DE10128737A1

DE10128737A1 - Kolben mit dispersionsgehärtetem Kolbenoberteil

Info

Publication number: DE10128737A1
Application number: DE10128737A
Authority: DE
Inventors: Lothar Hofmann; Peter Konrad; Simon Reichstein
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2021-06-14
Also published as: DE10128737B4

Abstract

Kolben (1) für eine Verbrennungskraftmaschine aus einer Leichtmetalllegierung, bestehend aus einem Kolbenoberteil (2) mit einem Kühlkanal (10), einem den Muldenrandbereich (7) bildenden Kolbenboden (8) und mindestens einer Ringnut (9) und einem Kolbenunterteil (3), der mindestens aus dem Muldenboden (6) und einem Ringsteg (5) gebildet ist, wobei das Kolbenunterteil (3) aus einer Kolben- oder Aluminiumbasislegierung gefertigt ist und das Kolbenoberteil (2) mit dem Kolbenunterteil (3) mittels Schweißen oder Löten verbunden ist und dass das Kolbenoberteil (2) aus einem dispersionsgehärteten Aluminium-Basis-Werkstoff besteht und dass das Kolbenunterteil (3) einen Ansatz (12) aufweist, der in den Kühlkanal (10) hineinreicht und dass die Schweißnaht (11) unterhalb des Kühlkanals (10) angeordnet ist.

Description

Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine aus einer Leichtmetalllegierung, bestehend aus einem Kolbenoberteil mit einem Kühlkanal, einem den Muldenrandbereich bildenden Kolbenboden und mindestens einer Ringnut und einem Kolbenunterteil der aus Muldenboden, Ringsteg und Kolbenschaft gebildet ist, wobei das Kolbenunterteil aus einer Kolben- oder Aluminiumbasislegierung gefertigt ist und das Kolbenoberteil mit dem Kolbenunterteil mittels Schweißen verbunden ist.
Aus den stetig steigenden Anforderungen an Verbrennungskraftmaschinen ergeben sich zwangsläufig steigende Anforderungen an die Komponenten in den Motoren. Dabei sollen aus kontinuierlich abnehmenden Gewichten der Motorkomponeten immer größere Leistungen gewonnen werden. Höhere Leistungen führen zu höheren Belastungen, dass heißt zu größeren Spannungen und Kräften, die auf die Motorkomponenten wirken. Insbesondere im Verbrennungsraum werden die Motorkomponenten über größere Drücke und höhere Temperaturen bis an die Grenzen der Belastbarkeit der Werkstoffe geführt.
Eine entscheidende Rolle bei den Motorkomponenten spielt der Kolben. Der Kolben sollte bei höherer Beständigkeit gegen wechselnde thermische und mechanische Belastungen ein geringes spezifisches Gewicht besitzen. Hierbei sind die lokalen Belastungen am Kolben sehr unterschiedlich. Während der Kolbenboden sehr hohen thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt ist, sind im Bereich des Kolbenschaftes mechanische Eigenschaften bei niedrigeren und mittleren Temperaturen von besonderer Bedeutung.

Aus diesem Grund wird in der DE 199 15 782 A1 ein Kolben vorgeschlagen, der aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt ist. Einem pulvermetallurgisch hergestellten Kolbenoberteil und einem aus einer herkömmlichen Kolbenlegierung hergestelltem Kolbenunterteil. In der Ausführungsform nach Fig. 2 der DE 199 15 782 A1 besteht das Kolbenoberteil aus einem den Kolbenboden bildenden Muldenrandbereich, der ersten Ringnut und einem Ansatz der komplementär zur Ausmündung des Kühlkanals ausgebildet ist und in diesen eingreift. Im Kolbenunterteil sind Kühlkanal, Muldenboden und Ringsteg vorgesehen. Die beiden Teile des Kolbens werden mittels eines Schmelzschweißverfahrens verbunden, hierbei sind das Elektronenstrahlschweißen und das Laserstrahlschweißen genannt. Auf Grund der geteilten Ausführungsform ist es möglich, die unterschiedlichen spezifischen Werkstoffeigenschaften speziell auf die lokalen Anforderungen im Brennraum abzustimmen.

