DE19518552A1 - Kolben für Verbrennungsmotoren - Google Patents
Kolben für VerbrennungsmotorenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Kolben für Ver
brennungsmotoren für Motorfahrzeuge und dgl., insbesondere
auf die Kolbenringnuten derselben.
In den letzten Jahren werden die Kolben für Verbrennungs
motoren für Motorfahrzeuge aus einer Aluminiumlegierung
anstelle von Gußeisen hergestellt, um so eine Gewichtsver
minderung zu erzielen im Hinblick auf die hohen Leistungs- und
Wirtschaftlichkeitsanforderungen. Nuten (Rillen) für
die Aufnahme von Kolbenringen sind auf der äußeren
Umfangsfläche des Kolbens vorgesehen, die der Innenwand
der Zylinderbohrung gegenüberliegt. Eine obere Ringnut,
diejenige der Kolbenringnuten, die der Verbrennungskammer
am nächsten liegt, unterliegt einem starken Verschleiß
durch einen Kolbenring (oberen Ring), da sie einer hohen
Temperatur und insbesondere direkt dem Verbrennungsdruck
ausgesetzt ist. Es besteht daher die Gefahr, daß eine Alu
miniummikroverschweißung zwischen der oberen Ringnut und
dem oberen Ring auftritt.
Es wurden bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um
eine solche Aluminiummikroverschweißung zu verhindern: (1)
eine Verstärkung der Oberfläche der oberen Ringnut durch
Einmischen eines anorganischen Faseraggregats (vgl. JP-A-
59-201953); (2) der Auftrag von Hybrid-MMC (Metallmatrix-
Verbundwerkstoffen) unter Anwendung eines in-situ-Verfah
rens auf die Kolben (vgl. "Automotive Technique", Nr. 891
056, publiziert im Mai 1989 von der Automotive Technique
Society); (3) eine Verstärkung der Oberfläche der oberen
Ringnut durch Einmischen von porösem Nickelmaterial (vgl.
JP-B2 3-30708); (4) eine Verstärkung der Oberfläche der
oberen Ringnut mittels einer Alumilite-Schicht (vgl. JP-A-
1-190 951); (5) die Ausbildung einer Kupferlegierungs
schicht durch Elektronenstrahlschmelzbehandlung auf der
Oberfläche der Kolbenringnut (vgl. "Technical Revue" Nr.
1, publiziert 1988 von Mitsubishi Motor Co., Ltd.); (6)
die Ausbildung eines Ringträgerabschnittes in der oberen
Ringnut durch Gießen einer Aluminiumlegierung um Ni-Re
sist-Gußeisen herum im Alfin-behandelten Zustand; (7) die
Verwendung eines Elements aus einer Aluminium-Magnesium-
Legierung mit niedrigem Siliciumgehalt im Alumilite-behan
delten Zustand auf der Oberfläche der oberen Ringnut (vgl.
JP-A 1-190 951).
Der obengenannte Stand der Technik bringt jedoch die fol
genden Nachteile mit sich: bei dem Stand der Technik gemäß
(1) bis (3) muß im Hinblick auf die aufgebrachten Materia
lien wie anorganischen Fasern und dgl. im Hinblick auf das
Herstellungsverfahren ein Hochdruck-Verfestigungs-Ver
fahren angewendet werden. Dies führt zu einem Anstieg der
Herstellungskosten und zu einer Beschränkung der Form des
Kolbens.
Der Stand der Technik gemäß (4) bringt zwar eine Verbesse
rung in bezug auf die Beständigkeit gegen Mikroverschwei
ßung mit dem Kolbenring mit sich als Folge der Anwesenheit
der Alumilite-Schicht, dadurch wird jedoch keine ausrei
chende Verschleißfestigkeit erzielt. Dagegen versagt der
Stand der Technik gemäß (5) in bezug auf die Erzielung ei
ner ausreichenden Beständigkeit gegen Mikroverschweißung.
Bei dem bekannten Verfahren gemäß (6), das seit langem an
gewendet wird, wird zwar eine gute Verschleißfestigkeit
und Beständigkeit gegen Mikroverschweißung gewährleistet,
eine Gewichtszunahme als Folge der Herstellung aus Gußei
sen kann jedoch nicht vermieden werden. Bei dem Stand der
Technik gemäß (7) wird keine ausreichende Verschleißfe
stigkeit und Beständigkeit gegen Mikroverschweißung er
zielt als Folge der Verwendung eines Elements aus einer
Aluminium-Magnesium-Legierung.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, Kolben für
einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, die eine ausrei
chende Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Mikro
verschweißung aufweisen, ohne daß ihr Gewicht und die Her
stellungskosten zunehmen.
