DE102005029103B3 - Piston for combustion engine and method for its production, comprise reinforcing fibers created by drawing - Google Patents

Piston for combustion engine and method for its production, comprise reinforcing fibers created by drawing Download PDF

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Abstract

The piston crown (3) has a central depression (2) surrounded by a border (4) made of a metal matrix compound of a light metal alloy reinforced with steel fibers. The long and thin fibers have a high scale resistance and are produced by drawing, resulting in a minimized variability of their diameters. Only twenty per cent of the material used for the border (4) consists of reinforcing fibers added to the alloy by infiltration or by positioning a pre-shape of the border (4) in the mold and adding the alloy.

Description

Technisches Gebiettechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, wobei der Kolben mindestens teilweise aus einem Metall-Matrix-Verbund geformt wird und zur Bildung des Metall-Matrix-Verbunds einer Leichtmetall-Legierung Verstärkungskomponenten zugesetzt werden. Verstärkungskomponenten sind beispielsweise Verstärkungsfasern oder Verstärkungspartikel.The The present invention relates to a piston for an internal combustion engine as well a method of manufacturing a piston, wherein the piston is at least partially formed from a metal-matrix composite and forming of the metal-matrix composite of a light alloy alloy reinforcing components be added. reinforcing components are for example reinforcing fibers or reinforcing particles.

Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselkolben, sind im Betrieb höchsten thermischen und mechanischen Beanspruchungen unterworfen. Neben einer hohen Festigkeit und Belastbarkeit der Bauteile wird gleichzeitig eine Reduzierung des Gewichts gefordert, da dieses einen großen Einfluss auf einen Kraftstoffverbrauch hat. Neuentwickelte Materialien ersetzen daher zunehmend konventionelle Werkstoffe.Internal combustion engines, especially diesel pistons, are the highest thermal and mechanical in operation Subjected to stresses. In addition to a high strength and resilience the components are at the same time required to reduce the weight, because this is a big one Has an influence on fuel consumption. Newly developed materials replace increasingly conventional materials.

Aus der EP 1 132 490 A1 ist es bekannt, einen Kolben mit einer Leichtmetall-Legierung mit zugesetzten Verstärkungsfasern herzustellen. Die Verstärkungsfasern werden dabei durch Schmelzextraktion aus einer Legierung geformt, die größtenteils aus Eisen (Fe) und Chrom (Cr) besteht und Aluminium (Al) und/oder Silizium (Si) enthält. Die durch Schmelzextraktion geformten Verstärkungsfasern weisen eine uneinheitliche Außenfläche auf. Schwankungen in der Größe der Verstärkungsfasern führen zu einer ungleichmäßigen Verteilung.From the EP 1 132 490 A1 It is known to produce a piston with a light metal alloy with added reinforcing fibers. The reinforcing fibers are thereby formed by melt extraction from an alloy consisting mainly of iron (Fe) and chromium (Cr) and containing aluminum (Al) and / or silicon (Si). The melt-extracted reinforcing fibers have a non-uniform outer surface. Fluctuations in the size of the reinforcing fibers result in uneven distribution.

Die DE 690 00 515 T2 offenbart einen Aluminiumkolben für Brennkraftmaschinen, bei dem ein extrudierter oder gezogener Draht aus einer Aluminiumlegierung, der Keramikfasern enthält, eingegossen oder eingeschmolzen wird.The DE 690 00 515 T2 discloses an aluminum piston for internal combustion engines in which an extruded or drawn wire of an aluminum alloy containing ceramic fibers is poured or melted.

Die DE 37 19 121 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkolbens, bei dem ein faserverstärkter Vorformling verwendet wird.The DE 37 19 121 A1 discloses a method of manufacturing an aluminum piston using a fiber reinforced preform.

Aus der JP 62033730 A geht ein Verbundmaterial mit Stahlfasern hervor.From the JP 62033730 A goes out a composite material with steel fibers.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens sowie einen danach hergestellten Kolben zu schaffen, welcher verbesserte Werkstoffeigenschaften aufweist.It is therefore an object of the present invention, a method for Production of a piston and a piston produced thereafter to provide which has improved material properties.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 12 gelöst.These Task is governed by the objects of claims 1 and 12 solved.

