DE3246630C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Verschleißverhaltens der Ringnuten, wenigstens der obersten Ringnut, vorzugsweise der Ringnutflanken, von aus Aluminiumlegierungen bestehenden Kolben für Brennkraftmaschinen, indem am Kolbenrohling im Bereich der im Verschleißverhalten zu verbessernden Ringnut eine Nut eingestochen, diese durch Anwendung des Lichtbogenschweißens, wie z. B. des MIG- und Plasmaschweißens, mit einem verschleißfeste Partikel enthaltenden Zusatzwerkstoff aufgefüllt und die Ringnut darin eingestochen wird.

Es sind Brennkraftmaschinen bekannt, die entweder nach ihrer Auslegung oder nach dem Arbeitsort einen besonders hohen Verschleiß der Ringnuten, insbesondere der obersten Ringnut, mit Bruchgefahr der Kolbenringe befürchten lassen oder zeigen.

Anfälligkeit hierfür besteht, wenn aufgrund der konstruktiven Gesamtauslegung der Brennkraftmaschine die Temperaturen im Ringfeld abnormal hoch liegen, extreme Rückstände bildender Kraftstoff gefahren wird, aus besonderen Gründen das Spiel des Kolbens groß gewählt wurde und dadurch Kippbewegungen ermöglicht werden oder die Luftfilterung, besonders in staubreicher Umgebung, z. B. auf Baustellen, unzulänglich ist.

In diesen Fällen werden in aller Regel sogenannte Ringträgerkolben eingesetzt, bei denen in den aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolbenkörper im Bereich wenigstens des obersten Kolbenrings ein aus einem Eisenwerkstoff bestehender Ringträger, in den die Kolbenringnut eingestochen ist, über eine intermetallische Verbundschicht eingegossen ist (Fachkunde Kraftfahrttechnik, 2. Auflage, Holland + Josenhans-Verlag, Stuttgart 1982, S. 27). Durch den eingegossenen Ringträger wird das Gewicht des Aluminiumkolbens in nachteiliger Weise erhöht.

Bekannt ist auch, bei einem aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolben im Bereich der Kolbenringe am Kolbenrohling eine Nut einzustechen und diese nach dem Metallspritzverfahren zunächst mit einer dünnen Zwischenschicht aus Molybdän, Titan, Kobalt, Nickel oder deren Legierungen sowie rostfreiem Stahl auszuspritzen, dann mit einem rostfreien Stahl mit hohem Chromgehalt und einem bestimmten Nickelgehalt aufzufüllen und dann darin die Ringnuten auszubilden (DE-OS 14 00 115). Der Nachteil besteht darin, daß zwischen der Aluminiumlegierung des Kolbens und der aufgespritzten Zwischenschicht eine schlechte Haftfestigkeit besteht.

Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Oberflächen eines aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolbens ist in der US-PS 32 85 717 vorgesehen, einen verschleißfesten Aluminiumwerkstoff der Zusammensetzung 12 bis 30% Silizium, 10 bis 30% Kupfer, 2 bis 6% Mangan sowie ggf. bis zu 6% Eisen, 0,5 bis 5% Nickel, 0,5 bis 3% Chrom und 0,5 bis 1% verschiedene andere Metalle wie Titan, Vanadium, Wolfram, Molybdän usw., Rest Aluminium, durch Plasma-Auftragsschweißen aufzubringen, indem der im Lichtbogen verflüssigte Aluminiumzusatzwerkstoff auf den angeschmolzenen Kolbenwerkstoff trifft und hier eine harte Oberflächenschicht erzeugt. Die Zusammensetzung der Oberflächenschicht ändert sich von außen nach innen, wobei die an Zusatzwerkstoff ärmste Schicht am tiefsten zuunterst liegt. Die Legierungsbildung erfolgt hierbei durch Diffundieren des Aluminiumzusatz-Werkstoffs in die Oberfläche des Aluminiumkolbens. Die DE-AS 22 00 033 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit, vorzugsweise der obersten Ringnut von aus Aluminiumlegierungen bestehenden Kolben für Brennkraftmaschinen, indem eine 18 bis 30% Silizium und 2 bis 6% Kupfer enthaltende Aluminiumlegierung unter Anwendung von Elektronenstrahlen mit der Aluminiumlegierung des Kolbens unter Auflegieren verschmolzen wird. Solche Verfahren haben sich nicht durchsetzen können, da in aller Regel der Aufwand zur Herstellung der Verschleißschutzschicht zu hoch ist.

Schließlich schlägt die US-PS 30 14 771 einen aus einer Leichtmetallegierung bestehenden Kolben vor, bei dem eine im Bereich der obersten Kolbenringnut eingestochene Nut mit einem durch Schweißen aufgetragenen Zusatzwerkstoff aus der gleichen Leichtmetallegierung, aus der auch der Kolben besteht, und einer Eisenlegierung aufgefüllt und dann die Ringnut eingestochen wird. Als nachteilig hat sich jedoch herausgestellt, daß die Verschleißfestigkeit des Zusatzwerkstoffs nicht den gestellten Anforderungen moderner Brennkraftmaschinen entspricht.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindungen, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß ein Kompromiß zwischen der vergleichsweise hohen Verschleißfestigkeit der Ringnut eines mit einem Ringträger bestückten Kolbens aus einer Aluminiumlegierung und der relativ schlechten Verschleißfestigkeit der Ringnut eines Kolbens aus einer Aluminiumlegierung, bei dem die Ringnut mit einem Zusatz an Eisen auflegiert ist, erreicht wird, ohne das Gewicht des Kolbens und den Herstellungsaufwand zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die am Kolbenrohling im Bereich der im Verschleißverhalten zu verbessernden Ringnut eingestochene Nut bei um seine Längsachse rotierendem Kolbenrohling vollständig mit einer siliziumhaltigen Aluminiumlegierung aufgefüllt und das Schmelzbad unter Verwendung einer Luft- oder Wasserdusche oder durch anderweitige Flüssigkeitskühlung von der Innenseite des Kolbens her zur Erstarrung gebracht wird.

