Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen verbesserten und länger haltbaren Zylinderkopf sowie ein Verfahren zur Vergütung von gegossenen Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren bereitzustellen, welches einen solchen Zylinderkopf ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch den Zylinderkopf mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 sowie durch eine Verfahren mit den im Kennzeichen des Anspruchs 4 beschriebenen Schritten.

Es ist allgemein bekannt, dass über den o.g. T6-Zustand hinaus, das heißt bei weiterem Warmaushärten, die festigkeitssteigernden Ausscheidungen mit zunehmender Aushärtezeit gröber werden, so dass die Festigkeitswerte, wie die Zugfestigkeit oder die Dehngrenze des Materials, wieder abfallen. Die Zähigkeit des Werkstoffes steigt dann wieder an. Dieser Zustand einer thermischen Überalterung wird auch als T7-Zustand bezeichnet.

Den Erfindern hat sich nun in überraschenden Weise, entgegen dem allgemeinen Glauben, dass im Bereich der Brennräume höchste Festigkeiten erforderlich seien, gezeigt, dass eben dieser T7-Zustand optimal für die Brennräume von Zylinderköpfen ist, wegen der hohen Bruchzähigkeit und guten Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsrisse, insbesondere in den relativ dünnen und kerbwirkungsanfälligen Brennsteggeometrien, wie zum Beispiel den Brennstegfasen, den Fräsriefen durch das mechanische Bearbeiten der Brennräume oder die Glühstift/Glühkerzenbohrungen etc.

Die hohe Festigkeit des T6-Zustandes ist im Bereich der Brennräume zudem nutzlos, da im Betrieb des Verbrennungsmotors in den Brennräumen relativ hohe Temperaturen herrschen und oberhalb von 200°C automatisch innerhalb von kurzer Zeit (in der Regel etwa 100 Stunden) das Material von dem T6-Zustand zu dem T7-Zustand automatisch übergeht. Dieser Übergang geht einher mit einer Volumenzunahme, wodurch Druckeigenspannungen im Gefüge des Materials erzeugt werden, die letztendlich durch die lokale Erwärmung der Brennstege im Betrieb eines Verbrennungsmotors zu einer irreversiblen Plastifizierung führen können. Beim anschließenden Abkühlen des Zylinderkopfes entstehen dann Zugeigenspannungen in den Brennstegen, welche zu thermischen Ermüdungsrissen führen können.

Dies ist der Grund, warum eine T7-Wärmebehandlung einer T6-Wärmebehandlung überlegen ist. In ersterer werden die entstehenden Volumenveränderungen schon durch das Warmaushärten vorweggenommen, entstehen also nicht erst im Betrieb des Verbrennungsmotors.

Der Erfindungsgemäße Zylinderkopf kann außerdem die Nachteile einer kompletten T7 Behandlung des gesamten Zylinderkopfs vermeiden. Dabei entstünde nämlich eine Zylinderkopf, welcher auch außerhalb der Brennraumbereiche relativ weich wird, sodass die Zylinderkopfdichtung zum Kurbelgehäuse sich über die Zeit in den Zylinderkopf eingraben kann. Dies führt zu undichten Zylinderköpfen und Schäden am Motor.

Gemäß der Erfindung sind diese Brennraumbereiche also entsprechend den spezifischen thermischen und mechanischen Anforderungen adaptiv angepasst und unterschiedlich gegenüber dem Rest des Zylinderkopfes wärmebehandelt. Durch die adaptiv angepasste spezifische Wärmebehandlung der Brennraumbereiche können in dem einteiligen Gussteil des Zylinderkopfes die äußeren Bereiche mit hohen Festigkeitswerten gegenüber einer mechanischen Beanspruchung, wie zum Beispiel durch die angedrückte Zylinderkopfdichtung, entsprechend hoch gewählt werden, sodass über eine lange Betriebsdauer ein Eingraben oder Beschädigen vermieden wird. Die Brennraumbereiche des Zylinderkopfes hingegen können mit entsprechend geringeren Festigkeitswerten, jedoch einer hohen Duktilität (plastischen Verformbarkeit) spezifisch in ihrem Materialgefüge ausgebildet sein. Die hohen Betriebstemperaturen insbesondere in modernen Dieselmotoren, welche in der Größenordnung von i.d.R. mehr als 240°C liegen, führen daher bei dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf zu keinen Materialspannungen und/oder Rissen. Die Dauerbelastbarkeit des Zylinderkopfes ist gegenüber herkömmlichen Zylinderköpfen aus Aluminiumguss erhöht.