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung
einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, der gekennzeich
net ist durch:
einen Hauptkörper aus einer Aluminiumlegierung;
eine Nuteneinrichtung für die Aufnahme einer Vielzahl von Kolbenringnuten auf einer äußeren Umfangsfläche des ge nannten Hauptkörpers;
eine verschleißfeste Einrichtung, um die Nuteneinrichtung verschleißfest zu machen, wobei die verschleißfeste Ein richtung aus einer Aluminiumlegierung besteht, die Feststoffteilchen enthält; und
eine Schichteneinrichtung zum Abdecken der verschleißfe sten Einrichtung und des Hauptkörpers in der Nähe dersel ben.
einen Hauptkörper aus einer Aluminiumlegierung;
eine Nuteneinrichtung für die Aufnahme einer Vielzahl von Kolbenringnuten auf einer äußeren Umfangsfläche des ge nannten Hauptkörpers;
eine verschleißfeste Einrichtung, um die Nuteneinrichtung verschleißfest zu machen, wobei die verschleißfeste Ein richtung aus einer Aluminiumlegierung besteht, die Feststoffteilchen enthält; und
eine Schichteneinrichtung zum Abdecken der verschleißfe sten Einrichtung und des Hauptkörpers in der Nähe dersel ben.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Er
findung ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für
einen Verbrennungsmotor, der einen Hauptkörper und minde
stens eine Ringnut aufweist, wobei das Verfahren durch die
folgenden Stufen gekennzeichnet ist:
Ausbildung eines verschleißfesten Ringraumes aus einer Aluminiumlegierung, die Feststoffteilchen enthält;
Gießen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung für den Hauptkörper des Kolbens um den genannten verschleißfesten Ringraum herum, wobei der verschleißfeste Ringraum so an geordnet ist, daß er der Ringnut des Kolbens entspricht; und
Anwendung einer anodischen Oxidationsbehandlung auf den genannten verschleißfesten Ringraum.
Ausbildung eines verschleißfesten Ringraumes aus einer Aluminiumlegierung, die Feststoffteilchen enthält;
Gießen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung für den Hauptkörper des Kolbens um den genannten verschleißfesten Ringraum herum, wobei der verschleißfeste Ringraum so an geordnet ist, daß er der Ringnut des Kolbens entspricht; und
Anwendung einer anodischen Oxidationsbehandlung auf den genannten verschleißfesten Ringraum.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine fragmentarische vergrößerte Schnittansicht
einer oberen Ringnut eines Kolbens gemäß der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 den Kolben im Längsschnitt;
Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, die einen ver
schleißfesten Ringraum mit einer Alumilite-
Schicht für die obere Ringnut zeigt;
Fig. 4 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, welche die Me
tallformen für den verschleißfesten Ringraum
zeigt;
Fig. 5 eine schematische Zeichnung, welche die Prüfung
auf Verschleißfestigkeit erläutert;
Fig. 6 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 5, welche die
Prüfung auf Beständigkeit gegen Mikroverschwei
ßung erläutert;
Fig. 7 eine Tabelle, welche die Komponenten der Matrix-
Aluminiumlegierung erläutert;
Fig. 8 eine Tabelle ähnlich der Fig. 7, welche die Er
gebnisse der Prüfungen erläutert;
Fig. 9 eine Tabelle ähnlich der Fig. 8, welche die Er
gebnisse der Prüfungen erläutert.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, insbesondere die
Fig. 1 und 2, umfaßt ein Kolben einen Kolbenhauptkörper 1,
der besteht aus einer Aluminiumlegierung (JISAC8A-T6) und
im wesentlichen wie ein Zylinder geformt ist und einen
Kopf (Krone) 2 aufweist, der einer Verbrennungskammer ge
genüberliegt, drei Kolbenringnuten 4, 5 und 6, die auf ei
ner äußeren Umfangsoberfläche eines unterhalb des Kopfes 2
angeordneten ringförmigen Steges (Ringsteges) 3 ausgebil
det sind, drei Kolbenringe 7, 8, 9, die mit den Kolben
ringnuten (obere Nut, zweite Nut und Ölringnut) 4, 5, 6 in
Verbindung stehen, und einen Kolbenmantel 10, der unter
halb der Kolbenringnuten 4, 5, 6 angeordnet ist.
