DE102019112872A1

DE102019112872A1 - Leichtbau-einsätze für kolbenringe, verfahren zu ihrer herstellung und erzeugnisse, die diese enthalten

Info

Publication number: DE102019112872A1
Application number: DE102019112872.2A
Authority: DE
Inventors: Jeremy R. Kirklin; Richard D. Ricchi
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-09-04
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2020-03-05
Also published as: US20200070240A1; CN110872663A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Einsatzes für einen Aluminiumkolben, umfassend das Aufbringen von Druck auf eine Zusammensetzung, die Aluminium umfasst. Die Zusammensetzung wird verformt, um den Einsatz für Aluminiumkolben zu bilden. Der Einsatz umfasst eine Aluminiumlegierung und der Einsatz fungiert als Ringträger. Hierin ist auch ein Erzeugnis offenbart, das einen Einsatz für einen Kolben umfasst. Das Erzeugnis ist aus einer Zusammensetzung hergestellt, die Aluminium umfasst. Der Einsatz wird nach einem Verfahren hergestellt, das ein Aufbringen von Druck auf die Zusammensetzung zum Bilden des Einsatzes umfasst.

Description

EINLEITUNG
Die Offenbarung bezieht sich auf Leichtbau-Einsätze für Kolbenringe, Verfahren zu deren Herstellung und auf Erzeugnisse, die diese enthalten.
Ein Kolben zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor beinhaltet einen Einsatz (manchmal auch bezeichnet als ein Ringeinsatz oder Ringträger) über seine Umfangsausdehnung. Nuten sind in einer äußeren Radialfläche des Einsatzes ausgebildet und zur Aufnahme von Kolbenringen geeignet. Ringeinsätze werden verwendet, um den Kolben/Ring vor unvorhersehbaren Überdruckereignissen zu schützen, die als SPI (stochastische Vorzündung) bezeichnet werden. Stochastische Vorzündung (SPI) ist ein Vorzündungsereignis, das bei Benzinfahrzeugmotoren auftritt, wenn eine vorzeitige Zündung der Hauptkraftstoffladung stattfindet.
Derzeit im Handel erhältliche Ringeinsätze werden in der Regel von einer nickelreichen Eisenlegierung gebildet, die eine größere Härte und Verschleißfestigkeit aufweist als das Material von Kolbenkörper und Kolbendeckel. Die Verwendung von nickelreichen Eisenlegierungen hat einige Probleme gelöst, nämlich (1) das Ringnut-„zerstoßen“ - mechanische Verformung und Verschleiß der Ringnut durch Kontakt mit dem Kolbenring wird reduziert; und (2) die Beständigkeit gegen unvorhersehbare Hochdruckverbrennungsereignisse (SPI). Nachweis für die Kundengewährleistung für den Kolben hat gezeigt, dass Kolben mit Ringeinsätzen während dieser SPI-Ereignisse eine höhere Beständigkeit gegen Kolbenringbruch haben. Der Gewährleistungsnachweis ist ein Nachweis, der von zurückgegebenen Waren, die unter eine Garantie fallen, erbracht wird.
Die Gewährleistungsnachweise deuten auch darauf hin, dass geschmiedete Aluminiumkolben eine ähnliche Beständigkeit gegen SPI-Ereignisse aufweisen, obwohl sie keinen Ni-reichen Eisenringträger haben. Es wird angenommen, dass diese Beständigkeit gegen SPI auf die Kaltverfestigung des Materials zurückzuführen ist, die in einer fein angepassten Aluminiummikrostruktur resultiert, die von Natur aus mehr Belastbarkeit bietet als eine Gussstruktur.
Nickelreiche Einsätze aus Eisenlegierungen haben eine Reihe von Nachteilen, wovon einer ihr erhöhtes Gewicht ist. Nickelreiche Einsätze aus Eisenlegierungen haben ein spezifisches Gewicht von mehr als 7,0 g/cm³ im Vergleich zu etwa 2,74 g/cm³ bei Aluminiumring-Einsätzen. Eine hohe Dichte von Ringträgermaterialien erhöht das Gewicht des Kolbens und die gesamte Hubmasse des Motorkurbeltriebs.
