DE102007010839B4

DE102007010839B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens und Kolben mit einer ringförmigen Verstärkung bestehend aus mehreren Verstärkungssegmenten

Info

Publication number: DE102007010839B4
Application number: DE200710010839
Authority: DE
Inventors: Simon Dr. Reichstein; Peter Konrad; William J. Ann Arbor Zdeblick; Warran Boyd Ann Arbor Lineton
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2027-03-07
Also published as: DE102007010839A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, mit zumindest einer armierten Kolbenringnut, mit folgenden Schritten:
– Herstellen mindestens einer ringförmigen Verstärkung, bestehend aus wenigstens zwei Verstärkungssegmenten (12, 14),
– Herstellen eines Kolbenrohlings (2),
– Einarbeiten mindestens einer Nut (20) in den Kolbenrohling (2),
– Verschließen der Nut (20) mittels der Verstärkungssegmente (12, 14),
– Verbinden der Verstärkungssegmente (12, 14), miteinander und mit dem Kolbenrohling (2) durch eine Sinterbehandlung.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit zumindest einer Kolbenringnut und einer ringförmigen Verstärkung, bestehend aus wenigstens zwei Segmenten, sowie einen Kolben mit einer ringförmigen Verstärkung bestehend aus mehreren Verstärkungssegmenten.
Stand der Technik
PKW-Kolben, insbesondere PKW-Dieselkolben, sind im Betrieb hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt. Deshalb ist eine effiziente Kühlung des Kolbens sowie eine Verstärkung an mechanisch hoch beanspruchten Stellen notwendig.
Es ist bekannt, aufgrund der hohen Flächenpressung und Verschleißbeanspruchung in der ersten Ringnut, den Kolben mit einem verstärkten oder armierten Ringträger auszubilden. Dabei ist es üblich, den Ringträger durch ein so genanntes Alfinverfahren in den Kolben zu integrieren. Dabei wird der Kolben aus einer Aluminiumlegierung gießtechnisch mit Stahl oder Gusseisen verbunden. Die Ringträger müssen hierfür zunächst in eine Aluminiumsiliziumschmelze (AL-Si-Schmelze) getaucht werden. Die mit der flüssigen Schmelze benetzten Ringträger werden in das Gießwerkzeug eingelegt und umgossen.
Um die Haltbarkeit eines Kolbens zu erhöhen, sind PKW-Dieselkolben im Allgemeinen mit Kühlkanälen ausgestattet, durch welche Kühlöl und/oder eine andere Kühlflüssigkeit geleitet wird, um Wärme aus dem Kolben abzuführen.
Zur Herstellung eines Kolbens mit einem Kühlkanal ist es beispielsweise aus der DE 196 49 363 C2 bekannt, einen Schmelzkern aus Salz in einen Hohlraum einer Gussform für einen Kolben einzulegen. Der Schmelzkern wird nach dem Gießen und Erstarren wieder ausgewaschen. Zur Bildung einer armierten Ringnut wird der Schmelzkern aus Salz mit einem äußeren Ring ausgebildet, welcher an der Stelle des späteren Ringträgers im Kolben liegt. Der äußere Ring wird nach einem Gießen des Kolbens entfernt und der dadurch geschaffene Raum mit einem Verstärkungsmaterial ausgefüllt.
Mehrteilige Ringträger sind aus der DE 40 10 474 A1 bekannt, worin der Ringträger aus kaltgepressten Spänen aus austenitischem Gusseisenwerkstoff besteht und zwischen den freien Oberflächen der Späne und dem Kolben eine metallische Bindung vorhanden ist.
Aus der DE 37 14 400 A1 sind segmentförmige Ringträger bekannt, die in einem Teil des Kolbenumfangsbereiches vorgesehen sind. Die axiale Fixierung des Ringträgers erfolgt entweder durch Eingießen oder durch Anbringung eines besonderen Abschlussrings.