Hierfür wird der Kolben mindestens teilweise aus einem verstärkten Metall-Matrix-Verbund geformt, wobei zur Bildung des Metall-Matrix-Verbunds einer Leichtmetall-Legierung Verstärkungskomponenten zugesetzt werden, welche durch einen mechanischen Umformprozess, insbesondere durch Ziehen, geformt werden. Mechanische Umformprozesse sind beispielsweise Ziehen, Schmieden oder Wälzen. Durch diese Umformprozesse lässt sich ein gewünschter Durchmesser der Verstärkungskomponenten besser einstellen als dies beispielsweise durch eine Schmelzextraktion möglich ist. Als Verfahren sind beispielsweise ein Abstreckziehen, ein Streckziehen denkbar. Der Durchmesser der Verstärkungskomponenten beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der Leichtmetall-Legierung. Diese lassen sich so durch eine gezielte Wahl der Verstärkungskomponenten besser optimieren. Die Verstärkungskomponenten sind beispielsweise als Verstärkungsfasern oder als Verstärkungspartikel ausgebildet. Partikel und Fasern unterscheiden sich in ihrem Länge-Breite-Verhältnis. Durch mechanische Umformprozesse, insbesondere durch Ziehen, lässt sich das Länge-Breite-Verhältnis und/oder der Durchmesser einer Verstärkungsfaser besser einstellen. Dadurch ist auch eine homogenere Verteilung der Faserdurchmesser und/oder einer Partikelgröße erzielbar. Ein mit derartigen Verstärkungspartikeln ausgebildeter Werkstoff weist daher auch bessere und/oder homogenere mechanische Eigenschaften auf.For this purpose, the Pistons at least partially made of a reinforced metal-matrix composite formed, wherein forming a metal-matrix composite of a light metal alloy reinforcing components which can be added by a mechanical forming process, in particular by pulling, be shaped. Mechanical forming processes are for example pulling, forging or rolling. Through these forming processes let yourself a desired one Diameter of the reinforcement components set better than this, for example, by a melt extraction possible is. As a method, for example, ironing, ironing conceivable. The diameter of the reinforcement components influences the mechanical properties of the light alloy. These can be so by a targeted choice of the gain components better optimize. The reinforcing components are for example as reinforcing fibers or as reinforcing particles educated. Particles and fibers differ in their length-to-width ratio. By mechanical forming processes, especially by pulling, can be the Length-to-width ratio and / or the diameter of a reinforcing fiber set better. This is also a more homogeneous distribution of Fiber diameter and / or a particle size achievable. One with such reinforcement particles thus formed material also has better and / or more homogeneous mechanical properties.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Verstärkungskomponenten eine geringe Schwankung der Durchmesser verschiedener Verstärkungskomponenten auf. Die Schwankung liegt dabei vorzugsweise unter 8%. Durch die Homogenität der Verstärkungskomponenten wird eine homogenere mechanische Eigenschaft der Leitmetall-Legierung erzielt.In a preferred embodiment have the reinforcing components a small variation in the diameter of different reinforcing components on. The fluctuation is preferably below 8%. By the homogeneity the reinforcing components becomes a more homogeneous mechanical property of the lead metal alloy achieved.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Verstärkungskomponenten aus Stahl mit einer hohen Zunderbeständigkeit geformt. Ziehen ist mit einer Vielzahl an Werkstoffen möglich. Für die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Metall-Matrix-Verbunds ist die Zusammensetzung der Verstärkungskomponenten daher frei wählbar. Die Verstärkungskomponenten sind daher derart wählbar, dass eine Beständigkeit gegen Verzundern optimiert wird. Ein Stahl mit einer hohen Zunderbeständigkeit ist beispielsweise der unter der Bezeichnung DIN 1.4300 bekannte austenitische Stahl.In a further embodiment become the reinforcing components made of steel with a high resistance to scaling. Pulling is possible with a variety of materials. For the formation of a metal-matrix composite according to the invention Therefore, the composition of the reinforcing components is free selectable. The reinforcing components are therefore selectable that a consistency is optimized against scaling. A steel with a high scale resistance is, for example, the well-known under the name DIN 1.4300 austenitic steel.