Die dabei eingesetzte T7-Wärmebehandlung führt in den Brennraumbereichen zu einer hohen Bruchzähigkeit und damit einer optimierten Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Ermüdungsrissen. Dies ist insbesondere in den relativ dünnen und kerbwirkenden Brennsteggeometrien des Zylinderkopfes, wie den Brennstegfasen, den Fräsriefen vom mechanischen Bearbeiten der Zylinder und den Bohrungen für die Glühstifte oder Glühkerze usw. von Vorteil. Außerdem werden Druck- und Zugeigenspannungen in dem Materialgefüge durch den Motorbetrieb hierdurch vermieden. Eine lokale unterschiedliche Erwärmung der verschiedenen Bereiche des Zylinderkopfes im Motorbetrieb hat keinen schädigenden Einfluss auf den gesamten Zylinderkopf.

Nach einem vorteilhaften Aspekt sind die Brennraumbereiche entsprechend einer Betriebstemperatur des Motors bzw. der Brennräume, insbesondere auf einer Temperatur > 240°C, wärmebehandelt. Eine thermische Vorschädigung aufgrund unterschiedlicher Wärmebehandlung in verschiedenen Bereichen des Zylinderkopfes wird vermieden. Das Auftreten von Ermüdungsrissen und Gefügespannungen ist auch im Betrieb des Motors weitestgehend vermieden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vergütung von gegossenen Zylinderköpfen von Verbrennungsmotoren, wie zum Beispiel Diesel- oder Ottomotoren, wird der Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung oder aus einem Aluminiumguss nach dem Gießen wärmebehandelt, wobei er in unterschiedlichen Bereichen entsprechend den thermischen und mechanischen Anforderungen dieser Bereiche adaptiv angepasst unterschiedlich wärmebehandelt wird gegenüber den restlichen Bereichen des Zylinderkopfes. Auf diese Weise sind die Brennraumbereiche des gegossenen Zylinderkopfes, welche auf einen höheren Zustand wärmebehandelt sind, optimiert wärmebehandelt, ohne dass der Rest des Zylinderkopfes eine unzureichende Festigkeit aufweist. Die thermischen und mechanischen Anforderungen dieser Brennraumbereiche sind gegenüber den Anforderungen des restlichen Zylinderkopfes eine relativ hohe Zähigkeit des Werkstoffes, wohingegen die Festigkeit, wie die Zugfestigkeit und die Dehngrenze des Materials, weniger hoch sein müssen. Die Duktilität der Brennraumbereiche kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren relativ hoch sein, wohingegen die Festigkeit des Materials sich in mittleren Bereichen abspielt.

Dennoch kann der gesamte Rest des Zylinderkopfes (Nicht-Brennraumbereiche), insbesondere die Bodenplatte und die äußeren Seitenbereiche sowie die Auflagefläche für die Zylinderkopfdichtung, an der Oberseite mit einem unterschiedlichen Wärmebehandlungs- bzw. Vergütungsverfahren hergestellt werden, sodass diese weniger duktil sind, jedoch eine dort notwendige höhere Festigkeit aufweisen. Ein Eingraben einer Zylinderkopfdichtung aufgrund einer zu niedrigen Festigkeit des Materials wird somit effektiv vermieden. Die Belastungsgrenzen und die Widerstandsfähigkeit gegen Risse oder Ermüdungserscheinungen des Zylinderkopfes wird erheblich reduziert. Die hohen Festigkeits- und Härtewerte in den Brennraumbereichen werden lediglich direkt in diesen Bereichen erfindungsgemäß hergestellt, sodass eine angepasste bzw. adaptive Einstellung von thermischen und mechanischen Festigkeits- und Materialeigenschaften je nach Bereich ermöglicht wird. Die Wärmebehandlung zur Aushärtung des gegossenen Zylinderkopfes ist unterschiedlich entsprechend den jeweiligen Anforderungen in den Bereichen und vermeidet so aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen und/oder Gefügeveränderungen eine Beschädigung des Zylinderkopfes. Die Festigkeiten und/oder die plastische Verformbarkeit des Materials wird an unterschiedlichen Bereichen jeweils entsprechend den Anforderungen optimiert.

