DE3801847A1

DE3801847A1 - Verfahren zur herstellung von kolben fuer brennkraftmaschinen sowie kolben, insbesondere hergestellt durch dieses verfahren

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Publication number: DE3801847A1
Application number: DE19883801847
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Metal Leve SA Industria e Commercio
Current assignee: Metal Leve SA Industria e Commercio
Priority date: 1987-01-29
Filing date: 1988-01-22
Publication date: 1988-08-11
Also published as: MX167957B; GB2200583A; GB8730338D0; SE8800160L; SE8800160D0; BR8700527A; GB2200583B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen, wobei jeder Kolben wenigstens ein metallisches Verstärkungsteil aufweist, sowie auf einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, der vorzugsweise mit diesem Verfahren hergestellt ist und wenigstens ein metallisches Verstärkungsteil, das bevorzugt oben am Kolbenkopf angebracht ist, aufweist.

Der gegenwärtige Entwicklungsstand von Brennkraftmaschinen und die abzusehende Entwicklungstendenz auf diesem Gebiet weisen in Richtung auf Hochleistungsmotoren, bei denen laufend eine Erhöhung der bereits großen Belastbarkeit der Motoren-Einzelkomponenten gefordert wird. Bei turboaufgeladenen Dieselmotoren erreichen die thermischen und mechanischen Belastungen am Kolbenkopf bereits Werte, die diesen Bereich des Kolbens in hohem Maße verletzlich und insbesondere anfällig für das Auftreten von Rissen und selbst von Sprüngen oder gar Bruchstellen machen.

Um hier eine Verbesserung zu schaffen, soll ein Herstellungsverfahren für Kolben, das zu einer erhöhten thermischen und mechanischen Belastbarkeit gerade an diesen kritischen Kolbenstellen führt, und ferner auch ein entsprechender Kolbenaufbau vorgeschlagen werden, der diese verbesserten thermischen und mechanischen Belastungseigenschaften gerade an den kritischen Stellen im Kolbenkopf aufweist und bei dem die Gefahr des Auftretens unerwünschter Rißbildungen oder gar Ausbrechungen am Kolbenkopf selbst bei sehr großen Belastungen besser als bisher vermieden wird.

Erfindungsgmäß wird dies bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß für das wenigstens eine metallische Verstärkungsteil ein Werkstoff mit offenen Poren eingesetzt wird, dieses wenigstens eine metallische Verstärkungsteil erhitzt und in eine vorgeheizte Form eingebracht wird, sodann eine bestimmte Chargenmenge einer Schmelze aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in die erhitzte Form eingegossen und hiernach ein Stempel in die Form derart eingeführt wird, daß die Schmelze während ihres Erstarrens unter Druck gesetzt wird, wobei das unter Druck stehende Metall das wenigstens eine metallische Verstärkungsteil umfließt, dabei dessen offene Poren und die Kolbenform füllt sowie den Kolben ausformt, und daß der Kolben mit dem wenigstens einen metallischen Verstärkungsteil nach dem Erstarren der Schmelze aus der Form entfernt wird, um abschließend auf die gewünschten Endmaße bearbeitet zu werden. Besonders bevorzugt wird die Erhitzung des metallischen Verstärkungsteiles auf eine Temperatur zwischen 400°C und 750°C, die der Form auf eine Temperatur zwischen 200°C und 400°C und das Vergießen der Schmelze aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierung bei einer Temperatur zwischen 680°C und 820°C vorgenommen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, gerade an den kritischen Belastungsstellen am Kolbenkopf spezielle Verstärkungsglieder anzubringen, die den dort auftretenden erhöhten Belastungen in besonders guter Weise standhalten können. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz dieser Verstärkungsglieder, die offene Poren aufweisen, und durch deren Einbindung in den Vergießvorgang derart, daß beim Gießen des Kolbens die Leichtmetallschmelze auch gleichzeitig in die offenen Poren der Verstärkungsglieder miteinfließt, quasi "eindiffundieren" kann, und dies in Verbindung mit dem wichtigen Verfahrensschritt, daß die Schmelze bei der Erstarrungsphase unter sehr hohen Druck gesetzt wird, wodurch ihr Einfließen in die offenen Poren begünstigt wird, wird insgesamt eine besonders feste Verbindung zwischen Verstärkungselement und tragenden Kolben erreicht, die selbst sehr großen Belastungen im Motor standhält, wodurch die Gefahr des Auftretens unerwünschter Risse oder gar Brüche im Verbindungsbereich zwischen Verstärkungselement und Kolben so gut wie vollständig vermieden ist. Dabei erweist sich diese Art der Befestigung als ganz besonders fest, wenn in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung die minimale Porengröße des für die Verstärkungselemente eingesetzte Materials kleiner als 3 µm ist.