Bevorzugt werden die Verstärkungskomponenten als Fasern geformt, wobei das Verhältnis von Länge zu Breite mindestens 80:1 beträgt. Eigenschaften faserverstärkter Werkstoffe hängen entscheidend vom Durchmesser und der Länge der Fasern ab. Durch die gezielte Wahl des Verhältnisses der Länge zur Breite lässt sich daher die mechanische Eigenschaft des Metall-Matrix-Verbunds weiter verbessern.Preferably, the reinforcing components are shaped as fibers wherein the length to width ratio is at least 80: 1. Properties of fiber-reinforced materials depend ent divorced from the diameter and length of the fibers. By the targeted choice of the ratio of the length to the width, therefore, the mechanical property of the metal-matrix composite can be further improved.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Verstärkungskomponenten einen Durchmesser zwischen 10 μm und 80 μm auf. Besonders bevorzugt liegen die Durchmesser zwischen 30 μm und 50 μm.In a further preferred embodiment have the reinforcing components a diameter between 10 μm and 80 μm on. Particularly preferred are the diameters between 30 microns and 50 microns.

In einer weiteren Ausführungsform werden Verstärkungskomponenten mit einem Anteil unter 20 Vol.%, bevorzugt etwa 15 Vol.%, eingebracht.In a further embodiment become reinforcing components with a proportion of less than 20% by volume, preferably about 15% by volume.

Vorzugsweise wird der Metall-Matrix-Verbund durch Infiltration hergestellt. Für eine Infiltration werden poröse Vorkörper (Preform) hergestellt. Die Porosität der Vorkörper ist gezielt einstellbar. Während des Infiltrationsprozesses durchdringt eine metallische Schmelze den porösen Vorkörper und bildet nach dem Erstarren mit diesem ein Durchdringungsgefüge. Durch die Infiltration ist es möglich, Kolben herzustellen, die nur partiell Verstärkungskomponenten enthalten.Preferably the metal-matrix composite is produced by infiltration. For an infiltration will be porous preforms (Preform). The porosity of the preform can be selectively adjusted. While of the infiltration process penetrates a metallic melt the porous one preforms and forms a Durchdringungsgefüge after solidification with this. By the infiltration is it possible Manufacture pistons that contain only partially reinforcing components.

Bevorzugt erfolgt die Infiltration unter Niederdruck. Denkbar ist beispielsweise eine Infiltration bei Drücken von bis zu 25 bar. Die Drücke sind unter anderem abhängig von einem Volumenanteil der Verstärkungskomponenten sowie einem Durchmesser der Verstärkungskomponenten. Anstelle einer Infiltration mit Niederdruck ist auch eine Druckgussinfiltration oder eine Gasdruckinfiltration denkbar. Ferner ist ein Squeeze-Cast-Verfahren möglich.Prefers the infiltration takes place under low pressure. It is conceivable, for example an infiltration at pressures of up to 25 bar. The pressures are dependent among other things of a volume fraction of the gain components and a Diameter of the reinforcement components. Instead of low pressure infiltration, die casting infiltration is also used or a gas pressure infiltration conceivable. Further, a squeeze-cast method possible.

In einer weiteren Ausführungsform wird mindestens der Muldenrand des Kolbens aus dem Metall-Matrix-Verbund geformt. Als Muldenrand wird dabei der Übergang zwischen Kolbenboden und Brennraummulde bezeichnet. Der Muldenrand eines Kolbens, insbesondere eines Dieselkolbens, ist im Betrieb höchsten thermischen und mechanischen Beanspruchungen unterworfen. Erfindungsgemäß ist daher eine Verstärkung des Muldenrands vorgesehen.In a further embodiment At least the trough edge of the piston is made of the metal-matrix composite shaped. As a bowl edge is the transition between the piston crown and combustion bowl called. The trough edge of a piston, in particular a diesel piston, is in operation highest thermal and mechanical Subjected to stresses. According to the invention, therefore, a gain of Muldenrands provided.

Besonders bevorzugt wird eine Preform aus Verstärkungskomponenten geformt und die Preform in einer Gießform für den Kolben im Bereich des Muldenrands positioniert. Dadurch lassen sich verbesserte Werkstoffeigenschaften gezielt am Muldenrand erhalten.Especially Preferably, a preform is formed from reinforcing components and the preform in a mold for the Piston positioned in the area of the trough edge. This can be done improved material properties obtained specifically on the trough edge.

Bei einem erfindungsgemäßen Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben mindestens teilweise aus einem verstärkten Metall-Matrix-Verbund geformt ist und die Matrix-Legierung aus einer Leichtmetall-Legierung mit zugesetzten Verstärkungskomponenten gebildet ist, liegt eine Schwankung der Durchmesser der zugesetzten Verstärkungskomponenten zwischen 0 und 8%. Der Kolben weist somit in dem durch den Metall-Matrix-Verbund verstärkten Bereich besonders gute Werkstoffeigenschaften auf.at a piston according to the invention for one Internal combustion engine, wherein the piston at least partially from a increased Metal matrix composite is formed and the matrix alloy of one Alloy alloy formed with added reinforcing components is, there is a fluctuation in the diameter of the added reinforcing components between 0 and 8%. The piston thus has in the through the metal-matrix composite increased Area particularly good material properties.

