Untersuchung von Original- und Nachbaukolben MZ

[DitHelmchen]

So, ich fang schon mal an die ersten Fakten nieder zu schreiben. Vorne weg sei gesagt, dass auch hier nur Auszugsweise Daten veröffentlicht werden (Arbeit stammt auch nicht von mir, leider).

Es wurde ein Originalkolben und und fünf Nachbaukolben untersucht.



Alle Kolben sind mit Hilfe von Kokillen gegossen wurden.

Untersucht wurden Kolben hinsichtlich Materialzusammensetzung, Härte (Brinellhärte), Phasenzusammenetzung und Dehnungsverhalten.

[DitHelmchen]

Ich pflege die Daten nach und nach ein. Alles auf einmal wird zu unübersichtlich.

Als erstes kommen die lichtmikroskopischen Aufnahmen an die Reihe.
Original MEGU

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Links sind deutlich die pirmär ausgeschiedenen Siliziumkörner zu erkennen, welches nicht homogen in der Grundmatrix verteilt sind. Weiterhin sind in der rechten Abbildung lamellar angeordnet Ausscheidungen zu erkennen. Zwischen den lamellaren Ausscheidungen sind weitere ungleichmäßig verteilte Ausscheidungen erkennbar (hellgraue Klekse)

Almot

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Das Gefüge erscheint ähnlich dem Megukolben. Jedoch sind die Primärsilziumkristallite etwas homogener verteilt, jedoch von den Dimensionen etwas kleiner. Weiterhin sind lamellaren Ausscheidungen unregelmäßig geformt und erscheinen etwas dünner. Die hellgrauen Ausscheidung sind ebenfalls vorhanden.

Almet

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Die ALMET-Probe weist im Vergleich zur Originallegierung sehr unregelmäßig, inhomogen verteilte Primärsiliciumkristallite auf. Diese sind zudem etwas kleiner und die Kantenausformung ist oftmals nicht sehr gleichmäßig. Es existieren größere Bereiche, in denen keine Primärsiliciumkristallite zu sehen sind. Die kleinen, länglichen lamellar angeordneten Ausscheidungen zeigen einen relativ unscharfen Übergang zur Aluminiummatrix.

BERTA

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Das Gefüge der BERTA-Probe fällt sofort durch einige schwarz verfärbte Bereiche auf (Verschmutzungen durch Präparation). Die Primärsiliziumkristallite liegen auch hier sehr klein und inhomogen verteilt vor. Ein deutlicher Trend zur Anhäufung ist erkennbar. Weiterhin sind die Kanten dieser Kristallite oftmals weniger scharf, sondern eher rundlich ausgeprägt. Der weitere Gefügeaufbau ist dem der ALMOT-Probe sehr ähnlich. Jedoch scheinen sich die kleinen, länglichen Ausscheidungen oftmals mit den großen Primärsiliciumkristalliten zu vereinigen. Hierbei handelt es sich sehr wahrscheinlich um eutektisch ausgeschiedenes Silizium.

INDIEN_250

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Die Gefügebilder der INDIEN_250-Probe ist dem der BERTA-Probe insgesamt ziemlich ähnlich. Größere Primärsiliziumkristallite sind bei der INDIEN_250-Probe mit einer sehr viel geringen Verteilungsdichte im Vergleich zur Originallegierung vorhanden. Zudem ist die Größe dieser Kristallite geringer.

INDIEN_150

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Hier ist wieder ein deutlicher Trend zur Anhäufung der großen, primär ausgeschiedenen Siliziumkristallite in bestimmten Bereichen zu beobachten. Ihre Größe ähnelt denen der ALMET-Probe. Zudem liegen die kleinen, dünnen Ausscheidungsphasen (eutektisches Silizium) über Bereiche größerer Ausdehnung sehr feinlamellar bis faserig vor. Dies trifft insbesondere auf Bereiche des Gefüges zu, in denen die größeren Primärsiliziumkristallite in weniger dichter Verteilung vorzufinden sind.

[flotter 3er]

Leute, das ist hier eine KB! Ich werde hier weder Kommentare noch Diskussionen stehen lassen. Es ist und bleibt eine reine Faktensammlung. Für alles Andere gibt es andere Themen.

[zweitaktkombinat]

Ist es denn zumindest für die Laien unter uns möglich, zu den "chemisch/physikalisch" beschriebenen Untersuchungsergebnissen eine Beurteilung zu schreiben.
Ohne dem ist es aus meiner Sicht wertlos (sofern man keine Ahnung hat, was die Kommentare im Ergebnis bedeuten).

Bspw: "je größer die Siliziumkristalle, je besser oder schlechter ist die Themperaturbeständigkeit" - oder was auch immer (ist geraten, da keine Ahnung)

Danke vorab

[DitHelmchen]

Als folgen die Härtewerte

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Für die Materialzusammensetzung wurde eine Funkenspektroskopie angefertigt.

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Alle Angaben in Gewichtsprozent. Da ich nicht alle Elemente aufgeführt habe, kommen keine 100 % raus

Die Ergebnisse aus der EDX lass ich jetzt mal raus. Das wird ein wenig viel. Vielmehr interessiert wahrscheinlich, wie sich die Längenausdehnung bei steigenden Temperaturen verhält. Hierbei sind die linear verlaufenden Graphen zu betrachten.

