DE3418405C2

DE3418405C2 -

Info

Publication number: DE3418405C2
Application number: DE3418405A
Authority: DE
Inventors: Shunzo Takasuga; Yukihiro Sugimoto; Keiichiro Noguchi; Motohmi Hiroshima Jp Urabe
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1983-05-18
Filing date: 1984-05-17
Publication date: 1988-08-25
Also published as: US4966221A; DE3418405A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbund-Druckgießverfahren zur Herstellung von Aluminiumkolben für Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit von Aluminiumkolben gegenüber der durch die Kolbenringe erzeugten Schwell-Druck- Belastung und zur Steigerung der Hochtemperaturfestigkeit und der Dauerstandsfestigkeit gegenüber Ermüdungsbruch ist es bekannt, Aluminiumkolben mit einem Ringträger-Einlage teil aus einem Metallschaum aus Nickel, Kupfer, Eisen oder Legierungen daraus zu versehen, das von einer Aluminium legierung umgossen ist. Bei einem bekannten Verfahren der eingangs angegebenen Art (DE-OS 26 39 294) wird eine mechanische Befestigung des Einlageteils in dem so gebildeten Verbundkörper angestrebt und dadurch erreicht, daß zwischen Einlageteil und angrenzendem Kolbenmaterial eine Zone von möglichst großer Flächenberührung zwischen den beiden Materialien und damit maximaler mechanischer Bindung vor liegt. Zur Maximierung der Flächenberührung wird der mittlere Porendurchmesser des Einlageteils möglichst klein, d. h., zwischen 3 und 200 µm, bevorzugt jedoch nur zwischen 3 und 100 µm, gehalten. Durch Anwendung von sehr hohen Erstarrungs drücken in der Größenordnung von 2500 bis 5000 bar wird erreicht, daß die Schmelze aus Aluminiumlegierung tief in das poröse Einlageteil eindringt und die angestrebte mechanische Bindung herstellt. Durch diese bekannte Ver fahrensweise wird zwar in dem Aluminiumkolben ein tragendes Gerippe gebildet, das aus dem porösen verschleißfesteren Material des Einlageteils besteht, jedoch kann die Gestalt festigkeit des Kolbens nicht höher sein als diejenige des Einlageteils selbst.

Nach einem anderen, nicht zur vorliegenden Gattung zählenden Verfahren ist es bekannt, die Festigkeit von Aluminiumkolben dadurch zu steigern, daß zunächst ein Fasermaterial in einem Hochdruck-Gießverfahren mit einer Deckschicht aus einer Aluminiumlegierung umgossen wird und dann der so herge stellte Formkörper in einem Niederdruck-Gießprozeß mit einer Hüllschicht aus Aluminiumlegierung versehen wird, die sich mit der Deckschicht des zuvor hergestellten Verbundkörpers ver einigt (DE-OS 27 01 421). Hierbei wird die das Fasermaterial vollständig umgebenden Deckschicht in dem zweiten Verfahrens schritt zum Schmelzen gebracht, so daß sie sich mit der Hüllschicht durch Diffusion, d. h., durch ein Verschweißen oder Verschmelzen, vereinigt. Dieses Verfahren setzt daher für Deckschicht und Hüllschicht die gleiche Art von Metall voraus, so daß die Gestaltfestigkeit des aus Fasermaterial und Deckschicht gebildeten Einlageteils beschränkt ist.

Weiterhin ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem ein massives ringförmiges Einlageteil, z. B. aus Gußeisen, mit einer Aluminiumschmelze umgossen wird, wobei zur Gewährleistung der metallurgischen Verbindung zwischen dem Einlageteil und der Aluminiumlegierung letztere mit hohen Drücken bis zu 1750 bar eingebracht wird (DE-OS 31 11 097). Jedoch besteht bei Kolben dieser Art die Gefahr einer Trennung des Aluminiumteils von dem Ein lageteil bei Auftreten von Thermoschocks, z. B. bei sehr rascher Abkühlung aus dem heißen Zustand, aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnzahlen zwischen dem Einlageteil und der Aluminiumlegierung.

