DE3127400C2 - Verfahren zum Herstellen eines Verbrennungsmotorkolbens aus einer Aluminiumleg ierung mit einem Verstärkungsring aus Eisen - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines Verbrennungsmotorkolbens aus einer Aluminiumleg ierung mit einem Verstärkungsring aus EisenInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Erzeugung eines Festsitzes eines Eisenrings auf dem Kopf eines Kolbens aus Aluminiumlegierung wird ein mit einer ringförmigen Schulter ausgebildeter Kolbenrohling aus Aluminiumlegierung über ein Minimum von einer Stunde bei einer Temperatur innerhalb des Bereichs von 483 ° C bis 510 ° C lösungsgeglüht und danach abgeschreckt, so daß sich eine übersättigte Aluminiumlegierung in fester Lösung bildet. Der Eisenring wird auf etwa 538 ° C erwärmt, also auf eine Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur des Kolbenkopfes, so daß der Ring kurzzeitig aufgeweitet wird. Der Rohling wird auf eine Arbeitstemperatur von etwa 204 ° C vorgewärmt, also eine Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur des Kolbenkopfes in einer Verbrennungskraftmaschine. Danach wird der Ring auf den Kolbenkopf in Anlage an die Schulter gesetzt und geschmiedet, so daß die Aluminiumlegierung axial und quer gegen den kurzzeitig aufgeweiteten Ring fließt. Danach wird die übersättigte Aluminiumlegierung einer Altershärtung bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von 210 ° C bis 221 ° C über etwa 9 Stunden unterzogen, so daß eine Ausscheidung bewirkt wird, die zusammen mit der Kontraktion des Eisenringes aufgrund der Abkühlung einen Festsitz bewirkt, welcher auch während des Kolbenbetriebs aufrechterhalten bleibt.
Description
|jj 50 Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solches Verfahren ist aus der US-PS 21 24 360 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein zylinderformiger,
aus der Aluminiumlegierung bestehender Kolbenrohling, der in üblicher Weise behandelt, d.h. lösungsgeglüht,
zur Bildung eines Zustandes übersättigter Mischkristalle schroff abgekühlt und bei einer unterhalb der späteren
Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors liegenden Temperatur einer Alterungshärtung mit durch Ausscheidung
von Legierungskomponenten hervorgerufener, bleibender Volumenzunahme unterzogen ist, zur
§f; Aufnahme des Verstärkungsringes zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbenmantel mit einer Ringschulter
versehen, die eine zur Achse des Kolbenrohlings quer verlaufende Ringoberfläche bildet. Der kleine Durchmesser
dieser Ringoberfläche entspricht dem Außendurchmesser des Kolbenkopfes. Damit der Verstärkungsring
auf den Kolbenkopf aufgesetzt und ein späterer Schrumpfsitz des Verstärkungsringes gewährleistet werden
kann, muß der Verstärkungsring auf eine höhere Temperatur als der Kolbenrohling erwärmt werden, woraufhin
er gegen die Ringschulter zur Anlage gebracht wird und dann der Kolbenkopf so geschmiedet wird, daß sein
Werkstoff in Richtung der Achse des Kolbenrohlings und quer dazu fest gegen den Verstärkungsring fließt.
Schließlich wird der mit dem Verstärkungsring verbundene Kolbenrohling wieder abgekühlt.
Ein ähnliches Verfahren zur Herstellung eines Verbrennungsmotorkolbens aus einer Aluminiumlegierung
mit einem Verstärkungsring aus Eisen ist aus der US-PS 35 18 741 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren
wird aber ein von vornherein mit Übermaß gefertigter Verstärkungsring verwendet.
In dieser US-PS 35 18 741 ist jedoch auch schon auf die Schwierigkeit hingewiesen, einen in aufgebrachter
Stellung angeschmiedeten Verstärkungsring in festen Kontakt mit dem Aluminiumkörper unter den Belastun-
gen zu halten, welche von den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten für den Ring und den Kolbenkörper
herrühren. Des weiteren ist dort angegeben, daß dann, falls der Verstärkungsring auf dieselbe
Schmiedetemperatur wie der Kolbenkörper aus Aluminium erwärmt wird, die nachfolgende Stauchverformung
wahrscheinlich zu einer Rißbildung im Ring führt. Um dies zu vermeiden, wird dort vorgeschlagen, zum Stauchen
den Kolbenrohling auf eine beträchtlich höhere Temperatureis den Verstärkungsring zu bringen, nach dem
Stauchen die Temperaturen einander annähern zu lassen, bis nicht mehr als 38° C Unterschied zwischen beiden
Bauteilen herrscht, und dann den Kolbenkopf nachzupressen. Doch auch dadurch läßt sich nicht verhindern,
daß unter den Betriebsbelastungen im Laufe der Zeit wieder eine Lockerung der Verbindung eintritt.
Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung des Verfahrens der eingangs genannten Art in dem Sinne, daß ein
zuverlässige»; fester Sitz des Verstärkungsrings auf dem Kolben während einer langen Betriebszeit gewährleistet
ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst; zweckmäßige
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einer konkreten Ausführungsform des Verfahrens wird der durch einen Eisenring verstärkte Kolben aus
Aluminiumlegierung z. B. dadurch hergestellt, daß ein Kolbenrohling aus Aluminiumlegierung mit einer ringformigen
Schulter auf seiner Außenfläche in der Nähe des Kolbenendes bereitgestellt, der Rohling über mindestens
eine Stunde bei einer Temperatur innerhalb des Bereichs von 483° C bis 510° C lösungsgeglüht und der
lösungsgeglühte Rohling durch ein Wasserbad abgeschreckt wird, so daß eine übersättigte Aluminiumlegierung
in fester Lösung entsteht, dann der Eisenring auf eine Temperatur von etwa 538° C vorgewärmt wird, die oberhalb
der späteren Betriebstemperatur des Kolbenkopfes liegt, so daß er sich kurzzeitig aufweitet, der Rohling aus
Aluminiumlegierung auf eine Temperatur von etwa 204° C vorgewärmt wird, welche unterhalb der Betriebstemperatur
des Kolbenkopfes liegt, daß dann der vorgewärmte und kurzzeitig aufgeweitete Eisenring teleskopartig
auf den Kolbenkopf gegen die Schulter gesetzt und der Kolbenkopf geschmiedet wird, so daß sein Werkstoff axial
und quer gegen den kurzzeitig aufgeweiteten Eisenring fließt, und daß der noch immer den Zustand der übersättigten
Aluminiumlegierung aufweisende Kolbenrohling schließlich bei einer Temperatur innerhalb des
Bereichs von 210° C bis 221° C über ungefähr 9 Stunden einer Alterungshärtung unterzogen wird, so daß eine
Ausscheidung von Legierungskomponenten erfolgt, welche zusammen mit der Kontraktion des Eisenrings
beim Abkühlen einen Festsitz zwischen dem Eisenring und dem Kolbenkörper aus Aluminium bewirkt.
Die besondere Ablauffolge der Verfahrensschritte vermeidet eine Überbelastung des Verstärkungsrings aufgrund
der verschiedenen Dehnung der unterschiedlichen Metalle während des Vorgangs des Lösungsglühens.
Die nachfolgende Alterungshärtung bei einer Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur des Kolbenkopfes
vermeidet ebenfalls diese nachteilhaften Auswirkungen, weil der Verstärkungsring bei einer Temperatur aufgebracht
wird, die oberhalb jeder dieser Temperaturen liegt.
Von Bedeutung sind dabei vor allem die folgenden beiden Aspekte des Verfahrens, nämlich die Ausführung
des Lösungsglühens vor der Anordnung des Verstärkungsrings auf dem Kolbenrohling und das Schmieden des
Rohlings zur Befestigung des Verstärkungsrings, wenn der Rohling vorzugsweise sich auf einer Temperatur von
ungefähr 204° C befindet, also einer Temperatur niedriger als die spätere Betriebstemperatur, und sich der Ring
vorzugsweise auf einer Temperatur von 538° C, also auf einer diese Betriebstemperatur überschreitenden Temperatur
befindet.