Die Herstellung eines pulvermetallurgischen Kolbenoberteils ist zeitaufwendig und kostenintensiv und somit nachteilig für eine Serienfertigung. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Kolben nach dem Verschweißen einer nachträglichen spanenden Bearbeitung auf die Endform unterworfen werden muß, was ebenfalls Zeit- und kostenintensiv ist. Der entscheidende Nachteil bei der Ausführungsform nach der Lehre der Offenlegungsschrift ist aber die Anordnung der Schweißnaht oberhalb des Kühlkanals, weil hierdurch zum einen Schweißgut in den Kühlkanal gelangen kann und zum anderen der Kühlkanal zu weit von der Oberfläche des Kolbenbodens beabstandet ist. Unterstützt wird die Gefahr von Fehlern während des Schweißens im Bereich des Kühlkanals durch die spezifischen Eigenschaften der unterschiedlichen Werkstoffe. So sind bei unterschiedlichen Werkstoffen auch unterschiedliche Schmelzpunkte zu erwarten, so wird insbesondere das Aufschmelzen des Ansatzes im Kühlkanal Zeit beanspruchen. In dieser Zeit können Schweißfehler, insbesondere Lunker, entstehen, die bei den wechselnden Belastungen im Kolben als Kerben wirken und so die Spannungen im Werkstoff erhöhen.

Sollte dennoch, nach der Ausführungsform entsprechend der Fig. 1 aus der DE 199 15 782 A1, der Kühlkanal in der Nähe der Oberfläche des Kolbenbodens positioniert sein, so muß mit einem Ringträger zur Verstärkung der ersten Ringnut gearbeitet werden.

Diese Nachteile überwindet die DE 30 32 671 A1 dahingehend, dass der Kühlkanal in den Kolbenkopf integriert ist. Somit ist es nun möglich den Kühlkanal in der Nähe der Oberfläche des Kolbenbodens zu positionieren.

Nach Anspruch 1 der DE 30 32 671 A1 besteht das Kolbenoberteil aus einem hitzebeständigen Material und das Kolbenunterteil aus fließgepreßtem Stahl, wobei die beiden Teile mittels Schweißens oder Lötens verbunden werden. Hierbei sind zwei Schweißnähte vorgesehen, eine im Muldenbereich und eine im Bereich des Ringstegs. Das Schweißen an zwei unterschiedlichen Positionen ist aufwendiger, weil der Kolben zur Fertigung mehrfach positioniert werden muß. Weiterhin ist ein Schweißen ohne exakte Positionierung auch nachteilig, weil Kolbenober- und -unterteil sich gegeneinander verschieben können.

Neben den schweißtechnischen Nachteilen ist der Kolben durch die Wahl des Werkstoffs Stahl sehr schwer, was sich wiederum nachteilig auf das Gewicht des Motors auswirkt.

Die schweißtechnischen Nachteile überwindet die GB 1 501 387 indem sie Kolbenober- und -unterteil mittels eines Preßschweißverfahrens in einem Arbeitsgang verbindet, wobei hier insbesondere das Reibschweißen genannt ist. Die Schweißnaht verläuft dabei vom Ringsteg in den Kühlkanal und vom Kühlkanal zur inneren Oberfläche des Kolbens.

Nachteilig hierbei ist, dass beim Reibschweißen große Grate entstehen, die wiederum den Ölfluß im Kühlkanal beeinflussen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile zu überwinden und einen Kolben zu entwickeln, der höchste thermische und mechanische Dauerfestigkeiten aufweist, reproduzierbar gefertigt werden kann und der eine effiziente Kühlung der thermischen Belastungen im Kolbenoberteil gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dokumentiert.

Der erfindungsgemäße Gedanke löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass das Kolbenoberteil aus einem dispersionsgehärteten Aluminium-Basis-Werkstoff besteht und dass das Kolbenunterteil einen Ansatz aufweist, der in den Kühlkanal hineinreicht und dass die Schweißnaht unterhalb des Kühlkanals angeordnet ist.

Durch die Ausbildung einer durchgängigen Schweißnaht unterhalb des Kühlkanals und der Ausbildung des Ansatzes am Kolbenunterteil ist nun ein einwandfreies und reproduzierbares Schweißen gewährleistet. Vorteilhaft ist zum ersten, dass durch den Ansatz ein Verschieben der Bauteile während des Schweißens oder Lötens ausgeschlossen ist und zweitens sind Schweißfehler aufgrund unterschiedlicher Schmelzpunkte der Kolbenteile auszuschließen. Schweißfehler sind insbesondere deshalb auszuschließen, weil die Energie, die für das Aufschmelzen des dispersionsgehärteten Werkstoffs benötigt wird, stets größer sein wird, als die Energie, die für das Aufschmelzen des herkömmlichen Kolbenwerkstoffs benötigt wird. Versuche haben gezeigt, dass ein verzögerungsfreies wie auch fehlerfreies Aufschmelzen der Kolbenbauteile realisierbar ist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kolbens ist, dass durch die geteilte Ausführung der Einsatz von Salzkernen für die Ausbildung der Kühlkanäle entfällt.

