DE102006008010A1

DE102006008010A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102006008010A1
Application number: DE200610008010
Authority: DE
Inventors: Simon Dr.-Ing. Reichstein
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2007-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, bestehend aus einem keramischen Verbundwerkstoff, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei zur Herstellung des Kolbens eine Mischung aus Graphit und einem Binder bereitgestellt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.

Stand der Technik

Kolben für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen werden im allgemeinen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen hergestellt. Aluminiumlegierungen ermöglichen eine Leichtbauweise des Kolbens, wobei jedoch der Kolben zumindest teilweise für bestimmte Anforderungen verstärkt werden muss. Derartige Kolben werden im Regelfall mittels Kokillenguss hergestellt. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Aluminiumlegierung bis auf eine Temperatur nahe ihrer Schmelzgrenze erwärmt werden muss, d.h., dass homologe Temperaturen von über 0.9 vorliegen können. Als Folge können die Aluminiumlegierungen thermisch instabil werden, was wiederum dazu führt, dass ihre Festigkeit sinkt. Zudem sind Materialkosten für Aluminiumwerkstoffe im Vergleich mit anderen Werkstoffen relativ hoch und können bis zu einem Drittel der Kosten der Kolbenherstellung ausmachen.

Daneben ist es bekannt, Kolben aus Karbon als sog. Karbonkolben oder Kohlenstoffkolben herzustellen. Karbon kann jedoch weder geschmolzen noch gesintert werden, so dass die Herstellung eines Karbonkolbens im allgemeinen problematisch ist.

Aus der US 6,013,371 ist es bekannt, ein karbonhaltiges Harz herzustellen, welches beispielsweise durch Oxidation nachbehandelt wird, um ein sinterbares Harzpulver zu erhalten. Aus diesem Harzpulver können anschließend Gegenstände, wie beispielsweise Kolben durch Pressen oder Spritzgussverfahren hergestellt werden. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Herstellung des verarbeitbaren Harzpulvers relativ aufwendig ist und die Kosten der Ausgangsmaterialien relativ hoch sind.

Darstellung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben zu schaffen, welcher die Anforderungen an eine Leichtbauweise erfüllt und kostengünstig herstellbar ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens.

Diese Aufgaben werden gelöst durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6.

Hierfür besteht der Kolben aus einem keramischen Verbundwerkstoff vorzugsweise aus einer Mischung von Graphit und einer Matrix, vorzugsweise Silizium-Carbid (SiC). Dieser Werkstoff erfüllt die Anforderungen für einen Kolben in einem Verbrennungsmotor, wie gute Verschleiß- und Schmiereigenschaften und einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Ein derartiger Kolben ist außerdem durch ein geeignetes Verfahren kostengünstig herstellbar.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Graphit Naturgraphit. Naturgraphit ist im Vergleich zu anderen Ausgangsmaterialien, wie beispielsweise einem Mesophasengraphit, kostengünstiger. Damit können die Kosten des Kolbens weiter gesenkt werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt der Graphitanteil im Kolben bei ca. 80% oder mehr. Je nach Verarbeitungsart sind auch Kolben mit einem geringeren Graphitanteil denkbar. Ein hoher Graphitanteil ist jedoch von Vorteil, da dieses Ausgangsmaterial besonders kostengünstig ist.

Die Herstellung des Kolbens erfolgt vorzugsweise mittels eines Verfahrens, bei dem in einem ersten Schritt eine Mischung von Graphit und einem Binder, wie z.B. einem pre-keramischen Polymer, das vorzugsweise Silizium und Kohlenstoff enthält, bereitgestellt wird. Der Polymerwerkstoff wird dabei als Binder verwendet. Das Polymer verhält sich in einem Ausgangszustand wie ein Harz, so dass die Mischung aus Graphit und dem pre-keramischen Polymer eine im Regelfall teigige oder zähe Masse bildet. Dies gilt auch für jegliche andere Binder, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden können. Bevorzugt handelt es sich hierbei um keramische Binder, die sich durch eine Wärmebehandlung in eine Matrix, bevorzugt eine keramische Matrix umwandeln. Diese Matrix bildet einen Bestandteil des durch das Verfahren erzeugten Kolbens.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kolben mittels Spritzgießen geformt. Daneben ist es auch denkbar, die Mischung aus Graphit und dem pre-keramischen Polymer mittels eines anderen formgebenden Verfahrens, beispielsweise mittels Pressen, zu formen. Spitzgießen ist ein sehr kostengünstiges Verfahren, mit dem endkonturnahe Bauteile hergestellt werden können. Dadurch ist der Bedarf an überschüssigem Material deutlich geringer als bei anderen Herstellungsarten. Beim Spritzgießen wird normalerweise ein flüssiger Kunststoff oder ein Harz in eine Form gespritzt und in der Form abgekühlt, bis der Kunststoff oder das Harz fest ist und der so erhaltene Körper entnommen werden kann. Vorliegend wird die zähe Masse bestehend aus einer Mischung von Graphit und einem pre-keramischen Polymer in eine Form gespritzt. Das Mischungsverhältnis ist dabei derart zu wählen, dass die Masse nach ihrer Entnahme ihre Form bewahrt. Die Form entspricht daher im Wesentlichen einem Negativ des zu formenden Bauteils.

