The effect of solution treatment on cast AlCuMn alloys for cylinder head production

Abstract

Neue hochtemperaturbeständige Werkstoffe sind notwendig, um die Effizienz von Verbrennungskraftmotoren zu steigern und so aktuelle Umweltrichtlinien zu erfüllen. Al-Cu Gußlegierungen sind potentielle Kandidaten für die Zylinderkopfherstellung. Diese Legierungen weisen eine höhere Zug- und Kurzzeitschwingfestigkeit als die weit verbreiteten Al-Si Legierungen auf. Al-Cu Legierungen ähneln damit in ihrer Festigkeit manchen duktilen Gusseisenlegierungen. Aufgrund ihrer problematischen Gießbarkeit wurden Al-Cu Legierungen bis jetzt selten in der Standardproduktion verwendet. In dieser Arbeit wird die Entwicklung der Mikrostruktur der B206 (AlCu4.8Mn0.24Mg0.33), AlCu7 (AlCu6.5Mn0.4Zr0.22) und AF52 (AlCu4.7Mn0.4Ti0.17) Gußlegierungen, anhand zwei- (2D) und dreidimensionaler (3D) darstellenden Methoden als Funktion von der Lösungsglühzeit bei 530 °C, untersucht. Die Zug- und Druckfestigkeit und thermomechanische Ermüdungsbeständigkeit sind mit den Veränderungen der 3D Mikrostruktur, aufgrund des Lösungsglühens, korreliert. Ferner wird die Akkumulation der durch Zugversuche bei RT entstandenen Schädigung dreidimensional durch Synchrotron Tomographie untersucht. Ein Teil der während des Gießvorgangs segregierten stark zusammenhängenden Aluminiden löst sich während der ersten 4 Stunden des Lösungsglühens auf. Die Auflösung von Cu in die alfa-Al Matrix resultiert in einer starken Zunahme der Festigkeit aller Legierungen durch Ausscheidungshärtung. Die Festigkeitserhöhung der Legierungen nach dem Lösungsglühen kann als Funktion der Konzentration von gelösten Cu-Atomen in der alfa-Al Matrix approximiert werden. Die B206 Legierung weist die höchste Festigkeit und Verfestigungspotenzial nach dem Lösungsglühen auf. Sowohl der Volumenanteil (Vf) der Aluminide als auch die Festigkeit der Legierungen bleiben bei längeren Lösungsglühzeiten konstant. Alle Legierungen erfahren eine Steigerung der Duktilität nach den ersten 4 Stunden des Lösungsglühens. Die AF52 Legierung weist in jedem lösungsgeglühtem Zustand bei RT und bei 250 °C die höchste Duktilität, gefolgt von B206 und AlCu7, auf. Dies passiert aufgrund von zwei Faktoren: i) die unterschiedliche Art von Aluminiden und ii) der Effekt des Lösungsglühens. Auf der einen Seite sind nadel- und plattenförmige Al7CuFe (beta-Fe) Aluminide nur in B206 und AlCu7 vorhanden. Diese Aluminide haben eine negativere Auswirkung auf die Duktilität als jene pseudo-chinesischen schriftartigen Aluminide Al6(CuMnFe) (alfa-Fe), welche in der AF52 Legierung zu finden sind. Weiter ist der Volumenanteil von vorhandenen konkaven Regionen mit kleinen Krümmungsradien der B206 und AlCu7 Legierungen größer als jener der AF52 Legierung.Diese Regionen wirken als Spannungskonzentratoren und führen zur Entstehung von Rissen während Zugdeformation. Auf der anderen Seite reduziert das Lösungsglühen den Volumenanteil von Aluminiden und löst teilweise das zusammenhängende 3D Aluminiden Netzwerk auf. Da Risse normalerweise durch gebrochene Aluminide entstehen und sich durch das intermetallische Netzwerk weiterentwickeln, führt das Lösungsglühen zu einer Reduktion von Rissentstehungsplätzen und Rissentwicklungswegen. Schädigung tritt meist in Form von Rissen, welche durch große Aluminide quer zu der Zugrichtung orientiert sind, auf. Diese Risse entwickeln sich durch das Aluminidnetzwerk bei Legierungen mit großen Vf an Aluminiden, welche stark zusammenhängende und vernetzte Strukturen bilden. Schrumpfungsporen spielen keine relevante Rolle im Schädigungsentstehungsprozess, vor allem bei der AlCu7 Legierung. Porenwachstum mit weiterer Rissentwicklung durch das Aluminidnetzwerk repräsentiert den anderen Mechanismus für die Schädigungsakkumulation, charakteristisch für Legierungen mit niedrigerem Vf an Aluminiden. Dies kommt teilweise in der B206 Legierung und vor allem in der AF52 Legierung vor. Porenentstehung in der alfa-Al Matrix findet nur bei einer hohen Temperatur, z.B. 250 °C statt. Empfehlungen für die Weiterentwicklung der Legierungen werden gemäß der Analyse der Ergebnisse abgegeben.

