DE2919897A1 - FORGED LIGHT ALLOY PISTON AND METHOD OF ITS MANUFACTURING - Google Patents

FORGED LIGHT ALLOY PISTON AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

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Description

Anmelder: Wellworthy Limited, of Lymington Hampshire, SO4 9YE, EnglandApplicant: Wellworthy Limited, of Lymington Hampshire, SO4 9YE, England

Geschmiedeter Kolben aus Leichtmetall und Verfahren zu seiner HerstellungForged light alloy piston and process for its manufacture

Die Erfindung betrifft Kolben für Brennkraftmaschinen und insbesondere Kolben, die aus einer Leichtmetallegierung, z.B. aus einer Aluminiumlegierung, geschmiedet sind.The invention relates to pistons for internal combustion engines and, more particularly, to pistons made from a light metal alloy such as a Aluminum alloy, are forged.

Kolben aus einer Leichtmetallegierung leiden an außergewöhnlichem Ringnutenverschleiß, und es ist demgemäß bekannt, Eiseneinsätze vorzusehen, die die Ringnuten verstärken.: Dies hat besondere Probleme bei geschmiedeten Kolben aus Aluminiumlegierungen zur Folge, da es nicht einfach ist, den Kolben um einen Eiseneinsatz herum in eine Position zu schmieden, in welcher gewöhnlich die oberste Ringnut maschinell eingearbeitet wird, und zwar gemäß der beträchtlichen radialen Tiefe, die für den Einsatz benötigt wird.Pistons made of a light metal alloy suffer from extraordinary things Ring groove wear, and accordingly it is known to provide iron inserts to reinforce the ring grooves .: This has particular Problems with forged pistons made from aluminum alloys Follow, as it is not easy, the plunger around an iron insert to forge around in a position in which the uppermost annular groove is usually machined, according to the considerable radial depth required for use.

Im einzelnen besteht nun das Erfordernis, einen geschmiedeten Kolben aus einer Leichtmetallegierung mit verstärkten Ringnuten für spezielle "Feuerringe" vorzusehen, welch letztere sehr nahe am Oberende eines Kolbens arbeiten bzw. vorgesehen sind.In detail, there is now the requirement to have a forged piston made of a light metal alloy with reinforced ring grooves to be provided for special "rings of fire", the latter working or being provided very close to the upper end of a piston.

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Demgemäß besteht die Erfindung nach einem Aspekt in der Schaffung eines geschmiedeten Kolbens aus einer Leichtmetallegierung mit einem Nutverstärkungseinsatz, der sich um die obere Fläche des Kolbens herum erstreckt, wobei der Einsatz mit dem Kolben sowohl mechanisch verkeilt als auch metallurgisch verbunden ist. Die mechanische Verkeilung kann durch einen oder mehrere Vorsprünge vorgesehen sein, die sich radial einwärts in den Kolben erstrecken. Vorteilhaft ist die metallurgische Verbindung durch ein Material oder einen Bestandteil eines Materials gebildet, welches bzw. welcher vor dem Schmiedevorgang auf der oder den Flächen des Verstärkungseinsatzes niedergeschlagen ist, welche Flächen mit der geschmiedeten Legierung des Kolbens in Kontakt stehen.Accordingly, in one aspect, the invention is to provide a forged piston made from a light metal alloy a groove reinforcing insert extending around the top surface of the piston, the insert being connected to the piston both mechanically wedged as well as metallurgically connected. The mechanical wedging can be achieved by one or more projections be provided extending radially inwardly into the piston. The metallurgical connection by means of a material is advantageous or a component of a material formed which or which before the forging process on the surface or surfaces of the Reinforcing insert is deposited, which surfaces are in contact with the forged alloy of the piston.

Nach einem zweiten Aspekt besteht die Erfindung in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines geschmiedeten Kolbens aus einer Leichtmetallegierung, wobei ein Nutverstärkungseinsatz mit einem oder mehreren Bereichen, die als eine mechanische Verkeilung wirken, vorgesehen werden, wobei eine Schicht einer Legierungsverbindung auf einer oder mehreren Flächen des Verstärkungseinsatzes ausgebildet werden, welche Flächen beim Schmieden mit dem übrigen Kolbenkörper in Kontakt gelangen, und wobei der Kolben um den Einsatz herum geschmiedet wird bei einer Temperatur, die ausreicht, um eine Diffusion von wenigstens einem Bestandteil der Verbindungsschicht in das Kolbenmetall zuIn a second aspect, the invention is to provide of a method for producing a forged piston from a light metal alloy, wherein a groove reinforcement insert with one or more areas acting as mechanical wedging, with one layer being a Alloy compound are formed on one or more surfaces of the reinforcement insert, which surfaces when Forging come into contact with the rest of the piston body, and the piston is forged around the insert at a temperature sufficient to cause diffusion of at least one constituent of the connecting layer into the piston metal