Es ist auch schon ein Verfahren bekannt, bei dem ein poröses Nickel-Einlageteil zunächst in eine Aluminium schmelze getaucht wird, um die Poren der Metallober fläche zu schließen, und eine Wärmebehandlung durchge führt wird, um eine Schicht aus einer Verbindung von Nickel und Aluminium auf der Oberfläche auszubilden. Anschließend wird um den so erhaltenen Einsatz herum eine Aluminiumlegierung gegossen (JP-OS 54 -1 51 715). Auch hier hat sich jedoch gezeigt, daß die Verbundfestig keit zwischen der genannten Verbundschicht aus Nickel/Aluminium und der Aluminiumlegierung unzureichend ist und außerdem die Warmfestigkeit und der Korrosionswider stand nur begrenzt sind, weil die Verbundschicht ledig lich an der Oberfläche des Einlageteils vorliegt.

Der Erfindung liegt ausgehend von dem eingangs beschriebenen bekannten Verfahren die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen zu schaffen, durch das eine verbesserte Festigkeit, Härte und Widerstandsfähigkeit gegenüber Abrasion und Ermüdung der Kolben erzielbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Aus gestaltung des Verfahrens gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruches 1.

Durch das Einbringen der Aluminiumlegierungsschmelze um das poröse Metall des Ringträger-Einlageteils im Wege des Hochdruck-Verbundgießens, bei dem ein Druck von nicht weniger als 392 bar und vorzugsweise 588 oder 980 bar an gewendet wird, werden die Poren des Einlageteils mit der Aluminiumlegierung gefüllt. Das hat zur Folge, daß sich in der anschließenden Wärmebehandlung des Verbund-Kolben rohlings an der Grenze zwischen dem porösen Einlageteil und der Aluminiumlegierung eine intermetallische Verbindung in Form einer tragenden Matrix ausbildet, deren Festigkeit diejenige der umgebenden ursprünglichen Ausgangsmetalle erheblich übersteigt. Somit entsteht durch das erfindungs gemäße Verfahren ein Tragskelett des Kolbens, das gegen über dem zunächst vorliegenden Einlageteil eine erhöhte Festigkeit besitzt. Außerdem gewährleistet das weitgehende Ausfüllen der Poren des Einlageteils durch die Aluminiumlegierung eine gute Wärmeleitfähigkeit des Kolbens und eine erhebliche Steigerung seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber Thermoschock und Ermüdung.

Der Metallschaum kann vor dem Zuführen der Aluminiumlegierung vorerhitzt werden, um das Zusammenbacken und die Verdichtung zu verbessern. Im Rahmen des angegebenen Volumenanteils von 3 bis 50% (entsprechend einer Porosität von 50 bis 97%) ist ein Volumenanteil von 5 bis 40% als besonders günstig und ein Volumenanteil von 10 bis 30% als bevorzugt anzusehen. Mit der Ausbildung der inter metallischen Verbundschicht wird der Volumenanteil ver ringert, so daß bei einem Volumenanteil von weniger als 3% die Dichte der Verbundschicht unerwünscht absinkt. Liegt andererseits der Volumenanteil über 50%, dann steigt der Volumenanteil der Verbundschicht unerwünscht auf über 80%. Vorzugsweise liegt somit der Volumenanteil der Verbundschicht zwischen 1 und 80, noch besser zwischen 5 und 30%. Ist der Volumenanteil kleiner als 1%, dann ergibt sich keine hinreichende Verbesserung der Warmfestigkeit bei so hoher Temperatur, der Widerstandsfähigkeit gegen über abtragendem Verschleiß und der Ermüdungsfestigkeit. Wenn auf der anderen Seite der Volumenanteil über 80% steigt, dann wird die Bindungsfestigkeit zwischen dem Einlageteil und der Matrix aus Aluminiumlegierung bei Auftreten von Wärmebeanspruchungen und dgl. aufgrund eines Mangels an Aluminiumlegierung verringert und zugleich die Härte des Werkstoffes unerwünscht erhöht, so daß die Bearbeitbarkeit darunter leidet.

