DE4243023A1

DE4243023A1 - Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE4243023A1
Application number: DE19924243023
Authority: DE
Inventors: Hans-Guenther Dip Haldenwanger; Peter Dr Ing Klose
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1992-12-18
Filing date: 1992-12-18
Publication date: 1994-06-23

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist bekannt, in Leichtmetalle, z. B. Aluminiumlegie rungen, Keramikfasern einzubinden, um die Festigkeit der Werkstoffe gezielt zu beeinflussen bzw. zu verbes sern. Derartige Vorschläge wurden beispielsweise für Pleuel für Hubkolben-Brennkraftmaschinen gemacht. Die Einbindung und Orientierung derartiger Keramikfasern ist jedoch aufwendig und wird nicht allen gewünschten Belastungsprofilen gerecht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbundwerkstoff der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, der bei her stellungstechnisch günstiger Handhabung gewichtsopti mierte Konstruktionen und definierte Belastungsprofile ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeich nenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vor teilhafte Weiterbildungen der Erfindung und eine bevor zugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstof fes sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das Matrixmaterial, bevorzugt eine Leichtmetall-Legierung oder ein thermo plastischer Kunststoff, in eine in sich isotrope, drei dimensional regellos ausgerichtete und keramisierte Stützstruktur zu infiltrieren. Durch die Stützstruktur ist dabei eine durchgehende, regellos orientierte Ver stärkung geschaffen, die insbesondere die Druck- und Biegesteifigkeit des Verbundwerkstoffes beträchtlich erhöht.

Derartige keramisierte Stützstrukturen werden bei spielsweise auf der Grundlage retikulierter offenzelli ger Polyurethan-Schaummaterialien hergestellt, wobei sich deren Porenabmessungen gezielt einstellen lassen. Die z. B. gitterförmige Geometrie weist ein dodekaedri sches Muster auf, daß sich in drei Dimensionen wieder holt. Sie kommt durch Nachbildung organischer Schaum stoffe (z. B. PUR) zustande, wobei das Substrat in einer keramischen Aufschlämmung getränkt und dann durch Bren nen bei hohen Temperaturen verfestigt wird, während der organische Schaumstoff verdampft. Zurück bleibt die po sitive keramische Nachbildung der offenporigen kerami schen Schaumverbundstruktur bzw. die keramisierte Stützstruktur mit teils hohlen, röhrenförmigen Verstär kungen. Bekannt ist es, solche Strukturen als Filter für hochtemperaturhaltige oder aggressive Medien zu verwenden (vgl. z. B. Z Ingenieurwerkstoffe 3 (1991) Nr. 9). Die Stützstruktur kann aber auch mit gewebten oder gestrickten Textilmaterialien als Ausgangsstoffe her gestellt sein.

Als keramische Aufschlämmungen können je nach Anwen dungsfall beispielsweise Aluminiumoxid, Siliciumnitrid und/oder Zirkondioxid verwendet sein, wobei sich eine Aluminiumoxid-Strukturkeramik bei einer Aluminium- Magnesium-Legierung als Matrixmaterial unter ferti gungstechnischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten als vorteilhaft erwiesen hat.

Die Matrix des Verbundwerkstoffes kann jedoch auch aus Kunststoff, z. B. einem Duroplast-Reaktionsharz wie Phenolharz, Epoxidharz, Vinyleiterharz oder Polyester harz, oder aus deinem hochwertigen Thermoplast wie PES, PEK oder insbesondere PEEK ausgeführt sein, wodurch sich ebenfalls sehr leichte Konstruktionen hoher Biege-, insbesondere jedoch hoher Druckfestigkeit schaffen lassen.

Gemäß den Verwendungsansprüchen wird der erfindungsge mäße Verbundwerkstoff vorgeschlagen für bewegte Teile in Hubkolben-Brennkraftmaschinen wie Triebwerksteile, Ventilsteuerungsteile etc., die hohen Druckspannungen und Biegebelastungen ausgesetzt sind. Bei der Verwen dung des Verbundwerkstoffes an einem Kolbenbolzen wur den bei vergleichbarer Belastbarkeit eine beträchtliche Gewichtseinsparung gegenüber einem hülsenförmigen Kol benbolzen aus hochlegiertem Stahl erzielt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher beschrieben. Die sche matische Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine raumbildliche Ansicht eines Kolbenbolzens für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Stützkern aus Verbundwerkstoff und einer äuße ren dünnwandigen Hülse; und

Fig. 2 eine Einzelheit Z der Fig. 1.

