DE102009039838A1

DE102009039838A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, bestehend aus einer verbesserten Aluminiumsilizium-Legierung

Info

Publication number: DE102009039838A1
Application number: DE102009039838A
Authority: DE
Inventors: Udo Buschkamp
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2010-04-29
Also published as: WO2010025919A2; WO2010025919A3; JP2012502176A; EP2318560A2; CN102177266A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei ein Kolbenrohling aus einer Aluminiumsilizium-Legierung unter Zugabe von Kupferanteilen gegossen und danach fertig bearbeitet wird, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der Kupferanteil maximal 5,5% der Aluminiumsilizium-Legierung beträgt und dass der Aluminiumsilizium-Legierung Anteile von Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Chrom (Cr) bzw. Vanadium (V) beigemischt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei ein Kolbenrohling aus einer Aluminiumsilizium-Legierung unter Zugabe von Kupferanteilen gegossen und danach fertig bearbeitet wird, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Die Kolben, die in modernen Brennkraftmaschinen betrieben werden, sind in Folge von immer weiter steigenden Einspritzdrücken und damit einhergehend immer weiter steigenden Verbrennungstemperaturen immer höheren Belastungen ausgesetzt, so dass grundsätzlich Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die Festigkeit dieser Kolben zu verbessern.
Eine mögliche Maßnahme zur Verbesserung der Festigkeit von Kolben besteht darin, den Kolben in einem Schmiedeverfahren herzustellen. Mit dem Schmiedeverfahren lassen sich zwar die gewünschten Festigkeitsanforderungen erfüllen, wohingegen die komplexe Bauformen von modernen Kolben, insbesondere Kolben aus einem Leichtmetallwerkstoff, sich in Schmiedeverfahren nicht realisieren lassen.
Die andere Möglichkeit zur Herstellung eines Kolbens, mit der sich die gewünschten komplexen Gestaltungen erzielen lassen, ist das Gießverfahren, wobei zur Herstellung von Kolben aus Leichtmetallwerkstoffen vorzugsweise eine Aluminiumsilizium-Legierung zur Anwendung kommt, die als Gießschmelze in eine Gießform eingegeben wird, dort erstarrt, wobei danach ein Kolbenrohling der Gießform entnommen werden kann und fertig bearbeitet wird. Die Fertigbearbeitung ist im Regelfall darin zu sehen, dass durch spanabhebende Bearbeitung, wie z. B. Drehen oder Fräsen, der Kolbenrohling auf Maß gebracht wird und andere Elemente (wie z. B. Ringnuten, Bolzenbohrungen, Zulauf- und Ablauföffnungen für einen Kühlkanal im Kolben) und dergleichen eingebracht werden. Danach steht der fertige Kolben zur Verfügung und kann in die Brennkraftmaschine eingebaut werden.
Bei den bisher bekannten Gießverfahren zur Herstellung von Kolben aus Leichtmetallwerkstoffen ist zudem eine kostenintensive doppelte Wärmebehandlung (Lösungsglühen) erforderlich, wobei dies jedoch nicht zu den gewünschten Festigkeitseigenschaften des fertigen Kolbens führt.
Die Erfindung beschäftigt sich somit mit einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, bei dem ein Kolbenrohling aus einer Aluminiumsilizium-Legierung gegossen wird. Zur Erhöhung der Festigkeitsanforderungen ist es darüber hinaus schon bekannt geworden, dieser Legierung Kupferanteile beizugeben, wobei die Festigkeit des fertigen Kolbens unter der Berücksichtigung der Rahmenbedingungen während seines Betriebes im Zylinderraum der Brennkraftmaschine noch nicht zufriedenstellend sind.
Eine motorische Gleitpaarung aus einer Aluminiumbasislegierung ist aus der DE 10 2005 047 037 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine anzugeben, wobei ein nach diesem Verfahren hergestellter Kolben deutlich verbesserte Festigkeitsanforderungen während des Betriebes im Zylinder der Brennkraftmaschine aufweist.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentsanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kupferanteil maximal 5,5% der Aluminiumsilizium-Legierung beträgt und dass der Aluminiumsilizium-Legierung Anteile von Titan, Zirkonium, Chrom bzw. Vanadium beigemischt werden und die Summe aller Bestandteile (einschließlich möglicher Verunreinigungen) 100% beträgt. Die Verwendung einer solchen Kolbenlegierung hat den Vorteil, dass sich damit hohe Schwingfestigkeiten des fertigen Kolbens im Zylinderraum der Brennkraftmaschine bei hohen Temperaturen, d. h. unter Volllast, sowie bei mittleren Temperaturen, d. h. bei Teillast der Brennkraftmaschine, erzielen lassen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Bestandteile der Kolbenlegierung sich einfach zusammensetzen lassen, was bei der Serienfertigung von Kolben von entscheidendem Vorteil ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aluminiumsilizium-Legierung Phosphor zugegeben wird. Dies hat den Vorteil, dass der Kornfeinungseffekt verbessert wird sowie sich ein besseres Fließvermögen einstellt. Diese Eigenschaften zeigen insbesondere dann ihre optimale Wirkung im Zusammenspiel mit den übrigen Anteilen in der Kolbenlegierung, wenn der Phosphoranteil 40–80 ppm beträgt.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolbenlegierung BerylliumVanadium zugegeben wird. Diese Zugabe von BerylliumVanadium reduziert in vorteilhafter Weise die Oxidbildung, insbesondere auf der Oberfläche des Kolbenrohlings bzw. des fertig bearbeiteten Kolbens.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kobenlegierung TitanBor zugegeben wird. Auch diese Zugabe von Titan Bor verbessert den Kornfeinungseffekt (d. h. durch Substanzeintrag wird die Zahl der Keime in der Gießschmelze erhöht) und reduziert darüber hinaus die Fiederkristallbildung (Fiederkristalle: frei schwebende und losgelöst von der Erstarrungsfront erstarrende Körner) im Materialgefüge des gegossenen Kolbenrohlings, was ansonsten zu Materialschwächung führt.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der fertig bearbeitete Kolben alfiniert wird, wobei dem Material zum Alfinieren BerylliumVanadium zugegeben wird. Die Zugabe von BerylliumVanadium in das Alfinmaterial verbessert seine Haftung auf der Oberfläche des Kolbens und reduziert darüber hinaus in vorteilhafter Weise die Sludgeschicht.
Insgesamt bietet das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Kolbens unter Verwendung der beanspruchten Kolbenlegierung eine gegenüber mit bekannten Gießverfahren hergestellten Kolben eine höhere Schwingfestigkeit, die um mindestens 15% gegenüber der bisher bekannten Schwingfestigkeit, gemessen bei Raumtemperatur und bei 350°C, gesteigert ist. Daraus resultieren eine höhere Belastbarkeit des Kolbens im Betrieb der Brennkraftmaschine, einhergehend mit einer deutlichen Gewichtsreduzierung. Ebenfalls lassen sich höhere Materialhärten erzielen, wodurch in vorteilhafter Weise der Wegfall der bisher immer durchgeführten Wärmebehandlung (Lösungsglühen) des gegossenen Kolbenrohlings bzw. des fertig bearbeitenden Kolbens entfallen kann.
In der beigefügten Tabelle sind verschiedene Legierungen aus dem Stand der Technik und ihre Zusammensetzungen (M124, M142, M145, M174 von der Firma Mahle GmbH sowie KS1295 von der Firma KS Kolbenschmidt GmbH) mit der erfindungsgemäßen Legierung, die die Bezeichnung „Timbor” trägt, und ihre Zusammensetzung aufgeführt. Die Angaben in den Spalten der Tabelle sind Prozentangaben und beziehen sich auf den prozentualen Anteil des jeweiligen Materials, bezogen auf dessen Gesamtmenge.
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 Patentliteratur

