AT504924A1

AT504924A1 - Fahrzeugkomponente

Info

Publication number: AT504924A1
Application number: AT0037407A
Authority: AT
Original assignee: Capital Technology Beteiligung
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2008-09-15
Also published as: WO2008109898A1; AT504924A9

Description

• · « · · • · · ··· · · * • ··· · · · 1

Fahrzeugkomponente

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer insbesondere dynamisch belasteten Fahrzeugkomponente wie eines Kolbens oder eines anderen Teiles eines 5 Verbrennungsmotors.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Fahrzeugkomponente.

Im Einsatz zu bewegende Bauteile von Verbrennungsmotoren, beispielsweise Kolben, 10 werden mit Vorzug aus möglichst leichtgewichtigen Materialien gefertigt. Dabei greift man unter anderem auf Aluminium oder dessen Legierungen zurück, welche bekanntermaßen eine relativ geringe Dichte aufweisen.

Um den eingesetzten Legierungen eine hohe Festigkeit zu verleihen, wie es für viele 15 Einsatzzwecke notwendig ist, werden diese ausscheidungsgehärtet, so dass Bauteile erhalten werden können, die bei Raumtemperatur eine hohe Zugfestigkeit aufweisen. Dabei bleibt allerdings oftmals unberücksichtigt, dass die Bauteile vor allem in Extremsituationen auch Einsatztemperaturen von mehreren Hundert Grad Celsius ausgesetzt sein können. In diesem Fall kann ein ausscheidungsgehärteter Bauteil im 20 Hochtemperatureinsatz seine bei Raumtemperatur hohe Zugfestigkeit sehr rasch verlieren. So zeigt sich bei der häufig eingesetzten Aluminiumlegierung 2618 bei 300 °C und einer Haltezeit von 20 Stunden ein Festigkeitsabfall von nahezu 50 %. Ein derartiger Festigkeitsabfall und damit verbundene Gefahren können nur durch eine vorab massivere Auslegung von Bauteilen kompensiert werden, was wiederum dem angestrebten Prinzip 25 einer leichtgewichtigen Bauweise bewegter Bauteile entgegensteht.

Davon ausgehend setzt sich die Erfindung das Ziel, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem eine leichtgewichtige Fahrzeugkomponente bereitgestellt werden kann, die eine bleibend hohe Warmfestigkeit aufweist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine leichtgewichtige Fahrzeugkomponente anzugeben, welche eine bleibend hohe Warmfestigkeit aufweist. 30 • · · · · · · · · · • · · · · ♦ · ·φ· ··· • · · · · ··· t · · ····· · · · · 2

Das verfahrensmäßige Ziel der Erfindung wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass es folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen von gasverdüsten Partikeln aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wobei eine durchschnittliche Größe der Partikel weniger als 10 pm 5 beträgt, b) Verdichten der Partikel, optional in Kombination mit Verstärkungspartikeln, zu einem formstabilen Block, danach c) Umformen des Blockes bei einer Temperatur von zumindest 250 °C, d) Erstellen der Fahrzeugkomponente aus dem umgeformten Block oder Teilen davon. 10

Das erfindungsgemäße Konzept besteht darin, einen verdichteten formstabilen bzw. selbsttragenden Block aus kleinen Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Partikeln zu schaffen, welcher Block in der Folge beispielsweise durch Gesenkschmieden mit einem Umformgrad von mindestens vierfach umgeformt wird. Das vorgesehene Vorverdichten in 15 Schritt b) ist erforderlich, um nach der anschließenden Umformung einen im Wesentlichen dichten Körper zu erhalten. Bei der Umformung selbst werden ab Temperaturen von ca. 250 °C die Oxidhäute, welche sich auf Grund der hohen Affinität von Aluminium zu Sauerstoff auf den Oberflächen der Partikeln befinden, aufgebrochen, so dass während der Umformung, bei der auch eine weitere Verdichtung des Materials erfolgt, Oxide 20 feindispers im Matrixmaterial verteilt bzw. in dieses eingearbeitet werden, wobei gleichzeitig die feinen Partikel, die vor Umformen eine durchschnittliche Größe von weniger als 10 pm aufweisen, eine Größenabnahme erfahren können. Die im Matrixmetall fein verteilten Oxide verhindern bzw. behindern Versetzungsbewegungen in den Körnern, was eine hohe Zugfestigkeit des so erstellten Materials bewirkt. Das Material bzw. der 25 Werkstoff ist also strukturverfestigt und behält eine hohe Zugfestigkeit auch über lange Zeiträume bei hohen Temperaturen von beispielsweise 300 °C. Das Material eignet sich vorzüglich zur Erstellung von Fahrzeugkomponenten mit stabil hoher Warmfestigkeit.

