Aluminiumzylinderblöcke: Legierungen

Zylinderblock – Motorbasis

Der Zylinderblock ist Teil eines Verbrennungsmotors, die sich zwischen Zylinderkopf und Kurbelgehäuse befindet. Es ist die tragende Struktur für den gesamten Motor.. Alle Teile des Motors sind am Zylinderblock oder darin montiert, und es sorgt für ihre Ausrichtung.

Abbildung - Motorblock aus Aluminium

Vor nicht allzu langer Zeit in den Motoren der meisten Autos, außer Sport, gebrauchte monolithische Gusseisen-Zylinderblöcke.

Vom Grauguss- bis zum Aluminium-Zylinderblock

Aluminium, als Baustoff, sicher, weniger haltbar, als Gusseisen. Daher wurde lange darüber nachgedacht, dass der Aluminium-Zylinderblock viel dicker sein sollte, als Gusseisen. Es stellte sich jedoch heraus, dass ein ausgereifter Aluminium-Zylinderblock viel leichter und fast so stark wie ein Gusseisenblock sein kann. Typischerweise führt die Verwendung von Aluminiumgusslegierungen anstelle des bisher verwendeten Graugusses zu einer Reduzierung des Zylinderblocks durch 40-55 %. Trotz der höheren Kosten von Aluminiumlegierungen, im Vergleich zu Grauguss, der ständige Wunsch, den Kraftstoffverbrauch zu senken, führt zu einer stetigen Erhöhung des Anteils von Aluminium-Zylinderblöcken.

Die Verwendung von Aluminium-Zylinderblöcken begann Ende der 1970er Jahre bei Benzinmotoren.. Der Ersatz von Grauguss in Dieselmotoren wurde bis Mitte der 1990er Jahre ins Stocken geraten. ZU 2005 Jahr der Marktanteil von Aluminium-Motorblöcken erreicht 50 %. Derzeit werden Zylinderblöcke fast aller Benzinmotoren aus Aluminiumlegierungen hergestellt.. Anwendung Aluminiumlegierungen auch bei Dieselmotoren nimmt stetig zu.

Anforderungen an Aluminium-Zylinderblöcke

Wärmeleitfähigkeit

Das Material moderner Aluminium-Motorblöcke ist Temperaturen bis zu ausgesetzt 150-200 °C. Hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumgusslegierungen (dreimal, als Grauguss) sorgt für eine effiziente Übertragung an das Motorkühlsystem.

Festigkeit bei erhöhten Temperaturen

Es ist erforderlich, die angegebene Festigkeit bei Temperaturen bis zu aufrechtzuerhalten 200 °C. Die größten Belastungen treten an den Stellen der Schraubverbindungen mit dem Zylinderkopf auf. Das Material muss den Belastungen durch Kurbelwellendrehung und Wärmeausdehnung des Zylinderblocks standhalten..

Festigkeit und Härte bei Raumtemperatur

Aluminiumlegierungsmaterial sollte bei Raumtemperatur eine ausreichende Festigkeit und Härte aufweisen, um ihm eine gute Schneidleistung und eine hohe Verarbeitungsqualität zu verleihen.

Ermüdungsfestigkeit

Während des Motorbetriebs wird der Zylinderblock in einem weiten Temperaturbereich zyklischen Zugbelastungen ausgesetzt.. Dieses Intervall beginnt mit eisigen Temperaturen im Winter und endet mit erhöhten Temperaturen in der Umgebung 150-200 ºS. Daher ist die wichtigste Eigenschaft des Zylinderblockmaterials die Ermüdungsfestigkeit..

Es ist bekannt, dass die Materialeigenschaften jedes Metallgusses - und Gusseisens, und Aluminium - hängen nicht nur von der chemischen Zusammensetzung des Materials und seiner Wärmebehandlung ab, sondern auch aus dem Gießverfahren, und auch von diesem Ort des Gießens, aus dem das Prüfstück geschnitten wird.

Auswahl der Aluminium-Gusslegierung

Die Wahl der Aluminium-Gusslegierung für den Zylinderblock erfordert die Berücksichtigung verschiedener Faktoren. Aluminiumgusslegierungen, die bei der Herstellung von komplexen Gussprodukten wie Zylinderblöcken verwendet werden, müssen eine ganze Reihe von technischen Anforderungen erfüllen. Zu diesen Anforderungen gehören:

  • kostengünstig;
  • gute Gießeigenschaften;
  • gute Bearbeitbarkeit;
  • ausreichend hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen.

Stärke

Das Festigkeitsniveau der Legierung bestimmt, z.B, minimal zulässige Wandstärke. Daher sollte die Wahl der Aluminium-Gusslegierung bereits in der ersten Phase der Konstruktion eines Motorblocks getroffen werden. Normalerweise ist die Wahl der Aluminiumlegierung ein Kompromiss. Hochfeste Gusslegierungen könnten die bevorzugte Wahl sein, aber oft können sie solche Mängel haben, wie hoch die kosten, geringe Gießeigenschaften und unzureichende Festigkeit bei erhöhten Temperaturen.

Preis

Aus Kosten- und technischen Gründen werden fast alle Aluminium-Zylinderblöcke für Automobile aus Legierungen hergestellt., die auf der Verwendung von Sekundäraluminium - Aluminiumlegierungen basieren, das aus Aluminiumschrott gewonnen wird. Das, z.B, Legierungen EN AC-46200 (AlSi8Cu3) und EN AC-45000 (AlSi6Cu4). Bei erhöhten Anforderungen an die Viskosität des Materials werden Legierungen mit strengeren Anforderungen an Verunreinigungen und Verunreinigungen eingesetzt., die den Anforderungen an Primäraluminiumlegierungen bereits nahe kommen.

