DD222930A1 - Verschleissfester leichtmetallkolben und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Abstract

Hohe spezifische Belastungen und anspruchsvolle Grenznutzungsdauern erfordern am Motorkolben wirksame Massnahmen zum Verschleissschutz. Eine bewaehrte technische Loesung ist die Bewehrung der gefaehrdeten Kolbenpartien durch Eingussteile aus verschleissfesten, aber auch hochwertigen Materialien. Diese Verschleissfestigkeit laesst sich auch erreichen oder sogar ueberbieten durch eine Umschmelzveredelung von Legierungen auf der Basis des Kolbengrundwerkstoffes, wobei wesentliche Verbesserungen durch Zulegieren von Fe oder Ni erzielt werden. Erfindungsgemaess werden Eingussteile aus solchen Materiallegierungen an Stelle der bisherigen hochwertigen Werkstoffe gesetzt. Die bei der Umschmelzveredelung hervorgerufenen Spannungen werden dann allein oder aber zu einem betraechtlichen Teil vom Eingusselement aufgenommen. Zum Hauptanwendungsgebiet der Erfindung gehoeren Kolben, insbesondere aus Leichtmetallegierungen, die hohe Verschleissfestigkeit und damit lange Lebensdauer besitzen. Fig. 1

Description

Titel der Erfindung

Verschleißfester Leichtmetallkolben und Verfahren zu seiner Herstellung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren, insbesondere für hochbelastete Dieselmotoren mit großen Grenznutzungsdauern

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Technisch-ökonomisch begründete Grenznutzungsdauer ist eine wesentliche Forderung an moderne Verbrennungsmotorenkolben· Da die entscheidenden Aussonderungskriterien dieser Bauteile auf Verschleißvorgängen basieren, wird deren Lebensdauer vornehmlich durch den Verschleißwiderstand des Kolbenwerkstoffes an den gefährdeten Stellen beeinflußt· Mehrere Möglichkeiten zur wirksamen Verbesserung des Verschleißverhaltens von Motorkolben sind bekannt» Eine dieser Lösungen ist, den derzeit weltweit hauptsächlich noch aus Leichtmetallwerkstoffen gefertigten Kolben Insgesamt aus einem anderen, aus der Sicht des Verschleißes günstigeren Werk» stoff herzustellen· Die mit dieser Werkstoffumstellung verbundene Veränderung der Gesaratpalette an Materialeigenschaften und Konstruktionsgrundsätzen erfordert allerdings noch aufwendige und umfassende Grundsatzarbeit· Darüber hinaus ist die Anzahl solcher Werkstoffe durch die angespannte Rohstoffsituation zunehmend begrenzt worden«

Bekannt ist weiterhin die Bewehrung der betroffenen Kolbenpartien durch geeignete verschleißheramende Eingußteile und Regelglieder* Da es sich hierbei um Bauelemente handelt, die ganz spezifischen Anforderungen, insbesondere hinsichtlich Wärtneausdehnung, Warm- und Verschleißfestigkeit genügen müssen, sind den Materialien solcher Teile immer weniger verfügbare und damit· teure Elemente zulegiert» Als weitere Lösung ist die Umschmelzveredelung des Kolbengrundwerkstoffes mit und ohne Zusatz von geeigneten Fremdmaterialien bekannt· Das ist allerdings mit einer zwar lokalisierten, aber intensiven Energiezuführung verbunden, die zur Konzentration von Spannungen und damit vor oder während der eigentlichen Funktion des Kolbens im Motor zu Rißschädigungen führt« Eine Minimierung dieses Energiet-ransfers ist technologisch aufwendig und verfahrensbedingt begrenzt·

Ziel der Erfindung

Das Ziel der,Erfindung besteht darin, einen Leichtmetallkolben ohne Verwendung hochwertiger Werkstoffe und bei weiterer Minimierung von Spannungskonzentrationen konstruktiv und verfahrenstechnisch so zu gestalten, daß die der-· zeit geforderten Funktionsparameter und Grenznutzungsdauern erreicht oder überboten werden· j

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Eingußelementej aus ausreichend vorhandenen Werkstoffen zu schaffen, die vo[r oder nach dem Um- oder Verbundguß im Kolben durch ein bekanntes Umschmelzverfahren, z#B# Elektronenstrahlschweißen oder Plasmaschweißen, so veredelt worden sind, daß ihr !Verschleiß verhalt en gegenüber dem Kolbengrundwerkstoff wesentlich verbessert ist und die mit solchen Elementen bestückten