- DE 102005047037 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei ein Kolbenrohling aus einer Aluminiumsilizium-Legierung unter Zugabe von Kupferanteilen gegossen und danach fertig bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupferanteil maximal 5,5% der Aluminiumsilizium-Legierung beträgt und dass der Aluminiumsilizium-Legierung Anteile von Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Chrom (Cr) bzw. Vanadium (V) beigemischt werden und die Summe aller Bestandteile 100% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumsilizium-Legierung Phosphor (P) zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phosphoranteil 40–80 ppm der Kolbenlegierung beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumsilizium-Legierung BerylliumVanadium (BeV) zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumsilizium-Legierung TitanBor (TiB) zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der fertig bearbeitete Kolben alfiniert wird, wobei dem Material zum Aflinieren BerylliumVanadium (BeV) zugegeben wird.
Kolben einer Brennkraftmaschine, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben ein Kolbenoberteil mit einem Ringfeld und gegebenenfalls einer Brennraummulde und gegebenenfalls einem Kühlkanal sowie ein Unterteil mit Kolbenschäften und Bolzenbohrungen aufweist.
Kolben nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben in seinem Oberteil einen Kühlkanal aufweist, wobei der Kühlkanal mit zumindest einer Zulauföffnung und zumindest einer Ablauföffnung für ein Kühlmedium versehen ist, wobei in die zumindest eine Zulauföffnung das Kühlmedium, insbesondere Motoröl, eingespritzt wird, in dem Kühlkanal zirkuliert und aus der Ablauföffnung austritt und beim Austritt Wärme aus dem Kolbenoberteil abführt.