Eine Alternative zu einem Eisenmetalleinsatz ist ein Einsatz aus einer Legierung mit erhöhter Härte und Verschleißfestigkeit mit einer thermischen Ausdehnung ähnlich der von Kolbenkopf und Kolbenkörper. Solche Legierungen müssen jedoch für eine bestimmte Anwendung angepasst werden und sind sowohl schwierig als auch teuer in der Entwicklung. Darüber hinaus beseitigt die Verwendung einer solchen Legierung nicht das als Mikroschweißen bezeichnete Problem, bei dem Material aus einem Kolbenring und dem Einsatz ausgetauscht wird, wodurch der Ring mit dem Einsatz verbunden wird. Eine solche unerwünschte Verbindung kann zum Ausfall des Kolbens führen. Auch bieten solche Legierungen keine Art von Trockenschmierung zwischen einem Kolbenring und einem Einsatz.
Eine weitere Alternative zu einem Eisenmetalleinsatz sieht die Verwendung von Verfahren vor, bei denen das Material in kundenspezifischer Weise auf einen nicht gegossenen Kolbenkörper und -kopf aufgebracht und dann bearbeitet wird, um einen Einsatz zu bilden. Der kundenspezifische Auftrag von Material auf einen nicht gegossenen Kolben ist teuer und unterliegt der Unzuverlässigkeit.
Dementsprechend ist es wünschenswert, Einsätze vorzusehen, die Robustheit gegenüber SPI-Ereignissen bieten (wie Eisenringeinsätze), aber die verschiedenen oben genannten Nachteile überwinden. Es ist wünschenswert, Ringeinsätze bereitzustellen, die in Bezug auf ihr spezifisches Gewicht, ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihre Wärmeleitfähigkeit dem Material des Aluminiumkolbenkörpers ähnlicher sind, aber eine ähnliche Belastbarkeit und Festigkeit wie ein geschmiedeter Aluminiumkolben aufweisen.
BESCHREIBUNG
Verfahren zur Herstellung eines Einsatzes für einen Aluminiumkolben, umfassend das Aufbringen von Druck auf eine Zusammensetzung, die Aluminium umfasst. Die Zusammensetzung wird dann verformt, um den Einsatz für den Aluminiumkolben zu bilden. Der Einsatz umfasst eine Aluminiumlegierung und fungiert als Ringträger.
Hierin offenbart ist auch ein Erzeugnis, der einen Einsatz für einen Kolben umfasst, der eine Zusammensetzung umfasst, die Aluminium umfasst. Der Einsatz wird nach einem Verfahren hergestellt, das das Ausüben von Druck zum Bilden des Einsatzes umfasst.
Die Zusammensetzung zum Herstellen des Einsatzes umfasst 2 bis 20 Gew.-% Silizium, 2 bis 6 Gew.-% Kupfer, 1 bis 5 Gew.-% Eisen und 0,1 bis 4 Gew.-% eines oder mehrerer der folgenden Elemente: Magnesium, Mangan, Vanadium, Scandium, Nickel, Titan, Strontium, Zink oder Bor, wobei der Rest Aluminium ist, wobei die Gewichtsprozente auf ein Gesamtgewicht der Zusammensetzung bezogen sind.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Zusammensetzung zum Herstellen des Einsatzes 5 bis 14 Gew.-% Silizium, 3 bis 5 Gew.-% Kupfer, 2 bis 4 Gew.-% Eisen und 0,1 bis 4 Gew.-% eines oder mehrerer der folgenden Elemente: Magnesium, Mangan, Vanadium, Scandium, Nickel, Titan, Strontium Zink oder Bor, wobei der Rest Aluminium ist, wobei die Gewichtsprozente auf ein Gesamtgewicht der Zusammensetzung bezogen sind.
In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst die Zusammensetzung zum Herstellen des Einsatzes 5 bis 14 Gew.-% Silizium, 3 bis 5 Gew.-% Kupfer, 2 bis 4 Gew.-% Eisen und 0,1 bis 4 Gew.-% von zwei oder mehr der folgenden Elemente: Magnesium, Mangan, Vanadium, Scandium, Nickel, Titan, Strontium Zink oder Bor, wobei der Rest Aluminium ist, wobei die Gewichtsprozente auf ein Gesamtgewicht der Zusammensetzung bezogen sind.