Im Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn bei dem in die Form eingeführten Stempel dann, wenn das Aufbringen des Verdichtungsdruckes gewünscht wird, der Stempel bis zu einem maximalen Druck von 2000 bar beaufschlagt wird. Eine vorzügliche Befestigung läßt sich ganz besonders dann erreichen, wenn bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die offenen Poren des Verstärkungsteiles über dessen gesamte Dicke hinweg von der Schmelze ausgefüllt werden.

Die Verwendung der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten porösen Metalle als Werkstoff für die Verstärkungsteile führt dazu, daß ein thermischer Ausdehnungskoeffizient an der entsprechenden Kolbenringzone erreicht wird, dessen Wert ganz nahe bei dem des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der umgebenden Zylinderbuchse liegt. Dies ermöglicht es, daß der im Betrieb auftretende Spalt bzw. die einzuhaltenden Betriebstoleranzen in diesem Gebiet gegenüber anderen bekannten Kolbenkonstruktionen verkleinert werden können, was zum Vorteil einer Absenkung des Emissionsniveaus eines solchermaßen betriebenen Motors aufgrund geringerer wirksamer Ringspaltfläche, einer Erniedrigung des Kraftstoffverbrauchs sowie einer geringeren Rußbildung mit der Folge einer reduzierten Schleifwirkung an der Zylinderlaufbuchse bzw. mit dem Auftreten geringeren Verschleißes dort verbunden ist. Darüber hinaus tritt gleichzeitig auch eine Absenkung des Schmierölverbrauches auf. Die mechanische Verankerung zwischen dem Verstärkungsringeinsatz und dem Kolbenkörper läßt auch eine Verkleinerung der Dicke des Kolbenkopfes zu, die hier nicht mehr von der Bruchfestigkeit der metallurgischen Verbindung im Kolbenmaterial begrenzt wird. Gerade die erfindungsgemäße Verankerung des Verstärkungsteiles am Kolben über ein mit Druck arbeitendes Gießverfahren, nämlich das Form-Druckgießverfahren, führt zu einer besonders wirkungsvollen und guten Verbindung.

Das bei der Erfindung eingesetzte offenporige Verstärkungsteil ist über seiner gesamten Oberfläche und auch durch die Dicke seines Volumens hindurch mit Poren versehen. Wie bereits erwähnt, sollte der minimale Porendurchmesser geringer als 3 µm sein. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Füllen der Poren führt dazu, daß der Kolbenwerkstoff zumindest über einen Teil der porösen Oberfläche "anschwillt", die den am Kolben anliegenden Oberflächen des metallischen Verstärkungsteiles gegenüberliegt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur noch näher beschrieben. Die Figur zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kolbenhälfte, die oben am Kolbenkopf mit einem Verstärkungsglied in Form eines Ringeinsatzes mit einer Ringnut und ferner mit einem Verstärkungsglied am oberen, brennkammerseitigen Rand des Kolbens versehen ist.

Der in der Figur dargestellte Kolben wird mittels eines Herstellungsverfahrens erzeugt, bei dem eine (nicht dargestellte) durckfeste Gießform auf eine Temperatur zwischen 200°C und 400°C sowie ferner ein metallisches, poröses Verstärkungsteil 20 bzw. 30 auf eine Temperatur zwischen 400°C und 750°C aufgeheizt werden. Hiernach wird das metallische Verstärkungsteil in die Druckform eingebracht. Eine bestimmte Menge einer geschmolzenen Aluminiumlegierung wird bei einer Temperatur zwischen 680°C und 820°C anschließend in die Form vergossen. Hiernach wird ein Preßstempel, dessen Formgebung entsprechend der Form der Kolbenhöhlung ausgebildet ist, in das Gesenk eingeführt und zwar zunächst ohne Anwendung eines erhöhten Druckes, so daß der Druckstempel nur mit dem Druck wirkt, der aus seinem Eigengewicht resultiert. Bei beginnender Verfestigung der Aluminiumlegierung und in Abhängigkeit von der Entwicklung der Verfestigung wird zunehmend erhöht ein Druck bis hinauf zu 2000 bar auf den Druckstempel derart aufgebracht, daß das Legierungsmaterial zwischen Stempel und Formwand und gegen das metallische Verstärkungsteil 20, 30 unter Druck verdichtet wird, wodurch der Kolben 10 in seiner Form ausgebildet und der Werkstoff dazu gebracht wird, die im metallischen Verstärkungsteil 20, 30 vorhandenen Poren zu füllen bzw. in diese einzufließen. Nach dem Erstarren der Aluminiumlegierung wird der Druckkolben 10 mit den mit ihm jetzt einstückig verbundenen metallischen Verstärkungsteilen 20, 30 mittels geeigneter Einrichtungen aus der Form entfernt.

