DE102013210325A1

DE102013210325A1 - Eisen-Aluminium-Legierung, Kolben für einen Verbrennungsmotor, Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium-Legierung und Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102013210325A1
Application number: DE102013210325.5A
Authority: DE
Inventors: Marc-Manuel Matz; Markus Aumiller; Frank Dörnenburg; Werner Trübenbach; Peter Gödel
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2013-06-04
Filing date: 2013-06-04
Publication date: 2014-12-04
Also published as: WO2014195358A1

Abstract

Eine Eisen-Aluminium-Legierung besteht aus etwa 40 Vol.-% bis etwa 70 Vol.-% Eisen-Phasen, aus etwa 3 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% intermetallischer Phasen und als Rest aus Aluminium-Phasen. Ferner ist bei einem Kolben für einen Verbrennungsmotor zumindest ein Bereich einer ersten Ringnut zumindest teilweise ausgespart und mit der Eisen-Aluminium-Legierung aufgefüllt. Die Legierung wird durch einen thermischen Spritzprozess auf einer Oberfläche mit einer Temperatur zwischen etwa 150°C und etwa 400°C hergestellt. Der Kolben wird so hergestellt, dass zumindest ein Bereich einer ersten Ringnut zumindest teilweise ausgespart wird und die Aussparung dann durch das Verfahren zur Herstellung der Eisen-Aluminium-Legierung aufgefüllt wird.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Eisen-Aluminium-Legierung, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, ein Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium-Legierung und ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
Im Rahmen der Entwicklung von Motoren, die immer kleiner und leistungsfähiger werden, steigen die Druck- und Temperaturbelastungen auf die verwendeten Kolben. In diesem Zusammenhang ist insbesondere die oberste Ringnut, die dem Einsetzen eines Kolbenrings dient, besonders belastet. Um diesen Belastungen gerecht zu werden und um das Betriebsverhalten und die Betriebslebensdauer von Kolben und Kolbenringen zu verbessern, wird der Bereich der ersten Ringnut mit einer Verschleißschutzschicht armiert.
Stand der Technik
Die DE 10 2008 002 572 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem zumindest der Bereich der obersten Ringnut zumindest teilweise ausgespart wird, anschließend eine Haftvermittlerschicht mit Aluminium aufgebracht wird, danach eine Verschleißschutzschicht thermisch aufgespritzt wird, und daraus zumindest die oberste Ringnut zumindest teilweise herausgearbeitet wird. Die Verschleißschutzschicht kann dabei aus einer Pseudolegierung gebildet werden, die während eines Lichtbogendrahtspritzprozesses entsteht.
Die DE 10 2009 002 653 B3 beschriebt ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem ein Bereich, der bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal und eine Kolbenringnut aufweist, zunächst ausgespart wird, der spätere Kühlkanal nachfolgend abgedeckt wird, und schließlich Material zur Aufnahme des Kolbenrings aufgetragen wird, und das sich dadurch auszeichnet, dass der spätere Kühlkanal durch Drahtmaterial abgedeckt wird, das mit einer Länge, die größer ist als die für einen einzigen Kolben notwendige Länge, bereitgestellt wird.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Eisen-Aluminium-Legierung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Legierung im Hinblick auf eine Verwendung dieser als besonders leistungsfähige Armierung für Kolbenringnuten vorzusehen. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung einen Kolben für einen Verbrennungsmotor vorzusehen, der im Hinblick auf das Verschleißverhalten, insbesondere im Bereich der obersten Ringnut, verbessert ist. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens vorgestellt werden.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt zum einen durch die im Anspruch 1 beschriebene Eisen-Aluminium-Legierung.
Die Eisen-Aluminium-Legierung weist etwa 40 Vol.-% bis etwa 70 Vol.-% Eisen-Phasen und etwa 3 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% intermetallische Phasen und als Rest Aluminium-Phasen auf. Die beschriebene Eisen-Aluminium-Legierung kann auch als Pseudolegierung bezeichnet werden. Dabei sind unter Pseudolegierungen Materialien zu verstehen, die sich normalerweise nicht konventionell aus der Schmelzphase erzeugen lassen. Die enthaltenen intermetallischen Phasen zeichnen sich durch eine inhärent hohe Festigkeit, insbesondere eine gute Warmfestigkeit aus, welche die Legierung für die Anwendung in hochbelasteten Kolben von Verbrennungsmotoren gut geeignet erscheinen läßt. Besonders vorteilhaft ausgeprägt sind diese Effekte in dem erfindungsgemäßen Anteilsbereich der intermetallischen Phasen. Insgesamt ist die Legierung durch das komplexe mehrphasige Gefüge für den Einsatz unter Bedingungen mit hohen mechanischen und thermischen Belastungen prädestiniert.
Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Eisen-Aluminium-Legierung sind in den weiteren Ansprüchen 2 bis 4 beschrieben.
Die Legierung weist bevorzugt etwa 5 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% Silizium und/oder Magnesium auf. Das in dem bevorzugten Konzentrationsbereich vorliegende Silizium dient zur besseren Kontrolle der Phasenbildung in der Pseudolegierung. Weiter wird eine vorteilhafte Verringerung der Dichte der Legierung erzielt.
Die intermetallischen Phasen der Legierung bestehen bevorzugt zu mindestens etwa 90 Gew.-% aus Eisen und/oder Aluminium und Silizium und/oder Magnesium als Rest. Ferner sind diese Phasen bevorzugt binäre und/oder ternäre intermetallische Phasen, die Eisen und/oder Aluminium und/oder Silizium und/oder Magnesium aufweisen. Als Beispiele seien FeAl, Fe₂Al, AlFe₃, FeAl₃ und Al₉Fe₂Si₂ genannt. Im Speziellen sind Fe-Al Phasen besonders beständig in oxidierenden und aufkohlenden Atmosphären. Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme in 1 zeigt ein komplexes Gefüge, wobei die verschiedenen intermetallischen Phasen 1 (grau), in Analogie zu einem Verbundwerkstoff, ein durchdringendes Netzwerk mit Aluminium-2(schwarz) und Eisen-Phasen 3 (weiß) bilden. Diese Mikrostruktur hat vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf den Einsatz als Verschleißschutzschicht in hochbelasteten Kolben.
Ferner ist es vorteilhaft für die erfindungsgemäße Legierung, wenn sie geringe Anteile an Molybdän, Chrom, Kohlenstoff, Silizium, Aluminium und/oder Magnesium aufweist.
Weitere vorteilhafte Effekte können erreicht werden, indem die Legierung eine mittlere Härte zwischen etwa 150 HV1 und etwa 600 HV1 aufweist. Eine Härte größer als z. B. die eines Kolbengrundwerkstoffes wird benötigt, um im Fall, dass die Legierung als Ringnutarmierung eingesetzt wird, der hochbelastete Kolbenring ein optimale, mechanisch robuste Aufnahme erfährt und somit den hohen Flächenpressungen standhält. Ferner ist es von großer Wichtigkeit, dass der die Nut umgebende Bereich den hohen Anforderungen im Hinblick auf Druck- und Temperaturbelastungen entspricht.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt des Weiteren durch den im Anspruch 5 beschriebenen Kolben.
Demnach wird bei einem Kolben für einen Verbrennungsmotor zumindest ein Bereich der ersten Ringnut zumindest teilweise ausgespart und mit einer Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufgefüllt. Das zum Auffüllen verwendete Material bildet dabei eine Verschleißschutzschicht die zum Beispiel als besonders vorteilhafte Basis zur Einbringung einer Ringnut und später zur Aufnahme eines Kolbenrings dienen kann. Die Verschleißschutzschicht bildet damit eine Kolbenringnutarmierung. Mit Vorteil kann die am Kolben befindliche Kolbenringnut daher den hohen Flächenpressungen und Verschleißbeanspruchungen besser standhalten, was gleichzeitig die Betriebslebensdauer des Kolbens insgesamt vorteilhaft verlängert und dessen Betriebsverhalten verbessert.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen 6 und 7 beschrieben.
Mit Vorteil liegen eine Nutoberflanke und eine Nutunterflanke der Aussparung in einem Winkel von etwa 30° bis etwa 70° zueinander. In diesem Winkelbereich wird eine optimale Haftfestigkeit des zum Auffüllen verwendeten Materials in der Nut erreicht.
In vorteilhafter Weise kann der erfindungsgemäße Kolben einen radial innerhalb der Ringnut liegenden Bereich aufweisen, der nicht aufgefüllt ist und damit einen Kühlkanal bildet. Dies kann erreicht werden, indem vor dem Auffüllen eine entfernbare Masse, beispielsweise eine Salzmasse in die Aussparung im Bereich der ersten Ringnut eingebracht wird. Nach dem Auffüllen und der Beseitigung der entfernbaren Masse verbleibt ein Hohlraum hinter der Verschleißschutzschicht, der den Kühlkanal bildet. Alternativ kann, wie in DE 10 2009 002 653 B3 beschrieben, auch eine Abdeckung des späteren Kühlkanals mit Draht- oder Bandmaterial erfolgen. Damit kann ein fertigungstechnisch aufwendigeres Einbringen im Zuge einer Nachbearbeitung oder während des Urformens umgangen werden.