Im einzelnen weist die Wärmebehandlung dabei die Schritte eines Lösungsglühens, eines Abschreckens und eines Warmaushärtens, wobei die Brennraumbereiche des Zylinderkopfes beim Warmaushärten lokal mit einer höheren Temperatur als der Rest des Zylinderkopfes behandelt werden, auf. Hierdurch können die Brennraumbereiche in den für sie optimalen Zustand einer thermischen Überalterung gebracht werden, in welchem die Festigkeitswerte reduziert sind, jedoch die Zähigkeit des Werkstoffes des Zylinderkopfes ansteigt (T7-Zustand). Die höhere Temperatur für die lokalen Bereiche der Brennräume und ihrer unmittelbaren Umgebung kann hierbei durch jedes geeignete Mittel, wie zum Beispiel eine zusätzliche Wärmequelle oder dergleichen, realisiert werden. Insbesondere kann eine höhere Temperatur beim Warmaushärten der gegossenen Zylinderköpfe durch lokale, zusätzliche Wärmequellen, wie zum Beispiel Gasbrenner oder dergleichen, realisiert werden. Die herkömmliche Warmaushärtung von Zylinderköpfen insgesamt, welche bei relativ niedrigen Bereichen in der Regel zwischen 160 und 220°C erfolgt, wird parallel und/oder vorher zu der erfindungsgemäßen zweiten Stufe eines lokalen Warmaushärtens der Brennraumbereiche ausgeführt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Wärmebehandeln in zwei Stufen ausgeführt mit einer zweiten Stufe, in welcher die Brennraumbereiche des Zylinderkopfes lokal und direkt im Anschluss an die erste Stufe bei einer höheren Temperatur wärmebehandelt werden. Die Temperatur der zweiten Stufe für die lokale Wärmebehandlung der Brennraumbereiche ist erhöht gegenüber der Temperatur der ersten Stufe für den gesamten Zylinderkopf. Die lokale Temperaturerhöhung kann über jedes geeignete Mittel erfolgen, mit welchem unterschiedliche Temperaturen in unterschiedlichen Bereichen des Zylinderkopfes realisierbar sind. Die Brennraumbereiche können auf diese Weise mit besonderen Werkstoff- bzw. Gefügeeigenschaften ausgestattet werden, ohne dass Nachteile für die Festigkeit des gesamten Zylinderkopfes entstehen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die zusätzliche bzw. unterschiedliche Wärmebehandlung der Brennraumbereiche des Zylinderkopfes durch zusätzliche, lokale Wärmeeinbringung in den Brennraumbereichen beim Warmaushärten durchgeführt. Die zusätzliche Wärmeeinbringung kann gemäß einem vorteilhaften Aspekt durch einen Laser, einen Brenner oder durch hochfrequente Induktionsenergie auf elektronische Weise erfolgen. Die Wärmeeinbringung erfolgt hierbei jeweils durch entsprechend der Brennraumanzahl vorgesehenen Einrichtungen, mittels welchen eine lokale Wärmeerhöhung ermöglicht wird. Selbstverständlich sind die Übergänge zu den Brennraumbereichen und dem Rest des Zylinderkopfes hierbei im Wesentlichen fließend, und es kann keine genaue Grenzenziehung im geometrischen Sinne erfolgen. Wesentlich für die Erfindung ist hierbei, dass die Brennraumbereiche, das heißt die Brennstege, die Zylinderbohrungen und die unmittelbar an die Brennräume angrenzenden inneren Bereiche des Materials des Zylinderkopfes, anders wärmebehandelt werden als der Rest, insbesondere die Außenseite und die Zylinderkopfplatte. Durch das Vorsehen einer Wärmeeinbringung mittels eines Lasers, eines Brenners oder einer hochfrequenten Induktionsenergie können auf relativ einfache Weise die Bereiche der Brennräume verschieden wärmebehandelt bzw. warmausgehärtet werden gegenüber dem Rest des Zylinderkopfes, ohne dass der Zylinderkopf in mehreren Teilen oder unterschiedlichen Modulen ausgebildet sein muss.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die unterschiedliche Wärmeeinbringung in den Brennraumbereichen durch Kühlung der Restbereiche des Zylinderkopfes mit Ausnahme der Brennraumbereiche selbst durchgeführt Durch äußere Kühlung beispielsweise mittels eines Kühlwassers oder eines Kühlfluids, welches die Außenseite und die Unterseite des Zylinderkopfes umströmt, kann bei einer gleichbleibenden Wärmequelle und Wärmeeinbringung die unterschiedliche Wärmebehandlung der Brennraumbereiche gegenüber dem Rest des Zylinderkopfes erreicht werden. Dadurch sind keine zusätzlichen Vorkehrungen bzw. Einrichtungen erforderlich, mittels welchen die spezifische Warmaushärtung in den Brennraumbereichen realisiert wird. Mit einer herkömmlichen, dem Fachmann bekannten Vorrichtung einer Wärmebehandlung kann die erfindungsgemäße spezifische Wärmebehandlung daher an ein und demselben einstückigen Zylinderkopf durchgeführt werden.

