DE2550907B2 - Metallgespritzte Bodenbewehrung eines Aluminium-Tauchkolbens für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine metallgespritzte Bodenbewehrung eines Aluminium-Tauchkolbens für Verbrennungsmotoren.

Derartige Boden-Spritzschichten sind an sich bekannt, z. B. aus DD-PS 33401. Nach den dortigen Angaben sollen sie die Standzeit des Kolbens verlängern helfen und bei Kolben aus Aluminiumlegierungen insbesondere aus Reinaluminium sein. Von ihren Eigenschaften her sollen sie dabei im einzelnen dem Korrosionsangriff und der thermischen und dynamischen Belastung widerstehen und die Oberfläche des Kolbengrundwerkstoffes vor der Belastung durch ausgeprägte, aus dem Motorbrennraum kommende Wärmeschwingungen schützen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht demgegenüber darin, den Kolben mit einer Schicht zu versehen, die gegenüber dem Brennraum stärker wärmeisolierend wirkt ah die Aluminiumlegierung des Kolbengrundmaterials. Zu diesem Zweck sind in der Vergangenheit auch bereits die verschiedensten Arten Schutzschichten vorgeschlagen worden. So zeigt die DE-PS 421 004 beispielsweise eine isolierend wirkende Blechverschalung auf dem Kolbenboden, während in der FR-PS 1 327095 eine aufgespritzte Keramikschicht beschrieben ist. Mit der Keramikschicht wird dabei im Grunde das gleiche Ziel verfolgt wie nach der Erfindung. In der Praxis hat eine Keramikschicht jedoch den Nachteil, daß ihr Halt an dem Kolbengrundmaterial, das aus Aluminium bzw. einer Aluminium-Legierung besteht, schlecht ist. Dies gilt insbesondere in bezug auf die Temperatur-Wechselbeanspruchung, der die Haftung zwischen Schicht und Grundmaterial wegen der erheblich unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten meist nicht sicher standhält. Durch ihren gegenüber Aluminium wesentlich niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten platzen derartige Keramikschichten daher sehr leicht von dem Aluminium-Grundmaterial ab.

Insbesondere zur Vermeidung dieses Nachteils wird erfindungsgemäß eine im Vergleich zu den Eigenschaften des Kolbengrundmaterials isolierend wirkende Spritzschicht vorgeschlagen, die sich zusammensetzt aus:

20 bis 30 Gew.-% Al

bis zu 8 Gew.-% Si

bis zu 2 Gew.-% Mn

Rest Fe.

Als besonders zweckmäßig hat sich eine Zusammensetzung mit 5 Gew.-% Si und 0,8 Gew.-% Mn erwiesen. Bezüglich des Aluminiums haben sich Anteile im Bereich von 30 Gew.-% als ausgesprochen günstig erwiesen.

Metallspritzschichten, von denen die Ausbildung einer bestimmten als Bodenbewehrung für einen Aluminiumkolben Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, unterscheiden sich hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften grundsätzlich von entsprechenden Legierungen gleicher Materialzusammensetzung. So kann beispielsweise ein aus der DE-PS 454809 bekanntes Isolierschichtmaterial zur Auskleidung der Verbrennungskammer eines Motors, nämlich eine Eisenlegierung mit 12 bis 16 Gew.-% Aluminium schon grundsätzlich nicht mit der erfindungsgemäßen Spritzschicht verglichen werden. Wegen des unterschiedlichen Gefügeaufbaues einer Spritzschicht und einer Legierung weisen beide selbst bei gleichen Anteilen ihrer Ausgangsmaterialien beispielsweise völlig abweichende Wärmeieitfähigkeits- und Ausdehnungskoeffizienten auf. Dabei besitzt beispielsweise eine gegossene Legierung stets eine höhere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu einer entsprechend zusammengesetzten Spritzschicht. Die Ursache hierfür dürfte hauptsächlich in dem heterogenen Gefügeaufbau einer Spritzschicht liegen.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt.

Ein Kolben 1 aus der Aluminium-Legierung mit 11,5 bis 13,5% Si, 0,8 bis 1,54% Cu, 0,8 bis 1,54% Ni, 0,8 bis 1,3% Mg, < 0,7% Fe, < 0,2% Mn, < 0,2% Ti und Rest Al besitzt einen mit der erfindungsgemäßen Metallspritzschicht 2 versehenen Boden sowie Feuersteg bis hinein in die oberste Ringnut. Die Schicht wird im Lichtbogen-Verfahren aufgetragen, wobei das Ausgangsmaterial in Form zweier Drahtstränge vorliegt. Die Bestandteile Al und Si einerseits und Fe und Mn andererseits sind jeweils in einem Draht zusammengefaßt. Zur Herstellung einer Spritzschicht der Zusammensetzung 30% Al, 5% Si, 0,8% Mn und Rest F bestehen die beiden Drähte aus den beiden Legierungen mit im wesentlichen 12% Si und Rest Al einerseits sowie 1,7% Mn und Rest Fe andererseits. Die Drahtdurchmesser betragen dabei für den Al/Si-Draht 2,5 mm und für den Stahldraht 1,6 mm. Vor dem Auftragen der Spritzschicht wird das Kolbengrundmaterial aufgerauht, wozu z. B. ein Rauhgewinde aufgebracht werden kann. Hierauf kann die Spritzschicht dann grundsätzlich direkt aufgebracht werden. Teilweise erweist es sich jedoch als vorteilhaft, eine Zwischenschicht, z. B. aus Nickelaluminid, Molybdän oder einer Aluminium-Magnesium-Bronze vor dem Spritzen auf das Grundmaterial aufzubringen. Ferner wird das Grundmaterial vor dem Spritzen auf etwa 200 ⁰C erwärmt.

Die in der oben angegebenen Weise aufgebrachte Spritzschicht weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von etwa 16 · 10"⁶ (1/grd) und einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten λ von etwa 0,03 (cal/ cm.s.grd) auf. Bei einem Kolben von 90 mm Durchmesser betrug die Schichtdicke mindestens 2 mm und zwar sowohl auf dem Boden als auch auf dem Feuersteg. Die Verschleißfestigkeit der Schicht ist wesentlich besser als diejenige des Aluminium-Grundwerkstoffes. Die Druckfestigkeit σ _dB beträgt bei Raumtemperatur etwa 54 Kp/mm². Die Härte bei

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Raumtemperatur HV₁ beträgt 170 kp/mnr. Nach ei- liegt bei C = 4,7 g/cm³. Im Hinblick auf die Bearbeit-

ner Temperaturbeanspruchung bei 300⁰C und über barkeit des Bodens erweist sich die Schicht als beson-

200 Stunden weist die Schicht eine Resthärte, die wie- ders günstig, denn sie kann insbesondere mit normalen

derum bei Raumtemperatur gemessen wird, von Schneidwerkzeugen wie z. B. HSS-Drehmeißeln oder

190 kp/mm² auf. Der Wert für die Dichte der Schicht ' Hartmetallen bearbeitet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Metallgespritzte Bodenbewehrung eines Aluminium-Tauchkolbens für Verbrennungsmotoren, bestehend aus

20 bis 30 Gew.-% Al
bis zu 8 Gew.-% Si
bis zu 2 Gew.-% Mn
Rest Fe.

2. Bodenbewehrung nach Anspruch 1 mit 30 Gew.-% Aluminium.

3. Bodenbewehrung nach Anspruch 1 oder 2 mit 5 Gew.-% Si und 0,8 Gew.-% Mn.