Beitrag zur Entwicklung naturharter Aluminiumzylinderkopfgusswerkstoffe

Wüstenhagen, Andreas GND

Die steigenden ökonomischen und ökologischen Ansprüche an Motoren von der Automobilindustrie die Entwicklung neuartiger Zylinderkopfgusswerkstoffe, die Temperaturen von 300°C und Spitzendrücken von 200 bar widerstehen können. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, wurde an der TU Clausthal in Zusammenarbeit mit der Volkswagen AG und Aluminium Rheinfelden (heute Rheinfelden Alloys) die Strategie verfolgt, eine Legierung zu entwickeln, die ähnliche Eigenschaften zeigt wie die Legierungen in der Zylinderkopfserienproduktion AlSi6Cu4 und AlSi10Mg(Cu). Dabei soll aber auf eine T6-Wärmebehandlung vollständig verzichtet werden können. Die Legierungen AlSi6Cu4 und AlSi10Mg(Cu) sind Referenzlegierungen für die entwickelten neuen Legierungen. Im ersten Schritt wurden Referenzwerte an Zylinderköpfen und Laborproben für die neu entwickelte Legierung ermittelt. Nach Literaturanalyse und Vorarbeiten wurden die eutektischen Legierungen AlSi12,9Cu1,5Ni0,9Mg0,4Mn0,2 und AlMg7,7Si5,5Mn0,4 als mögliche Ausgangszusammensetzungen für eine Weiterentwicklung ausgewählt. Die durchgeführten Untersuchungen umfassten Erstarrungsrechnungen nach dem Modell Scheil-Gulliver, Gefügeuntersuchungen, Zugversuche, Bestimmung der gießtechnologischen Eigenschaften und des Wärmeausdehnungskoeffizienten. Es wurde die Legierung AlSi12,9Cu1,5Ni0,9Mg0,4 ausgewählt, da sie eine hohe Dehngrenze bei 250°C, gute gießtechnologische Eigenschaften, einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie ein attraktives Preisleistungsverhältnis zeigt. Im nächsten Schritt wurden dieser Basislegierung die Elemente Zirkonium, Chrom, Mangan und kombiniert Titan und Calcium zugegeben, um durch eine Optimierung des Gefüges die Warmfestigkeit. Titan, Zirkonium und Chrom haben dabei einen feinenden Effekt auf die eutektischen Zellen der Legierung AlSi12CuNiMg. So konnte die Korngröße der Legierung AlSi12CuNiMg durch Zugabe von 0,3 Gew.-% Titan von ca. 2600 μm auf 300 μm verringert werden. Einen ähnlichen Effekt hat Zirkonium. Hier wird das Minimum bei 0,4 Gew.-% Zr erreicht mit einer Korngröße von ca. 360 μm. Sowohl Titan als auch Zirkonium bilden ab Gehalten von 0,3 Gew.-% grobe (Al,Si)3Ti- bzw. (Al,Si)3Zr-Phasen, wobei die Zr-haltigen Phasen eher plattenförmig und die Tihaltigen Phasen eher nadelförmig auftreten. Die Zugabe von Zr fördert die Ausbildung von primärem Silizium und verringert die Länge der β-Al5FeSi-Phasen. Durch kombinierte Zugabe von Titan und Calcium wurde eine kombinierte Konfeinung und Veredelung erzielt. Eine von Bäckerud et. al [64] beschriebene Verringerung der Länge der β-Al5FeSi-Phasen durch die kombinierte Zugabe von Ti und Ca konnte nicht bestätigt werden. Mn- und Cr-Zugaben haben die Bildung der α-Al15(FeMnCr)3Si2- Phasen begünstigt, die sich mit steigenden Gehalten an Cr und Mn vergröbert. Cr zeigte einen deutlich stärkeren Einfluss auf die Morphologie der α-Al15(FeMnCr)3Si2-Phase. Die optimale Zugabe verschiedener Gehalte der Übergangselemente Mn, Ti, Zr und Cr konnte im Kokillenguss die 0,2%-Dehngrenze im Warmzugversuch bei 250°C nach Vorauslagerung bei 250°C für 100h bedeutend steigern. Die höchste Dehngrenze von 99 MPa konnte mit der Legierung AlSi12,9Cu1,5Ni0,9Mg0,4Mn0,2Zr0,2 erzielt werden. Die Referenzlegierungen erzielten nach einer T6-Wärmebehandlung und anschließender Auslagerung für 100 h bei 250°C eine Dehngrenze von 92 MPa (AlSi6Cu4) bzw. 66 MPa (AlSi10Mg(Cu)).