Jedes der beiden metallischen Verstärkungsteile 20, 30 ist, wie in der Figur dargestellt, an einer der oberen Umlaufkanten des Kolbenkopfes 11 angebracht, wobei das Verstärkungsteil 20 am radial außenliegenden Ringbereich des Kolbenkopfes 11 in der in der Figur gezeigten Weise vorgesehen und mit zumindest einer Ringnut 12 versehen ist, während das andere, im Querschnitt kleiner ausgebildete Verstärkungsteil 30 am radial inneren, somit brennkammerseitigen Rand des Kolbenkopfes 11 angeordnet ist. Die Ringnut 12 im Verstärkungsteil 20 wird in der nach dem Herausnehmen des Kolbens aus der Gießform bzw. dem Gesenk erfolgenden Nachbehandlung, bei der der Kolben 10 auf die endgültig gewünschten Endmaße bearbeitet wird, eingebracht. Bei dem Material für das poröse metallische Verstärkungsteil wird bevorzugt eine Sinterlegierung eingesetzt, deren Zusammensetzung (ausgedrückt in Gewichtsprozenten) 1,0 bis 20,0% Cr, 4,0 bis 30,0% Ni, maximal 3,0% C, maximal 8,0% Cu, maximal 3,0% Si, maximal 9,0% Mn und als Rest Fe aufweist.

Nachfolgend werden noch zwei Beispiele für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kolbens angegeben:

Beispiel 1

Zum Erstellen eines erfindungsgemäßen Kolbens mit einem metallischen Verstärkungsteil am brennkammerseitigen Rand des Kolbens werden zunächst die Form (Gesenk) auf eine Temperatur zwischen 250°C und 300°C sowie das metallische Verstärkungsteil auf eine Temperatur zwischen 450°C und 550°C aufgeheizt und dann das Verstärkungsteil in die aufgeheizte Form eingebracht.

Die Legierung für das metallische Verstärkungsteil, das eine Porosität von 10 bis 25% aufweist, enthält (in Gewichtsprozenten) 16,5% Cr, 13,5 % Ni und 2,0% Mo und als Rest Fe.

Als Kolbenwerkstoff wird eine Aluminiumlegierung eingesetzt, die folgende Zusammensetzung (angegeben in Gewichtsprozenten) aufweist:

Si11 bis 13% Cu0,8 bis 1,5% Ni0,8 bis 1,3% Mg0,8 bis 1,3% Femax. 0,7% Mnmax. 0,2% Znmax. 0,2% Timax. 0,2% AlRest.

Die Aluminiumlegierung wird auf eine Temperatur von 760°C bis 780°C aufgeheizt und dann eine Chargenmenge von 5200 bis 5300 g in die Form eingegossen.

20 Sekunden nach Einbringen der Schmelze in die Form wird am Kolben ein Verdichtungsdruck von 2000 bar aufgebaut und über eine Zeit von 200 sec aufrechterhalten. Nach Erstarren der Schmelze wird der Kolben mit Verstärkungsteil aus der Form entnommen und der Endbearbeitung auf die gewünschten Maße zugeführt.

Beispiel 2

Zur Herstellung eines erfindungegemäßen Kolbens, der mit einem metallischen Verstärkungsglied in Form eines außen am Kolbenkopf radial angeordneten Ringeinsatzes versehen ist, werden die Form (Gesenk) auf eine Temperatur von 200°C bis 250°C und das metallische Verstärkungsteil auf 400°C bis 500°C aufgeheizt. Die Zusammensetzung der Legierung für das Verstärkungsteil weist (in Gewichtsprozenten) 8,4% Mn, 5,4% Ni, 3,0% Si, 2,5% Cr, 3,1% C und als Rest Fe auf.

