DD222930A1

DD222930A1 - WEAR-RESISTANT LIGHT METAL PISTON AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF

Info

Publication number: DD222930A1
Application number: DD25809783A
Authority: DD
Inventors: Edgar Presia; Wilfried Thaler
Original assignee: Druckguss & Kolbenwerke Veb
Priority date: 1983-12-19
Filing date: 1983-12-19
Publication date: 1985-05-29

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. 1High specific loads and demanding service life require measures on the engine piston to protect against wear. A proven technical solution is the reinforcement of the endangered piston parts by means of cast-in parts made of wear-resistant but also high-quality materials. This wear resistance can also be achieved or even exceeded by remelting of alloys based on the piston base material, with substantial improvements being achieved by alloying Fe or Ni. According to the invention, molded parts made of such material alloys are substituted for the previous high-grade materials. The induced in the remelting stresses are then taken alone or to a considerable part of the sprue. The main field of application of the invention include pistons, in particular made of light metal alloys, which have high wear resistance and thus long life. Fig. 1

Description

Titel der ErfindungTitle of the invention

Verschleißfester Leichtmetallkolben und Verfahren zu seiner HerstellungWear-resistant light metal piston and process for its production

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren, insbesondere für hochbelastete Dieselmotoren mit großen GrenznutzungsdauernThe invention relates to light metal pistons for internal combustion engines, in particular for highly loaded diesel engines with long service life

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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«Technically-economically justified marginal service life is an essential requirement for modern combustion engine pistons · Since the decisive rejection criteria of these components based on wear processes, their life is primarily influenced by the wear resistance of the piston material at the vulnerable points · Several ways to effectively improve the wear behavior of engine pistons are known » One of these solutions is to produce the piston, which is currently mainly made of light metal materials worldwide, from a different material, which is more favorable from the point of view of wear. The change in the range of material properties and design principles associated with this material change, however, still requires extensive and comprehensive basic work. In addition, the number of such materials has been increasingly limited by the tense raw material situation «

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·Also known is the reinforcement of the affected piston parts by suitable wear-lasting castings and control elements * Since these are components that must meet very specific requirements, especially in terms of Wärtneausdehnung, warm and wear resistance, the materials of such parts are less available and thus expensive elements are alloyed »Another solution is the remelting of the piston base material with and without the addition of suitable foreign materials. However, this is associated with a localized but intensive energy supply, which is used to concentrate stresses and thus before or during the actual function of the piston in the Motor leads to cracking damage "A minimization of this energy transfer is technologically complex and limited by the process.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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· jThe aim of the invention is to design a light metal piston without the use of high-grade materials and, with further minimization of stress concentrations, constructively and procedurally such that the required functional parameters and marginal service lives are achieved or exceeded · j

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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 bestücktenThe object of the invention is to provide sprue elements of sufficient existing materials which have been refined before or after casting or composite casting in the piston by a known remelting process, for example electron beam welding or plasma welding, so that their wear is maintained en compared to the piston base material is substantially improved and equipped with such elements

Leichtmetallkolben alle geforderten Funktionsparameter jLight metal piston all required functional parameters 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·According to the invention, this object is achieved as follows: The sprues as carriers of the qualitatively higher wear characteristics are preferably binary or ternary alloys with the element as the main component, which also forms the largest percentage of the piston base material. In the case of the Al-Si light metal piston alloys, the element Al has this property. The alloys for the sprue are then suitably AlPe, AlNi, AlSiPe or AlSiNi, each with between 4 % and 10% Pe or Ni <contents Castings are manufactured in a tension-free forming process, casting or pressing, as blanks or prefabricated parts. The blanks are subjected to a tailor-made treatment. According to the invention, and according to the purpose, two principles are followed.

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·The procedural sequence is characterized in that the casting is locally remelted. Thereafter, the molding or pressing is effected in the piston during the manufacture of the Kolbenrohteils · When composite casting the cast-in part with a thin layer of a material whose melting point between 20O ⁰ C and 600 ° C is suitably to coat · In the case of Al-Si In the second case, the sprues are poured or pressed after their completion without previous remelting in the blank production of the piston, the Verbündgußverfahren whose sheathing is advantageous with an already characterized material · Umschimmelzveredelung takes place If the sprue element is introduced by casting or Umpreßverfahren, then with appropriate dimension and position of the sprue by the Umschmelzveredelung in the boundary region of the piston base material and sprue ewer kst off metallic bond between the two parts created ·

