/s abgeschreckt wird;
h) Warmauslagern des Gussteils, wobei das Gussteil während des Warmauslagerns über eine Dauer von 1 - 10 Stunden bei einer 150 - 300 °C betragenden Warmauslagerungstemperatur gehalten wird;
i) Abkühlen des Gussteils auf Raumtemperatur.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von der aus der bereits erwähnten WO 2008/072972 A1 bekannten AlCu-Legierung aus und liefert ein Gussteil, das auch höchsten Anforderungen an seine Gebrauchseigenschaften im praktischen Einsatz erfüllt.
Kupfer ist in der erfindungsgemäß verarbeiteten Legierung in Gehalten von 6 - 8 Gew.-% vorhanden, um die geforderte Warmfestigkeit des zu erzeugenden Gussteils zu erreichen. In dieser Hinsicht optimale Eigenschaften werden erzielt, wenn der Cu-Gehalt der erfindungsgemäß verarbeiteten Legierung 6,5 - 7,5 Gew.-% beträgt.
Mangan in Gehalten von 0,3 - 0,55 Gew.-% unterstützt die Diffusion von Cu in der Al-Matrix des Gefüges eines erfindungsgemäß erzeugten Bauteils und stabilisiert so die Festigkeit der erfindungsgemäßen Legierung auch bei hohen Betriebstemperaturen. Besonders sicher wird dieser Effekt erreicht, wenn der Mn-Gehalt 0,4 - 0,55 Gew.-% beträgt.
Zirkon hat eine besondere Bedeutung für die Warmfestigkeit erfindungsgemäß erzeugter Gussteile. So begünstigen Zr-Gehalte von 0,15 - 0,25 Gew.-% die Entstehung von dispersen Ausscheidungen, die bei den aus erfindungsgemäßen Gusslegierungen gegossenen Gussteilen gewährleisten, dass die erfindungsgemäße Legierung ein feines Gefüge, eine dadurch bedingte, über das Gussteilvolumen optimal gleichmäßige Verteilung der mechanischen Eigenschaften und eine minimierte Neigung zur Rissbildung besitzt. Diese Vorteile lassen sich besonders sicher erreichen, wenn der Zr-Gehalt der erfindungsgemäß verarbeiteten Legierung 0,18 - 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,2 - 0,25 Gew.-%, beträgt.
Eisen ist in einer erfindungsgemäßen Legierung unerwünscht, da es zur Bildung spröder Phasen neigt. Daher ist der Fe-Gehalt auf maximal 0,25 Gew.-%, vorzugsweise 0,12 Gew.-% beschränkt.
Die für den Si-Gehalt erfindungsgemäß vorgeschriebene Gehaltsgrenze beträgt höchstens 0,125 Gew.-%, weil bei höheren Gehalten an Si die Gefahr der Bildung von Heißrissen ansteigt. Negative Einflüsse von Si auf die Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Legierung können dadurch sicher ausgeschlossen werden, dass der Si-Gehalt auf höchstens 0,06 Gew.-% beschränkt wird.
Ti in Gehalten von 0,05 - 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,08 - 0,12 Gew.-%, trägt wie Zr ebenfalls zur Kornfeinung bei. Unterstützt werden kann die Kornfeinung auch durch Zugabe von bis zu 0,04 Gew.-% V. Dies gilt insbesondere dann, wenn 0,01 - 0,03 Gew.-% V in der erfindungsgemäß verarbeiteten Legierung vorhanden sind.
Die Summe der Gehalte an erschmelzungs- und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen sollte wie beim Stand der Technik gering gehalten werden, insbesondere 0,1 Gew.-% nicht überschreiten.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass es für die Herstellung von zuverlässig fehlerfreien komplex geformten Gussteilen, wie Zylinderköpfen für benzin- oder dieselbetriebene Verbrennungsmotoren, aus einer AlCu-Legierung erforderlich ist, die Parameter des Herstellverfahrens über die bereits bekannten Maßnahmen hinaus zu modifizieren. Nur so lassen sich prozesssicher erfindungsgemäß zusammengesetzte Gussteile erzeugen, die über ihr gesamtes Volumen eine Korngröße von weniger als 100 µm, idealerweise von weniger als 80 µm, besitzen.
