WO2014195358A1 - Iron-aluminium alloy, piston for an internal combustion engine, method for producing an iron-aluminium alloy, and method for producing a piston for an internal combustion engine - Google Patents

Iron-aluminium alloy, piston for an internal combustion engine, method for producing an iron-aluminium alloy, and method for producing a piston for an internal combustion engine Download PDF

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Markus Aumiller
Frank Dörnenburg
Werner Trübenbach
Peter Gödel
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Definitions

  • Iron-aluminum alloy piston for an internal combustion engine, process for producing an iron-aluminum alloy and Verfalaren for producing a
  • the present invention relates to an iron-aluminum
  • An alloy a piston for an internal combustion engine, a method for producing an iron-aluminum alloy and a method for producing a piston for an internal combustion engine.
  • the region of the first annular groove is reinforced with a wear protection layer.
  • DE 10 2008 002 572 A1 describes a method for producing a piston for an internal combustion engine, in which at least the region of the uppermost annular groove is at least partially recessed, followed by a
  • An adhesion promoter is applied with aluminum, after which a wear protection layer is thermally sprayed on and at least the uppermost annular groove is at least partially worked out therefrom.
  • the wear protection layer can be formed from a pseudoalloy, which arises during an arc wire spraying process.
  • the invention has for its object to provide an iron-aluminum alloy and a method for producing such an alloy with a view to using this as a particularly powerful armoring for piston ring grooves. Further, it is an object of the invention to provide a piston for an internal combustion engine, which is improved in terms of wear behavior, in particular in the region of the uppermost annular groove. Furthermore, a method for producing such a piston will be presented.
  • the iron-aluminum alloy has about 40 vol. -% to about 70 vol. -% iron phases and about 3 vol. - to about 60 vol. -% intermetallic phases and the rest aluminum phases on.
  • the described iron-aluminum alloy may also be referred to as a pseudo alloy.
  • a pseudo alloy may also be referred to as a pseudo alloy.
  • the contained intermetallic phases are characterized by an inherently high strength, in particular a good heat resistance, which makes the alloy suitable for use in highly stressed pistons of internal combustion engines. These effects are particularly advantageous in the proportion range of the intermetallic phases according to the invention.
  • the alloy is complex multi-phase microstructures for use; predestined under conditions with high mechanical and thermal loads.
  • the alloy preferably has about 5 wt. % to about 25% by weight
  • the silicon present in the preferred concentration range serves to better control the phase formation in the pseudo-alloy. Furthermore, an advantageous reduction in the density of the alloy is achieved.
  • the intermetallic phases of the alloy preferably consist of at least about 90% by weight of iron and / or aluminum and silicon and / or magnesium as the remainder. Furthermore, these phases are preferably binary and / or ternary intermetallic phases which have iron and / or aluminum and / or silicon and / or magnesium. Examples include FeAl, Fe 2 Al, AlFe 3 , FeAl 3 and Al 9 Fe 2 Si 2 . In particular, Fe-Al phases are particularly resistant in oxidizing and carburizing atmospheres.
  • the scanning electron microscope image in FIG. 1 shows a complex structure in which the various intermetallic phases 1 (gray), in analogy to a composite material, form a penetrating network with aluminum 2 (black) and iron phases 3 (white). This microstructure has advantageous properties with regard to the use as wear protection layer in highly loaded pistons.
  • alloy according to the invention has proportions of molybdenum, chromium, carbon, silicon, aluminum and / or magnesium.
  • the alloy having an average hardness of between about 150 HV1 and about 600 HV1.
  • the first annular groove is at least partially recessed and filled with an alloy according to one of claims 1 to 4.
  • the material used for filling forms a wear protection layer which can serve as a particularly advantageous basis for introducing an annular groove and later for receiving a piston ring, for example.
  • the wear protection layer thus forms a Kolbenringnutarmtechnik,
  • the piston ring groove located on the piston therefore better withstand the high surface pressures and Verschiebißbe pipe 11, which at the same time advantageously extends the service life of the piston and its performance improved.
  • a Nutoberflanke and Nutunterflanke the recess are at an angle of about 30 ° to about 70 ° to each other. In this angular range, an optimal adhesion of the material used for filling in the groove is achieved.
  • the piston according to the invention may have a region located radially within the annular groove, which is not filled and thus forms a cooling channel.
  • a removable mass for example a salt mass
  • a cavity remains behind the wear protection layer, which forms the cooling channel.
  • a cover of the subsequent cooling channel with wire or strip material done » This can be bypassed a production-technically complicated introduction in the course of post-processing or during the primary molding.
  • the described iron-aluminum alloy is thereby produced by a thermal spraying process on a surface, wherein a temperature of the surface is between about 150 ° C and about 400 ° C.
  • the intuitionhaftigke.it of the method is u.a. in the production of the previously described iron-aluminum alloy with the above-mentioned advantages, especially with regard to the use as an annular groove reinforcement of a piston.
