Fachartikel

Zylinderköpfe aus AC-Al Si7MgZr T7 und AC-Al Sil0Mg(Cu)Zr T7 für Hochleistungsmotoren
von Andreas Barth, Stuttgart-Untertürkheim

Kundenwünsche nach immer leistungsstärkeren Motoren, gekoppelt mit Gesetzesvorgaben zur Reduktion des Kraftstoffverbrauches bzw. der CO2-Emission, erfordern mit Turboladern hoch aufgeladene Downsizing-Motoren. Hierdurch steigt die thermomechanische Belastung im Kokillengießverfahren gegossener Zylinderköpfe aus wärmebehandelten Al-Legierungen nicht nur in den dauerbruchgefährdeten Wasser-, sondern auch in den rissgefährdeten Brennräumen an. Das Downsizing der Motoren, das kerbwirkende und querschnittsgeschwächte Brennstege zur Konsequenz hat, verschärft die thermomechanische Zylinderkopfbelastung.

Der M 133-Motor
Bild: Der M 133-Motor. Foto: AMG

Künftige Zylinderköpfe erfordern somit zähe bzw. kerbunempfindliche Al-Werkstoffkonzepte, die zudem warmbeständig sind. Bei Si-/Mg-/Cu-haltigen Al-Legierungen, die über Wärmebehandeln ausscheidungsgehärtet werden, ergibt sich somit ein unvereinbarer Widerspruch. Weiterhin entfestigen sich ausscheidungsgehärtete Al-Gusswerkstoffe im warmen Motorbetrieb über thermische Alterung. Somit bietet sich neben einer thermisch stabileren Mischkristallhärtung eine Optimierung der Kornfeinung des Al-Gusswerkstoffs an, mit der sich unabhängig von der thermischen Zylinderkopfbelastung sowohl dessen Festigkeit als auch Zähigkeit bzw. dynamische Festigkeit steigern lassen.

Anstelle eines bisherigen Kornfeinens mit Titan hat Mercedes-Benz in den letzten Jahren die Voraussetzungen für ein optimales Zirkon-Kornfeinen für Zylinderköpfe aus AC-Al Si7Mg T7-Primär- und AC-Al Si 1 OMg(Cu) T7-Sekundärlegierungen erarbeitet. Diese haben sich beim 6,3-Liter-V8-AMG-Sauger- und 2,0-Liter-Turbolader-aufgeladenen R4-AMG-Motor mit der internen AMG-Bezeichnung M 156/159 bzw. M 133 bewährt. Deren Einsatz findet im neuen 4,0-Liter-V8-M177/8-Zylinderkopf ihre Fortführung. Neben ausgewogener T7-Wärmebehandlung für ein thermisch stabiles Gefüge mit optimaler Zähigkeit und geringer, irreversibler Wärmeausdehnung lässt sich über ein Zr-Kornfeinen die Wärmeleitfähigkeit Si-haltiger Al-Gusswerkstoffe entscheidend verbessern. Infolge dessen werden die Brennräume merklich thermisch entlastet, sodass die thermische Mehrbelastung durch Hufladung und Downsizing des Motors ausgeglichen werden kann.


Dr.-Ing. Andreas Barth, Mercedes-Benz, Stuttgart-Untertürkheim


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pdf-Datei aus "GIESSEREI" Heft 5/2015 Seiten 38-46
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