Die Partikel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einer Größe von weniger 30 als 10 pm können unter Sauerstoff, aber auch unter Stickstoff verdüst sein. Auch in letzterem Fall bildet sich die im Rahmen der Erfindung gewünschte Oxidhaut mit einem für die Strukturverfestigung geeigneten Verhältnis von Metallkem zu Oxidhaut aus. • · · · · · · ··· ··· • · · · · ··· · · · ····· · ··· 3 Günstig ist es, wenn eine durchschnittliche Größe der Partikel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung weniger als 5 pm, bevorzugt 0,1 gm bis 1,5 gm, beträgt. Je kleiner die gasverdüsten Partikel sind, desto höher wird ein relativer Anteil der beim Verdüsen oder danach ausgebildeten Oxidhaut am Gesamtvolumen eines Partikels. Dadurch steigt 5 auch ein Anteil an feindispersem Oxid im verarbeiteten Material, was wiederum einer wirksamen Strukturverfestigung und damit einer hohen Warmfestigkeit zugute kommt. Ein optimaler Aluminiumoxidgehalt der Partikeln beträgt in Bezug auf ein Gesamtvolumen derselben 5 % bis 12 %. 10 Um hohe Zugfestigkeiten zu erreichen kann vorgesehen sein, dass im Schritt b) beispielsweise Verstärkungspartikel aus einem amorphen Metall und/oder einer amorphen Legierung beigemengt werden. Auf Grund eines Fehlens einer kristallinen Struktur und damit von Gleitebenen sind durch derartige Partikeln Versetzungen noch stärker behindert, mit dem Vorteil, dass auch eine Festigkeit, insbesondere 15 Warmfestigkeit, erhöht ist. Wenn Verstärkungspartikel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eingesetzt werden, kann eine gute Einbindung der Verstärkungspartikel in die matrixbildenden Partikeln erzielt werden.

Sofern Verstärkungspartikel eingesetzt werden, weisen diese bevorzugt eine 20 durchschnittliche Größe von weniger als 500 pm, bevorzugt weniger als 200 pm, auf.

Mit Bezug auf eine optimale Festigkeit und Zähigkeit einerseits sowie gute Verarbeitbarkeit der Partikelmischung andererseits kann es zweckmäßig sein, dass ein Volumenanteil der Verstärkungspartikel 5 % bis 45 %, vorzugsweise 15 % bis 35 %, 25 beträgt.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Verdichten der gasverdüsten Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Partikel kann durch ein an sich bekanntes kaltisostatisches Pressen erfolgen.

Hinsichtlich einer Umformung des so erstellten Blockes bei einer Temperatur von zumindest 250 °C stehen mehrere Möglichkeiten offen: 30 • ·· ·· · · ·· · • * · 9 · · · ··· ··· • · · · · ··· · # · ····· · · · · 4

Zum einen kann die Umformung durch Extrudieren bzw. Strangpressen erfolgen. In diesem Fall wird einerseits durch das Pressen ein Aufbrechen und Verteilen der auf den Aluminium- bzw. Aluminiumlegierungs-Partikeln befindlichen Oxidhäute bewirkt. Andererseits wird der vorverdichtete Block gleichzeitig konsolidiert bzw. kompaktiert, so 5 dass eine Porosität des umgeformten Materials in der Regel unter einem Volumenprozent liegen kann.

