DE102013215020A1

DE102013215020A1 - Infiltrierbares Einlegeteil

Info

Publication number: DE102013215020A1
Application number: DE102013215020.2A
Authority: DE
Inventors: Roland Ruch; Patrick Sutter; Frank Winger; Udo Rotmann
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-05
Also published as: EP3027341B1; JP6461954B2; US10207319B2; JP2016535195A; BR112016001689A2; CN105451910A; EP3027341A1; WO2015014787A1; BR112016001689B1; US20160175927A1; CN105451910B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein infiltrierbares Einlegeteil aus einem Sinterwerkstoff für einen gegossenen Kolben einer Brennkraftmaschine, das aus einem zumindest Eisen, vorzugsweise auch Nickel und Kupfer oder deren Legierungen aufweisenden Pulver hergestellt ist, wobei der Sinterwerkstoff Partikel unterschiedlicher Korngrößen umfasst und höchstens 4%Vol. der Sinterpartikel einen Durchmesser von kleiner als 75 µm aufweisen. Hierdurch kann eine höhere und gröbere Porosität des Sinterwerkstoffs und ein verbesserter Verbund zwischen dem Gussmaterial des Kolbens und dem Einlegeteil erreicht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein infiltrierbares Einlegeteil für einen gegossenen Leichtmetallkolben einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallkolbens unter Verwendung eines derartigen Einlegeteils.
Leichtmetallkolben werden aufgrund ihres geringeren Gewichts und ihrer geringeren Trägheitskräfte bereits seit langem in Brennkraftmaschinen eingesetzt. Um insbesondere eine erste Ringnut eines derartigen Leichtmetallkolbens, beispielsweise eines Aluminiumkolbens, gegen Schwelldruckbelastungen zu sichern, werden Bewehrungen in Form von sogenannten Ringträgern eingesetzt. Als Werkstoff für derartige Ringträger kommen insbesondere Eisenlegierungen in Betracht, die in der Regel einen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der dem des Kolbenwerkstoffs möglichst ähnlich ist. Da jedoch beispielsweise Eisen- und Aluminiumlegierungen sehr unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten haben, kann es bei thermischen Wechselbelastungen an den Grenzflächen zu hohen Spannungen kommen, die umso größer sind, je unterschiedlicher die Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden verwendeten Materialien für den Kolben einerseits und den Ringträger andererseits sind. Ein Riss zwischen dem Ringträger und dem Kolben führt üblicherweise zum Versagen des Motors und muss daher unbedingt vermieden werden. Die Bindung zwischen dem Ringträger und dem Kolben wird in der Regel metallurgisch durch den bekannten Alfinierprozess erreicht, bei welchem der Ringträger so lang in eine Aluminiumschmelze getaucht wird, bis sich eine Diffusionsschicht gebildet hat. Dann wird dieser alfinierte Ringträger beim Abguss des Kolbens von der Schmelze der Kolbenlegierung umgossen, wobei während der folgenden Erstarrung die Alfinbindung entsteht.
Bedingt durch die hohen Zünddrücke moderner Dieselmotoren werden nahezu alle hierfür verwendeten Kolben in der ersten Ringnut mit gusseisernen Ringträgern, zumeist aus Austenit, bewehrt. Der Trend zur Direkteinspritzung des Brennstoffs bei Benzinmotoren, verbunden mit steigenden Zünddrücken erfordert nun ebenfalls eine höhere Verschleißfestigkeit in der ersten Ringnut als dies übliche Kolbenlegierungen bieten können. Von besonderer Wichtigkeit ist dabei jedoch allgemein der Verbund zwischen dem Leichtmetall des Kolbens und dem darin eingegossenen Ringträger.
Aus der DE 34 18 405 C2 ist ein Verbund-Druckgießverfahren zur Herstellung von Aluminiumkolben für Brennkraftmaschinen bekannt, bei welchem ein Ringträger aus Metallschaum der Werkstoffe Nickel, Kupfer, Eisen oder Legierungen davon mit einem Volumenanteil des Kolbens von 3–50% bei einem Gießdruck von mindestens 392 bar im Druckguss zum Verbund mit der Kolbenlegierung infiltriert werden. Eine metallurgische Bindung kann durch eine anschließende mehrstufige Wärmebehandlung, beispielsweise Lösungsglühen, Altern, oder ähnliches erzeugt werden.