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 HöheSome dimensions of the Eingußteile depend on whether the Eingußteile be re-melted before or after introduction into the piston blank «In the case of a ring carrier, the axial height of this element is essentially determined by * So should this r, in Umschmelzveredelung after insertion preferably h jL ^r h - 1 »8» h. and in the refining treatment before the introduction, preferably r,> 1.8 ·· h, when h is the axial height

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«of the ring carrier to be included piston ring means «The volume of the melt-processed areas or the thickness of the corresponding treated layers is to be measured depending on the allowable wear value to the respective lots · If the sprues are housed in the piston after Umpreß- or Umgußprinzip, so their location and significantly improved their adhesion through known mechanical anchoring executions «! The technical-economic importance of this invention is due ~ justified by the fact that with the same or better wear behavior of the piston high-quality materials can I vverden and at the same time the process-related component supplied tensions are minimized «In the case of the ring carrier in the Al-Si light metal piston at least partially renouncing the valuable Niresist "Die ^! Alferbadschmelze, an alloy of AlFe or AlSiFe, which is produced during alloying, is suitable as a material for the sprues. «

Ausführungsbeispieleembodiments

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 mitThe invention will be explained in more detail below with reference to some embodiments. In the accompanying drawings: FIG. 1 shows the example of a piston according to the invention

I- . I-.

einer Umschmelzveredelung der Ringnutflanken nach dem Einbringen des Eingußteiles«a Umschmelzveredelung the Ringnutflanken after the introduction of the casting «

Pig» 2: Ein Teil eines erfindungsgemäßen Kolbens mit einem Eingußteil vor und nach dem Eingießen·Pig "2: A part of a piston according to the invention with a casting before and after pouring ·

Pig. 3: Das Beispiel der Bewehrung eines Brennraumrandes an einem erfindungsgemäßen Kolben·Pig. 3: The example of the reinforcement of a combustion chamber edge on a piston according to the invention

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 In Pig »1, the combustion chamber-side part of a piston 1 is shown in which, at the location of the compression ring groove 2, a cast-in part 3 is encapsulated by casting. The transition of piston 1 and casting 3 is schimmelzveredelt prior to incorporation of Kompressionsringnut 2, so that a wear-resistant remelt 4 has formed · By Pig. 2 is a Eingußteil 3 before and after introduction into a piston 1 shown * The wear-resistant Uraschrnelzschicht 4 is before the introduction of the sprue it part in the piston 1, taking into account the subsequent position of Kompressionsringnut 2 duroh a suitable melting process, eg electron beam welding or plasma welding, been prepared. In order to achieve metallic bond between the piston 1 and the sprue 3, the sprue part 3 has been coated with a metallic layer 5, the melting point of which is about 50 % of the casting temperature, prior to casting. Pig. 3 is an example of the reinforcement of a combustion chamber 6 "The Eingußteil 3 is protected by a wear-resistant remelting 4 against the hot combustion gases and ensures at vulnerable points for the metallic composite with Kplben 1 * For additional mechanical anchoring of the Eingußteiles 3 in the piston 1 serve the Jetty J ₀

Claims

invention claims

1 · Wear-resistant light metal piston for internal combustion engines, characterized in that the wear-prone parts are reinforced with a casting 3 made of a material alloy whose main alloy component of the material of the piston 1, and that the Eingußteil 3 before or after introduction into the piston 1 at any and appropriate places by remelting refining with wear-resistant remelting 4 is provided ·

2. Light metal piston made of Al-Si alloy according to item 1, characterized in that the casting 3 made of Al or AlSi, which Fe or Ni are alloyed with shares up to 10 % .

3 · Light metal piston according to item 1 or 2, characterized in that the Eingußteil 3 is encased before pouring into the piston 1 with a metallic layer 5 whose melting point between 200 ⁰ C and 600 ⁰ C and in the case of a piston 1 of Al -Si alloy preferably consists of Pb or Sn ·

4. light metal piston according to item 1 or 2, characterized in that the Umschmelzveredelung exclusively or additionally takes place at points where piston 1 and casting 3 meet ·

5. light metal piston according to item 1 to 4, characterized in that the Eingußteil 3 is a ring carrier, the axial height r, in the Umschmelzveredelung after introduction into the piston 1 preferably h- -cr _ß ^ 1.8 · h- and in the Umschmelzveredelung before introduction into piston 1 preferably r. > 1.8 · h ,. is, where h .. the axial height of the male piston ring means