  • the selected temperature range for the thermal spraying process ensures that sufficient suitable metallic and intermetallic phases form to obtain the particularly advantageous multi-phase structure.
  • the thermal spraying process is preferably an arc wire spraying process.
  • This spraying method different materials can be advantageously combined with each other by having two or more different ones
  • Wires are supplied.
  • the described alloy is preferably obtained from at least two wire materials of Fe and Al base alloys or of mixed wires based on Fe and Al.
  • the method according to the invention in particular the arc wire spraying, thus enables the particularly advantageous production and optimization of novel materials, such as the pseudo alloy described here.
  • cored wires hard materials such as oxides, carbides and nitrides could be processed and integrated into wear protection layers.
  • Arc wire spraying e.g. the feed rate of the wires, allowed u.a. the generation of a chemical gradient structure in the filling space.
  • an enrichment of aluminum at the interfaces to the Koibengrundwerkstoff usefully if this is made of an aluminum-based alloy.
  • the advantage of this is that differences in the thermal expansion between the piston base material and Auf Schoilmaterial can be reduced. Further advantages can be obtained by adjusting the interfacial strength with respect to the base material of the piston.
  • Arc wire spraying offers special advantages due to its process flexibility. Furthermore, the arc wire spraying is a cost-effective method for producing high-quality layers on an industrial scale with manageable equipment requirements. Overall, the arc wire spraying has great development potential for new material combinations and applications in particular for highly stressed components in internal combustion engines.
  • the wire materials used to make the alloy are from about 0.2 to about 5.0 percent magnesium, from about 0.2 percent to about 5.0 percent molybdenum, from about 0.2 percent to about 5.0 percent chromium , about 0, 2% to about 5, 0% carbon and / or about 0, 2% to about 5, 0% manganese on.
  • the presence of at least one of these elements means that they can also be present in the produced alloy and the formation of intermetallic phases or the have a positive influence on the mechanical properties of the aluminum and / or iron phases.
  • At least a portion of the uppermost annular groove is at least partially recessed.
  • a portion of the annular groove is e.g. Already during the ürformens a piston blank, for example when casting, recessed, that is, there is a recess or the like in the area in which later the uppermost annular groove is to be formed.
  • the region of the uppermost annular groove may initially be wholly or partly present, and the material of the piston blank in the region of the later uppermost annular groove is removed, for example by machining.
  • the recess described is preferably carried out at least a little larger than the later uppermost annular groove, so that the following
  • Procedural steps can be performed.
  • the advantage of the method according to the invention lies inter alia in the production of the previously described piston with its improved properties.
  • the iron-aluminum alloy used for filling forms the advantageous anti-wear layer, from de in a later process step, for example, an annular groove to Recording a piston ring can be worked out. Consequently, not pouring a separate ring carrier have to be used, which 'would be accompanied by high technical effort, which is avoided by the present invention to production engineering alternatives such as.
  • a ring carrier is a possible source of error and cause of component failure, since it can lead to positional and binding errors in its introduction.
  • the pouring of a ring carrier in those manufacturing processes, which are preferably used for pistons, eg. Casting and forging process often not feasible.
  • the method according to the invention results in a cost-effective method for producing a piston for an internal combustion engine.

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Abstract

The invention relates to an iron-aluminium alloy consisting of approximately 40-70 vol% iron phases, approximately 3-60 vol% intermetallic phases and the rest being aluminium phases. The invention also relates to a piston for an internal combustion engine, wherein at least parts of at least one region of a first annular groove are recessed, said recess being filled with the iron-aluminium alloy. Said alloy is produced by means of a thermal spraying process on a surface having a temperature of between approximately 150°C and 400°C. The piston is produced in such a way that at least parts of at least one region of a first annular groove are recessed, said recess then being filled by means of the method for producing the iron-aluminium alloy.

Description

Eisen-Aluminium-Legierung, Kolben für einen Verbrennungsmotor, Verfahren zur Herstellung einer Eisen- Aluminium-Legierung und Verfalaren zur Herstellung eines  Iron-aluminum alloy, piston for an internal combustion engine, process for producing an iron-aluminum alloy and Verfalaren for producing a
Kolbens für einen Verbrennungsmotor  Piston for an internal combustion engine
Technisches Gebiet der Erfindung Technical field of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Eisen-Aluminium- The present invention relates to an iron-aluminum
Legierung, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, ein Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium-Legierung und ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor . An alloy, a piston for an internal combustion engine, a method for producing an iron-aluminum alloy and a method for producing a piston for an internal combustion engine.
