DE102004013181B3

DE102004013181B3 - Kolben für einen Verbrennungsmotor, Verfahren zur Herstellung eines Kolbens sowie Verwendung einer Kupferlegierung zur Herstellung eines Kolbens

Info

Publication number: DE102004013181B3
Application number: DE102004013181A
Authority: DE
Inventors: Lothar Hofmann; Klaus Lades; Karl-Heinz Obermeier
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-18
Also published as: JP2007529667A; US20080000444A1; WO2005093244A1; EP1725762A1

Abstract

Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor besteht aus einer Kupferlegierung. DOLLAR A Im Rahmen eines Verfahrens zur Herstellung eines Kolbens wird dieser aus einer Kupferlegierung gefertigt. DOLLAR A Eine Kupferlegierung wird zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor verwendet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens sowie die Verwendung einer Kupferlegierung zur Herstellung eines solchen Kolbens.
Auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren besteht die Tendenz, die spezifische Leistung fortlaufend zu erhöhen. Dies bedeutet, dass beispielsweise die auftretenden Zünddrücke sowie die Temperaturen steigen. Insbesondere für Dieselmotoren und für moderne, hochaufgeladene Ottomotoren treten vermehrt Fälle ein, in denen Kolben aus dem traditionellen Kolbenwerkstoff Aluminium den herrschenden Belastungen im Hinblick auf Spannung und Temperatur nicht mehr gewachsen sind.

Auf dem Gebiet der Dieselkolben ist zunehmend zu beobachten, dass Stahl anstelle von Aluminium als Kolbenwerkstoff eingesetzt wird. Dies führt jedoch zu verschiedenen Nachteilen. Beispielsweise weisen Stahlkolben ein höheres Gewicht und eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit als Aluminiumkolben auf. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit führt beispielsweise dazu, dass die Kolben mit einem Kühlkanal versehen werden müssen. Dies führt infolge eines erhöhten Produktionsaufwands zu höheren Herstellkosten. Daneben stellt sich trotz eines integrierten Kühlkanals bei einem Stahlkolben eine vergleichsweise hohe Kolbentemperatur ein. Diese liegt insbesondere deutlich höher als bei vergleichbaren Aluminiumkolben. Dies führt in nachteiliger Weise dazu, dass der Anteil der Stickoxide im Abgas höher liegt. Ferner vermindert ein vergleichsweise heißer Kolben den "Füllgrad" des Brennraums mit Luft, was zu Leistungsminderung führt. Dies müsste mit teuren motorseitigen Maßnahmen, wie z.B. einem höheren Ladedruck und einem Ladeluftkühler im Fall von Turbomotoren, ausgeglichen werden. Darüber hinaus müssen Stahlkolben üblicherweise in aufwändigen Prozessen geschmiedet werden. Aufgrund eines hohen Verschleißes an den Schmiedewerkzeugen ist die Standzeit der Schmiedewerkzeuge gering, und die diesbezüglichen Herstellkosten für Stahlkolben entsprechend hoch.

Aus der EP 0 712 340 B1 ist ein gießtechnisches Verfahren zur Herstellung eines Kolbens bekannt, bei dem ein erstes Werkstück, das aus einer Legierung auf Eisen- oder Kupferbasis besteht, mit einer Legierung auf Aluminiumbasis umgossen wird.

Gemäß der DE 31 44 123 A1 weist ein Leichtmetallkolben eine Brennraummulde mit einer Bewehrung auf, die durch ein Einsatzteil aus einer Kupferlegierung besteht.

Die US 2,241,815 beschreibt eine Kupfer-Gieß-Legierung, die als für Konstruktionsteile auf dem elektrischen und mechanischen Gebiet geeignet beschrieben wird.

Die EP 1 158 062 B1 offenbart die Verwendung eines Kupfer-Zink-Aluminium-Knetwerkstoffs zur Herstellung von Lagerbuchsen, beispielsweise für Kolben von Verbrennungsmotoren.

Die DE 44 15 629 C1 betrifft die Verwendung einer Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung zur Herstellung von Gießkolben für Druckgießmaschinen.

Aus der DE 430 188 C geht ein Kolben für Verbrennungsmotoren hervor, der aus einem Stahl- oder Eisenmantel und einem hart eingelöteten Boden einer Legierung aus Kupfer besteht, wobei der Boden bis in die Nähe der Kolbenbolzenaugen gezogen ist.