Ferner wird die genannte Aufgabe durch das im Anspruch 8 beschriebene Herstellungsverfahren der Eisen-Aluminium-Legierung gelöst.
Die beschriebene Eisen-Aluminium-Legierung wird dabei durch einen thermischen Spritzprozess auf einer Oberfläche erzeugt, wobei eine Temperatur der Oberfläche zwischen etwa 150°C und etwa 400°C beträgt. Die Vorteilhaftigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt u. a. in der Herstellung der zuvor beschriebenen Eisen-Aluminium-Legierung mit den oben genannten Vorteilen besonders im Hinblick auf den Einsatz als Ringnutarmierung eines Kolbens. Der gewählte Temperaturbereich für den thermischen Spritzprozess stellt sicher, dass sich ausreichend geeignete metallischen und intermetallischen Phasen bilden, um das besonders vorteilhafte mehrphasige Gefüge zu erhalten.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen 9 bis 11 beschrieben.
Der thermische Spritzprozess ist vorzugsweise ein Lichtbogendrahtspritzprozess. Mit diesem Spritzverfahren können unterschiedliche Materialien vorteilhaft miteinander kombiniert werden, indem zwei oder mehr unterschiedliche Drähte zugeführt werden. Die beschriebene Legierung wird dabei bevorzugt aus zumindest zwei Drahtmaterialien aus Fe- und Al-Basislegierungen oder aus Mischdrähten auf Fe- und Al-Basis erhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere das Lichtbogendrahtspritzen, ermöglicht somit die besonders vorteilhafte Erzeugung und Optimierung neuartiger Materialien wie zum Beispiel die hier beschriebene Pseudolegierung. Ferner könnten durch die Verwendung von Fülldrähten Hartstoffe wie, z. B. Oxide, Karbide und Nitride verarbeitet und in Verschleißschutzschichten integriert werden.
Die Variation der Prozessparameter des Lichtbogendrahtspritzens, z. B. der Vorschubgeschwindigkeit der Drähte, erlaubt u. a. die Erzeugung einer chemischen Gradientenstruktur in dem Auffüllmaterial. Denkbar ist zum Beispiel eine Anreicherung von Aluminium an den Grenzflächen zum Kolbengrundwerkstoff, sinnvollerweise wenn dieser aus einer Aluminiumbasislegierung gefertigt ist. Vorteilhaft daran ist, dass Unterschiede in der thermischen Ausdehnung zwischen Kolbengrundmaterial und Auffüllmaterial reduziert werden können. Weitere Vorteile können erlangt werden, indem die Grenzflächenfestigkeit mit Bezug auf das Grundmaterial des Kolbens angepasst wird. Neben dieser guten Anpassung, ist es ebenfalls denkbar die Zusammensetzung des Auffüllmaterials in Außenbereichen, d. h. in solchen, die in Kontakt mit einem einzubringenden Kolbenring sind, z. B. mechanisch und tribologisch zu optimieren. Insbesondere das Lichtbogendrahtspritzen bietet dafür auf Grund seiner Prozessflexibilität besondere Vorteile. Ferner ist das Lichtbogendrahtspritzen ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung hochwertiger Schichten im industriellen Maßstab mit überschaubaren apparativen Anforderungen. Insgesamt hat das Lichtbogendrahtspritzen großes Entwicklungspotential für neue Werkstoffkombinationen und Anwendungen insbesondere auch für hochbelastete Bauteile in Verbrennungsmotoren.
Bevorzugt weisen die Drahtmaterialien die zur Herstellung der Legierung verwendet werden etwa 0,2% bis etwa 5,0% Magnesium, etwa 0,2% bis etwa 5,0% Molybdän, etwa 0,2% bis etwa 5,0% Chrom, etwa 0,2% bis etwa 5,0% Kohlenstoff und/oder etwa 0,2% bis etwa 5,0% Mangan auf. Die Anwesenheit zumindest eines dieser Elemente bedeutet, dass diese auch in der erzeugten Legierung vorliegen können und die Ausbildung von intermetallischen Phasen bzw. die mechanischen Eigenschaften der Aluminium- und/oder Eisen-Phasen positiv beeinflussen.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch das in Anspruch 12 beschriebene Herstellungsverfahren des Kolbens.