Leichtmetallkolben alle geforderten Funktionsparameter j

erfüllen· Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe folgendermaßen gelöst: Die Eingußelemente als Träger der qualitativ höheren Verschleißcharakteristik sind vorzugsweise binäre oder ternäre Legierungen mit dem Element als Hauptkomponente, das auch den größten Prozentsatz des Kolbengrundwerkstoff es bildet. Im Falle der Al-Si-Leichtmetall-Kolbenlegierungen hat das Element Al diese Eigenschaft· Die Legierungen für die Eingußeleraente sind dann zwecktnäßigerweise AlPe, AlNi, AlSiPe oder AlSiNi mit jeweils zwischen 4 % und 10 % liegenden Pe- oder Ni<-Gehalten· Die Eingußteile werden in einem verspanungslosen Formgebungsverfahren, ζ·Β· Gießen oder Pressen, als Rohlinge oder auch Fertigteile hergestellt· Die Rohlinge eind noch einer apangebenden Bearbeitung zu unterziehen· Von diesem Fertigungsstand an wird erfindungsgemäß und zweckbedingt nach zwei Prinzipien weiter verfahren·

Der eine verfahrenstechnische Ablauf ist dadurch gekennzeichnet, daß das Eingußteil örtlich umschmelzveredelt wird. Danach erfolgt das Eingießen oder Einpressen in den Kolben während der Herstellung des Kolbenrohteils· Beim Verbundgußverfahren ist zweckmäßigerweise das Eingußteil mit einer dünnen Schicht aus einem Werkstoff, dessen Schmelzpunkt zwischen 20O⁰C und 600°C liegt, zu ummanteln· Im Falle der Al-Si-Leichtmetall-Kolbenlegierungen ist hierfür vorzugsweise Pb oder Sn zu verwenden« Im zweiten Fall werden die Eingußelemente nach ihrer Fertigstellung ohne vorherige Umschmelzbehandlung bei der Rohlingsherstellung des Kolbens eingegossen oder eingepreßt, wobei beim Verbündgußverfahren deren Ummantelung mit einem bereits charakterisierten Werkstoff vorteilhaft ist· Die Umschraelzveredelung erfolgt dann am bereits im Kolbenrohling befindlichen Eingußteil· Ist das Eingußelement im Umguß- oder Umpreßverfahren eingebracht, so wird bei entsprechender Abmessung und Lage des Eingußteiles durch die Umschmelzveredelung im Grenzbereich von Kolbengrundwerkstoff und Eingußelement ewerkst off metallischer Verbund zwischen den beiden Teilen geschaffen·

Einige Abmessungen der Eingußteile sind davon abhängig, ob die Eingußteile vor oder nach dem Einbringen in den Kolbenrohling umschmelzveredelt werden« Im Falle eines Ringträgers wird die axiale Höhe dieses Elementes wesentlich dadurch bestimmt* So soll diese mit r, bezeichnete Höhe bei Umschmelzveredelung nach dem Einbringen vorzugsweise h jL ^rh — 1»8»h. und bei der Veredelungsbehandlung vor dem Einbringen vorzugsweise r,> 1,8 ·· h betragen, wenn darin h die axiale Höhe

des vom Ringträger aufzunehmenden Kolbenringes bedeutet« Das Volumen der schmelzveredelten Bereiche bzw. die Dicke der entsprechend behandelten Schichten ist abhängig vom zulässigen Verschleißwert an den jeweiligen Partien zu bemessen· Werden die Eingußteile nach dem Umpreß- oder Umgußprinzip im Kolben untergebracht, so werden ihre Lage und ihre Haftung durch bekannte mechanische VerankerungsausfUhrungen wesentlich verbessert« ! Die technisch-ökonomische Bedeutung dieser Erfindung ist da~ durch begründet, daß bei gleichem oder besserem Verschleißverhalten des Kolbens hochwertige Materialien eingespart I vverden können und gleichzeitig die dem Bauteil verfahrensbedingt zugeführt en Spannungen minimiert werden« Im Falle des Ringträgers im Al-Si-Leichtmetallkolben wird dadurch zumindest teilweise auf das wertvolle Niresist verzichtet« Die ^! beim Alferieren anfallende Alferbadschmelze, eine Legierung aus AlFe oder AlSiFe, ist als Werkstoff für die Eingußelemente geeignet«

