DE102007012423A1

DE102007012423A1 - Aluminium-Gusslegierung

Info

Publication number: DE102007012423A1
Application number: DE200710012423
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Dr. Klinkenberg; Sebastian Thalmair
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2008-09-18
Also published as: DE502008001226D1; EP1972696B1; EP1972696A1

Abstract

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

Description

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

In der nachstehenden Tabelle sind die Ergebnisse der Versuche wiedergegeben.

Legierung	Schädigungsparameter P_SWT in MPa	Lastspielzahl N
Beispiel AlSi5	0,29 bis 0,38 Mittel 0,35	2650 bis 4100 Mittel 3555
Vergl. Beispiel 1 AlSi7Mg	0,22 bis 0,27 Mittel 0,22	1710 bis 3300 Mittel 2555
Vergl. Beispiel 2 AlSi7MgCu0,5	0,41 bis 0,53 Mittel 0,48	1580 bis 2250 Mittel 1900

Es ist ersichtlich, dass mit der erfindungsgemäßen AlSi5-Legierung nach dem Beispiel bei guten P_SWT-Werten eine deutliche Erhöhung der Lastspielzahl erreicht wird. Zwar ist mit der AlSi7MgCu0,5-Legierung nach dem Vergleichsbeispiel 2 der P_SWT-Wert verbessert, jedoch ist die Lastspielzahl wesentlich herabgesetzt. Bei der AlSi7Mg-Legierung nach dem Vergleichsbeispiel 1 ist sowohl der Schädigungsparameter wie die Lastspielzahl wesentlich schlechter.
Erwähnt sei, dass auch die Wärmeleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung bestimmt wurde. Sie liegt auf gleich hohem Niveau wie die Wärmeleitfähigkeit der Legierung 1 und deutlich über der der Legierung nach dem Vergleichsbeispiel 2.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2004/104240 A2 [0006]
- DE 10026626 C1 [0006]

Claims

Aluminium-Gusslegierung, bestehend aus 4,5 bis 6,0 Gew.% Silizium, 0,20 bis 0,55 Gew.% Magnesium, 0 bis 0,20 Gew.% Titan, weniger als 0,30 Gew.% Eisen, Mangan max. 2/3 des Eisengehaltes, 0,10 bis 0,45 Gew.% Kupfer, weniger als 0,07 Gew.% Zink, Aluminium als Rest sowie unvermeidbare Verunreinigungen einzeln max. 0,03 Gew%, insgesamt maximal 0,1 Gew.%
Aluminium-Gusslegierung, gekennzeichnet durch 0,25 bis 0,45 Gew.% Magnesium, 0,05 bis 0,10 Gew.% Titan, weniger als 0,15 Gew.% Eisen, und/oder 0,15 bis 0,35 Gew.% Kupfer.