Die Druckbeaufschlagung des Einsatzes erfolgt durch Schmieden, Stempeln, Walzen, Fließpressen oder eine Kombination davon.
In einer Ausführungsform umfasst das Schmieden das Kaltschmieden, das Walzen das Kaltwalzen und das Fließpressen das Kaltfließpressen, wobei das Kaltschmieden, Kaltwalzen und Kaltfließpressen bei oder nahe Raumtemperatur durchgeführt werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst das Schmieden das Warmschmieden, das Walzen das Warmwalzen und das Fließpressen das Warmfließpressen, wobei das Warmschmieden, Warmwalzen und Warmfließpressen bei Temperaturen von mehr als 200°C durchgeführt werden.
Der Einsatz kann durch Sintern der Zusammensetzung hergestellt werden. Das Sintern der Zusammensetzung wird vor dem Aufbringen von Druck durchgeführt. Das Sintern wird bei einer Temperatur zwischen 300 und 650°C für 5 Minuten bis 3 Stunden, vorzugsweise 590 bis 620°C für 20 bis 30 Minuten durchgeführt, um einen gesinterten Kompaktkörper zu bilden, der dann behandelt und jeder Verformungsmethode unterzogen werden kann, die zu einer Kaltverfestigung des Materials führt.
Das Sintern der Zusammensetzung wird vor dem Aufbringen des Drucks durchgeführt, wobei das Sintern bei einer Temperatur von 250°C oder mehr für 5 bis 20 Stunden durchgeführt wird, um einen gesinterten Kompaktkörper zu bilden.
Das Kaltschmieden wird mit einem Druck von 200 bis 400 MPa durchgeführt, das Kaltfließpressen mit einem Druck von 200 bis 400 MPa und das Kaltwalzen mit einem Druck von 200 bis 400 MPa. Die Drücke sind abhängig von der Fließspannung des Materials bei der Verarbeitungstemperatur. Die Fließtemperatur ist prozessunabhängig.
Das Warmschmieden wird bei einem Druck von 10 bis 90 MPa und einer Temperatur von 300 bis 600°C durchgeführt, das Warmfließpressen bei einem Druck von 20 bis 110 kg/cm² und einer Temperatur von 230 bis 480°C und das Warmwalzen wird bei einem Druck von 30 bis 140 MPa und einer Temperatur von 200 bis 400°C durchgeführt.
In einer exemplarischen Ausführungsform umfasst ein Erzeugnis einen Einsatz für einen Kolben, der eine Zusammensetzung umfasst, die Aluminium umfasst; wobei der Einsatz nach einem Verfahren hergestellt wird, das das Aufbringen von Druck zum Bilden des Einsatzes umfasst.
In noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform umfasst das Verfahren das Aufbringen von Druck, umfassend Schmieden, Stempeln, Walzen, Fließpressen oder eine Kombination davon.
In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst das Schmieden das Kaltschmieden, das Walzen das Kaltwalzen und das Fließpressen das Kaltfließpressen, wobei das Kaltschmieden, Kaltwalzen und Kaltfließpressen bei oder nahe Raumtemperatur durchgeführt werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst das Schmieden das Warmschmieden, das Walzen das Warmwalzen und das Fließpressen das Warmfließpressen, wobei das Warmschmieden, Warmwalzen und das Warmfließpressen bei Temperaturen von mehr als 200°C durchgeführt werden.
Das Verfahren zur Herstellung des Einsatzes umfasst ferner das Sintern der Zusammensetzung vor dem Aufbringen des Druckes. Das Sintern wird bei einer Temperatur von 250°C oder mehr für 5 bis 20 Stunden durchgeführt, um einen Grünling zu bilden.