Als erster Schritt in diese Richtung muss die Schmelze über eine ausreichend lange Dauer in einem geeigneten Temperaturbereich warmgehalten werden.
Durch umfangreiche Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass hierzu eine Warmhaltedauer von 4 - 12 Stunden und eine Haltetemperatur von 730 - 810 °C, insbesondere von 750 - 810 °C, erforderlich ist, wobei sich die gewünschten Ergebnisse besonders zuverlässig einstellen, wenn die Haltedauer 6 - 10 Stunden und die Haltetemperatur 770 - 790 °C betragen.
Der mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Halten in voranstehend genannten Zeit- und Temperaturbereichen (Arbeitsschritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens) verbundene Wirkmechanismus konnte bisher nicht abschließend geklärt werden. Jedoch scheint hier die Anwesenheit von Zr, Ti und optional V in den erfindungsgemäß vorgesehenen Mengen einen entscheidenden Einfluss zu haben. Diese Elemente bilden gemeinsam mit Aluminium als dem Hauptbestandteil der Legierung bei hohen Temperaturen Vorausscheidungen, die durch die lange Haltedauer aktiviert werden und dann effektiv als Kornfeinungsmittel wirken.
Ebenso hat sich herausgestellt, dass es für ein über viele Abgüsse gleichbleibend gutes Gießergebnis erforderlich ist, die Schmelze vor dem Beginn der jeweiligen Gießkampagne mindestens einmal gut zu durchmischen.
Anschließend beginnt mit Arbeitsschritt d) der eigentliche Gießbetrieb. Die Arbeitsschritte d) - i) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden dann so oft wiederholt, bis die für die jeweilige Gießkampagne vorgesehene Anzahl von Gussteilen erzeugt ist.
Erforderlichenfalls kann dabei das Durchmischen zwischen zwei Portionsentnahmen wiederholt werden. Die beispielsweise als intensives Rühren durchgeführte Durchmischung kann im Zuge einer konventionellen Entgasungsbehandlung vorgenommen werden, wie sie üblicherweise bei Herstellverfahren der hier in Rede stehenden Art vor dem Beginn des mit der ersten Entnahme einer Schmelzenportion einsetzenden eigentlichen Gießbetriebs zum Einsatz kommt.
Die Ausbildung eines besonders feinen Gefüges bei den erfindungsgemäß erzeugten Gussteilen kann des Weiteren dadurch unterstützt werden, dass die jeweilige Schmelzenportion, beispielsweise auf ihrem Weg zur Gießform, vor dem Vergießen zu dem Gussteil optional einer Kornfeinungsbehandlung unterzogen wird. Durch eine solche Behandlung lassen sich bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens Gussteile erzeugen, bei denen für das Gefüge eine mittlere Korngröße von weniger als 60 µm gewährleistet werden kann.
Als erfindungsgemäß optional zugegebene Kornfeinungsmittel eignen sich die für diesen Zweck bereits bekannten Verbindungen, wie beispielsweise TiC oder TiB, die jeweils in einer Dosierung von 1 - 10 kg pro Tonne Schmelze zugegeben werden können. Versuche haben hier gezeigt, dass sich eine optimale Kornfeinungswirkung ergibt, wenn die Dosierung der Kornfeinungsmittel 4 - 8 kg pro Tonne Schmelze beträgt.
Für das Abgießen des Gussteils (Arbeitsschritt e) des erfindungsgemäßen Verfahrens) eignet sich im Grundsatz jedes konventionelle Gießverfahren. Dies schließt die Möglichkeit eines konventionellen Schwerkraftgusses ein.
