Modifikationen von Aluminiumlegierungen

TECHNOLOGIE & TRENDS Modifikationen von Aluminiumlegierungen für hohe thermische Beanspruchungen FOTO: BOSCH AG Die Zylinderköpfe von Dieselmotoren, aber auch in zunehmendem Maße von Ottomotoren, sind immer stärkeren Belastungen bei Temperaturen bis 25 C ausgesetzt, was entsprechende Anpassungen der Materialeigenschaften der eingesetzten Aluminium-Gusslegierungen erfordert. VON ANSGAR PITHAN, MESCHEDE, UND HUBERT KOCH, ESSEN Der Ehrgeiz, aus einem Motor möglichst viel Leistung herauszuholen, ist praktisch so alt wie der Verbrennungsmotor selbst. Neue Herausforderungen sind hinzugekommen, die darauf abzielen, vor allem auch den Treibstoffverbrauch und den Schadstoffausstoß zu verringern. Bei den Ottomotoren und besonders bei den Dieselmotoren konnten in den letzten Jahren enorme Erfolge verzeichnet werden. Alle Entwicklungen führen zu hohen Leistungsdichten, die zwangsläufig die verwendeten Materialien sehr stark belasten. Besonders betroffen sind Bauteile aus Aluminiumlegierungen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Dazu zählen Kolben, Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse und auch diverse Anbauteile. Immer dünner werdende Wanddicken stellen dabei zusätzliche Merkmale besonders belasteter Gussteile dar. Der folgende Beitrag beschreibt den aktuellen Stand von Aluminium-Werkstoffen im Motorenbau. Im Besonderen wird über eine Untersuchung der Firmen Martinrea Honsel Germany GmbH, Meschede, und Trimet Aluminium AG, Essen, berichtet, die zum Ziel hat, die Wärmeleitfähigkeit von Bauteilen zu verbessern, die hohem thermischen und mechanischen Stress ausgesetzt sind. Verhalten von Aluminiumlegierungen in höheren Temperaturbereichen Insbesondere Zylinderköpfe für Dieselmotoren erfahren ständig steigende Beanspruchungen. Diese äußern sich vor allem in hohen Zünddrücken und Temperaturen. Die Entwicklung der spezifischen Leistung von Motoren ist in Bild 1 chronologisch dargestellt. Aktuell sind spezifische Leistungen von über 8 kw/l bei einem Zünddruck von 2 bar in der Planung. Aus diesen Randbedingungen gilt es nun, Materialkennwerte zu beschreiben, die aussagefähiger sind als z. B. die gewohnten Werte aus dem Zugversuch bei Raumtemperatur. Außer auf- 38 GIESSEREI 99 1/212

wendigen Bauteiltests auf Motorenprüfständen ergeben folgende Prüfmethoden am ehesten gute Hinweise: > die Bestimmung der dynamischen Festigkeitswerte bei Betriebstemperaturen, > die Messung des Alterungsverhaltens nach Langzeiterwärmung, > die Messung der Thermoschockbeständigkeit mittels der Stegprobe. Von besonderem Interesse für Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderköpfe gilt dabei der Temperaturbereich von 15 bis 25 C. In Bild 2 ist das Alterungsverhalten der Legierung EN AC-AlSi8Cu3 bei unterschiedlichen Temperaturen über einen Zeitraum von 5 h dargestellt. Obwohl diese Legierung relativ günstige Warmeigenschaften besitzt, wird sie für Zylinderköpfe von Dieselmotoren praktisch nicht verwendet. Dies ist vor allem durch zwei nachteilige Eigenschaften begründet: > Aufgrund der Gefügestruktur, bedingt vor allem durch die Eisengehalte bis,8 %, fällt die Schwingfestigkeit erheblich ab, > Die Wärmeleitfähigkeit dieser Legierung ist um ca. 3 % niedriger als bei AlSiMg-Legierungen. Aus der Literatur [2], [3] sind umfangreiche Studien bekannt, die sich mit den Aspekten der Warmfestigkeit, des Kriechverhaltens, der Ausdehnungskoeffizienten usw. bezogen auf verschiedene Legierungssysteme beschäftigen und die Abhängigkeit der Temperatur bzw. einer Langzeittemperaturschädigung betrachten. Es gilt also nun unter den bekannten