Warmfeste Al-Mn-Basislegierungen für Hochleistungsmotoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die kontinuierliche Zunahme der Motorleistung in Verbindung mit höheren Leistungsdichten stellt ständig wachsende technische Anforderungen an die Motorkomponenten aus Aluminiumlegierungen wie Zylinderköpfe, Zylinderkurbelgehäuse, Kolben und Laufbuchsen. In dieser Arbeit wurde der Grundstein für die Entwicklung neuer warmfester Al-Mn-Gusslegierungen gelegt, die allen zurzeit bekannten Aluminiumlegierungen bei Einsatztemperaturen von 350 °C bis zu 450 °C deutlich überlegen sind. Durch erfolgreiche Optimierung der Legierungszusammensetzung und Prozessparameter mit statistischer Versuchsplanung ist es gelungen, die Festigkeit der Gusslegierung AlMn3,4Fe1,2Mg1,5Zr0,6 in diesem Temperaturintervall im Vergleich zu der Referenzlegierung AlSi12Cu3Ni2Mg im Zugversuch um 47 % zu erhöhen. Im Stauchversuch beträgt die Verbesserung ca. 30 %. Zur Erzielung einer guten Kombination der mechanischen Eigenschaften bei den Al- Mn-Gusslegierungen ist es von wesentlicher Bedeutung, dass der Mangangehalt mit dem Eisengehalt so angepasst ist, dass ein Verhältnis von Mn/Fe größer oder gleich zwei ist. Das Einhalten dieser Bedingung ermöglicht ein duktiles Verhalten der intermetallischen Al6(Mn,Fe)-Phase im kritischen Temperaturbereich von 300 °C bis 450 °C und führt zu einem anderen Schädigungsmechanismus als im Falle der bekannten warmfesten AlSiCu-Legierungen. Während bei konventionellen AlSiCu- Legierungen das Versagen durch Bruch der spröden intermetallischen Phasen ausgelöst wird, stellt sich bei den optimierten Al-Mn-Gusslegierungen aufgrund des duktilen Verhaltens der Al6(Mn,Fe)-Phase ein matrixdominierter Schädigungsmechanismus ein. Somit lassen die Al-Mn-Legierungen besonders bei Ermüdungsbeanspruchung deutlich höhere Lebensdauerwerte erwarten. Durch Einstellung der Gießtemperatur auf 870 °C ist es gelungen, bei der optimierten Legierung AlMn3,4Fe1,2Mg1,5Zr0,6 eine erhebliche Übersättigung der Al-Matrix mit Zirkonium zu erreichen und durch Wärmebehandlung eine starke Dispersionshärtung zu erzielen. Hier zeigte sich ein Zirkoniumgehalt von 0,6 % als besonders vorteilhaft. Die Anwendung der speziell entwickelten zweistufigen Wärmebehandlung machte es möglich, die Aushärtungsbehandlung der Al-Mn-Legierungen im Vergleich zum Stand der Technik ohne Einbußen im Festigkeitsverhalten von 24 Stunden auf insgesamt 6 Stunden zu verkürzen. Außer Zirkonium bewirkten auch steigende Magnesiumgehalte durch Mischkristallverfestigung eine merkliche Verbesserung der Festigkeitseigenschaften. Die positive Wirkung des Magnesiums kommt besonders bei Hochtemperaturversuchen zum Ausdruck. Es empfiehlt sich jedoch, die Magnesiumkonzentration auf maximal 1,5 % zu begrenzen, um das Oxidationsverhalten der Al-Mn-Legierungen nicht zu verschlechtern. Die mit Hilfe des Umformdilatometers durchgeführten thermomechanischen Ermüdungsversuche bei einer Maximaltemperatur von 400 °C ergaben, dass die optimierte Legierung AlMn3,4Fe1,2Mg1,5Zr0,6 keinen Spannungsabfall aufzeigt, was auf ihre hervorragende thermische Stabilität hinweist. Im Gegensatz dazu führten die gleichen Belastungsparameter bei der warmfesten Legierung AlSi6Cu4 bereits nach 20 thermomechanischen Zyklen zu einer Entfestigung von 30 %. Die optimierte Legierung AlMn3,4Fe1,2Mg1,5Zr0,6 verfügt über ein akzeptables Warmrissverhalten (Warmrisszahl-1,5) und kann bei materialgerechter Formkonstruktion im Kokillenguss verarbeitet werden. Die in dieser Arbeit erreichten gießtechnologischen und mechanischen Eigenschaften eröffnen für Al-Mn-Legierungen interessante Anwendungsmöglichkeiten für komplexe, thermomechanisch belastete Bauteile wie Kolben, Zylinderköpfe, Motorblöcke und Laufbuchsen und verleihen diesen Legierungen erhebliche Vorteile gegenüber den bekannten warmfesten Aluminiumwerkstoffen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Alloy Development for Drive Train Applications. Aluminium Alloys. Edited by Jürgen Hirsch, Birgit Skrotzki and Günter Gottstein WILEY-VCH & Co.KGaA (2008), pp.121-126
Zak, H.; Reeb, C.; Tonn, B.
- DE 10 2007 023 323 A1 (2008.11.20)
Tonn, B.; Zak, H.; Reeb, C.
- New Solutions for Cast Aluminium Alloys for Automotive Components. 48th International Foundry Conference (2008), Portoroz, Slovenien
Tonn, B.; Zak, H.; Zak, O.; Reeb, C.
- Kolbenlegierungen der nächsten Generation auf Basis des Al-Mn-Systems. 5.VDI-Fachtagung Zylinderlaufbahn, Kolben, Pleuel, Baden-Baden 2010, VDI-Berichte 2109, S.305-308
Zak, H.; Reeb, C.; Tonn, B.
