DE4208504A1 - Maschinenbauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein aus einer 2 bis 8 Masse-% Seltenerdmetalle enthaltender Magnesiumlegierung gegossenes, hohen thermischen und mechanischen Belastungen unterliegendes Maschinenbauteil, insbesondere den Brennraum von Verbrennungskraftmaschinen begrenzendes Bauteil, wie Kolben und Zylinder.

Seit einigen Jahren finden Magnesiumlegierungen bedingt durch deren relativ geringe Dichte bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften ein wachsendes Interesse als Konstruktionswerkstoff, vor allem im Kraftfahrzeugbau. Dabei wird versucht, durch Zugabe geeigneter Legierungselemente und/oder durch Anwendung besonderer Verfahrensmaßnahmen die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Magnesiumlegierungen deutlich zu verbessern.

Bereits 1946 wurde vorgeschlagen, die Festigkeit von Magnesium durch die Zugabe von Cer und Thorium zu verbessern, um daraus Kolben für Verbrennungskraftmaschinen durch Schmieden mit entsprechendem Faserverlauf herstellen zu können (Firmenschrift: Mahle KG und Elektron-Co. mbH, Stuttgart-Bad Cannstatt, 1946). Aus der US-A-34 19 385 ist eine mit Yttrium legierte Magnesiumlegierung bekannt, die gemäß JP-A-5 72 10 946 noch Neodymium enthalten kann. In der JP-A-8 62 50 144 ist eine gegossene Magnesiumlegierung vorgesehen, die 2 bis 8 Gew.% Yttrium und 2 bis 7 Gew.% Samarium enthält und die eine gute Festigkeit bis 300°C sowie eine gute Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen soll und deshalb für die Herstellung von hohen Temperaturen ausgesetzten Bauteilen von Maschinen geeignet sein soll. Die US-A-44 01 621 befaßt sich mit einer 1,5 bis 10 Gew.% Yttrium und 1 bis 6 Gew.% Neodymium enthaltenden Magnesiumlegierung, wobei bis zu 40% des Yttriums durch schwere Seltenerdmetalle und bis zu 40% des Neodymiums durch Lanthan und praseodymium ersetzt sind. Gegenstand der EP-A-04 32 810 ist eine Magnesiumlegierung für preßgegossene Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, die 2 bis 6 Gew.% Neodymium und ggf. 0,5 bis 7,5 Gew.% Yttrium enthält. In der BE-A-8 37 170 ist eine Magnesiumlegierung beschrieben, die 1,25 bis 3 Gew.% Silber, 0,5 bis 2,2 Gew.% Seltenerdmetalle, davon mindestens 60% Neodymium, und 0,2 bis 1,9 Gew.% Thorium enthält. Gemäß der DE-C-25 58 915 kann der Thoriumgehalt ganz oder teilweise durch 2,5 bis 7 Gew.% Yttrium ersetzt sein. Der Nachteil der Vorstehend beschriebenen Magnesiumlegierungen besteht darin, daß insbesondere die Kriech- und Ermüdungsfestigkeit daraus gegossener, hohen Temperaturen von 250 bis 350°C ausgesetzter Bauteile, insbesondere solche von Verbrennungskraftmaschinen, unbefriedigend ist. Selbst die vergleichsweise günstigen Zeitstandfestigkeiten von Magnesiumlegierungen mit Zusätzen von Yttrium und Mischmetall sind für den Einsatz für Bauteile von Verbrennungskraftmaschinen nicht geeignet, da Yttrium festigkeitsbegrenzend wirkt und außerdem ein vergleichsweise teures Element ist. Mit Thorium legiertes Magnesium besitzt zwar höchste Festigkeiten bei hohen Temperaturen; sein Einsatz kann jedoch wegen der geringen Radioaktivität des Thoriums für die Zukunft außer Betracht bleiben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Seltenerdmetalle enthaltende Magnesiumlegierung bereitzustellen, deren Dichte < 2,0 g/cm³ ist, die gute Kriech- und Ermüdungsfestigkeiten sowie Zugfestigkeiten bei hohen Temperaturen aufweist, sich gut auch durch Preßgießen gießen läßt und auch als Matrixlegierung für in Bauteile einzugießende Faserformkörper in Betracht kommt.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß das Magnesium mit 2 bis 8 Masse-% Samarium legiert ist.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal kann ein Seltenerdmetall verwendet werden, in dem Samarium zu wenigstens 60 Masse-% angereichert ist, während der Rest aus einem oder mehreren Seltenerdmetallen bestehen kann.