Der Aluminiumrohling besitzt einen größeren Dehnungskoeffizient als der Eisenring. Da der Vorgang des
Lösungsglühens ausgeführt wird, ohne daß der Eisenring sich auf dem Aluminiumrohling befindet, werden im
Eisenring keine Spannungen erzeugt, welche aus der unterschiedlichen Dehnung resultieren, wie es bei den
bekannten Verfahren der Fall ist. Denn gerade auf solche anfänglichen Belastungen ist es zurückzuführen, daß
der Eisenring beim Abkühlen nicht so fest auf dem Kolbenkörper sitzt, wie es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
der Fall ist. Da weiterhin der Kolbenrohling um den Eisenring geschmiedet wird, wenn sich der Kolbenrohling
auf einer Temperatur von 2040C und der Eisenring auf einer Temperatur von 538°C befinden, wird der
Eisenring auch hierdurch nicht solchen Belastungen ausgesetzt, wie es bei bekannten Verfahren der Fall ist. Da
zudem beim Schmieden die Temperatur des Kolbenrohlings eine unterhalb der späteren Betriebstemperatur
des Verbrennungsmotors und die des Eisenrings eine oberhalb dieser Betriebstemperatur liegende ist, ist der
Eisenring bestrebt, sich auf dem Kolbenkörper festzusetzen, wenn dieser Aufbau in einem Verbrennungsmotor
seine zwischen diesen Schmiedetemperaturen gelegene Betriebstemperatur erreicht.
Das Lösungsglühen härtet das Aluminium. Somit besteht eine Schwierigkeit darin, ohne Rißbildung insbesondere
bei einer Temperatur um 204° C zu schmieden. Dementsprechend wird vorzugsweise im Kopfende des
Aluminiumrohlings eine schalenförmige Vertietung vorgesehen. Diese gewährleistet, daß die Gefahr einer Rißbildung
beim Schmieden des lösungsgeglühten Aluminiumrohlings minimal gehalten wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht durch einen im wesentlichen zylinderförmigen Kolbenrohling aus Aluminiumlegierung
mit einer Ringschulter zwischen einem konkaven Kopfende und dem Kolbenmantel,
Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 nach dem Aufsetzen des Eisenrings auf den Kolbenkopf sowie
Fig. 3 eine Ansicht ähnlich den Fig. 1 und 2 des gefertigten Kolbenrohlings mit einem darauf angeordneten
Eisenring.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, welcher ejnen Aluminiumkörper
und einen fest auf dem Aluminiumkörper befestigten Eisenring aufweist, in welchem wenigstens eine Nut zur
Aufnahme eines Kolbenrings ausgebildet ist.
Der Kolben A ist aus einem zylinderförmigen Kolbenrohling 10 aus Aluminiumlegierung hergestellt und
umfaßt einen Kolbenkopf 12 und einen Kolbenmantel 14. Der Kolbenkopf 12 weist anfänglich eine konkave Vertiefung
16 auf. Am gegenüberliegenden Ende des Kolbenkopfes 12 befindet sich eine Aussparung, welche durch
eine zylinderförmige Innenwand 20 des Kolbenmantels 14 begrenzt ist. Ein Paar von Vorsprüngen 22. von
denen lediglich einer dargestellt ist, verstärken den Kolbenmantel 14 in dem Bereich, welcher letztlich mit Aufnahmeöffnungen
für den Kolbenbolzen versehen wird.
Der Kolbenrohling 10 weist eine Ringschulter 24 auf, welche sich an seiner Außenfläche zwischen dem Kolbenkopf
12 und dem Kolbenmantel 14 befindet. Der kleine Durchmesser der Ringschulter 24 entspricht dem
Außendurchmesser des Kolbenkopfs 12 (falls ein Füllstück unbeachtet bleibt), und die Ringschulter 24 bildet
eine Ringfläche, die quer zur Achse des Kolbenrohlings 10 verläuft.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird ein Verstärkungsring 30 aus Eisen teleskopartig auf dem Kolbenkopf 12 des
Kolbenrohlings 10 angeordnet und liegt gegen die Ringschulter 24 an. Der Kolbenkopf 12 des Kolbenrohlings 10
wird dann geschmiedet, wodurch die konkave Vertiefung 16 abgebaut wird und der in Fig. 3 dargestellte
Kolben A aus Aluminiumlegierung mit einer Verstärkung aus einem Eisenring entsteht.
