DE2013355C - Verfahren zum Herstellen einer Ringnutenverstärkung in einem Kolben aus einer Leichtmetallegierung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Ringnutenverstärkung in einem Kolben aus einer Leichtmetallegierung, bei dem der Kolbenring erwärmt wird und eine im Kolbenrohling umlaufende Rille aufgerauht, durch Einsprühen eines verschleißfesten Metalls gefüllt und danach die Ringnut hergestellt wird. '

Aus der USA.-Patentschrift 2 833 668 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem ein Leichtmetallkolben mit einer umlaufenden Rille auf eine Temperatur von annähernd 223° C erwärmt wird, die Oberfläche der Rille aufgerauht und diese Rille durch Aufsprühen eines verschleißfesten Metalls ausgefüllt wird. Nach Abkühlen des Metalls wird die Umfangsnut hergestellt. Die mit diesem Verfahren hergestellte Ringnutenverstärkung weist nicht eine für alle Belastungsfälle geeignete Festigkeit der Bindung zwischen dem Kolbenmetall und dem Verstärkungsmetall auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Herstellen einer Ringnutenverstärkung zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Festigkeit der Bindung zwischen dem Kolbenmetall und dem Verstärkungsmaterial zu verbessern.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kolbenrohling auf eine Temperatur von mindestens 204° C, jedoch auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur erwärmt wird, bei der das KoI-benmaterial beginnt, weich zu werden, daß nach dem hierauffolgenden Aufrauhen der Rille ein Bindemetall auf die Oberfläche der Rille aufgesprüht wird, dabei der Kolbenrohling auf einer Temperatur von wenigstens 149° C gehalten und beim nachfolgenden Aufsprühen des verschleißfesten Metalls der Kolbsnrohling auf einer Temperatur im Bereich von etwa 149 bis zu etwa 216° C gehalten wird.

Es hat sich gezeigt, daß durch diese Maßnahmen die Festigkeit der Bindung ganz erheblich verbessert wird.

Der Kolbenrohling kann vor dem Aufraunen mit Vorteil insbesondere auf eine Temperatur im Bereich von 204 bis zu 216° C erhitzt werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Kolbenrohling während des Aufsprühens des verschleißfesten Metalls in die Rille gekühlt, so daß dessen Temperatur 216° C nicht übersteigt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kolbenrohling dabei durch Einleiten eines Luftstroms gekühlt wird.

Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt eines Kopfes eines Kolbenrohlings mit einer eingearbeiteten Umfangsrille,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Sandstrahlbehandlung der Rille,

F i g. 3 eine schematische Darstellung, die die Art und Weise veranschaulicht, in der ein Metallsprühverfahren verwendet werden kann, um sowohl das Bindemetall als auch das verschleißfeste Metall in die Rille einzusprühen und

F i g. 4 ein der Fig.! entsprechender Schnitt, der den Kolbenkopf nach der Fertigbearbeitung zeigt.

In F i g. 1 ist ganz allgemein ein Kolbenrohling 10 teilweise dargestellt, der aus eine Aluminiumlegierung besteht. Der Kolbenkopf wird zuerst mit einer Umfangsrille 11 versehen, die, wie in der Zeichnung dargestellt ist, ein gestuftes Profil hat. Obwohl die Gestalt der Rille verschiedene Formen annehmen kann, gibt es bestimmte Überlegungen, die die Verwendung eines gestuften Profils nahelegen. Einmal können die Kosten der verschleißfesten Sprühmetalleinlage so niedrig als möglich gehalten werden, weil das Volumen und die maximale Dicke der Sprühmetallschicht auf einem Minimalwert gehalten werden sollten, der den Erfordernissen der notwendigen physikalischen Eigenschaften entspricht. Dadurch, daß die Dicke der Abscheidung auf einem Minimum gehalten wird, wird auch die Größe der Restspannung in dem abgeschiedenen verschleißfesten Metall auf ein Miuimum herabgesetzt.

Die minimale Dicke des eingesprühten verschleißfesten Metalls muß auf jeder Seite der späteren Ringnut groß genug sein, um die Lasten aufnehmen zu können, die durch den Kolbenring übertragen werden. Die verschleißfeste Sprühmittelschicht muß sich in die Rille bis zu einer Tiefe hinein erstrecken, die eine verschleißfeste Oberfläche über dem Bereich garantiert, in dem die Ringbelastung am größten ist. Erfahrungen haben gezeigt, daß Kolben für schwere Brennkraftmaschinen eine verschleißfeste Sprühmetallbeschichtung der Ringnutflanken mit einer minimalen Dicke von etwa 0,15 bis 0,25 cm benötigen, wobei sich die Beschichtung von außen nach innen zu über etwa die Hälfte oder zwei Drittel der Ringnuttiefe erstrecken sollte.

