DE2018653A1

DE2018653A1 - Leichtmetallkolben

Info

Publication number: DE2018653A1
Application number: DE19702018653
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Karl Schmidt Gmbh, 7107 Neckarsulm
Priority date: 1970-04-18
Filing date: 1970-04-18
Publication date: 1971-11-04
Also published as: FR2089220A5; GB1320264A; ZA711284B; BR7102147D0

Description

Leichtmetallkolben

Die· Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben mit Faserverstärkung, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen.

Reinaluminium ist als Kolbenwerkstoff ungeeignete Die an einen Kolbenwerkstoff gestellten Anforderungen, wie ausreichende Zugfestigkeit, Härte, Streckgrenze und Bruchdehnung auch bei Betriebstemperaturen, möglichst ein in der Nähe des Graugusses liegender niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, gute Gleiteigenschaften und hohe Verschleißfestigkeit, können deshalb nur mit zweckmäßig ausgewählten Leichtmetallegierungen erfüllt werden. Die Legierungskunde sowie die Technik des Gießens, Knetens und Wärmebehandeins ist weit entwickelt und die Zahl der als Kolbenwerkstoff verwendeten Leichtmetallegierungen groß, dennoch können mit den heute zur Verfügung stehenden Leichtmetallegierungen nicht alle Ansprüche insbesondere im Hinblick auf ihre mechanische und thermische Beanspruchbarkeit bei hoch belasteten Verbrennungskraftmaschinen erfüllt werden, da die im allgemeinen für die Kolbenherstellung verwendeten hochsiliziumhaltigen Leichtmetallegierungen bei Temperaturen oberhalb von 20O⁰C einen steilen Abfall ihrer Festigkeits- und Härtewerte sowie auch ihrer Gleiteigenschaften aufweisen.

Um eine Erwärmung der Leichtmetallkolben von Viertaktmotoren auf Temperaturen oberhalb von 200⁰C zu vermeiden, ist es bekannt, den Kolben mit öl zu kühlen, in dem die Kolbenboden-Innenoberfläche mit aus dem Schmierölkreislauf entnommenen öl angespritzt wird. Die intensivste Kühlung läßt sich mit

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im Kolbenkopf eingegossenen Kühlräumen erzielen, die zwangsläufig von Kühlöl durchflossen werden» Die erzielte Temperatursenkung beträgt etwa 40 bis 60⁰C.

Aufgrund der geringen Warmhärte und' Warmfestigkeit der Leichtmetallegierungen zeigen sich aber auch bei ölgekühlten Leichtmetallkolben gewisse Grenzen. Dies wird um so deutlicher je höher die spezifischen Leistungen und damit die thermische und mechanische Belastung steigen. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, den Kolben zweiteilig auszubilden, wobei Kolbenoberteil (Kolbenboden mit Ringzone) und Kolbenunterteil (Kolbenschaft mit Bolzennaben) aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen und beide Teile über geeignete Verbindungselemente, insbesondere Schrauben, miteinander verbunden sind_o Bas EoXbenoberteil besteht La₉ aus Gußeisen oder Stahl, während aas Eolbenunterteil aus einer gepreßten Leichtmetallegierung gebildet wird. Durch einen derartigen, sogenannten "gebauten" Kolben werden ein kleinstmögliches Spiel zwischen Kolbenkopf und Zylinder, niedrige Temperaturen in dieser Zone und an den Kolbenringen sowie geringer Verschleiß in den Kolbenringnuten erzielt (Aluminium 45, Nr. 9, 1959, S₉ 548/49)« Nachteilig ifirkt sich jedoch bei diesen gebauten Kolben die durch die Verwendung von Gußeisen oder Stahl bedingte Erhöhung des Kolbengewichts aus$ da dadurch die Massenkräfte stark erhöht werden,, Über dies ist die Schraubenverbindung zwischen Kolbenkopf und Kolbenschaft aufgrund der relativ großen Verformungen des Kolbenkopfes unter thermischer und mechanischer Belastung vergleichsweise störanfällig»

Aus der DOS 1 913 202 ist ferner ein Leichtmetallkolben bekannt, bei dem von dem Kolbenkopf zu jeder Eolbeiibolzenbohrung eine faserartige Verstärkung verläuft_s die nur in diesem Bereich festigkeitserhohend wirkt, während die Itfansfegtigkeit und Warmhärte sowie Bruchdehnung des gesamten Kolbens nur unbedeutend verbessert werden_e

Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, die Nachteile

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des vorgenannten Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere einen für höchste spezifische Leistungen, wie sie mehr und mehr im Verbrennungskraftmas chinenbau gefordert werden, geeigneten Leichtmetallkolben zu entwickeln, der thermisch und mechanisch überdurchschnittlich hoch belastbar ist und bei dem das geringe Gewicht der Leichtmetallegierung im Hinblick auf ein günstiges Kolbengewicht ausgenutzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den thermisch und mechanisch hochbelasteten Bereichen eines Leichtmetallkolbens aus poly- oder monokristallinen, metallischen oder { nichtmetallischen Fasern paketartig geformte Einlagerungen eingebettet sind, wobei die Fasern jeweils in Richtung der auftretenden Spannungen verlaufend angeordnet sind. Die verwendeten Fasern, deren Durchmesser 1 bis 100 /um vorzugsweise 5 bis 50 jum insbesondere 10 bis 25 /um beträgt, besitzen eine Zugfestigkeit, die mindestens das eineinhalb- bis dreifache vorzugsweise zwei- bis zweieinhalbfache der Zugfestigkeit des verwendeten Leichtmetallwerkstoffs beträgt.