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veranlassen, wodurch eine metallurgische-Verbindung zwischem dem Einsatz und dem Kolbenkörper ausgebildet wird.cause a metallurgical connection between the Insert and the piston body is formed.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der anliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen: 'The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment shown in the accompanying drawing. Show it: '

Figur 1 einen Axialschnitt durch einen vorgeformten RohlingFigure 1 shows an axial section through a preformed blank

und durch einen Einsatz,
Figur 2 einen Axialschnitt durch einen Teil des Kolbens, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.and through an effort
FIG. 2 shows an axial section through part of the piston which is produced according to the method according to the invention.

In Figur 1 ist ein Rohling 1 aus einer Aluminiumlegierung gezeigt, der vorgeformt ist, um eine Schulter 2 vorzusehen, auf der ein fester Eisenringeinsatz 3 in Stellung gebracht ist. Der Einsatz 3 ist so geformt, daß er sich bis zur oberen Fläche des zusammengesetzten Kolbens erstreckt, der aus dem Rohling 1 geschmiedet wird. Da sich der Einsatz 3 bis zur oberen Fläche des Kolbens erstrecken wird, kann der Einsatz nur mechanisch mit dem Kolben verkeilt werden, und zwar an einer Stelle, die sich unterhalb des Oberendes der Kolbenkrone bzw. des Kolbenbodens befindet, und für diesen Bereich ist der Einsatz mit einem radial einwärts vorspringenden Rand 4 versehen. Da der radiale Vorsprung diesesIn Figure 1, a blank 1 made of an aluminum alloy is shown, which is preformed to provide a shoulder 2 on which a solid iron ring insert 3 is positioned. The use 3 is shaped to extend to the top surface of the composite piston forged from blank 1 will. Since the insert 3 extends up to the upper surface of the piston the insert can only be mechanically wedged to the piston at a point below it the top of the piston crown or the piston crown is located, and for this area the insert is provided with a radially inwardly projecting edge 4. As the radial projection this

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Randes 4 relativ klein ist, entstehen keine Schwierigkeiten beim Schmieden der Aluminiumlegierung um diese Gestaltung des Einsatzes. Vereinfacht gesagt, kann es jedoch vorkommen, daß die so hergestellte Verkeilung sich als nicht ausreichend stark genug herausstellen könnte, um den Einsatz 3 gegen die beträchtlichen thermischen und mechanischen Belastungen sicher zu halten, die im Betrieb des Kolbens entstehen.Edge 4 is relatively small, there are no difficulties in forging the aluminum alloy around this design of the insert. In simple terms, however, it can happen that the wedging produced in this way turns out to be insufficiently strong enough could to keep the insert 3 safe against the considerable thermal and mechanical loads that occur during operation of the piston arise.

Demgemäß wird der Einsatz 3 vor dem Schmieden des Kolbens zunächst in einem Spritz- bzw. Aufspritzarbeitsgang mit einer Schicht aus einem Material bekannter Art versehen, um eine hochfeste (metallurgische) Verbindung durch den Spritzvorgang zu erzielen, wobei das Material gute atomare Diffusionseigenschaften für Aluminiumlegierungen im Temperaturbereich von 300 bis 500° C besitzt. Ein solches Material ist Aluminiumbronze. Es ist dann gesichert, daß die Temperatur, bei der der Schmiedevorgang ausgeführt wird, ausreichend hoch ist (400° C bis 500° C), um den Diffusionsvorgang der Kupferatome vom aufgespritzten Überzug in die Aluminiumlegierung des Kolbens in Gang zu setzen. Das Ergebnis ist, daß eine metallurgische Verbindung zwischen dem gespritzten Einsatz 3 und dem Kolben ausgebildet ist, die eine beträchtliche zusätzliche Sicherheit für die Befestigungsstelle des Einsatzes im Kolben gibt. Um den Diffusionsgrad auszuweiten und gleichzeitig die Eigenschaften des Kolbenmaterials zu verbessern, kann derAccordingly, the insert 3 is initially forged before the piston in one spraying or spray-on operation with one layer a material of known type provided in order to achieve a high-strength (metallurgical) connection by the injection molding process, wherein the material has good atomic diffusion properties for aluminum alloys in the temperature range from 300 to 500 ° C. A such material is aluminum bronze. It is then ensured that the temperature at which the forging process is carried out is sufficiently high (400 ° C to 500 ° C) to allow the diffusion process of the copper atoms from the sprayed-on coating in the aluminum alloy of the piston. The result is that a metallurgical connection is formed between the injected insert 3 and the piston, which is a considerable additional There is security for the attachment point of the insert in the piston. To expand the degree of diffusion and at the same time to improve the properties of the piston material, the