Alternativ ist es andererseits auch möglich und im Hinblick auf mechanische Eigenschaften bevorzugt, wenn vorerst im Schritt b) zusätzlich ein heißisostatisches 10 Pressen erfolgt und anschließend die Umformung des Blockes durch Schmieden bei einer Temperatur von zumindest 250 °C durchgeführt wird. Dabei erfolgt beim heißisostatischen Pressen eine weitere Verdichtung des bereits kaltisostatisch vorverdichteten Blockes. Beim anschließenden Schmieden werden das bereits beschriebene Aufbrechen der Oxidhäute und eine feindisperse Verteilung von Oxidbruchstücken im Material bei weiterer 15 Verdichtung desselben erreicht. Im Vergleich mit einem Extrudieren ist dabei von Vorteil, dass ein Aufbrechen der Oxidhäute über den gesamten Querschnitt des Blockes homogen erfolgt, wohingegen beim Extrudieren bei Blockdurchmessem von beispielsweise 95 mal 40 Millimeter teilweise lediglich ein Aufbrechen von Oxidhäuten im Bereich des Blockrandes beobachtet wird, weshalb nur diese Bereiche zur weiteren 20 Bearbeitung gesetzt werden können. Eine Erklärung liegt vermutlich darin, dass beim Gesenkschmieden das ver- bzw. bearbeitete Material im Gegensatz zum Extrudieren keine Ausweichmöglichkeit hat und die Umformenergie optimal über den gesamten Querschnitt des Materials verteilt in dieses eingebracht werden kann. 25 Im Zusammenhang mit einem heißisostatischen Pressen hat sich überraschenderweise auch gezeigt, dass zumindest teilweise amorphe Verstärkungspartikel aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung, wie Bänder aus einer zumindest teilweise amorphen Aluminiumlegierung, zum Beispiel aus einer Schmelze gesponnene und verstärkt abgekühlte Bänder aus so genanntem „rapidly solidified“ Alg^Fea mit amorphen, 30 kristallinen und quasikristallinen Anteilen, diesen Verfahrensschritt mit Bezug auf ein Gefüge im Wesentlichen unverändert überstehen und daher als Verstärkungspartikel eingesetzt werden können. • ·· ·· · · * φ · • · · · · · * ·§· ··« • · t · « ··· · · « ····» · · · · 5

Als besonders günstiges Temperaturfenster für eine Umformung des gegebenenfalls heißisostatisch gepressten Blockes hat sich eine Temperatur zwischen 350 °C und 500 °C, vorzugsweise 350 °C bis 400 °C, erwiesen. Bei Temperaturen von weniger als 350 °C kann es dazu kommen, dass die individuellen oxidüberzogenen Partikel aneinander 5 abgleiten bzw. abrollen, ohne dass es zu einem Aufbrechen der Oxidhäute kommt.

Beträgt hingegen eine Temperatur mehr als 400 °C, insbesondere mehr als 500 °C, so kann eine Verarbeitung erschwert sein, weil eine Entfestigung des Matrixmaterials ein Zersetzen der Oxidhäute nicht mehr zulässt. 10 Das weitere Ziel der Erfindung wird durch eine Fahrzeugkomponente wie einen Kolben eines Verbrennungsmotors erreicht, die durch Verdichten von Partikeln aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einer durchschnittlichen Größe von weniger als 10 pm, optional zusammen mit Verstärkungspartikeln, zu einem Block und anschließendes Umformen des Blockes bei einer Temperatur von zumindest 250 °C mit einer Umformrate 15 von beispielsweise 4:1 oder mehr, erhältlich ist.

Die mit einer erfindungsgemäßen Fahrzeugkomponente erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass diese eine hohe Warmfestigkeit aufweist, und zwar auch bei längeren Einsatzdauem bei erhöhten Temperaturen von beispielsweise 300 °C. 20 Auf Grund einer hohen Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen über lange Zeiträume sowie guter Biegewechseifestigkeit und Zugdruckwechselfestigkeit können nunmehr Bauteile erstellt werden, die weniger massiv als Bauteile gemäß dem Stand der Technik ausgebildet sind und dennoch gewünschten Sicherheitskriterien entsprechen. Anders ausgedrückt: Eine Überdimensionierung von Bauteilen, um einen Festigkeitsveriust bei 25 erhöhten Einsatztemperaturen zu kompensieren, ist nicht mehr oder nicht in dem bisher nötigen Ausmaß notwendig.

Dabei ist es wie bereits beschrieben günstig, wenn eine durchschnittliche Größe der Partikeln aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung weniger als 5 pm beträgt und 30 bevorzugt in einem Bereich von 0,1 pm bis 1,5 pm liegt.

Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Fahrzeugkomponente Verstärkungspartikel aus einem amorphen Metall und/oder einer amorphen Legierung aufweist. • · • · • · • · • ··· ·♦♦ • ·· · · · • · • · · t 6

Einer Kompatibilität der Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Partikel mit dem Verstärkungsmaterial wegen ist die amorphe Legierung günstigerweise eine Aluminiumlegierung. Die Verstärkungspartikel selbst weisen bevorzugt eine durchschnittliche Größe von weniger als 500 pm, bevorzugt weniger als 200 pm, auf. 5 Dabei beträgt ein Volumenanteil der Verstärkungspartikel vorzugsweise 5 % bis 45 %, insbesondere 15 % bis 35 %.

Weitere Vorteile, Merkmale und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus dem Zusammenhang der Beschreibung und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. 10

Es zeigen

Fig. 1: Eine TEM-Aufnahme (TEM... Transmissionselektronenmikroskop) eines Gefüges eines Kolbenrohlings im Randbereich;

Fig. 2: Eine TEM-Aufnahme im Zentrum des Kolbenrohlings aus Fig. 1. 15

Unter Stickstoff gasverdüste, handelsübliche Partikel aus Aluminium mit einer durchschnittlichen Größe von ca. 1 pm (dso, arithmetischer Mittelwert), wurden kaltisostatisch zu selbsttragenden Bolzen gepresst. Die so hergestellten Bolzen mit einer relativen Dichte von rund 0,8 wurden anschließend einer Vakuum-Wärmebehandlung 20 unterworfen und danach bei ca. 475 eC heißisostatisch gepresst und dabei auf eine relative Dichte von größer als 0,95 verdichtet. Anschließend wurde so erstelltes Material bei ca. 350 °C mit einem Umformgrad von größer vierfach auf Rohlingsdimensionen eines Motorkolbens geschmiedet, wobei das Material eine endgültige Verdichtung erfuhr und die Aluminium-Partikel gegeneinander verschert und miteinander verschweißt wurden. 25

Die so hergestellten, durch Fräsen in eine endgültige Form zu bringenden Kolbenrohlinge wiesen über den Querschnitt betrachtet eine durchschnittliche Härte vonjnehr als 80 HB bei 25 °C auf, was umgerechnet einer Zugfestigkeit von)ca^7&4rtFapei 25 °C entsprach. Die Rohlinge wurden anschließend für 20 Stunden bei einer Temperatur von 300 °C 30 gehalten, ehe an den so behandelten Rohlingen bei 300 °C Zugfestigkeitsprüfungen durchgeführt wurden. Bei diesen Zugfestigkeitsprüfungen zeigte sich, dass eine Zugfestigkeit Rm für alle Rohlinge mehr ateigOO'MPäVetrug. Für die Dehn- bzw. Streckgrenzen Rpo,2 wurden Werte von jeweils mehr als^T5^MPa|erhalten. Im Vergleich damit erbrachte ein Kolben aus einer Legierung 2618 trotz höherer Zugfestigkeit bei 25 °C I I j • · · · · · · ··· ··· • · · · ··· · · · «···· · ··· wmmm 7 (440 MPa) nach Durchwärmung bei 300 °C lediglich 110 MPa, welcher Wert sich nach einer Haltezeit von 20 Stunden bei dieser Temperatur nochmals um ca. 45 % verringerte.

Gefügeuntersuchungen durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zeigten, dass 5 die Rohlinge sowohl im Randbereich (Fig. 1) als auch im Zentrum (Fig. 2) mit einem \ porenfreien Gefüge aus Aluminiumpartikeln (hell) und in diesen bzw. an den Partikelgrenzen verteilten Oxiden im Sub-Mikrometerbereich (in Fig. 1 und Fig. 2 schwarz erscheinend) bestand. 10 Eine erfindungsgemäße hergestellte Fahrzeugkomponente hat folgendes nutzbares Potential: - Gewichtsreduktion von Bauteilen bei gleicher Sicherheit - Höhere Einsatztemperaturen bei temperaturbelasteten Bauteilen - Engere Einsatzdauem bei erhöhten Temperaturen ohne deutlichen Abfall von 15 Materialeigenschaften - Mit Bezug auf Motoren bzw. Kolben höhere Wirkungsgrade - Gute Dämpfungseigenschaften zur Reduktion einer Schallemission

