DE2926699C2

DE2926699C2 - Verfahren zur Verfestigung einer Ringnut in einem Kolben aus Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE2926699C2
Application number: DE19792926699
Authority: DE
Inventors: Aleksandr Nikolaevi&ccaron; &Scaron;alai; Anatolij Petrovi&ccaron; Michurinsk Tambovskaja oblast' Bra&ccaron;enko; Michail Dmitrievi&Ccaron; Nikitin; Nikolai Ivanovi&ccaron; Leningrad Zacharov
Original assignee: CENTRAL'NYJ NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ DIZEL'NYJ INSTITUT CNIDI LENINGRAD SU
Current assignee: CENTRAL'NYJ NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ DIZEL'NYJ INSTITUT CNIDI LENINGRAD SU
Priority date: 1979-07-02
Filing date: 1979-07-02
Publication date: 1983-01-05
Also published as: DE2926699A1

Description

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Die Erfindung betrifft ei λ Verf* „ren zur Verfestigung einer Ringnut in einem Kolben aus einer Aluminiumlegierung, bei dem im Kolbenkörp· eine ringförmige verschleißfeste Schweißnaht gelegt wird, welche die Aluminiumlegierung mit den Legierungszusätzen Nikkei oder Nickel-Chrom enthält, worauf in der Schweißnaht eine Kolbenringnut ausgedreht wird.

Es sind Verfahren zur Verfestigung von Kolbennuten *o bekannt, bei denen die Nut durch Flammspritzen mit einem verschleißfesten Werkstoff verfestigt ist (DE-AS 20 13 355 und DE-OS 21 08 170). Gemäß diese» Verfahren wird am Kolben zunächst eine Nut oder Rille ausgeführt Der Kolben wird auf eine Temperatur von -»5 149 bis 216° C erwärmt worauf unter dieser Temperatur das Flammspritzen mit dem verschleißfesten Werkstoff erfolgt.

Der Flammüberzug aus verschleißfestem Werkstoff am Aluminiumkolben weist nur eine geringe Haftfähigkeit auf.

Ein weiteres Verfahren zur Verfestigung der Kolbenringnut eines Aluminiumkolbens ist in der FR-PS 2 12 224 beschrieben. Die dem stärksten Verschleiß ausgesetzte Ringnut für den oberen Kolbenring wird im Kolbenkörper im voraus in Form einer Ringausdrehung ausgeführt. Die Abmessungen dieser Ringausdrehung sind größer als die Abmessungen der fertigen Kolbenringnut. Der Kolbenkörper wird auf eine Temperatur von 165 bis 200⁰C erwärmt und bei dieser Temperatur des Kolbenkörpers wird eine Bindemittelschicht aus Nickclaluminat auf die Oberfläche der Ringausdrehung und anschließend eine Schicht des verschleißfesten Werkstoffs aus nicht rostendem Stahl aufgestäubt, bis dieser Werkstoff die Ringnut vollsten- ^ dig ausfüllt. Hierbei wird die Temperatur des Kolbenkörpers im angeführten Temperaturbereich aufrechterhalten. Somit ist die Schicht des verschleißfesten Werkstoffes über die Bindemittelschicht mit der Aluminiumlegierung des Kolbenkörpers verbunden. Nach dem Abkühlen des Kolbenkörpers wird in der verschleißfesten Stahlschicht die Ringnut für den oberen Kompressionsring mit Sollmaßen ausgeführt

Dieses Verfahren führt zu einer erheblichen Verfestigung der Nutwände für den oberen Kolbenring. Es verfangt jedoch einen großen Arbeitsaufwand, der auf das Herstellen der Ringausdrehung und auf das mit hoher Sorgfalt durchzuführende Aufstäuben der Bindemittelschicht zurückzuführen ist

Außerdem gewährleistet die Bindemittelschicht keine ausreichende Festigkeit der Verbindung zwischen dem verschleißfesten Werkstoff und der Aluminiumlegierung des Kolbens, da Rißbildungen an der Bindemittelschicht unter Einwirkung der mechanischen und thermischen Belastungen beim Betrieb des Kolbens auftreten, welche zum Ausbröckeln und Abschichten des aufgestäubten verschleißfesten Metalls führen können.