Der Kolben wird vorzugsweise mittels einer der oben genannten Verfahren hergestellt.Of the Piston is preferably by means of one of the above methods produced.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verstärkungskomponenten als Fasern ausgebildet, wobei das Verhältnis von Länge zu Breite mindestens 80:1 beträgt. Dieses Verhältnis kann auch bei einem Kolben, welcher mindestens teilweise aus einem Metall-Matrix-Verbund ausgebildet ist, vorteilhaft sein, wenn die Durchmesser der zugesetzten Fasern stärker schwanken als um einen Wert von 8%.In a preferred embodiment are the reinforcing components formed as fibers, wherein the ratio of length to width at least 80: 1 is. This ratio can also at a piston, which at least partially from one Metal matrix composite is formed, be advantageous if the Diameter of the added fibers fluctuate more than one Value of 8%.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description the drawing

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Für gleiche Teile werden dabei einheitliche Bezugszeichen verwendet.The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment described by way of example. For the same parts are used uniform reference numerals.

Die Figuren zeigen:The Figures show:

1 eine schematische Halbschnittdarstellung eines Kolbens mit verstärktem Muldenrand; und 1 a schematic half-sectional view of a piston with reinforced trough edge; and

2 eine schematische Darstellung eines Metall-Matrix-Verbund. 2 a schematic representation of a metal-matrix composite.

Ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform der ErfindungFull Description of an embodiment of the invention

1 zeigt schematisch einen Kolben 1 eines Verbrennungsmotors mit einer Brennraummulde 2. Der Übergang zwischen Kolbenboden 3 und Brennraummulde 2 wird als Muldenrand bezeichnet. Der Muldenrand ist mit einem Durchdringungsgefüge 4 ausgebildet. 1 schematically shows a piston 1 an internal combustion engine with a combustion bowl 2 , The transition between piston crown 3 and combustion bowl 2 is called a bowl edge. The trough edge is with a Durchdringungsgefüge 4 educated.

2 zeigt schematisch eine Vergrößerung des Durchdringungsgefüges 4. Das Durchdringungsgefüge 4 umfasst als Fasern ausgebildete Verstärkungskomponenten 41. Die Verstärkungskomponenten 41 werden durch Ziehen hergestellt. Dadurch wird ein Verhältnis der Länge zur Breite von über 80:1 bei einer geringen Schwankung des Durchmessers erhalten. Die Eigenschaften der einzelnen Verstärkungskomponenten 41 sind dadurch sehr gleichmäßig. 2 schematically shows an enlargement of the Durchdringungsgefüges 4 , The penetration structure 4 includes reinforcing components formed as fibers 41 , The reinforcing components 41 are made by pulling. This gives a ratio of length to width of over 80: 1 with a small variation in diameter. The properties of the individual reinforcement components 41 are very even.

Die Verstärkungskomponenten 41 lassen sich in dem Durchdringungsgefüge 4 gleichmäßig verteilen, so dass homogene mechanische Eigenschaften erzielt werden. Der Werkstoff der Verstärkungskomponenten ist dabei frei wählbar. Hohe Konzentrationen von Silizium wie sie beispielsweise für eine Schmelzextraktion notwendig sind, sind vermeidbar. Die Verstärkungskomponenten lassen sich aus handelsüblichen Werkstoffen herstellen.The reinforcing components 41 can be located in the interpenetration structure 4 distribute evenly so that homogeneous mechanical properties be achieved. The material of the reinforcing components is freely selectable. High concentrations of silicon, which are necessary, for example, for melt extraction, can be avoided. The reinforcing components can be produced from commercially available materials.

Zur Herstellung des in 1 dargestellten Kolbens mit einem verstärkten Muldenrand wird beispielsweise eine Preform aus Stahlfasern in eine Gießform für den Kolben 1 im Bereich des späteren Muldenrands positioniert. Eine Infiltration ist mit Niederdruck möglich. Die Herstellung ist dadurch kostengünstiger als bei üblichen Verfahren, welche einen hohen Druck verlangen.For the production of in 1 For example, a piston having a reinforced trough edge is a preform made of steel fibers into a casting mold for the piston 1 positioned in the area of the later trough edge. Infiltration is possible with low pressure. The production is thereby cheaper than conventional methods which require a high pressure.