Die obere Ringnut 4 ist so geformt, daß sie einen mittle
ren Abstand von 9 mm von der oberen Fläche des Kopfes 2
hat und eine Breite von 4 mm und eine Tiefe von 8 mm auf
weist. Außerdem besteht nur eine Oberfläche der oberen
Ringnut 4 aus einem verschleißfesten Ringraum 11, der nach
einem Herstellungsverfahren, wie es weiter unten beschrie
ben wird, hergestellt worden ist.
In der Fig. 3 besteht der verschleißfeste Ringraum 11 aus
einer Aluminiumlegierung 11b, die Siliciumcarbid(SiC)-
Teilchen 11a enthält und innerhalb des Kolbenhauptkörpers
1 so gegossen ist, daß er die Oberfläche der oberen Ring
nut 4 bildet.
Durch die anodische Oxidationsbehandlung wird eine Alumi
lite-Schicht 20 gebildet auf einer Oberfläche des ver
schleißfesten Ringraums 11 und einer äußeren Umfangsober
fläche des Kolbenhauptkörpers 1 in der Nähe des Kopfes 2
und der oberen Ringnut 4 des ringförmigen Steges
(Ringsteges) 3. Die Alumilite-Schicht 20 enthält SiC-Teil
chen 20a in gleicher Weise wie der verschleißfeste Ring
raum 11. Das heißt, während der anodischen Oxidationsbe
handlung werden SiC-Teilchen in dem verschleißfesten Ring
raum 11 präzipitiert (ausgeschieden) und sind in der Alu
milite-Schicht 20 enthalten.
Das Verfahren zur Herstellung des verschleißfesten Ring
raumes 11 wird nachstehend im einzelnen beschrieben. Zu
erst wird eine Aluminiumlegierungs-Gießbramme, die SiC-
Teilchen mit einem maximalen Durchmesser von mehreren µm
bis mehreren 10 µm enthält, in einer inerten Atmosphäre,
z. B. in Argongas oder dgl., geschmolzen und bei 993 K ge
halten, dann mechanisch bewegt (gerührt), um die SiC-Teil
chen in dem Aluminiumlegierungsmaterial gleichmäßig zu di
spergieren.
In der Fig. 4 wird eine geschmolzene Aluminiumlegierung
13, die SiC-Teilchen enthält, in eine untere Form 12 inji
ziert und durch eine obere Form 14 unter Druck gesetzt, um
eine Erstarrung zu bewirken. Nach dem Abkühlen wird ein
grober Abschnitt des verschleißfesten Ringraumes 11 aus
der unteren Form 12 herausgenommen. Dann wird ein verlore
ner Kopf herausgeschnitten und erforderlichenfalls wird
eine maschinelle Bearbeitung (spanabhebende Bearbeitung)
durchgeführt, um so die Formgebung des verschleißfesten
Ringraums 11 zu vervollständigen.
Der rauhe Abschnitt des verschleißfesten Ringraumes 11
kann außer nach dem vorstehend beschriebenen Gravitations
gießverfahren auch nach einem Formgießverfahren oder einem
Metallschmelzen-Gießverfahren hergestellt werden. Darüber
hinaus ist auch ein Pulvermetall-Schmiedeverfahren anwend
bar. Dabei werden die SiC-Teilchen mit den Alumini
umlegierungs-Teilchen, die in eine Metallform eingebracht
werden, gemischt und durch die obere Form 14 unter Druck
gesetzt, um die Formgebung durchzuführen. Nach dem Erhit
zen wird geschmiedet, um die Dichte zu erhöhen. Wenn die
erhöhte Dichte nicht erhalten wird, wird das Schmieden
nach dem erneuten Erwärmen wiederholt durchgeführt. Dieses
Verfahren erlaubt die Fertigbearbeitung eines Produkts in
der endgültigen Form, so daß keine nachfolgende maschi
nelle Bearbeitung (spanabhebende Bearbeitung) erforderlich
ist, was zu einem verbesserten Arbeitswirkungsgrad führt.
Der auf diese Weise hergestellte verschleißfeste Ringraum
11 wird in den Kolbenhauptkörper 1 gegossen zur Fixierung.
