DE1583747A1

DE1583747A1 - Verfahren zur Herstellung von Selbstkuehlenden Kolben aus Leichtmetallegierungen oder Leichtmetall und durch dieses Verfahren hergestellte Kolben

Info

Publication number: DE1583747A1
Application number: DE19671583747
Authority: DE
Inventors: Carlo Panseri
Original assignee: NOVA WERKE ZUERICH OFFICINE E
Current assignee: NOVA WERKE ZUERICH OFFICINE E
Priority date: 1966-05-05
Filing date: 1967-05-02
Publication date: 1970-09-24
Also published as: DE1583747B2; AT295975B

Description

Verfahren zur Herstellung von selbstkühlenden Kolben aus Leichtmetallegierungen oder Leichtmetall und durch dieses Verfahren hergestellte Kolben. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kolben aus Leichtmetallegierungen oder Leichtmetall für Brennkraftmaschinen nach dem Dieselprinzip, die mit einer Kolbenbodenkühlvorrichtung versehen sind, die aus einem ringförmigen Hohlraum beliebigen Querschnitts besteht, 3.n dem das Schmieröl des Motors zirkulieren kann.
Es ist zwar bekannt, daß bei dieser Art von Motoren die Arbeitstemperatur eine derartige Höhe erreicht, daß sie in den meisten Fällen mit den Eigenschaften der gewöhnlich zur Herstellung von Kolben verwendeten Leichtmetallegierungen nicht vereinbar ist.
in der Zone, in der die Sitze der Kolbenringe angeordnet sind, wird sch- oft eine außergewöhnlich hohe Erweichung des Materials mit demgemäß ungünstigen Wirkungen auf die Leistung des Motors beobachtet. Um diese Nachteile zu vermeiden, sind bisher zahlreiche Lösungen vorgeschlagen worden, von denen sich als wirkungsvollste diejenige erwies, bei der ein ringförmiger Hohlraum im Kolbenboden vorgesehen ist, der mit dem Kolbenboden durch Löcher verbunden ist, in welchem Hohlraum die Kühlflüssigkeit, die z.B. aus dem gleichen Schmieröl wie im Motor besteht, zirkulieren kann.
Der ringförmige Hohlraum kann auf jede beliebige Art ausgeführt werden, z.B. durch Anbringung eines Hohlraumes im Boden des entweder gepreßten oder gegossenen Kolbens durch ein mechanisches Schneideverfahren oder durch direktes Aussparen des ringförmigen Hohlraumes, der nach dem oberen Teil des Bodens zu offen ist, während des Pressens oder Gießens des Teiles.
2n beiden Fällen jedoch tritt das Problem des Abdichtens des oberen Teiles des Hohlraumes sowie das Dichtmachen desselben gegenüber Flüssigkeiten auf.
Zu diesem Zweck wurden einige Verfahren ausgearbeitet, von denen jedoch keines frei von Nachteilen ist.
Eines dieser Verfahren besteht im Einführen eines kreisförmigen Ringes der gleichen Legierung wie der Kolben mit rechteckigem Querschnitt in den oberen Teil des Schlitzes und Füllung des Teiles oberhalb des Ringes durch Verschweißung. Durch dieses Verfahren Jedoch gelingt es nicht, die seitlichen Teile des Ringes mit den Aänden des Schlitzes im Kolben zu verbinden,; es verbleiben daher in diesen Zonen Spalten, die als Au.gangapuniw für Ermüdungsbruch während des Betriebes infolge des selbstverständlichen Kerbeffektes wirksam sind:

oberen Teiles des auf beliebige Weise hergestellten Hohlraumes beschrieben, ohne daß zwischen dem Dichtungselement und dem Kolben*örper eine Kontinuitätsunterbrechung auftritt.
Dieses hermetische Abdichten wird dadurch erreicht, daß man Pulver aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, allein oder auf geeignete Weise in Verbindung mit Pulvern aus anderen Metallen oder mit nichtmetallischen Dispersionen (z.B. A1203) zuerst kalt und darauf heiß verpreßt in einem geeigneten Hohlraum, der vorher im Kolbenboden hergestellt worden war und mit einem Dichtungsring geeigneter Form versehen wurde, so daß eine Druckverschweißung zwischen dem gesinterten Material und dem Kolbenkörper gebildet wird, wobei eine physikalisch kontinuierliche Verbindung hergestellt wird, die während des Betriebes nicht bruchanfällig ist.
Die normale thermische Vorerhitzungsbehandlung zur Härtung des Teiles trägt dazu bei, die Widerstandsfähigkeit der Verbindungszone zu erhöhen, indem Diffusionserscheinungen zwischen dem gesinterten Material und den Wänden des Hohlraumes hervorgerufen werden.