Zur Zeit wird ebenfalls große Aufmerksamkeit der Verfestigung der Kolbenringnuten bei Kolben aus Aluminiumlegierung durch Ringträger geschenkt die in Form von ringförmigen verschleißfesten Schweißnähten ausgeführt werden, die man im Kolbenkörper aufschmilzt Ein derartiges Verfahren zur Verfestigung der Kolbenringnut bei Kolben aus Aluminiumlegierung durch Aufschweißen ist z.B. in der US-PS 30 14 771 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird im Kolben aus einer Aluminiumlegierung an der Stelle des oberen Kolbenrings im voraus eine Ringausdrehung ausgeführt deren Abmessungen größer als diejenigen der Kolbenringnut für den oberen Kolbenring sind Im Inneren der Ringausdrehung wird eine ringförmige verschleißfeste Schweißnaht aufgeschmolzen, die den Ringträger ergibt der Teilchen des verschleißfesten Werkstoffs enthält.

Diese Schweißnaht kann in der Ringausdrehung durch Gasschweißen bzw. durch. Lichtbogenschweißen mit Zusatzdraht aufgeschmolzen werben. Die Grundlage des Materials des Zusatzdrahtes bildet eine Metallegierung, die sich zuverlässig mit dem Kolbenwerkstoff verbindet Da der Kolben aus einer Aluminiumlegierung besteht ist die Grundlage des Drahtmaterials eine der Kolbenlegierung verwandte Aluminiumlegierung, in der außerdem Teilchen eines schweren festen Werkstoffs, beispielsweise einer Eisenlegierung, gleichmäßig verteilt sind. Somit verbindet sich das Material d?r Schweißnaht in der Ringausdrehung zuverlässig mit der Aluminiumlegierung des Kolbens, wobei die schweren festen Werkstoff'eilchen der Naht die gewünschte Verschleißfestigkeit verleihen, lii der Schweißnaht wird anschließend mit konventionellen Mitteln die Kolbenringnut für den oberen Kolbenring ausgeführt.

Im Vergleich mit den eingangs beschriebenen Verfahren gewährleistet dieses Verfahren eine höhere Festigkeit der Verbindung des Schweißnahtwerkstoffs mit der Aluminiumlegierung de.» Kolbens, was auf die Verwandschaft des Kolbenwerkstoffs mit dem Material der Schweißnaht zurückzuführen ist. Auch dieses Verfahren ist jedoch technisch außerordentlich aufwendig, weil insbesondere im Kolbenkörper im voraus eine Ringausdrehung auszuführen ist.

Außerdem treten beim Aufschmelzen der Schweißnaht in der Zone, in welcher der Schweißnahtwerkstoff mit der Kolbenlegierung zusammenschmilzt, Schweißfehler auf, die beim Schweißen von Aluminiumlegierun-

gen unvermeidlich sind. Das sind Poren, mangelhaftes Durehschweißen, Oxyoej.üichlOsse, die als Spannungskonzentratoren wirken und die Risse im Verbindungsbereich unter Einwirkung der mechanischen und thermischen Spannungen bedingen. Hierdurch wird die Festigkeit der Verbindung des Schweißnahtwerkstoffs mit der Aluminiumlegierung des Kolbens stark beeinträchtigt, wodurch der Ausfall des Kolbens he-beige führt werden kann.

Der Erfindung liegt zur Vermeidung der aufgezeigten Mängel bekannter Verfahren die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfestigung der Kolbenringnut im Koiüen t_s einer Aluminiumlegierung zu schaffen, durch das bei vereinfachter Technologie die Festigkeit der Verbindung des Schweißnahtwerkstoffes mit der Kolbenlegierung erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige weitere Ausbildungen.

Es wurde festgestellt, daß dem stärksten Verschleiß derjenige Teil der Kolbenringnutflanke ausgesetzt ist, der sich über 03—03 der Tiefe der Nut erstreckt Aus diesem Grunde muß eine Mindesttiefe der Schweißnaht von mindestens 03 des Sollwerts der Kolbenringnuttiefe gewährleistet werden. Ferner ist es bei der Ausführung der Ringnut für einen vollständig in der Schweißnaht angeordneten Kolbenring zweckmäßig, die Tiefe der Schweißnaht auf das 13-fache der Solltiefe der Kolbenringnut zu begrenzen, da ein weiteres Durchschmelzen des Kolbens die Verschleißfestigkeit der Ringnut für den Kolbenring in der Schweißnaht nicht erhöhen wird.