Die vorgenannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Offenbarung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen lediglich exemplarisch in der folgenden Detailbeschreibung, die Detailbeschreibung zur Zeichnung ist die Darstellung eines exemplarischen Ringeinsatzes.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist hierin ein Einsatz (ein Ringträger) für einen Kolben eines Verbrennungsmotors offenbart, wobei der Einsatz, der eine hochfeste, wärmebehandelbare Aluminiumlegierung umfasst. Die Aluminiumlegierung umfasst vorzugsweise Aluminium als Grundmetall. Andere in der Legierung vorhandene Metalle beinhalten eines oder mehrere der folgenden Elemente: Silizium, Eisen, Kupfer, Magnesium, Mangan, Vanadium, Scandium, Titan, Strontium Zink, Bor und Chrom.
Der Einsatz wird nach Verfahren hergestellt, die die Verwendung von Druck beinhalten, wie beispielsweise solche, die das Material während der Herstellung verformen, um eine feine, anisotrope Mikrostruktur und Unterstruktur zu erreichen. Diese Verfahren beinhalten Schmieden, Fließpressen, Stempeln, Walzen, Kaltwalzen und dergleichen, um die gewünschte Mikrostruktur zu erreichen.
In Bezug nun auf die Figur umfasst ein Kolben 10 in einer Ausführungsform drei Ringnuten 12, 12', aber es kann eine beliebige Anzahl solcher Ringnuten vorgesehen werden. Die Kronenfläche ist bei 14 angegeben, und in dieser Kronenfläche ist eine Verbrennungsschale 16 ausgebildet. Die Kolbenbolzenbohrungen 18 erstrecken sich durch die im Kolben vorgesehenen Naben unterhalb der Ringnuten 12. Ein Kolbenmantel ist bei 20 angegeben. Ebenfalls in der Zeichnung dargestellt ist die Kolbenachse 22 und die Achse 24 der Kolbenbolzenbohrungen 18.
Ein Einsatz 26, der die hochfeste, wärmebehandelte Aluminiumlegierung umfasst, ist in einer Nut angeordnet, die sich auf einer Umfangsfläche 28 (manchmal auch auf den Kolbensteg bezogen) des Kolbens in der Nähe der Kolbenkrone 14 befindet. Der Einsatz 26 weist eine Ringnut 12' auf, die einen Kolbenring (nicht dargestellt) aufnimmt.
Die Aluminiumlegierung ist eine metallische Legierung und kann 2 bis 20 Gew.-% Silizium, 2 bis 6 Gew.-% Kupfer, 1 bis 5 Gew.-% Eisen und optional 0,1 bis 4 Gew.-% eines oder mehrerer der folgenden Elemente enthalten: Magnesium, Mangan, Vanadium, Scandium, Nickel, Titan, Strontium, Zink oder Bor. Der Rest der Legierung umfasst Aluminium. Alle oben genannten Elemente sind in metallischer Form ausgeführt. Oxide, Nitride, Carbide oder dergleichen, falls vorhanden, sind in Spurenmengen als Verunreinigungen vorhanden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Aluminiumlegierung 5 bis 14 Gew.-% Silizium, 3 bis 5 Gew.-% Kupfer, 2 bis 4 Gew.-% Eisen und optional 0,5 bis 3 Gew.-% eines oder mehrerer der folgenden Elemente: Magnesium, Mangan, Vanadium, Scandium, Nickel, Titan, Strontium Zink und Bor. Der Rest der Legierung umfasst Aluminium. In einer Ausführungsform können zwei oder mehr Elemente wie Magnesium, Mangan, Vanadium, Scandium, Nickel, Titan, Strontium, Zink und Bor in einer Menge von 0,1 bis 4, vorzugsweise 1 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumlegierung vorhanden sein. Alle Gewichtsprozente beziehen sich auf das Gesamtgewicht der Aluminiumlegierung.
In einer exemplarischen Ausführungsform umfasst die Aluminiumlegierungszusammensetzung, die in den Einsatz geschmiedet werden kann, 0,1 bis 12,2 Gew.-% Silizium, 0,2 bis 4,4 Gew.-% Kupfer, 0,25 bis 2,5 Gew.-% Magnesium, 0,05 bis 1 Gew.-% Nickel, 0,12 bis 1 Gew.-% Eisen, 0,1 bis 0,6 Gew.-% Mangan, 0,07 bis 0,25 Gew.-% Titan, 0,1 bis 5,60 Gew.-% Zirkonium, wobei der Rest Aluminium ist.