Materialdaten den besten Kompromiss auszuwählen. Unter Berücksichtigung eines günstigen Erstarrungsverhaltens und einer guten Gießbarkeit zeigen hier Legierungen vom Typ AlSiMg oder AlSiMg(Cu) mit niedrigen Eisengehalten die besten Eigenschaften, obwohl sie schon bei relativ niedrigen Temperaturen Festigkeit verlieren. Die Wärmeleitfähigkeit bei unterschiedlichen Wärmebehandlungszuständen Der besondere Vorteil von Legierungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit wurde am Bei- Spezifische Leistung in kw/l KURZFASSUNG: Es wird über eine Untersuchung der Martinrea Honsel Germany GmbH, Meschede, und der Trimet Aluminium AG, Essen berichtet, die zum Ziel hatte, die Wärmeleitfähigkeit von Bauteilen zu verbessern, die hohem thermischen und mechanischen Stress ausgesetzt sind. Nach wie vor werden hier die bekannten Legierungen vom Typ AlSiMg vergossen, wobei der Anteil der eisenarmen Legierungen mit zunehmender Beanspruchung zugenommen hat. In einer Untersuchungsreihe konnte das Potential dieses Legierungstyps durch eine Verbesserung der Leitfähigkeitseigenschaften deutlich erhöht werden. Dabei wurden die Elemente Titan, Zircon und Vanadium durch die Zugabe von Bor aus der Schmelze entfernt. Bei den Untersuchungen wurde ein Borüberschuss eingestellt, sodass genügend Aluminiumborid als Kornfeiner zur Verfügung stand. Gegenüber einer Standardlegierung mit Titanboridkornfeinung konnte ein wesentlich feineres Gefüge erzeugt werden und die Bruchdehnungswerte wurden erheblich verbessert. 6 5 4 3 2 1 195 196 197 198 199 2 21 Jahr Bild 1: Entwicklung der spezifischen Leistung von Dieselmotoren [1]. Brinellhärte 5/25 12 11 1 9 8 7 Auslagerungszeit in h 2 bar 18 bar 15 bar 13 bar 15 C 2 C 25 C 5 9 72 96 144 24 288 328 5 Bild 2: Alterungsverhalten der Legierung EN AC-AlSi8Cu3 [1]. Tabelle 1: Analysen der Versuchsschmelzen. Versuchs- Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Zr V SR schmelze in Masse-% in ppm - Standard 7,3,8,4,14,33,5 12 3 9,3 neu 7,1,6,5,1,3,14 1 2 1,3 GIESSEREI 99 1/212 39

TECHNOLOGIE & TRENDS Wärmeleitfähigkeit in W/Km 2 19 18 17 16 15 22 7-AISi7Mg GJL T6 15-AISi7Mg GJL T7 27-AISi7Mg GJL T7 + 5 h, 22 C 15 25 35 45 35 25 15 22 Bild 3: Einfluss der Wärmebehandlung auf die Wärmeleitfähigkeit. Elektrische Leitfähigkeit χ in m/ω mm 2 35 3 25 2 15 1,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 1,6 Zusatzelement in Masse-% Bild 4: Einfluss der Elemente auf die Leitfähigkeit [5]. Wärmeleitfähigkeit in W/Km 21 2 19 18 17 16 22 Zr Sb Cr Cd Sn Co Si V Li Zn Fe Ti Mn Bi Ni Cu 7-AISi7Mg GJL T6 7-AISi7Mg L GJL T6 27-AISi7Mg L Cu T6 15 25 35 45 35 25 15 22 Bild 5: Einfluss der Legierungszusammensetzung und des Gefüges auf die Leitfähigkeit. Mg Die Messungen der Wärmeleitfähigkeit wurden durch das Österreichische Gießerei-Institut in Leoben durchgeführt. Dafür kam die Laserflash-Methode zur Anwendung, bei der eine Fläche der zu messenden Scheiben schlagartig mit einem Laserstrahl erwärmt und die Temperaturentwicklung auf der gegenüberliegenden Seite gemessen wird. Aus Anstiegszeit und Probendicke kann die Temperaturleitfähigkeit unter Berücksichtigung der thermischen Abstrahlung und Laserpulslänge berechnet werden. Mit Hilfe der spezifischen Materialkennwerte wurde dann die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur errechnet. In einem Temperaturintervall von Raum temperatur bis 45 C und einer anschließenden Abkühlung auf wiederum Raumtemperatur wurde zunächst der Einfluss unterschiedlicher vorangegangener Wärmebehandlungen untersucht. Dazu standen Probestäbe mit einer T6- und einer T7-Wärmebehandlung zur Verfügung. Eine zusätzliche Probe wurde 