Verfahren zur Herstellung von Leichtinetallkoluen. Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zur Herstellung von Leichtmetallkol ben: für Brennkraftmaschinen oder andere Arbeitsmaschinen durch Giessen. Es ist be kannt, dass gegossene Kolben aus Leicht metallen und deren Legierungen kein dichtes Metallgefüge besitzen und zu Gaseinschlüssen neigen, die aus Luft oder aus Wasserstoff bestehen. Zwar versucht man durch geeig nete Behandlung der geschmolzenen Werk stoffe die Gaseinschlüsse nach Möglichkeit zu vermeiden; sie ganz zu verhindern, ist jedoch unmöglich.
Daher erreichen gegossene Leicht metallkolben nie die Festigkeit, welche bei gepressten Kolben erzielt werden kann. Auch auf die Wärmeleitfähigkeit wirken sich die Gaseinschlüsse störend aus, .da sie einen glat ten Wärmefluss verhindern. Anderseits bietet aber der gegossene Leichtmetallkolben gegen über einem .gepressten insofern Vorteile, als eine beliebige konstruktive Form mit beliebig angeordneten Aussparungen und Rippen in verhältnismässig einfacher und billiger Weise durch Giessen hergestellt werden kann.
Auch bezüglich der Laufeigenschaften des Kolbens wirken sich die Gaseinechlüsse in durchaus erwünschtem Sinne aus, weil der porige Werkstoff eine gute Ölhaftung ermöglicht.
Bei sehr hohen Beanspruchungen genügt jedoch die Festigkeit und die Wärmeleitfähig- keitdes gegossenen Werkstoffes nicht mehr allen Ansprüchen. Man muss in diesem Falle zu gepressten Rohlingen übergehen und er reicht durch das beim Pressling dichtere Ge füge grössere Festigkeit sowie durch -den aus gerichteten Faserverlauf desWerkstoffeseine bessere Wärmeleitfähigkeit.
Anderseits hat aber,der .gepresste Kolben gegenüber dem ge gessenen Nachteile, welche durch die Art des Pressvorganges bestimmt .sind. Beim Pressvor- gang können nämlich im Kolbeninnern keine Hinterschneidungen und keine beliebig aus geführten Rippen erzielt werden. Ferner sind die Laufeigenschaften des verdichteten Werk stoffes nicht so gut wie beim gegossenen Werkstoff, weil die porige Struktur dies Ge füges nicht mehr vorhanden ist.
Die Erfindung bezweckt, einen Leicht metallkolben zu schaffen, der die guten Eigenschaften der gegossenen Kolben mit denen der gepress,ten Kolben vereint, ohne deren Nachteile aufzuweisen. Dies wird beim Verfahren gemäss der Erfindung zur Herstel lung von Leichtmetallkolben durch Giessen dadurch erreicht, dass thermisch oder mecha nisch hochbelastete Kolbenteile, wie z. B.
Teile des Kolbenbodens, die Kolbenringzone oder .die Bolzennaben, als gepresste Werk stücke aus einer Leichtmetallknetlegieriing für sich hergestellt und von der zur Herstel lung des Hauptkörpers des Kolbens dienen den Legierung .derart umgossen werden, dass eine Legierung lediglich an den umgossenen Oberflächen der Pressstücke stattfindet, dass aber deren Pressstruktur erhalten bleibt.
Die Erfindung ist von der Überlegung ausgegangen, dass bei sehr starker Beanspru- ehung gegossener Kolben deren Festigkeits eigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit nicht in allen Teilen des Kolbens unzurei chend werden. Vielmehr sind bei höchsten Be anspruchungen in gegossenen Kolben nur ge wisse örtliche, meist kleine Teile des. Kolbens den Beanspruchungen nicht mehr gewachsen.
Am meisten beansprucht sind, beispielsweise im Dieselmotor, diejenigen Teile des Kolben bodens, welche zur Sicherstellung der CTe- mischaufbereitung zerklüftet sind, wobei vor springende Nasen und Kanten vom Einspritz- strahl getroffen werden und diesen Einspritz- strahl in bestimmte Bahnen zu lenken haben.
