DE1808843A1

DE1808843A1 - Verfahren fuer die Herstellung von Kolben aus Leichtmetallegierung mit Einsatzstueck aus verschiedenem Material und daraus entstehende Kolben

Info

Publication number: DE1808843A1
Application number: DE19681808843
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Ercole Galli
Original assignee: MONDIAL PISTON GALLI ERCOLE C
Current assignee: MONDIAL PISTON GALLI ERCOLE C
Priority date: 1968-01-09
Filing date: 1968-11-14
Publication date: 1969-08-07
Also published as: ES358692A1; BE721475A; GB1197411A; FR1588982A; CH479003A; US3533329A; DE6806889U

Description

8902 AUGSBURG-GÖGGINGEN, den Ij5. 1I".19ÖÖ v. Eichendorff-Straße 10

PATENTANWÄLTE Unser Zeichen Dr.Lb/R Az P 728o

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DR.iNG. E. LIEBAU

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DIPUNG. G. UEBAU

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Mondial Piston - Dott.Galli Ercole & C,s.p.a., Corso Bramante hj_t Turin

"Verfahren für die Herstellung von Kolben aus Leichtmetalllegierung mit Einsatzstück aus verschiedenem Material und

daraus entstehende Kolben"

Es ist bekannt, daß aus Aluminiumlegierung hergestellt Kolben der Abnutzung, Verformung oder Riefenbildung in denjenigen Zonen unterliegen, die konzentrierten Beanspruchungen ausgesetzt sind, und demgemäß insbesondere an den Einsatzstellen für den Kolbenbolzen, am Kolbenkopf und insbesondere in der Zone der Nut des dem Kolbenkopf am nächsten liegenden Kolbenrings, wo durch die Wirkung des Hämmerns dieses Kolbenringes eine Erweiterung der Nut auftritt, mit einer sich daraus ergebenden Verschlechterung der Abdichtung. *

Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, beim Guß der Kolben Einsatzstücke aus Eisenmaterial, (Graugui3) (SpezialStählen) einzubauen, die die konzentrierten Kräfte besser aushalten als die Leichtmetallegierung. Diese Einsatzstücke aus Eisenmaterialien weisen jedoch schwere Nachteile auf, die darauf zurückzuführen sind, daß ein beträchtlicher Unterschied der Wärmeausdehnung vorhanden ist, sowie eine in keiner Weise zufriedenstellende Verschweißung zwischen dem Einsatzstück und dem Körper, eine große Brüchigkeit der Zone, die von der Metallzusammensetzung Eisen-Alluminium auf der Höhe der Trennfläche vorhanden ist und weiterhin eine schlechte Wärmeleitfähigkeit des Eiseneinsatzstückes gegenüber dem Kolbenkörper aus Aluminiumlegierung. Ein weiterer schwerer Nachteil der Einsatzstücke aus

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Eisenmaterial liegt darin, daß*" sie jede spätere Wärmebehandlungdes Kolbens verhindern, die das Ablösen des Einsatzstückes hervorrufen würde. Auch das Verfahren, das notwendig ist, um das Einsatzstück vor seinem Einbau beim Guß in dem Kolbenkörper vorzubereiten, ist verhältnismäßig langwierig und schierig, und erfordert die Verwendung von Bädern einer Speziallegierung, die von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden muß, weil sie sich nach und nach immer mehr mit Eisen anreichert.

Ziel der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung von Leichtmetallkolben mit Einsätzen aus anderem Metall vorzusehen, das praktisch, schnell und industriell vorteilhaft ist, bei dem die Verwendung von Spezialbädern für die Herstellung der Einsatzstücke nicht erforderlich ist und dessen Ergebnis die Kolben sind, die ebenfalls Gegenstand der Erfindung sind und deren Ein satzstück einen Wäremeausdehnungskoeffizienten aufweist, der im wesentlichen demjenigen des Kolbenkörpers identisch ist, wobei das Einsatzstück am Körper in einer sehr wirksamen Art und Weise durch eine Schicht einer Zwischenmetallegierung von einer Stärke angeschweißt ist, die verhältnismäßig bedeutsam ist und günstige mechanische Eigenschaften hat, wobei das Einsatzstück außerdem eine Wärmeleitfähigkeit hat, die ziemlich nahe oder sogar über der des Kolbenkörpers liegt, so daß keinerlei Behinderung des Wärmeflusses erfolgt, daß die Flußlinien nicht verformt werden und die Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Punkten des Kolbens auf ein Minimum verringert werden, wodurch demgemäß die mittlere und die Höchsttemperatur beschränkt werden und jeder beliebigen Wärmebehandlung unterzogen werden kann.

