DE19724899C2 - Hochwarmfester Magnesiumwerkstoff, insbesondere für den Kolbenbau - Google Patents
Hochwarmfester Magnesiumwerkstoff, insbesondere für den KolbenbauInfo
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Description
Kolben, die geringe Masse haben sollen, wie es zum Beispiel
im Kfz-Motorenbau der Fall ist, werden heutzutage vorzugsweise
aus warmaushärtbaren Aluminiumlegierungen hergestellt.
Während diese Werkstoffe hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit,
Dichte, Wärmedehnzahl, Zerspanungseigenschaften und Wirtschaft
lichkeit durchaus zufriedenstellend sind, stoßen sie hinsicht
lich Ihrer Warmfestigkeit in Bezug auf die Anforderungen an
Kolben im modernen Automobilbau an Grenzen. Hohe Verdichtungen
und auch die Verwendung von bleifreiem Benzin führen zu höheren
Verbrennungstemperaturen, die höhere Temperaturen am Kolbenboden
zur Folge haben. Zudem haben diese Werkstoffe niedrigere Zähig
keitswerte, sind also spröde.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem Werkstoff, wel
cher möglichst ohne Einbußen hinsichtlich der anderen oben ge
nannten für Kolben wichtigen Eigenschaften und insbesondere bei
nicht schlechterer Wirtschaftlichkeit, d. h. geringem Preis, eine
höhere Warmfestigkeit als die bekannten Leichtmetallgrußlegie
rungen hat.
In DE 196 48 261 A1 ist ein neuer Kolbenwerkstoff auf Alu
miniumbasis beschrieben.
Dieser Werkstoff hat eine Dichte, die zum Basismaterial
Aluminium in Beziehung steht.
Ein weiterer Verbesserungsbedarf hinsichtlich einer Masse
verringerung des Kolbens besteht insbesondere bei Otto-Motoren,
bei denen nicht ganz so hohe Temperaturen wie bei Turbodieselmo
toren auftreten, es aber auf Masseeinsparungen bei einer Warmfe
stigkeit bis ca. 300°C ankommt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen für den Kolbenbau ge
eigneten Werkstoff zu schaffen, welcher spezifisch leichter als
ein Werkstoff auf Aluminiumbasis ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Werkstoff gemäß Anspruch 1
oder 2 gelöst.
Magnesium hat eine Dichte von 1,74 g/cm3, einen Schmelzpunkt
von 650°C und eine Wärmeleitfähigkeit von 1,59 . 105 Wm-1K-1 und
bietet damit ausgezeichnete Grundvoraussetzungen. Der erfin
dungsgemäße Magnesium-Werkstoff weist Festigkeitswerke auf, die
denjenigen der bekannten warmfesten Aluminiumlegierungen ent
sprechen. Gegenüber diesen ist eine Masseeinsparung am Kolben
von einem Drittel möglich.
Magnesium und Magnesium-Legierungen wurden bisher im we
sentlichen gießtechnisch verarbeitet, da erhebliche Probleme
durch die hohe Affinität zu Sauerstoff bestehen. Magnesium hat
dadurch eine starke Tendenz zu pyrophoren Reaktionen. Klassische
Sintern ist wenig aussichtsreich, da die Pulverpartikel sehr
stark mit Sauerstoff belegt sind und deshalb die notwendige
Sinteraktivität fehlt. Eine Verfestigung des Magnesiums über
Legierungstechnik hat den Nachteil, daß der Schmelzpunkt sehr
stark absinkt. Das Eutektikum von Al/Mg liegt beispielsweise bei
437°C.
Der erfindungsgemäße Magnesium-Werkstoff erhält demgegen
über den Schmelzpunkt von Reinmagnesium.
Der erfindungsgemäße Magnesium-Werkstoff hat ferner eine
Korrosionsbeständigkeit, die der schlechten Korrosionsbeständig
keit von Magnesium-Legierungen überlegen ist.
Die Verstärkung erfolgt vorzugsweise mit Al2O3, da dieses
eine hohe Temperaturbeständigkeit, relativ gute Temperaturwech
selbeständigkeit, hohes Wärmeleitvermögen, hohe Härte und hohe
Verschleißbeständigkeit sowie vorzügliche Korrosionsbeständig
keit besitzt.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Herstellung 3
des erfindungsgemäßen Magnesiumwerkstoffes beschrieben.
Zunächst wird ein Pulvergemisch aus Magnesium und ggf.
Magnesium-Legierungselementen sowie vorzugsweise Al2O3 als Dis
persoid trockengemischt, wobei die Korngrößen der einzelnen
Pulver in etwa angeglichen sind.
Danach erfolgt ein kaltisostatisches Vorpressen (CIP) des
Pulvergemisches, was bereits zu sehr hohen Dichten führt.
Folgende Werte ergeben sich:
Die hohen Dichten führen dazu, daß die CIP-Teile bereits
eine hohe mechanische Festigkeit haben, gut zerspanbar sind und
beliebig weiterverarbeitet werden können.
Sodann erfolgt ein heißisostatisches Pressen in einem Fer
tigungsschritt, wobei das durch CIP verdichtete Pulver die Vor
aussetzungen erfüllt, in einem HIP-Vorgang gekapselt auf theore
tische Dichte verdichtet zu werden. Der HIP-Vorgang erfolgt bei
400-600°C und bei einem Druck von 700 bis 1000 bar.
