DE68902958T2

DE68902958T2 - Verfahren zur herstellung eines kolbens mit einer hoehlung.

Info

Publication number: DE68902958T2
Application number: DE8989109908T
Authority: DE
Inventors: Andrew Timothy Cole
Original assignee: T&N Technology Ltd
Current assignee: Federal Mogul Technology Ltd
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1989-06-01
Publication date: 1993-04-29
Anticipated expiration: 2009-06-02
Also published as: EP0347627A2; GB8912556D0; EP0347627B1; DE68902958D1; GB2220004B; GB8814916D0; GB2220004A; US4972898A; EP0347627A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, wobei der Kolben eine Höhlung enthält.
Kolben für manche Brennkraftmaschinen sollen wünschenswerterweise eine Höhlung im Bereich des Kolbensbodens aufweisen. Solche Höhlungen können zu dem Zweck vorgesehen sein, um z.B. die Temperatur im Verbrennungsbereich zur Verbesserung des Wirkungsgrades heraufzusetzen oder um die Zirkulation von Kühlöl um den Bodenbereich zuzulassen.
Ein Verfahren zum Erhalt einer Höhlung ist in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 261 726 beschrieben, bei dem eine Bodenelement hergestellt wird, das eine Höhlung einschließt und dann am Rest des Kolbenkörpers befestigt wird. Dieses Verfahren ist komplex und daher unwirtschaftlich für die allermeisten Anwendungserfordernisse.
Die US-PS 4 712 600 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit einer Höhlung in der Nahe des Kolbenbodens durch Eingießen eines porösen Teiles in Verbindung mit einem vorläufigen Teil, das entweder aus einem entfernbaren Material besteht und die Form der gewünschten Höhlung aufweist oder stabiles Material und entfernbares Material umfaßt. Beim Gießprozeß wird das poröse Element mit dem Material des Restes des Kolbens infiltriert, wodurch das poröse Teil im Kolben befestigt und das vorläufige Teil abgedichtet wird. Anschließend wird eine Bohrung durch das Gußstück eingebracht und das entfernbare Material des vorläufigen Teiles entfernt, wobei es entweder aus der gewünschten Höhlung herausgeführt wird oder aus einer porösen Struktur des stabilen Materiales, welches die gewünschte Höhlung einschließt. Falls das vorläufige Teil stabiles Material umfaßt, dann das Material des Rests des Kolbens in den Außenumfang des vorläufigen Teiles während des Gießschrittes des Verfahrens eindringen. Dieses Verfahren ist aufwendig, da verschiedene Verfahrensoperationen erforderlich sind. Es ist auch unvorteilhaft wegen der Notwendigkeit, Stopfen in die eingebrachte Bohrung einzusetzen und zu befestigen, nachdem das entfernbare Material des vorläufigen Teiles durch sie entfernt wurde.
Die US-B-318 195 beschreibt ein Verfahren zur Ausbildung eines Gesenkes oder einer Form mit Röhren für ein Fluid. Das Gesenk ist seinerseits aus Eisenpulver gebildet mit einer darin eingelassenen Anordnung von flüchtigem Material in Form der gewünschten Röhren. Das Eisenpulver wird gesintert, um das nicht-poröse Gesenk auszubilden. Während dieser Teil des Gesenkes porös ist, wird das flüchtige Material veranlaßt, hier hinein zu infiltrieren und Höhlungen freizugeben, welche die gewünschten Rohre ausbilden, wobei diese vom übertragenen flüchtigen Material dichtend umgeben werden.
Wir haben nun ein Verfahren zur Herstellung einer dichten Höhlung in einem Körper gefunden, wobei dieser Körper anschließend in einen Artikel wie z.B. einen Kolben mittels bekannter Techniken eingebracht werden kann.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung besteht das Verfahhren zur Herstellung eines Kolbens mit einer Höhlung aus des Verfahrensschritten des Einbringens eines Elementes, das im wesentlichen die gewünschte Form der Höhlung aufweist, in eine Masse aus Eisenpulver, Verdichten der Pulvermasse auf eine gewünschte Dichte zur Ausbildung eines porösen Körpers, Aufheizen des porösen Körpers auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des enthaltenen Elementes derart, daß ein in der Nähe des Elementes liegender Teil des Körpers von dem Material infiltriert und dichtend verschlossen wird zur Ausbildung der gewünschten Höhlung in dem Körper, und anschließendes Einlagern des die Höhlung enthaltenden Körpers in einen Kolben durch Anwendung einer Druckgußtechnik zum Infiltrieren des Restes des Körpers mit dem Material des Gußrestes des Kolbens.
