DE3719121A1 - Verfahren zur herstellung eines aluminiumkolbens mit faserverstaerkten bereichen fuer verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkolbens mit durch Fasern in der Länge zwischen 0,01 und 0,5 mm verstärkten Bereichen für Verbrennungsmotoren.

Es ist bekannt, lediglich Teilbereiche eines Alumini­ umkolbens mit Fasern zu verstärken.

Beispiele hierfür zeigen u.a. DE-PS 79 73 202, DE-OS 20 18 653, DE-PS 27 01 421 oder EP 01 78 046 A1.

Bei diesem bekannten Stand der Technik werden die Kolben jeweils durch Gießen oder Flüssigpressen er­ zeugt, wobei die Faserverstärkungen jeweils in der Gießform direkt an derjenigen Stelle einbracht sind, an der sie in dem fertigen Kolben zu liegen kommen sollen. Bezüglich der meisten an einem Kolben in der Regel zu verstärkenden Bereiche, wie z.B. Verstärkun­ gen im Boden- bzw. Brennraummuldenbereich oder im Ringnutenbereich lassen sich auf diese Weise auch hervorragende Ergebnisse erzielen.

Nicht der Fall ist dies jedoch, wenn der Verstär­ kungsbereich den Innenwandbereich des Kolbens zwi­ schen Nabenbohrung und Boden des Kolbens erfassen soll und zwar in der Art, daß er ohne werkstoffabtra­ gende Bearbeitung homogen bis in die Oberfläche des Bereiches hineinragen soll.

Dann besteht insbesondere in den Fällen, in denen das Faserverstärkungsmaterial in Form eines vorgepreßten porösen Teiles an der zu verstärkenden Stelle in die Gießform eingelegt und anschließend mit dem Kolben­ grundmaterial ausgefüllt wird, das Problem, daß das die Poren ausfüllende Grundmaterial an der den Innen­ wandbereich des Kolbens bildenden Fläche eine - wenn auch meist recht dünne - faserfreie Deckschicht bil­ det. Dies liegt daran, daß eine absolut dichte Anlage des Fasereinlageteils an die Gießform in der Praxis zumindest mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand in der Regel nicht möglich ist. Die faserfreie Deck­ schicht führt jedoch dazu, daß an dieser nicht ver­ stärkten Oberfläche Risse entstehen können, die sich dann aufgrund der von ihnen ausgehenden Kerbwirkung auch relativ leicht in den verstärkten Bereich aus­ dehnen können.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, bereichsweise Faserverstärkungen durch Einlegen von porösen Faserformteilen in die Kolbengießform und anschließendes Ausfüllen der Poren während eines Flüssigpreßvorganges zu realisieren ohne eine werk­ stoffabtragende Nachbearbeitung durchführen zu müs­ sen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Nähere Einzelheiten dieses Verfahrens sind anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch den bearbeiteten Kolben-Vorformling,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Vorformling eingelegt in das die Kolbenfertigform erzeugende Preßwerkzeug,

Fig. 3 eine erste Umformphase des Vorformlings in dem Preßwerkzeug,

Fig. 4 den fertigen Kolben im Schnitt in per­ spektivischer Darstellung

Es wird zunächst ein Vorformling 1 in einer Gesenk­ form hergestellt, indem ein vorgefertigtes Faserpaket in die Gesenkform eingelegt und mit flüssigem Alumi­ nium übergossen und mit diesem durchtränkt wird, in­ dem ein in die Gesenkform einfahrender Stempel auf das Metall bis zur vollendeten Erstarrung einen Druck von mindestens 30 MPa aufbringt. Der so entstandene Vorformling ist poren- und lunkerfrei.

Anschließend wird auf einer Seite bei dem Vorformling 1 oberflächlich so viel Material abgetragen, daß in einem Oberflächenbereich 2 Fasern des Faserpaktes nach außen frei liegen.

Dieser so vorbereitete Vorformling 1 wird nunmehr ei­ nem Schmiedeprozeß unterzogen. In diesem Schmiedepro­ zeß drückt ein Preßstempel 3 auf den Oberflächenbe­ reich 2, in dem die Fasern bis in die Oberfläche des Vorformlings hinein reichen und formt den Vorformling 1 zu einem Kolben 4 derart um, daß durch den ständi­ gen Kontakt des Preßstempels 3 mit dem faserverstärk­ ten Materialbereich die Bildung einer faserfreien Deckschicht im Innenwandbereich des Kolbens 4 vermie­ den wird. Die Lage und die Form des Faserpaketes 5 im Vorformling bestimmen im fertig geschmiedeten Kolben 4 die Verstärkungsbereiche.

Während in dem Ausführungsbeispiel der Kolben 4 aus­ schließlich in dem Bereich 6 zwischen Nabe und Boden verstärkt ist, können weitere Verstärkungsbereiche im Bereich der Ringnuten oder an der dem Brennraum zuge­ wandten Bodenfläche des Kolbens angebracht sein. Wichtig ist nur, daß der Kolben in seinem Schaftbe­ reich und im Bereich der Nabenbohrungsinnenfläche kein Fasermaterial enthält.

Das paketartig vorgeformte Fasermaterial können anor­ ganische, keramische bzw. mineralische Fasern oder Whisker aus Aluminiumoxid, Siliziumcarbid oder -ni­ tride mit einem Faserdurchmesser zwischen 0,1 bis 0,5 Mymeter und einer Faserlänge von 10 bis 500 Mymeter bei einem Durchmesser/Längenverhältnis 1:10 bis 1:100 sein.

Der Anteil der Fasern, die willkürlich in dem Faser­ paket angeordnet sind, liegt zwischen größer 0 und 50 Vol-%.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkolbens mit durch Fasern in der Länge zwischen 70 und 500 Mymeter und einem Durchmesser zwischen 0,7 bis 5 Mymeter ver­ stärkten Bereichen, gekennzeichnet durch die Merkmale:

   • a) es wird ein Vorformling (1) hergestellt, bei dem mindestens ein Teilbereich faserver­ stärkt ist,
   • b) von dem Vorformling (1) wird derart Material abgetragen, daß zumindest in einem Oberflä­ chenbereich (2) Fasermaterial nach außen frei liegt,
   • c) beim Umformen des Vorformlings (1) in die Fertigform kommt der Oberflächenbereich (2) bzw. kommen die Oberflächenbereiche (2), in dem bzw. in denen das Fasermaterial nach au­ ßen frei liegt, zumindest an der Oberfläche des Innenwandbereiches (6) des Kolbens (4) zwischen Nabenbohrung und Boden des Kolbens zu liegen,
   • d) außerhalb jenes Innenwandbereiches (6) be­ finden sich zumindest an der Schaftaußenflä­ che sowie in der Nabenbohrungsmantelfläche von Verstärkungsfasern freie Bereiche.