Aus der DE 196 35 326 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Leichtlegierungs-Verbundstoffelements bekannt, bei welchem zunächst ein poröses Verbundstoffbildungsmaterial in einem Hohlraum einer Gussform gehalten wird. Anschließend wird eine geschmolzene leichte Legierung in dem Hohlraum der Gussform durch Anlegen eines Gasdrucks eingegossen, wodurch die Poren des porösen Verbundstoffbildungsmaterials mit der geschmolzenen leichten Legierung getränkt werden. Hierdurch bildet sich ein Verbundstoffabschnitt, der aus einem Verbundstoffmaterial aus der leichten Legierung und dem Verbundstoffbildungsmaterial gebildet ist.
Aus der DE 26 39 294 C2 ist für unterschiedliche hochporöse Sinterwerkstoffe auf Chrom-Nickel-Basis sowie Cu, Ni, Fe, Ni-Fe-Schaumwerkstoffe durch Infiltration unter Erstarrungsdrücken zwischen 2500 und 1000 bar für offene Porositäten von 25–38% zur Verwendung als Ringträger beschrieben.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Einlegeteil eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine bessere Infiltrierbarkeit ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, für einen Sinterwerkstoff für ein infiltrierbares Einlegeteil ein Pulver mit einer völlig neuartigen Kornzusammensetzung in der Art einer neuen Sieblinie zu wählen, wodurch die offene Porosität und damit auch die Infiltrierbarkeit des aus diesem Sinterwerkstoff hergestellten Einlegeteils deutlich verbessert wird. Erreicht wird dies beispielsweise dadurch, dass die Sieblinie enger gefasst ist, das heißt die Größenverteilung der einzelnen Sinterpartikel enger und damit das Sinterpulver, aus dem der Sinterwerkstoff erzeugt wird, homogener als üblicherweise ist. Das erfindungsgemäß eingesetzte Pulver enthält zumindest Eisen oder dessen Legierungen, vozugsweise auch Nickel, Kupfer oder deren Legierungen, und umfasst dabei Partikel unterschiedlicher Korngrößen, wobei höchstens 4 Volumenprozent des Pulvers aus Partikeln mit einem Durchmesser von kleiner als 75 µm bestehen. Dabei können zumindest 28%Vol., bevorzugt mindestens 50%Vol. und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform mindestens 88%Vol. des Pulvers Sinterpartikel mit einem Durchmesser von größer als 150 µm aufweisen. Hierdurch ist es möglich, den pulverförmigen Sinterwerkstoff gröber als üblich auszubilden, wobei üblicherweise 90% der Sinterpartikel einen Durchmesser von kleiner als 150 µm aufweisen. Neben der Begrenzung der Partikel mit einem Durchmesser von kleiner als 75 µm auf maximal 4%Vol. wird die Größenverteilung der einzelnen Partikel deutlich enger gefasst, wobei die Beschränkung der Korngrößen unterhalb des Schwellenwertes insbesondere das bisher auftretende Füllen von Poren, die dann nicht mehr zur Infiltration zur Verfügung stehen, beschränkt. Bei herkömmlichen Sinterwerkstoffen ist eine derart enge Beschränkung der Partikelgrößen nach unten nicht vorgesehen, wodurch ein deutlich erhöhter Füllgrad auch der zwischen größeren Sinterpartikeln verbleibenden Poren erreicht wird.
Erfindungsgemäß weist das für den Sinterwerkstoff des Einlegeteils verwendete Pulver einen Anteil von 0–4,0%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von 0–75 µm auf. In einer Ausführungsform entfallen höchstens 10%Vol., bevorzugt höchstens 2%Vol. des Pulvers auf Partikel mit einem Durchmesser von 75–106 µm. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen ferner höchstens 6%Vol. des Pulvers Partikeldurchmesser im Bereich von 106–150 µm auf. Demnach weisen in dieser bevorzugten Ausführungsform mindestens 88%Vol. des Pulvers Partikeldurchmesser größer als 150 µm auf. Bereits durch diese enge Beschränkung der Feinstbestandteile des Pulvers kann erreicht werden, dass die zwischen den einzelnen Partikeln im Sinterwerkstoff verbleibenden und von einem späteren Leichtmetall beim Gießen des Leichtmetallkolbens infiltrierbaren Poren nicht vollständig gefüllt werden, so dass diese Poren für die Infiltration mit dem Leichtmetall zur Verfügung stehen, wodurch ein deutlich verbesserter Verbund zwischen dem Einlegeteil, welches beispielsweise als Ringträger, als Muldenrand oder als Bolzenauge in einem Kolben ausgebildet sein kann, erreicht werden kann.
Dazu weisen in einer Ausführungsform mindestens 50%Vol. des Pulvers Partikeldurchmesser von 106–212 µm auf. Durch den hohen Pulveranteil innerhalb einer relativ engen Korngrößenbandbreite wird die Entstehung einer hohen Porosität und damit eines leicht infiltrierbaren Sinterwerkstoffs gefördert. In einer anderen Ausführungsform entfallen mindestens 50%Vol. auf Partikel mit Durchmessern größer als 212 µm. Durch den hohen Anteil größerer Partikel wird eine grobporigere Struktur erzielt, die ebenfalls die Infiltration erleichtert.
