DE102007012423A1

DE102007012423A1 - Cast aluminum alloy

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: EP1972696B1; EP1972696A1; DE502008001226D1

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.-%.A thermal shock resistant cast aluminum alloy consists of: 4.5 to 6.0 wt% silicon, 0.20 to 0.55 wt% magnesium, 0 to 0.20 wt% titanium, less than 0.30 Wt.% Iron, manganese max. 2/3 of the iron content, 0.10 to 0.45 wt .-% copper, less than 0.07 wt .-% zinc, aluminum as the remainder and unavoidable impurities individually max. 0.03 wt .-%, a total of max. 0.1% by weight.

Description

Zur Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren werden neben AlSiCu-Legierungen meist AlSiMg-Legierungen verwendet, die nach der Wärmebehandlung ein günstiges Festigkeits/-Dehnungsverhältnis aufweisen.to Production of cylinder heads for internal combustion engines In addition to AlSiCu alloys, mostly AlSiMg alloys are used, the after heat treatment, a favorable strength / elongation ratio exhibit.

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.%.This includes z. As the alloy AlSi7Mg with the standard composition (DIN EN AB 42100):
Si: 6.5 to 7.5% by weight
Mg: 0.30 to 0.45% by weight
Ti: 0.10 to 0.18 wt.%
Fe: <0.15% by weight
Mn: <0.10% by weight
Cu: <0.02% by weight
Zn: <0.07% by weight.

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.These However, alloy has the significant disadvantage that they a very low heat resistance or aging resistance which in TMF (Thermo Mechanical Fatigue) - or thermomechanical Fatigue test by a low dynamic strength component expresses.

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.Around To overcome this disadvantage, it is known to add copper. So z. An alloy comprising the aforementioned AlSi7Mg standard composition but has a copper content of 0.45 to 0.55% by weight, used for the production of cylinder heads.

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.By However, the increased copper content is in these alloys a higher proportion of unwanted, the thermal shock resistance formed negative affecting eutectic phases. In addition, lead high copper content due to the high initial strength to one strong initial damage.

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.Furthermore, it is off WO 2004/104240 A2 known, by adding zirconium and hafnium and out DE 100 26 626 C1 by adding nickel to increase the heat resistance. However, thermal shock resistance is not improved.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine thermoschockbeständige Aluminiumlegierung guter Giessbarkeit bereitzustellen.task The invention is a thermally shock resistant aluminum alloy to provide good castability.

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.%.This is achieved according to the invention with an aluminum alloy of the following composition:
4.5 to 6.0% by weight of silicon
0.20 to 0.55% by weight, preferably 0.25 to 0.45% by weight of magnesium,
0 to 0.20% by weight, preferably 0.05 to 0.10% by weight of titanium,
less than 0.30% by weight, preferably less than 0.15% by weight iron,
Manganese max. 2/3 of the iron content by weight,
0.10 to 0.45% by weight, preferably 0.15 to 0.35% by weight copper,
less than 0.07% by weight of zinc,
Aluminum as balance and unavoidable impurities individually max. 0.03% by weight, in total max. 0.1% by weight.

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.The Al cast alloy according to the invention has a good Castability with simultaneous avoidance, at least more clearly Reduction of brittle phase components, which the Crack initiation and crack propagation in the thermomechanical Favor fatigue. At the same time she owns one high heat resistance / aging resistance. Despite their However, it is highly resistant to aging with an output strength reduction connected to achieve high lifetimes.

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.By the silicon content of 4.5 to 6.0 wt.% Become brittle Avoid phases with sufficient castability. Also leads the low copper content of at most 0.45, preferably not more than 0,35% by weight to avoid brittle phases, but at the same time ensures sufficient heat resistance a low initial strength.

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.The Castings from the invention Alloy are preferably a heat treatment consisting from a solution annealing between 470 to 540 ° C, quenching with water and optionally air and then a hot cure for several hours at about 160 to 250 ° C subjected.