Im Rahmen der Entwicklung von Motoren, die immer kleiner und leistungsfähiger werden, steigen die Druck- und Temperaturbeiastungen auf die verwendeten Kolben. In diesem Zusammenhang ist insbesondere die oberste Ringnut, die dem Einsetzen eines Kolbenrings dient, besonders belastet. Um diesen Belastungen gerecht zu werden und um das Betriebsverhalten und die Betriebsiebensdauer von Kolben und Kolbenringen zu verbessern, wird der Bereich der ersten Ringnut mit einer Verschleißschutzschicht armiert .  In the development of engines that are getting smaller and more powerful, the pressure and temperature loads on the used pistons increase. In this context, in particular the uppermost annular groove, which serves to insert a piston ring, particularly stressed. To cope with these stresses and to improve the performance and service life of pistons and piston rings, the region of the first annular groove is reinforced with a wear protection layer.
Stand der Technik  State of the art
Die DE 10 2008 002 572 AI beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem zumindest der Bereich der obersten Ringnut zumindest teilweise ausgespart wird, anschließend eineDE 10 2008 002 572 A1 describes a method for producing a piston for an internal combustion engine, in which at least the region of the uppermost annular groove is at least partially recessed, followed by a
Haftvermittlerschiebt mit Äluminium aufgebracht wird, danach eine Verschleißschutzschicht thermisch aufgespritzt wird und daraus zumindest die oberste Ringnut zumindest teilweise herausgearbeitet wird. Die Verschleißschutzschicht kann dabei aus einer Pseudolegierung gebildet werden, die während eines Lichtbogendrahtspritzprozesses entsteht . An adhesion promoter is applied with aluminum, after which a wear protection layer is thermally sprayed on and at least the uppermost annular groove is at least partially worked out therefrom. The wear protection layer can be formed from a pseudoalloy, which arises during an arc wire spraying process.
Die DE 10 2009 002 653 B3 beschriebt ein Verfahren zur DE 10 2009 002 653 B3 describes a method for
Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem ein Bereich, der bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal und eine Kolbenringnut aufweist, zunächst ausgespart wird, der spätere Kühlkanal nachfolgend abgedeckt wird und schlieElich Material zur Aufnahme des Kolbenrings aufgetragen wird, und das sich dadurch auszeichnet, dass der spätere Kühlkanal durch Drahtmaterial abgedeckt wird, das mit einer Länge, die größer ist als die für einen einzigen Kolben notwendige Länge, bereitgestellt wird. Production of a piston for an internal combustion engine, wherein a region which in the finished piston a cooling channel and a piston ring groove, is first recessed, the subsequent cooling channel is subsequently covered and finally material for receiving the piston ring is applied, and which is characterized in that the later cooling channel is covered by wire material having a length which is greater than that necessary length for a single piston is provided.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Eisen- Aluminium-Legierung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Legierung im Hinblick auf eine Verwendung dieser als besonders leistungsf hige Armierung für Kolbenringnuten vorzusehen. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung einen Kolben für einen Verbrennungsmotor vorzusehen, der im Hinblick auf das Verschleißverhalten, insbesondere im Bereich der obersten Ringnut, verbessert ist. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens vorgestellt werden .  The invention has for its object to provide an iron-aluminum alloy and a method for producing such an alloy with a view to using this as a particularly powerful armoring for piston ring grooves. Further, it is an object of the invention to provide a piston for an internal combustion engine, which is improved in terms of wear behavior, in particular in the region of the uppermost annular groove. Furthermore, a method for producing such a piston will be presented.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt zum einen durch die im Anspruch 1 beschriebene Eisen-Aluminium-Legierung.The solution of the above object is achieved on the one hand by the iron-aluminum alloy described in claim 1.
Die Eisen-Aluminium-Legierung weist etwa 40 Vol . -% bis etwa 70 Vol . -% Eisen- Phasen und etwa 3 Vol . - bis etwa 60 Vol . - % intermetallische Phasen und als Rest Aluminium-Phasen auf .The iron-aluminum alloy has about 40 vol. -% to about 70 vol. -% iron phases and about 3 vol. - to about 60 vol. -% intermetallic phases and the rest aluminum phases on.
Die beschriebene Eisen-Äluminium-Legierung kann auch als Pseudolegierung bezeichnet werden . Dabei sind unterThe described iron-aluminum alloy may also be referred to as a pseudo alloy. Here are under
Pseudolegierungen Materialien zu verstehen, die sich normalerweise nicht konventionell aus der Schmelzphase erzeugen lassen. Die enthaltenen intermetallischen Phasen zeichnen sich durch eine inhärent hohe Festigkeit, insbesondere eine gute Warmfestigkeit aus, weiche die Legierung für die Anwendung in hochbelasteten Kolben von Verbrennungsmotoren gut geeignet erscheinen iässt. Besonders vorteilhaft ausgeprägt sind diese Effekte in dem erfindungsgemäßen Anteilsbereich der intermetallischen Phasen . Insgesamt ist die Legierung durch das komplexe mehrphasige Gefüge für den Einsatz; unter Bedingungen mit hohen mechanischen und thermischen Belastungen prädestiniert. Pseudo alloys to understand materials that can not be produced conventionally from the melt phase. The contained intermetallic phases are characterized by an inherently high strength, in particular a good heat resistance, which makes the alloy suitable for use in highly stressed pistons of internal combustion engines. These effects are particularly advantageous in the proportion range of the intermetallic phases according to the invention. Overall, the alloy is complex multi-phase microstructures for use; predestined under conditions with high mechanical and thermal loads.
Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Eisen- Aluminium-Legierung sind in den weiteren Ansprüchen 2 bis 4 besehrieben. Preferred developments of the iron-aluminum alloy according to the invention are in the further claims 2 to 4 besehrieben.
Die Legierung weist bevorzugt etwa 5 Gew . - % bis etwa 25 Gew. -The alloy preferably has about 5 wt. % to about 25% by weight
% Silizium und/oder Magnesium auf. Das in dem bevorzugten Konzentrationsbereich vorliegende Silizium dient zur besseren Kontrolle der Phasenbildung in der Pseudolegierung. Weiter wird eine vorteilhafte Verringerung der Dichte der Legierung erzielt . % Silicon and / or magnesium. The silicon present in the preferred concentration range serves to better control the phase formation in the pseudo-alloy. Furthermore, an advantageous reduction in the density of the alloy is achieved.
Die intermetallischen Phasen der Legierung bestehen bevorzugt zu mindestens etwa 90 Gew. -% aus Eisen und/oder Aluminium und Silizium und/oder Magnesium als Rest . Ferner sind diese Phasen bevorzugt binäre und/oder ternäre intermetallische Phasen, die Eisen und/oder Aluminium und/oder Silizium und/oder Magnesium aufweisen. Ais Beispiele seien FeAl , Fe2Al , AlFe3, FeAl3 und Al9Fe2Si2 genannt . Im Speziellen sind Fe-AI Phasen besonders beständig in oxidierenden und aufkohlenden Atmosphären . Die rasterelektronenmikroskopisehe Aufnahme in Fig . 1 zeigt ein komplexes Gefüge, wobei die verschiedenen intermetallischen Phasen 1 (grau) , in Analogie zu einem Verbundwerkstoff, ein durchdringendes Netzwerk mit Aluminium- 2 (schwarz) und Eisen- Phasen 3 (weiß) bilden. Diese Mikrostruktur hat vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf den Einsatz als Verschleißschutzschicht in hochbelasteten Kolben . The intermetallic phases of the alloy preferably consist of at least about 90% by weight of iron and / or aluminum and silicon and / or magnesium as the remainder. Furthermore, these phases are preferably binary and / or ternary intermetallic phases which have iron and / or aluminum and / or silicon and / or magnesium. Examples include FeAl, Fe 2 Al, AlFe 3 , FeAl 3 and Al 9 Fe 2 Si 2 . In particular, Fe-Al phases are particularly resistant in oxidizing and carburizing atmospheres. The scanning electron microscope image in FIG. 1 shows a complex structure in which the various intermetallic phases 1 (gray), in analogy to a composite material, form a penetrating network with aluminum 2 (black) and iron phases 3 (white). This microstructure has advantageous properties with regard to the use as wear protection layer in highly loaded pistons.
Ferner ist es vorteilhaft für die erfindungsgemäße Legierung, wenn sie geringe. Anteile an Molybdän, Chrom , Kohlenstoff, Silizium, Aluminium und/oder Magnesium aufweist . Furthermore, it is advantageous for the alloy according to the invention, if they are low. Has proportions of molybdenum, chromium, carbon, silicon, aluminum and / or magnesium.