Zum Erzeugen des zylinderförmigen Kolbenrohlings 10 können viele Aluminiumlegierungen Verwendung
finden. Besonders zweckmäßig sind Aluminiumlegierungen mit relativ großen Siliziumanteilen. Bekanntermaßen
bieten Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumanteil (8,5% bis 13,0%) die Vorteile einer geringen Wärmedehnung
und einer relativ hohen Härte, beides erwünschte Eigenschaften für eine Kolbenlegierung. Obgleich
andere Aluminiumlegierungen eingesetzt werden können, werden vorteilhafterweise Legierungszusammensetzungen
der nachstehend angegebenen Art verwendet:
Chemische Zusammensetzungen ausgewählter Kolbenlegierungen
Element
MS-75
A-132
F-132
Si
Cu
Mn
Mg
Fe
Ni
Zn
Ti
Aluminium und Spuren von Unreinheiten
10,5-11,5 | 11,0-13,0 | 8,5-10,5 |
1,5-2,0 | 0,5-1,5 | 2,0-4,0 |
0,4-0,9 | 0,35 max. | 0,5 max. |
0,5-0,9 | 0,7-1,3 | 0,5-1,0 |
0,7 max. | 1,3 max. | 1,2 max. |
- | 2,0-3,0 | 0,5 max. |
0,4 max. | 0,35 max. | 1,0 max. |
- | 0,25 max. | 0,2 max. |
Ausgleich | Ausgleich | Ausgleich |
Als Verstärkungsring 30 aus Eisenmetall können die bekannten nickelreichen, chromreichen Eisenringe verwendet
werden. Vorteilhafterweise werden die im Handel verfügbaren sogenannten Ni-Resist- und duktile Ni-Resist-Legierungen
verwendet. Vorzugsweise werden Werkstoffe verwendet, die im wesentlichen aus maximal
3,00 Gew.-% Kohlenstoff, 1,00 bis 2,80 Gew.-% Silizium, 1,00 bis 1,50 Gew.-% Mangan, 13,50 bis 17,50 Gew.-%
Nickel, 5,50 bis 7,50 Gew.-% Kupfer, 1,75 bis 2,50 Gew.-% Chrom und Rest Eisen und Spuren von Unreinheiten
bestehen. Ein weiterer bevorzugter Werkstoff Tür den Eisenring besteht im wesentlichen aus 1,80 bis
2,90 Gew.-% Kohlenstoff, 1,75 bis 3,20 Gew.-% Silizium, 0,80 bis 1,50 Gew.-% Mangan, 18,00 bis 22,00 Gew.-%
Nickel, 1,75 bis 2,50 Gew.-% Chrom, maximal 0,20 Gew.-% Phosphor und Rest Eisen und Spuren von Unreinheiten.
Weitere vorteilhafte Werkstoffe für den Eisenring ergeben sich aus der nachstehenden Tabelle:
2,90 max. | 3,00 max. | 3,00 max. | 2,60 max. | 2,60 max. |
1,75-3,2 | 1,75-3,2 | 2,0-3,0 | 1,5-2,8 | 5,0-6,0 |
0,80-1,5 | 0,80-1,5 | 1,8-2,4 | 0,4-0,8 | 0,4-0,8 |
0,2 max. | 0,2 max. | 0,1 max. | 0,2 max. | 0,2 max. |
18.0-22,0 | 18,0-22,0 | 21,0-24,0 | 28,0-32,0 | 29,0-32,0 |
1,75-2,5 | 2,75-4,0 | 0,5 max. | 2,5-3,5 | 4,5-5,5 |
Ausgleich | Ausgleich | Ausgleich | Ausgleich | Ausgleich |
Kohlenstoff Silizium Mangan Phosphor Nickel Chrom
Eisen und Spuren von Unreinheiten
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf irgendwelche spezielle Eisenlegierungen beschränkt.
Das Verfahren zum Herstellen des Kolbens A umfaßt als ersten Schritt die Bereitstellung des im wesentlichen
zylinderförmigen Kolbenrohlings 10 aus einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise in der in Fi g. 1 dargestellten
Form. Der Kolbenrohling 10 kann nach irgendeinem geeigneten Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise
kann ein Rohling aus einer gegossener, gewalzten oder extrudierten Stange aus Aluminiumlegierung auf geeignete
Länge geschnitten werden, so daß das gewünschte Kolbengewicht erreicht wird. Dieser Rohling wird dann
auf Schmiedetemperatur erwärmt und zu einer Zwischenform des Kolbenrohlings 10 verformt, deren Durch-
messer in etwa dem Durchmesser des grobgeschmiedeten Kolbens A entspricht.