Die DE 44 14 095 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, beispielsweise eines Kolbens, bei dem ein Ringträger und, bei bestimmten Ausführungsformen, Teile der Kolbenkopffläche aus einem Eingussteil aus einer Kupferlegierung bestehen können.

Aus der DE 597 938 C geht die Verwendung von Kupferlegierungen für Kolbenringe hervor.

Schließlich offenbart die US 1,700,604 einen Kolben, bei dem der Kolbenboden aus einer Kupferlegierung besteht.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hinsichtlich seiner Eigenschaften und wirtschaftlichen Herstellbarkeit verbesserten Kolben für einen Verbrennungsmotor, ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine neuartige Verwendung einer Kupferlegierung zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.

Demzufolge besteht ein Kolben für einen Verbrennungsmotor in neuartiger Weise aus einer Kupferlegierung. Insbesondere besteht der Kolben im folgenden Sinne ausschließlich aus einer Kupferlegierung. Anders als, wie oben beschrieben, im Stand der Technik bekannt, weist der Kolben nicht einzelne, später mit einer anderen Legierung umgossene oder eingesetzte Teile auf. Vielmehr besteht der Grundkörper des Kolbens, wie erwähnt, vollständig aus einer Kupferlegierung. Der Kolben kann, wie nachfolgend genauer erläutert, beschichtet sein, so dass er folglich, mit Ausnahme einer optionalen Beschichtung, vollständig aus einer Kupferlegierung besteht.

Die Wahl dieses Werkstoffs für einen Kolben eines Verbrennungsmotors führt zu folgenden Vorteilen. Kupferlegierungen weisen eine, beispielsweise verglichen mit für Motorkolben verwendeten Stählen, sehr viel höhere Wärmeleitfähigkeit auf. Deshalb kann die entstehende Wärme zuverlässig abgeführt werden, und es kann beispielsweise ein Kühlkanal in dem Kolben entfallen. Die hierfür bei einem Stahlkolben erforderlichen Maßnahmen können damit ebenfalls eingespart werden, was zu einer Senkung der Herstellungskosten führt. Dadurch, dass die Temperatur des Kolbens aus einer Kupferlegierung deutlich geringer ist als diejenige vergleichbarer Stahlkolben können die oben beschriebenen motortechnischen Nachteile von Stahlkolben behoben werden.

Darüber hinaus können Kupferlegierungen deutlich einfacher und kostengünstiger verformt werden als Stähle, die üblicherweise geschmiedet werden müssen. Insbesondere eine lösungsgeglühte Kupferlegierung kann beispielsweise durch Fließpressen geformt werden. Hier tritt ein gegenüber der Bearbeitung von Stahlkolben deutlich verringerter Werkzeugverschleiß auf. Im Hinblick auf das Gewicht sind Kolben aus Kupferlegierungen mit Stahlkolben vergleichbar. Auch die mechanische Festigkeit ist vergleichbar und hat sich insbesondere als denjenigen Anforderungen entsprechend erwiesen, die für den Einsatz als Motorkolben gelten. Kupferlegierungen bieten bei der Herstellung eines Motorkolbens darüber hinaus den Vorteil, dass die Wanddicken wegen der guten Verformbarkeit der Kupferlegierungen lediglich so dick ausgeführt werden müssen, wie sie aufgrund der Festigkeitsanforderungen notwendig sind. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise Gewicht eingespart werden. Demgegenüber sind bei Stahlkolben aufgrund der schlechten Verformbarkeit des Stahls die Wanddicken teilweise höher als wegen der Festigkeitsanforderungen erforderlich.

Insgesamt schafft die Erfindung damit einen Kolben eines Verbrennungsmotors, der den herrschenden Anforderungen gerecht wird, insbesondere hinsichtlich der Temperaturen verbessert ist und darüber hinaus wirtschaftlich herstellbar ist.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Als zu verwendende Kupferlegierung hat sich eine Legierung bei Versuchen als vorteilhaft erwiesen, die Nickel und/oder Silizium enthält.

Insbesondere wird derzeit aufgrund von Versuchsergebnissen eine Legierungszusammensetzung bevorzugt, die 1% bis 7% Nickel und/oder 0,2% bis 5% Silizium enthält, wobei der Rest aus Kupfer besteht. Weiter bevorzugt werden 2,5% bis 7% Nickel und/oder mehr als 1,5% bis 5% Silizium. Noch weiter bevorzugt werden mehr als 4%, insbesondere mehr als 5% bis jeweils 7% Nickel und/oder mehr als 2% bis 5% Silizium.