Dieser Vorgang setzt sich nach mehreren Wochen fort.

Die Gießeigenschaften von Aluminiumlegierungen nehmen in der Regel mit zunehmendem Siliziumgehalt zu.. Andererseits, kupferzusätze, die benötigt werden, um die Festigkeit bei hoher Temperatur zu erhöhen, wirken sich negativ auf die Gießeigenschaften von Aluminiumlegierungen aus, Erstens, auf die Fließfähigkeit der Legierung beim Füllen der Form. Außerdem, wenn das Hochdruckgussverfahren verwendet wird, dann werden Legierungen mit etwas Eisengehalt verwendet, sowie Mangan, um zu verhindern, dass flüssiges Aluminium an der Stahlform haftet. Der erhöhte Eisengehalt verringert jedoch die Festigkeitseigenschaften des Aluminiumgusses..

Manchmal kommt es bei der Wahl einer Gusslegierung nicht auf den Preis und die Gusseigenschaften an., und einige seiner anderen Eigenschaften, z.B, Verschleißfestigkeit.

Chemische Zusammensetzung und Wärmebehandlung

Aluminiumgusslegierungen, die für die Herstellung von Zylinderblöcken von Automobilen verwendet werden, enthalten normalerweise Legierungen 46200 und 45000 nach der europäischen Norm EN 1706 (umständliches "EN AC-" Präfix weggelassen). Die chemischen "Formeln" dieser Legierungen lauten jeweils AlSi8Cu3 und AlSi6Cu4. Ihre amerikanischen Pendants – besser bekannt – sind die Legierungen A380.2 und A319. Diese untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen werden meist aus recyceltem Aluminium hergestellt.. Autozylinderblöcke werden daraus durch verschiedene Verfahren des Schwerkraftgießens gegossen..

Tabelle – Chemische Zusammensetzung und Zustände
Aluminiumgusslegierungen für Zylinderblöckealuminievye-liteynye-splavy+

Der relativ hohe Kupfergehalt ermöglicht es diesen Legierungen, ihre Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und beizubehalten, Außerdem, verleiht ihnen eine gute Bearbeitbarkeit. Normalerweise für diese Legierungen - 46200 und 45000 (A380.2 und A319) - F-Zustände anwenden (cast state), T4 (Härtung und natürliche Alterung) und T5 (unvollständige Härtung und künstliche Alterung). Für Gussteile aus diesen Legierungen kann auch der T6-Zustand verwendet werden., aber für viele Produkte aus diesen Legierungen ist der stabilisierende Zustand T5 ausreichend.

Fast alle Zylinderblöcke, die durch Spritzgießen unter hohem Druck gegossen werden, aus Legierung 46000 (AlSi9Cu3(Fe)). Normalerweise erfordert diese Legierung keine Wärmebehandlung., ausgenommen mäßiges Anlassen zum Abbau von Eigenspannungen.

Zylinderblöcke aus Aluminiumlegierung 42100 (AlSi7Mg0,3) und 42000 (AlSi7Mg) erhalten bei Raumtemperatur eine hohe Festigkeit und Dehnung, wenn sie einer Wärmebehandlung bis zum T6-Zustand unterzogen werden. In diesem Fall ist es notwendig, die Restspannungen sorgfältig zu kontrollieren., die beim Härten des Gussteils zum Erreichen des T6-Zustands auftreten. Die höhere Rissbeständigkeit dieser Legierungen ermöglicht es ihnen, thermischen Ermüdungsbelastungen standzuhalten.. Dies ist auf eine gewisse Verschlechterung der Bearbeitbarkeit und eine Kostensteigerung durch zusätzliche Kosten für die Wärmebehandlung bei T6- oder T7-Zuständen zurückzuführen.. Erfüllung der Forderung nach einem reduzierten Gehalt an Verunreinigungen, wie Eisen, Mangan, Kupfer und Nickel, erfordert auch zusätzliche Kosten im Vergleich zu Sekundärlegierungen, die oben erwähnt wurden.

Zylinderblöcke aus übereutektoiden Aluminium-Silizium-Legierungen (AlSi17CuMg) werden in der Regel durch Niederdruckguss mit anschließender Wärmebehandlung auf T6-Zustand gegossen. Diese Legierung ist auch teurer, als herkömmliche recycelte Aluminium-Gusslegierungen.

Buchsen für Aluminium-Zylinderblöcke

Aluminiumgusslegierungen, die üblicherweise zur Herstellung von Zylinderblöcken verwendet werden, nicht ausreichend hart und verschleißfest, direkt in einem Gleitpaar mit Motorkolben zu arbeiten. Hierfür sind nur übereutektoide Aluminiumlegierungen vom Typ AlSi17CuMg geeignet..

Daher werden in Aluminium-Zylinderblöcken häufig Gusseisenbuchsen verwendet.. Die am weitesten verbreitete Methode zum Einbau von Gusseisenbuchsen, in die sie vor dem Gießen in die Form des Zylinderblocks eingelegt werden. Außerdem, Gusseisenbuchsen werden auch durch Heißpressen eingebaut. Um eine dauerhafte und verschleißfeste Gleitfläche des Zylinderblocks zu schaffen, werden auch verschiedene Spritzverfahren eingesetzt - thermisch, Plasma, Lichtbogen und andere.

Quelle: European Aluminium Association, 2011