Im folgenden wird als Beispiel ein Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnungen erläutert Es zeigen

Fig. 1 einen Teil des Kolbens mit mehreren Kolbenringnuten im Längsschnitt, wobei die oberste Kolbenringnut in einer Schweißnaht ausgeführt ist

F i g. 2 schematisch das Durchschmelzen des Kolbens an der Stelle der oberen Kolbenringnut

F i g. 3 einen ^Teil des Kolbens mit einer verschleißfesten ringförmigen Schweißnaht nach dem Durchschmelzvorgang,

F i g. 4 einen Teil des Kolbens mit der verschleißfesten Schweißnaht nach der mechanischen Bearbeitung des Kolbenmantels auf den Kolbenaußendurchmesser,

F i g. 5 einen Teil des Kolbenkörpers mit einer in die Schweißnaht eingearbeiteten Kolbenringnut

Fig. 6 einen Teil des Kolbens, bei dem die ringförmige Schweißnaht um das 13-fache tiefer als die Ringnut ist,

F i g. 7 einen Teil des Kolbens, bei dem die Tiefe der Schweißnaht nur das 03-fache der Ringnuttiefe beträgt,

Fig. 8 im Schnitt einen Teil des Kolbenkörpers mit mehreren in je einer Schweißnaht ausgeführten Kolbenringnuten.

Nach Fig. 1 weist der Kolben 1 aus einer Aluminiumlegierung für eine Brennkraftmaschine zwei einfache Ringnuten 2 und eine erfindungsgemäß verfestigte Kolbenringnut 3 für den oberen Kolbenring auf. Zur Herstellung dieser verfestigten Ringnut 3 wird der Kolben 1 im voraus bis auf eine Temperatur von 100 bis 300°C erwärmt. Gemäß F i g. 2 wird eine Ringzone im Kolben 1 im Bereich der späteren Ringnut mit Hilfe eines Wärmeerzeugers 4 aufgeschmolzen. Dabei wird der Kolben I um seine Achse in bezug auf den ortsfesten Wärmeerzeuger 4 gedieht. Die Schmelztiefe beträgt

dabei ca. 03—13 der vorgegebenen Tiefe der Nut 3.

Gleichzeitig mit dem Durchschmelzen des Kolbens 1

wird der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung 5 des Kolbens ein Legierungswerkstoff 6 zugesetzt der ein nickelhaltiger oder ein chrom-nickel-haltiger Draht sein kann.

Während des Durchschmelzens wird die Temperatur der Kalben I im angeführten Temperaturbereich von tOO bis 300⁰C durch Abkühlen mit Druckluft (in der

ι ο Figur nicht veranschaulicht) konstant gehalten.

Nach Abschluß des Durchschmelzens des Kolbens 1 ist in der Ringzone eine verschleißfeste ringförmige Schweißnaht 7 gebildet, die einen sogenannten Ringträger darstellt (Fig. 3). Den Grundstoff der Schweißnaht bildet die Aluminiumlegierung des Kolbens selbst in der gleichmäßig verteilte Nickelaluminide oder gleichmäßig verteilte Nickel- und Chromaluminide enthalten sind. Diese Schweißnaht 7 weist eine unebene Außenfläche 8 auf, die über die Mantelfläche 9 des Kolbens 1 gemeinsam mit der Außenfläche 8 der Schweißnaht 7 abgedreht (Fig. 4), um das überschüssige verschleißfeste Metall der oesagten Schweißnaht 7 zu entfernen und dem Körper 1 des Kolbens die erforderlichen Abmessungen zu geben.

In der bearbeiteten verschleißfesten ringförmigen Schweißnaht 7 wird die Ringnut 3 mit vorgegebenen Maßen für den oberen Kolbenring ausgedreht (Fig. 5). In Fig. 5 ist die Herstellung einer verschleißfesten ringförmigen Schweißnaht 7 im Körper 1 des Kolbens

veranschaulicht deren Tiefe das 13-fache der Nuttiefe beträgt so daß die gesamte Oberfläche der Kolbenringnut verfestigt ist Dagegen ist die Ringnut gemäß F i g. 7 nur bis zu einer Tiefe von 03 der Nuttiefe durch die Schweißnaht 7 verfestigt, d. h. nur der am stärksten beanspruchte Fiankenbereich ist verschleißfest.