Der Einsatz kann durch ein druckbasiertes Verfahren hergestellt werden, das Schmieden, Fließpressen, Stempeln, Walzen und dergleichen beinhalten kann. Schmieden wird bevorzugt. Die Druckbeaufschlagung kann kalt oder warm erfolgen. Die Kaltdruckbeaufschlagung erfolgt bei oder nahe Raumtemperatur. Die Raumtemperatur beinhaltet Temperaturen, die innerhalb von 20 Grad der Raumtemperatur liegen. Die Heißdruckbeaufschlagung erfolgt bei Temperaturen über 200°C. Einzelheiten der einzelnen Verfahren sind nachstehend aufgeführt.
In einer Ausführungsform werden die vorgenannten Metalle in der Regel zunächst in Pulverform zu einem Grünling verdichtet, der weiterverarbeitet werden kann. Das Pulver wird zunächst in eine Form genommen und auf ein Volumen von 65 % oder mehr, vorzugsweise 75 % oder mehr, weiter vorzugsweise 85 % oder mehr und weiter vorzugsweise 95 % oder mehr des Volumens der Form komprimiert.
Der Grünling kann in einem Konvektionsofen (d.h. einem nichtinduktiven Ofen) bei einer Temperatur von 250°C bis 650°C für etwa 5 bis 20 Stunden gesintert werden, um den gesinterten Kompaktkörper zu bilden. Der gesinterte Kompaktkörper kann dann weiter einem Druckbeaufschlagungsprozess wie Kalt- oder Warmschmieden, Kalt- oder Warmfließpressen, Kalt- oder Warmwalzen, Stempeln oder dergleichen unterzogen werden.
Schmieden ist ein Herstellungsverfahren, bei dem ein Metall mit lokalisierten Druckkräften geformt wird. In einer Ausführungsform kann der gesinterte Kompaktkörper zur Herstellung des Einsatzes einem Schmieden unterzogen werden. Das Schmieden kann sowohl Kaltschmieden als auch Warmschmieden beinhalten.
Bei der Herstellung eines Vorformlings mit einer solchen Festigkeit, dass beim Schmieden keine Risse entstehen, ist es wünschenswert, dass die Dichte durch Kaltschmieden auf ein ausreichend hohes Niveau erhöht wird und dann optional ein zweiter Sinterschritt auf dem anfänglich gesinterten Kompaktkörper durchgeführt werden kann. Die Dichte (während des Kalt- oder Warmschmiedens) kann durch Erhöhung des Verdichtungsdrucks zufriedenstellend erhöht werden. In einer Ausführungsform wird das Kaltschmieden durch kaltisostatisches Pressen durchgeführt. Dieses Verfahren ist effektiver als das normale Pressen mit einem Metallmatrize. Diese hochdichte Kaltverdichtung zerstört jede Oxidschicht auf den pulverförmigen Partikeln und vergrößert dadurch die Kontaktfläche der Partikel erheblich. Während des Schmiedens fallen die im anfänglich gesinterten Kompaktkörper vorhandenen Leerstellen zusamm. Der zweite Sinterschritt, der in der Regel nach dem Kaltschmiedeschritt durchgeführt wird, führt zur Bildung eines oxidfreien Kompaktkörpers mit hoher Dichte und sehr wenigen Leerstellen.
Kaltschmieden wird bei einer Temperatur von 0 bis 200°C durchgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Kaltschmieden bei einer Temperatur von 20 bis 100°C durchgeführt. Ein zweiter Sinterschritt kann an einem kalt geschmiedeten Teil bei einer Temperatur von 300°C bis 600°C, vorzugsweise 250 bis 550°C für etwa 5 bis etwa 20 Stunden durchgeführt werden. Der zweite Sinterschritt ermöglicht die Bildung eines feinkörnigen Gefüges und Untergefüges. Das Kaltschmieden wird bei einem Druck von 200 bis 400 MPa durchgeführt.