Weitere vorteilhafte Effekte können erreicht werden, indem die Legierung eine mittlere Härte zwischen etwa 150 HV1 und etwa 600 HV1 aufweist . Eine Härte größer als z.B. die einesFurther advantageous effects can be achieved by the alloy having an average hardness of between about 150 HV1 and about 600 HV1. A hardness greater than e.g. the one
Koibengrundwerkstoffes wird benötigt, um im Fall , dass dieKoibengrundwerkstoffes is required in the event that the
Legierung als Ringnutarmierung eingesetzt wird, der hochbelastete Kolbenring ein optimale, mechanisch robuste Aufnahme erfährt und somit den hohen Flächenpressungen standhält. Ferner ist es von großer Wichtigkeit, dass der die Hut umgebende Bereich den hohen Anforderungen im Hinblick auf Druck- und Temperaturbelastungen entspricht. Alloy is used as Ringnutarmierung, the Highly loaded piston ring experiences an optimal, mechanically robust recording and thus withstands the high surface pressures. Furthermore, it is of great importance that the area surrounding the hat meets the high requirements with regard to pressure and temperature loads.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt des Weiteren durch den im Anspruch 5 beschriebenen Kolben,  The solution of the above object is further achieved by the piston described in claim 5,
Demnach wird bei einem Kolben für einen Verbrennungsmotor zumindest ein Bereich der ersten Ringnut zumindest teilweise ausgespart und mit einer Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufgefüllt. Das zum Auffüllen verwendete Material bildet dabei eine Verschleißschutzschicht die zum Beispiel als besonders vorteilhafte Basis zur Einbringung einer Ringnut und später zur Aufnahme eines Kolbenrings dienen kann. Die Verschleißschutzschicht bildet damit eine Kolbenringnutarmierung, Mit Vorteil kann die am Kolben befindliche Kolbenringnut daher den hohen Flächenpressungen und Verschieißbeanspruchungen besser standhalten, was gleichzeitig die Betriebslebensdauer des Kolbens insgesamt vorteilhaft verlängert und dessen Betriebsverhalten, verbessert .  Accordingly, in a piston for an internal combustion engine, at least a portion of the first annular groove is at least partially recessed and filled with an alloy according to one of claims 1 to 4. The material used for filling forms a wear protection layer which can serve as a particularly advantageous basis for introducing an annular groove and later for receiving a piston ring, for example. The wear protection layer thus forms a Kolbenringnutarmierung, Advantageously, the piston ring groove located on the piston therefore better withstand the high surface pressures and Verschiebißbeanspruchungen, which at the same time advantageously extends the service life of the piston and its performance improved.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen 6 und 7 beschrieben.  Preferred developments of the piston according to the invention are described in the further claims 6 and 7.
Mit Vorteil liegen eine Nutoberflanke und eine Nutunterflanke der Aussparung in einem Winkel von etwa 30° bis etwa 70° zueinander. In diesem Winkelbereich wird eine optimale Haftfestigkeit des zum Auffüllen verwendeten Materials in der Nut erreicht.  Advantageously, a Nutoberflanke and Nutunterflanke the recess are at an angle of about 30 ° to about 70 ° to each other. In this angular range, an optimal adhesion of the material used for filling in the groove is achieved.
In vorteilhafter Weise kann der erfindungsgemäße Kolben einen radial innerhalb der Ringnut liegenden Bereich aufweisen, der nicht aufgefüllt ist und damit einen Kühlkanal bildet. Dies kann erreicht werden, indem vor dem Auffüllen eine entfernbare Masse, beispielsweise eine Salzmasse in die Aussparung im Bereich der ersten Ringnut eingebracht wird. Nach dem Auffüllen und der Beseitigung der entfernbaren Masse verbleibt ein Hohlraum hinter der Verschleißschutzschicnt , der den Kühlkanal bildet. Alternativ kann, wie in DE 10 2009 002 653 B3 beschrieben, auch eine Abdeckung des spätere Kühlkanals mit Draht- oder Bandmaterial erfolgen» Damit kann ein fertigungstechnisch aufwendigeres Einbringen im Zuge einer Nachbearbeitung oder während des Urformens umgangen werden. Advantageously, the piston according to the invention may have a region located radially within the annular groove, which is not filled and thus forms a cooling channel. This can be achieved by introducing a removable mass, for example a salt mass, into the recess in the region of the first annular groove before filling. After padding and disposal of removable mass a cavity remains behind the wear protection layer, which forms the cooling channel. Alternatively, as described in DE 10 2009 002 653 B3, a cover of the subsequent cooling channel with wire or strip material done »This can be bypassed a production-technically complicated introduction in the course of post-processing or during the primary molding.
Ferner wird die genannte Aufgabe durch das im Anspruch 8 beschriebene Herstellungsverfahren der Eisen-Aluminium- Legierung gelöst. Furthermore, the above object is achieved by the method of manufacturing the iron-aluminum alloy described in claim 8.
Die beschriebene Eisen-Aluminium-Legierung wird dabei durch einen thermischen Spritzprozess auf einer Oberfläche erzeugt, wobei eine Temperatur der Oberfläche zwischen etwa 150 °C und etwa 400 °C beträgt. Die Vorteilhaftigke.it des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt u.a. in der Herstellung der zuvor beschriebenen Eisen-Aluminium-Legierung mit den oben genannten Vorteilen, besonders im Hinblick auf den Einsatz als Ringnutarmierung eines Kolbens. Der gewählte Temperaturbereich für den thermischen Spritzprozess stellt sicher, dass sich ausreichend geeignete metallischen und intermetallischen Phasen bilden, um das besonders vorteilhafte mehrphasige Gefüge zu erhalten. The described iron-aluminum alloy is thereby produced by a thermal spraying process on a surface, wherein a temperature of the surface is between about 150 ° C and about 400 ° C. The Vorteilhaftigke.it of the method is u.a. in the production of the previously described iron-aluminum alloy with the above-mentioned advantages, especially with regard to the use as an annular groove reinforcement of a piston. The selected temperature range for the thermal spraying process ensures that sufficient suitable metallic and intermetallic phases form to obtain the particularly advantageous multi-phase structure.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen 9 bis 11 beschrieben. Preferred developments of the method according to the invention are described in the further claims 9 to 11.