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.The Cast alloy according to the invention is particular suitable for chill casting, especially for the Core components of internal combustion engines, in particular the engine block / crankcase and cylinder head and, especially in the automotive industry. by virtue of the high heat resistance / aging resistance is it in particular for motor core components with high-intensity Component geometry suitable, so for engines with closely adjacent Combustion chambers and narrow valve webs.

Beispielexample

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.It were several alloys of the invention with of the preferred composition given above. Cylinder heads were cast out of the alloys. the cylinder heads were solution heat treated between 470 ° and 540 ° C, a quench with Water and then heat-set for subjected to several hours at 160 ° to 250 ° C.

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.From the cylinder heads, specimens were removed from the land area, with which TMF experiments were carried out. For this purpose, the damage parameter (P _SWT ) according to Smith, Watson and Topper was determined at a maximum temperature of 250 ° C and a minimum temperature of 50 ° C, which is a measure of the damage and derived for the aging resistance. On the other hand, the load cycle time of the specimens was determined.

Vergleichsbeispiel 1Comparative Example 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.In The same manner as in the previous example were specimens made from several cylinder heads, which are from the beginning AlSi7Mg alloy of the standard composition (DIN EN AB 42100) poured and subjected to the same heat treatment are.

Für diese Probestücke wurde unter den gleichen Bedingungen wie nach dem Beispiel 1 der Schädigungsparameter (P_SWT) und die Lastspielzahl ermittelt.For these test pieces, the damage parameter (P _SWT ) and the number of cycles were determined under the same conditions as in Example 1.

Vergleichsbeispiel 2Comparative Example 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.In the same manner as in the previous example and the comparative example 1 specimens were made of several cylinder heads manufactured, which are made of an alloy, the the initially mentioned, also used in Comparative Example 1 AlSi7Mg alloy met, in addition to being used instead a copper content of less than 0.02% by weight, a copper content from 0.45 to 0.55% by weight.

Für die Probestücke wurde unter den gleichen Bedingungen wie nach dem Beispiel 1 der Schädigungsparameter (P_SWT) und die Lastspielzahl ermittelt.For the test pieces, the damage parameter (P _SWT ) and the number of cycles were determined under the same conditions as in Example 1.

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 The following table shows the results of the experiments. alloy Damage parameter P _SWT in MPa Load cycle number N Example AlSi5 0.29 to 0.38 mean 0.35 2650 to 4100 means 3555 Comp. Example 1 AlSi7Mg 0.22 to 0.27 average 0.22 1710 to 3300 means 2555 Comp. Example 2 AlSi7MgCu0.5 0.41 to 0.53 average 0.48 1580 to 2250 means 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.It can be seen that a significant increase in the number of cycles is achieved with the AlSi5 alloy according to the invention according to the example with good P _SWT values. Although the P _SWT value is improved with the AlSi7MgCu 0.5 alloy of Comparative Example 2, the number of cycles is significantly reduced. In the AlSi7Mg alloy according to Comparative Example 1, both the damage parameter and the number of cycles are significantly worse.

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.Mentioned Let it be that the thermal conductivity of the invention Alloy was determined. It is at the same high level as the thermal conductivity of Alloy 1 and well above that of the alloy according to Comparative Example 2.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- WO 2004/104240 A2 [0006] - WO 2004/104240 A2 [0006]
- DE 10026626 C1 [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.%Aluminum casting alloy consisting of 4.5 up to 6.0% by weight of silicon, 0.20 to 0.55% by weight of magnesium, 0 to 0.20% by weight of titanium, less than 0.30 wt% iron, manganese Max. 2/3 of the iron content, 0.10 to 0.45% by weight of copper, fewer as 0.07% by weight of zinc, Aluminum as a remainder as well as unavoidable Individual impurities max. 0.03% by weight, in total not more than 0.1% by weight

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.Aluminum casting alloy, characterized by 0.25 up to 0.45% by weight of magnesium, 0.05 to 0.10% by weight of titanium, fewer as 0.15% by weight of iron, and / or 0.15 to 0.35% by weight of copper.