5 Stunden bei 22 C gealtert (Bild 3). Bei Raumtemperatur zeigten sich sehr unterschiedliche Werte von 16 W/mK nach einer T6-Behandlung und bis 187 W/mK nach der Alterung. Mit zunehmender Prüftemperatur stieg die Leitfähigkeit an und erreichte bei allen drei Varianten bei ca. 3 C das gleiche Niveau. Bei fortgesetzter Erwärmung bis 45 C und nachfolgender Abkühlung auf Raumtemperatur unterschieden sich die Varianten nur noch geringfügig. Ein Einfluss der Wärmebehandlung war am Ende der Versuchsdurchführung nicht mehr zu erkennen. Legierungs- und Gefügeeinfluss auf die Wärmeleitfähigkeit In einer weiteren Versuchsreihe sollte nun der Einfluss signifikanter Legierungselemente gemessen werden. Die unterschiedliche Beeinflussung von Elementen auf die elektrische Leitfähigkeit ist in Bild 4 dargestellt. Nach dem Wiedemann-Franzschen-Gesetz ist die elektrische Leitfähigkeit der Wärmeleitfähigkeit proportional [4]. λ = L T σ (1) λ - Wärmeleitfähigkeit L - Lorentz-Konstante T - Temperatur σ - Elektrische Leitfähigkeit spiel der Legierung AlSi7Mg für unterschiedliche Temperaturbereiche näher untersucht. Als Prüfkörper wurden dazu aus Probestäben entnommene Scheiben verwendet. Die Probestäbe wurden unter festgelegten, identischen Bedingungen in einer Gusseisenkokille vergossen. Die Schmelze wurde mit Strontium veredelt, durch einen Impeller mit Stickstoff entgast und mit Titan/Bor-Vorlegierung korngefeint. Sehr negativ wird die Leitfähigkeit demnach durch die Elemente Chrom, Lithium und Mangan beeinflusst. Bei den Versuchsschmelzen erreichte lediglich der Mangangehalt mit,14 % eine nennenswerte Grö- 4 GIESSEREI 99 1/212

ße, die Chrom- und Lithiumgehalte waren vernachlässigbar gering. Somit galt das Augenmerk den nächsten Elementen Titan, Zircon und Vanadium. Diese Elemente bilden in der Schmelze durch die Reaktion mit Bor sehr stabile Boride vom Typ XB2, die über eine Abstehbehandlung sehr gut aus der Schmelze ausgefällt werden können. Nach [6] hat z. B. TiB 2 bei 7 C ein Löslichkeitsprodukt von 5 bis 1 1-11. Die Elemente Zr und V sind ähnlich starke Boridbildner, wobei Zr an erster Stelle steht. Zum Ausfällen dieser Elemente wurden daher die Versuchsschmelzen mit einem Überschuss an Aluminiumborid behandelt. Die chemische Zusammensetzung einer klassischen AlSi7Mg-Legierung (Standard) und der neuen Legierung (neu) sind in Tabelle 1 enthalten. Wie bei den vorangegangenen Versuchen wurden wieder Probestäbe vergossen und die Leitfähigkeit aus den daraus entnommenen Scheiben von Raumtemperatur bis auf 45 C und bei anschließender Abkühlung wiederum auf Raumtemperatur gemessen. Dabei wurden drei Varianten gegenübergestellt: > die Standardlegierung, korngefeint mit Titan/Bor, > die neue, mit Aluminiumborid behandelte Legierung, Mittlere Korngröße in µm 2 16 12 8 4 Bor- bzw. Titanzusatz in Masse- % korngefeint mit Vorlegierung: V-AlTi5 V-AlTi5B1 V-AlB4,2,4,6,8,1,12 Bild 6: Kornfeinung der Legierung A 356 durch Zusatz verschiedener Aluminiumvorlegierungen [7]. > die gleiche Variante, abgegossen in eine wassergekühlte Kupferkokille. Die Messergebnisse sind in Bild 5 dargestellt. Alle drei Varianten wurden T6-wärmebehandelt. Schon bei Raumtemperatur zeigten die aus der neuen Legierung hergestellten Varianten gegenüber der Standardlegierung deutlich bessere Leitfähigkeitswerte. Die höchsten Werte wurden bei Proben aus der wassergekühlten Kupferkokille gemessen. Der Verlauf der Werte bis 45 C erfolgte bei allen Varianten ähnlich, wobei die bei Raumtemperatur ermittelten Unterschiede ungefähr bestehen blieben. Ein großer Unterschied konnte aber bei der weiteren Abkühlung bis auf Raumtemperatur festgestellt werden. Der Unterschied zur Stan- RGU_Anz_21x145_DE_feb12_v5_v2 27.2.12 12:16 Seite 1