Die Verbundschicht beinhaltet eine intermetallische Verbindung von Aluminium und dem Metall des Einlageteils und bildet sich durch Diffusion des Metalls des Einlageteils in die Aluminiumlegierung. Um die Verbundschicht zu erzeugen, wird das Gußteil während einer Zeit von 1 bis 10 Stunden bei einer Temperatur von 450 bis 550°C gehalten. Liegt die Temperatur unter 450°C, dann ist die Zeitdauer bis zur Ausbildung der intermetallischen Verbundschicht unwirtschaftlich lang; beträgt sie mehr als 550°C, dann ist die Festigkeit der Aluminiumlegierung ver mindert. Liegt die Wärmebehandlungszeit unter 1 Stunde, dann kann sich die intermetallische Verbundschicht nicht hin reichend ausbilden, während nach einer Behandlungszeit von 10 Stunden die intermetallische Schicht weitgehend gesättigt, d. h., ausgebildet ist und folglich eine darüber hinausgehende Wärmebehandlungsdauer unwirtschaftlich ist. Um eine Lösungs- Wärmebehandlung zugleich mit dem Vorgang zur Erzeugung der intermetallischen Verbindung auszuführen, kann ein Härten mittels Wasser und ein Tempern (z. B. eine T6-Behandlung) nach dem Erhitzen des Gußteils durchgeführt werden.

Die angegebende Dicke der intermetallischen Verbundschicht von mindestens 10 µm ergibt die angestrebte Verbesserung der Hochtemperatur-Festigkeit, der Widerstandsfähigkeit gegen über Abrasion und dr Ermüdungsfestigkeit. Darüber hinaus wird die Gesamtdicke der intermetallischen Verbundschicht und der Metallschicht des Einlageteils vorzugsweise nicht kleiner als 0,1 mm gewählt, da bei einer darunter liegenden Dicke die erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Abrasion und Ermüdung nicht lange aufrecht erhalten bleibt.

Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich die Festigkeit der Bindung zwischen dem Metall des Einlageteils und der Aluminiumlegierung erheblich verbessern, da das Metall des Einlageteils aufgrund der beim Hochdruck- Gießvorgang auftretenden Verfestigung in engen Kontakt mit der umgebenden Aluminiumlegierung gebracht wird und die von der intermetallischen Verbundschicht gebildete Matrix, die die überlegenen Eigenschaften bezüglich Warmfestig keit und Hochtemperatur-Härte ergibt, sich tief in den porösen Werkstoff des Einlageteils hinein erstreckt. Die gesteigerte Bindungsfestigkeit erlaubt weiterhin eine Lösungs-Wärmebehandlung der Aluminiumlegierung ohne eine Beeinträchtigung der Eigenschaften des Einlageteils, so daß der Kolbenkörper lösungsbehandelt werden kann (z. B. mittels einer T6- oder T7-Behandlung), um seine mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Thermoschock und Ermüdung zu verbessern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht, teilweise im Schnitt, eines Kolbens für einen Diesel motor;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Einlageteils, das bei der Herstellung des Kolbens gemäß Fig. 1 zur Anwendung kommt;

Fig. 3 einen Teil-Querschnitt durch einen Guß rohling;

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Gießform zur Herstellung des Kolbens nach Fig. 1;

Fig. 5 einen vergrößerten Querschnitt in schematischer Darstellung, der die Mikrostruktur eines Teils des eingegossenen Einlageteils erkennen läßt;

Fig. 6-12 Mikrofotografien, die die Mikrostruktur eines Aluminium-Gußteils entsprechend mehreren Aus führungsformen der vorliegenden Erfindung wiedergeben;

Fig. 13 eine grafische Darstellung des Ergebnisses eines Ermüdungstests, und

Fig. 14 eine schematische Teil-Darstellung im Quer schnitt einer Einrichtung zur Durchführung des Ermüdungstests.