Das Verfahren zum Abdichten des Hohlraumes wird insbesondere in nachstehenden an Hand der Figs. 1 bis 4 und den mikrographischen Fig. 5 bis 7 beschrieben.

(I) In dem entweder gepreßten oder gegossenen Kolben wird

ein Hohlraum hergestellt, dessen oberer Teil im

Querschnitt eine geometrische Form analog der in

Fig. 1 gezeigten aufweist; die Innenflächendes

Hohlraumes werden danach entfettet und durch milde

Behandlung miteiner Lösung, die 0. ,5 % HF enthält,

abgebeizt.

(II) Darauf wird ein geeigneter Ring, der als Träger für

das zu verbindende und zu sinternde Pulver dient,

in den Hohlraum eingebracht. Der Ring kann aus jedem

beliebigen Metall oder jeder beliebigen Legierung

(vorzugsweise Aluminiumlegierungen) oder vorzugswei-

se aus einem gesinterten Produkt aus Metallpulvern

bestehen und schließlich durch mechanische Schneide-

verfahren, Pressen oder direkt durch Sintern der Pul-

ver hergestellt werden. Dieses Element kann im Quer-

schnitt die in Fig. 2 gezeigte Form aufweisen und

seine Größe muß so bemessen sein, daß ein Spielraum

von einigen Millimetern zwischen den seitlichen Flä-

chen desselben und den Wänden des Hohlraumes, wie in

Fig. 3 gezeigt, verbleibt, damit das zu sinternde

Pulver den Boden des breiteren Teiles des Hohlraumes

erreichen kann.

(III) Gemäß Fig. 4 ist der Kolben 1 von einem Stahlmantel

2 umgeben und im Inneren mit einem Träger 3, eben-

falls aus Stahl, versehen, da die zur Herstellung

des Kolbens verwendeten Leichtmetallegierungen sich

unter dem Sinterdruck bei hoher Temperatur verformen

würden. Auf dem oberen Teil des Kolbens ist eine

Stange 4 befestigt, die von einem Stoßschaftkolben 5

umgeben ist.

(IV) Die Hohlraumzone oberhalb des Ringes 6 ist mit Me-

tallpulver 7 gefüllt und ein erstes kaltes Zusammen-

pressen wird durch eine hydraulische Presse oder

irgendeine andere äquivalente Vorrichtung durchge-

führt, wobei entlang der Achse des Kolbens ein Druck

von etwa 20 kg/mm 2 angewendet wird.

(V) Nach Beendigung des kalten Zusammenpressens wird

der Teil auf eine Temperatur von 400 bis 450°C er-

hitzt (durch eine Induktionsspule oder ein anderes

System 8) und das heiße Sintern des Pulvers wird

durch Anwendung eines Druckes von etwa 20 bis 60

kg/mm2 während etwa einer Minute durchgeführt, und

zwar wahlweise entsprechend der Art des verwendeten

Metallpulvers.

Dieser Vorgang bewirkt, abgesehen Von der vollstän-

digen Verschweißung des gesinterten Pulvers mit den

Wänden des Kolbens und des Trägerringes, eine Um-

wandlung des Pulvers in ein kompaktes metallisches

Ganzes ohne Unterbrechung der Kontinuität.

(VT) Am Ende dieses Vorganges wird die thermische Behand-

lung des Kolbens durchgeführt. Während der thermi-

schen Behandlung treten zwischen dem gesinterten Ma-

terial und dem Grundmetall Diffusionserscheinungen

auf, die dazu beitragen, die Widerstandsfähigkeit

der Schweißstellen erheblich zu verbessern.