Zweckmäßig weist ein zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sinterwerkstoffs geeignetes Pulver einen Anteil von 0,5 bis 6,0%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von 106–150 µm auf. Insbesondere die genannte Untergrenze macht deutlich, dass bei einer derartigen Sieblinie bzw. Korngrößenverteilung Feinstpartikel zum vollständigen Füllen der für die Infiltration erforderlichen Poren nicht oder nur im unzureichenden Maße vorhanden sind. Hierdurch kann beispielsweise erreicht werden, dass das aus dem erfindungsgemäßen Sinterwerkstoff hergestellte, das heißt gesinterte Einlegeteil, 50–80% Poren, das heißt eine 50–80%-ige Porosität aufweist, die gegebenenfalls zumindest teilweise durch das Leichtmetall ausgefüllt werden kann. Durch ein hinsichtlich der Partikelgröße relativ homogenes Pulver ist nicht nur die Porosität des erzeugten Sinterwerkstoffs höher, sondern die einzelnen Poren sind auch wesentlich größer, was die Durchströmbarkeit mit einer Leichtmetallschmelze weiter verbessert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind zumindest einzelne Sinterpartikel des Sinterwerkstoffs mit einem Binder, beispielsweise mit einem Harz, beschichtet, welches die Grünstandfestigkeit erhöht und beim Sintern verbrennt. Nach dem Pressen des Grünlings hält das Harz die einzelnen Sinterpartikel jedoch fest aneinander und verbessert somit die Festigkeit des gepressten Grünlings. Ein derartiges Harz erhöht somit die Formtreue des zunächst noch nicht gesinterten Einlegeteils und erleichtert dadurch dessen beschädigungsfreie Handhabung. Der Binder bzw. das Harz stellt dabei eine die Porosität des Einlegeteils reduzierende Beschichtung einzelner Sinterpartikel dar, welche beim späteren Gießen des Leichtmetallkolbens die Infiltration und damit die Verbindung zwischen dem Leichtmetall des Kolbens und dem Einlegeteil verschlechtert. Beim Sintern des Einlegeteils jedoch verbrennt der Binder das Harz und somit die zuvor von diesem reduzierte Porosität wieder frei, so dass diese für den Infiltrationsprozess genutzt werden kann. Alternativ kann der Binder auch dazu eingerichtet sein, beim Sintern durch eine andere chemische Reaktion als eine Oxidation abgebaut zu werden. Dazu wird dem Einlegeteil während des Sinterns statt Luft ein anderes geeignetes Gas, z.B. ein Endogas zugeführt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung liegt eine Dichte des Einlegeteils bei ca. 2,5–4,7 g/cm³. Die Dichte von Aluminium liegt beispielsweise bei ca. 2,7 g/cm³, so dass bei einer Infiltration des Einlegteils mit Leichtmetall, beispielsweise Aluminium, stets noch eine Dichte von unter 5 g/cm³ erreicht werden kann. Das Einlegeteil erhöht somit aufgrund seiner hohen Porosität und seiner vergleichsweise geringe Dichte das Gewicht des Leichtmetallkolbens um einen wesentlich geringeren Betrag als ein aus einer Eisenlegierung gefertigtes massives Eingussteil.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallkolbens, beispielsweise eines Magnesium- oder Aluminiumkolbens, unter Verwendung eines zuvor beschriebenen Einlegeteils, bei welchem das flüssige Leichtmetall unter einem Gießdruck von ca. 0,5–15 bar in eine Gussform eingefüllt wird und das in der Gussform angeordnete Einlegeteil infiltriert. In einer bevorzugten Ausführungsform werden untereutektische Legierungen des Aluminiums mit Silizium und/oder Kupfer verwendet. Dadurch wird eine Bildung von Si- oder Cu-Phasen vermieden, die insbes. in einer übereutektischen Al-Legierung entstehen können. Dies ist deswegen unerwünscht, weil der Sinterwerkstoff beim Infiltrieren wie ein Filter wirken kann, dessen Poren diese Phasen nicht durchlassen, so dass sie sich an dessen Oberfläche ansammeln. Die dadurch gebildete Schicht trennt das Einlegeteil von dem gegossenen Kolbenkörper und bildet eine Schwachstelle, die zu Ausschuss oder einem späteren Ausfall des Kolbens führen kann. Das Gießen des Leichtmetallkolbens kann dabei mit oder ohne Gegendruck erfolgen, wobei der Gießdruck um mindestens 0,1 bar größer sein sollte als der Gegendruck.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt das Gießen des Leichtmetallkolbens, beispielsweise des Aluminiumkolbens, unter Schutzgas, insbesondere unter Nutzung von Stickstoff oder Argon. Hierdurch kann eine Oxidation des Leichtmetalls beim Gießen verhindert werden, wobei eine derartige unerwünschte Oxidation des Leichtmetalls zum Verstopfen der Poren des Sinterwerkstoffs durch Oxide führen und dadurch eine gute Infiltration des Einlegeteils und dessen mechanische Bindung an den Kolbenkörper wie zuvor beschrieben erschweren kann. Durch die Verwendung des Schutzgases kann die Oxidation verhindert und damit die Infiltration des Einlegeteils verbessert werden.