Der thermische Spritzprozess ist vorzugsweise ein Lichtbogendrahtspritzprozess . Mit diesem Spritzverfahren können unterschiedliche Materialien vorteilhaft miteinander kombiniert werden, indem zwei oder mehr unterschiedlicheThe thermal spraying process is preferably an arc wire spraying process. With this spraying method, different materials can be advantageously combined with each other by having two or more different ones
Drähte zugeführt werden. Die beschriebene Legierung wird dabei bevorzugt aus zumindest zwei Drahtmaterialien aus Fe- und AI-Basislegierungen oder aus Mischdrähten auf Fe- und AI - Basis erhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere das Lichtbogendrahtspritzen, ermöglicht somit die besonders vorteilhafte Erzeugung und Optimierung neuartiger Materialien wie zum Beispiel die hier beschriebene Pseudolegierung. Ferner könnten durch die Verwendung von Fülldrähten Hartstoffe wie, z.B. Oxide, Karbide und Nitride verarbeitet und in Verschleißschutzschichten integriert werden. Wires are supplied. The described alloy is preferably obtained from at least two wire materials of Fe and Al base alloys or of mixed wires based on Fe and Al. The method according to the invention, in particular the arc wire spraying, thus enables the particularly advantageous production and optimization of novel materials, such as the pseudo alloy described here. Furthermore, through the use of cored wires hard materials such as oxides, carbides and nitrides could be processed and integrated into wear protection layers.
Die Variation der Prozessparameter des The variation of the process parameters of the
Lichtbogendrahtspritzens, z.B. der Vorschubgeschwindigkeit der Drähte, erlaubt u.a. die Erzeugung einer chemischen Gradientenstruktur in dem Auffüllraateriai . Denkbar ist zum Beispiel eine Anreicherung von Aluminium an den Grenzflächen zum Koibengrundwerkstoff , sinnvollerweise wenn dieser aus einer Aluminiumbasislegierung gefertigt ist. Vorteilhaft daran ist, dass Unterschiede in der thermischen Ausdehnung zwischen Kolbengrundmaterial und Auffüilmaterial reduziert werden können. Weitere Vorteile können erlangt werden, indem die Grenzflächenfestigkeit mit Bezug auf das Grundmaterial des Kolbens angepasst wird. Neben dieser guten Anpassung, ist es ebenfalls denkbar die Zusammensetzung des Auffüllmaterials in Außenbereichen, d.h. in solchen, die in Kontakt mit einem einzubringenden Kolbenring sind, z.B. mechanisch und tribologisch zu optimieren. Insbesondere dasArc wire spraying, e.g. the feed rate of the wires, allowed u.a. the generation of a chemical gradient structure in the filling space. It is conceivable, for example, an enrichment of aluminum at the interfaces to the Koibengrundwerkstoff, usefully if this is made of an aluminum-based alloy. The advantage of this is that differences in the thermal expansion between the piston base material and Auffüilmaterial can be reduced. Further advantages can be obtained by adjusting the interfacial strength with respect to the base material of the piston. In addition to this good match, it is also conceivable to design the composition of the padding material in outdoor areas, i. in those in contact with a piston ring to be inserted, e.g. to optimize mechanically and tribologically. In particular, that
Lichtbogendrahtspritzen. bietet dafür auf Grund seiner Prozessflexibilität besondere Vorteile. Ferner ist das Lichtbogendrahtspritzen ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung hochwertiger Schichten im industriellen Maßstab mit überschaubaren apparativen Anforderungen. Insgesamt hat das Lichtbogendrahtspritzen großes Entwicklungspotential für neue Werkstoffkombinationen und Anwendungen insbesondere auch für hochbelastete Bauteile in Verbrennungsmotoren. Arc wire spraying. offers special advantages due to its process flexibility. Furthermore, the arc wire spraying is a cost-effective method for producing high-quality layers on an industrial scale with manageable equipment requirements. Overall, the arc wire spraying has great development potential for new material combinations and applications in particular for highly stressed components in internal combustion engines.