TECHNOLOGIE & TRENDS a b 64 62 6 58 56 64 62 6 58 56 ungefeint ungefeint 5 min nach Zusatz von,4 % Ti 2 4 6 8 Zeit in min 5 min nach Zusatz von,2 % B 2 4 6 8 Zeit in min Bild 7: Abkühlungskurven von Schmelzen aus der Legierung AlSi7Mg vor und nach einem Zusatz von Kornfeinungsmitteln [8]: a) unveredelt, b) veredelt mit Strontium. 63 62 61 6 59 58 57 56 6 Si = 7,1 % Fe =,7 % Mg =,3 % Mn =,1 % Sr =,3 % 3 4 1. flüssig 2. flüssig + FCC_A1 3. flüssig + FCC_A1 + Diamond_A4 A. flüssig + ALB2 B. flüssig + ALB2 + FCC_A1 C. flüssig + ALB2 + FCC_A1 + Diamond_A4 5 2 1 C D F E,1,2 Anteil B in Masse- % 4. flüssig + FCC_A1 + Diamond_A4 + Beta_alfesi 5. flüssig + FCC_A1 + Diamond_A4 + Beta_alfesi + AL4SR 6. FCC_A1 + Diamond_A4 + Beta_alfesi + AL4SR D. flüssig + ALB2 + FCC_A1 + Diamond_A4 + Beta_alfesi E. flüssig + ALB2 + FCC_A1 + Diamond_A4 + Beta_alfesi + AL4SR F. ALB2 + FCC_A1 + Diamond_A4 + Beta_alfesi + AL4SR Bild 8: EN AC-AlSi7Mg,3 mit Bor, isoplether Schnitt, Detailübersicht 56 bis 64 C. B A dardlegierung vergrößerte sich noch einmal, sodass am Ende die mit Aluminiumborid dotierten Varianten mit bis zu einem Wert von 28 W/mK gegenüber der Standardlegierung mit 183 W/mK deutlich im Vorteil waren. Kornfeinende Wirkung von Bor Die Behandlung der Schmelze mit Aluminiumborid führt, wie oben bereits erwähnt, nicht nur zu einer Reduktion von Elementen, die die Leitfähigkeit heraufsetzen, sondern es gibt noch den Effekt einer kornfeinenden Wirkung, wenn Bor im Überschuss verwendet wird. Es sei hier auf eine Arbeit verwiesen (Bild 6), die für Al-Si-Legierungen AlB4 als bestes Kornfeinungsmittel darstellt [7]. Eine gute Kornfeinung kann die Warmrissneigung minimieren, verbessert das Fließverhalten der Schmelze und vergleichmäßigt die mechanischen Eigenschaften. Außerdem wird das Nachspeisungsverhalten besser, da keine langen Dendriten in die Schmelze schießen und so ein Nachfließen behindern können. Eine gute Kornfeinung kann z. B. mittels Thermischer Analyse nachgewiesen werden. Wie in Bild 7 dargestellt, fehlt die Rekaleszenz nach Beginn der Erstarrung völlig. Der Mechanismus der Aluminiumborid-Kornfeinung unterscheidet sich doch etwas von der üblichen Praxis. Normalerweise wird der Schmelze eine Kornfeinungsvorlegierung zugegeben, die u. a. feste Titandiboride enthält, welche nicht in der Schmelze löslich sind. Die Partikel keimen nun das Aluminium an und aus der Schmelze wachsen entsprechend Alpha- Aluminium-Dendriten. Die Anzahl wirksamer Keime bestimmt dann die Korngröße des Mikrogefüges. Auf weitere Details bei der Keimbildung soll hier nicht näher eingegangen werden. Es sei hier auf die einschlägige Literatur verwiesen [9]. Was passiert nun bei der Zugabe von Bor, nachdem alle Boride, d. h. Festpartikel, entfernt wurden? Zum besseren Verständnis wurde eine Berechnung mit Pandat vorgenommen, einem Programm zur thermophysikalischen Darstellung von definierten Legierungen. Bild 8 zeigt eine Gleichgewichtsrechnung der Legierung AlSi7Mg mit ansteigenden Borgehalten auf der X-Achse. Man erkennt hieraus unschwer, dass im flüssigen Zustand keine Festpartikel zu erwarten sind. Die Keime werden durch Ausscheidung der Phase AlB 2 gebildet, die sich erst unterhalb der Liquiduslinie ausscheiden. Im aktuellen Fall erfolgt die Ausscheidung von AlB 2 erst nach dem Beginn der Erstarrung von Al-Dendriten (FCC_Al). Es existieren hier die beiden großen Phasenfelder flüssig und Alpha-Aluminium sowie flüssig und AlB 2 und Alpha-Aluminium. Hier 42 GIESSEREI 99 1/212