Die Rille sollte so geformt sein, daß Spannungsbelastungen an der Bindungsfläche zwischen dem verschleißfesten Sprühmetall und der Kolbenlegierung ausgeschaltet werden. Da die Gasdruckbelastungen

und die Reibungsbelastungen am Kolbenring parallel zur Achse des Kolbens verlaufen, sohlte die Rille Oberflächen aufweisen, die sowohl parallel als auch senkrecht zur Mittellinie des Kolbens verlaufen. Die senkrechten Oberflächen der Rille sollten mit einer S geringen Krümmung übergehen, da Sprühmeiallteilchen die Neigung haben, eine scharfe Kante zu überbrücken und eine unerwünschte Lücke freilassen würden.

In einem Idealfall kann Sprühmetall senkrecht zur Oberfläche des Kolbens aus einer Aluminiumlegierung aufgebracht werden, um die bestmögliche Bindung sicherzustellen. Aus Gründen der anderen Bedingungen kann dieser Idealfall nicht realisiert werdes. Das Verhältnis von Rillenbreite zu Rillentiefe sollte demzufolge derart eingestellt werten, daß die Sprühmetallteikhen auf alle Oberflächen der gestuften Rille unter einem Winkel von etwa 45° gegenüber der Senkrechten auf treffen.

Nachdem die Umfangsrille 11 im Kopf des KoI- ao benrohlings 10 ausgebildet ist, wird der Kolbenrohling 10 gewaschen, um alle ölreste und andere Verschmutzungen zu entfernen. Verschiedene Fettlösemittel, wie Trichloräthylen, können für diesen Zweck verwendet werden. Das Waschen verhindert eine as Verschmutzung des Sandstrahlmaterials und der Sandstrahlvorrichtung, die später verwendet wvrden und sichern eine saubere Oberfläche zur Aufnahme des Bindemetalls.

Die nächste Stufe des Verfahrens besteht in einer Vorerhitzung oes Werkstücks auf eine Temperatur von mindestens 204° C, jedoch auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur, bei der das Kolbenmaterial beginnt, weich zu werden, um die gesammelte Restfeuchtigkeit zu entfernen und um die Bildung eines Kondensats in den anschließenden Verfahrensstufen zu verhindern. Für Kolben aus einer Aluminiumlegierung liegt diese Vorerhitzungstemperatur vorzugsweise im Bereich von etwa 204 bis zu etwa 216° C.

Die nächste Verfahrensstufe, die in F i g. 2 dargestellt ist, besteht in einer Sandstrahlblasbehandlung der Oberfläche der Rille. Wie F i g. 2 zeigt, kann der Sandstrahl mittels zweier Düsen 12 und 13 austreten, die auf gegenüberliegenden Seiten des Rohlings angeordnet sind. Während des Sandstrahlverfahrens ist der Kolbenrohling an einer Drehvorrichtung montiert, die mit einer verhältnismäßig geringen Drehzahl von etwa 75 U/min gedreht wird. Die Kolbenrille wird auf beiden Seiten gleichzeitig unter einem Winkel von 45° gegenüber der Senkrechten zu allen Oberflächen der gestuften Rille sandgestrahlt. Die Sandstrahlung wird fortgesetzt, bis eine gleichförmige Rauheit auf allen Oberflächen der Rille erzielt wird.

Während der Kolbenrohling 10 durch die Vorerhitzung noch heiß ist und sich auf einer Temperatur von wenigstens etwa 149° C befindet, wird ein Bindemetall in die Rille eingesprüht, und zwar mittels einer Sprühpistole 14, während der Rohling oszilliert wird, um die Rille vollständig zu füllen, wie es gestrichelt in F i g. 3 veranschaulicht ist. Bevorzugt wird ein Bindemetall verwendet, das aus einer Nickel-Aluminium-Legierung besteht, da dieses Material eine nicht poröse Beschichtung bildet, die gegen gasförmige Atmosphären bis zu etwa 1745° C beständig ist.

Die bevorzugte Beschichtungsstärke für die Bindemetallschicht liegt im Bereich von etwa 0,01 bis zu 0.015 cm.