Bevorzugt weisen die Drahtmaterialien, die zur Herstellung der Legierung verwendet werden etwa 0 , 2 % bis etwa 5,0 % Magnesium, etwa 0,2 % bis etwa 5 , 0 % Molybdän, etwa 0,2 % bis etwa 5 , 0 % Chrom, etwa 0, 2 % bis etwa 5, 0 % Kohlenstoff und/oder etwa 0 , 2 % bis etwa 5 , 0 % Mangan auf . Die Anwesenheit zumindest eines dieser Elemente bedeutet , dass diese auch in der erzeugten Legierung vorliegen können und die Ausbildung von intermetallischen Phasen bzw. die mechanischen Eigenschaften der Aluminium- und/oder Eisen- Phasen positiv beeinflussen. Preferably, the wire materials used to make the alloy are from about 0.2 to about 5.0 percent magnesium, from about 0.2 percent to about 5.0 percent molybdenum, from about 0.2 percent to about 5.0 percent chromium , about 0, 2% to about 5, 0% carbon and / or about 0, 2% to about 5, 0% manganese on. The presence of at least one of these elements means that they can also be present in the produced alloy and the formation of intermetallic phases or the have a positive influence on the mechanical properties of the aluminum and / or iron phases.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch das in Anspruch 12 beschriebene Herstellungsverfahren des The solution of the above object is further achieved by the method described in claim 12 of the
Kolbens , Piston,
Im Rahmen des Herstellungsverfahrens des erfindungsgemäßen Kolbens gemäß einem der Ansprüche 5-7, wird zumindest ein Bereich der obersten Ringnut zumindest teilweise ausgespart. Mit anderen Worten wird ein Bereich der Ringnut z.B. bereits während des ürformens eines Kolbenrohlings, beispielsweise beim Gießen, ausgespart, das heißt, es findet sich eine Ausnehmung oder dergleichen in dem Bereich, in dem später die oberste Ringnut auszubilden ist . Alternativ oder ergänzend hierzu kann bei dem Kolbenrohling der Bereich der obersten Ringnut zunächst ganz oder teilweise vorhanden sein, und es wird, beispielsweise durch spanende Bearbeitung, das Material des Kolbenrohlings im Bereich der späteren obersten Ringnut entfernt. Insbesondere wird die beschriebene Aussparung bevorzugt zumindest ein wenig größer als die spätere oberste Ringnut ausgeführt, sodass die nachfolgenden As part of the manufacturing process of the piston according to the invention according to one of claims 5-7, at least a portion of the uppermost annular groove is at least partially recessed. In other words, a portion of the annular groove is e.g. Already during the ürformens a piston blank, for example when casting, recessed, that is, there is a recess or the like in the area in which later the uppermost annular groove is to be formed. Alternatively or additionally, in the case of the piston blank, the region of the uppermost annular groove may initially be wholly or partly present, and the material of the piston blank in the region of the later uppermost annular groove is removed, for example by machining. In particular, the recess described is preferably carried out at least a little larger than the later uppermost annular groove, so that the following
Verfahrensschritte durchgeführt werden können. Procedural steps can be performed.
Nach der Erzeugung der Aussparung während des ürformens oder durch Nachbearbeitung des Kolbenrohlings wird diese durch einen Spritzprozess aktiviert d.h. die Oberflächen der Aussparung werden aufgeraut. Dies kann durch ein Strahiverfahren mit Festkörpern oder Flüssigkeiten erfolgen. Als Resultat ergibt sich ein geeigneter Haftgrund für das Material, mit dem die Aussparung anschließend durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8-11 aufgefüllt wird.  After the formation of the recess during the molding or by reworking the piston blank, this is activated by an injection process, i. the surfaces of the recess are roughened. This can be done by a radiation process with solids or liquids. The result is a suitable primer for the material, with which the recess is then filled by a method according to any one of claims 8-11.
Die Vorteilhaftigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt u.a. in der Herstellung des zuvor beschriebenen Kolbens mit seinen verbesserten Eigenschaften. Ferner bildet die zum Auffüllen verwendete Eisen-Aluminium-Legierung die vorteilhafte Verschleißschutzschicht , aus de in einem späteren Prozessschritt , beispielsweise eine Ringnut zur Aufnahme einen Kolbenrings herausgearbeitet werden kann. Folglich muss nicht auf fertigungstechnische Alternativen wie z.B. das Eingießen eines separaten Ringträgers zurückgegriffen werden, was mit hohem technischem Aufwand einhergehen 'würde, welcher durch die vorliegende Erfindung vermieden wird. Ferner stellt ein solcher Ringträger eine mögliche Fehlerquelle und Ursache für Bauteilversagen dar, da es bei dessen Einbringung zu Lage- und Bindungsfehlern kommen kann. Darüber hinaus ist das Eingießen eines Ringträgers bei denjenigen Herstellungserfahren, die bevorzugt für Kolben verwendet werden, z.B.. Guss- und Schmiedeverfahren, oft nicht durchführbar. Insgesamt ergibt sich aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor. The advantage of the method according to the invention lies inter alia in the production of the previously described piston with its improved properties. Furthermore, the iron-aluminum alloy used for filling forms the advantageous anti-wear layer, from de in a later process step, for example, an annular groove to Recording a piston ring can be worked out. Consequently, not pouring a separate ring carrier have to be used, which 'would be accompanied by high technical effort, which is avoided by the present invention to production engineering alternatives such as. Furthermore, such a ring carrier is a possible source of error and cause of component failure, since it can lead to positional and binding errors in its introduction. In addition, the pouring of a ring carrier in those manufacturing processes, which are preferably used for pistons, eg. Casting and forging process, often not feasible. Overall, the method according to the invention results in a cost-effective method for producing a piston for an internal combustion engine.

