Magnesium im Motorenbau

BMW entwickelt Magnesiumlegierung mit neuem Eigenschaftsprofil.

Um die einzigartigen Eigenschaften, die der Werkstoff Magnesium in das neue BMW Hightech-Triebwerk einbringt, auch in der Großserie einsetzen zu können, investierte BMW jahrelang in Forschung und Entwicklung.

Nach intensiver Grundlagenforschung wurde in enger Zusammenarbeit zwischen Werkstoffspezialisten, der Motorenentwicklung, der Leichtmetallgießerei im BMW Werk Landshut und den Werkstoff-Lieferanten eine Magnesium-Legierung entwickelt, die den spezifischen Anforderungen für den Kurbelgehäuse-Einsatz gerecht wird. Damit wurden Einsatzgrenzen für den Werkstoff neu definiert und völlig neue Anwendungsgebiete erschlossen.

Bei der Werkstoff-Entwicklung standen Kriechfestigkeit, thermische und mechanische Belastbarkeit, aber auch das Gießverhalten im Vordergrund. Gleichzeitig wurden im Druckguss-Technikum des BMW Werks Landshut die erforderliche Verfahrenskompetenz aufgebaut und der komplexe Fertigungsprozess abgesichert. Das notwendige Know-how für diese Werkstoff- und Verfahrensentwicklung sowie die Prozessbeherrschung entwickelten die Spezialisten der BMW Group selbst.

Beeindruckende Fertigungstechnologie.

Bild: BMW Werk Landshut, Magnesium-Aluminium-Verbundkurbelgehäuse, automatische Entnahme aus Druckgießmaschine

Die Leichtmetallgießerei im BMW Werk Landshut stand beim Verbund-Kurbelgehäuse verfahrenstechnisch vor großen Herausforderungen. Vor allem die Beherrschung der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Aluminium und Magnesium erfordert viel technologisches Verständnis und die gesamte Erfahrung der Gießerei-Spezialisten.

Bei dem neu entwickelten Druckgießverfahren schrumpft der Magnesium-Mantel beim Abkühlen auf das Aluminium-Insert auf. Gleichzeitig ist der Kern durch formschlüssige Rippen dauerhaft im Magnesium-Mantel verankert. Wegen der ähnlichen Erstarrungsintervalle von Aluminium und Magnesium bei einer Temperatur zwischen 500 und 600 Grad Celsius ist für den eigentlichen Gießprozess ein sehr aufwändiges Temperatur-Management zur punktgenauen Aufheizung und Kühlung von Werkzeug und Einlegeteil erforderlich.

In dem automatischen Fertigungsprozess wird zunächst ein Trennmittel auf die zweiteilige, fast 60 Tonnen schwere Werkzeugform in der Druckgießmaschine aufgebracht, dann wird das Aluminium-Insert eingelegt und die Form geschlossen. Schließlich presst die echtzeitgeregelte Anlage das rund 700 Grad heiße, flüssige Magnesium mit einem Druck von fast 1000 bar in nur sechs Hundertstel Sekunden in den verbliebenen Hohlraum der Werkzeugform. Dabei werden die beiden Werkzeugteile mit einer Kraft von rund 4 000 Tonnen zusammengehalten. Binnen zehn Sekunden ist das Metall erstarrt, die beim Abkühlen vom flüssigen in den festen Zustand anfallende Schrumpfung des Magnesium-Mantels führt zu einer schlüssigen Verbindung mit dem Aluminium-Insert. Nach nur 20 Sekunden wird das Gehäuse von einem Roboter aus der Gussform entnommen und nach dem Entfernen des Angusses einer speziellen Wärmebehandlung unterzogen, um innere Spannungen abzubauen.

Auch bei der Prüftechnologie für das Verbundkurbelgehäuse haben die Gießereispezialisten Neuland betreten. So wird beispielsweise die optimale Magnesium-Aluminium-Verbindung mit einem speziell weiterentwickelten Verfahren aus der Luft- und Raumfahrt geprüft, das hier erstmals in einer Serienfertigung zum Einsatz kommt. Bei der zerstörungsfreien Ultraschall-Lockin-Thermografie wird das Kurbelgehäuse durch einen Impulsgeber mit Ultraschallwellen angeregt und dabei das thermische Verhalten der Verbindungsflächen zwischen den beiden Werkstoffen mit einer hochsensiblen Wärmebildkamera aufgezeichnet und automatisch ausgewertet.

Für die Fertigung des Verbund-Kurbelgehäuses hat die BMW Group die Leichtmetallgießerei im Werk Landshut mit Investitionen von über 100 Millionen Euro um einen mehr als 10.000 m2 großen Neubau erweitert.

Bild: BMW Werk Landshut, Fertigung des Verbundkurbelgehäuses, Aluminium-Insert auf Werkzeugvorrichtung

In insgesamt sechs hochautomatisierten Fertigungszellen mit den derzeit leistungsstärksten Druckgießmaschinen wird das Verbund-Kurbelgehäuse gefertigt; die neue Gießerei ist damit eine der modernsten und größten Magnesiumgießereien weltweit. Weder in der Gießerei noch bei der anschließenden mechanischen Bearbeitung der Werkstoffkombination sind im Vergleich zu Vollaluminium-Bauteilen signifikante Änderungen im Fertigungsprozess notwendig, denn Magnesium lässt sich mechanisch gut bearbeiten. Bei Kühl- und Schmiermitteln sowie der Entsorgung anfallender Späne nutzt die BMW Group das langjährige Know-how entsprechender Partner aus der Industrie. Ein Recycling-Konzept mit entsprechenden Materialkreisläufen ist gesichert.

Magnesium als Leichtbau-Werkstoff – dort, wo sinnvoll, schon in Serie.

Magnesiumbauteile werden dort, wo es sinnvoll ist, in der BMW Group schon seit Jahren eingesetzt. Einige Anwendungsbeispiele sind das Lenkradskelett und der Lenksäulenträger der BMW 5er und BMW 7er Reihe, das Gehäuse der vollvariablen Sauganlage der BMW Achtzylinder-Motoren, der Verdeckkastendeckel des BMW 3er Cabrios und einige Motorbauteile für BMW Motorräder.

Quelle: BMW Presse-Information vom 23.06.04

Motorengeschichte der BMW 6-Zylinder Motoren