Die Fig. 1 zeigt einen Kolben für einen Dieselmotor. Der Kolben 1 besteht aus einer Alu miniumlegierung und weist einen Kolbenkörper 2 sowie drei Kolbenringnuten 3, 4 und 5 auf, die in der äußeren Umfangsfläche des Kolbenkörpers 2 ausgebildet sind. Die oberste Ringnut dient zur Aufnahme eines obersten Kolbenringes (nicht gezeigt), die mittlere Ringnut zur Aufnahme eines Sekundär-Kolbenringes (nicht gezeigt) und die unterste Ringnut zur Aufnahme eines Ölabstreif ringes (nicht gezeigt). Die zweite Ringnut 4 und die Nut 5 für den Ölabstreifring sind unmittelbar in den Kolbenkörper 2 spanabhebend eingearbeitet, während die oberste Ringnut 3 durch Bearbeitung eines Ring trägerteils für den Haupt-Kolbenring gebildet ist, der aus einem in die Aluminiumlegierung eingegossenen porösen Einlageteil 6 aus Metall besteht. Das ringförmige poröse Einlageteil 6 wird zunächst ohne jegliche Nut hergestellt, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Dieser Einsatz wird in einer Gießform 7 fixiert, die aus einem Oberteil 7 a, einem Unterteil 7 b und einem Mittelteil 7 c besteht (vgl. Fig. 3). In die Formhöhlung 8 der Gießform 7 wird durch einen Einlaß 7 d im Unterteil 7 b Schmelze einer Aluminiumlegierung eingebracht und unter einem hohen Druck nicht unter 392 bar, der konti nuierlich auf die Aluminiumschmelze bis zur Erstarrung einwirkt, erstarren gelassen.

Auf die geschilderte Weise wird ein Gußrohling 9, bei dem das Einlageteil 6 in den Kolbenkörper 2 eingegossen ist, erhalten (vgl. Fig. 4). In diesem Zustand sind die Poren des Einlageteils 6 mit der Aluminiumlegierung gefüllt. Anschließend wird der Gußrohling 9 in einem Ofen auf 450 bis 550°C erhitzt und bei dieser Temperatur während einer Zeitdauer von 1 bis 10 Stunden lang gehalten, um hierdurch eine intermetallische Verbundschicht aus Aluminium und dem Metall des Einlageteils 6 an der Grenze zwischen dem Einlageteil der Aluminiumlegierung auszubilden. Bei Bedarf kann eine Lösungs-Wärmebehandlung der Matrix der Aluminiumlegierung zugleich mit oder anschließend an den Vorgang zur Ausbildung der intermetallischen Verbindung ausgeführt werden. Zuletzt wird die Ringnut 3 für den obersten Kolbenring in die äußere Umfangsfläche des Einlageteils 6 eingearbeitet und auch die Nuten 4 und 5 für den Sekundär-Kolbenring bzw. für den Ölabstreifring in der Umfangsfläche des aus Aluminiumlegierung bestehenden Teils des Kolben körpers 2 erzeugt (vgl. Fig. 1).

Die Fig. 5 zeigt anhand eines vergrößerten schematischen Querschnitts die Mikrostruktur eines Teils des einge gossenen Einlageteils 6. Die Bezugszeichen 11, 12 und 13 bezeichnen jeweils das Metall des Einlageteils 6, die Aluminiumlegierung und die intermetallische Verbindung, die an der Grenzfläche zwischen der Aluminiumlegierung und dem Einlageteil 6 gebildet ist.

Vorzugsweise weist das Einlageteil 6 konti nuierliche Poren auf, die sich von seiner Oberfläche aus nach innen erstrecken, so daß die Schmelze der Aluminiumlegierung tief in die Poren eindringen kann.