Durch den Zusatz von 0,05 bis 1,0 Masse-% Aluminium und/oder Silizium wird das Kriech- und Ermüdungsverhalten der Samarium enthaltenden Magnesiumlegierung bei hohen Temperaturen durch die Ausbildung fein verteilter Aluminide bzw. Silizide verbessert.

Es können auch noch 0,2 bis 3,0 Masse-% eines oder mehrerer der Elemente Silber, Cadmium, Gallium, Scandium und Zink in der Magnesiummatrix enthalten sein, um deren Festigkeit bei niedrigeren Temperaturen zu steigern.

Eine Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften des Magnesiums wird durch den Zusatz von 0,2 bis 3,0 Masse-% eines oder mehrerer der schweren Seltenerdmetalle Gadolinium, Therbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium und Ytterbium erzielt.

Darüber hinaus kann das Magnesium noch 0,01 bis 1,0 Masse-% eines oder mehrerer der Elemente Mangan, Strontium und Zirkonium enthalten. Mangan und insbesondere Zirkonium dienen zur Kornfeinung. Mangan ist außerdem wichtig zur Kompensation von Eisenverunreinigungen. Die Hauptwirkung des Strontiums liegt in der Beherrschung der Mikroporosität.

Durch den Zusatz von 0,2 bis 3,0 Masse-% Lithium wird die Dichte der Magnesiumlegierung weiter gesenkt.

Die Erfindung ist im folgenden durch Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es wurden zwei erfindungsgemäße Magnesium-Seltenerdmetalle-Legierungen mit der Kurzbezeichnung Mg-Sm7,4 und Mg-Sm5Gd1 und zwei zum Stand der Technik zählende Legierungen mit der Kurzbezeichnung Al-Si12CuMgNi und Mg-Y5Nd2Zr erschmolzen und mit einer Gießtemperatur von 770°C in eine auf 400°C erwärmte Gießform zu Probekörpern gegossen. Die Probekörper wurden 5 h lang bei 510°C homogenisiert, dann mit Wasser abgeschreckt und anschließend 5 h lang bei 250°C vergütet.

Die an den Probekörpern in Abhängigkeit von der Temperatur durchgeführten Zugfestigkeitsmessungen zeigen, daß die Zugfestigkeitswerte der beiden zum Stand der Technik gehörenden Legierungen mit steigender Temperatur stark gegen Null abfallen, während die Zugfestigkeitswerte der erfindungsgemäßen Legierung vergleichsweise konstant bleiben.

Claims (7)

1. Aus einer 2 bis 8 Masse-% Seltenerdmetalle enthaltender Magnesiumlegierung gegossenes, hohen thermischen und mechanischen Belastungen unterliegendes Maschinenbauteil, insbesondere den Brennraum von Verbrennungskraftmaschinen begrenzendes Bauteil, wie Kolben und Zylinder, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltenerdmetall aus Samarium besteht.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltenerdmetall aus zu wenigstens 60 Masse-% angereichertem Samarium und einem Rest aus einem oder mehreren Seltenerdmetallen besteht.

3. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesiummatrix 0,05 bis 1,0 Masse-% Aluminium und/oder Silizium enthält.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesiummatrix 0,2 bis 3,0 Masse-% eines oder mehrerer der Elemente Silber, Cadmium, Gallium, Scandium und Zink enthält.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesiummatrix 0,2 bis 3,0 Masse-% eines oder mehrerer der schweren Seltenerdmetalle Gadolinium, Therbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium und Ytterbium enthält.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesiummatrix 0,01 bis 1,0 Masse-% eines oder mehrerer der Elemente Mangan, Strontium und Zirkonium enthält.

7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesiummatrix 0,2 bis 3,0 Masse-% Lithium enthält.