The rising economic and environmental demands on combustion engines require the development of new cylinder head alloys that withstand temperatures of over 250°C and peak pressures of 200 bar. Meeting these challenges the TU Clausthal pursued a new strategy for the development of aluminium cylinder head alloys in cooperation with the Volkswagen AG and Rheinfelden Alloys. The developed alloy should show similar properties to the cylinder head series production alloys AlSi6Cu4 and AlSi10Mg(Cu) without a T6-heat treatment, which is necessary for the alloys AlSi6Cu4 and AlSi10Mg(Cu). Those 2 alloys are the reference for the new developed alloy. In the first step reference values for the new alloy were determined on cylinder heads and laboratory samples. After literature review and pre-tests the eutectic alloys AlSi12,9Cu1,5Ni0,9Mg0,4Mn0,2 and AlMg7,7Si5,5Mn0,4 were selected as possible compositions for a further development. The investigations included solidification calculations according to the model Scheil-Gulliver, structural examinations under light microscope and SEM, tensile tests, determination of castability and the coefficient of thermal expansion. The alloy AlSi12,9Cu1,5Ni0,9Mg0,4 was selected for optimization because it shows a high yield strength at 250°C, a good castability, a low coefficient of thermal expansion as well as an attractive cost-performance ratio. In the next step the elements zirconium, chromium, manganese and combined titanium and calcium were added to the alloy to increase the high temperature strength by optimizing the microstructure. Titanium, zirconium and chromium had a refining effect on the eutectic grains of the alloy AlSi12CuNiMg. The grain size of the alloy AlSi12CuNiMg was reduced by adding 0.3 wt -% of titanium of about 2600 microns to 300 microns. Zirconium shows a similar effect. Here the minimum was obtained at 0.4 wt -% Zr with a grain size of about 360 microns. Both titanium and zirconium formed on levels of 0.3 wt -% coarse (Al,Si)3Ti or (Al,Si)3Zr phases wherein the Zr-containing phase showed a rather compact structure and the Ti-containing phases a more needle-like shape. The addition of Zr promotes the formation of primary silicon and reduces significantly the length of the β-Al5FeSi phases. The combined addition of titanium and calcium resulted in a combined grain refinement and modification. Mn and Cr additions promoted the formation of α-Al15(Fe,Mn,Cr)3Si2-phases that coarsen with increasing contents of Cr and Mn. Cr showed a stronger influence on the morphology of α-Al15 (Fe,Mn,Cr)3Si2 phase than Mn The optimum addition of various concentrations of the transition elements Mn, Ti and Ca, Zr and Cr could increase significantly the 0.2% yield strength in hot tensile tests at 250°C after pre-ageing at 250°C for 100h. The highest yield strength of 99 MPa was achieved with the alloy AlSi12,9Cu1,5Ni0,9Mg0,4Mn0,2Zr0,2. Compared to the reference alloys AlSi6Cu4 and AlSi10Mg(Cu) a T6 heat treatment was not necessary. The reference alloys obtained a yield strength after a T6 heat treatment and subsequent aging for 100 hours at 250 ° C of 92 MPa (AlSi6Cu4) and 66 MPa (AlSi10Mg (Cu)). It is obvious that the goal of the alloy development was achieved.

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Wüstenhagen, Andreas: Beitrag zur Entwicklung naturharter Aluminiumzylinderkopfgusswerkstoffe. 2014.

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