Der poröse Körper kann aus einem vorlegierten Eisenpulver bestehen oder einige oder alle seiner Legierungszusätze in Form getrennter elementarer Puderzusätze aufweisen, z.B. in Form einer Mischung aus Eisen-, Kupfer- und Zinnpulver. Ein anderes Beispiel eines geeigneten Materiales, aus dem der Körpers des Artikels gefertigt werden kann, kann austenitischer rostfreier Stahl sein.
Das Formelement kann durch jedes Metallbearbeitungsverfahren hergestellt werden, wie z.B. durch Gießen, Schmieden oder Pressen, oder es kann selbst ein pulvermetallurgischer Artikel sein.
Das Formelement kann z.B. aus Kupfer oder aus einer Legierung auf Kupferbasis bestehen. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Formelement ein Preßkörper aus einer Mischung aus Kupfer- und Zinnpulver sein. Die Benutzung einer solchen Mischung gleicht das Ausdehnverhalten von Kupfer aus, da Kupfer anderfalls ein Aufbrechen des Körpers des Artikels, in dem es enthalten ist, bewirken könnte.
Das Formelement kann auch ein inertes Füllmaterial wie ein keramischen Pulver oder ein anderes Metall enthalten, um das Volumen des für die Infiltration des Artikels in der Nähe der Höhlung verfügbaren Materials zu steuern.
Der pulvermetallurgische Weg, mittels Dichtesteuerung, kann alternative oder zusätzlich unter Einsazt von inerten Füllstoffen benutzt werden, um das verfügbare Metallvolumen des Elementes zu steuern.
Der den Hohlraum enthaltende Körper wird in den Kolben durch Einsatz einer Druckgußtechnik, wie etwa durch Preßgießen, eingebracht. Die Höhlung bzw. der Hohlraum innerhalb des Körpers bleibt ungefüllt, wobei die Kolbenlegierung als Ergebnis des infiltrierten Metalls des Formelements die Höhlung umgibt und sie dicht gegen den aufgebrachten Gießdruck abschließt. Zwischen der Legierung, die eine Aluminiumlegierung sein kann, und dem die Höhlung enthaltenden Körper wird infolge der Infiltration in die verbleibende Porosität eine starke Bindung erreicht.
Damit die vorliegende Erfindung besser verstanden werden kann, werden nachfolgend Beipiele nur zur Illustration unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 (a) bis (f) eine schematische Abfolge in der Herstellung eines Körpers mit einer abgedichteten Höhlung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 (a) bis (c) eine schematische Abfolge, bei der der Körper aus Fig. 1 (f) in einen Kolbenboden eingelagert wird;
Fig. 3 (a) bis (c) alternative Geometrien für die Höhlung zum Einsatz bei einem Kolbenboden, und
Fig. 4 (a) bis (c) Trägerkörper für Kolbenringe mit in ihnen enthaltenen Höhlungen.
Es wird nun Bezug genommen auf die Figuren 1 (a) bis (f) und 2 (a) bis (c), in denen dieselben Merkmale durch gemeinsame Bezugszeichen bezeichnet sind.
Ein Gesenk 10 zum Verpressen von Metallpulver mit einem Durchmesser von 74 mm wurde bis zu einer Höhe von 14 mm mit 304 L austenitischem rostfreiem Stahlpulver 11 einer Siebfraktion von 150 um (Fig. 1 (a)) gefüllt. Eine Kupferscheibe 12 mit einem Durchmesser von 60 mm und einer Dicke von 1 mm wurde zentral auf das Pulver 11 aufgelegt (Fig. 1 (b)). Eine zweite 14 mm dicke Schicht 13 aus 304 L Pulver wurde hinzugefügt (Fig. 1 (c)). Sodann wurden das Pulver und die Scheibe einer Last von 2 t über einen Preßtempel 14 ausgesetzt (Fig. 1 (d)). Dies erzeugte einen Grünling 15 mit einer Dicke von 15 mm, der aus dem Gesenk ausgestoßen wurde (Fig. 1 (e)). Hiernach wurde der Grünling in einer Atmosphäre aus 75 % N&sub2; und 25 % H&sub2; bei 1110ºC während 20 Minuten zur Ausbildung eines Körpers 16 mit einer abgedichteten, scheibenförmigen Höhlung 17 gesintert. Die unmittelbare, die Höhlung 17 umgebende Nachbarschicht 18 wurde mit Kupfer infiltriert, während die Außenflächen 19 porös blieben.