Vorzugsweise wird eine Mischung mit einem Graphitanteil von etwa 80% oder mehr verwendet. Wie bereits oben erläutert, ist Graphit ein verhältnismäßig günstiger Werkstoff. Das pre-keramische Polymer ist dagegen verhältnismäßig teuer. Vorzugsweise wird daher ein hoher Anteil an Graphit verwendet.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird Naturgraphit verwendet.

In einer weiteren Ausführungsform wird an dem endkonturnahe geformten Kolben eine Wärmebehandlung durchgeführt. Der Kolben wird beispielsweise durch Spritzgießen geformt. Wird das pre-keramische Polymer bis zu einer bestimmten Temperatur erhitzt, so wandelt es sich in eine Keramik, nämlich SiC, um. Man erhält somit einen Kolben aus einem keramischen Verbundwerkstoff, nämlich einer Mischung aus Graphit und SiC.

In einer weiteren Ausführungsform kann an dem Kolben abschließend eine Fertigbearbeitung, beispielsweise durch Schleifen, durchgeführt werden. Dadurch können bestimmte Oberflächeneigenschaften, welche mittels Spritzgießen und/oder andere Formgebungsverfahren nicht erzielbar sind, an dem Kolben ausgebildet werden.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Das Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beispielhaft beschrieben.
Die einzige Figur zeigt schematisch die Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
In einem ersten Schritt 1 wird ein Graphit, insbesondere ein Naturgraphit, mit einem pre-keramischen Polymer, das Silizium und Kohlenstoff enthält, gemischt. Das Mischungsverhältnis von Graphit zu Polymer liegt dabei vorzugsweise bei 80 zu 20. Das Mischen der Ausgangsstoffe führt zur einer teigigen Masse, welche ähnlich einem Harz ist.
In einem zweiten Schritt 2 wird der Kolben oder ein Teil eines Kolbens geformt. Das Formen erfolgt vorzugsweise mittels Spritzgießen. Dabei wird die unter Schritt 1 erhaltene zähe Masse in eine Form gespritzt und in der Form abgekühlt, bis sie ausreichend fest ist, um der Form entnommen zu werden. Vorzugsweise wird der gesamte Kolben in einem Verfahren geformt. Es ist jedoch auch denkbar, einzelne Teile des Kolbens getrennt zu formen, und diese anschließend mittels eines geeigneten Verfahrens miteinander zu verbinden.
In einem weiteren Schritt 3 wird der in Schritt 2 geformte Kolben oder das geformte Kolbenteil einer Wärmebehandlung unterzogen, so dass sich das Polymer in eine Keramik, nämlich Silizium-Carbid (SiC), umwandelt. Der hergestellte Kolben wird dabei beispielsweise in einem Ofen ausgehärtet.
In einem weiteren Schritt 4 kann eine Fertigbearbeitung des Kolbens oder des Teils des Kolbens, beispielsweise durch Schleifen, durchgeführt werden.
Man erhält durch die Schritte 1 bis 3 einen Kolben aus Graphit und SiC, also einem keramischen Verbundwerkstoff. Ein derartiger Kolben erfüllt die Anforderungen an Kolben in modernen Fahrzeugen sowohl hinsichtlich der Temperaturfestigkeit als auch hinsichtlich einer Leichtbauweise. Der Kolben aus dem keramischen Verbundwerkstoff besitzt außerdem gute Verschleiß- und Schmiereigenschaften.

Claims

Kolben für einen Verbrennungsmotor, der vollständig aus einem keramischen Verbundwerkstoff besteht.
Kolben nach Anspruch 1 aus einer Mischung von Graphit und einer Matrix.
Kolben nach Anspruch 2 aus einer Mischung von Graphit und SiC.
Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphit ein Naturgraphit ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphit einen Anteil von etwa 80% oder mehr aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung aus Graphit und einem Binder zur Herstellung des Kolbens bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder ein pre-keramisches Polymer ist, das insbesondere Silizium und Kohlenstoff enthält.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Kolbens mittels eines Spritzgussverfahrens geformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung mit einem Graphitanteil von etwa 80% oder mehr bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Naturgraphit verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kolben oder dem Teil des Kolbens eine Wärmebehandlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass abschließend eine Fertigbearbeitung des Kolbens oder des Teil des Kolbens, beispielsweise durch Schleifen, durchgeführt wird.