Ferner können Vorteile im Hinblick auf die Hochtemperaturoxidation erhalten werden, wenn die Kupferlegierung bis zu 5% Aluminium enthält. Eine Festigkeitssteigerung konnte darüber hinaus beobachtet werden, wenn die Legierung zumindest eines der folgenden Elemente in der angegebenen Menge enthält: bis zu 4% Zinn, bis zu 30% Zink, bis zu 5% Eisen und/oder bis zu 5% Mangan, bis zu 1% Kobalt, bis zu 2% Chrom.

Wie erwähnt, kann der Kolben zumindest teilweise beschichtet sein, was im Hinblick auf den Oxidationsschutz Vorteile bringt.

Als Beschichtungsmaterialien haben sich Nickel und/oder Aluminium und/oder Eisen, das, um dieses zunderbeständig zu machen, beispielsweise durch Chrom legiert sein kann, als günstig erwiesen.

Wenngleich auch der erfindungsgemäße Kolben aus einer Kupferlegierung in bestimmten Anwendungsfällen einen Kühlkanal aufweisen kann, wird im Hinblick auf die Herstellungskosten derzeit bevorzugt, den Kolben massiv, mit anderen Worten ohne einen Kühlkanal auszubilden.

Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem der Kolben aus einer Kupferlegierung gefertigt wird. Hierdurch wird ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Motorkolbens bereitgestellt, der insbesondere im Hinblick auf die herrschenden Temperaturen verbesserte Eigenschaften aufweist. Durch die oben erwähnten, günstigen Eigenschaften der Kupferlegierung, wie z.B. die leichte Formbarkeit, und die Möglichkeit, auf einen Kühlkanal zu verzichten, stellt sich das Herstellungsverfahren als äußerst wirtschaftlich dar.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich zum einen, beispielsweise im Hinblick auf die zu verwendenden Legierungen, aus den oben beschriebenen bevorzugten Maßnahmen im Zusammenhang mit dem Kolben.

Ferner wird derzeit bevorzugt, die verwendete Kupferlegierung zunächst zu gießen.

Besondere Vorteile haben sich bei Versuchen für ein Strangguss-Verfahren mit optionaler Wasserabkühlung ergeben.

Die weitere Bearbeitung kann in vorteilhafter Weise durch Strangpressen erfolgen.

Bevorzugt wird die Legierung anschließend bei beispielsweise 750°C bis 950°C lösungsgeglüht, was für die Verformbarkeit günstig ist. Nachfolgend erfolgt eine Abkühlung, bevorzugt eine vergleichsweise schnelle Abkühlung, was für die Vermeidung von Ausscheidungen günstig ist.

Für die Formung des eigentlichen Kolbens wird derzeit bevorzugt, von dem lösungsgeglühten Strang Abschnitte abzutrennen, diese zu erwärmen und dann zu einem Kolben zu formen. Diese Formung erfolgt bevorzugt durch Fließpressen.

Alternativ ist Schmieden denkbar. Bei Anwendung dieses Verfahrens wird bevorzugt eine anschließende, schnelle Abkühlung vorgesehen.

Anschließend wird derzeit eine Aushärtung bei beispielsweise 350°C bis 550°C für beispielsweise 0,5 bis 10 Stunden bevorzugt. Diese Aushärtung kann zur Verbesserung des Resultats in einer Schutzgasatmosphäre erfolgen.

Es sei ergänzend erwähnt, dass der Kolben im Rahmen des Herstellungsverfahrens abschließend in herkömmlicher Weise maschinell fertig bearbeitet wird und insbesondere beschichtet werden kann, wie oben für den Kolben bereits beschrieben wurde.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe erfolgt schließlich durch die Verwendung einer Kupferlegierung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor. Diese Verwendung führt in neuartiger und vorteilhafter Weise zu einem wirtschaftlich herstellbaren Kolben mit verbesserten Eigenschaften. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Verwendung werden wiederum die vorangehend bereits erläuterten Kupferlegierungen bevorzugt.