Die praktische Erprobung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat jedoch gezeigt, dass sich aus der erfindungsgemäß verarbeiteten Legierung gegossene Teile selbst dann, wenn man durch die im Zuge der Vorbereitung des Abgusses durchgeführten Maßnahmen ein feines Gefüge im Gussteil erzielt hat, aufgrund des Fehlens von Si in seiner Legierung sensibel im Hinblick auf den bei ihrer Abkühlung sich einstellenden Temperaturgradienten sind. Dieser Empfindlichkeit kann durch ein Gießverfahren entgegengewirkt werden, das eine möglichst gut gerichtete Erstarrung bewirkt.
Sollen besonders filigran geformte Bauteile mit optimierten Eigenschaften erzeugt werden, so sollte daher ein sogenanntes "dynamisches Gießverfahren" zum Einsatz kommen. Hierunter werden solche Verfahren verstanden, bei denen die Gießform während des Befüllens mit Schmelze bewegt werden, um einerseits eine ruhiges, verwirbelungsarmes Einströmen der Schmelze und ein damit einhergehend ebenso ruhiges Befüllen der Gießform zu gewährleisten und um andererseits nach dem Befüllen einen optimalen Erstarrungsverlauf zu erzielen.
Gemeinsames Charakteristikum der auch unter der Bezeichnung "Kippgießverfahren" bekannten dynamischen Gießverfahren ist, dass die Gießform über einen an sie angedockten Schmelzenbehälter gefüllt wird, indem sie mit dem Schmelzenbehälter aus einer Ausgangsstellung, in der der Schmelzenbehälter mit der zu vergießenden Schmelze befüllt wird, um eine Schwenkachse in eine Endstellung gedreht wird, so dass in Folge dieser Schwenkbewegung die Schmelze in die Gießform einströmt. Beispiele für solche Verfahren sind in der EP 1 155 763 A1 , der DE 10 2004 015 649 B3 , der DE 10 2008 015 856 A1 , der DE 10 2010 022 343 A1 und der bisher noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2014 102 724.8 beschrieben.
Durch die voranstehend erläuterten Maßnahmen (Arbeitsschritte a) - e) sowie die bei Bedarf zusätzlich durchgeführte Kornfeinungsbehandlung) liegt nach dem Abguss und der Erstarrung bereits ein Gussteil vor, dessen Gefüge die an seine Feinkörnigkeit gestellte Anforderung (mittlere Korngröße < 100 µm) erfüllt.
Zur Einstellung seiner weiteren Gebrauchseigenschaften durchläuft das Gussteil erfindungsgemäß nun noch eine Wärmebehandlung, bei der es zunächst eine Lösungsglühbehandlung bei einer 475 - 545 °C betragenden Lösungsglühtemperatur über eine Lösungsglühdauer von 1 - 16 Stunden durchläuft. Um möglichst hohe Cu-Konzentrationen in der Al-Matrix zu erreichen und so das volle Potential der Legierung auszuschöpfen, kann die Lösungstemperatur auf 515 - 530 °C eingestellt werden.
Die Dauer der Lösungsglühbehandlung hat keinen wesentlichen Einfluss. Sie ist innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens so einzustellen, dass der anwesende Kupfergehalt bestmöglich in der Al-Matrix gelöst wird. In der Praxis gelingt es hier typischerweise, mindestens 60 % des vorhandenen Cu-Gehalts zu lösen, wobei angestrebt wird, möglichst hohe Anteile, beispielsweise mindestens 70 % und mehr, des vorhandenen Cu-Gehalts zu lösen. Hierzu kann in der Praxis bei der gießtechnischen Herstellung von Bauteilen für Verbrennungsmotoren eine Lösungsglühdauer von 2 -6 Stunden vorgesehen werden.
Nach dem Lösungsglühen wird das jeweilige Gussteil von der Lösungsglühtemperatur auf eine höchstens 300 °C betragende Abschreckstopptemperatur beschleunigt abgekühlt. Hierbei kommt der Abschreckrate eine entscheidende Bedeutung zu.
