DE102009013001A1

DE102009013001A1 - Verfahren zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor und Kolben

Info

Publication number: DE102009013001A1
Application number: DE200910013001
Authority: DE
Inventors: Simon Dr. Reichstein; Isabella Sobota; Klaus Lades
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Bei einem Verfahren zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor wird die Metallschmelze vor dem Gießen einer Scherbehandlung unterworfen. Es wird eine Verwendung eines Verfahrens, bei dem die Metallschmelze vor dem Gießen einer Scherbehandlung unterworfen wird, zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen. Schließlich wird ein Kolben für einen Verbrennungsmotor vorgestellt, der im Wesentlichen frei von Oxiden ist und/oder mit einem durchgehend homogenen Gefüge versehen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie einen derartigen Kolben.
Die Festigkeit von Kolben für Verbrennungsmotoren, die üblicherweise aus Aluminiumwerkstoffen gegossen werden, wird zum einen durch das reguläre Gefüge, das die Festigkeit des Werkstoffs bestimmt, und zum anderen durch Defekte bestimmt, welche die Werkstofffestigkeit herabsetzen können. Als Defekte können beispielsweise Oxide vorliegen. Für die Homogenität des Gefüges ist darüber hinaus das Bilden von Erstarrungskeimen wesentlich, von denen ausgehend sich das Gefüge einstellt.
Stand der Technik
Herkömmlich werden Kolben für Verbrennungsmotoren durch Schwerkraftkokillenguss hergestellt. Ein akzeptabler Gehalt an Oxiden und Gasen wird dadurch erreicht, dass die Schmelze aufwendig gereinigt wird. Insbesondere das Problem von Oxiden kann hierdurch jedoch nicht vollständig gelöst werden.
Des Weiteren besteht ein Problem dahingehend, dass sich das Gefüge innerhalb des Kolbens in Abhängigkeit von den örtlichen Erstarrungsbedingungen erheblich unterscheidet. Nahe an den Wänden und in Bereichen mit dünnem Querschnitt wird ein homogenes Gefüge erreicht, während in großem Abstand von der Kokillenwand und insbesondere in der Nähe der Speiser ein gröberes, inhomogenes Gefüge gebildet wird. Diese Inhomogenitäten setzen die Werkstofffestigkeit herab, was bei der Auslegung des Kolbens mit Nachteilen für das Kolbengewicht durch größere Wanddicken kompensiert werden muss.
Um die oben genannten Probleme zumindest im Bereich der Ränder einer Brennraummulde zu lösen, ist es bekannt, diese umzuschmelzen, um in diesen Bereichen ein homogeneres Gefüge zu erreichen.
Darstellung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, durch das ein besonders homogenes Gefüge des erzeugten Kolbens erreicht wird. Ferner schafft die Erfindung eine neuartige Verwendung eines Gießverfahrens sowie einen Kolben mit einem besonders homogenen Gefüge.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
Demzufolge wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor die Metallschmelze vor dem (Ab-)Gießen einer Scherbehandlung unterworfen. Mit anderen Worten wird die Schmelze, bevor sie in den Formhohlraum, der dem zu erzeugenden Kolben entspricht, gegossen wird, starken internen Scherbewegungen ausgesetzt. In vorteilhafter Weise erfolgt dies bei einer Temperatur knapp über der Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur. Für die genannten Scherbewegungen hat sich herausgestellt, dass diese zum einen die in der Schmelze vorliegenden Oxide nahezu vollständig zerstören. Dementsprechend können diese Oxide in dem erstarrten Kolben später nicht mehr als Defekte wirken, von denen ausgehend sich beispielsweise Risse bilden können.
Ferner wurde festgestellt, dass durch die beschriebene Scherbehandlung ein Keimzustand erreicht wird, der eine besonders homogene Erstarrungsstruktur zur Folge hat. Bei der bislang bekannten, konventionellen Erstarrung bilden sich zunächst Keime, die anschließend wachsen und schließlich wenige, große Körner ausbilden. Die beschriebene Scherbehandlung erzeugt jedoch bereits vor der Erstarrung eine Vielzahl von Erstarrungskeimen, so dass die nachfolgende Erstarrung in sämtlichen Bereichen des Kolbens homogen verlaufen kann. Hierdurch stellt sich ein besonders homogenes Gefüge ein.