Zweckmäßig wird der gegossene Kolben lösungsgeglüht bzw. überaltert. Insbesondere bei Aluminiumlegierungen kann durch das Lösungsglühen ein sogenanntes Ausscheidungshärten erfolgen, wodurch die Festigkeit des Leichtmetallkolbens gesteigert werden kann. Das Aushärten kann dabei prinzipiell in drei Stufen erfolgen, nämlich dem eigentlichen Lösungsglühen, dem Abschrecken und dem anschließenden Auslagern (warm oder kalt). Das Lösungsglühen erfolgt dabei bei Temperaturen von ca. 480° bis über 50°C, wobei eine Temperatur gewählt wird, bei welcher eine ausreichende Menge von den Legierungselementen im Mischkristall gelöst ist, so dass der Aushärtungseffekt nach dem Abschrecken und der Auslagerung eintritt. In entsprechender Weise kann auch das Überaltern einer derartigen Aluminiumlegierung erfolgen.
Die Gussform wird während des Gießens des Aluminiumkolbens üblicherweise entlüftet, um ein vollständiges Füllen der Gussform und einen optimierten Infiltrationsprozess des Einlegeteils erzielen zu können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3418405 C2 [0004]
DE 19635326 A1 [0005]
DE 2639294 C2 [0006]

Claims

Infiltrierbares Einlegeteil aus einem Sinterwerkstoff für einen gegossenen Kolben einer Brennkraftmaschine, das aus einem zumindest Eisen oder dessen Legierungen aufweisenden Pulver hergestellt ist, wobei das Pulver Partikel unterschiedlicher Korngrößen umfasst und höchstens 4%Vol. des Pulvers aus Partikeln mit einem Durchmesser von kleiner als 75 µm bestehen.
Einlegeteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver einen Anteil von höchstens 10%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von 75–106 µm aufweist.
Einlegeteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass das Pulver einen Anteil von höchstens 2%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von 75–106 µm aufweist und – das Pulver einen Anteil von höchstens 6%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von 106–150 µm aufweist.
Einlegeteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver einen Anteil von mindestens 28%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von größer als 150 µm aufweist.
Einlegeteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver einen Anteil von mindestens 50%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von größer als 150 µm aufweist.
Einlegeteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver einen Anteil von mindestens 88%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von größer als 150 µm aufweist.
Einlegeteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver einen Anteil von mindestens 50%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von 106–212 µm aufweist.
Einlegeteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver einen Anteil von mindestens 50%Vol. Partikel mit einem Durchmesser größer als 212 µm aufweist.
Einlegeteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver ferner Nickel, Kupfer oder Legierungen derselben enthält.
Einlegeteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne Sinterpartikel mit einem Binder, insbesondere einem Harz, beschichtet sind, welcher dazu eingerichtet ist, eine zur Handhabung des Grünlings vor dem Sintern geeignete Grünstandfestigkeit herzustellen und beim Sintern zu verbrennen.
Einlegeteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das gesinterte Einlegeteil 50–80 Vol.-% Poren aufweist.
Einlegeteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil als Ringträger, als Bolzenauge oder als Muldenrand eines Kolbens ausgebildet ist.
Einlegeteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil eine Dichte von ca. 2,5–4,7 g/cm³ aufweist.
Verfahren zu Herstellung eines Aluminiumkolbens unter Verwendung eines Einlegeteil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem das flüssige Aluminium unter einem Gießdruck von ca. –0,5 bis 15 bar in eine Gussform eingefüllt wird und das in der Gussform angeordnete Einlegeteil infiltriert.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, – dass das Gießen des Aluminiumkolbens unter Schutzgas, insbesondere Stickstoff oder Argon, erfolgt, und/oder – dass das Gießen unter Gegendruck erfolgt, wobei der Gegendruck 0,1 bar kleiner ist als der Gießdruck.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der gegossene Kolben lösungsgeglüht oder überaltert wird.