Claims (17)

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben mindestens teilweise aus einem verstärkten Metall-Matrix-Verbund geformt wird und zur Bildung des Metall-Matrix-Verbunds einer Leichtmetall-Legierung Verstärkungskomponenten zugesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponenten durch mechanisches Umformen geformt werden.Method for producing a piston for an internal combustion engine, wherein the piston is at least partially formed from a reinforced metal-matrix composite and added to the formation of the metal-matrix composite of a light metal alloy reinforcing components, characterized in that the reinforcing components by mechanical forming be formed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponenten durch Ziehen geformt werden.Method according to claim 1, characterized in that that the reinforcing components be formed by pulling. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungskomponenten mit einer geringen Schwankung der Durchmesser geformt und zugesetzt werden, insbesondere einer Schwankung zwischen 0 und 8%.Method according to claim 1 or 2, characterized that reinforcing components molded and added with a small variation in diameter especially a fluctuation between 0 and 8%. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponenten aus Stahl mit einer hohen Zunderbeständigkeit durch mechanisches Umformen, insbesondere durch Ziehen, geformt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the reinforcing components made of steel with a high resistance to scale by mechanical Forming, in particular by drawing, are formed. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponenten als Fasern geformt werden, wobei das Verhältnis von Länge zu Breite mindestens 80:1 beträgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the reinforcing components be formed as fibers, wherein the ratio of length to width at least 80: 1 is. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungskomponenten mit einem Durchmesser zwischen 10 μm und 80 μm geformt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that reinforcing components be formed with a diameter between 10 microns and 80 microns. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungskomponenten mit einem Anteil unter 20 Vol.% eingebracht werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that reinforcing components be introduced with a share below 20 vol.%. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, ein Durchdringungsgefüge umfassend die Leichtmetall-Legierung und die Verstärkungskomponenten durch Infiltration hergestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized by a Durchdringungsgefüge comprising the light metal alloy and the reinforcing components produced by infiltration. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Infiltration unter Niederdruck erfolgt.Method according to claim 8, characterized in that that the infiltration takes place under low pressure. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Muldenrand des Kolbens, zumindest teilweise, aus dem Metall-Matrix-Verbund geformt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that at least the trough edge of the piston, at least partially formed from the metal-matrix composite. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Preform aus Verstärkungskomponenten geformt wird und die Preform in einer Gießform für den Kolben im Bereich des Muldenrands positioniert wird.Method according to one of claims 8 to 10, characterized that a preform made of reinforcing components is shaped and the preform in a mold for the piston in the area of Muldenrands is positioned. Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben mindestens teilweise aus einem verstärkten Metall-Matrix-Verbund geformt ist und die Matrix-Legierung aus einer Leichtmetall-Legierung mit zugesetzten Verstärkungskomponenten gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwankung der Durchmesser der zugesetzten Verstärkungskomponenten zwischen 0 und 8% liegt.Piston for an internal combustion engine, wherein the piston is at least partially made a reinforced one Metal matrix composite is shaped and the matrix alloy of a light alloy with added reinforcing components is formed, characterized in that a variation of the diameter the added reinforcing components between 0 and 8%. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponenten aus Stahl mit hoher Zunderbeständigkeit geformt sind.Piston according to claim 12, characterized that the reinforcing components made of steel with high scale resistance are shaped. Kolben nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponenten als Fasern ausgebildet sind, wobei das Verhältnis von Länge zu Breite mindestens 80:1 beträgt.Piston according to claim 12 or 13, characterized that the reinforcing components as Fibers are formed, wherein the ratio of length to width at least 80: 1 is. Kolben nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Verstärkungskomponenten zwischen 10 μm und 80 μm liegt.Piston according to one of claims 12 to 14, characterized that the diameter of the reinforcing components between 10 μm and 80 μm lies. Kolben nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der Verstärkungskomponenten in dem Metall-Matrix-Verbund unter 20 Vol.% liegt.Piston according to one of claims 12 to 15, characterized that the volume fraction of the reinforcing components in the metal-matrix composite is less than 20 vol.%. Kolben nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Muldenrand des Kolbens, zumindest teilweise, aus dem Metall-Matrix-Verbund geformt ist.Piston according to one of claims 12 to 16, characterized that at least the trough edge of the piston, at least partially, is formed from the metal-matrix composite.
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