Warmschmieden kann anstelle des Kaltschmiedens oder alternativ zusätzlich zum Kaltschmieden eingesetzt werden. Einer der Gründe für das Warmschmieden (anstelle oder zusätzlich zum Kaltschmieden) ist, dass das Sintern ausgiebig und in einem größeren Umfang abläuft als beim Kaltschmieden bei gleichen Drücken. Ein weiterer Grund ist, dass der Verformungswiderstand gegenüber dem Schmieden reduziert wird (wegen der erhöhten Temperaturen während des Schmiedeprozesses) und dadurch eine Verformung in komplizierte Formen erreicht werden kann. Durch das Warmschmieden zu einem wahren Dichteverhältnis (wobei das wahre Dichteverhältnis die Dichte der das Pulver bildenden Partikel ist, im Gegensatz zur Schüttdichte, die die durchschnittliche Dichte eines großen Volumens des Pulvers in einem bestimmten Medium (meist Luft) misst) von mindestens 95% werden Leerstellen minimiert und die innere Oxidation durch eingeschlossene Luft in den Leerstellen reduziert.
Warmschmieden wird bei einer Temperatur von 200 bis 600°C durchgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Warmschmieden bei einer Temperatur von 350 bis 550°C durchgeführt. Das Warmschmieden wird bei einem Druck von 10 bis 90 MPa durchgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Einsatz durch Fließpressen hergestellt werden. Beim Fließpressen wird die Metalllegierung einem Druck ausgesetzt, der sie verformt und von einem Formwerkzeug ausgeht, das die Form des gewünschten Erzeugnisses hat. Fließpressen kann sowohl Kaltfließpressen als auch Warmfließpressen umfassen. Die Kaltfließpressen erfolgt bei Raumtemperatur oder nahe der Raumtemperatur. Kaltfließpressen minimiert die Oxidation des Einsatzes und führt zu einem Produkt mit höherer Festigkeit wegen der Kaltumformung, engeren Toleranzen, besserer Oberflächenbeschaffenheit und schneller Fließpressgeschwindigkeiten. Kaltfließpressen wird bei Fließpressverhältnissen von mindestens 2:1, vorzugsweise größer als 3:1 und weiter vorzugsweise größer als 4:1 durchgeführt.
Das Kaltfließpressen wird bei einem Druck von 200 bis 400 MPa durchgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Kaltfließpressen bei einem Druck von 220 bis 300 MPa durchgeführt.
Die Warmfließpressen wird in der Regel bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Aufgrund der Verwendung erhöhter Temperaturen sind die Fließpressverhältnisse beim Warmfließpressen im Allgemeinen größer als jene beim Kaltfließpressen. Beim Warmfließpressen ist das Fließpressverhältnis im Allgemeinen größer als 4:1 und vorzugsweise größer als 10:1.
Warmfließpressen wird bei einer Temperatur von 230 bis 480°C durchgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Warmfließpressen bei einer Temperatur von 250 bis 400°C durchgeführt.
Der Einsatz kann auch durch Walzen hergestellt werden. Walzen kann Kaltwalzen oder Warmwalzen beinhalten. Wie das Kaltfließpressen erhöht auch das Kaltwalzen die Festigkeit des Einsatzes durch Kaltverfestigung durch Druck und Anpassung der Mikrostruktur. Die Festigkeitssteigerung kann bis zu 20% größer sein als die Festigkeit desselben Teils, das durch Warmwalzen oder Warmfließpressen hergestellt wird. Kaltwalzen wird bei oder nahe Raumtemperatur durchgeführt.
Warmwalzen wird bei einer Temperatur von 200 bis 400°C durchgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Warmwalzen bei einer Temperatur von 220 bis 380°C durchgeführt.