Die Dicke t des Ringträgerteils für den obersten Ring (Fig. 1), d. h., des Einlageteils 6, nach der Herstellung der obersten Kolbenringnut 3 beträgt im allgemeinen 2 bis 3 mm, sollte jedoch nicht unter 0.1 mm liegen. Andernfalls wirkt die von dem obersten Kolben ring ausgeübte große Lastbeaufschlagung unmittelbar auf den aus Aluminiumlegierung bestehenden Teil des Kolben körpers 2, der als Folge davon einer frühzeitigen Ermüdung unterliegt.

Zehn Gußteile aus Aluminiumlegierung (Nr. 1 bis Nr. 10) wurden unter unterschiedlichen Bedingungen, die in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben sind, nach dem er findungsgemäßen Verfahren hergestellt.

Die Zusammensetzung der Aluminiumlegierung (JIS AC8A), die für die Gußteile Nr. 1 bis Nr. 5 eingesetzt wurde, hatte folgende Analyse in Gewichtsprozent:

Al 84,23%, Cu 1,0%, Si 12,2%, Mg 1,1%, Fe 0,17%, Ni 1,3%

Die Zusammensetzung der Aluminiumlegierung (JIS AC8A), die für die Gußteile Nr. 6 bis Nr. 10 verwendet wurde, hatte folgende Analyse in Gewichtsprozent:

Al 84,88%, Cu 1,0%, Si 11,9%, Mg 0,9%, Fe 0,22%, Ni 1,1%

Das poröse Material (Nickelschaum), das für die Gußteile Nr. 5 und Nr. 10 Anwendung fand, war mit einer Dicke von 5 bis 10 µm mit Kupfer beschichtet.

Die Fig. 6 bis 12 sind Mikrofotografien, die jeweils die Mikrostruktur des Gußteils Nr. 2 bzw. der Gußteile Nr. 5 bis Nr. 10 zeigen.

In den Mikrofotografien der Fig. 6 und 8 bis 11 stellt die gepunktete oder gefleckte Matrix, die die Hauptfläche bildet, die Aluminiumlegierung 12 dar, während die weißen Schichten, die von grauen Schichten begrenzt sind, rest liches poröses Material 11 aus Nickel wiedergegeben. Die grauen Schichten (reich an Nickel) und die weißen Schichten (reich an Aluminium), die längs des äußeren Umfangs des restlichen porösen Nickelmaterials 11 ge bildet sind, bestehen aus der intermetallischen Ver bindung 13. Die schwarzen Flächen innerhalb der Flächen des restlichen porösen Materials in den Fig. 6 und 9 bis 12 bestehen aus Graphit, der sich an dem porösen Nickel material 11 während des Herstellungsprozesses angelagert hat. In den Fig. 7 und 11 ist die gefleckte oder gepunktete Matrix, die die Hauptfläche bildet, die Aluminiumlegierung 12; die weißen Schichten bestehen aus restlichen porösen Nickelschichten 11, und die grauen Schichten, die die weißen Schichten begrenzen, sind Kupfer aus der Kupfer beschichtung des porösen Materials. Die hellgrauen Schichten (reich an Kupfer) und die noch helleren grauen Schichten (reich an Aluminium) bestehen aus der intermetallischen Verbindung 13.

In Fig. 9 ist der Anteil an restlichem porösem Nickel material kleiner als der entsprechende Anteil in den übrigen Figuren. Das liegt daran, daß die Wanddicke des porösen Materials bei dem Gußteil Nr. 7 klein war und demzufolge ein wesentlicher Teil des porösen Materials sich mit Aluminium vereinigt hat, um die intermetallische Verbindung nach dem Erhitzen während 1 Stunde zu bilden.

Die völlig geschwärzten inneren Flächenabschnitte des porösen Materials, die sich in Fig. 11 deutlich ab zeichnen, sind geschlossene Räume, in welchen keine Aluminiumlegierung vorliegt.