Claims

Patentansprüche claims
1. Eisen-Aluminium-Legierung, die etwa 40 Vol . - % bis etwa 70 Vol . -% Eisen-Phasen, etwa 3 Vol . - bis etwa 60 Vol . -% intermetallische Phasen und als Rest Aluminium-Phasen aufweist . 1. iron-aluminum alloy containing about 40 vol. -% to about 70 vol. -% iron phases, about 3 vol. - to about 60 vol. - Has% intermetallic phases and the balance aluminum phases.
2. Eisen-Aluminium-Legierung gemäß Anspruch 1, wobei die Legierung etwa 5 Gew. -% bis etwa 25 Gew . - % Silizium und/oder Magnesium aufweist.  2. An iron-aluminum alloy according to claim 1, wherein the alloy is about 5 wt .-% to about 25 wt. -% silicon and / or magnesium.
3. Eisen-Aluminium-Legierung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 2, wobei die intermetallischen Phasen zu mindestens etwa 90 Gew. -% aus Eisen und/oder Aluminium und als Rest aus Silizium und/oder Magnesium bestehen. 3. Iron-aluminum alloy according to one of the preceding claims 1 to 2, wherein the intermetallic phases to at least about 90 wt -.% Of iron and / or aluminum and the remainder of silicon and / or magnesium.
4. Eisen-Aluminium-Legierung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, wobei die Legierung eine mittlere Härte zwischen etwa 150 HV1 und etwa 600 HV1 aufweistThe iron-aluminum alloy according to any of the preceding claims 1 to 3, wherein the alloy has an average hardness between about 150 HV1 and about 600 HV1
5. Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei zumindest ein Bereich einer ersten Ringnut zumindest teilweise ausgespart ist und mit einer Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufgefüllt ist. 5. Piston for an internal combustion engine, wherein at least a portion of a first annular groove is at least partially recessed and filled with an alloy according to one of claims 1 to 4.
6. Kolben gemäß Anspruch 5, wobei eine Hutoberflanke und eine Nutunterflanke der Aussparung in einem Winkel von etwa 30 0 bis etwa 70 0 zueinander liegen . 6. Piston according to claim 5, wherein a Hutoberflanke and a Nutunterflanke the recess at an angle of about 30 0 to about 70 0 to each other.
7. Kolben gemäß eine der vorangegangenen Ansprüche 5 bis 6, wobei ein radial innerhalb der Ringnut liegender Bereich nicht aufgefüllt ist , um einen Kühlkanal auszubilden.  7. Piston according to one of the preceding claims 5 to 6, wherein a radially located within the annular groove area is not filled to form a cooling channel.
8. Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium-Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Legierung durch einen thermischen Spritzprozess auf einer Oberfläche erzeugt wird, wobei eine Temperatur der Oberfläche zwischen etwa 150 °C und etwa 400 °C beträgt. 8. A method of producing an iron-aluminum alloy according to any one of claims 1 to 4, wherein the alloy is produced by a thermal spraying process on a surface, wherein a temperature of the surface is between about 150 ° C and about 400 ° C.
9. Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium-Legierung gemäß Anspruch 8, wobei der thermische Spritzprozess ein Lichtbogendrahtspritzprozess ist . 9. A method of producing an iron-aluminum alloy according to claim 8, wherein the thermal spraying process is an arc wire spraying process.
10. Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium- Legierung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 9, wobei die Legierung aus zumindest zwei Drahtmaterialien aus Eisen- und Aluminium-Basislegierungen erhalten wird oder aus Mischdrähten auf Eisen- und Aluminium-Basis erhalten wird. A process for producing an iron-aluminum alloy according to any one of preceding claims 8 to 9, wherein the alloy is obtained from at least two wire materials of iron and aluminum base alloys or is obtained from iron and aluminum based composite wires.
11. Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium- Legierung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 10, wobei die Drahtmaterialien geringe Anteile an Magnesium., Molybdän, Chrom, Kohlenstoff und/oder Mangan aufweisen, 11. A process for producing an iron-aluminum alloy according to any one of the preceding claims 8 to 10, wherein the wire materials contain small amounts of magnesium . , Molybdenum, chromium, carbon and / or manganese,
12. Verfahren zur Hersteilung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7 , wobei zumindest ein Bereich einer ersten Ringnut zumindest teilweise ausgespart wird und anschließend die Aussparung durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11 aufgefüllt wird. 12. A method for the production of a piston for an internal combustion engine according to one of claims 5 to 7, wherein at least a portion of a first annular groove is at least partially recessed and then the recess is filled by a method according to any one of claims 8 to 11.
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