a b Bild 9: Korngröße der Legierung AlSi7Mg gefeint mit Titan/Bor (a) und mit Bor (b). werden die Kristallisationszentren quasi in situ gebildet und es ist davon auszugehen, dass dies eine sehr effektive Methode der Kornfeinung ist. Diese theoretischen Überlegungen konnten in der Praxis bewiesen werden. Aus den oben genannten Probestäben wurden metallographische Schliffe entnommen und nach Barker anodisch oxidiert [1]. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Kornfeinung ohne Titan und mit einem geringen Anteil von freiem Bor zu sehr effektiven Ergebnissen führt. Die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit hängt demnach sowohl von den fehlenden Elementen Zr, V und Ti ab, als auch von der Abkühlungsgeschwindigkeit, d. h. der Korngröße. Das haben die oben beschriebenen Ergebnisse aus den Erstarrungsversuchen in Gusseisen- und Kupferkokille gezeigt. Damit hat die Zugabe von Bor eine doppelte Wirkung, einmal physikalisch durch eine Verringerung der Korngröße als auch chemisch, durch Ausfällen gerade der Elemente, die die Wärmeleitung negativ beeinflussen. Es soll an dieser Stelle auch nicht unerwähnt bleiben, dass sich dieser Legierungstyp normgerecht darstellt, da in der aktuellen Gusslegierungsnorm EN 176 für den überwiegenden Teil der Legierungsgruppen kein unterer Gehalt an Titan gefordert ist. Zusammenfassung und Ausblick Vor allem die Zylinderköpfe von Dieselmotoren aber auch in zunehmendem Maße von Ottomotoren sind immer stärkeren Belastungen bei Temperaturen bis 25 C ausgesetzt. Zur Verbesserung von Materialeigenschaften wird häufig der Einsatz warmfesterer Legierungen diskutiert. Aufgrund des schwierigen Erstarrungsverhaltens zeigen diese Legierungen jedoch bei herkömmlicher Gießweise einen höheren Anteil an Gefügedefekten und Gussfehlern und sind deshalb den dynamischen Beanspruchungen nur eingeschränkt gewachsen. Stattdessen werden nach wie vor bekannte Legierungen vom Typ AlSiMg vergossen, wobei der Anteil der eisenarmen Legierungen mit zunehmender Beanspruchung zugenommen hat. In einer Untersuchungsreihe, die von Martinrea Honsel und Trimet durchgeführt wurde, konnte das Potential dieses Legierungstyps durch eine Verbesserung der Leitfähigkeitseigenschaften deutlich erhöht werden. Dabei wurden die Elemente Titan, Zirkon und Vanadium durch die Zugabe von Bor aus der Schmelze entfernt. Bei den Untersuchungen wurde ein Borüberschuss eingestellt, sodass genügend Aluminiumborid als Kornfeiner zur Verfügung stand. Gegenüber einer Standardlegierung mit Titanboridkornfeinung konnte ein wesentlich feineres Gefüge erzeugt werden. Die Bruchdehnungswerte wurden erheblich verbessert. Erste Abgüsse von Zylinderköpfen wurden bereits durchgeführt. Ergebnisse aus dem Fahrbetrieb stehen noch aus. Dipl.-Ing. Ansgar Pithan, Martinrea Honsel Germany GmbH, Meschede, Dr.-Ing. Hubert Koch, Trimet Aluminium AG, Essen Literatur: [1] Pithan, A.: Interne Berichte der Martinrea Honsel Germany, Meschede 211. [2] Giesserei-Praxis (1999) Nr. 2, S. 5-57. [3] Giesserei 91 (24) Nr. 8, S. 32-38. [4] Guy, A.: Metallkunde für Ingenieure. Akademische Verlagsgesellschaft Frankfurt am Main 197, S 272-273. [5] Aluminium-Taschenbuch, Aluminium Verlag 22, Band 1, S. 233. [6] Met. Trans (1972) Nr. 3, S. 279. [7] Journal of Chinese Foundryman s Assioviation 29 (1981) Nr. 6, S. 1-18. [8] AFS Transaction (1985) Nr. 93, S. 97-912. [9] Schneider, W., u. a.: Tagungsband ICAA 11, 211, Vol. 1, S. 383-392. [1] Petzow, G: Metallographisches Ätzen, Materialkundlich-Technische Reihe 1, Gebrüder Borntraeger Berlin, Stuttgart 1976, 4. Auflage. 5226_Kleppe.indd Anzeige_Kleppe.indd 1 1 3.1.2822.12.11 11:33:3215:3 Uhr GIESSEREI 99 1/212 43