Ein Beispiel für diese Gießbedingungen besteht darin, daß
eine Vorerwärmungstemperatur des verschleißfesten Ringrau
mes 11 673°K beträgt, eine Injektionstemperatur der ge
schmolzenen Legierung des Kolbenhauptkörpers 1 993°K be
trägt, eine Temperatur der Formen 473°K beträgt und die
chemische Umwandlungsbehandlung des verschleißfesten Ring
raumes 11 in einer auf 313°K erhitzten Palcoat 3756-Lösung
der Firma Nihon Parkerizing Co., Ltd. während einer Ein
tauchzeit von 60 s durchgeführt wird.
Der Grund dafür, warum der verschleißfeste Ringraum 11
vorher einer chemischen Umwandlungsbehandlung unterworfen
wird, ist folgender: da Aluminiummaterial einen feinen
Oxidfilm auf der Oberfläche desselben aufweist, kann an
einer Kontaktgrenzfläche mit der geschmolzenen Legierung
keine ausreichende Abscheidung erzielt werden, was zu ei
ner ungenügenden Verbindung der Aluminiumschicht des Kol
benhauptkörpers 1, der aus einer geschmolzenen Legierung
hergestellt wird, und dem verschleißfesten Ringraum 11 aus
einer Aluminiumlegierung führt. Wenn die Erwärmungs
temperatur der geschmolzenen Legierung erhöht wird oder
eine ausreichende Vorerwärmung des verschleißfesten Ring
raums 11 durchgeführt wird, tritt ein Abscheidungsphänomen
auf. Wegen der stark beschränkten Bedingungen und des Be
reiches dieser Abscheidung ist eine gleichmäßige Verbin
dung in der Praxis jedoch schwer durchführbar.
Insbesondere führt das Vorerwärmen des verschleißfesten
Ringraumes 11 zu einem Dickerwerden des Oxidfilms, wodurch
die Schwierigkeiten beim Vereinigen noch verstärkt werden.
Wenn vorher eine chemische Umwandlungsbehandlung durchge
führt wird, wie vorstehend beschrieben, wird durch das
Vorerwärmen eine durch chemische Umwandlung behandelte
Schicht oxidiert, während das Aluminiumlegierungs-Material
des verschleißfesten Ringraumes 11 nicht oxidiert wird.
Das Oxid der durch chemische Umwandlung behandelten
Schicht wird durch die geschmolzene Aluminiumlegierung des
Kolbenhauptkörpers 1 leicht entfernt, wodurch die Alumini
umlegierung des Kolbenhauptkörpers 1 und diejenige 11b des
verschleißfesten Ringraumes 11 mit einer hohen Verbin
dungsfestigkeit miteinander verbunden werden können.
Andererseits ist der Grund dafür, warum die Alumilite-
Schicht 20 auf den oberen und unteren Oberflächen der obe
ren Ringnut 4, die möglicherweise einen starken Verschleiß
aufweisen, und der äußeren Umfangsoberfläche des Zylinder
kopfes 2 und dem ringförmigen Steg (Ringsteg) 3 in der
Nähe der oberen Ringnut 4 erzeugt und auf dem Kolbenmantel
10 nicht erzeugt wird, ist folgender: wenn die Alumilite-
Schicht 20 auf dem Kolbenmantel 10 gebildet wird, entsteht
darauf kein Ölfilm, was dazu führt, daß leicht ein Kolben
fressen auftritt.
Die Dicke der Alumilite-Schicht 20 wird im Hinblick auf
die Ergebnisse der Prüfungen, die weiter unten beschrieben
werden, so festgelegt, daß sie innerhalb des Bereiches von
10 bis 50 µm liegt. Insbesondere führt eine Dicke unter 10 µm
zu keiner ausreichenden Verschleißfestigkeit, während
eine Dicke von über 50 µm nicht nur zu einem Anstieg der
Oberflächenrauheit, sondern auch zu einer Zunahme der Be
handlungskosten führt.