New high temperature resistant materials are necessary to increase the efficiency of combustion engines and thus fulfil current environmental regulations. Al-Cu cast alloys are potential candidates for cylinder head production. They show higher tensile and low cycle fatigue strength than the widespread Al-Si alloys, approaching even some grades of ductile iron. However, they have been rarely used for serial production owing to castability problems. In this work, the evolution of the microstructure of the cast B206 (AlCu4.8Mn0.24Mg0.33), AlCu7 (AlCu6.5Mn0.4Zr0.22) and AF52 (AlCu4.7Mn0.4Ti0.17) alloys is investigated by two dimensional (2D) and three dimensional (3D) methods as a function of solution treatment (ST) time at 530 °C. Their tensile, compressive and thermomechanical fatigue (TMF) behaviour is correlated with the 3D microstructural changes provoked by ST. Furthermore, the damage accumulation during RT tensile tests is investigated three dimensionally by means of synchrotron tomography. Part of the highly interconnected aluminides segregated during casting dissolves during the first 4 h of ST. The dissolution of Cu into the alfa-Al matrix provokes a strength increase in all the alloys owing to precipitation hardening. The strengthening of the alloys after ST is approximated as an increase proportional to the capability of the alfa-Al matrix to dissolve Cu atoms. The B206 alloy shows the largest strength and strengthening potential after ST. The volume fraction (Vf) of aluminides remains constant for longer ST times, as well as the strength of the alloys. All the alloys experience an increase in ductility after the first 4 h of ST. The AF52 alloy is in any ST condition the most ductile alloy at RT and at 250 °C followed by B206 and AlCu7. This is due to two different factors: i) the different kind of aluminides present and ii) the effect of the solution treatment. On one hand, needle / platelet-like Al7CuFe (beta-Fe) aluminides are only present in B206 and AlCu7. These aluminides are more detrimental in terms of ductility than the pseudo-chinese script Al6(CuMnFe) (alfa-Fe) aluminides present in the AF52 alloy. Moreover aluminides in the B206 and AlCu7 alloys present a larger fraction of concave regions with small curvature radii than the AF52 alloy. These regions act as stress concentrators and lead to a crack formation during tensile deformation. On the other hand, the ST reduces the aluminides volume fraction and partially dissolves the 3D aluminides network. Since cracks tend to initiate and propagate through the aluminides network, the ST provokes a reduction of crack nucleation sites and propagation paths. Damage mainly occurs in the form of cracks generated at large aluminides oriented perpendicularly to the loading direction. These cracks propagate through the aluminides network in alloys with large aluminides Vf, which implies aluminides networks with high interconnectiviy and connectedness. Shrinkage pores do not play a significant role in the damage generation process, particularly for the AlCu7 alloy. Porosity growth with further crack propagation through the aluminides network represents the other damage accumulation mechanism, proper of alloys with lower aluminides Vf. This occurs partially in the B206 alloy and particularly in the AF52 alloy. Void generation in the alfa-Al matrix takes place only at elevated temperature, i.e. 250 °C. Recommendations for further alloy design are given based on the analysis of the results obtained.