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zusammengesetzte Kolben auf 450° C bis 520° C wiedererwärmt werden (wobei die obere Temperatur durch den verwendeten Legierungstyp bestimmt ist), und zwar für eine Zeitdauer von bis zu einer Stunde und nachfolgendes Abkühlen bei einer Rate, um einen angemessenen Grad der Abschreckungsbehandlung zu erzielen. Das Abkühlen kann durch Spritzabkühlen bzw. Spritzabschrecken durchgeführt werden.composite flasks can be reheated to 450 ° C to 520 ° C (the upper temperature being determined by the type of alloy used is determined) for a period of up to an hour and then cooling at a rate of one to achieve an appropriate level of deterrent treatment. That Cooling can be carried out by spray cooling or spray quenching.

Figur 2 zeigt einen zusammengesetzten Kolben nach dem Schmiedevorgang, wobei die metallurgische Verbindung zwischen dem Einsatz 3 und der Kolbenlegierung schematisch bei 5 angedeutet ist. Es ist weiter ersichtlich, daß der Kolben ein Nutenpaar 6 für die Feuerringe aufweist, wobei die Nuten nahe zur oberen Fläche der Kolbenkrone 9 bzw. des Kolbenbodens des Kolbens angeordnet sind. In diesen Nuten 6 befinden sich später die erwähnten Feuerringe.Figure 2 shows an assembled piston after the forging process, the metallurgical connection between the insert 3 and the piston alloy being indicated schematically at 5. It can also be seen that the piston has a pair of grooves 6 for the fire rings, the grooves close to the upper surface the piston crown 9 or the piston head of the piston are arranged. In these grooves 6 are the ones mentioned later Rings of fire.

Es ist verständlich, daß der Eisenmetalleinsatz 3 in der in Figur 2 gezeigten Stellung, d.h. die Kolbenkrone umgebend, im Betrieb des Kolbens sowohl beträchtlichen Wärmebeanspruchungen als auch hohen Trägheitskräften unterworfen ist, ■' so daß die metallurgische Verbindung beträchtlichen Belastungen ausgesetzt sein wird. Es ist daher immer erforderlich, den Einsatz so zu formen, um eine sehr gute mechanische Verkeilung zu erhalten.It will be understood that the ferrous metal insert 3 in the in Figure 2, i.e. surrounding the piston crown, both considerable thermal stresses during operation of the piston and is subject to high inertia, so that the metallurgical connection will be exposed to considerable stresses. It is therefore always necessary to use it like this shape to get very good mechanical wedging.