Darüber hinaus wird die Größe der SiC-Teilchen 11a, 20a
aus den nachstehend angegebenen Gründen so festgelegt, daß
sie innerhalb des Bereiches von 3 bis 40 µm liegt. Im Hin
blick auf die Ergebnisse der Prüfungen, die weiter unten
beschrieben werden, führt eine Größe von unter 3 µm zu
Schwierigkeiten in bezug auf das volle Tragen (Aushalten)
der Belastung des Kolbenringes 7, was zu Schwierigkeiten
bei der Erzielung einer ausreichenden Verschleißfestigkeit
führt. Andererseits führt eine Größe von über 40 µm nicht
nur zu einer Zunahme der Oberflächenrauheit nach der Nut
(Rillen)-Bearbeitung und somit auch nach der Alumilite-Be
handlung, sondern auch zum leichten Auftreten von Rissen
in der mit Alumilite behandelten Schicht 20, was zu einem
Abplatzen derselben führt.
Die Ergebnisse der Prüfungen von charakteristischen Verän
derungen werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Ver
schleißfestigkeit und die Beständigkeit gegen Mikrover
schweißung des durch die vorstehend beschriebenen Verfah
ren hergestellten verschleißfesten Ringraumes 11, der die
Alumilite-Schicht 20 aufweist, und in bezug auf die ma
schinelle (spanabhebende) Bearbeitbarkeit des Materials
des verschleißfesten Ringraums 11 näher beschrieben.
Die Fig. 7 zeigt die Komponenten einer Matrix-Aluminiumle
gierung. Bei den Prüfungen wurden Proben, die nach dem
Gießverfahren hergestellt wurden, verwendet. Die Zugabe
menge von SiC-Teilchen mit einem Durchmesser von 9,3 ± 4 µm
wurde bewertet bei sieben mit Alumilite behandelten
Proben für 0, 5, 10, 15, 20, 25 und 30 Vol.-%.
Danach wurde der Durchmesser der SiC-Teilchen, die in ei
ner Menge von 10,0 Vol.-% zugegeben wurden, bewertet bei
sechs mit Alumilite behandelten Proben für eine Größe von
2, 5, 10, 20, 30 und 40 µm. Gleichzeitig wurde eine Bewer
tung der Proben ohne zugesetzte SiC-Teilchen (0 Vol.-%)
oder der Proben aus einer einfachen Matrix Aluminiumlegie
rung und der Proben ohne Alumilite-Behandlung vorgenommen.
Bei einem Verfahren zur Bewertung der Verschleißfestigkeit
wurde eine Apparatur verwendet, wie sie in Fig. 5 darge
stellt ist. Insbesondere ist der Kolbenring 7 auf einem
rotierenden Bett 15 befestigt, das mittels eines Motors
(nicht dargestellt) in Rotation versetzt wird. Ein am un
teren Ende einer Heizeinrichtung 16 fixierter Testkörper
17 wird gegen einen oberen Abschnitt des Kolbenringes 7
gepreßt um einen Abrieb (Verschleiß) zu erzeugen. Dieser
Testkörper 17 ist ein Teil des verschleißfesten Ringraumes
11, der aus der Ringnut des Kolbenhauptkörpers 1 herausge
schnitten wurde. Bei diesem Verfahren werden die Testbe
dingungen, wie die Temperatur, die Schmierung und dgl., so
eingestellt, daß sie in Korrelation stehen zu dem Kolben
eines echten Motors. Die Bewertung wird durchgeführt an
hand der Tiefe des Abriebs (Verschleißes) nach der Prü
fung.
Bei einem Verfahren zur Bewertung der Beständigkeit gegen
Mikroverschweißung wurde eine Apparatur verwendet, wie sie
in Fig. 6 dargestellt ist. Insbesondere wurde ein Be
schleunigungstestverfahren angewendet, bei dem der Kolben
ring 7 gegen eine Unterseite der oberen Ringnut 4 des Kol
benhauptkörpers 1 gepreßt und durch die Hebel 18, 19 in
nur einer Richtung verschoben wird, wie durch einen Pfeil
in der Fig. 6 angezeigt. Die Bewertung wird durchgeführt
auf der Basis der Bewertung der verschweißten und abge
nutzten Fläche der Ringnut 4 gegenüber einer gleitenden
Fläche des Kolbenrings 7. Die Prüfung wird fortgesetzt,
bis die Alumilite-Schicht 20 vollständig entfernt ist.
