DE2639294C2 - Gepreßter Aluminiumkolben für Verbrennungsmotoren mit Einlagen aus einem anderen Werkstoff - Google Patents

Gepreßter Aluminiumkolben für Verbrennungsmotoren mit Einlagen aus einem anderen Werkstoff

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Description

(a) Werte für den mittleren Porendurchmesser zwischen 3 und 200 um,
(b) von der Oberfläche ausgehende Schicht ineinanderübergehender offener Poren (poröse Schicht) in einer Tiefe von mindestens dem 20fachen des mittleren Porendurchmessers,
(c) vollständige Füllung der porösen Schicht mit in flüssigem Zustand über die gesamte Tiefe der Schicht eingepreßtem Aluminium.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der porösen Schicht mindestens das 80fache oder besser noch das 10Ofache des Porendurchmessers beträgt.
3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für den mittleren Porendurchmesser zwischen 3 und 100 μΐη liegen.
4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlagen über ihren gesamten Bereich porös ausgebildet sind.
5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlagen mit den porösen Bereichen aus Sinter- oder Schaumwerkstoff sind.
Die Erfindung betrifft einen gepreßten Aluminiumkolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Einlagen sind z. B. im Ringbereich der Kolben als sogenannte Ringträger, ferner im Muldenrandbereich oder in den Bolzenaugen zur Beherrschung der dort jeweils vorhandenen thermischen und/oder mechanischen Beanspruchungen vorgesehen. Teilweise sind auch der gesamte Boden des Kolbens und/oder der Feuersteg — ggf. zusammen mit dem gesamten Ringstegbereich — aus einem gegenüber dem übrigen Aluminium-Kolbenmaterial höher belastbaren Material ausgebildet.
Problematisch ist in vielen Fällen die Verbindung dieser Einlageteile mit dem übrigen Kolbenmaterial. Sie kann ausschließlich mechanisch durch alle möglichen Arten von Hinterschnitten und Verklammerungen erfolgen (z. B. DE-PS 12 24 104, AT-PS 2 7 072, DE-PS 65 934, DE-PS 10 38 833, DE-AS 24 60 883) oder auch durch intermetallische Bindung (z.B. DE-PS 8 60 303, DE-PS 9 01 104).
Bei den Einlagen nach DE-PS 12 24 104 sind die Hinterschnitte allein an der Oberfläche vorhanden. Eine mechanische Bindung zwischen Einlage und umgebendem Material ist daher nur in dem zerklüfteten Oberflächenbereich der Einlage möglich.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine bessere tiefer in die Einlagen hineinreichende Verankerung der Einlagen in dem umgebenden
Material zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ausbildung und Einbringung der Einlagen nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.
Weitere Verbesserungen können noch durch die Ausführungen nach den Unteransprüchen erzielt werden.
Sind die Einlagen über ihr gesamtes Volumen porös, so werden am besten alle Poren mit dem aus Aluminium
ίο oder einer Aluminium-Legierung bestehenden Kolbenmaterial ausgefüllt Diese Ausführungsform erweist sich immer dann als besonders günstig, wenn die Bereiche des Kolbens, in denen die Einlagen vorgesehen sind, physikalische Eigenschaften aufweisen sollen, die sich nur durch eine Kombination der Eigenschaften mindestens zweier verschiedener Materialien erreichen lassen. Dies ist z. B. der Fall bei Ringnuten von hochbelasteten Kolben. Denn dort besteht das Problem eines erhöhten Verschleißes der Nutenflanken durch den Kolbenring.
Durch die fein ineinander verteilten verschiedenen Werkstoffe erreicht man, daß das poröse verschleißfestere Material ein tragendes Gerippe bildet, durch das der Verschleiß reduziert werden kana Die Verankerung mit der AIuminium-Kolbenlegierung wird durch die mit Al-Legierung gefüllten Poren gewährleistet