Die von der Erfindung vorgeschlagenen Mittel, um diese Vorteile zu erreichen, bestehen in der Verwendung eines Einsatzstückes, das von einer Kupferlegierung, insbesondere einer Aluminiumbroze besteht, die vorher einer plastischen Bearbeitung unterzogen und vor dem Einfügen in die Gießform in eine geschlossene Aluminiumlegierung eingetaucht wird, die vorteilhafterweise die gleiche sein kann, wie sie für das Gießen des Kolbens verwendet wird. Die Zwischenmetallegierung auf Kupferbasis, die auf diese Art und

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Weise entsteht, weist genau die oben angegebenen Merkmale auf, und es wird dadurch möglich, die gewünschten günstigen Ergebnisse zu erzielen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in der beigefügten schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.

Pig. 1 ist ein axialer Schnitt eines Kolbens, der in Anwendung der Erfindung hergestellt wurde, nach seiner mechanischen Bearbeitung, und

Fig. 2 zeigt im analogen Schnitt ein Einsatzstück vor seinem Einbringen in die Form.

In den Zeichnungen wird auf die Herstellung eines Kolbens mit Einsatzstück bezug genommen, das die Nut für den ersten Kolbenring aufweist. Aber dieses nicht beschränkende Beispiel erläutert dem Fachmann die Anwendung der Erfindung auch im Falle von Einsatzstücken, die an anderer Stelle eingesetzt sind, beispielsweise um das Kolbenbolzenlager oder am Kopf. Gemäss einem ersten Merkmal der Erfindung besteht das Einsatzstück 1, in diesem Falle in der Form eines Ringes aus einer Legierung auf Kupferbasis, insbesondere Aluminiumbronze, die vorteilhafterweise einen Kupferprozentsatz von 80 - 90# od. dgl. aufweisen kann. Ausgezeichnete Ergebnisse wurden experimentell erzielt, indem für die Herstellung des Einsatzstückes Legierungen verwendet wurden, die Zusammensetzungen aufwiesen, die innerhalb der folgenden Grenzen lagen: Kupfer 75 # - 90 %, Nickel 2 % - 7 %> Mangan 0,5 % - 4#; Eisen 2% - 6#j Aluminium "J% - 1;5#.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung wird dieses Einsatzstück nicht durch einfaches Giessen hergestellt, sondern durch eine plastische Verarbeitung, die dem Material ganz besonders vorteilhafte mechanische Merkmale verleiht. Bei dem dargestellten Beispiel eines ringförmigen Einsatzstückes kann dieses beispielsweise hergestellt werden, indem ein M ssel des gewählten Metalls geschmolzen, ein Rohr stranggepresst und dieses Rohr in Elemente angemessener Länge unterteilt wird, wonach die genannten Elemen-

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te in die endgültige dargestellte Form verpresst werden.

Bei der Durchführung des Herstellungsverfahrens wird das so vorbereitete Einsatzstück in ein Bad geschmolzener Legierung getaucht, die aus der gleichen Legierung bestehen kann, die für das Giessen des Kolbens verwendet wurde. Das Eintauchen kann sogar vorteilhafterweise-in dem gleichen Schmelztiegel erfolgen, aus dem die für den Guss geschmolzene Legierung vergossen wird. Das Eintauchen erfordert einen beschränkten Zeitraum In der Grössenordnung von ungefähr 20 Sekunden. Infolge des wiederholten Eintauchens von Einsatzstücken reichert sich das Legierungsbad an Kupfer an, was jedoch seine Merkmale nicht schädigt und ausserdem wird ja dieses Bad, da es die Legierung für das Giessen der Kolben darstellt, schnell verbraucht und immer wieder aufgefüllt, weswegen das Anreichern an Kupfer eine bestimmte Grenze nicht übersteigt und sogar die Anreicherung selbst, wenn das für vorteilhaft angesehen wird, vollständig ausgeglichen werden kann, indem das Auffüllen des Bades mit einer Legierung erfolgt, die etwas ärmer an Kupfer ist als die Legierung, wie sie für das Giessen des Kolbens vorgesehen ist.

Das Einsatzstück 1, das aus der vorhergehenden Eintauchung in das Bad kommt, wird in die Giessform eingesetzt und der Kolben 2 wird eingegossen, der so das Einsatzstück umgibt. Während des Giessens und der Verhärtung erfolgt eine beträchtliche Oberflächenauflösung des Einsatzstückes durch die Masse der Aluminiumlegierung, die den Kolben darstellt, unter Bildung einer Kupfer-Aluminiumschicht beträchtlicher Stärke (beispielsweise einige Zehntel mm), deren Zusammensetzung nach und nach von einem Höchstgehalt bis zu einem Mindestgehalt an Kupfer schwankt und in bestmöglicher Weise das Einsatzstück in der Masse des Kolbens verbindet. Nach dem Ausformen wird der Kolben mit seinem Einsatzstück in einer solchen Art und Weise bearbeitet, dass im Einsatzstück 1 (im Falle des dargestellten Beispieles) der Kolbenringsitz J> für den ersten Kolbenring hergestellt wird. Während dieser mechanischen Bearbeitung macht

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sich der Vorteil bemerkbar, dass das Einsatzstück aus Legierung auf Kupferbasis bestmögliche Bearbeitungseigenschaften aufweist. Ausserdem kann der Kolben Wärmebehandlungen unterzogen werden, (Härten, Glühen od. dgl.), wodurch die Eigenschaften verbessert werden, ohne irgendeine Gefahr des Lösens des Einsatzstückes oder anderer beliebiger Nachteile.