Um den Teil der Herstellungskosten und Fehler aufgrund von Lageschwankungen zu reduzieren, die auf das manuelle Einlegen der Einlegteile beruhen, wird in der am 30. September 2005 eingereichten DE 10 2005 047 035 B3 derselben Anmelderin vorgeschlagen, eine Nut, umfassend den Kühlkanal und einen äußeren Ring, in den Kolbenrohling einzuarbeiten. Der Kühlkanal wird anschließend mit einer entfernbaren Masse ausgefüllt. Der äußere Ring wird mit einem Verstärkungsmaterial gefüllt. Anschließend wird die entfernbare Masse aus dem Kühlkanal entfernt und der Kolben fertig bearbeitet.
Die oben genannten Prozesse zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen sind sehr kostenintensiv, da zum einen erhebliche Kosten für die Eingießteile, Ringträger und Salzkern oder für das temporäre Verschließen des Kühlkanals entstehen und zum anderen das manuelle Einlegen dieser Teile zu hohen Arbeitskosten führt. Außerdem treten in diesen Prozessen häufig Fehler auf, die sich in Ausschuss aufgrund von z. B. Bindungsfehlern des Ringträgers oder Gasporosität in der Umgebung des Kühlkanals niederschlagen.
Die DE 10 2004 003 980 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines geschlossenen Kühlkanals in einem Kolben für einen Verbrennungsmotor, bei dem halbierte Stahlringe eine den Kühlkanal umgebende Öffnung verschließen. Ähnliche Verfahren sind auch in der JP 031 38 438 A , DD 279 203 A1 und DD 279 290 A1 offenbart.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, durch welches ein Kolben mit einer armierten Ringnut einfacher herstellbar ist, sowie einen vereinfacht herstellbaren Kolben, anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 10 gelöst.
Hierfür wird zunächst wenigstens eine ringförmige Verstärkung, bestehend aus wenigstens zwei Verstärkungssegmenten, hergestellt. Vorzugsweise werden die Verstärkungssegmente durch Brechen aus einem Verstärkungsrohling gewonnen. Um die zur Bruchtrennung des Verstärkungsrohlings aufzubringenden Kräfte zu verringern, können Sinterteile verwendet werden, die aufgrund ihrer Materialsprödigkeit geringere Bruchkräfte erfordern. Alternativ können die Bruchstellen durch Einlagerung eines spröden Materials gezielt versprödet werden. Als Ausgangsmaterial für diesen Ring kommen alle metallischen Pulver in Frage, welche einen geeigneten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, eine ausreichende Warmfestigkeit und eine ausreichende Verschleißbeständigkeit aufweisen, sowie genügend beständig gegen Mikrowelding sind. Dies können z. B. Pulver mit der Zusammensetzung heutiger Ringträger aus NIRESIST oder aus NiCr-Stahl sein. Auch hochlegierte Al-Legierungen oder Cu-Legierungen sind denkbar.
Ferner wird ein Kolbenrohling hergestellt, in den zumindest eine Nut eingearbeitet wird. Die Nut wird anschließend mittels der mehrsegmentigen Verstärkung verschlossen und schließlich werden die Segmente der Verstärkung miteinander und mit dem Kolbenrohling verbunden. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Pulverpartikel des Grünlings durch eine Sinterbehandlung in sich und mit dem Kolben metallisch verbunden. Alle Verfahrensschritte sind geeignet, automatisiert durchgeführt zu werden. Der Kolbenrohling kann zumindest im Bereich des Kühlkanals ohne Einlegeteile hergestellt werden, was ein manuelles Einlegen von Einlegeteilen überflüssig macht. Dadurch kann eine höhere Genauigkeit im Herstellungsprozess und eine Kostenreduktion erreicht werden.
Vorzugsweise wird die mehrsegmentige Verstärkung durch Brechen eines ringförmigen Rohlings hergestellt. Das Brechen des vorgeformten Bauteils erlaubt später ein passgenaues Zusammenfügen der Segmente an den Bruchstellen.
