DE3246630C2 - - Google Patents
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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.
Priority Applications (3)
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Publications (2)
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DE3246630C2 true DE3246630C2 (de) | 1988-12-08 |
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