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend an Hand einiger Ausführungä· beispiele näher erläutert werden« In den zugehörigen Zeicli nungen zeigen: Fig. 1: Das Beispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens mit

I- .

einer Umschmelzveredelung der Ringnutflanken nach dem Einbringen des Eingußteiles«

Pig» 2: Ein Teil eines erfindungsgemäßen Kolbens mit einem Eingußteil vor und nach dem Eingießen·

Pig. 3: Das Beispiel der Bewehrung eines Brennraumrandes an einem erfindungsgemäßen Kolben·

In Pig» 1 ist der verbrennungsraumseitige Teil eines Kolbens 1 gezeigt, in dem an der Stelle der Kompressionsringnut 2 ein Eingußteil 3 im Umgußverfahren eingegossen ist. Der Übergang von Kolben 1 und Eingußteil 3 ist vor der Einarbeitung der Kompressionsringnut 2 schraelzveredelt, so daß sich eine verschleißfeste Umschmelzschicht 4 gebildet hat· Durch Pig. 2 wird ein Eingußteil 3 vor und nach dem Einbringen in einen Kolben 1 dargestellt* Die verschleißfeste Uraschrnelzschicht 4 ist vor dem Einbringen des Einguß teil es in den Kolben 1 unter Berücksichtigung der späteren Lage der Kompressionsringnut 2 duroh ein geeignetes Schmelzverfahren, z.B. Elektronenstrahlschweißen oder Plasmaschweißen, hergestellt worden. Um zwischen Kolben 1 und Eingußteil 3 metallischen Verbund zu erreichen, ist das Eingußteil 3 vor dem Eingießen mit einer metallischen Schicht 5, deren Schmelzpunkt bei etwa 50 % der Gießtemperatur liegt, ummantelt worden. Pig. 3 ist ein Beispiel für die Bewehrung eines Brennraumes 6« Das Eingußteil 3 wird durch eine verschleißfeste Umschmelzschicht 4 gegen die heißen Verbrennungsgase geschützt und sorgt an gefährdeten Stellen für den metallischen Verbund mit Kplben 1* Zur zusätzlichen mechanischen Verankerung des Eingußteiles 3 im Kolben 1 dienen die Stege J₀

Claims (5)

Erfindungsansprüche

1· Verschleißfester Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißgefährdeten Partien mit einem Eingußteil 3 aus einer Materiallegierung, deren Hauptlegierungskomponente der des Werkstoffes des Kolbens 1 entspricht, bewehrt sind und daß das Eingußteil 3 vor oder nach dem Einbringen in den Kolben 1 an beliebigen und zweckmäßigen Stellen durch Umschmelzveredelung mit verschleißfesten Umschmelzschichten 4 versehen ist·

2. Leichtmetallkolben aus Al-Si-Legierung nach Punkt 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Eingußteil 3 aus Al oder AlSi besteht, denen Fe oder Ni mit Anteilen bis zu 10 % zulegiert sind.

3· Leichtmetallkolben nach Punkt 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Eingußteil 3 vor dem Eingießen in den Kolben 1 mit einer metallischen Schicht 5 ummantelt ist, deren Schmelzpunkt zwischen 200 ⁰C und 600 ⁰C liegt und die im Falle eines Kolbens 1 aus Al-Si-Legierung vorzugsweise aus Pb oder Sn besteht·

4. Leichtmetallkolben nach Punkt 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Umschmelzveredelung ausschließlich oder zusätzlich an Stellen erfolgt, an denen Kolben 1 und Eingußteil 3 zusammentreffen·

5. Leichtmetallkolben nach Punkt 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß das Eingußteil 3 ein Ringträger ist, dessen axiale Höhe r, bei der Umschmelzveredelung nach dem Einbringen in Kolben 1 vorzugsweise h- -c r_ß ^ 1,8 · h- und bei der Umschmelzveredelung vor dem Einbringen in Kolben 1 vorzugsweise r. > 1,8 · h,. beträgt, wobei h.. die axiale Höhe des aufzunehmenden Kolbenringes bedeutet,