Eine Bewertung der maschinellen (spanabhebenden) Bearbeit
barkeit wurde in der Weise durchgeführt, daß ein zylindri
scher rauher Abschnitt mit einem Durchmesser von 70 mm un
ter den folgenden Bedingungen bearbeitet wurde und die ge
samte Bearbeitungszeit, bis ein Werkzeug einen Abrieb
(Verschleiß) von 0,3 mm aufwies, gemessen wurde:
maschinelle Bearbeitungs geschwindigkeit: 200 m/min
abgeschnittene Menge: 0,3 mm
Beschickungsmenge: 0,03 mm/Umdrehung
verwendetes Werkzeug: Gasphasen-synthetisches Diamant- Werkzeug, hergestellt von der Firma Asahi Daiya Co., Ltd.
maschinelle Bearbeitungs geschwindigkeit: 200 m/min
abgeschnittene Menge: 0,3 mm
Beschickungsmenge: 0,03 mm/Umdrehung
verwendetes Werkzeug: Gasphasen-synthetisches Diamant- Werkzeug, hergestellt von der Firma Asahi Daiya Co., Ltd.
Die Fig. 8 und 9 zeigen die Ergebnisse der vorstehend be
schriebenen Bewertungen.
In den Fig. 8 und 9 ist die Verschleißfestigkeit durch
einen Wert angegeben, bezogen auf die Abriebsmenge ohne
zugesetzte SiC-Teilchen (0 Vol.-%) und ohne Alumilite-
Behandlung, die auf den Wert 100 festgesetzt wurde. Ein
kleinerer Wert gibt einen geringeren Verschleiß an.
Die Beständigkeit gegen Mikroverschweißung ist angegeben
durch einen Wert, der bezogen ist auf den Wert ohne Zugabe
von SiC-Teilchen (0 Vol.-%) und ohne Alumilite-Behandlung
für die verschweißte Fläche der auf 100 festgesetzt wurde.
Ein geringerer Wert gibt eine geringere Mikroverschweißung
an.
Die maschinelle (spanabhebende) Bearbeitbarkeit ist ange
geben durch die Werkzeug-Lebensdauer, bezogen auf den Wert
100, wenn die rauhen Abschnitte ohne Zugabe von SiC-Teil
chen maschinell bearbeitet werden unter Verwendung eines
gesinterten Diamant-Werkzeuges COMPAX der Firma General
Electric Co., Ltd. Es sei darauf hingewiesen, daß die rau
hen Abschnitte mit zugesetzten SiC-Teilchen mittels eines
Gasphasen-synthetischen Diamant-Werkzeugs bearbeitet wer
den.
In der Fig. 8 ist für den Fall, daß keine Alumilite-Be
handlung durchgeführt wird, selbst dann, wenn die Zugabe
menge an SiC-Teilchen nur 5 Vol.-% beträgt, die Ver
schleißfestigkeit stark verbessert im Vergleich zu dem
Fall ohne eine solche Zugabe. Bei einer Zugabemenge von 10
Vol.-% wird der Effekt der Zugabe im wesentlichen kon
stant.
Andererseits ist im Falle der Durchführung einer Alumi
lite-Behandlung die Verschleißfestigkeit verbessert im
Vergleich zu dem Fall, daß keine Alumilite-Behandlung
durchgeführt wird, da die Verschleißfestigkeit einer Alu
milite-Schicht besser ist als diejenige der Aluminiumle
gierung.
In der Fig. 8 zeigt die Beständigkeit gegen Mikrover
schweißung eine ähnliche Tendenz. Für den Fall, daß keine
Alumilite-Behandlung durchgeführt wird, ist die Beständig
keit gegen Mikroverschweißung deutlich verbessert bei ei
ner Erhöhung der Zugabemenge an SiC-Teilchen. Bei einer
Zugabemenge von 25 Vol.-% oder mehr tritt keine Mikrover
schweißung auf.
Andererseits tritt bei Durchführung einer Alumilite-Be
handlung, selbst wenn die Zugabemenge an SiC-Teilchen nur
5 Vol.-% beträgt, keine Mikroverschweißung auf, so daß die
Beständigkeit gegen Mikroverschweißung deutlich verbessert
ist.
Bei der maschinellen (spanabhebenden) Bearbeitbarkeit
tritt selbst dann, wenn die Zugabemenge der SiC-Teilchen
nur 5 Vol.-% beträgt, eine Verschlechterung der Bearbeit
barkeit auf im Vergleich zu dem Fall ohne Zugabe. Darüber
hinaus wird bei der Erhöhung der Zugabemenge die maschi
nelle (spanabhebende) Bearbeitbarkeit schlechter und bei
einer Zugabemenge von 30 Vol.-% tritt bei dem Werkzeug ein
Kantenbruch auf, so daß eine maschinelle (spanabhebende)
Bearbeitung unmöglich wird.