Das aus dem Schmieden, Fließpressen, Walzen oder einem anderen druckbeaufschlagten Prozess erhaltene Produkt kann dann in die Kolbenform eingebracht und beim Abguss des geschmolzenen Aluminiums in den Kolben gegossen werden. Vor dem Gießen kann der Einsatz optional bearbeitet und/oder Oberflächenbehandlungen unterzogen oder anderweitig modifiziert werden, um eine gute Verbindung mit dem gegossenen Kolbenmaterial zu erreichen. Dies kann das Entfernen oder Modifizieren der stabilen, passiven Oxidschicht auf der Oberfläche durch chemische, mechanische oder andere Verfahren beinhalten. Oberflächenbehandlungen können das Kugelstrahlen, Sandstrahlen, Läppen, Schleifen, elektrolytische Abscheidung einer Beschichtung, Laserschmelzen und dergleichen auf dem Einsatz beinhalten.
Ein Kolbenring (nicht dargestellt) kann dann im Einsatz angeordnet und der zusammengebaute Kolben in einen Motorzylinder eingesetzt werden. Die Baugruppe kann dann in einem Automobil verwendet werden.
In einer Ausführungsform beträgt das spezifische Gewicht des Einsatzes 2,5 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³) bis 3,20 g/cm³, vorzugsweise 2,6 bis 3,0 g/cm³ und weiter vorzugsweise 2,7 bis 2,9 g/cm³. Der Einsatz weist vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der die Kompatibilität mit dem gegossenen Aluminiummaterial des Kolbens erleichtert. Der Wärmeausdehnungskoeffizient liegt im Bereich von 16 × 10^-6 bis 26 × 10^-6 pro Grad (Celsius oder Kelvin). Die Verwendung eines angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Einsatz und dem Kolben verhindert das Lösen des Einsatzes vom Kolben. Dies verhindert das Vorbeiströmen der im Zylinder erzeugten heißen Gase und verhindert darüber hinaus Schaden am Kolben und Zylinder, der durch das Lösen des Einsatzes oder durch das Brechen des Einsatzes verursacht wird.
In einer Ausführungsform, in einem Verfahren zur Anordnung des Einsatzes auf einem Kolben, wird der (Leichtbau-) Einsatz alfinbehandelt (mit geschmolzenem Aluminium behandelt) und eine Aluminiumlegierung wird um den Einsatz herum gegossen, so dass der Einsatz den Ringstützabschnitt des Kolbens bildet. Anschließend wird eine Ringnut entlang des Außenumfangs des Ringstützabschnitts des Einsatzes herausgearbeitet. Bei der Alfin-Behandlung wird der Einsatz in eine geschmolzene Aluminiumlegierung getaucht und anschließend eine Aluminiumlegierung dort herum umgossen mit dem Ziel, die Haftfestigkeit zwischen der Aluminiumlegierung und dem Einsatz zu verbessern.
Die Mikrostruktur des „geformten“ Einsatzes (d.h. geschmiedet, extrudiert, gestempelt, gewalzt oder dergleichen) weist eine völlig dichte, anisotrope Struktur auf; gekennzeichnet durch die Anpassung der Körner und Unterkörner mit im Wesentlichen modifizierten primären Siliziumpartikeln im Vergleich zur Gussstruktur des Kolbens.
Weitere Vorteile, die sich aus der Herstellung des Einsatzes mit einem druckbeaufschlagten Verfahren mit Schmieden, Fließpressen, Walzen, Stempeln und dergleichen ergeben, sind, dass es potenziell einen vollständig geschmiedeten Kolben ersetzen kann, der sowohl teuer als auch schwerer als ein Gusskolben ist. Das Schmieden (oder alternativ das Fließpressen, Walzen oder Stempeln) nur des Einsatzes (des Ringträgers) des Kolbens ist kostengünstiger und masseeffizienter und bietet gleichzeitig die gleiche Belastbarkeit wie ein vollständig geschmiedeter Aluminiumkolben.