Dementsprechend kann die Erfindung auch darin gesehen werden, Oxide in der Metallschmelze zu zerstören, und vor dem Gießen zahlreiche Erstarrungskeime zu erzeugen, so dass die Erstarrung weitestgehend homogen verläuft.
Es sei erwähnt, dass vorangehend stets von einem Verfahren zum Gießen eines Kolbens die Rede ist. Für die Fachleute ist jedoch ersichtlich, dass die Herstellung eines Kolbens mit dem beschriebenen Gießen nicht abgeschlossen ist, sondern üblicherweise zusätzliche Bearbeitungsschritte folgen. Insoweit kann das hierin beschriebene Verfahren auch als Verfahren zum Gießen eines Kolbenrohlings bezeichnet werden, von dem ausgehend ein Kolben für einen Verbrennungsmotor erzeugt wird.
Im Hinblick auf Details der erfindungsgemäßen Scherbehandlung wird der Inhalt folgender Veröffentlichungen zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht: „Microstructure and mechanical properties of rheo-diecast (RDC) aluminium alloys" von Z. Fan, X. Fang und S. Ji, veröffentlicht in Materials Science and Engineering A 412 (2005) 298–306 und "High Shear Rheocasting of Aluminium Alloays" von Geoff Scamans and Zhongyun Fan, veröffentlicht in APT ALUMINIUM – Process and Product Technology, Aluminium 2006 special edition, Seiten 54 bis 57. Ferner sind sämtliche bekannten Details zu dem darin beschriebenen Gießverfahren, das auch unter anderem an der Brunel-Universität entwickelt wurde und als MCAST bezeichnet wird, als Gegenstand der Anmeldung anzusehen.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Als Temperatur, bei der die Scherbehandlung besonders wirksam ist, hat sich eine Temperatur herausgestellt, die knapp über der Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur liegt.
Wenngleich das erfindungsgemäße Verfahren für sämtliche Gießverfahren denkbar ist, wird derzeit aufgrund günstiger Versuchsergebnisse bevorzugt, das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen eines Kokillengießverfahrens, insbesondere eines Schwerkraftkokillengießverfahrens anzuwenden.
Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich auf alle Werkstoffe anwendbar, derzeit wird jedoch die Verwendung beim Gießen von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bevorzugt.
Die Erfindung schafft, unter Erreichung der oben genannten Vorteile, ferner die Verwendung eines Gießverfahrens, bei dem die Metallschmelze vor dem Gießen einer Scherbehandlung unterworfen wird, zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
Schließlich wird mit der Erfindung ein Kolben für einen Verbrennungsmotor vorgestellt, der dahingehend gegenüber dem bekannten Kolben neu ist, dass er im Wesentlichen keine Oxide aufweist, und/oder ein durchgehend homogenes Gefüge aufweist. Bevorzugte Weiterbildungen der beschriebenen Verwendung als auch des erfindungsgemäßen Kolbens entsprechen denjenigen des erfindungsgemäßen Verfahrens und weisen die gleichen Vorteile auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Microstructure and mechanical properties of rheo-diecast (RDC) aluminium alloys” von Z. Fan, X. Fang [0012]
- S. Ji, veröffentlicht in Materials Science and Engineering A 412 (2005) 298–306 [0012]
- ”High Shear Rheocasting of Aluminium Alloays” von Geoff Scamans and Zhongyun Fan, veröffentlicht in APT ALUMINIUM – Process and Product Technology, Aluminium 2006 special edition, Seiten 54 bis 57 [0012]

Claims

Verfahren zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem die Metallschmelze vor dem Gießen einer Scherbehandlung unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherbehandlung bei einer Temperatur erfolgt, die knapp über der Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Kokillen-, insbesondere ein Schwerkraftkokillengießverfahren ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung besteht.
Verwendung eines Gießverfahrens, bei dem die Metallschmelze vor dem Gießen einer Scherbehandlung unterworfen wird, zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
Verwendung eines Gießverfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses bei einem Kokillen-, insbesondere einem Schwerkraftkokillengießverfahren erfolgt.
Kolben, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, für einen Verbrennungsmotor, der im Wesentlichen frei von Oxiden ist, und/oder ein durchgehend homogenes Gefüge aufweist.