Werkstoff- und verfahrenstechnische Bewertung von Zylinderköpfen für Dieselmotoren

Zylinderköpfe derzeitiger Dieselmotoren unterliegen insbesondere im Brennraumbereich großen thermomechanischen Beanspruchungen. Die Bewertung von Zylinderkopf-Gusswerkstoffen geschieht vornehmlich aufgrund von Aussagen aus quasistatischen Versuchen, die vielmals anhand von Zugversuchen an Proben aus speziell für diesen Zweck zur Verfügung stehenden Probestabkokillen gewonnen werden. Zylinderköpfe sind jedoch komplexe Gussteile, die aufgrund der stark unterschiedlichen thermischen Bedingungen in der Gießform nicht direkt mit Proben aus Probestabkokillen vergleichbar sind. Darum ist es zweckmäßiger, Werkstoffproben aus definiert gefertigten Zylinderkopfabgüssen und nicht aus Probestabkokillen zu untersuchen. Weiterhin ist die im Motorbetrieb vorherrschende thermomechanische Beanspruchung zyklischer Art. Deshalb wird eine (quasi)statische Werkstoffprüfung, wie z. B. Zugversuche bei Raum- und Hochtemperatur, für allein nicht ausreichend erachtet, um die motorische Werkstoffbeanspruchbarkeit zu beurteilen. Aus diesem Grund wurden in der vorliegenden Arbeit unterschiedliche Zylinderkopflegierungen mittels desselben Zylinderkopf-Formhohlraumes unter definierten Fertigungsbedingungen vergossen. Hierfür kam eine Zylinderkopfkokille zum Einsatz, deren Formhohlraum sowohl durch „steigende“ als auch durch „fallende“ Gießweise gefüllt werden kann. Die Analyse von Proben aus dem thermomechanisch hoch belasteten Brennraumbereich erfolgte durch mikrostrukturelle Untersuchungen, durch qualitative Referenz-Zugversuche bei Raum- und auch bei Hochtemperatur sowie durch zyklische anisotherme Low-Cycle-Fatigue-Experimente. Als Ergebnis ging daraus hervor, dass „fallend“ vergossene Zylinderkopf-Varianten sowohl bessere Gefügeeigenschaften, höhere Festigkeiten bei Raum- und Hochtemperatur als auch eine größere thermomechanische Ermüdungsbeständigkeit im Vergleich zu „steigend“ vergossenen Varianten aufweisen. Darüber hinaus konnten die verschiedenen Zylinderkopf-Serienlegierungen hinsichtlich ihrer thermomechanischen Ermüdungsbeständigkeit bewertet werden. Hierbei zeigte sich die „fallend“ vergossene Legierung AlSi10Mg(Cu) als am vorteilhaftesten gegenüber den ebenfalls „fallend“ vergossenen Werkstoffen AlSi6Cu4 und AlSi7Mg(Cu).