Indem die Zusammensetzung der für das Einsatzstück verwendeten Legierung auf Kupferbasis in geeigneter Weise gewählt wird, ist es möglich, die Wärmeausdehnungsfähigkeit der den Kolben darstellenden' Legierung mit bester Genauigkeit anzunähern. Ausserdem ist die Wärmeleitfähigkeit des Einsatzstückes und der es umgebenden Zwischenmetall-Legierung nahe an der oder höher als die der Legierung des Kolbens, wodurch demgemäss jegliche Behinderung oder Störung der Wärmeübertragung vermieden wird.

Die geeignete Wahl von Beigaben besonderer Metalle zu der das Einsatzstück bildenden Legierung auf Kupferbasis, wie sie von der bekannten metallurgischen Technik gelehrt wird, gestattet es, ihr Merkmal hoher Härte, mechanische Widerstandsfähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen die Abnutzung im heissen Zustand zu verleihen, d.h. unter Betriebsbedingungen.

Es ist selbstverständlich, dass die Erfindung für die Herstellung von Kolben jeder Aft, Type oder Form verwendet werden kann, die für Kompressoren und insbesondere Verbrennungsmotoren bestimmt sind, und insbesondere können die Einsatzstücke an jedem beliebigen Teil des Kolbens angebracht werden, und gegebenenfalls können in jedem Kolben zwei oder mehr Einsatzstücke vorhanden sein.

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Claims

Patentansprüche :

1.) Verfahren zur Herstellung von Kolben aus Leichtmetalllegierung mit einem Einsatzstück aus verschiedenartigem Metall, dadurch gekennzeichnet, dass von mindestens einem Einsatzstück ausgegangen wird, das aus einer Metallegierung auf Kupferbasis besteht, das Einsatzstück vorher in eine geschmolzene Aluminiumlegierung eingetaucht wird, die im wesentlichen analog derjenigen ist, die dazu bestimmt ist, den Kolbenkörper zu bilden, wonach es in den Guss des Kolbens selbst eingebracht und anschliessend zusammen mit ihm bearbeitet wird.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Einsatzstück ausgegangen wird, das aus einer Legierung auf Kupferbasis besteht, die vorher einer plastischen Bearbeitung unterzogen wurde.

3·) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Eintauchen in eine geschmolzene Aluminiumlegierung für einen beschränkten Zeitraum in der Grössenordnung von einigen 10 Sekunden erfolgt.

4.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, für das genannte Eintauchen die gleiche Legierung verwendet wird, die dazu bestimmt ist, für das Giessen des Kolbens zu dienen.

5.) Kolben aus Leichtmetallegierung mit mindestens einem Einsatzstück aus einem anderen Metall, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzstück aus einer Metallegierung auf Kupferbasis besteht.

6.) Kolben nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Einsäzstück den metallographischen Aufbau aufweist, wie er sich aus einer vorhergehenden plastischen Verarbeitung ergibt, (Stranpressen, Pressen od. dgl.) mit den damit zusammenhängenden mechanischen Merkmalen.

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7.) Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangszone zwischen Einsatzstück und Kolbenkörper von einer verhältnismässig bedeutenden Schicht in der Grössenordnung von einigen Zehntel mm einer Zwischenmetallegierung auf Basis von Kupfer und Aluminium eingenommen wird mit einer sich nach und nach verändernden Zusammensetzung, die eine Verbindung zwischen den Teilen darstellt.

8.) Kolben nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, dass der Körper des Kolbens, das Einsatzstück und die Übergangs-Zwischenmetallegierung sehr stark angenäherte Wärmeleitfähigkeiten aufweisen.

9.) Kolben nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Material auf Kupferbasis, das das Einsatzstück darstellt, solche Beigaben enthält, dass eine hohe Härte, mechanische Widerstandsfähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung unter Betriebsbedingungen verliehen wird.

10.) Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, aus dem das Einsatzstück besteht, eine Zusammensetzung hat, die ungefähr wie folgt angegeben werden kann:

Kupfer 15% - 90£ Nickel 2% - 1% Mangan 0,5Si- Eisen 2$ - 6% Aluminium 1% - 130.

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