DE1267799B - Verfahren zum Herstellen von Brennkraftmaschinenkolben durch Verbundgiessen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B22d

Deutsche Kl.: 31 b2-15/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 67 799.5-24
23. August 1960
9. Mai 1968

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zum Herstellen von Brennkraftmaschinenkolben aus Leichtmetall durch Verbundgießen, deren Werkstoffe im Bereich des Kolbenkopfes Gußgefüge und im Bereich des Kolbenschaftes Preß- oder Schmiedegefüge aufweisen und molekular miteinander verbunden sind, unter Verwendung einer gegenüber ihren Werkstoffen andersartigen metallischen Zwischenschicht mit niedrigerem Schmelzpunkt, die auf die zum Angießen vorbereitete Fläche des geschmiedeten Kolbenschaftes aufgebracht ist. Solche Kolben zeichnen sich durch große Härte und Warmfestigkeit in ihrem oberen Teil und durch bessere Dehnung und Plastizität im unteren, offenen Teil aus.

Zur Herstellung derartiger Kolben sind bereits verschiedene Wege beschrieben worden. Es ist z. B. bekannt, beim Schmieden der Kolben von zweiteiligen Verbundrohlingen auszugehen, die aus verschiedenen Legierungen bestehen und die miteinander verschweißt sind. Der eine der beiden Teile kann Guß-, der andere Knetgefüge haben. Mit diesem Verfahren wird jedoch in der Verbindungsfläche der beiden Teile kein für den Betrieb ausreichender Zusammenhalt erzielt, so daß nach dem vorstehend aufgezeigten Verfahren hergestellte Kolben für die Massenherstellung nicht geeignet sind. Es ist weiterhin schon versucht worden, von einem einheitlichen Gußrohling auszugehen, diesen im Bereich seines Schaftes einer Knetbehandlung zu unterwerfen und den Bodenbereich als Gußgefüge zu erhalten. Dieses Verfahren ist zu aufwendig und daher unwirtschaftlich. Nach einem anderen bekannten Verfahren erfolgt die verschiedenartige Ausbildung der Gefüge durch bestimmte Abkühlmaßnahmen beim Gießen und durch einen sich sofort an das Gießen anschließenden Knetvorgang, wobei sich der Gußrohling noch im warmen Zustand befindet. Die mechanische Verformung kann, durch Einführen eines Stempels oder durch einen Prägeschlag vorgenommen werden. Dieses Kneten erfordert unter Wahrung des Gußgefüges im Kolbenkopf eine besondere Sorgfalt und Achtsamkeit und es setzt eine außergewöhnlich reiche Erfahrung in der Aufeinanderfolge der einzelnen Behandlungsstufen voraus. Ein vollständiges Gußgefüge in Boden- und Ringpartie ist außerdem bei kräftigem Durchkneten der Bolzenaugen- und Schaftteile des Kolbens nicht zu erhalten. Soll der Boden schließlich aus einer anderen, warm- und verschleißfesteren Legierung, die in der Regel auch spröder ist, bestehen, so bringt die Anwendung der aufgezeigten Verfahren die Gefahr des Reißens des Werkstoffübergangs mit sich. Außerdem ist ein Verpressen oder Schmieden des Gußroh-Verfahren zum Herstellen von
Brennkraftmaschinenkolben durch
Verbundgießen

Anmelder:

Karl Schmidt

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,

7107 Neckarsulm, Christian-Schmidt-Str. 10

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr. Bernhard Kiefer, 7100 Heilbronn

lings dann nicht ohne weiteres durchführbar, wenn

ao im Kolbenkopf noch Hohlräume verbleiben sollen, die beim Gießen desselben absichtlich gebildet worden sind, wie z. B. für die Unterbringung von Kühleinrichtungen oder wenn z. B, in sich geschlossene Ringelemente, beispielsweise als Schutzringe zur Aufnähme der Kolbendichtungsringe oder andere Ringkörper erwünscht sind.

Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, wurde auch schon der Fachwelt empfohlen, bei einem durch Schmieden oder Pressen hergestellten, mit einer Kühlschlange oder Kühlkammer ausgerüsteten Leichtmetallkolben am Umfang des das Kühlsystem tragen-, den Kopfes eine Ausnehmung oder auch eine bei-, spielsweise sich über den Kolbenkopf erstreckende Werkstoffabnahme durch spangebende Bearbeitung.

des Preßrohlings vorzunehmen und Aufnahmekörper für das Kühlmittel lagensicher durch Umgießen oder Umspritzen mit Werkstoff auf der Rohlingsoberfläche, festzuhalten und gleichzeitig den Kolbenkopf als solchen zu vervollständigen. Aber auch diese Verfahrensweise hat nicht vollkommen befriedigt, weil das Entstehen eines Spaltes zwischen dem nachträglich auf den Preßrohling aufgegossenen Kopfteil und dem letzteren sich nicht vermeiden läßt, der ebenso wie bei zweiteiligen Kolben allgemein, im Betrieb zu Störungen Anlaß geben kann.

Weiterhin ist zum Stand der Technik die deutsche Patentschrift 756 576 zu nennen, die sich mit einem Verfahren zum Eingießen von Blechrippen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen in Wandungen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, insbesondere zum Herstellen von Zylinderteilen befaßt. Aus dieser Vorveröffentlichung ist es bekannt, die

809 548/356

3 4

einzugießenden Rippen mit einem Überzug aus einem denden Kolbenkopfes wird derselbe spangebend beWerkstoff mit einem niedrigeren Schmelzpunkt zu arbeitet, so daß seine Oberfläche etwa die Gestalt versehen, der sich beim Gießen auflöst. Ähnliche einer Kugelkalotte oder eines Paraboloids darstellt. Hinweise enthält die deutsche Patentschrift 431791, Diese Oberflächenform kann aber auch bereits beim die empfiehlt, den einzugießenden Gegenstand mit 5 Schmieden des Bolzens mittels eines geeigneten Geseneiner Schutzoberfläche zu versehen, die unter ande- kes angeformt werden. Zum Schutz gegen die Einwirrem eine frühzeitige Oxydation verhindern soll. Auch kung des Sauerstoffs und zur oberflächigen Schmelzist in diesem Zusammenhang die USA.-Patentschrift punkterniedrigung wird sie mit einer metallischen 2 328 788 zu nennen. Hiernach wird eine Eisenober- Zwischenschicht, beispielsweise Zink, überzogen, was fläche durch Zink geschützt und anschließend durch io vorzugsweise durch Feuerverzinkung geschehen kann, ein Nichteisenmetall umgössen. An einen vorgefer- Der so verzinkte und zweckmäßig noch warme Preßtigten Leichtmetallkörper Aluminium oder Alumini- bolzen wird dann in eine Kokille gesetzt. Beim Aufumlegierungen anzugießen, der mit einer metallischen gießen der Schmelze zur Erzeugung des Kolbenkopfes Schutzschicht versehen ist, die durch das Gießgut ge- kann gleichzeitig eine Kühlkammer oder Kühlanlage löst oder abgespült wird, ist durch die französische 15 oder ein in sich geschlossenes Ringglied, die eben-Patentschrift 1097 667 empfohlen worden. Außer- falls feuerverzinkt sind, mit eingegossen werden. Dadem ist durch die deutsche Patentschrift 748 567 ein bei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Zu- und Verfahren zur Herstellung von gegossenen Leicht- Abflußleitung des vorgeformten Kühlsystems in bemetallkolben bekanntgeworden, das sich dadurch sonderen Bohrungen des Preßbolzens, beispielsweise auszeichnet, daß die thermisch oder mechanisch ao durch Einstecken, festzuhalten, hochbelasteten Kolbenteile als gepreßte Werkstücke Beim Übergießen der Zwischenschicht mit dem für sich hergestellt werden und von der zur Herstel- erschmolzenen Werkstoff zur Bildung des Kolbenlung des Hauptkörpers des Kolbens dienenden Legie- kopfes schmilzt die erstere auf. Gemäß einer weiteren rung derart umgössen werden, daß eine Legierung Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann lediglich an den umgossenen Oberflächen der Preß- as die aufgeschmolzene Zwischenschicht beim Überstücke stattfindet, deren Preßstruktur erhalten bleibt. gießen mit der den Kolbenkopf bildenden Schmelze