Die Leichtmetallschmelze aus einer Aluminiumlegierung mit (Angaben in Gewichtsprozent)

Cu3,5 bis 4,5% Ni1,8 bis 2,3% Mg1,2 bis 1,7% Simax. 0,5% Femax. 0,6% Mnmax. 0,2% Znmax. 0,2% Timax. 0,2% Al (als Rest)

wird auf eine Temperatur zwischen 730°C und 760°C erhitzt. Anschließend wird eine Metallcharge von 4050 bis 4100 g in die Form eingegossen, nachdem vorher das metallische Verstärkungsteil, das eine Porosität von 12% bis 25% aufweist, in richtiger Plazierung in der Form (Gesenk) angebracht wurde.

Nach 15 sec erfolgt der Aufbau des Verdichtungsdruckes am Kolben bis auf 2000 bar, wobei der Verdichtungsdruck über 150 sec aufrechterhalten wird.

Anschließend wird der Kolben mit dem Verstärkungsteil aus der Form entnommen und der Nachbearbeitung auf die gewünschten Endmaße zugeführt, bei der auch eine Ringnut radial in das Verstärkungsteil eingebracht wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen, wobei jeder Kolben wenigstens ein metallisches Verstärkungsteil aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

(a) Erhitzen des aus einem Werkstoff mit offenen Poren bestehenden metallischen Verstärkungsteiles und Einbringen desselben in ein vorgeheiztes Gesenk;
(b) Eingießen einer bestimmten Menge einer Aluminium- oder Aluminiumlegierungs- Schmelze;
(c) Einführen eines Stempels in das Gesenk derart, daß das Aluminium oder die Aluminiumlegierung während ihres Erstarrens unter Druck gesetzt wird, wobei das unter Druck stehende Metall das metallische Verstärkungsteil umfließt, die Kolbenform füllt und dabei die offenen Poren des metallischen Verstärkungsteiles ausfüllt, sowie
(d) Entfernen des Kolbens mit dem metallischen Verstärkungsteil nach dem Erstarren der Schmelze aus dem Gesenk und Bearbeitung des Kolbens auf dessen Endmaße.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Verstärkungsteil auf eine Temperatur zwischen 400°C und 750°C erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesenk auf eine Temperatur zwischen 200°C und 400°C erhitzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminium- bzw. die Aluminiumlegierungs-Schmelze bei einer Temperatur zwischen 680° und 820°C in das Gesenk vergossen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel im Gesenk mit einem maximalen Druck von 2000 bar beaufschlagt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen Poren über die gesamte Dicke des metallischen Verstärkungsteiles hinweg von der Schmelze gefüllt werden.

7. Kolben für Brennkraftmaschinen aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, mit wenigstens einem metallischen Verstärkungsteil, insbesondere hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Verstärkungsteil(e) (20; 30) aus einem offenporigen Werkstoff besteht/bestehen und durch Ausfüllen der offenen Poren mit Kolbenwerkstoff am Kolben (10) befestigt ist/sind.

8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des/der metallischen Verstärkungsteile(s) (20; 30) offene Poren mit einem minimalen Durchmesser kleiner als 3 µm aufweist.

9. Kolben für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsteil (20; 30) aus einer Legierung besteht, die 1,0 bis 20,0 Gew.-% Cr, 4,0 bis 30,0 Gew.-% Ni, maximal 3,0 Gew.-% Mo, maximal 3,0 Gew.-% C, maximal 8,0 Gew.-% Cu, maximal 3,0 Gew.-% Si, maximal 9,0 Gew.-% Mn und als Rest Fe aufweist.

10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine Sinterlegierung ist.

11. Kolben für Brennkraftmaschinen nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. ein Verstärkungsteil als Ringeinsatz (20) ausgebildet ist, der am Kolbenkopf (11) angeordnet und mit zumindest einer Ringnut (12) versehen ist.

12. Kolben nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärkungsteil als Verstärkungseinsatz (30) für den brennkammerseitigen Rand des Kolbens (10) vorgesehen ist.