Durch einen nachfolgenden Schmiedevorgang wird dann der Kolbenrohling 10 mit der in Fig. 1 dargestellten
Ringschulter 24 und dem Kolbenkopf 12 gebildet. Wahlweise kann der in Fig. 1 dargestellte Kolbenrohling 10 ,,
aus einer Aluminiumlegierung gegossen werden.
Der Kolbenrohling 10 aus Aluminiumlegierung wird dann einem Lösungsglühen unterzogen und nachfolgend
zur Erzeugung einer übersättigten festen Lösung aus Aluminiumlegierung schroff abgekühlt.
Unter »Lösungsglühen« ist hierbei allgemein eine Behandlung zu verstehen, bei welcher eine Legierung auf
eine geeignete Temperatur über eine Zeitdauer erwärmt wird, welche ausreicht, daß ein gewünschter Bestandteil
in eine feste Lösung gelangt, wonach eine schroffe Abkühlung folgt, um diesen Bestandteil in Lösung zu halten.
Der Werkstoff befindet sich dann in einem übersättigten, unstabilen Zustand und kann nachfolgend einer
Alterungshärtung unterzogen werden.
Diese »Alterungshärtung« ist als ein Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit und Härte eines metallischen lj|
Werkstoffs definiert, welches durch Wärmebehandlung bei relativ geringer Temperatur ausgeführt wird, was die ||
Ausscheidung eines zweiten Gefügebestandteils oder einer Phase aus der festen Lösung zur Folge hat, die ||
gewöhnlich submikroskopisch ist.
Die Behandlung eines Körpers aus Aluminiumlegierung durch Lösungsglühen bedingt demnach, daß die
Komponenten und intermetallischen Verbindungen der ausgewählten Legierung im wesentlichen homogen in
der festen Lösung innerhalb des Körpers des Werkstoffs dispergiert sind. Wenn der durch Lösungsglühen behandelte
Körper abgeschreckt wird, wird eine unstabile feste Lösung erhalten. Der abgekühlte Körper ist auf diese
Weise mit bestimmten intermetallischen Legierungsbestandteilen übersättigt, welche normalerweise nicht bei
einer geringen Temperatur in feste Lösung gehen würden. Eine nachfolgende Wärmebehandlung bei einer
geringen Temperatur oder Alterungshärtung befreit den Werkstoff aus diesem unstabilen übersättigten
Zustand, so daß die intermetallischen Verbindungen als diskrete, kristalline Komponenten der Legierung ausscheiden.
Die Ausscheidung führt zu einer leichten, jedoch spürbaren Volumenzunahme des Körpers, ein Merkmal,
welches für die Erfindung von besonderem Vorteil ist.
Hinsichtlich der oben aufgeführten, bevorzugten, siliziumreichen Legierungen wird das Lösungsglühen
dadurch ausgeführt, daß der Kolbenrohling 10 aus Aluminiumlegierung auf eine Temperatur im Bereich von
483°C bis 5100C, vorzugsweise 493°C, erwärmt und mindestens eine Stunde lang auf dieser Temperatur gehalten
wird. Der Kolbenrohling 10 wird dann durch Abschrecken in Wasser mit einer Temperatur innerhalb des
Bereichs von 71°C bis 82°C schroff abgekühlt, so daß eine in fester Lösung übersättigte Aluminiumlegierung
entsteht. Andere Legierungen können geringere oder höhere Temperaturen und unterschiedliche Zeitspannen
für das Lösungsglühen erfordern. Die Parameter für diese Vergütungsbehandlung sind dem Fachmann ohne
weiteres aus der entsprechenden Literatur verfügbar.
Um die Anordnung des Verstärkungsrings 30 auf dem Kolbenkopf 12 in Anlage an die Ringschulter 24 zu
erleichtern, wird der Verstärkungsring 30 auf eine Temperatur oberhalb der späteren Betriebstemperatur des
Kolbens A in einem Verbrennungsmotor vorgewärmt. Vorzugsweise wird der Verstärkungsring 30 auf etwa
538° C und der Kolbenrohling 10 auf eine Verarbeitungstempera tür von etwa 204° C erwärmt, Letztere Temperatur
ist geringer als die Temperatur des Kolbenkopfs 12 während des Einsatzes des Kolbens A bei Betrieb des Verbrennungsmotors.
