DE102005029103B3

DE102005029103B3 - Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Herstellung des Kolbens

Info

Publication number: DE102005029103B3
Application number: DE200510029103
Authority: DE
Inventors: Simon Dr. Reichstein; Lothar Hofmann
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-06-24

Abstract

Kolben und Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben mindestens teilweise aus einem verstärkten Metall-Matrix-Verbund geformt wird und zur Bildung des Metall-Matrix-Verbunds einer Leichtmetall-Legierung Verstärkungskomponenten zugesetzt werden, die Verstärkungskomponenten durch mechanisches Umformen geformt werden. Die Verstärkungskomponenten weisen eine geringe Schwankung des Durchmessers auf, insbesondere eine Schwankung zwischen 0 und 8%.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, wobei der Kolben mindestens teilweise aus einem Metall-Matrix-Verbund geformt wird und zur Bildung des Metall-Matrix-Verbunds einer Leichtmetall-Legierung Verstärkungskomponenten zugesetzt werden. Verstärkungskomponenten sind beispielsweise Verstärkungsfasern oder Verstärkungspartikel.
Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselkolben, sind im Betrieb höchsten thermischen und mechanischen Beanspruchungen unterworfen. Neben einer hohen Festigkeit und Belastbarkeit der Bauteile wird gleichzeitig eine Reduzierung des Gewichts gefordert, da dieses einen großen Einfluss auf einen Kraftstoffverbrauch hat. Neuentwickelte Materialien ersetzen daher zunehmend konventionelle Werkstoffe.

Aus der EP 1 132 490 A1 ist es bekannt, einen Kolben mit einer Leichtmetall-Legierung mit zugesetzten Verstärkungsfasern herzustellen. Die Verstärkungsfasern werden dabei durch Schmelzextraktion aus einer Legierung geformt, die größtenteils aus Eisen (Fe) und Chrom (Cr) besteht und Aluminium (Al) und/oder Silizium (Si) enthält. Die durch Schmelzextraktion geformten Verstärkungsfasern weisen eine uneinheitliche Außenfläche auf. Schwankungen in der Größe der Verstärkungsfasern führen zu einer ungleichmäßigen Verteilung.

Die DE 690 00 515 T2 offenbart einen Aluminiumkolben für Brennkraftmaschinen, bei dem ein extrudierter oder gezogener Draht aus einer Aluminiumlegierung, der Keramikfasern enthält, eingegossen oder eingeschmolzen wird.

Die DE 37 19 121 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkolbens, bei dem ein faserverstärkter Vorformling verwendet wird.

Aus der JP 62033730 A geht ein Verbundmaterial mit Stahlfasern hervor.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens sowie einen danach hergestellten Kolben zu schaffen, welcher verbesserte Werkstoffeigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 12 gelöst.

Hierfür wird der Kolben mindestens teilweise aus einem verstärkten Metall-Matrix-Verbund geformt, wobei zur Bildung des Metall-Matrix-Verbunds einer Leichtmetall-Legierung Verstärkungskomponenten zugesetzt werden, welche durch einen mechanischen Umformprozess, insbesondere durch Ziehen, geformt werden. Mechanische Umformprozesse sind beispielsweise Ziehen, Schmieden oder Wälzen. Durch diese Umformprozesse lässt sich ein gewünschter Durchmesser der Verstärkungskomponenten besser einstellen als dies beispielsweise durch eine Schmelzextraktion möglich ist. Als Verfahren sind beispielsweise ein Abstreckziehen, ein Streckziehen denkbar. Der Durchmesser der Verstärkungskomponenten beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der Leichtmetall-Legierung. Diese lassen sich so durch eine gezielte Wahl der Verstärkungskomponenten besser optimieren. Die Verstärkungskomponenten sind beispielsweise als Verstärkungsfasern oder als Verstärkungspartikel ausgebildet. Partikel und Fasern unterscheiden sich in ihrem Länge-Breite-Verhältnis. Durch mechanische Umformprozesse, insbesondere durch Ziehen, lässt sich das Länge-Breite-Verhältnis und/oder der Durchmesser einer Verstärkungsfaser besser einstellen. Dadurch ist auch eine homogenere Verteilung der Faserdurchmesser und/oder einer Partikelgröße erzielbar. Ein mit derartigen Verstärkungspartikeln ausgebildeter Werkstoff weist daher auch bessere und/oder homogenere mechanische Eigenschaften auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Verstärkungskomponenten eine geringe Schwankung der Durchmesser verschiedener Verstärkungskomponenten auf. Die Schwankung liegt dabei vorzugsweise unter 8%. Durch die Homogenität der Verstärkungskomponenten wird eine homogenere mechanische Eigenschaft der Leitmetall-Legierung erzielt.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Verstärkungskomponenten aus Stahl mit einer hohen Zunderbeständigkeit geformt. Ziehen ist mit einer Vielzahl an Werkstoffen möglich. Für die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Metall-Matrix-Verbunds ist die Zusammensetzung der Verstärkungskomponenten daher frei wählbar. Die Verstärkungskomponenten sind daher derart wählbar, dass eine Beständigkeit gegen Verzundern optimiert wird. Ein Stahl mit einer hohen Zunderbeständigkeit ist beispielsweise der unter der Bezeichnung DIN 1.4300 bekannte austenitische Stahl.