Ein anderes Beispiel ist die Bewehrung des Muldenrandes. Bei hochbelasteten Kolben mit Verbrennungsmulden besteht die Gefahr der Rißbildung am
jo Muldenrand durch thermische Wechselbeanspruchung.
Dort bringt ein über seinen gesamten Bereich poröses Einlageteil den Vorteil, daß z. B. durch Einlagerung von Werkstoffen mit hohen Wärmeleitfähigkeiten die Temperaturspitzen am Muldenrand abgebaut werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit durch eine geeignete Auswahl des porösen Werkstoffes, hauptsächlich hinsichtlich des Wärmeausdehnungsverhaltens, einen Verbundspannungszustand im Betrieb zu erzeugen, der den normalen und zu den Temperaturwechselrissen führenden Thermospannungen im Aluminium entgegenwirkt
Die porösen Bereiche der Einlageteile also ggf. auch das gesamte Einlageteil, können aus dem entsprechenden Grundwerkstoff des Einlagettils gesintert oder aufgeschäumt sein. Durch Sintern und Schäumen können bevorzugt Teile beliebiger Form und hoher Festigkeit erzeugt werden. Erfindungsgemäß ist dies für das Einbringen der Einlageteile in das Kolbengrundmaterial von großer Bedeutung.
>o Nur beispielsweise werden hier einige Werkstoffe mit ihren Anwendungen als Einlagen an bestimmten Kolbenstellen angegeben.
a) Zwei unterschiedliche hochporöse Sinterwerkstoffe auf Cr-Ni-Stahl-Basis mit folgenden phys. Eigenschaften:
al) a2)
Porengröße (bestimmt 3 80
nach dem Glasperlen-
lest, nominal), am
Porosität (offen), % 26-30 32-38
Dichte, g/cm3 5,2-5,6 4.3-4,7
Zugfestigkeit, N/mm2 100-120 35-50
Verwendungsmöglichkeiten als Einlageteile beim Aluminium-Kolben:
Boden
Feuersteg
Rippen
Bolzenauge
Ringträger
Hochporöser Sinterwerkstoff auf Ni-Cu-Basis (ca. 70% Ni, 30% Cu) mit folgenden physikalischen Eigenschaften:
Porengröße (bestimmt 100 nach dem Glasperlentest, nominal), μνα
Porosität (offen), %
Dichte, g/cm3
Hochporöser Sinterwerkstoff auf Bronze Basis (CuSn 10) mit folgenden physikalischen Eigenschaften;
el) e2)
Porengröße (bestimmt 5 200
nach dem Glasperlen
test, nominal), μΐη
Porosität (offen), % 25-28 32-38
Dichte, g/cm2 5,8-6,2 4,9-5,3
Zugfestigkeit, N/mm1 75-90 20-30
Zugfestigkeit, N/mm2
32-35
4,5-4,9
45-65
15
Verwendungsmöglichkeiten als Einlageteile beim Aluminium-Xolben:
Boden
Muldenrand
Bolzenauge
Nickel-Sinterwerkstoffe
physikalische Eigenschaften:
Porengröße, μπι 7
Dichte, g/cm3 5,3
Porosität, % 41
Zugfestigkeit. Kp/mm2 1,5
Verwendungsmöglichkeiten:
BoLenauge
Muldenrand
Ringträger
Ni, Fe, Ni-Fe-Schaumstoffe Verwendungsmöglichkeiten:
Bolzenauge
Muldenrand
Ringträger Verwendungsmöglichkeiten bei Kolben:
Bolzenauge
Schaumstoffe aus Cu
Verwendungsmöglichkeiten bei Kolben:
Muldenrand
Die Herstellung von Kolben mit den erfindungsgemäßen Einlageteilen erfoigt durch Umgießen der Einlageteib in einer Gießform unter Druck (Flüssigpressen).
Bei Verwendung einer Aluminium-Kolbenlegierung der Zusammensetzung
Si 11 -13%
Cu 0,8-1^%
Mg 0,8-13%
Ni <u%
Fe <0,7%
Ti <0,2%
Mn <03%
Zn <03
Al Rest
wurden bei Gießtemperaturen zwischen 700-800" C und Erstarrungsdrücken zwischen 2500—5000 bar die Poren der unter a2, b, c, ej genannten Sinterwerkstoffe auf einer Tiefe von 30 mm voll mit dem Material der Kolbenlegierung ausgefüllt

Claims (1)

Patentansprüche;
1. Gepreßter Kolben aus Aluminium für Verbrennungsmotoren mit Einlagen aus einem anderen Material an thermisch und/oder mechanisch hoch belasteten Stellen, wobei die Oberfläche dieser Einlagen hinterschnittene offene Poren (Höhlungen) aufweist, die vollständig mit Aluminium des Kolbens ausgefüllt sind, gekennzeichnetdurch
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