In diesen Nasen und Vorsprüngen treten bei gegossenen Kolben häufig nach kürzerer oder längerer Laufzeit Wärmerisse auf, welche .durch eindichteres Gefüge und Ausrichtung des Faserverlaufes und der damit ursächlich zusammenhängenden besseren Wärmeleit fähigkeit in diesen örtlich hochbeanspruchten Zonen vermieden werden. Bisher hat man in solchen Fällen meist den gegossenen Kolben durch den gepressten Kolben ersetzt und hat die schon angedeuteten Nachteile des gepress- ten Kolbens, nämlich seine aus Gründen der Herstellung einfachere und daher oft nicht zweckmässige Konstruktion und seine sehlech- teren Laufeigenschaften in Kauf nehmen müssen.
Den gepressten Teilstücken können so ein- fache Formen gegeben werden, dass der Faserverlauf auf alle Fälle erreicht wird.
Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens ist dafür zu sorgen, =dass die in die Kokille eingelegten gepressten Werkstück beim nachfolgenden Umgiessen mit der Kol- bengusslegierung einerseits an den umgOsse- nen Oberflächen der Pressstücke eine feste Verbindung mit dem Gusskörper eingehen, anderseits aber sich mit diesem nur an der Oberfläche legieren und nicht etwa schmel zen oder auch nur ihre dem gepressten Werk stoff cigentüinliclre Struktur verlieren.
Die Erfahrung hat bewiesen, da.ss das gewünschte Ergebnis z. B. durch geeignete Wahl der Ko- killentemperatur und der Fliessrichtung des eingegossenen 11Tetalles ohne besondere Schwierigkeit zu erreichen ist.
Die in die Ko kille eingelegten Pressteile werden dann durch ihre Wärmeabgabe an die Kokille beim Um giessen nur an den umgossenen Rändern und Flächen vom flüssigen Giessmetall aasge schmolzen und legieren mit diesem fugenlos, während der Kern. der eingelegten Pressstiicke in seiner Struktur unverändert bleibt.
Es ist zwar bekannt, beim Guss von Kol ben verschiedene Gusslegierungen zu verwen den, so dass einzelne Kolbenteile bestimmte durch die jeweils angewendete Gusslegierung hervorgerufene Eigenschaften aufweisen. Bei spielsweise ist vorgeschlagen worden, den Kolbenboden aus einer hochprozentigen iUa- gnesiumlegieriing und den Kolbenschaft aus einer stark siliziumha.ltigen Aluminiumlegie rung zu giessen.
Die aus den verschiedenen Legierungen beistehenden Kolbenteile sollen dabei durch das Vergiessen oder auch durch Pressen oder durch mechanische Verbin- dungsmittel miteinander verbunden werden. A.nf diese Weise ist es aber nicht möglich, bestimmten Teilen des Kolbens die hohen Festigkeitseigenschaften und das grosse Wärmeleitvermögen zu verleihen, welche dem i gepressten Leichtmetall eigentümlich sind.
Auch hat man bei im ganzen oder zum überwiegenden Teil gepressten Kolben ein zelne Teile aus Gusslegierungen von so hoher Härte und geringer Dehnung hergestellt, dass diese Teile zufolge ihrer physikalischen Eigenschaften nicht mehr pressbar sind.
Bei spielsweise wählte man für den Kolbenboden eine Legierung von höherer Härte und höhe rer Warmfestigkeit als für den Kolbenman- tel,der aus einer Legierung mit höherer Deh nung besteht und ein geknetetes Gefüge auf- ,veist. Ein solcher Kolben ist je=doch als ge- presster Kolben anzusprechen.
Er unterliegt hinsichtlich seiner Formgebung den für ge- presste Kolben geltenden Beschränkungen, und die Laufeigenschaften seines Mantels mit geknetetem Gefüge sind den Laufeigenschaf ten gegossener Kolben unterlegen.
Im Gegensatz zu diesen bekannten Leicht metallkolben aus zwei verschiedenen. Werk stoffen zeichnet .sich ein nach einer bevorzug ten Ausführungsform des Verfahrens gemäss der Erfindung hergestellter Kolben gerade dadurch aus, dass die gleiche Leichtmetall- knetlegierung sowohl für,die Herstellung der Pressstücke, .als auch für das Giessen des übrigen Kolbenkörpers angewendet wird.
