DE10219779A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens und nach dem Verfahren hergestellter Kolben - Google Patents

Abstract

Ein metallischer Doppel-Legierungs-Kolben (12) wird hergestellt durch Gießen einer ersten Legierung (A) in eine Gießform, um einen entsprechenden ersten Teil (18) zu bilden. Bevor die erste Legierung sich verfestigt, wird eine zweite Legierung (B) in die Gießform gegossen, um einen entsprechenden zweiten Teil (20) des Kolbens (12) zu bilden. Die ersten und zweiten Teile (18, 20) sind entlang einer Übergangszone (46) miteinander verbunden, die aus einer Mischung der zwei Legierungen besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf einen nach diesem Verfahren hergestellten Kolben.

Es ist bekannt, einen Verbundkolben aus einer Kombination unterschiedlicher Materialien herzustellen, um die physikalischen Eigenschaften der Materialien auf die Erfordernisse der unterschiedlichen Bereiche des Kolbens abzustimmen.

Zum Beispiel zeigt das US-Patent 1,940,629 einen oberen Kopfteil eines Kolbens, der aus einem Leichtmetall hergestellt ist und der mit einem vorfabrizierten, unteren Teil einer Kupfer/Beryllium-Legierung durch Schrumpfsitz oder eine Eingußtechnik verbunden ist. Das US-Patent 4,334,507 zeigt ein Aluminium- Kolbengehäuse mit einem angegossenen, vorfabrizierten Einsatz aus einem unterschiedlichen Material. Das US-Patent 4,651,631 zeigt ein Kolbengehäuse mit zwei vorfabrizierten Teilen, die durch Verschweißen miteinander verbunden sind. Das US-Patent 6,032,570 zeigt ein Kolbengehäuse mit unterschiedlichen Materialien, die durch einen Schmiedeprozeß miteinander verbunden sind.

Jede der obigen Verbund-Kolbenstrukturen beinhaltet wenigstens eine vorfabrizierte Komponente, die durch Einspritzgießen verbunden ist oder mit einer anderen, vorfabrizierten Komponente durch eine sekundäre Verbindungsoperation verbunden ist. Die sekundären Operationen fügen der Herstellung von Verbundkolben Kosten und Aufwand hinzu.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkolbens anzugeben, das die Einschränkungen des Standes der Technik im wesentlichen überwindet.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eines hierdurch hergestellten Gußkolbens können den Unteransprüchen entnommen werden.

Ein metallischer Doppellegierungs-Kolben gemäß der Erfindung umfaßt einen ersten Teil und einen zweiten Teil, die aus einer ersten Legierung und einer zweiten Legierung entsprechend gebildet sind, wobei jede Legierung eine unterschiedliche Zusammensetzung besitzt. Die Legierungen werden getrennt und der Reihe nach in eine Gieß-Ausnehmung gegossen, so daß die erste Legierung den ersten Teil bildet, vorzugsweise den Kolbenkopf, während die zweite Legierung den zweiten Teil bildet, vorzugsweise das Gehäuse des Kolbens. Die ersten und zweiten Teile sind in einer Übergangszone miteinander verbunden, welche eine Mischung der ersten und zweiten Legierungen umfaßt.

Ein durch die Erfindung dargebotener Vorteil liegt darin, daß eine Kolbenanordnung mit unterschiedlichen Legierungskomponenten durch ein einfaches Verfahren unter Verwendung einer einzigen Gießform Ausnehmung hergestellt werden kann, wodurch die üblichen Sekundäroperationen, wie z. B. Schweißen oder Verschrauben, zum Verbinden der verschiedenen Legierungskomponenten miteinander eliminiert werden können.

Andere Vorteile der Erfindung umfassen die Eliminierung zusätzlicher Materialien und Komponenten, um die verschiedenen Legierungskomponenten miteinander zu verbinden, ein verminderter Arbeits- und Zeitaufwand, eine Eliminierung von spezialisierter Verbindungsausrüstung und eine hohe Festigkeit sowie einen Übergangsbereich mit hoher Integrität zwischen den Bereichen.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden augenscheinlicher, wenn sie im Zusammenhang mit der folgenden, detaillierten Beschreibung und den angefügten Zeichnungen betrachtet werden, in welchen:

Fig. 1 eine schematische, aufgespaltene Schnittansicht einer Gießform ist, die das Verfahren der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 2 eine schematische, aufgespaltene Schnittansicht eines Kolbens ist, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist, und

Fig. 3 eine vergrößerte Teil-Schnittansicht des umkreisten Teiles des Kolbens in Fig. 2 ist.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Gießform 10, in welcher ein Kolben 12 gemäß der Erfindung gegossen werden kann. Die Gießform 10 umfaßt eine Gießform- Ausnehmung 24, die die Form des zu bildenden Kolbens besitzt. Beigelegte Kerne, die verwendet werden, um die Kolbenform zu bilden, sind der Klarheit wegen unterdrückt worden.

Der Kolben 12 wird aus wenigstens zwei unterschiedlichen Legierungen hergestellt, die schematisch in Fig. 1 als Legierung "A" und Legierung "B" und mit 16, 14 entsprechend dargestellt sind. Die zwei Legierungen 16, 14 werden verwendet, um unterschiedliche Bereiche des Kolbens 12 zu bilden, und das für jede Legierung ausgewählte Material trägt den gewünschten Eigenschaften der Kolbenbereiche Rechnung, die durch die entsprechenden Legierungen gebildet werden sollen.

