Optimierte AlSi-Gusslegierungen für thermisch-mechanisch hochbeanspruchte Zylinderköpfe

Gesetzliche Vorgaben zur Senkung des Flottenverbrauchs und der Emissionen sowie Kundenwünsche nach leistungsstärkeren und zugleich verbrauchsärmeren Motoren führen zur Entwicklung und zum Einsatz aufgeladener Downsizing-Motoren. Die steigenden Mitteldrücke und Spitzentemperaturen tragen dazu bei, dass die lokale Beanspruchung im Motor und insbesondere im Zylinderkopf weiter zunimmt. So können serienmäßig eingesetzte Aluminium-Silizium Zylinderkopflegierungen im Falle weiterer Lasterhöhungen und Steigerungen der spezifischen Leistungsdichte an ihre Belastungsgrenze stoßen.

So liegt die Aufgabenstellung dieser Arbeit in der Entwicklung neuer warmfester Legierungen für hochbeanspruchte Zylinderkopfanwendungen auf Aluminium-Silizium Basis. Dabei soll sowohl die Warm- und Ermüdungsfestigkeit als auch der Kriech- und Alterungsbeständigkeit gesteigert werden, ohne jedoch Einbußen hinsichtlich der Gieß- und Verformbarkeit zu generieren. Aus den umfangreichen Untersuchungen sollen potentielle Legierungen, die für den Einsatz als Zylinderkopfwerkstoff geeignet sind, identifiziert werden. Die hergestellten Legierungen werden hinsichtlich ihren mechanischen Eigenschaften sowie ihrer Mikrostruktur charakterisiert. Mit Hilfe ergänzender mikrostruktureller Untersuchungen während und nach den Verformungsexperimenten werden belastungsspezifische Verformungs- und Schädigungsmechanismen abgeleitet.

Die Ergebnisse zeigen, dass durch die gezielte Legierungsmodifikation die Warmfestigkeit, die thermische Stabilität, die Ermüdungsfestigkeit und die Kriechbeständigkeit bestimmter Legierungen gegenüber den heute eingesetzten Al-Gusslegierungen gesteigert werden kann.

So bieten Legierungen mit einer gesteigerten Warmfestigkeit und thermomechanischen Belastbarkeit sowie verbesserten Alterungs- und Kriechbeständigkeit die Möglichkeit über Downsizing-Konzepte höhere Zünddrücke und Verbrennungstemperaturen zu realisieren. Der dadurch hervorgerufene effizientere Verbrennungsprozess wie auch die Verbesserung des Wirkungsgrades ermöglichen einen Anstieg der spezifischen Motorenleistung. Die generierte Reduktion des Verbrauchs und der Emissionen liefert einen wesentlichen Beitrag zur Umwelt- sowie Ressourcenschonung und der ökologische Fußabdruck kann spürbar verbessert werden.