Die Nickel-Aluminium-Legjeningsbeschichtungen können aus handelsüblichen Materialien erzeugt werden, die aus zusammengesetzten Teilchen bestehen und die drahtförmig vorliegen. Die zusammengesetzten Teilchen werden dadurch hergestellt, daß chemisch Nickel auf Aluminiumleilehen abgeschieden wird. Wenn dieses Material geschmolzen pnd versprüht wird, so findet mit der Bildung der Nickel-Aluminlum-Legierung eine exotherme Reaktion statt. Die Nickel-Aluminium-Legierung ist auf richtig vorbereitete Oberflächen selbstbindend und es ist keine anschließende Schmelzbehandlung erforderlich.

Die nächste Verfahrensstufe besteht darin, daß das verschleißfeste Metall aufgesprüht wird, um die Rille 11 zu füllen, während der Kolbenrohling noch heiß ist. In dieser Verfahrensstufe sollte sich das Werkstück auf einer Temperatur von wenigstens etwa 149° C befinden, um Restspannungen in der aufgesprühten Metalleinlage zu verhindern, wenn das thermische Gleichgewicht hergestellt ist. Das Aufbringen der Einlage aus verschleißfestem Metall kann mit der gleichen Vorrichtung durchgeführt werden, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist, um eine vollständige Beschichtung über die Tiefe der Rille zu erzielen. Während des Sprühens des verschleißfesten Metalls ist es erwünscht, die Temperatur des Kolbenrohlings unter einem Wert von 216° C zu halten. Für diesen Zweck kann ein Kühlluftstrahl gegen die inneren Oberflächen des Kolbens gerichtet werden.

Schließlich wird der Kolbenrohling fertigbearbeitet, um überschüssiges Verstärkungsmetall zu entfernen und auf die Endabmessungen zuzurichten. Diese Endbearbeitung besteht darin, daß eine Nut 16 im Verstärkungsmetall ausgearbeitet wird, die den Kolbenring aufnimmt.

In der folgenden Erläuterung eines Beispiels sollen im einzelnen die verschiedenen Verfahrensbedingungen dargelegt werden, unter denen das erfindungsgemäße Verfahren am besten durchgeführt werden kann.

Ein Kolbenrohling aus einer Aluminiumlegierung wurde mit einer Rille versehen, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist. Nach der Waschung des Werkstückes zur Entfernung des Öls und anderer Verunreinigungen wurde das Werkstück auf eine Temperatur von 204⁰C vorerhitzt, um die gesamte Restfeuchtigkeit zu entfernen und um die Ausbildung eines Kondensats zu verhindern.

Während das Werkstück noch heiß war, wurde es einer Sandstrahiblasbehandlung unterzogen, wobei ein Gußeisenslrahlmittel mit einem Druck von etwa 5,6 kg/cm² aufgebracht wurde, wobei das Werkstück auf einem horizontalen Drehteller mit einer Drehzahl von 75 U/min gedreht wurde. Das Werkstück war am Drehteller derart befestigt, daß beide Seiten der Rille gleichzeitig mittels eines Sandstrahles behandelt werden konnten, und zwar unter einem Winkel von 45° gegenüber der Senkrechten zu allen Oberflächen der gestuften Rille. Das Sirahlverfahren wurde 18 Sekunden durchgeführt mit einem Abstand von etwa 7,5 cm zwischen den Düsen und dem Werkstück an der Kontaktstelle.

Unmittelbar nach der Sandstrahlbehandlung und während die Temperatur des Werkstückes noch oberhalb von 149° C lag, wurde eine Nickel-Aluminium-Legierungsschicht aufgebracht. Das Werkstück wurde in einer Halterung montiert und mit einer Drehzahl von 125 U/min gedreht. Es wurde eine Me-

lallisierungspistolc mit einem Draht verwendet. Die Spritzpistole wurde in einem Abstand von etwa 10 cm gegenüber der zu beschichtenden Oberfläche angeordnet. Der Druck des Acetylengases wurde auf etwa 1,1 atü eingestellt und der Druck des Sauerstoffes wurde auf etwa 3,5 atü eingestellt. Die Einstellungen der Metallisierungspistole waren so, daß Luft mit einem Druck von 3,9 atü in einer Menge von 1,22 nWh, Sauerstoff mit einem Druck von 0,28 bis 0,3 atü und einer Menge von 1,19 m^s/h und Acetylen mit einem Druck von 0,8 bis 0,9 atü und einer Menge von 0,9 m³/h zugeführt wurde, wobei eine Drahlvorschubgeschwindigkeit von etwa 90 cm/min verwendet wurde. Das Werkstück wurde von Seite zu Seite über einen eingeschlossenen Winkel von 60° für etwa 9 Sekunden verschwenkt mit Zwischenräumen von etwa einer Sekunde, wobei das Sprühmetall zuerst auf einer Seite der Rille und dann auf die andere Seite auftraf. Es wurde eine Bindemetallbeschichtung mit einer mittleren Dicke von etwa 0,0125 cm erzielt.