In der Fig. 9 ist bezüglich des Effekts der Größe der SiC-
Teilchen angegeben, daß für den Fall, daß keine Alumilite-
Behandlung durchgeführt wird, die Verschleißfestigkeit
deutlich verbessert ist, wenn der Durchmesser der SiC-
Teilchen 5 µm oder mehr (3 µm oder mehr, um genau zu sein)
beträgt. Auch ist die Beständigkeit gegen Mikrover
schweißung verbessert bei einer Erhöhung der Größe der
SiC-Teilchen, was jedoch nicht bemerkenswert ist, wenn der
Volumenprozentsatz an SiC-Teilchen konstant ist.
Andererseits wird dann, wenn eine Alumilite-Behandlung
durchgeführt wird, die Verschleißfestigkeit deutlich ver
bessert und es entsteht keine Beständigkeit gegen Mikro
verschweißung, wenn der Durchmesser der SiC-Teilchen 5 µm
oder mehr (3 µm oder mehr, um genau zu sein) beträgt.
Die maschinelle (spanabhebende) Bearbeitbarkeit wird
schlechter mit einer Zunahme der Größe der SiC-Teilchen.
Bei 40 µm wird die Oberflächenrauheit nach der maschinel
len (spanabhebenden) Bearbeitung schlechter, was durch die
nachfolgende Alumilite-Behandlung noch ausgeprägter wird.
Die obigen Prüfungen zeigen, daß die optimale Zugabemenge
der SiC-Teilchen im Bereich von 5 bis 25 Vol.-%, vorzugs
weise von 10 bis 20 Vol.-%, liegt, und daß die optimale
Größe der SiC-Teilchen in dem Bereich von 3 bis 40 µm,
vorzugsweise von 3 bis 20 µm, liegt.
Darüber hinaus wurde ein Operationstest durchgeführt mit
dem mit Alumilite behandelten Kolben, der einen Kolben
hauptkörper 1 aus einer Aluminiumlegierung aufwies, die um
den verschleißfesten Ringraum 11 aus einer Aluminiumlegie
rung mit zugesetzten SiC-Teilchen herumgegossen wurde, wo
bei der Kolben in einen Verbrennungsmotor eingebaut wurde.
Die Zugabemenge der SiC-Teilchen in dem verschleißfesten
Ringraum 11 wurde auf 10 Vol.-% eingestellt. Außerdem
wurde zum Vergleich ein Operationstest durchgeführt mit
einem Kolben ohne Alumilite-Behandlung und mit einem Kol
ben, der einen Kolbenhauptkörper ohne einen verschleißfe
sten Ringraum 11 aufwies.
Die Operationsbedingungen waren folgende: es wurde ein 4-
Zylinder-Benzinmotor mit einem Volumen von 2000 cm³ ver
wendet und bei einer Öltemperatur von 150°C und einer
Kühlmitteltemperatur von 120°C 200 h lang kontinuierlich
laufen gelassen.
Die Ergebnisse sind die, daß der Kolben ohne den ver
schleißfesten Ringraum 11 einen Abrieb (Verschleiß) von 50 µm
erfährt und eine Mikroverschweißung von 85% der Unter
seite der oberen Ringnut entsteht, während der Kolben mit
dem verschleißfesten Ringraum 11 und ohne eine Alumilite-
Behandlung einen Abrieb (Verschleiß) von 5 µm erfährt und
eine Mikroverschweißung auf 50% der Unterseite der oberen
Ringnut entsteht und der Kolben mit dem verschleißfesten
Ringraum 11 und mit einer Alumilite-Behandlung weder einen
Abrieb (Verschleiß) erfährt noch eine Mikroverschweißung
auftritt.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausfüh
rungsformen beschrieben, es sei jedoch darauf hingewiesen,
daß sie darauf nicht beschränkt ist und daß viele Ände
rungen und Modifikationen innerhalb des Rahmens der vor
liegenden Erfindung möglich sind. So können beispielsweise
anstelle von SiC-Teilchen Teilchen mit einer äquivalenten
Härte, wie Teilchen aus BN, Si₃N₄, Al₂O₃, WC, TiC und TiB₂
verwendet werden.