Claims

• · • · • · • ·

δ Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer insbesondere dynamisch belasteten Fahrzeugkomponente, beispielsweise eines Kolbens oder eines anderen Teiles eines 5 Verbrennungsmotors, umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen von gasverdüsten Partikeln aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wobei eine durchschnittliche Größe der Partikel wt w beträgt, b) Verdichten der Partikel, optional in Kombination mit Verstärkungspartikeln, zu einem 10 formstabilen Block, danach c) Umformen des Blockes bei einer Temperatur von zumindest 250 °C, d) Erstellen der Fahrzeugkomponente aus dem umgeformten Block oder Teilen davon.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine durchschnittliche Größe der Partikel aus 15 Aluminium oder einer Aluminiumlegierung weniger als 5 pm beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine durchschnittliche Größe der Partikel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 0,1 pm bis 1,5 pm beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Partikel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung einen Aluminiumoxidgehalt von 5 Volumenprozent bis 12 Volumenprozent aufweisen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im Schritt b) Verstärkungspartikel 25 aus einem amorphen Metall und/oder einer amorphen Legierung zugesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei Verstärkungspartikel aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung eingesetzt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Verstärkungspartikel eine durchschnittliche Größe von weniger als 500 pm, bevorzugt weniger als 200 pm, aulweisen. • · · · • ·. · • · *

9
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei ein Volumenanteil der Verstärkungspartikel 5 % bis 45 %, vorzugsweise 15 % bis 35 %, beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verdichten im Schritt b) durch 5 kaltisostatisches Pressen erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Schritt b) ein heißisostatisches Pressen umfasst.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Fahrzeugkomponente in Schritt d) durch Schmieden und optional anschließende spanabhebende Bearbeitung erstellt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Behandlung des Blockes im Schritt c) bei einer Temperatur zwischen 350 °C und 500 °C erfolgt.

15
13. Fahrzeugkomponente, insbesondere Kolben eines Verbrennungsmotors, durch Verdichten von Partikeln aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einer durchschnittlichen Größe von weniger als 10 pm, optional zusammen mit Verstärkungspartikeln, zu einem Block und anschließendes Umformen des Blockes bei 20 einer Temperatur von zumindest 250 °C mit einer Umformrate von beispielsweise 4:1 oder mehr.
14. Fahrzeugkomponente nach Anspruch 13, wobei eine durchschnittliche Größe der Partikel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung weniger als 5 pm beträgt. 25
15. Fahrzeugkomponente nach Anspruch 13 oder 14, wobei eine durchschnittliche Größe der Partikel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 0,1 pm bis 1,5 pm beträgt.
16. Fahrzeugkomponente nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei 30 Verstärkungspartikel aus einem amorphen Metall und/oder einer amorphen Legierung vorgesehen sind.
17. Fahrzeugkomponente nach Anspruch 16, wobei die amorphe Legierung eine Aluminiumlegierung ist. • · • ♦ • · • · • · ··· « · · • · · · 10
18. Fahrzeugkomponente nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Verstärkungspartikel eine durchschnittliche Größe von weniger als 500 pm, bevorzugt weniger als 200 pm, aufweisen.
19. Fahrzeugkomponente nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei ein Volumenanteil der Verstärkungspartikel 10 % bis 45 %, vorzugsweise 15 % bis 35 %, beträgt.
20. Fahrzeugkomponente nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die Fahrzeugkomponente geschmiedet und optional durch anschließende spanabhebende 10 Bearbeitung erstellt ist.
21. Fahrzeugkomponente nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei die Fahrz$ugkomponente nach 20 Stunden bei 300 °C eine Zugfestigkeit Rm von mehr als 200 M£a aufweist. 15
22. Verwendung von heißisostatisch gepresstem Vormaterial enthaltend gasverdüste Partikel aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von weniger als 10 pm sowie optional Verstärkungspartikel zum Schmieden von Kolbenrohlingen. 20 Capital Technology Beteiligungs GmbH vertret«

Dipl Ing. Dt G. WIRNSBERGER 6 00Leoben, Mühlgasse 3 pi Ing. Dt G. 1 ( OOLeoben, Leoben, am 8. März 2007