Durch die Wärmeeinbringung mittels eines Lasers, eines gasbeheizten Brenners oder auf induktivem Wege lassen sich in relativ kurzen Zeiten hohe Temperaturen erzeugen, sodass relativ kurze und zudem reproduzierbare Wärmeaushärtezeiten an dem Zylinderkopf realisierbar sind.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Wärmeeinbringung in den Brennraumbereichen gepulst durchgeführt und direkt am Ende einer ersten, konventionellen Warmaushärtung des Zylinderkopfes. Durch das gepulste Warmaushärten bzw. den Energieeintrag wird vermieden, dass die Brennstege in ihrer Wärmeausdehnung behindert werden und es zu Ermüdungsrissen aufgrund einer thermischen Vorschädigung kommt. Die lokale Überhitzung in den Brennräumen wird vermieden, sodass sich keine zu hohen Temperaturdifferenzen zwischen den umgebenden, kälteren Bereichen einstellen.

Die zusätzliche Wärmeeinbringung in den Brennraumbereichen kann alternativ auch während der konventionellen Warmaushärtung des Zylinderkopfes erfolgen. Wesentlich für die Erfindung ist lediglich, dass kein zu großer Abstand zwischen einem konventionellen Warmaushärten und einem zusätzlichen spezifischen und lokalen Aushärten der Brennraumbereiche besteht, da sonst die Temperaturdifferenz zwischen den ausgehärteten Brennraumbereichen und den äußeren Zylinderkopfrandzonen zu hoch ist. Letzteres kann zu Spannungen und somit Rissen in dem Gefüge führen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in einer ersten Stufe der Zylinderkopf einer Warmaushärtung ausgesetzt bei einer Temperatur zwischen 160 bis 220°C zum Erzeugen eines T6- oder T7-Zustands, und anschließend wird in einer zweiten Stufe ein Warmaushärten auf einen höheren Zustand, insbesondere einen T7-Zustand, lediglich lokal in den Brennraumbereichen durchgeführt. Die zweite Stufe des Warmaushärtens wird vorzugsweise auf einer Temperatur durchgeführt, welche mindestens gleich zu der späteren Betriebstemperatur der Brennräume ist. Hierdurch können dauerfeste und hochbelastbare Zylinderköpfe auf kostengünstige Weise durch eine einfache, mehrstufige Wärmebehandlung hergestellt werden. Die verschiedenen Bereiche des Zylinderkopfes können adaptiv auf ihre jeweiligen Anforderungen hin optimiert wärmebehandelt werden, ohne dass der Herstellungsprozess verkompliziert oder in seiner Dauer wesentlich verlängert wird. Die zweistufige Warmaushärtung kann vorteilhafterweise parallel erfolgen oder alternativ direkt im Anschluss zueinander. Es lassen sich relativ leichte und dennoch hochbelastbare Zylinderköpfe aus Aluminiumlegierungen herstellen, und die Gefahr von Rissbildungen oder materialinduzierten Schwachstellen wird reduziert.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden detaillierten Beschreibung zu entnehmen, in welcher die Erfindung mehr im Detail in Bezug auf die in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben wird.