DE2027649A1

DE2027649A1 - Light metal pistons for internal combustion engines

Info

Publication number: DE2027649A1
Application number: DE19702027649
Authority: DE
Inventors: Gerhard 7107 Bad Wimpfen Schieber
Original assignee: Karl Schmidt Gmbh, 7107 Neckarsulm
Priority date: 1970-06-05
Filing date: 1970-06-05
Publication date: 1971-12-09

Description

L e i c h t m e t a l l k o l b e n f ü r V e r b r e n n u n g s -k r a f t m a s c h i n e n Die Erfindung betrifft einen aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, der mit einem durch Auftragsschweißung aufgebrachten vom Kolbenwerkstoff unterschiedlichen Leichtmetallwerkstoff bewehrt ist. L e i c h t m e t a l l k o l b e n fo r V e r b r e n n u n g s The invention relates to an aluminum alloy existing pistons for internal combustion engines, which are welded to one another applied from the piston material different light metal material reinforced is.

Reinaluminium ist als Kolbenwerkstoff ungeeignet. Die gestellten Anforderungen a) ausreichende Festigkeit und Härte bei erhöhten Temperaturen b) möglichst in der Nähe des Graugusses liegender, niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient c) gute Gleiteigenschaften und hohe Verschleißfestigkeit können nur mit zweckmäßig ausgewählten IELegierungen, nämlich vorzugsweise durch eutektische und übereutektische siliziumhaltige Aluminiumlegierungen, erfüllt werden. Diese weisen die Vorteile vergleichsweise geringer WSrmeausdehnung, hoher Verschleißfestigkeit und guter Festigkeit auf und stellen praktisch einen Kompromiß aus denjenigen Werkstoffen dar, die je nach Beanspruchungsart in denverschiedenen Kolbenzonen angeordnet sein müßten.Pure aluminum is unsuitable as a piston material. The demands made a) sufficient strength and hardness at elevated temperatures b) if possible in the Low coefficient of thermal expansion close to gray cast iron. C) Good sliding properties and high wear resistance can only be achieved with appropriately selected IE alloys, namely preferably through eutectic and hypereutectic silicon-containing aluminum alloys, to be fulfilled. These have the advantages of comparatively low thermal expansion, high wear resistance and good strength and practically represent one Compromise from those materials that, depending on the type of stress, in the various Piston zones would have to be arranged.

Zur Beseitigung der sich aus diesem Kompromiß ergebenden unvermeidharen nachteiligen Eigenschaften im Hinblick auf die durch die Werkstoffeigenschaften wie Wärmedehnung, Festigkeit, Laufverhalten bedingte Gestaltfestigkeit der verschiedenen Kolbenzonen ist in der DT-PS B34 793 vorgeschlagen worden, daß besonderen thermischen Beanspruchungen ausgesetzte Teile, z.B. der Bodenfläche und/oder der Ringzone, durch Oxydeinschlusse enthaltendes eingegossenes oder eingepreßtes Sinteraluminiuin gebildet werden Bekannt ist auch, den Kolbenboden zur Vermeidung von Überhitzungserscheinungen mit einer angegossenen Aluminiumschicht zu überziehen. Dabei ergeben sich jedoch die Nachteile, daß die Trennzone zwischeil dem Kolbenwerkstoff und dem Aluminium nicht gleichmäßig positionert werden kann. Ferner führt der den Werkstoffen eigene unterschiedliche Ausdehnungskoeffizient zu unzulässigen Spannungen in der Verbindungszone.To eliminate the inevitable resulting from this compromise disadvantageous properties in terms of the material properties such as thermal expansion, strength, running behavior, the structural strength of the various Piston zones has been proposed in DT-PS B34 793 that special thermal Parts exposed to stress, e.g. the floor surface and / or the ring zone, through Cast or pressed-in sintered aluminum containing oxide inclusions is formed It is also known to use the piston crown to avoid overheating to be covered with a cast aluminum layer. However, this results the disadvantages that the separation zone between the piston material and the aluminum cannot be positioned evenly. Furthermore, he leads the materials own different expansion coefficients to impermissible stresses in the connection zone.