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Hier nochmal ein paar Erklärungen zum Diagramm:

- auf der Abszisse (X-Achse) ist der Temperaturbereich bis 400 °C aufgetragen (der Betriebsbereich sollte irgendwo in diesen Bereich liegen)
- auf der linken Ordinate (Y-Achse) ist die Längenänderung bezogen auf die Temperatur aufgetragen
- auf der rechten Ordinate ist der Längenausdehnungskoeffizient des jeweiligen Kolbenwerkstoff aufgetragen
- die steigend linear verlaufenden Graphen entsprechen der Längenänderung bezogen auf die Temperatur
- die unstetig verlaufen (Zick Zack) Graphen entsprechen den Ausdehnungskoeffizienten

Wenn man jetzt den Mittelwert des Ausdehnungskoeffizienten für jeden Kolben ermitteln würde, sollte dieser sich in etwa der Mitte der jewiligen Graphen befinden. Alpha entspricht also LADK und dL0/L0 entpricht der Längenänderung.

Ich geh mal davon aus, dass hier mit mm gearbeitet wurde. Somit würde sich für den Megukolben beispielsweise ein dL0/L0=0,0021 ergeben. D.h., er würde sich etwa um 0,0021 mm ausdehnen (bei 400 °C). Sollte als bei einem Einbauspiel von 0,05 mm nicht problematisch sein.

So, die wichtigsten Fakten/Messergebnisse habe ich schon vorgestellt.

Die Legierungszusammensetzungen zeigen eine deutliche Abweichung im Si-Anteil. Alle Nachbaukolben zeigen einen geringeren Si-Anteil als die Original-Legierung, jedoch liegen alle Legierungen im übereutektischen Bereich des binären AlSi-Zustandsdiagramm. Die Zusammensetzung des BERTA-Kolben (Ungarn) sowie die indischen Kolben liegen mit deutlich unter 20 wt% Si weit weg von der Original-Legierung. Die Streuung der Ni, Cu und Mg ist nur minimal.

Lichtmroskopisch zeigen besonders die INDIEN-Kolben mit ihren groben Primär-Si-Ausscheidungen, welche weniger dicht verteilt sind, ein deutlichen Unterschied zu den MEGU-Kolben. Die annähernd beste Übereinstimmung mit dem Originalgefüge besitzen ALMOT- und ALMET-Legierung. Jedoch bleibt festzustellen, dass die ungleichmäßige Verteilung der Primär-Si-Verteilung in allen Nachbaukolben zu finden. Teilweise treten sogar größere Bereiche ohne Primär-Si auf. Dies könnte auf eine ungenügende Behandlung mit Phosphor schließen lassen. Bis auf die INDIEN_250 (hier könnten negative Auswirkungen bezülgich der Haltbarkeit auftreten) sollte das für die übrigen in Punkto Haltbarkeit keine signifikanten Einschränkungen darstellen.

Die Härtewerte zeigen (bis auf INDIEN_250 bzw. 150) keine Auffäligkeiten. Die Ursachen für die Auffälligkeiten der INDIEN-Kolben konnten aber noch nocht geklärt werden.

Die Alpha-Werte (Linearer Ausdehungskoeffizient) sind unauffällig, jedoch entsprechen sie nicht den für Al-Legierungen. Hier scheint sich ein Fehler im Messaufbau eingeschlichen zu haben. Diese Messungen müssten wiederholt werden.

Schlussendlich kann gesagt werden, dass sich aus den bisher durchgeführten Untersuchungen an keiner Probe so gravierenden Mängel ergeben, die einen sicheren und dauerhaften Betrieb ausschließen würden. Insbesondere die Kolben von ALMOT und ALMET können im Hinblick auf das Material bedenkenlos eingesetzt werden. Die Kolben aus Indien sollten jedoch noch weitgehenderen Untersuchungen unterzogen werden, um eine genaue Aussage treffen zu können.
Es bleibt zu beachten, dass die Zuverlässigkeit des Kolbens nicht allein vom Material abhängig ist. Vor allem Aspekte der Konstruktion spielen eine ebenso entscheidende Rolle. Daher sollte die Kolben-Formgebung und Maßhaltigkeit hinsichtlich Ovalität und Konizität immer in eine abschließende Bewertung mit einfließen. Gleiches gilt im Allgemeinen für die Paarung von Kolben und Zylinder, welche ein präzise aufeinander abgestimmtes System darstellt. [Autoren der Arbeit]

[TS-Jens]

Danke für die Informationen!
Kannst du das Diagramm vielleicht noch in lesbarer Qualität anfügen?

[DitHelmchen]

Danke für die Informationen!
Kannst du das Diagramm vielleicht noch in lesbarer Qualität anfügen?

Leider habe ich davon nicht die Originaldatei. Die Abbildung habe ich nur aus der PDF übernommen. Ich werde versuchen, an das Original heran zu kommen und es ggf. mit einpflegen.