DE19724899C2 - Hochwarmfester Magnesiumwerkstoff, insbesondere für den Kolbenbau - Google Patents

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:

Magnesium + 10 Gew.-% Al₂O₃

Magnesium + 20% Gew.-% Al₂O₃

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.