Weiterhin ist durch die DAS 1 122 325 vorgeschlagen worden bei einem Leichtmetallkolben mit einem im Kolbenboden vorgesehenen Brennraum den Mündungsrand mit einer von der Art des übrigen Kolbenwerkstoffes abweichenden und besser als dieser Werkstoff wärmeleitenden Leichtmetallbewehrung, die vorzugsweise aus Reinaluminium besteht und durch Austragsschweißung aufgebrachtist, zu versehen, um den gefürchteten Wärmerissen am Mündungsrand des Brennraums entgegen wirken Es wurde nun gefunden, daß die Gestaltfestigkeit eines Aluminium#### ###kolbens insgesamt verbessert wird> wenn die besonderen thermischen und/oder mechanischen Belastungen ausgesetzten Aluminiumkolbenteile mit einem der jeweiligen Belastung gerecht werdenden; durch Auftragsschweißung unter Bildung einer Mischzone aufgebrechten Leichtmetallwerkstoff bewehrt sind.Furthermore, it has been proposed by DAS 1 122 325 in one Light metal pistons with a combustion chamber provided in the piston crown form the muzzle edge with a type that differs from the type of the rest of the piston material and is better than This material is thermally conductive light metal reinforcement, which is preferably made of pure aluminum and is applied by discharge welding, to be provided around the dreaded Counteracting heat cracks at the mouth edge of the combustion chamber It has now been found that the structural strength of an aluminum #### ### piston is improved overall> if the aluminum piston parts exposed to particular thermal and / or mechanical loads with one that does justice to the respective burden; by build-up welding under Forming a mixing zone upright light metal material are reinforced.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Kolbenboden mit einem Leichtmetallwerkstoff hoher Temp eraturs chockb eständigkeit bewehrt, während die stark beanspruchten Teile der Kolbenbolzennaben insbesondere im Bereich der Kolbenbolzennabenscheitel mit einem Leichtmetallwerkstoff großer Elastizität und plastischer Verformbarkeit. z. B. AlSi 12 und die Kolbenringnuten insbesondere die kolbenbod ens eitige Ringnut mit einem Leichtmetallwerkstoff hoher Verschleißfestigkeit z. B. einer übereutektis chen Aluminium-Silizium-Legierung bewehrt sind.According to a further feature of the invention, the piston head is with reinforced with a light metal material of high temperature shock resistance, while the heavily stressed parts of the piston pin bosses, especially in the area of the Piston pin crown with a light metal material of great elasticity and plastic deformability. z. B. AlSi 12 and the piston ring grooves in particular Ring groove on the piston head end with a light metal material with high wear resistance z. B. a überereutektis chen aluminum-silicon alloy are reinforced.

Die durch Auftragsschweißung hergestellte Mischzone bildet einen kontinuierlichen Übergang vom Kolb enwerks toff zum aufgeschweißten Leichtmetallwerkstoff, wodurch eine gute spannungsfreie Verbindung zwischen den beiden Werkstoffen erzielt wird. Die Anzahl der erforderlichen Schweißumläufe richtet sich nach der zwischen dem Ausdehnungskoeffizienten des Kolbenwerkstoffs und dem des aufzuschweißenden Werkstoffs bestehenden Differenz, wobei pro Differenzpunkt mindestens ein vorzugsweise zwei bis drei Schweißumläufe erforderlich sind.The mixing zone created by build-up welding forms a continuous one Transition from the piston material to the welded light metal material, whereby a good tension-free connection between the two materials is achieved. The number of welding passes required depends on the between the Expansion coefficient of the piston material and that of the material to be welded on existing difference, with at least one, preferably two, per difference point until three welding cycles are required.