Die erwünschte Legierung zwischen den umgos senen; Oberflächen der Pressstücke und dem Gusskörper tritt bei dieser Ausführung -der Erfindung in besonders zuverlässiger Weise ein, und die mechanischen und thermischen Unterschiede der Kolbenteile beruhen in die sem Falle ausschliesslich auf der verschiede nen Verarbeitung des Werkstoffes. Bekannt lich kann die Festigkeit von Leichtmetall- knetlegierungen, die auch zum Giessen gut geeignet sind, durch Pressen bis um 50 % und mehr gesteigert werden.
Die Zeichnung veranschaulicht die Erfin dung an zwei Ausführungsbeispielen von Kolben, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt sind.
Fig. 1 zeigt einen Kolben mit im Boden eingesenktem Verbrennungsraum für Diesel- motore zur Hälfte in senkrechtem Schnitt mit einem als Pressstück eingegossenen Mün dungsrand des Verbrennungsraumes.
Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Kolben in entsprechender Darstellung, bei :dem der obere Teil oder Kolbenringzone als Pressstüek eingegossen ist.
Zunächst werden die hochbeanspruchten Kolbenteile 2, wie Kolbenriugzone oder Ver- brennungskammermündung, für sich als fer tig gepressteWerkstücke aus einer Leicht- metallknetlegierung hergestellt, dann in die Kokille eingesetzt und mit der den übrigen Kolbenkörper 1 bildenden Legierung umgos sen.
Die Kokillentemperatur und der Werk- stoffffuss beim Giessen sind, letzterer durch entsprechende Wahl der Eingussrichtung sowie Anzahl und Anordnung der Steiger, so zu steuern, dass die eingesetzten Pressstücke nur an ihren umgossenen Flächen anschmel- zen und sich mit dem Giesswerkstoff legieren,
im übrigen aber ihre Pressstruktür behalten.
Process for the production of light metal columns. The invention relates to a Ver drive for the production of light metal pistons: for internal combustion engines or other work machines by casting. It is known that cast pistons made of light metals and their alloys do not have a dense metal structure and tend to contain gas that consists of air or hydrogen. It is true that one tries to avoid gas inclusions if possible by appropriately treating the molten material; however, it is impossible to prevent it entirely.
Therefore, cast light metal pistons never achieve the strength that can be achieved with pressed pistons. The gas inclusions also have a disruptive effect on the thermal conductivity, as they prevent a smooth flow of heat. On the other hand, however, the cast light metal piston offers advantages over a pressed one insofar as any structural shape with any desired recesses and ribs can be produced in a relatively simple and inexpensive manner by casting.
The gas inclusions also have a desirable effect on the running properties of the piston, because the porous material enables good oil adhesion.
With very high loads, however, the strength and thermal conductivity of the cast material no longer meet all requirements. In this case, you have to switch to pressed blanks and the denser structure of the pressed part provides greater strength and better thermal conductivity due to the oriented fiber course of the material.
On the other hand, however, the pressed piston has disadvantages compared to the previous one, which are determined by the type of pressing process. During the pressing process, in fact, no undercuts and no random ribs can be achieved in the interior of the piston. Furthermore, the running properties of the compacted material are not as good as those of the cast material, because the porous structure of this Ge structure no longer exists.
The aim of the invention is to create a light metal piston which combines the good properties of the cast piston with those of the pressed piston without exhibiting their disadvantages. This is achieved in the method according to the invention for the produc- tion of light metal pistons by casting in that thermally or mechanically highly stressed piston parts, such as. B.
Parts of the piston crown, the piston ring zone or the pin bosses, are manufactured as pressed work pieces from a light metal wrought alloy and are used to manufacture the main body of the piston. The alloy is cast in such a way that an alloy only takes place on the cast surfaces of the pressed pieces but that their press structure is retained.