Ein Kolbenbolzen 10 für eine Hubkolben-Brennkraftma schine setzt sich aus einem Stützkern 12 und einer äußeren dünnwandigen Hülse 14 zusammen.

Der Stützkern 12 (vgl. Fig. 2, stark vergrößerte Dar stellung) besteht aus einer Aluminium-Magnesium-Leicht metallegierung 16 (z. B. AlSi9Mg), die als Matrixmate rial (dargestellt als weiße Flächen) in eine in sich isotrope, dreidimensional regellos ausgerichtete, kera misierte Stützstruktur (schraffiert!) 18 aus Al₂O₃ in filtriert ist.

Die Stützstruktur 18 ist dreidimensional in einem dode kaedrischen Muster aufgebaut, mit einer Vielzahl dazwi schen liegender Poren und röhrenförmiger Hohlräume, die vom Matrixmaterial 16 homogen ausgefüllt sind, wobei die dreidimensional verlaufenden Stege eine in sich isotrope Verstärkung des Verbundwerkstoffes 16, 18 bil den, mit der im Betrieb der Brennkraftmaschine auf den Kolbenbolzen 10 wirkende Wechselspannungen bzw. Druck kräfte aufgefangen bzw. abgestützt werden.

Der so gebildete walzenförmige Stützkern 12 wird mit Schrumpfvorspannung in die dünnwandige metallische Hülse 14 aus z. B. 31CrMoV9 eingebunden, so daß er einer definierten Druckvorspannung unterliegt. Dadurch werden aufgrund von Durchbiegungen entstehende Zugschwellbean spruchungen kompensiert. Die Hülse 14 ist ihrem Einsatz entsprechend oberflächenbehandelt (z. B. vergütet und poliert).

Anstelle der Leichtmetall-Matrix 16 kann auch eine Matrix aus Kunststoff, insbesondere aus PEEK, verwendet sein, die wie vorbeschrieben im (schmelz-)flüssigen Zu stand in die keramische Stützstruktur 18 infiltriert, anschließend in die Hülse 14 eingesetzt und in dieser ausgehärtet wird. Bei dem gleichen Anwendungsfall (Kol benbolzen 10) wird es dabei zweckmäßig sein, die Hülse 14 dickwandiger auszubilden, um den auftretenden Biege belastungen besser gerecht zu werden. Die Stützstruktur 18 wirkt aufgrund ihrer hohen Drucksteifigkeit insbe sondere Ovalisierungen des Kolbenbolzens entgegen.

Neben dem beschriebenen Ausführungsbeispiel können auch andere Bauteile von Brennkraftmaschinen entsprechend ausgeführt sein, z. B. Ventilstößel, Nockenwellen, Kurbelwellenzapfen etc. oder Reibteile wie Kupplungs- und Bremsbeläge.

Claims

1. Verbundwerkstoff mit einer Matrix, in die keramische Verstärkungen eingebettet sind, dadurch gekennzeich net, daß die Verstärkungen durch eine in sich iso trope, dreidimensional regellos ausgerichtete, kera misierte Stützstruktur (18) gebildet ist, in die die Matrix (16) infiltriert ist.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Matrix (16) eine Leichtmetallegie rung ist.

3. Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 und 2, da durch gekennzeichnet, daß die Stützstruktur (18) aus Al₂O₃ gebildet ist.

4. Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus Kunststoff besteht.

5. Verbundwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Matrix aus thermoplastischem Kunst stoff, insbesondere aus PEEK gebildet ist.

6. Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umhüllung (14) aus verschleißfestem Metall vorge sehen ist.

7. Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Umhüllung (14) bei Umgebungstem peratur eine Druckvorspannung auf die Matrix (12) ausübt.

8. Verwendung des Verbundwerkstoffes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 an bewegte Massen einer Brennkraftmaschine darstellenden Teilen, insbesondere an einem Kolbenbolzen (10).

9. Verwendung nach Anspruch 8 an einem Kolbenbolzen (10), dadurch gekennzeichnet, daß auf einen walzen förmigen Stützkern (12) aus Verbundwerkstoff eine dünnwandige Hülse (14) aus hochlegiertem Stahl aufgeschrumpft ist.