Der vorgewärmte und dadurch aufgeweitete Verstärkungsring 30 wird teleskopartig auf den
Kolbenkopf 12 des Kolbenrohlings 10 bis zur Anlage an die Ringschulter 24 gesetzt, und der Kolbenkopf 12 wird
geschmiedet, so daß der Werkstoff aus Aluminiumlegierung, welcher sich aufgrund des Lösungsglühens in übersättigtem
Zustand befindet, in Axialrichtung und quer zur Achse des Kolbenrohlings 10 gegen den
Verstärkungsring 30 fließt.
Das Lösungsglühen härtet das Aluminium. Somit ist es schwierig, insbesondere bei einer Temperatur um
2040C, ohne Rißbildung zu schmieden. Die konkave Vertiefung 16 unterstützt jedoch den Schmiedevorgang,
weil dadurch eine verringerte Dicke des Metalls bewirkt und somit das Fließen des Metalls nach außen über den
Verstärkungsring 30 erleichtert wird. Auf diese Weise wird die Möglichkeit einer Rißbildung minimiert.
Der nächste Verfahrensschritt besteht in der Alterungshärtung der in fester Lösung übersättigten Aluminiumlegierung,
nachdem der Schmiedevorgang beendet worden ist. 13ie Alterungshärtung wird vorzugsweise innerhalb
des Temperaturbereichs von 21O0C bis 221°C, z. B. bei 216°C über ungefähr 9 Stunden ausgeführt. so
Die angegebene Verfahrensfolge und insbesondere das Lösungsglühen des Kolbenrohlings 10 vor dem Zusammensetzen
und Schmieden verhindert eine Überlastung des Verstärkungsrings 30 aufgrund der ansonsten
stattfindenden unterschiedlichen Dehnung des Rings und des Aluminiumkörpers. Die nachfolgenden
Härtungstemperaturen von 2100C bis 2210C haben ebenfalls nicht diese nachteilige Wirkung, da die normale
Betriebstemperatur für den Kolbenkopf 12 in dem Verbrennungsmotor um etwa 38° C höher liegt als die Temperatur
für die Alterungshärtung.
Da zudem der Kolbenkopf 12 um den Verstärkungsring 30 geschmiedet wird, wenn sich der Kolbenrohling 10
auf etwa 2040C und der Verstärkungsring 30 auf etwa 53 8° C befindet, wirken auf den letzteren keine unterschiedlichen
Dehnbelastungen. Somit schrumpft er beim Abkühlen fest um den Kolbenkörper. Da außerdem
die Temperatur des Kolbenrohlings 10 bei diesem Schmiedevorgang unterhalb der späteren Betriebstemperatur
des Verbrennungsmotors und die des Verstärkungsrings 30 oberhalb dieser Betriebstemperatur liegt, besitzt der
Verstärkungsring 30 die Neigung, sich bei der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors auf dem Kolbenkörper
festzusetzen. Des weiteren verursacht, wie oben erwähnt, die Ausscheidung der intermetallischen Bestandteile
aus der festen Lösung während der Alterungshärtung ein Anwachsen des Kolbenkörpers. Diese permanente
Volumenzunahme vergrößert den Festsitz zwischen dem Verstärkungsring 30 und dem Kolbenkopf 12.