Die Praxis hat gezeigt, daß es nicht ausreicht, die in eine Rinne der Kokille abgeschwemmt werden, aufgezeigten einschlägigen Verfahren zum Herstellen An der darunterliegenden, bearbeiteten oder vorvon Brennkraftmaschinenkolben aus Leichtmetall gepreßten Oberfläche schmilzt auch der Werkstoff durch Verbundgießen zu übertragen, um einen KoI- 3° des Preßrohlings auf und bildet mit der Schmelze ben herzustellen, der im Bereich seines Kopfes Guß- eine Legierung, die den Übergang zwischen dem Gußgefüge und ansonsten Preß- oder Schmiedegefüge und Knetgefüge herstellt. Durch die Anwendung aufweist. Alle aufgezeigten Maßnahmen und Verfah- einer regelbaren Kühlung, die der Preßrohling von ren erzeugen zwischen den Kolbenteilen keinen für innen heraus erfährt, ist die Aufschmelzzone auf den Betrieb des Kolbens ausreichenden Zusammen- 35 einen bestimmten Bereich einstellbar. Zur Kühlung halt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, kann ein Sandkern oder auch ein mit Wasser gekühlein Verfahren der eingangs umrissenen Art so aus- ter Metallkern Anwendung finden. Die auffallende zugestalten, daß eine legierungsgemäße Schmelzbin- Gußschmelze erstarrt daher von unten herauf und es dung zwischen den beiden Kolbenteilen entsteht, in entsteht nach beendetem Gießvorgang ein kontinuierder sich nachträglich keine Spalte bilden, durch die 40 licher Übergang zwischen dem Werkstoff des Preßdie Bindungszone geschwächt werden könnte. rohlings und dem aufgegossenen Oberteil des KoI-Überraschenderweise wird diese Aufgabe dadurch bens. Auch die mit eingegossenen Kühlkörper oder gelöst, daß der Kolbenschaft während und nach dem sonstigen Einlagen sind nach diesem Verfahren me-Gießen aus seinem inneren Hohlraum heraus gekühlt tallisch fest verbunden, so daß neben ausgezeichneter wird. Damit gelingt es durch eine mit geringem Auf- 45 Festigkeit der Verbindung auch ein einwandfreier wand verbundene Maßnahme, das eingangs genannte Wärmeübergang zum Umguß gewährleistet ist. Das Verfahren für den erfindungsgemäßen Zweck brauch- Verfahren gestattet außerdem, zum Umguß beliebige bar zu machen. Nach der Erfindung hergestellte KoI- Al-Legierungen zu verwenden, so daß der Kolbenben haben durch die einwandfreie spaltlose Bindung kopf aus einem besonders warm- und verschleißzwistihen den beiden Kolbenteilen eine einwandfreie 5° festen Werkstoff gegossen werden kann. Die nach Funktionssicherheit, wodurch auch die Massenferti- einem solchen Verfahren hergestellten Kolben weisen gung derartiger Kolben möglich ist, da zusätzliche, gegenüber den bekannten, mit einem Gußkopf vermechanische Verankerungen nicht notwendig sind. sehenen gekneteten Schaft den Vorteil auf, daß im Weiterhin wirkt sich die erfindungsgemäße Kühlung Bereich des Überganges der beiden verschiedenartiauch positiv auf die zuweilen in den Kolben mit ein- 55 gen Gefügeteile die gleichen Festigkeitseigenschaften gegossenen Gegenstände, wie Kühlschlangen, aus. vorhanden sind wie im Gußteil selbst, so daß auch Auch diese erfahren eine sehr gute Bindung mit dem im Betrieb eine Lockerung der Verbindung oder Kolbenwerkstoff. Zusammenfassend kann festgestellt nachteilige Änderung der Festigkeit des Kolbenwerkwerden, daß durch die erfindungsgemäße Kühlung die stoffes nicht eintritt.

auf den Preß- bzw. Schmiederohling auffallende 60 Die Figuren veranschaulichen die einzelnen Phasen

