DE19518552A1 - Kolben für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Kolben für Verbrennungsmotoren

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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.
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.
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.
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.
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.
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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