In den meisten Fällen reicht es aus, die Nut nur so tief in den Kolbenrohling einzustechen, daß nur der Teil der Flanken der Ringnut des endbearbeiteten Kolbens eine verschleißfeste Oberfläche besitzt, der dem Verschleiß durch den Kolbenring unterliegt. Der Ringnutgrund und die angrenzenden Bereiche der Ringnutflanken unterliegen dem Verschleiß durch den Kolbenring kaum oder gar nicht. Eine solche Maßnahme ist an sich in der US-PS 42 33 490 beschrieben.

Als siliziumhaltige Aluminiumlegierungen kommen insbesondere übereutektische Aluminiumlegierungen der Zusammensetzung 11 bis 30% Silizium, 0,8 bis 15%, vorzugsweise 0,8 bis 1,8% Kupfer, 0,8 bis 15%, vorzugsweise 0,8 bis 1,6% Nickel, 0,4 bis 1,3% Magnesium, Rest Aluminium in Betracht.

Gegebenenfalls kann die Legierung noch 0,5 bis 2,0% Eisen enthalten.

Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich mit vergleichsweise geringem Aufwand eine verschleißfeste festhaltende Oberflächenschicht mit einer Härte von 150, vorzugsweise 180 bis 200 HB, durch fein verteilte intermetallische Phasen erzeugen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.

Der aus einer Aluminiumlegierung des Typs ALSil2CuNiMg bestehende Kolbenrohling (1) ist auf eine Aufnahmehülse (2) durch den kolbenschaftseitigen Einpaß (3) aufgeschoben. Durch die zwischengelegte Dichtung (4) bildet der Kolbenrohling (1) mit der Aufnahmehülse (2) einen geschlossenen Hohlraum (5). Der Kolbenrohling (1) ist über einen Zuganker (6), der an dem durch die Kolbenbolzenbohrungen hindurchgeführten Kolbenbolzen angreift, fixiert. Über die Zulaufleitung (8) strömt ein Kühlmittel in den Hohlraum (5) ein, wodurch Kolbenboden und Ringfeld intensiv kühlbar sind. Über die in der Aufnahmehülse (2) angebrachten Bohrungen (9) tritt das Kühlmittel wieder aus dem Hohlraum (5) aus. Durch entsprechende Auslegung des Durchmessers der Bohrungen (9) kann eine mehr oder weniger große Füllung des Hohlraums (5) erreicht werden. Die Aufnahmehülse (2) ist in der drehbaren Vorrichtung (10) eingespannt.

Zur Herstellung von verschleißfesten Oberflächen der Flanken der obersten Kolbenringnut wird in den Kolbenrohling (1) eine Nut (11) eingestochen, bei der der Abstand zwischen oberer und unterer Nutfläche im vorderen Teil größer als der Flankenabstand der Kolbenringnut des endbearbeiteten Kolbens ist. Unmittelbar nach dem Einstechen der Nut (11) wird in diese bei rotierendem Kolbenrohling (1) der Zusatzwerkstoff (12) bestehend aus einer Aluminiumlegierung der Zusammensetzung 12% Silizium, 15% Kupfer, 15% Nickel, 1% Magnesium, Rest Aluminium mit Hilfe des Schweißbrenners (13) angeschmolzen und die Nut (11) mit dem Zusatzwerkstoff vollständig aufgefüllt. Anschließend erfolgt die Endbearbeitung des Kolbenrohlings (1) durch die üblichen Bearbeitungsmaßnahmen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Verbesserung des Verschleißverhaltens der Ringnuten, wenigstens der obersten Ringnut, vorzugsweise der Ringnutflanken, von aus Aluminiumlegierungen bestehenden Kolben für Brennkraftmaschinen, indem am Kolbenrohling im Bereich der im Verschleißverhalten zu verbessernden Ringnut eine Nut eingestochen, diese unter Anwendung des Lichtbogenschweißens, wie z. B. des MIG- und Plasmaschweißens, mit einem verschleißfeste Partikel enthaltenden Zusatzwerkstoff aufgefüllt und die Ringnut darin eingestochen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut bei um seine Längsachse rotierendem Kolbenrohling vollständig mit einer siliziumhaltigen Aluminiumlegierung aufgefüllt und das Schmelzbad unter Verwendung einer Luft- oder Wasserdusche oder durch anderweitige Flüssigkeitskühlung von der Innenseite des Kolbens her zur Erstarrung gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut so tief in den Kolbenrohling eingestochen wird, daß nur der dem Verschleiß durch den Kolbenring unterliegende Teil der Ringnutflanken des endbearbeiteten Kolbens ein verbessertes Verschleißverhalten besitzt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als siliziumhaltige Aluminiumlegierung eine übereutektische Aluminiumlegierung der Zusammensetzung 11 bis 30% Silizium, 0,8 bis 15%, vorzugsweise 0,8 bis 1,8% Kupfer, 0,8 bis 15%, vorzugsweise 0,8 bis 1,6% Nickel, 0,4 bis 1,3% Magnesium, Rest Aluminium eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung noch 0,5 bis 2,0% Eisen enthält.