Die Abschreckrate ist nach unten hin dadurch begrenzt, dass aus einer zu langsamen Abkühlung zu niedrige Festigkeiten resultieren. So zeigt sich, dass bei konventioneller Luftabschreckung die Zugfestigkeit und Dehngrenze von aus der erfindungsgemäß verarbeiteten Legierung bestehenden Gussteilen geringer ist als bei Gussteilen, die aus Standardlegierungen bestehen. Deshalb sieht die Erfindung im Arbeitsschritt g) eine Abschreckrate von im Mittel mindestens 0,75 K/s über das ganze Gussteil vor.
Bei einer zu schnellen Abkühlung nach dem Lösungsglühen besteht demgegenüber die Gefahr der Entstehung von Rissen. Diese können beispielsweise eintreten, wenn das Gussteil in weniger als 70 °C warmem, als Strahl, Schwall oder im Tauchbecken appliziertem Wasser abgeschreckt wird. Indem die Abschreckung mit auf mindestens 70 °C erwärmtem Wasser vorgenommen wird, kann die Rissbildung ausreichend sicher vermieden werden.
Alternativ ist es auch möglich, die Abschreckung mit einem Sprühnebel vorzunehmen. Bei einer Sprühnebelabschreckung erfolgt die Abkühlung so behutsam, dass es auch dann zu keiner Rissbildung kommt, wenn der Sprühnebel mit Raumtemperatur ausgebracht wird.
Unabhängig davon, wie die Abschreckung ausgeführt wird, ist zur Vermeidung von Rissbildung erfindungsgemäß die obere Grenze der über das ganze Gussteil im Mittel erzielten Abschreckrate bei der erfindungsgemäß vorgenommene Abschreckung im Arbeitsschritt g) des erfindungsgemäßen Verfahrens auf 15 K/s beschränkt.
Ideal ist eine über das ganze Gussteil erzielte mittlere Abkühlrate von 1,5 - 7,5 K/s. Beispielsweise ergibt eine Wasserabschreckung mit 90 °C warmem Wasser eine Abkühlrate von ca. 7,5 K/s und führte bei der Erprobung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu besten Ergebnissen.
Das Abschreckmittel kann, wie erwähnt, beispielsweise als Schwall oder Sprühnebel appliziert werden. Bei Anwendung einer Sprühnebelabkühlung gibt es die Möglichkeit, die Teile durch Beaufschlagung ihrer Außenseite oder von innen dadurch zu kühlen, dass das Abschreckmittel durch im Gussteil vorhandene Kanäle, beispielsweise bei einem Zylinderkopf durch den Wassermantel, geleitet wird. Hierzu in Frage kommende Maßnahmen sind beispielsweise in der DE 102 22 098 B4 beschrieben. Bei einer Abkühlung von außen ergibt sich eine Abkühlrate von ca. 2 - 2,5 K/s, bei einer Innenabschreckung liegen die Abschreckraten bei 1,5 - 3,75 K/s.
Im Arbeitsschritt g) wird das Gussteil auf eine Temperatur abgeschreckt, die kleiner oder gleich der anschließenden Auslagerungstemperatur ist. Das Warmauslagern dauert erfindungsgemäß 1 - 10 Stunden bei einer 150 - 300 °C, insbesondere 200 - 260 °C, betragenden Warmauslagerungstemperatur. Die Warmauslagerung erfolgt somit in Anlehnung an die konventionelle Vorgehensweise, anders als dort sieht die Erfindung allerdings ausdrücklich keine Überalterung vor.
Die Dauer der Warmauslagerung hat keine wesentliche Auswirkung auf das Behandlungsergebnis. Um einen stabilen Zustand des Gussteils zu erreichen, hat es sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, die Auslagerung über mindestens 2 Stunden durchzuführen. In praxisgerechter Ausführung liegt die für die Warmauslagerung vorgesehene Dauer typischerweise bei 2 - 4 Stunden.