Claims (15)
1. Kolben für einen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet
durch:
einen Hauptkörper (1) aus einer Aluminiumlegierung;
Nuteinrichtungen zum Anbringen eines Vielzahl von Kolben ringnuten (4, 5, 6) in einer äußeren Umfangsfläche des Hauptkörpers (1);
verschleißfeste Einrichtungen, die beständig sind gegen einen Verschleiß der Ringnuten (4, 5, 6), wobei die ver schleißfesten Einrichtungen aus einer Aluminiumlegierung bestehen, die Feststoffteilchen enthält; und
eine Schichteneinrichtung zum Abdecken der verschleißfe sten Einrichtungen und des Hauptkörpers (1) in der Nähe desselben.
einen Hauptkörper (1) aus einer Aluminiumlegierung;
Nuteinrichtungen zum Anbringen eines Vielzahl von Kolben ringnuten (4, 5, 6) in einer äußeren Umfangsfläche des Hauptkörpers (1);
verschleißfeste Einrichtungen, die beständig sind gegen einen Verschleiß der Ringnuten (4, 5, 6), wobei die ver schleißfesten Einrichtungen aus einer Aluminiumlegierung bestehen, die Feststoffteilchen enthält; und
eine Schichteneinrichtung zum Abdecken der verschleißfe sten Einrichtungen und des Hauptkörpers (1) in der Nähe desselben.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Nuteinrichtungen um die verschleißfesten Einrichtungen
herum gegossen sind.
3. Kolben nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Nuteinrichtungen eine obere Ringnut (4)
aufweisen.
4. Kolben nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfesten Einrich
tungen in Form eines Ringraumes (11) vorliegen.
5. Kolben nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffteilchen der ver
schleißfesten Einrichtungen Teilchen aus Siliciumcarbid
(SiC) umfassen.
6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die SiC-Teilchen 5 bis 25 Vol.-%, vorzugsweise 10 bis 20
Vol.-%, entsprechen.
7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die SiC-Teilchen Durchmesser in dem Bereich von 3 bis 40 µm,
vorzugsweise von 3 bis 20 µm, haben.
8. Kolben nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfesten Einrich
tungen Teilchen aus BN, Si₃N₄, Al₂O₃, WC, TiC und TiB₂ um
fassen.
9. Kolben nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schichteneinrichtungen
durch anodische Oxidationsbehandlung der Oberflächen der
verschleißfesten Einrichtungen und des Hauptkörpers (1) in
der Nähe desselben gebildet werden.
10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schichteneinrichtungen eine Alumilite-Schicht umfas
sen, welche die genannten Feststoffteilchen enthält.
11. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen
Verbrennungsmotor, der einen Hauptkörper und mindestens
eine Ringnut aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß es die
folgenden Stufen umfaßt:
Ausbildung eines verschleißfesten Ringraumes aus einer Feststoffteilchen enthaltenden Aluminiumlegierung;
Gießen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung für den Hauptkörper des Kolbens um den verschleißfesten Ringraum herum, wobei der verschleißfeste Ringraum so angeordnet ist, daß er der Ringnut des Kolbens entspricht; und
Anwendung einer anodischen Oxidationsbehandlung auf den verschleißfesten Ringraum.
Ausbildung eines verschleißfesten Ringraumes aus einer Feststoffteilchen enthaltenden Aluminiumlegierung;
Gießen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung für den Hauptkörper des Kolbens um den verschleißfesten Ringraum herum, wobei der verschleißfeste Ringraum so angeordnet ist, daß er der Ringnut des Kolbens entspricht; und
Anwendung einer anodischen Oxidationsbehandlung auf den verschleißfesten Ringraum.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Feststoffteilchen des verschleißfesten Ringraums
Siliciumcarbid(SiC)-Teilchen umfassen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die SiC-Teilchen 5 bis 25 Vol.-%, vorzugsweise 10 bis
20 Vol.-%, entsprechen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die SiC-Teilchen Durchmesser in dem Bereich von 3 bis
40 µm, vorzugsweise von 3 bis 20 µm, haben.
15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Feststoffteilchen des verschleißfesten Ringraums
Teilchen aus BN, Si₃N₄, Al₂O₃, WC, TiC und TiB₂ umfassen.
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GB2290598B (en) | 1998-01-07 |
GB9510270D0 (en) | 1995-07-19 |
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