Als erfindungsgemäßes Beispiel wurde ein Kolben aus einer Kupferlegierung mit 1% bis 7% Nickel, 0,2% bis 5% Silizium, bis zu 5% Aluminium, bis zu 4% Zinn, bis zu 30% Zink, bis zu 5% Eisen und bis zu 5% Mangan hergestellt. Die Legierung wurde in einem Strangguss-Verfahren gegossen und dann stranggepresst. Anschließend wurde die Legierung bei 750°C bis 950°C lösungsgeglüht und nachfolgend schnell abgekühlt. Hierdurch konnten Ausscheidungen vermieden werden. Von diesem lösungsgeglühten Strang wurden einzelne Abschnitte abgetrennt, erwärmt und jeweils zu Kolben geformt. Diese Verformung erfolgt in günstiger Weise durch Fließpressen. Der hierbei erhaltene Kolbenrohling wurde bei 350°C bis 550°C und für 0,5 bis 10 Stunden ausgehärtet und schließlich maschinell fertig bearbeitet. Wie Versuche zeigen, konnte ein Kolben erhalten werden, der verbesserte Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf die Temperaturbeständigkeit aufweist.

Claims

Kolben für einen Verbrennungsmotor, welcher Kolben aus einer Kupferlegierung besteht.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel und/oder Silizium enthält.
Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel in einer Menge von 1% bis 7% und/oder Silizium in einer Menge von 0,2% bis 5% enthält.
Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel in einer Menge von 2,5% bis 7% und/oder mehr als 1,5% bis 5% Silizium enthält.
Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel in einer Menge von mehr als 4% bis 7% und/oder mehr als 2% bis 5% Silizium enthält.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel in einer Menge von mehr als 5% bis 7% und/oder mehr als 2% bis 5% Silizium enthält.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung ferner zumindest eines der folgenden Elemente in der jeweils angegebenen Menge enthält: bis zu 5% Aluminium, bis zu 4% Zinn, bis zu 30% Zink, bis zu 5% Eisen, bis zu 5% Mangan, bis zu 1% Kobalt, bis zu 2% Chrom.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest teilweise beschichtet ist.
Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mit Nickel, Aluminium und/oder Eisen beschichtet ist.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Nickel, Aluminium und/oder Eisen durch Chrom legiert ist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser keinen Kühlkanal aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem der Kolben aus einer Kupferlegierung gefertigt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel und/oder Silizium enthält.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel in einer Menge von 1% bis 7% und/oder Silizium in einer Menge von 0,2% bis 5% enthält.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel in einer Menge von 2,5% bis 7% Nickel und/oder mehr als 1,5% bis 5% Silizium enthält.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel in einer Menge von mehr als 4% bis 7% und/oder mehr als 2% bis 5% Silizium enthält.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel in einer Menge von mehr als 5% bis 7% und/oder mehr als 2% bis 5% Silizium enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung ferner zumindest eines der folgenden Elemente in der jeweils angegebenen Menge enthält: bis zu 5% Aluminium, bis zu 4% Zinn, bis zu 30% Zink, bis zu 5% Eisen, bis zu 5% Mangan, bis zu 1% Kobalt, bis zu 2% Chrom.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zunächst gegossen wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung mittels eines Strangguss-Verfahrens, bevorzugt mit nachfolgender Wasserabkühlung, gegossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Verfahrens ein Strangpressen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung im Rahmen des Verfahrens lösungsgeglüht und nachfolgend schnell abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben durch Fließpressen geformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben durch Schmieden geformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Verfahrens ein Kolbenrohling bevorzugt in einer Schutzgasatmosphäre ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben zumindest teilweise beschichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mit Nickel und/oder Aluminium und/oder Eisen beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Nickel, Aluminium und/oder Eisen durch Chrom legiert ist.
Verwendung einer Kupferlegierung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei zur Herstellung des Kolbens ausschließlich eine Kupferlegierung verwendet wird.
Verwendung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel und/oder Silizium enthält.
Verwendung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel in einer Menge von 1% bis 7% und/oder Silizium in einer Menge von 0,2% bis 5% enthält.
Verwendung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel in einer Menge von 2,5% bis 7% und/oder mehr als 1,5% bis 5% Silizium enthält.
Verwendung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel in einer Menge von mehr als 4% bis 7% und/oder mehr als 2% bis 5% Silizium enthält.
Verwendung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung Nickel in einer Menge von mehr als 5% bis 7% und/oder mehr als 2% bis 5% Silizium enthält.
Verwendung nach einem der Ansprüche 29 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung ferner zumindest eines der folgenden Elemente in der jeweils angegebenen Menge enthält: bis zu 5% Aluminium, bis zu 4% Zinn, bis zu 30% Zink, bis zu 5% Eisen, bis zu 5% Mangan, bis zu 1% Kobalt, bis zu 2% Chrom.