Bevorzugt werden die Verstärkungskomponenten als Fasern geformt, wobei das Verhältnis von Länge zu Breite mindestens 80:1 beträgt. Eigenschaften faserverstärkter Werkstoffe hängen entscheidend vom Durchmesser und der Länge der Fasern ab. Durch die gezielte Wahl des Verhältnisses der Länge zur Breite lässt sich daher die mechanische Eigenschaft des Metall-Matrix-Verbunds weiter verbessern.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Verstärkungskomponenten einen Durchmesser zwischen 10 μm und 80 μm auf. Besonders bevorzugt liegen die Durchmesser zwischen 30 μm und 50 μm.

In einer weiteren Ausführungsform werden Verstärkungskomponenten mit einem Anteil unter 20 Vol.%, bevorzugt etwa 15 Vol.%, eingebracht.

Vorzugsweise wird der Metall-Matrix-Verbund durch Infiltration hergestellt. Für eine Infiltration werden poröse Vorkörper (Preform) hergestellt. Die Porosität der Vorkörper ist gezielt einstellbar. Während des Infiltrationsprozesses durchdringt eine metallische Schmelze den porösen Vorkörper und bildet nach dem Erstarren mit diesem ein Durchdringungsgefüge. Durch die Infiltration ist es möglich, Kolben herzustellen, die nur partiell Verstärkungskomponenten enthalten.

Bevorzugt erfolgt die Infiltration unter Niederdruck. Denkbar ist beispielsweise eine Infiltration bei Drücken von bis zu 25 bar. Die Drücke sind unter anderem abhängig von einem Volumenanteil der Verstärkungskomponenten sowie einem Durchmesser der Verstärkungskomponenten. Anstelle einer Infiltration mit Niederdruck ist auch eine Druckgussinfiltration oder eine Gasdruckinfiltration denkbar. Ferner ist ein Squeeze-Cast-Verfahren möglich.

In einer weiteren Ausführungsform wird mindestens der Muldenrand des Kolbens aus dem Metall-Matrix-Verbund geformt. Als Muldenrand wird dabei der Übergang zwischen Kolbenboden und Brennraummulde bezeichnet. Der Muldenrand eines Kolbens, insbesondere eines Dieselkolbens, ist im Betrieb höchsten thermischen und mechanischen Beanspruchungen unterworfen. Erfindungsgemäß ist daher eine Verstärkung des Muldenrands vorgesehen.

Besonders bevorzugt wird eine Preform aus Verstärkungskomponenten geformt und die Preform in einer Gießform für den Kolben im Bereich des Muldenrands positioniert. Dadurch lassen sich verbesserte Werkstoffeigenschaften gezielt am Muldenrand erhalten.

Bei einem erfindungsgemäßen Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben mindestens teilweise aus einem verstärkten Metall-Matrix-Verbund geformt ist und die Matrix-Legierung aus einer Leichtmetall-Legierung mit zugesetzten Verstärkungskomponenten gebildet ist, liegt eine Schwankung der Durchmesser der zugesetzten Verstärkungskomponenten zwischen 0 und 8%. Der Kolben weist somit in dem durch den Metall-Matrix-Verbund verstärkten Bereich besonders gute Werkstoffeigenschaften auf.