Nachdem der Verstärkungsring 30 nach dem hier beschriebenen Verfahren am Kolbenrohling 10 befestigt
worden ist, können eine oder mehrere ringförmige Kolbenringnuten 32 in die äußere Zylinderfläche des Verstärkungsrings
30 in bekannter Weise eingebracht werden. Es ist zwar auch möglich, den Verstärkungsring30 bereits
vor dem Befestigen mit den Kolbenringnuten 32 zu versehen, doch können durch den Schmiedevorgang und die
Wärmebehandlung Spannungen in ihm erzeugt werden, welche zu Verwindungen oder anderen Verformungen
führen können, wodurch die bereits ausgebildeten Kolbenringnuten 32 unbrauchbar werden können.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren zum Herstellen eines Verbrennungsmotorkolbens aus einer Aluminiumlegierung mit einem
Verstärkungsring aus Eisen, bei welchem ein im wesentlichen zylinderformiger, aus der Aluminiumlegierung
bestehender Kolbenrohling lösungsgeglüht, zur Bildung eines Zustandes übersättigter Mischkristalle
schroff abgekühlt und bei einer unterhalb der späteren Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors liegenden
Temperatur einer Alterungshärtung mit durch Ausscheidung von Legierungskomponenten hervorgerufener,
bleibender Volumenzunahme unterzogen wird, bei welchem ferner der Kolbenrohling zwischen dem
Kolbenkopf und dem Kolbenmantel mit einer Ringschulter versehen wird, die eine zur Achse des Kolbenrohlings
quer verlaufende Ringoberfläche bildet, deren kleiner Durchmesser dem Außendurchmesser des
Kolbenkopfes entspricht, der Verstärkungsring und der Kolbenrohling auf unterschiedliche Temperaturen
erwärmt werden, von denen die des Verstärkungsringes höher als die des Kolbenrohlings liegt und die bei der
späteren Betriebstemperatur einen Schrumpfsitz gewährleisten, in diesem Erwärmungszustand der Verstärkungsring
auf den Kolbenkopf aufgesetzt und gegen die Ringschulter zur Anlage gebracht wird und dann der
Kolbenkopf so geschmiedet wird, daß sein Werkstoff in Richtung der Achse des Kolbenrohlings und quer
dazu fest gegen den Verstärkungsring fließt, und schließlich der mit dem Verstärkungsring verbundene Kolbenrohling
wieder abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsglühen und schroffe
Abkühlen des Kolbenrohlings vor dem Erwärmen und Zusammensetzen mit dem Verstärkungsring vorgenommen
wird, daß beim Erwärmen vor dem Zusammensetzen der Verstärkungsring auf eine über der späteren
Betriebstemperatur des Kolbenkopfes liegende, der Kolbenrohling auf eine unterhalb dieser Betriebstemperatur
liegende Temperatur gebracht wird und daß die Alterungshärtung nach dem Zusammensetzen
und Schmieden erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsring vor dem Aufsetzen auf
den Kolbenkopf auf etwa 538°C erwärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenrohling vor dem Aufsetzen
des Verstärkungsringes auf eine Temperatur von etwa 2040C vorgewärmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Alterungshärtung innerhalb
eines Temperaturbereichs von ungefähr 2100C bis ungefähr 221°C über eine Zeitdauer von etwa
9 Stunden ausgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsglühen
bei einer Temperatur innerhalb des Bereichs von etwa 483°C bis etwa 5100C durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das schroffe Abkühlen in Wasser mit einer
Temperatur innerhalb des Bereichs von etwa 71°C bis etwa 82°C erfolgt.
7. Verstärkungsring zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er
aus maximal 3,00 Gew.-% Kohlenstoff, 1,00 bis 2,80 Gew.-% Silizium, 1,00 bis 1,50 Gew.-% Mangan, 13,50 bis
17,50 Gew.-% Nickel, 5,50 bis 7,50 Gew.-% Kupfer, 1,75 bis 2,50 Gew.-% Chrom, Rest Eisen und Spuren von
Unreinheiten besteht.
8. Verstärkungsring zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er
aus 1,80 bis 2,90 Gew.-% Kohlenstoff, 1,75 bis 3,20 Gew.-% Silizium, 0,80 bis 1,50 Gew.-% Mangan, 18,00 bis
|f 40 22,00 Gew.-% Nickel, 1,75 bis 2,50 Gew.-% Chrom, maximal 0,2 Gew.-% Phosphor, Rest Eisen und Spuren
(p von Unreinheiten besteht.
P 9. Kolbenrohling zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus
Ü? 10,50 bis 11,50 Gew.-% Silizium, 0,50 bis 0,90 Gew.-% Magnesium, 1,50 bis 2,00 Gew.-% Kupfer, 0,40 bis
![ 0,90 Gew.-% Mangan, maximal 0,70 Gew.-% Eisen, maximal 0,40 Gew.-% Zink, Rest Aluminium und Spuren
ti; 45 von Unreinheiten besteht.
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