Die Rille wurde mit rostfreiem Stahl als Sprühbeschichtung gefüllt, wobei die gleiche Halterung und Sprühpistole verwendet wurde, wie vorher bei der Aufbringung der Bindemetallbeschichtung. Das Werkstück sollte in dieser Verfahrensstufe eine Temperatur von wenigstens 149° C haben. Die Spritzpistole wurde in einem Abstand von etwa 10 cm gegenüber der zu beschichtenden Oberfläche angebracht. Die Einstellungen der Spritzpistole waren derart, daß die Luft mit einem Druck von 3,9 atü und einer Rate von 1,42 m^s/h zugeführt wurde. Die Einstellung für den Sauerstoff war derart, daß der Druck im Bereich von 0,21 bis 0,24 atü lag, mit einer Zuführrate von 1,05 m^s/h. Das Acetylen wurde unter einem Druck von 0,1 atü eingeführt, mit einer Rate von 1,08 m³/h.

Die Drahtgeschwindigkeit betrug 1,30 m/min für einen Draht mit einem Durchmesser von 0,3 cm.

Das Werkstück wurde über einen eingeschlossenen Winkel von etwa 60° verschwenkt , und zwar ausgehend mit einer Besprühung der einen Seite der Rille für 5 Sekunden, woran anschließend die andere Seite der Rille 5 Sekunden lang besprüht wurde. Diese Betriebsschrittfolge wurde für zwei zusätzliche 5-Sekunden-Intervalle wiederholt. Dann wurde die eine Seite

ίο etwa 30 Sekunden besprüht, wonach die andere Seite während der gleichen Zeitdauer besprüht wurde. Dann wurde der Sprühstrahl auf die Mitte der Rille für eine Zeitdauer von 100 Sekunden gerichtet. Als nächstes wurde die eine Seite etwa 10 Sekunden besprüht und anschließend wurde etwa die gleiche Zeit lang die andere Seite besprüht. Die Besprühung wurde dadurch vollendet, daß die Pistole auf die Mitte der Rille etwa 35 Sekunden gerichtet wurde oder so lange, wie es erforderlich ist, um die Rille

ao vollständig auszufüllen. Während dieser Aufsprühung des rostfreien Stahles wurde ein Kühlluftstrahl auf die inneren Oberflächen des Kolbenrohlings gerichtet, um zu verhindern, daß die Temperatur des Kolbenrohlings einen Wert von etwa 216° C übersteigt.

as Schließlich wurde der Kolbenrohling einer Endbearbeitung unterzogen, die in der üblichen Weise erfolgte. Es wurde ein verhältnismäßig geringer Schneidwerkzeugdruck verwendet, um die Kolbenringnut in der aufgesprühten Metallschicht auszuarbeiten.

Es wurde gefunden, daß das im vorstehenden näher beschriebene Verfahren die Kosten der Aufbringung des Sprühmetalls vermindert, wobei gleichzeitig die Festigkeit der Bindung zwischen der Kolbenlegie-

rung und dem aufgesprühten Metall, verglichen mil bisher bekannten Verfahren, um 30 °/o erhöht wurde

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer Ringnutenverstärkung in einem Kolben aus einer Leichtmetallegierung, bei dem der Kolbenrohling erwärmt wird und eine im Kolbenrohling umlaufende Rille aufgerauht, durch Einsprühen eines verschleißfesten Metalls gefüllt und danach die Ringnut hergestellt wird, dadu rch gekennzeichnet, daß der Kolbenrohling (10) auf eine Temperatur von mindestens 204° C, jedoch auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur erwärmt winf, bei der das Kolbenmaterial beginnt, weich zu werden, daß nach dem hierauffolgenden Aufrauhen der Rille (11) ein Bindemetall auf die Oberfläche der Rille (11) aufgesprüht wird, dabei der Kolbenrohling (10) auf einer Temperatur von wenigstens 149° C gehalten und beim nachfolgenden Aufsprühen des verschleißfesten Metalls der Kolben- ao rohling (10) auf einer Temperatur im Bereich von etwa 149 bis zu etwa 216° C gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenrohling (10) vor dem Aufrauhen auf eine Temperatur im Bereich von 204 bis zu 216° C erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenrohling (10) während des Aufsprühens des verschleißfesten Metalls in die Rille (11) gekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenrohling (10) durch Einleiten eines Luftstroms gekühlt wird.