Der Kolben wird vorzugsweise mittels einer der oben genannten Verfahren hergestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verstärkungskomponenten als Fasern ausgebildet, wobei das Verhältnis von Länge zu Breite mindestens 80:1 beträgt. Dieses Verhältnis kann auch bei einem Kolben, welcher mindestens teilweise aus einem Metall-Matrix-Verbund ausgebildet ist, vorteilhaft sein, wenn die Durchmesser der zugesetzten Fasern stärker schwanken als um einen Wert von 8%.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Für gleiche Teile werden dabei einheitliche Bezugszeichen verwendet.
Die Figuren zeigen:
1 eine schematische Halbschnittdarstellung eines Kolbens mit verstärktem Muldenrand; und
2 eine schematische Darstellung eines Metall-Matrix-Verbund.
Ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt schematisch einen Kolben 1 eines Verbrennungsmotors mit einer Brennraummulde 2. Der Übergang zwischen Kolbenboden 3 und Brennraummulde 2 wird als Muldenrand bezeichnet. Der Muldenrand ist mit einem Durchdringungsgefüge 4 ausgebildet.
2 zeigt schematisch eine Vergrößerung des Durchdringungsgefüges 4. Das Durchdringungsgefüge 4 umfasst als Fasern ausgebildete Verstärkungskomponenten 41. Die Verstärkungskomponenten 41 werden durch Ziehen hergestellt. Dadurch wird ein Verhältnis der Länge zur Breite von über 80:1 bei einer geringen Schwankung des Durchmessers erhalten. Die Eigenschaften der einzelnen Verstärkungskomponenten 41 sind dadurch sehr gleichmäßig.
Die Verstärkungskomponenten 41 lassen sich in dem Durchdringungsgefüge 4 gleichmäßig verteilen, so dass homogene mechanische Eigenschaften erzielt werden. Der Werkstoff der Verstärkungskomponenten ist dabei frei wählbar. Hohe Konzentrationen von Silizium wie sie beispielsweise für eine Schmelzextraktion notwendig sind, sind vermeidbar. Die Verstärkungskomponenten lassen sich aus handelsüblichen Werkstoffen herstellen.
Zur Herstellung des in 1 dargestellten Kolbens mit einem verstärkten Muldenrand wird beispielsweise eine Preform aus Stahlfasern in eine Gießform für den Kolben 1 im Bereich des späteren Muldenrands positioniert. Eine Infiltration ist mit Niederdruck möglich. Die Herstellung ist dadurch kostengünstiger als bei üblichen Verfahren, welche einen hohen Druck verlangen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben mindestens teilweise aus einem verstärkten Metall-Matrix-Verbund geformt wird und zur Bildung des Metall-Matrix-Verbunds einer Leichtmetall-Legierung Verstärkungskomponenten zugesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponenten durch mechanisches Umformen geformt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponenten durch Ziehen geformt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungskomponenten mit einer geringen Schwankung der Durchmesser geformt und zugesetzt werden, insbesondere einer Schwankung zwischen 0 und 8%.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponenten aus Stahl mit einer hohen Zunderbeständigkeit durch mechanisches Umformen, insbesondere durch Ziehen, geformt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponenten als Fasern geformt werden, wobei das Verhältnis von Länge zu Breite mindestens 80:1 beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungskomponenten mit einem Durchmesser zwischen 10 μm und 80 μm geformt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungskomponenten mit einem Anteil unter 20 Vol.% eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, ein Durchdringungsgefüge umfassend die Leichtmetall-Legierung und die Verstärkungskomponenten durch Infiltration hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Infiltration unter Niederdruck erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Muldenrand des Kolbens, zumindest teilweise, aus dem Metall-Matrix-Verbund geformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Preform aus Verstärkungskomponenten geformt wird und die Preform in einer Gießform für den Kolben im Bereich des Muldenrands positioniert wird.
Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben mindestens teilweise aus einem verstärkten Metall-Matrix-Verbund geformt ist und die Matrix-Legierung aus einer Leichtmetall-Legierung mit zugesetzten Verstärkungskomponenten gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwankung der Durchmesser der zugesetzten Verstärkungskomponenten zwischen 0 und 8% liegt.
Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponenten aus Stahl mit hoher Zunderbeständigkeit geformt sind.
Kolben nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponenten als Fasern ausgebildet sind, wobei das Verhältnis von Länge zu Breite mindestens 80:1 beträgt.
Kolben nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Verstärkungskomponenten zwischen 10 μm und 80 μm liegt.
Kolben nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der Verstärkungskomponenten in dem Metall-Matrix-Verbund unter 20 Vol.% liegt.
Kolben nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Muldenrand des Kolbens, zumindest teilweise, aus dem Metall-Matrix-Verbund geformt ist.