Das gesamte Kolbendesign wäre gewichtsneutral gegenüber einer Gewichtszunahme von ca. 20 Gramm für das Kolbengewicht mit einem nickelreichen eisenbasierten Einsatz. Das Kolbendesign würde die gleichen funktionalen Gieß-Vorteile wie gewichtsoptimierte Form und Struktur beibehalten. Diese druckbeaufschlagten Verfahren zur Herstellung des Einsatzes sind kompatibel mit Großserienfertigungstechniken und vielseitig einsetzbar (sie können mehrere Lieferanten von Gusskolben aufnehmen), im Gegensatz zu geschmiedeten Kolben (die nicht leicht mehrere Lieferanten von Kolben aufnehmen können). Der Bearbeitungsprozess für geschmiedete Aluminiumeinsätze (im Vergleich zu nickelresistenten Einsätzen) ist einfacher, da sie einfacher zu bearbeiten sind, weniger Zeit für die Optimierung von Zuführungen/Geschwindigkeiten benötigen und eine geringere Produktionskomplexität aufweisen. Bei der Entwicklung von Werkzeugen mit nur einem Material ist bei Späne-Rückgewinnungssystemen keine Materialtrennung erforderlich; es erleichtert das Recycling.
Der Einsatz wird vorzugsweise in Kolben für Verbrennungsmotoren eingesetzt. Sie werden vorzugsweise in Motoren eingesetzt, die Diesel als Kraftstoff für den Verbrennungsprozess verwenden (z.B. Dieselmotoren). In einer weiteren Ausführungsform wird der Einsatz in Motoren verwendet, die Benzin als Kraftstoff für den Verbrennungsprozess verwenden.
Obwohl die vorstehende Offenbarung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, wird von den Fachleuten verstanden, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente durch Elemente davon ersetzt werden können, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne vom wesentlichen Umfang der Offenbarung abzuweichen. Daher ist beabsichtigt, dass sich die vorliegende Offenbarung nicht auf die einzelnen offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern alle in den Anwendungsbereich fallenden Ausführungsformen umfasst.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Einsatzes für einen Aluminiumkolben, umfassend: Aufbringen von Druck auf eine Zusammensetzung, die Aluminium umfasst; Verformen der Zusammensetzung, um den Einsatz für den Aluminiumkolben zu bilden; wobei der Einsatz eine Aluminiumlegierung umfasst und wobei der Einsatz als Ringträger fungiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung 2 bis 20 Gew.-% Silizium, 2 bis 6 Gew.-% Kupfer, 1 bis 5 Gew.-% Eisen und 0,1 bis 4 Gew.-% eines oder mehrerer der folgenden Elemente umfasst: Magnesium, Mangan, Vanadium, Scandium, Nickel, Titan, Strontium, Zink oder Bor, wobei der Rest Aluminium ist, wobei die Gewichtsprozente auf einem Gesamtgewicht der Zusammensetzung basieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen von Druck durch Schmieden, Stempeln, Walzen, Fließpressen oder eine Kombination davon erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Schmieden das Kaltschmieden umfasst, das Walzen das Kaltwalzen umfasst und das Fließpressen das Kaltfließpressen umfasst, wobei das Kaltschmieden, Kaltwalzen und Kaltfließpressen bei oder in der Nähe von Raumtemperatur durchgeführt werden oder, alternativ, wobei das Schmieden das Warmschmieden umfasst, das Walzen das Warmwalzen umfasst und das Fließpressen das Warmfließpressen umfasst, wobei das Warmschmieden, Warmwalzen und das Warmfließpressen bei Temperaturen von mehr als 200°C durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Sintern der Zusammensetzung vor dem Aufbringen des Drucks, wobei das Sintern bei einer Temperatur von 250°C oder mehr für 5 bis 20 Stunden durchgeführt wird, um einen gesinterten Kompaktkörper zu bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend das Einpassen des Einsatzes in einen Kolben.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Einpassen eines Rings in den Einsatz.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Kaltschmieden bei einem Druck von 200 bis 400 MPa durchgeführt wird, das Kaltfließpressen bei einem Druck von 200 bis 400 MPa durchgeführt wird und das Kaltwalzen bei einem Druck von 200 bis 400 MPa durchgeführt wird.
Gegenstand, umfassend: einen Einsatz für einen Kolben, der eine Zusammensetzung umfasst, die Aluminium umfasst; wobei der Einsatz nach einem Verfahren hergestellt wird, das ein Aufbringen von Druck zum Bilden des Einsatzes umfasst.
Gegenstand nach Anspruch 9, wobei das Verfahren, das das Aufbringen von Druck umfasst, Schmieden, Stempeln, Walzen, Fließpressen oder eine Kombination davon umfasst.