Wie in Fig. 8 gezeigt, können auch die unteren Ringnuten 2 im Kolben 1 durch gesonderte Schweißnähte der oben angegebenen Art verfestigt werden.
Zur Herstellung eines Aluminiumkolbens von 210 mm Außendurchmesser für eine Brennkraftmaschine wurde der Kolben bis auf die Temperatur von ca. 200' C vorgewärmt Hiernach wurde im Bereich der späteren Nut für den oberen Kolbenring die Aluminiumlegierung des Kolbens mit Hilfe eines Plasmabrenners durchge-

schmolzen, wobei der Kolben in bezug auf den ortsfest angeordneten Brenner gedreht wurde. Das Ourchschmelzen des Kolbenkörpers erfolgte auf die Tiefe von 6.5 mm. Diese Tiefe entspricht dem 0,8-fachen der Solltiefe der Nut für den oberen Kolbenring.

Gleichzeitig wurde der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung der Legierungswerkstoff in Form eines aus Nickel gefertigten Drahts zugesetzt.

Während des Durchschmelzens wurde der Kolbenkörper mit Druckluft gekühlt, die eine Temperatur von

20 bis 30°C besaß. Hierdurch war gewährleistet, daß der Kolben während des Durchschmelzens die Temperatur von 200°C beibehielt. Nach dem Durchschmelzen wurde vor dem Ausdrehen der Kolbenringen eine metallographische Gefügeuntersuchung dieser erzeug-

ten verschleißfesten ringförmigen Schweißnaht durchgeführt. Die metalloEraphische Untersuchung ergab, daß sich beim Zusetzen von Nickel während des Durchschmelzens zur schmelzflüssigen Aluminiumlegierung des Kolbens ein feinkörniges heterogenes Gefüge

^h' der verschleißfesten ringförmigen Schweißnaht ausbildet.

Das heterogene Gef'ige des Schweißnahtwerky'offs stellt die mit feindispersen Nickelaluminidteilchen

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gesättigte Aluminiumlegierung de«. Kolbens dar. Diese Grenze zwischen dem Metall in der Schweißnaht und

Nickelaluminidteilchen verleihen der Schweißnaht eine der Aluminiumlegierung des Kolbens fehlt. Dies

hohe Verschleißfestigkeit. gewährleistet die Festigkeit der Verbindung der

Außerdem war der Schweißnahtwerkstoff frei von Schweißnaht mit der Aluminiumlegierung des Kolbens,

mangelhaft durchschweißten Stellen und das Volumen '. Das vorliegende Verfahren zur Verfestigung der

der Poren war nicht größer als 0,2% des Volumens des Kolbenringniiten ermöglicht bei der Herstellung von

durchgeschmolzenen Metalls in der Schweißnaht Ringträgerkolben im Vergleich zu den bekannten

Anhand der metallographischen Untersuchung wurde Verfahren eine Herabsetzung der Arbeitsaufwände um

auch nachgewiesen, daß eine scharf ausgeprägte das 1,5- bis 2-fache.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verfestigung einer Ringnut in einem Kolben aus einer Aluminiumlegierung, bei dem im Kolbenkörper eine ringfönnige verschleißfeste Schweißnaht gelegt wird, weiche die Aluminiumlegierung mit den Legierungszusätzen, Nickel oder Nickel-Chrom enthält, worauf im Bereich der Schweißnaht eine Kolbenringnut ausgedreht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige verschleißfeste Schweißnaht (7) durch Durchschmelzen des Kolbenkörpers (1) mit gleichzeitigem Zusetzen des Legierungswerkstoffes (6) zur geschmolzenen Aluminiumlegierung (5) des Kolbens erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchschmelzen des Kolbenkörpers (1) bis zu einer Tiefe durchgeführt wird, die 0,3 bis 1,3 der Solltiefe der Kolbenringnut (3) beträgt

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenkörper (1) vor dem Durchschmelzen auf eine vorgegebene Temperatur, die in einem Bereich von 100 bis 300⁰C liegt, erwärmt und danach die erwähnte Vorwärmtemperatur des Kolbenkörpers (1) beim Durchschmelzvor- gang durch Abkühlen des Kolbenkörpers (1) mit Druckluft im erwähnten Temperaturbereich konstant aufrechterhalten wird.