Der wesentlichste Teil der Faserfestigkeit wird dann ausgenutzt, wenn der Faseranteil des Leichtmetallkolbens 20 bis 80 Vol.96 vorzugsweise 30 Ms 70 Vol.96 insbesondere 40 bis _Λ 60 Vol.96 ausmacht. "

Nach einem speziellen Merkmal der Erfindung sind im Bereich von mehrachsigen Spannungszuständen die Fasern netzförmig angeordnet.

Im Rahmen der besonderen Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn das Fasermaterial aus einem das Gleiten erleichternden Werkstoff, wie z.B. Graphit, besteht.

Als weitere Fasern kommen solche aus Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, austeni ti schein Stahl, Bor, Borkarbid, Siliziumoxid,

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Wolfram, Molybdän, Niob, Tantal in Betracht.

Zur Gewährleistung einer optimalen Kraftübertragung muß eine so große Haftung zwischen den Fasern und dem Leichtmetallwerk-, stoff an den Grenzflächen vorausgesetzt werden, daß die Komponenten bei Beanspruchung nicht aneinander gleiten, sondern daß sich Faden und Leichtmetall in gleicher Weise dehnen.

Die Warmfestigkeit und Warmhärte des Leichtmetallkolbens werden somit weitgehend von der Warmfestigkeit und Warmhärte " der eingelagerten Fasern bestimmt. Die Faserverstärkung eines Leichtmetallkolbens bewirkt, daß in den thermisch und mechanisch hochbelasteten Bereichen, wie Außenoberfläche des Kolbenbodens, engster Querschnitt über der Kolbenbolzennabe, Kühlkanäle, Ringnuten, Feuersteg, Kolbeninnenform, Kanten des Innenverbrennungsraums, die Gestaltfestigkeit des Leichtmetallkolbens bei hoher spezifischer Leistung"wesentlich verbessert wird. Auch wird an verschleißmäßig hoch beanspruchten Stellen des Kolbens, wie z.B. Ringnuten und Kolbenschaft, der Verschleiß-Widerstand nicht unbedeutend gesteigerte

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt h und wird im folgenden näher erläutert.

In einen Kolben aus der Aluminium-Gußlegierung AlSiI2CuNi mit einer Zugfestigkeit von 21 kp/mm sind in den mechanisch und thermisch hochbelasteten Bereichen paketartig gepreßte Einlagerungen aus Kohlenstoffstahldraht, der einen Durchmesser von 50 yum und eine Zugfestigkeit von 130 kp/mm besitzt, eingegossen, wobei der Volumenanteil der Einlagerungen 38 % beträgt. Die an einem derartig aufgebauten Leichtmetallkolben auf einer bekannten Prüfmaschine ermittelte Zugfestigkeit konnte gegenüber einem nicht faserverstärkten Leichtmetallkolben auf 48 kp/mm gesteigert werden«

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Die Festigkeitssteigerung des Leichtmetallkolbens mit Hilfe von verstärkend wirkenden Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung hat gegenüber dem Ersatz des Leichtmetallwerkstoffs durch Stahl- oder Grauguß den Vorteil des geringeren Gewichts und die Vermeidung von Schraubverbindungen. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß die Wärmeleitfähigkeit des faserverstärkten Leichtmetallkolbens bedeutend höher und in etwa der des Leichtmetallwerkstoffs entspricht, wodurch eine bessere und gleichmäßigere Temperaturverteilung, vor allem am Kolbenboden, sowie im Bereich des Ringfeldes, erzielt wird.

- 6 Patentansprüche

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

M) !Leichtmetallkolben mit Fäserverstärktmg, insbesondere für ^~"^Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß in den thermisch und mechanisch hochbelasteten Bereichen des Leichtmetallkolbens aus poly- oder monokristallinen, metal-• lischen oder nichtmetallischen Fasern_s deren Durchmesser bis 100 ^um vorzugsweise 5 bis 50 pm insbesondere 10 bis 25fim und deren Zugfestigkeit wenigstens das eineinhalb- bis dreifache vorzugsweise zwei bis zweieinhalbfache der Zufgestigkeit des Kolbenwerkstoffs beträgt, paketartig geformte Ein-" lagerungen eingebettet sind, wobei die Fasern jeweils in Richtung der auftretenden Spannungen verlaufend angeordnet sind.
2) Leichtmetallkolben mit FaserverStärkung nach Anspruch 1 _s

_4^a._⁽Ji^g.^u--JL^eiE^enrizeJ· ^c^^me "fc$ ^^a^ äe** Faseranteil des Kolbens 20 bis 80 Vol.% vorzugsweise 30 bis JQ ¥ol_e% insbesondere 40 bis 60 Vol.tf beträgt.
3) Leichtmetallkolben mit FaserverStärkung nach den Ansprüchen 1 und 2«, dadurch gekennzeichne-fc, daß die Fasern aus Graphit, Siliziumcarbid, Aluminiurnoxid, austenitischem

Jk Stahl, Bor, Borkarbid, Siliziumoxid, Wolfram, Molybdän, Niob, Tantal bestehen.
4) Leichtmetallkolben mit Faserverstärkung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich von mehrachsigen Spannungszuständen die Fasern netzförmig verlaufend angeordnet sind.
5) Leichtmetallkolben mit Faserverstärkung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlagerungen im Bereich der Außenoberfläche des Kolbenbodens, des Feuerstegs, der Ringnuten insbesondere im Bereich der er-

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sten Ringnute, im engsten Querschnitt über der Kolbenbolzennabe, in der Kolbeninnenform sowie im Bereich eventuell eingegossener Kühlkanäle und der Kanten des Innverbrennungsraums angeordnet sind.

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