Erfindungsgemäß erzeugte Gussteile zeichnen sich somit dadurch aus, dass sie aus einer AlCu-Legierung mit (in Gew.-%) 6 - 8 % Cu, 0, 3 - 0,55 % Mn, 0, 15 - 0,25 % Zr, bis zu 0,25 % Fe, bis zu 0,125 % Si, 0,05 - 0,2 % Ti, bis zu 0,04 % V und als aus Rest Al und unvermeidbaren Verunreinigungen bestehen und dabei ein Gefüge besitzen, das eine mittlere Korngröße von weniger als 100 µm, insbesondere weniger als 80 µm, besitzt.
Dabei weisen erfindungsgemäß hergestellte und beschaffene Gussteile bei minimierter Rissanfälligkeit auch nach einem mindestens 400 h dauernden Einsatz bei Temperaturen von mindestens 250 °C, wie sie für Anwendungen bei Verbrennungsmotoren für Automobile typisch sind, bei einer Prüftemperatur von 250 °C eine Zugfestigkeit von mindestens 160 MPa, typischerweise mindestens 200 MPa, und eine Dehngrenze von mindestens 100 MPa, typischerweise mindestens 150 MPa, auf.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Zur Erprobung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Versuchsschmelzen S1,S2,S3 in einem konventionellen Schmelzenofen erschmolzen worden, deren Zusammensetzung in Tabelle 1 angegeben ist.
Dabei sind die Schmelzen S1,S2,S3 im Schmelzenofen jeweils über eine Dauer tH auf einer Haltetemperatur TH gehalten worden.
Anschließend erfolgte vor Beginn der eigentlichen Gießkampagne eine konventionelle Entgasungsbehandlung, bei der die jeweilige Schmelze S1,S2,S3 zusätzlich kräftig durchgerührt wurde, um eine gute Durchmischung zu erreichen.
In der daraufhin startenden jeweilige Gießkampagne sind aus den Schmelzen S1,S2,S3 die Gussteile G1 - G4 (Schmelze S1), G5 (Schmelze S2) und Gussteile G6,G7 (Schmelze S3) gegossen worden. Bei den Gussteilen G1 - G5 handelte es sich um Zylinderköpfe für Diesel-Verbrennungsmotoren, wogegen die zu gießenden Gussteile G6,G7 Zylinderköpfe für benzinbetriebene Verbrennungsmotoren waren.
Für den Guss der Gussteile G1 - G7 sind in der jeweiligen Gießkampagne aus dem Schmelzenofen mittels eines konventionellen Gießlöffels ausreichend bemessene Portionen der jeweiligen Schmelze S1,S2,S3 entnommen worden.
Der im Gießlöffel enthaltenen Schmelzenportion ist jeweils TiB in einer Dosierung DKF zugegeben worden.
Der Abguss der jeweiligen Schmelzenportion erfolgte unter Anwendung des unter dem Stichwort "Rotacast" bekannten Rotationsgießverfahrens in einer konventionellen Rotationsgießmaschine, wie sie beispielsweise in der EP 1 155 763 A1 beschrieben ist.
Nach dem Erstarren und Entformen sind die erhaltenen Gussteile bei einer Lösungsglühtemperatur TLG über eine Lösungsglühdauer tLG lösungsgeglüht worden.
Nach dem Ende des Lösungsglühens sind die Gussteile von der jeweiligen Lösungsglühtemperatur TLG auf eine Abschreckstopptemperatur TAS mit einer Abkühlrate dAS abgeschreckt worden.
Darauf folgte ein Warmauslagern der Gussteile G1 - G7. Dabei sind die Gussteile über eine Dauer tWA auf der jeweiligen Warmauslagerungstemperatur TWA gehalten worden.
In Tabelle 2 sind zu jedem der so erhaltenen Gussteile G1 - G7 die Schmelze, aus denen sie jeweils gegossen worden sind, sowie die Parameter Haltedauer tH, Haltetemperatur TH, Dosierung DKF, Lösungsglühtemperatur TLG, Lösungsglühdauer tLG, Abschreckstopptemperatur TAS, Abkühlrate dAS, Warmauslagerungsdauer tWA und Warmauslagerungstemperatur TWA.
Die nach der Abkühlung bei Raumtemperatur ermittelten mittlere Korngröße des Gefüges, Zugfestigkeit Rm, Dehngrenze Rp0,2 und Dehnung A sind in Tabelle 3 verzeichnet.