Im Rahmen des Herstellungsverfahrens des erfindungsgemäßen Kolbens gemäß einem der Ansprüche 5–7, wird zumindest ein Bereich der obersten Ringnut zumindest teilweise ausgespart. Mit anderen Worten wird ein Bereich der Ringnut z. B. bereits während des Urformens eines Kolbenrohlings, beispielsweise beim Gießen, ausgespart, das heißt, es findet sich eine Ausnehmung oder dergleichen in dem Bereich, in dem später die oberste Ringnut auszubilden ist. Alternativ oder ergänzend hierzu kann bei dem Kolbenrohling der Bereich der obersten Ringnut zunächst ganz oder teilweise vorhanden sein, und es wird, beispielsweise durch spanende Bearbeitung, das Material des Kolbenrohlings im Bereich der späteren obersten Ringnut entfernt. Insbesondere wird die beschriebene Aussparung bevorzugt zumindest ein wenig größer als die spätere oberste Ringnut ausgeführt, sodass die nachfolgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden können.
Nach der Erzeugung der Aussparung während des Urformens oder durch Nachbearbeitung des Kolbenrohlings wird diese durch einen Spritzprozess aktiviert d. h. die Oberflächen der Aussparung werden aufgeraut. Dies kann durch ein Strahlverfahren mit Festkörpern oder Flüssigkeiten erfolgen. Als Resultat ergibt sich ein geeigneter Haftgrund für das Material, mit dem die Aussparung anschließend durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8–11 aufgefüllt wird.
Die Vorteilhaftigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt u. a. in der Herstellung des zuvor beschriebenen Kolbens mit seinen verbesserten Eigenschaften. Ferner bildet die zum Auffüllen verwendete Eisen-Aluminium-Legierung die vorteilhafte Verschleißschutzschicht, aus der in einem späteren Prozessschritt, beispielsweise eine Ringnut zur Aufnahme einen Kolbenrings herausgearbeitet werden kann. Folglich muss nicht auf fertigungstechnische Alternativen wie z. B. das Eingießen eines separaten Ringträgers zurückgegriffen werden, was mit hohem technischem Aufwand einhergehen würde, welcher durch die vorliegende Erfindung vermieden wird. Ferner stellt ein solcher Ringträger eine mögliche Fehlerquelle und Ursache für Bauteilversagen dar, da es bei dessen Einbringung zu Lage- und Bindungsfehlern kommen kann. Darüber hinaus ist das Eingießen eines Ringträgers bei denjenigen Herstellungserfahren, die bevorzugt für Kolben verwendet werden, z. B. Guss- und Schmiedeverfahren, oft nicht durchführbar. Insgesamt ergibt sich aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008002572 A1 [0003]
DE 102009002653 B3 [0004, 0017]

Claims

Eisen-Aluminium-Legierung, die etwa 40 Vol.-% bis etwa 70 Vol.-% Eisen-Phasen, etwa 3 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% intermetallische Phasen und als Rest Aluminium-Phasen aufweist.
Eisen-Aluminium-Legierung gemäß Anspruch 1, wobei die Legierung etwa 5 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% Silizium und/oder Magnesium aufweist.
Eisen-Aluminium-Legierung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 2, wobei die intermetallischen Phasen zu mindestens etwa 90 Gew.-% aus Eisen und/oder Aluminium und als Rest aus Silizium und/oder Magnesium bestehen.
Eisen-Aluminium-Legierung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, wobei die Legierung eine mittlere Härte zwischen etwa 150 HV1 und etwa 600 HV1 aufweist
Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei zumindest ein Bereich einer ersten Ringnut zumindest teilweise ausgespart ist und mit einer Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufgefüllt ist.
Kolben gemäß Anspruch 5, wobei eine Nutoberflanke und eine Nutunterflanke der Aussparung in einem Winkel von etwa 30° bis etwa 70° zueinander liegen.
Kolben gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 5 bis 6, wobei ein radial innerhalb der Ringnut liegender Bereich nicht aufgefüllt ist, um einen Kühlkanal auszubilden.
Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium-Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Legierung durch einen thermischen Spritzprozess auf einer Oberfläche erzeugt wird, wobei eine Temperatur der Oberfläche zwischen etwa 150°C und etwa 400°C beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium-Legierung gemäß Anspruch 8, wobei der thermische Spritzprozess ein Lichtbogendrahtspritzprozess ist.
Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium-Legierung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 9, wobei die Legierung aus zumindest zwei Drahtmaterialien aus Eisen- und Aluminium-Basislegierungen erhalten wird oder aus Mischdrähten auf Eisen- und Aluminium-Basis erhalten wird.
Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium-Legierung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 10, wobei die Drahtmaterialien geringe Anteile an Magnesium, Molybdän, Chrom, Kohlenstoff und/oder Mangan aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei zumindest ein Bereich einer ersten Ringnut zumindest teilweise ausgespart wird und anschließend die Aussparung durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11 aufgefüllt wird.