Gußschmelze derart erstarrt, daß nach dem beende- des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Vor-

ten Gießvorgang ein nahezu kontinuierlicher Über- richtung zur Durchführung desselben,

gang zwischen dem gepreßten und dem aufgegosse- Aus einem Gußbolzen, der nicht besonders darge-

nen Werkstoff vorhanden ist. stellt ist, wird durch Schmieden oder Pressen der in

Um einen Kolben mit verschiedenartigem Gefüge 65 der Fig. 1 mit 0 bezeichnete Kolbenschaft erzeugt.

in Kopf und Schaft herzustellen, wird beispielsweise Er weist im Innern einen der Kolbenbauweise ent-

ein Gußbolzen mittels einer Strangpresse zu einem sprechenden Hohlraum b auf, der zur Aufnahme

Preßrohling verknetet. Im Bereich des später zu bil- eines Kühlkerns dient oder allgemein einer Kühlein-

richtung. Während der untere Teil des Kolbenschaftes α ein feines Preßgefüge hat, soll der obere Teil als Kolbenkopf Gußgefüge erhalten. Es wird daher die Fläche c des Oberteils spangebend abgearbeitet oder es wird der Gußbolzen schon von vornherein beim Pressen in die aus der Fig. 1 ersichtlichen, strichpunktiert eingetragene Form gebracht. Auf diese kugelkalotten- oder parabolische Oberfläche wird eine Zwischenschicht d, beispielsweise Zink, aufgebracht (F i g. 2) und der so behandelte Kolbenschaft α ίο in eine Kokille e eingesetzt. Die letztere weise eine Ruine / auf, in welcher die Zwischenschicht und teilweise der darunterliegende, verknetete Werkstoff beim Aufgießen des geschmolzenen Leicht- oder Schwermetallwerkstoffs zur Bildung des Kolbenkopfes abgeschwemmt wird und sich sammelt bzw. abfließt. Der Aufgußwerkstoff kann sich nach Art und Zusammensetzung von dem Knetmaterial unterscheiden, um gegebenenfalls der Ringpartie eine besondere Verschleißfestigkeit und dem Kolbenboden eine er- ao höhte Warmfestigkeit zu verleihen.

In dem Kolbenschaft α sind ferner Bohrungeng vorgesehen, die zur Aufnahme der Zu- und Ablaufkanäle des mit einzugießenden Kühlsystems 1 dienen. Die ursprüngliche Form h des Preßrohlings löst sich beim Umgießen bis ungefähr zur mit i bezeichneten Spur der Grenzfläche, wobei sich das Schmiede- und Gußmaterial innig miteinander mischen. Die Lage dieser Grenzfläche ist durch den Grad der eingestellten Kühlung, die sich in der Ausnehmung b befindet, bestimmt. Auf dieser Fläche i entsteht dann der Kolbenkopfteil k (Fig. 3) als Gußgefüge entsprechend der Innenkontur der Kokille e.

Die F i g. 4 zeigt einen fertig bearbeiteten Kolben mit eingegossenem Kühlsystem 1 bzw. Ringträger m.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Brennkraftmaschinenkolbens aus Leichtmetall durch Verbundgießen, dessen Werkstoffe im Bereich des Kolbenkopfes Gußgefüge und im Bereich des Kolbensc'haftes Preß- oder Schmiedegefüge aufweisen und molekular miteinander verbunden sind, unter Verwendung einer gegenüber seinen Werkstoffen andersartigen metallischen Zwischenschicht (d) mit niedrigerem Schmelzpunkt, die auf die zum Angießen vorbereitete Fläche (c) des geschmiedeten Kolbenschaftes («) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschaft während und nach dem Gießen aus seinem inneren Hohlraum (b) heraus gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gegekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (d) beim Übergießen mit der den Kolbenkopf bildenden Schmelze in einer Rinne (/) der Kokille (e) abgeschwemmt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung entsprechend der Größe des Bereiches der Legierungsbindung eingestellt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 431791, 748 567, 576;

französische Patentschrift Nr. 1 097 667;
USA.-Patentschrift Nr. 2 328 788.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 548/356 4.68 ® Bundesdruckerei Berlin