The invention is based on the consideration that when cast pistons are subjected to very high loads, their strength properties and thermal conductivity are not inadequate in all parts of the piston. Rather, only certain local, mostly small parts of the piston are no longer able to withstand the stresses in cast pistons when the loads are extremely high.
The most stressed parts of the piston crown, for example in the diesel engine, are those parts of the piston crown which are fissured to ensure the C-mixture preparation, with projecting noses and edges being hit by the injection jet and having to direct this injection jet into certain paths.
In these lugs and projections, with cast pistons, heat cracks often occur after a shorter or longer period of time, which can be avoided in these locally highly stressed zones due to a more compact structure and alignment of the fiber orientation and the associated better thermal conductivity. Up to now, in such cases, the cast piston has mostly been replaced by the pressed piston and the disadvantages of the pressed piston already indicated, namely its simpler and therefore often inexpedient construction and its poor running properties, which are simpler for manufacturing reasons .
The pressed parts can be given such simple shapes that the grain is always achieved.
During the practical implementation of the process, care must be taken that the pressed workpiece inserted into the mold, during the subsequent encapsulation with the piston casting alloy, on the one hand establish a firm connection with the cast body on the encapsulated surfaces of the pressed pieces, and on the other with this Alloy only on the surface and not melt or even lose their structure, which is unique to the pressed material.
Experience has shown that the desired result e.g. B. can be achieved without particular difficulty by a suitable choice of the killer temperature and the direction of flow of the poured metal.
The pressed parts inserted into the Ko kille are then melted by their heat transfer to the mold when pouring only on the encapsulated edges and surfaces of the liquid cast metal and alloy with this seamlessly, while the core. of the inserted pressed pieces remains unchanged in its structure.
It is known to use different cast alloys when casting pistons, so that individual piston parts have certain properties brought about by the cast alloy used in each case. For example, it has been proposed to cast the piston crown from a high-percentage magnesium alloy and the piston skirt from an aluminum alloy with a high content of silicon.
The piston parts made up of the various alloys are intended to be connected to one another by casting or also by pressing or by mechanical connecting means. In this way, however, it is not possible to give certain parts of the piston the high strength properties and high thermal conductivity that are peculiar to the pressed light metal.
In the case of pistons which are pressed in their entirety or for the most part, individual parts have also been produced from cast alloys of such high hardness and low elongation that these parts can no longer be pressed due to their physical properties.
For example, an alloy of greater hardness and higher heat resistance was selected for the piston crown than for the piston skirt, which consists of an alloy with higher elongation and has a kneaded structure. Such a piston can, however, be referred to as a pressed piston.
In terms of shape, it is subject to the restrictions applicable to pressed pistons, and the running properties of its shell with a kneaded structure are inferior to the running properties of cast pistons.
In contrast to these well-known light metal pistons from two different. A piston manufactured according to a preferred embodiment of the method according to the invention is characterized by the fact that the same light metal wrought alloy is used both for the manufacture of the pressed pieces and for the casting of the rest of the piston body.
The desired alloy between the cast senen; The surfaces of the pressing pieces and the cast body occur in this embodiment -the invention in a particularly reliable manner, and the mechanical and thermal differences of the piston parts are based in this case exclusively on the various processing of the material. It is known that the strength of light metal wrought alloys, which are also well suited for casting, can be increased by up to 50% and more by pressing.
The drawing illustrates the inven tion using two exemplary embodiments of pistons which are produced by the method according to the invention.
1 shows a piston with a combustion chamber for diesel engines sunk into the base, half in a vertical section with a mouth edge of the combustion chamber cast in as a press piece.
Fig. 2 shows a similar piston in a corresponding representation: in which the upper part or piston ring zone is cast in as a pressed piece.
First of all, the highly stressed piston parts 2, such as the piston ring zone or combustion chamber mouth, are manufactured as finished pressed workpieces from a light metal wrought alloy, then inserted into the mold and encased with the alloy forming the remaining piston body 1.
The mold temperature and the material foot during casting are to be controlled, the latter by appropriate selection of the pouring direction as well as the number and arrangement of risers, so that the pressed pieces only melt on their encapsulated surfaces and alloy with the casting material,
but otherwise retain their pressed structure.