Die Pulver, die zu diesem Zweck verwendet werden

können, sind folgende: teilweise oxydiertes Aluminium

(0 - 14 % A1203); Aluminiumlegierungen mit variablen

Si-Gehalten (0 - 25 % S1); Leichtmetallegierungen,

die für die Herstellung von Kolben, beispielsweise

der Lo-Ex-Type, geeignet sind. Diese Pulver können

allein oder in geeigneter Mischung verwendet werden

und gegebenenfalls können Pulver von anderen Metallen,

die leicht in Aluminium diffundieren können, wie Cu,

Ag, Ni, Fe, usw., diesen zugesetzt werden.

Das mikrographische Bild der Verbindungszonen, die in Fig. 3 mit den Buchstaben a, b und c bezeichnet sind, dargestellt an einem Längsschnitt eines Kolbens, der nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, ist in den mikrographischen Darstellungen in 500-facher Vergrößerung in den Fig. 5, 6 und 7 wiedergegeben. Fig. 5 zeigt das Bild der Verbindungszone zwischen der Grundlegierung und dem Trägerring (Zone a der Fig. 3). Vergrößerung: 500-fach. Beizung: 0,5-%ige HF. Oben: der extrudierte Ring aus SAP 10 % A1203 (AES); unten: die Grundlegierung (LB).

Fig. 6 zeigt das Bild der Verbindungszone zwischen dem Trägerring und dem gesinterten Metallpulver (Zone b der Fig. 3). Vergrößerung: 500-fach. Beizung: 0,5-%ige HF. Oben: das gesinterte Pulver enthaltend 75 % A1 (mit 10 % A1203)und 25 % einer Al-25 % Si-Legierung (SP); unten: der extrudierte Ring aus SAP 10 % A1203 (AES). Fig. 7 zeigt das Bild der Verbindungszone zwischen der Grundlegierung und dem gesinterten Metallpulver (Zone c der Fig. 3). Vergrößerung: 500-fach. Beizung: 0,5-%ige HF. Oben: das gesinterte Pulver aus Al-25 % Si-Legierung (SP); unten: die Grundlegierung (LB)o In diesem Falle wurde das Sintern mit einem Pulver durchgeführt, das 75 % Aluminium mit 10 % A1203 und 25 %-eines Pulvers einer A1-25 % Si-Legierung enthielt. Der Trägerring wurde aus einem extrudierten gesinterten Material aus Aluminium mit 10 % A1203 hergestellt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen Kanals im Boden von Kolben aus Leichtmetallegierungen, der zur Zirkulation einer Kühlflüssigkeit dient, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das obere Abdichten des Hohlraumes, der vorher durch mechanische Bearbeitung oder durch Pressen erhalten wurde, durch Einführen eines Ringes durchgeführt wird, der eine geeignete Form aufweist und als Träger dient, und weiterhin durch Füllen des Hohlraumes mit Metallpulvern vollendet wird, die nacheinander kalt und dann heiß unter Druck gesintert werden, wobei eine kontinuierliche Verbindung erzielt wird, die gegen Hitzebrüche zwischen dem Kolbenkörper, dem gesinterten Metallpulver und dem Trägerring unempfindlich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Trägerring durch mechanisches Bearbeiten oder Pressen von Aluminium und dessen Legierungen oder verschiedenen Metallen, wie etwa Cu und Fe, oder direkt durch Sintern der Metallpulver hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Sintern im ringförmigen Hohlraum durch teilweise oxydiertes Aluminiumpulver und Aluminiumlegierungen, allein oder in geeigneter Mischung, durchgeführt wird, wobei den Sinterpulvern aus Aluminium und seinen Legierungen gegebenenfalls Pulver aus anderen Metallen, die leicht in Aluminium diffundieren können, z.B. Cu, Ni und Fe, zugesetzt werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daB während der Vorerhitzungsbehandlung zwecks Härtung der Kolben Diffusionserscheinungen zwischen dem Metall des Kolbens und dem gesinterten Metallpulver auftreten, die den Schweißzonen eine höhere Widerstandsfähigkeit verleihen.
5. Kolben, Kolbenböden u. dgl., hergestellt nach dem Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß eine unterhalb des Kolbenbodens angeordnete Ringnut vom Kolbenboden her durch eine FLillung aus Sintermetall unter Freilassung eines Hohlraumes abgedichtet Ist.