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Darüber hinaus können die Kräfte, die auf die metallurgische Verbindung einwirken/ durch Vorsehen einer zusätzlichen Verankerung des Einsatzes am Kolbenkörper vermindert werden. Demzufolge ist der Einsatz 3 mit einer Anzahl axialer beinartiger Vorsprünge 7 mit Hinterschneidungen 7a versehen oder weist alternativ eine unregelmäßige Form auf. Die Beine 7 sind je mittels einer Gewindeverbindung in eine Gewindebohrung an der Unterseite des Einsatzes 3 eingeschraubt, wie es bei 8 gezeigt ist. Diese Beine erstrecken sich in Bohrungen 10, die in dem Rohling 1 (Figur 1) gebohrt sind, wobei die Beine während des SchmiedeVorganges vom Kolbenmaterial sicher umgriffen und eingefaßt werden. Eine derartige mechanische Verbindungseinrichtung macht die Wichtigkeit .der metallurgischen Verbindung zwischen dem Einsatz 3 und dem Kolben 1 nicht überflüssig bzw. vermindert deren Wichtigkeiten nicht, da dies einen wirksamen Wärmeübergang vom Eisenmetalleinsatz auf den Aluminiumkolben sichert und ebenfalls die Reibungsabnutzung an den Verbindungsflächen von Einsatz und Kolbenkörper vermindert, was vorkommen kann, wenn nur eine mechanische Befestigung des Einsatzes vorgesehen wird. Es ist klar, daß der Kolben auch aus alternativen Leichtmetallegierungen, wie z.B. Magnesium, hergestellt werden kann, und daß Bronze nicht das einzige Material ist, mit welchem der Einsatz 3 überzogen sein kann, um die erforderliche metallurgische Verbindung beim Schmieden vorzusehen. Obwohl in der Zeichnung ein kontinuierlicher,In addition, the forces acting on the metallurgical connection / by providing an additional anchorage of the insert on the piston body can be reduced. Accordingly, the insert 3 is provided with a number of axial leg-like projections 7 provided with undercuts 7a or alternatively has one irregular shape. The legs 7 are each by means of a threaded connection in a threaded hole on the underside of the insert 3 screwed in, as shown at 8. These legs extend in bores 10, which are drilled in the blank 1 (Figure 1), the legs during the forging process from Piston material are securely gripped and framed. Such a mechanical connector makes the importance .the metallurgical connection between the insert 3 and the piston 1 is not superfluous or reduces its importance not, as this ensures an effective heat transfer from the ferrous metal insert to the aluminum piston and likewise the frictional wear on the joining surfaces of the insert and Piston body reduced, which can happen if only a mechanical attachment of the insert is provided. It is It is clear that the piston can also be made of alternative light metal alloys, such as magnesium, and that bronze cannot is the only material with which the insert 3 can be coated in order to achieve the required metallurgical bond Provide forging. Although in the drawing a continuous,

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radial einwärts vorspringender Rand 4 gezeigt ist, ist es weiterhin leicht einzusehen, daß dieser Rand auch durch eine Vielzahl von radial einwärts vorstehenden Vorsprüngen ersetzt werden kann.radially inwardly projecting edge 4 is shown, it is still It is easy to see that this edge can also be replaced by a plurality of radially inwardly projecting projections can.

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Claims (1)