Wie schematisch in den Fig. 1 und 2 gezeigt, wird die Legierung A verwendet, um einen ersten Teil 18 des Kolbens 12 zu bilden, während die Legierung B verwendet wird, um einen zweiten Teil 20 des Kolbens 12 zu bilden. Der erste Teil 18 kann z. B. den oberen Kopfteil des Kolbens 12 umfassen, welcher den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, während der zweite Teil 20 den unteren Haupt-Gehäuseteil des Kolbens 12 umfassen kann. In diesem Beispiel kann sodann die Legierung A eine Legierung umfassen, die für hohe Temperaturfestigkeit, Dehnbarkeit und Bruchfestigkeit ausgewählt ist, während die Legierung B eine unterschiedliche Legierungszusammensetzung umfassen kann, die Verschleiß- und Abriebfestigkeitseigenschaften vorgibt, die für einen Kolbenmantel und Bohrungen geeignet sind.

Gemäß der Erfindung wird die geschmolzene Legierung A zunächst aus einer Quelle 21 der geschmolzenen Legierung A in die Gießform 10 gegossen, in welche sie hineinfließt und einen unteren Teil der Ausnehmung 22 ausfüllt, die dem ersten Teil 18 des Kolbens 12 entspricht. Nachdem das Eingießen der Legierung A vervollständigt ist, aber bevor die Legierung A sich in der Gießform 10 verfestigt hat, wird die Legierung B in die Gießform aus einer Quelle 23 der geschmolzenen Legierung B gegossen, um einen oberen Teil der Gießformausnehmung 22 entsprechend dem zweiten Teil 20 des Kolbens 12 zu füllen. Die zweite Legierung B wird ruhig in die Gießformausnehmung 22 eingegossen, so daß sie nicht übermäßig die erste Legierung A in einer Weise stört, die zu einer vollen Vermischung der Legierungen A, B führen würde. Stattdessen wird das Eingießen kontrolliert, so daß die Identität jeder Legierung A, B in den entsprechenden Gießformabschnitten bewahrt bleibt und die Mischung der Legierung A, B an ihrer Schnittstelle auftritt, um einen Übergangsbereich 46 zwischen den ersten und zweiten Teilen 18, 20 zu erzeugen, der aus einer Mischung des Materials der Legierung A, B besteht. Der Übergangsbereich 46 ist am besten in Fig. 3 gezeigt. Die Legierungen A und B sind ausgewählt, um kompatibel zu sein und den legierten Übergangsbereich 46 der Legierungen A, B zu bilden.

Die Auswahl der Legierungen A, B und der Ort des Übergangsbereiches 46 kann von den Anforderungen einer speziellen Anwendung abhängen, wobei aber die Legierungen solche sind, daß sie metallurgisch bei der Bildung des gemischten oder weiter legierten Übergangsbereiches 46 kompatibel sind, welcher dazu dient, die getrennten, unterschiedlichen zwischen Legierungen A, B der ersten und zweiten Teile 18, 20 zu verbinden.

Nach dem Gießen kann der Kolben 12 bearbeitet werden, um eine oder mehrere Ringnuten 40 in einem Kopf des Kolbens vorzugeben, ein Paar von Kurbelanschlägen 40 abstehend von dem Kopf und mit ausgerichteten Kurbelbohrungen 48 vorzugeben und wahlweise einen Kolbenmantel 54 vorzugeben, der einstückig oder als eine getrennte Struktur von den Kurbelanschlägen 42 gebildet werden kann.

Offensichtlich sind viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Licht der vorstehenden Lehren möglich. Es versteht sich daher, daß innerhalb des Rahmens der beigefügten Patentansprüche die Erfindung anderweitig ausgeübt werden kann, als speziell beschrieben. Die Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (12) für eine Maschine, gekennzeichnet durch:
die Vorgabe einer Gießform (10) mit einer Gieß-Ausnehmung (24) in der Form eines Kolbens;
Gießen eines ersten, geschmolzenen Legierungsmaterials (A) in die Gießform-Ausnehmung, um einen ersten Teil (18) des Kolbens mit dem ersten Legierungsmaterial zu bilden, und
vor der vollständigen Verfestigung der ersten Legierung in der Gießform-Ausnehmung
Gießen eines zweiten, geschmolzenen Legierungsmaterials (B) in die Gießform-Ausnehmung, das eine unterschiedliche Zusammensetzung gegenüber dem ersten Legierungsmaterial besitzt, um einen zweiten Teil (20) des Kolbens mit gegenüber dem ersten Teil unterschiedlichem Legierungsmaterial zu bilden, wobei der erste Teil und der zweite Teil in einer Übergangszone (46) miteinander verbunden sind, die eine Mischung der ersten und zweiten Legierungsmaterialien umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Legierungsmaterial mit einer größeren Dichte als die des zweiten Legierungsmaterials ausgewählt ist.

3. Gußkolben, gekennzeichnet durch:
einen ersten Teil (18), der in einer Gießform-Ausnehmung (24) aus einer ersten Legierung (A) gegossen ist,
einen zweiten Teil (20), der in der Gießform-Ausnehmung (24) aus einer zweiten Legierung (B) mit einer gegenüber der ersten Legierung (A) unterschiedlichen Zusammensetzung gegossen ist, und
eine Übergangszone (46) zwischen dem ersten Teil (18) und dem zweiten Teil (20), die eine Mischung aus der ersten Legierung und der zweiten Legierung umfaßt.