Es zeigt sich, dass das mit einer zu geringen Abkühlgeschwindigkeit dAS nach dem Lösungsglühen abgeschreckte Gussteil G3 eine deutlich geringere Zugfestigkeit Rm und eine ebenso deutlich niedrigere Dehngrenze Rp0,2 erreicht hat als die in erfindungsgemäßer Weise wärmebehandelten Gussteile G1,G2 und G4, die aus derselben Schmelze S1 gegossen worden sind.

Tabelle 1

Schmelze	Cu	Mn	Zr	Fe	Si	Ti	V	Erfindungsgemäß?
S1	6,52	0,455	0,206	0,074	0,095	0,086	0,0093	Ja
S2	6,34	0,433	0,189	0,094	0,10	0,085	0,0095	Ja
S3	6,47	0,453	0,198	0,089	0,051	0,091	0,0101	Ja

Angaben in Gew.-%, Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen

Tabelle 2

Gussteil	Schmelze	TH	tH	DKF	TLG	tLG	TAS	dAS	TWA	tWA	Erfindungsgemäß?
Gussteil	Schmelze	[°C]	[Stunden]	[kg pro Tonne Schmelze]	[°C]	[Stunden]	[°C]	[K/s]	[°C]	[Stunden]	Erfindungsgemäß?
G1	S1	780	12	8	530	4	100	6,9	240	4	Ja
G2	S1	780	12	8	530	4	100	13,8	240	4	Ja
G3	S1	780	12	8	530	4	150	0,70	240	4	Nein
G4	S1	780	12	8	530	4	150	2,45	240	4	Ja
G5	S2	775	8	7	530	4,5	75	2,03	240	4	Ja
G6	S3	779	8,5	8	530	4	90	7,5	240	4	Ja
G7	S3	779	8,5	8	530	4	90	7,5	240	4	Ja

Tabelle 3

Gussteil	mittlere Korngröße	Rm	Rp0,2	A	Erfindungsgemäß?
Gussteil	[µm]	[MPa]	[MPa]	[%]	Erfindungsgemäß?
G1	53,0	324	203	3,89	Ja
G2	54,3	333	218	3,43	Ja
G3	52,8	270	137	7,03	Nein
G4	55,2	297	173	4,58	Ja
G5	46,5	336	212	4,79	Ja
G6	39,5	329	196	4,99	Ja
G7	36,8	329	198	5,55	Ja

Claims

Verfahren zum Herstellen von komplex geformten Gussteilen umfassend folgende Arbeitsschritte:
a) Erschmelzen einer AlCu-Legierung, die aus (in Gew.-%)
Cu: 6 - 8 %,

Mn: 0, 3 - 0,55 %,

Zr: 0,15 - 0,25 %,

Fe: bis zu 0,25 %,

Si: bis zu 0,125 %,

Ti: 0,05 - 0,2 %,

V: bis zu 0,04 %,

Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen,
besteht;

b) Halten der Schmelze bei einer 730 - 810 °C betragenden Haltetemperatur über eine Haltedauer von 4 - 12 Stunden;

c) Durchmischen der Schmelze;

d) Entnehmen einer Schmelzenportion aus der Schmelze;

e) Vergießen der aus der Schmelze entnommenen Schmelzenportion zu dem Gussteil;

f) Lösungsglühen des Gussteils bei einer 475 - 545 °C betragenden Lösungsglühtemperatur über eine Lösungsglühdauer von 1 - 16 Stunden;

g) Abschrecken des Gussteils von der Lösungsglühtemperatur auf eine höchstens 300 °C betragende Abschreckstopptemperatur, wobei das Gussteil mindestens im Temperaturbereich von 500 - 300 °C mit einer Abkühlrate von 0,75 - 15 K/s abgeschreckt wird;

h) Warmauslagern des Gussteils, wobei das Gussteil während des Warmauslagerns über eine Dauer von 1 - 10 Stunden bei einer 150 - 300 °C betragenden Warmauslagerungstemperatur gehalten wird;

i) Abkühlen des Gussteils auf Raumtemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Schmelze entnommene Schmelzenportion vor dem Vergießen zu dem Gussteil einer Kornfeinungsbehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kornfeinung als Kornfeinungsmittel TiC oder TiB in einer Dosierung von 1 - 10 kg pro Tonne Schmelze zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierung 4 - 8 kg pro Tonne Schmelze beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergießen der Schmelzenportion zu dem Gussteil ein dynamisches Gießverfahren zur Anwendung kommt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltedauer (Arbeitsschritt b) 6 - 10 Stunden beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltetemperatur (Arbeitsschritt b) 770 - 790 °C beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchmischen (Arbeitsschritt c) im Zuge einer Entgasungsbehandlung der Schmelze durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösungsglühtemperatur 515 - 530 °C beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösungsglühdauer 2 - 6 Stunden beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abschrecken des Gussteils (Arbeitsschritt g) ein Abschreckmedium verwendet wird, das auf eine Temperatur von mindestens 70 °C erwärmt ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschreckmedium als Sprühnebel auf das Gussteil gerichtet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmauslagerungstemperatur 200 - 260 °C beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Warmauslagerung (Arbeitsschritt h) 2 - 4 Stunden beträgt.