Die Lage der Schweißnaht unterhalb des Kühlkanals und der ersten Ringnut ist positiv, weil sie eine effiziente Kühlung der thermisch am höchsten belasteten Bereiche des Kolbens ermöglicht. Der Kühlkanal kann bis unmittelbar an den Muldenrand heranreichen oder je nach Einsatzgebiet des Kolbens sich bis zum Kolbenboden erstrecken.

Das Kolbenoberteil ist aus einem dispersionsgehärteten Aluminium-Basis-Werkstoff gefertigt, der einen Dispersoidgehalt von mehr als 20 Gew.-% aufweist. Dabei kann die Matrix aus reinem Aluminium oder auch aus einer Aluminium-Legierung bestehen. Als Dispersoid dient vorzugsweise Al₂O₃, wobei aber andere Verbindungen wie z. B. SiC ebenfalls vorstellbar sind. Dabei liegen die Größen der Dispersoide bei circa 0,2 µm. Dieser Werkstoff liefert neben einer hohen thermischen Stabilität eine sehr gute Dauerfestigkeit und ist kaum einer Alterung unterlegen, so dass dieser Werkstoff die thermischen und mechanischen Anforderungen an das Kolbenoberteil voll erfüllt. Kennzeichnend für die thermische Stabilität des Werkstoffs ist beispielsweise die um das 2- bis 3-fach höhere Zugfestigkeit bei Temperaturen um 350°C.

Das Kolbenunterteil ist aus einer herkömmlichen Kolbengusslegierung auf Basis von Aluminium gefertigt und kann somit kostengünstig hergestellt werden.

Das Verbinden der beiden Kolbenteile erfolgt mittels eines Preß- oder Schmelzschweißverfahrens oder mittels Löten. Im Bereich der Schmelzschweißverfahren sind das Laserstrahlschweißen oder das Elektronenstrahlschweißen vorstellbar und im Bereich der Preßschweißverfahren das Reibschweißen. So bildet insbesondere der Ansatz im Kolbenboden eine sichere Positionierung der Fügeteile und ermöglicht gleichzeitig beim Reibschweißen einen Schutz vor Graten im Kühlkanal.

Ein erfindungsgemäßer Kolben wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt und im weiteren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ausführung eines Kolbens in der Seitenansicht
In Fig. 1 ist die Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens 1 dargestellt. Der Kolben 1 besteht aus einem Kolbenoberteil 2 und einem Kolbenunterteil 3, die an einer Fügefläche 4 mittels Schweißens oder Lötens verbunden sind. Das Kolbenunterteil 3 bildet dabei mindestens das Ringfeld 5 und den Muldenboden 6. Das Kolbenoberteil 2 bildet den Muldenrandbereich 7, den Kolbenboden 8, mindestens die erste Ringnut 9 und beinhaltet den Kühlkanal 10.
Am Kolbenunterteil 3 ist im Bereich der Fügefläche 11 ein Ansatz 12 ausgebildet, der in den Kühlkanal 10 hineinreicht und so ein exaktes Positionieren gewährleistet.

Claims

1. Kolben (1) für eine Verbrennungskraftmaschine aus einer Leichtmetalllegierung, bestehend aus einem Kolbenoberteil (2) mit einem Kühlkanal (10), einem den Muldenrandbereich (7) bildenden Kolbenboden (8) und mindestens einer Ringnut (9) und einem Kolbenunterteil (3), der mindestens aus dem Muldenboden (6) und einem Ringsteg (5) gebildet ist, wobei das Kolbenunterteil (3) aus einer Kolben- oder Aluminiumbasislegierung gefertigt ist und das Kolbenoberteil (2) mit dem Kolbenunterteil (3) mittels Schweißen oder Löten verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (2) aus einem dispersionsgehärteten Aluminium-Basis-Werkstoff besteht und dass das Kolbenunterteil (3) einen Ansatz (12) aufweist der in den Kühlkanal (10) hineinreicht und dass die Schweißnaht (11) unterhalb des Kühlkanals (10) angeordnet ist.

2. Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dispersoidgehalt im Aluminium-Basis-Werkstoff des Kolbenoberteils (2) größer als 20 Gew.-% ist und vorzugsweise mit einem Dispersoidgehalt von 30 Gew.-% bis 40 Gew.-% vorliegt.

3. Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersoide als Al₂O₃ und in einer Größe von circa 0,2 µm vorliegen.

4. Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißverfahren ein Preß- oder Schmelzschweißverfahren ist, insbesondere Laserstrahlschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Reibschweißen.