In einem Ofen wurde der Körper 16 auf 400ºC erhitzt und in dem Aufnahmeteil 20 eines Druckguß-Kolbengesenkes mit unten angeordnetem Kolbenboden und einem Durchmesser von 75 mm plaziert. Eine Schmelze einer Lo-Ex (Warenzeichen) Aluminium-Silizium-Kolbenlegierung 21 wurde mit einer Temperatur von 770ºC in das Gesenk 20 vergossen (Fig. 2 (a)). Sodann wurde eine Last von 25 Tonnen auf die Legierungschmelze mittels eines Patritzen-Stempels 22 aufgebracht, wodurch bewirkt werde, daß die Legierung 21 in die porösen Oberflächenschichten 19 des Körpers 16 einfiltierte. Der Druck wurde solange aufrechterhalten, bis eine vollständige Erstarrung eingetreten war. Schnitte durch das Kolbengießteil 23, die anschließend vorgenommen wurden, ergaben, daß die Höhlung 17 frei von Lo-Ex war und daß die Oberflächenbereiche 19 vollständig inprägniert waren.
Die Fig. 3 (a) bis 3 (c) zeigen drei Beispiele alternativer Höhlungsgeometrien, wie sie für den Verbrennungsraum 30 eines Kolbens eingesetzt werden können. Fig. 3 (a) zeigt eine Höhlung 32 in einem Körper 34 aus einem Metallpulver, der einen in ihm angebrachten asymmetrischen Ring aufweist: nach dem Sintern wird das Volumen 36, das der Höhlung 32 benachbart ist, durch Infiltration abgedichtet. Der Körper 34 wird in den Kolbenboden durch Druckgießen einer Aluminiumlegierung in die verbleibende Porosität eingelagert. Fig. 3 (b) zeigt Höhlungen 40, 42, die durch eine Scheibe und ein gleichzeitig verwendetes ringförmiges Element ausgebildet sind. In Fig. 3 (c) ist eine Höhlung 44 dargestellt, die von einem zylindrischen Element ausgebildet wurde.
Die Fig. 4 (a) bis 4 (c) zeigen Abschnitte von ringförmigen Kolbenring-Trägereinlagen 50 aus rostfreiem Stahlpulver, die verschiedene alternative Geometrien 52 für die Höhlung aufweisen und ebenfalls in einen Kolben durch eine Druckgußtechnik eingelassen werden. Die Lage der aktuellen Kolbenringnut ist durch die strichpunktierte Linie 54 angegeben.
Die Warmpreßschritte, die vorstehend beschrieben wurden, können auch ersetzt werden durch isostatisches Verpressen von Pulver um ein Formelement.
Der die Höhlung aufweisende Körper kann selbstverständlich auch noch weiter bearbeitet werden, bevor er anschließend in einen Kolben eingelagert wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (23) mit einer Höhlung (17), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Einlagern eines Elementes (12), das im wesentlichen die gewünschte Form der Höhlung aufweist, in eine Masse (11, 13) aus Eisenpulver, Verdichten der Pulvermasse auf eine gewünschte Dichte zur Ausbildung eines porösen Körpers (15), Aufheizen des porösen Körpers auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des eingelagerten Elementes (12) so, daß der dem Element benachbarte Teil (18) des Körpers (16) vom Material des Elementes infiltriert und dicht verschlossen wird, um die gewünschte Höhlung im Körper auszubilden, und sodann Einlagerung des die Höhlung enthaltenden Körpers in einen Kolben durch Anwendung einer Druckgußtechnik zum Infiltrieren des Restes (19) des Körpers mit dem Material (21) des Gußrestes des Kolbens.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (12) aus Pulver gebildet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver aus Kupfer oder aus einer Legierung auf Kupferbasis besteht.

4 Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (12) auch Füllmaterial enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial einen keramischen Stoff aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Höhlung enthaltende Körper in den Bereich des Kolbenbodens eingelassen ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Höhlung enthaltende Körper (16) eine Kolbenring-Trägereinlage (50) ist.