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).

In recent years, the cylinder heads of current diesel engines have been subjected to a strong increase in thermomechanical loading, in particular in the area of the combustion chamber. The evaluation of material for cast cylinder heads is assessed primarily on the basis of results from quasi-static tests, which are frequently gained from tensile tests on samples from test rod moulds made available especially for this purpose.

However, cylinder heads are complex moulded parts which cannot be compared directly with samples from test rod moulds due to the substantially different thermal conditions. Therefore, it appears to be more appropriate to examine sample materials from cylinder head castings directly, and not from test rod moulds. In addition, the predominant thermomechanical stress in engine operation is of cyclic nature. Therefore a quasi-static material examination like, for example, tensile tests at room temperature and at high temperature, is not considered sufficient to judge the ability of the material to withstand engine-related stress conditions.

Therefore, various cylinder head alloys were poured using the same cylinder head die cavities under well-defined manufacturing conditions. For this purpose, a cylinder head mould was used which cavity could be filled by "gravity" as well as "anti-gravity" casting processes. The analysis of samples from the thermodynamically stressed combustion chamber area was undertaken utilizing microstructural examinations, tensile tests at room temperature and at high temperature as well as cyclic anisothermic low cycle fatigue experiments.

As a result all gravity cast versions of the cylinder head exhibited better structural characteristics, greater strength at room temperature and high temperature and greater resistance against thermomechanical fatigue, compared to anti-gravity cast versions. In addition, the resistance against thermomechanical fatigue of the various cylinder head production alloys could be evaluated. Here, the gravity-cast alloy AlSi10Mg(Cu) proved to be most appropriate compared to the two gravity-cast materials AlSi6Cu4 and AlSi7Mg(Cu).