In einer Ausführungsform kann der ringförmige Rohling durch Pressen eines pulverförmigen Rohmaterials erzeugt werden.
Aufgrund der Sprödigkeit eines auf diese Weise hergestellten, gesinterten Rohlings können die zur Bruchtrennung erforderlichen Kräfte reduziert werden.
Vorzugsweise besteht das Verstärkungsmaterial aus Metall, Metalllegierung oder Metallkeramik. Diese Materialien sind bezüglich der oben geforderten Eigenschaften, wie ausreichender Hitze- und Verschleißbeständigkeit, besonders geeignet.
In einer Ausführungsform kann das Verstärkungsmaterial aus einer Zusammensetzung heutiger Ringträger, wie NIRESIST oder aus NiCr-Stahl oder aus hochlegierten Al-Legierungen oder Cu-Legierungen bestehen.
Vorzugsweise wird der Kolbenrohling durch ein Gussverfahren hergestellt. Dabei ist eine einfache Gussform ohne Einlegeteile und/oder Hinterschneidungen verwendbar. Zudem können mit ein und derselben Gussform Kolben mit unterschiedlichen Kühlkanälen hergestellt werden, da die Form des Kühlkanals erst danach festgelegt wird.
In einer Ausführungsform kann die Nut einen Kühlkanal und einen äußeren Ring umfassen. Diese Maßnahmen dienen in erster Linie dazu, den hohen Betriebsbelastungen des Kolbens Rechnung zu tragen.
Bevorzugt wird die Nut in den Kolbenrohling gedreht. Da ein Kolben eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Form aufweist, ist eine automatisierte Drehbearbeitung des Kolbenrohlings kostengünstig durchführbar.
In der vorliegenden Erfindung werden die Segmente der Verstärkung miteinander und mit dem Kolbenrohling durch eine Sinterbehandlung verbunden.
Die Aufgabe wird weiter durch einen Kolben gelöst, welcher mit einer ringförmigen Verstärkung, bestehend aus wenigstens zwei Verstärkungssegmenten, ausgestattet ist, wobei die Verstärkungssegmente der Verstärkung miteinander und mit dem Kolbenrohling gesintert sind.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen eines Kolbens folgen aus dem oben beschriebenen Verfahren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Für gleiche Bauteile werden dabei einheitliche Bezugszeichen verwendet.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Darstellung des Verstärkungsrohlings in der Ausführung eines gepressten Pulvergrünlings;
2 die ringförmige Verstärkung, bestehend aus zwei Segmenten, wie sie aus dem Brechen des Verstärkungsrohlings hervorgeht;
3 eine schematische Darstellung eines Kolbenrohlings;
4 den Kolbenrohling gemäß 3 mit einer eingearbeiteten Nut;
5 den Kolbenrohling gemäß 2, wobei ein äußerer Ring der Nut mit den Verstärkungssegmenten gefüllt ist;
6 einen fertig bearbeiteten Kolben.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt schematisch einen Verstärkungsrohling 1 (Grünling), der bevorzugt aus einem pulverförmigen Material gepresst wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Verstärkungsrohling 1 etwa mittig gebrochen, wie in 2 angedeutet wird. Die so entstandenen Verstärkungssegmente 12 und 14 verschließen später den äußeren Ring 21, vgl. 4.
3 zeigt schematisch einen Kolbenrohling 2. Die spätere Form des fertig bearbeiteten Kolbens ist durch eine Linie angedeutet. Der fertig bearbeitete Kolben umfasst einen Kühlkanal 22 sowie Ringnuten 24, 26, 28, wobei am fertigen Kolben zumindest die erste Ringnut verstärkt ist. Der Kolbenrohling 2 ist durch ein geeignetes Gießwerkzeug herstellbar.