Der Ermüdungstest wurde folgendermaßen ausgeführt: Aus den Gußteilen Nr. 1 bis Nr. 5 gemäß vorliegender Erfindung wurden zylindrische Testkörper hergestellt. Diese bestanden aus einer Aluminiumlegierung (JIS AC8A) und Niresist/Gußeisen. Der Durchmesser und die Länge jedes Testkörpers betrugen 28 bzw. 15 mm. Jeder Test körper A wurde an einem Halter 20, der in einem wärme isolierten Ofen einer Versuchseinrichtung nach Fig. 14 angeordnet ist, gehalten. Ein Schlagelement 24 mit einem kugelig gerundeten Ende ist an einem Plunger 22 befestigt, der längs eines Paares von Führungen 23 vor und zurück verschiebar ist. Das kugelige Ende, das einen Durchmesser von 10 mm aufweist, wurde mit einer Frequenz von 1200/min 500 000mal gegen die Oberfläche des Testkörpers A gedrückt. Anschließend wurde der Durchmesser oder die Tiefe der Eindrückung, die sich in der Oberfläche jedes Testkörpers gebildet hatte, gemessen. Die bei jedem Druckzyklus auf den Testkörper aufgebrachte Belastung betrug 200 N und die Vorlast betrug 50 N. Der Ermüdungs test dauerte für jeden Testkörper etwa 7 Stunden.

Das Ergebnis des Ermüdungstests ist in Fig. 13 wieder gegeben. Wie sich daraus entnehmen läßt, wird der Durchmesser der Eindrückung mit zunehmendem Volumenanteil Vf der intermetallischen Verbindung (s. die voran gehende Tabelle) kleiner, d. h., mit der Zunahme des Volumenanteils Vf der intermetallischen Verbindung in den Gußteilen nach der Erfindung wird die Widerstands fähigkeit gegenüber Ermüdung gesteigert.

Die Härte, die Wärmeleitfähigkeit und der Schmelzpunkt der intermetallischen Verbindung ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, wird in den erfindungsgemäßen Gußteilen aus einer Aluminiumlegierung ene intermetallische Verbindung von hoher Widerstandsfähigkeit mit einer hohen Dichte gebildet, die das Skelett der Gußteile bildet. Selbst wenn daher die Gußteile über den Schmelzpunkt der Aluminiumlegierung hinaus erhitzt werden, wird aufgrund der Gegenwart der intermetallischen Verbindung ein lokales Anschmelzen der Aluminiumlegierung verhindert, wodurch die Hochtemperatur-Härte und die Widerstands fähigkeit gegenüber Abrasion und Ermüdung verbessert werden.

Claims

1. Verbund-Druckgießverfahren zur Herstellung von Aluminium kolben für Brennkraftmaschinen, die ein Ringträger-Einlage teil aus einem Metallschaum aus Nickel, Kupfer, Eisen oder Legierungen daraus aufweisen, bei dem das Einlageteil in einer Form angeordnet und unter Druck mit einer Aluminium legierungsschmelze umgossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Volumenanteil von 3 bis 50% und einem Poren durchmesser von 0,05 bis 1 mm des Einlageteils die Schmelze bei einem Druck von mindestens 392 bar eingebracht wird und daß der erhaltene Verbund-Kolbenrohling 1 bis 10 Stunden auf einer Temperatur von 450° bis 550°C gehalten wird, um an der Grenze zwischen der Aluminiumlegierung und dem Ein lageteil eine Schicht mit einer Schichtdicke von mindestens 10 µm und einem Volumenanteil von 5 bis 30% an einer inter metallischen Verbindung aus Aluminium und dem Metall des Einlageteils zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einlageteil mit einem Volumenanteil von 5 bis 40% verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einlageteil mit einem Volumenanteil von 10 bis 30% verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Einlageteil vor der Anordnung in der Form erhitzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Verbund-Kolbenrohling einer Lösungs- Wärmebehandlung unterzogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Lösungs-Wärmebehandlung der Verbund-Kolbenrohling einem Tempervorgang unterzogen wird.