Bei der Bewehrung der einzelnen Kolbenteile mittels eines Leichtmetallwerkstoffs, der einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten als der Kolbenwerkstoff selbst besitzt, wird durch einen oder mehrere Schweißumläufe eine Mischung zwischen Kolben-und Auftragswerkstoff in der Weise erzielt, daß eine kontinuierliche Veränderung des Ausdehnungskoeffizienten des Kolbenwerkstoffs zu dem des aufgeschweißten Leichtmetallwerkstoffs entsteht.When reinforcing the individual piston parts using a light metal material, which has a smaller coefficient of expansion than the piston material itself, one or more welding passes creates a mixture between the piston material and the deposit material achieved in such a way that a continuous change in the expansion coefficient of the piston material to that of the welded light metal material.

Die Erfindung, die in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt ist, wird im folgenden näher erläutert: Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Verbrennungskraftmaschinenkolben 1, bestehend aus der Legierung AlSil2CuNiMg, wobei gemäß Fig. 2, die eine Teilansicht aus Fig. 1 darstellt, der Kolbenboden 2 im Bereich des Mündungsrandes 3 des Brennraumes mit einer unter Bildung einer Mischzone aufgeschweißten Reinaluminiumschicht über -zogen ist, In Fig. 3, die eine Teilansicht aus Fig. 1 wiedergibt, ist der Scheitel 5 der Bolzennabe 4 mit einem AlSi12-Werkstoff unter Bildung einer Mischzone überzogen. In Fig. 4, die eine Teilansicht aus Fig. 1 darstellt, ist die kolbenbodenseitige Ringnute 6 mit einer eine Mischzone bildenden A1Si25CuNiPI/Ig-Schicht bewehst.The invention, which is shown by way of example in the drawings, is explained in more detail below: FIG. 1 shows a longitudinal section through an internal combustion engine piston 1, consisting of the alloy AlSil2CuNiMg, wherein according to FIG. 2, which is a partial view from Fig. 1 represents the piston head 2 in the area of the mouth edge 3 of the combustion chamber with a pure aluminum layer welded on to form a mixing zone is covered, in Fig. 3, which shows a partial view of Fig. 1, is the Apex 5 of the pin hub 4 with an AlSi12 material to form a mixing zone overdrawn. In Fig. 4, which shows a partial view from Fig. 1, the piston bottom side Annular groove 6 with an A1Si25CuNiPI / Ig layer forming a mixed zone.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Spannungsrisse im Bereich des Kolbenbodens sowie im Bereich der Kolbenbolzennaben verhindert und die Verschleißfestigkeit im Ringnutenbereich wesentlich erhöht wird, so daß auf die Anordnung von Ringträgern verzichtet werden kann.The advantages achieved with the invention are in particular: that stress cracks in the area of the piston crown and in the area of the piston pin bosses prevented and the wear resistance in the ring groove area is significantly increased, so that the arrangement of ring carriers can be dispensed with.

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS

Claims

PATENT CLAIMS 1) Pistons made of an aluminum alloy for internal combustion engines, the one with a material applied by build-up welding that differs from the piston material Light metal material is reinforced, characterized in that the under formation a mixing zone to the particular thermal and / or mechanical loads exposed piston parts applied light metal reinforcement of the respective load the piston parts is adapted.

2) Piston according to claim 1, characterized in that the piston head is reinforced with a light metal material of high temperature shock resistance.

3) Piston according to one or more of claims 1 and 2, characterized characterized in that the pin bosses in particular in the region of their apex with a Light metal material of great elasticity and high deformability are reinforced.

4) Piston according to one or more of claims 1 to 3, characterized characterized in that the piston ring grooves are preferably the piston ring groove on the piston crown side with a light metal material of high wear resistance z. B. a hypereutectic Aluminum-silicon alloy are reinforced.

5) Process for producing the piston according to claims 1 to 4, characterized in that the number of required welding cycles according to the difference between the expansion coefficient of the piston material and that of the The difference between the applied material is based on at least one point of difference one preferably two to three rounds of welding are required.

L e r s e i t e