4 zeigt schematisch den Kolbenrohling 2 gemäß 3, wobei in den Kolbenrohling 2 eine Nut 20 eingearbeitet ist. Die Nut 20 umfasst den Kühlkanal 22 sowie einen äußeren Ring 21. Der äußere Ring 21 kann dabei sowohl, wie dargestellt, mit konstanter Breite ausgebildet sein, als auch keilförmig. Die Nut 20 wird vorzugsweise in den Kolbenrohling 2 gedreht.
5 zeigt schematisch den Kolbenrohling 2, bei dem der äußere Ring 21 mit den Verstärkungssegmenten 12, 14 gefüllt ist. Die Verstärkungssegmente werden an ihren Bruchstellen derart zusammengefügt, dass sie den Kolbenrohling 2 vorzugsweise vollständig umschließen. Indem die ringförmige Verstärkung vorgefertigt wird, kann auf das Ausfüllen des Kühlkanals 22 mit einer entfernbaren Masse und auf das spätere Auswaschen verzichtet werden. Schließlich werden die Pulverpartikel des Grünlings durch eine Sinterbehandlung in sich und mit dem Kolben metallisch verbunden. Letzter Schritt ist das Fertigbearbeiten des Kolbens nach herkömmlicher Vorgehensweise.
6 zeigt schematisch einen fertig bearbeiteten Kolben 2 mit den gewünschten Eigenschaften. Der Kolben umfasst den Kühlkanal 22 sowie Ringnuten 24, 26, 28. Die erste Ringnut 24 ist durch das Verstärkungsmaterial zusätzlich gegen eine hohe Flächenpressung sowie eine Verschleißbeanspruchung geschützt. Zudem wurden die Kolbenränder 13 geeignet bearbeitet und eine Brennraummulde am Kolben ausgebildet. Daneben sind weitere Schritte zur Fertigstellung des Kolbens denkbar.
Das Verfahren zur Herstellung des Kolbens enthält bevorzugt ausschließlich Verfahrensschritte, die automatisiert, beispielsweise in einer Bearbeitungslinie, durchgeführt werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, mit zumindest einer armierten Kolbenringnut, mit folgenden Schritten: – Herstellen mindestens einer ringförmigen Verstärkung, bestehend aus wenigstens zwei Verstärkungssegmenten (12, 14), – Herstellen eines Kolbenrohlings (2), – Einarbeiten mindestens einer Nut (20) in den Kolbenrohling (2), – Verschließen der Nut (20) mittels der Verstärkungssegmente (12, 14), – Verbinden der Verstärkungssegmente (12, 14), miteinander und mit dem Kolbenrohling (2) durch eine Sinterbehandlung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungssegmente (12, 14) durch Brechen eines ringförmigen Rohlings (1), vorzugsweise etwa mittig, hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Rohling (1) durch Pressen eines pulverförmigen Rohmaterials erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung aus Metall, Metalllegierung oder Metallkeramik besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung aus NIRESIST, NiCr-Stahl oder einer hochlegierten Al-Legierung oder Cu-Legierung besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenrohling (2) durch ein Gussverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (20) einen Kühlkanal (22) und einen äußeren Ring (21) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (20) durch Drehen eingearbeitet wird.
Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einer ringförmigen Verstärkung für mindestens eine armierte Kolbenringnut, bestehend aus wenigstens zwei Verstärkungssegmenten (12, 14), wobei die Verstärkungssegmente (12, 14) der Verstärkung miteinander und mit dem Kolbenrohling (2) durch Sintern verbunden sind.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus einer Aluminiumlegierung besteht.
Kolben nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verstärkungssegment (12, 14) aus gepresstem, pulverförmigem Material besteht.
Kolben nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verstärkungssegment (12, 14) aus Metall, Metalllegierung oder Metallkeramik besteht.
Kolben nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verstärkungssegment (12, 14) aus NIRESIST, NiCr-Stahl oder einer hochlegierten Al-Legierung oder Cu-Legierung besteht.