PatentansprücheClaims 1.^Geschmiedeter Kolben aus einer Leichtmetallegierung, der einen Kolbenkörper mit einer Kolbenkrone und einen Nutverstärkungseinsatz umfaßt, welch letzterer sich um den Umfang des Kolbenkörpers erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutverstärkungseinsatz (3) sich bis zur oberen Fläche (9) des Kolbenkörpers erstreckt und daß der Einsatz mit dem Kolbenkörper sowohl mechanisch verkeilt als auch mit ihm metallurgisch verbunden ist.1. ^ Forged piston made of a light metal alloy, the one Piston body with a piston crown and a groove reinforcement insert the latter extending around the circumference of the piston body, characterized in that the groove reinforcing insert (3) extends to the upper surface (9) of the piston body and that the insert with the piston body is both mechanically keyed and metallurgically bonded to it. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verkeilung aus einem oder mehreren VorSprüngen (4) besteht, die sich im wesentlichen radial einwärts in die Kolbenkrone bzw. den Kolbenboden erstrecken.2. Piston according to claim 1, characterized in that the mechanical Wedging consists of one or more projections (4) extending essentially radially inward into the Extend the piston crown or the piston crown. 3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verkeilung durch einen fortlaufenden vorspringenden Rand (4) besteht, der sich im wesentlichen radial in die Kolbenkrone bzw. den Kolbenboden erstreckt.3. Piston according to claim 1, characterized in that the mechanical Wedging consists of a continuous projecting edge (4) which extends essentially radially into the Extends the piston crown or the piston crown. 909847/0892909847/0892 5. Kolben nach wenigstens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallurgische Verbindung (5) wenigstens aus einem Bestandteil eines Materials gebildet ist, das vor dem Schmiedevorgang auf eine oder mehrere Flächen des Nutverstärkungseinsatzes (3) aufgebracht ist, welche Flächen mit der geschmiedeten Legierung des Kolbenkörpers in Kontakt stehen.5. Piston according to at least one of claims 1-4, characterized in that that the metallurgical compound (5) is formed at least from a component of a material that is before the forging process is applied to one or more surfaces of the groove reinforcement insert (3), which surfaces with are in contact with the forged alloy of the piston body. 6. Kolben nach wenigstens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutverstärkungseinsatz (3) aus einem Eisenmetall besteht und daß der Kolbenkörper aus einer Aluminiumlegierung besteht.6. Piston according to at least one of claims 1-4, characterized in that that the groove reinforcement insert (3) consists of a ferrous metal and that the piston body is made of an aluminum alloy consists. 7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallurgische Verbindung (5) durch ein Material gebildet ist, das wenigstens einen Bestandteil aufweist, der gute atomare Diffusionseigenschaften für Aluminiumlegierungen im Temperaturbereich von 300 bis 500° C besitzt und welcher als hochfeste Spritzbindung vor dem Schmiedevorgang auf der Fläche oder auf den Flächen des Einsatzes (3) niedergeschlagen ist, welche Flächen mit der geschmiedeten Aluminiumlegierung des Kolbenkörpers in Kontakt stehen.7. Piston according to claim 6, characterized in that the metallurgical Compound (5) is formed by a material which has at least one component that has good atomic diffusion properties for aluminum alloys in the temperature range from 300 to 500 ° C and which as high-strength Spray bond is deposited before the forging process on the surface or on the surfaces of the insert (3) which Surfaces are in contact with the forged aluminum alloy of the piston body. 909847/0892909847/0892 8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus Aluminiumbronze besteht.8. Piston according to claim 7, characterized in that the material consists of aluminum bronze. 9. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens aus einer Leichtmetallegierung, der einen Kolbenkörper mit einer Kolbenkrone (Kolbenboden) und einen Nutverstärkungseinsatz umfaßt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:9. Process for the production of a piston from a light metal alloy, which comprises a piston body with a piston crown (piston crown) and a groove reinforcing insert, characterized through the following features: - Vorsehen eines Nutverstärkungseinsatzes mit einem oder mehreren Bereichen, die als eine mechanische Verkeilung dienen,- Providing a groove reinforcement insert with one or more areas that serve as mechanical wedging, - Ausbilden einer Schicht aus einer Legierungsverbindung auf einer oder mehreren Flächen des Einsatzes,- Forming a layer of an alloy compound on one or more surfaces of the insert, - Schmieden des Kolbenkörpers um den Einsatz herum, so daß der bzw. die genannten Bereiche den Einsatz mit dem Kolbenkörper verkeilen,- Forging the piston body around the insert so that the area or areas mentioned wedge the insert with the piston body, - wobei der Schmiedevorgang bei einer Temperatur ausgeführt wird, die ausreicht, um eine Diffusion wenigstens eines Bestandteiles der Legierungsschicht in die Metallegierung des Kolbenkörpers zu veranlassen, um eine metallurgische Verbindung zwischen dem Nütverstarkungsexnsatz und dem Kolbenkörper auszubilden.- The forging process being carried out at one temperature which is sufficient to diffuse at least one component of the alloy layer into the metal alloy of the piston body to cause a metallurgical connection between the Nütverstarkungsexnsatz and the piston body to train. TO. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungslegierung eine Aluminiumbronze ist.TO. Method according to Claim 9, characterized in that the connecting alloy is an aluminum bronze. 909847/08 92909847/08 92 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtmetallegierung des Kolbens eine Aluminiumlegierung ist.11. The method according to claim 10, characterized in that the Light alloy of the piston is an aluminum alloy. 12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungseinsatz aus Eisenmetall hergestellt ist.12. The method according to at least one of claims 9-11, characterized characterized in that the reinforcing insert is made of ferrous metal. 13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Bereiche (4)/die als ein mechanischer Keil dienen, durch einen oder mehrere Vorsprünge ausgebildet sind, die sich radial einwärts in die Kolbenkrone erstrecken.13. The method according to at least one of claims 9-12, characterized in that one or more regions (4) / which serve as a mechanical wedge are formed by one or more projections which extend radially inward into the piston crown. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verkeilung durch einen fortlaufenden bzw. ununterbrochenen vorspringenden Rand (4) gebildet wird, der sich im wesentlichen radial in die Kolbenkrone erstreckt.14. The method according to claim 13, characterized in that the mechanical wedging by a continuous or uninterrupted projecting edge (4) is formed which extends substantially radially into the piston crown. 15. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9-14, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutverstärkungseinsatz mit einem oder mehreren, sich axial erstreckenden VorSprüngen (7) versehen wird, die eine zusätzliche mechanische Verbindung zwischen dem Nutverstärkungseinsatz und dem Kolbenkörper vorsehen.15. The method according to at least one of claims 9-14, characterized in that the groove reinforcement insert with one or a plurality of axially extending projections (7) which provide an additional mechanical connection between the groove reinforcement insert and the piston body. 909847/0892909847/0892
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