Folgende Eigenschaften werden nach dem HIP-Vorgang er
reicht:
Damit ist der erfindungsgemäße Werkstoff hergestellt.
Nachfolgend kann ein Strangpressen zur weiterem Formgebung
und zur Auflösung der festigkeitsbestimmenden O2-Belegung der
ehemaligen Pulverpartikel erfolgen. Auf diese Weise wird eine
weitere Festigkeitssteigerung und eine Verbesserung der Zähig
keitswerte erreicht.
Der erfindungsgemäße Magnesium-Werkstoff erlaubt eine Nach
behandlungstemperatur von 600°C (= HIP-Temperatur), so daß auch
Beschichtungen mit TiN über das CVD-Verfahren erstmals möglich
sind.
Der erfindungsgemäße Magnesium-Werkstoff ist, wie auch die
bekannten Magnesiumlegierungen, für den Kolbenbau relativ weich.
Dies führt insbesondere zu Problemen im Bereich der Kolbenring
nuten für das Einsetzen der Kolbenringe. Es kann daher mit Vorteil
in Erwägung gezogen werden, diese Nuten in einem härteren Materi
al. beispielsweise einem Ring aus einem Aluminiumwerkstoff auszu
bilden und diesen Ring durch heißisostatisches Pressen mit dem aus
einem Magnesiumwerkstoff bestehenden Teil des Kolbens zu verbin
den.
Neben der Verwendung des erfindungsgemäßen Werkstoffs im
Kolbenbau kommen hierfür auch andere Verwendungen in Betracht,
insbesondere überall dort, wo bisher thermisch hochbelastete
Magnesiumwerkstoffe oder auch Aluminiumwerkstoffe eingesetzt
wurden.
So kommt eine Verwendung nicht nur für Kolben, sondern auch
für Verbrennungskammern, Zylinderköpfe, Verdichterschaufeln von
Stahltriebwerken, Dichtungen für Gasturbinen und dergleichen in
betracht. Je nach Bedarf kann dabei der erfindungsgemäße Magnesi
umwerkstoff nur an der Oberfläche oder durchgängig im gesamten
Volumen des betreffenden Bauteils Verwendung finden.
Im Fahrzeugbau kommt die Verwendung des erfindungsgemäßen
Aluminiumwerkstoffs darüber hinaus noch für ultraleichte Brems
scheiben von Scheibenbremsen in Betracht.
Wegen der hohen Korrosions- und Wärmebeständigkeit ist ein
weiteres Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Magnesiumwerk
stoffs das der Wärmetauscher und Rohrleitungen für hohe Temperatu
ren anstelle herkömmlicher Aluminium- oder Magnesiumwerkstoffe.
Die hohe elektrische Leitfähigkeit macht den erfindungsgemä
ßen Magnesiumwerkstoff auch für Enteisungsanlagen geeignet.
Claims (7)
1. Hochwarmfester Magnesiumwerkstoff, insbesondere für Kolben
von Verbrennungsmotoren, erhalten durch mechanisches Legieren von
Pulvern aus Magnesium und einem oder mehreren der Magnesium-Legie
rungselemente Al, Si, Zn, Cu, Ni, Ti, C, wobei die Teilchengröße
des Magnesiums und der Magnesium-Legierungselemente bis etwa 100
µm beträgt und der Anteil an Legierungselementen nicht größer als
25 Gew.-% des Magnesiumanteils ausmacht, sowie von einem oder
mehreren der Dispersoide oder Partikel Al2O3, TiC, SiO2, SiC, YO,
wobei die Teilchengröße des oder der Dispersoide oder Partikel bis
etwa 50 µm beträgt und der Anteil an Dispersoiden oder Partikeln
an der Gesamtmenge zwischen 5 und 30 Gew.-% beträgt, kaltes Vor
pressen des Pulvergemisches und heißisostatisches Verdichten des
vorgepreßten Pulvergemisches auf theoretische Dichte.
2. Hochwarmfester Magnesiumwerkstoff, insbesondere für Kolben
von Verbrennungsmotoren, erhalten durch mechanisches Legieren von
Pulvern aus Magnesium und Al2O3, wobei die Teilchengröße des Magne
siums bis etwa 50 µm und die Teilchengröße des Al2O3 bis etwa 20 µm
und der Anteil des Al2O3 an der Gesamtmenge zwischen 5 und 30 Gew.-
% beträgt, kaltes Vorpressen des Pulvergemisches und heißisostati
sches Verdichten des vorgepreßten Pulvergemisches.
3. Verwendung eines Magnesiumwerkstoffs nach Anspruch 1 oder
2, für Kolben von Verbrennungsmotoren.
4. Verwendung eines Magnesiumwerkstoffs nach Anspruch 1 oder
2, als Ersatz für thermisch hochbelastete herkömmliche Magnesi
umwerkstoffe im Motoren- und Triebswerksbau.
5. Verwendung eines Magnesiumwerkstoffs nach Anspruch 1 oder
2, für Wärmetauscher und chemisch oder thermisch belastete Rohre
aus Magnesiumwerkstoff.
6. Verwendung eines Magnesiumwerkstoffs nach Anspruch 1 oder
2, für Bremsscheiben von Scheibenbremsen.
7. Verwendung eines Magnesiumwerkstoffs nach Anspruch 1 oder
2, für Enteisungsanlagen.
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