DE3441713A1

DE3441713A1 - Tauchkolben fuer verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE3441713A1
Application number: DE19843441713
Authority: DE
Inventors: Martin 7000 Stuttgart Rühle
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 1984-11-15
Filing date: 1984-11-15
Publication date: 1986-05-22
Also published as: DE3441713C2

Description

Tauchkolben für Verbrennungsmotoren
Die Erfindung betrifft Tauchkolben für Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die an den Aluminiumwerkstoff eines solchen Kolbens gestellten Anforderungen sind am Kolbenboden und im Bereich der Naben für den Kolbenbolzen unterschiedlicher Art. Während am Kolbenboden in erster Linie Temperatur-Wechselbeständigkeit gefordert ist, kommt es im Bereich der Naben des Kolbens stärker auf die Festigkeit, insbesondere die Dauerfestigkeit des Kolbenmaterials an. Eine hohe Temperatur-Wechsel festigkeit ist insbesondere bei Kolbenböden mit Brennraummulden am Rand der Brennraummulde notwendig, damit dort im Motorbetrieb keine Anrisse auftreten.
Sowohl für die Temperatur-Wechsel festigkeit wie auch die Dauer festigkeit ist die Härte des Aluminiummaterials von erheblicher Bedeutung. Allerdings ist der Einfluß der Härte auf die beiden genannten Eigenschaften unterschiedlich. Während die Temperatur-Wechselbeständigkeit mit abnehmender Härte zunimmt, ist es bei der Dauerfestigkeit genau umgekehrt. Denn diese nimmt mit abnehmender Härte ab und steigt mit zunehmender Härte.
Ausgehend von diesem Wissensstand hat man hochbelastete Kolben bisher so ausgelegt, daß sie zur Erreichung der erforderlichen Dauerfestigkeit im Nabenbereich insgesamt eine sehr hohe Härte in bezug auf die eingesetzte Aluminium-Legierung aufwiesen. Die angestrebten und verwirklichten Brinell-Härtewerte (HB) lagen bei etwa 95 - 125.
Höhere Härten wurden wegen des negativen Einflusses auf die Temperaturwechsel-Beständigkeit nicht eingestellt.
Zum Ausgleich der bei diesen Härtewerten nicht optimalen Temperatur-Wechselfestigkeit am Kolbenboden wurde der Kolbenboden bei in bezug auf Anrisse kritischen Fällen hart anodisiert. Die Hardanodisierschicht reicht dann in der Regel zur Vermeidung von Anrissen, insbesondere am Rand einer Brennraummulde, aus. Das Aufbringen einer solchen Hartanodisierschicht ist jedoch herstellungsmäßig mit einem relativ großen Aufwand verbunden.
Hier eine wirtschaftliche Alternative zu schaffen, bzw.
die Eigenschaften von hartanodisierten Kolben weiter zu verbessern, ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Gelöst wird diese durch eine Ausbildung der Eigenschaften des Kolbenmaterials nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Durch die Einstellung unterschiedlicher Härtewerte für die Bereiche am Kolbenboden und im Nabenbereich können auf einfache Weise die Rißgefahren sowohl im Nabenbereich als auch am Kolbenboden auf herstellungsmäßig einfache Weise beseitigt, bzw. stark vermindert werden.
Der weichere Materialbereich sollte sich möglichst auf eine Tiefe von etwa 20 mm erstrecken. Herstellungsmäßig besonders einfach und wirtschaftlich sind allerdings geringere Tiefen von nur 15 oder 10 mm. In vielen Fällen hat sich eine Tiefe von 10 mm für den weicheren Materialbereich am Kolbenboden als vollständig ausreichend erwiesen. Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt, die einen Schnitt durch einen Kolben zeigt.
Der Kolben 1 b esteht aus einer AlSi 12 Cu Mg Ni - Aluminium-Legierung. In seinem Boden ist eine Brennraummulde 2 vorgesehen.
Der Kolben ist gegossen und warm ausgehärtet auf Brinell-Härtewerte von 100 - 140 HB.
Zur Erreichung der erfindungsgemäß unterschiedlichen Härtewerte am Kolben und im Nabenbereich des Kolbens wird der Kolben von Raumtemperatur am Boden induktiv auf 3500 - 4000C erhitzt. Gleichzeitig wird der unterhalb des Bodens liegende Bereich intensiv z. B. durch Wasser gekühlt. Dabei erfolgt die Kühlung derart, daß bis zu etwa 10 - 15 mm unterhalb der weicher einzustellenden Zone an dem Kolbenboden eine Temperatur von etwa 2000C nicht überschritten wird.
Bei einem Kolbendurchmesser von 125 mm erfolgt die induktive Erhitzung über etwa 10 - 30 Minuten. Bei einer Bodendicke des Kolbens in Achsrichtung von 50 mm reicht eine induktive Erhitzung über 15 Minuten aus. Bei Einstellung einer Oberflächentemperatur von 4000C wird bei der erwähnten Behandlungszeit eine Härte zwischen 80 und 85 HB erreicht. Über den Bodenbereich schwanken die exakten Härtewerte in dem angegebenen Bereich. Bei dem hier angeführten Beispiel konnte durch die intensive Kühlung im Nabenbereich eine Brinell-Härte von 115 HB erzielt, bzw. erhalten werden.
In der Zeichnung ist der am Koblenboden liegende 15 mm tiefe relativ weichere Materialbereich mit 3 bezeichnet, während der wesentlich höhere Härte aufweisende Nabenbereich mit 4 angegeben ist. Bei dem Beispiel erfolgt die induktive Erhitzung des Kolbenbodens bei noch nicht eingearbeiteter bzw. vorgegossener Brennraummulde 2. Die Brennraummulde wird hier erst nachträglich eingearbeitet.
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Claims

Patentansprüche 1 Tauchkolben für Verbrennungsmotoren aus einer zumindest im Bereich des Kolbenkopfes und der Naben aushärtbaren gegossenen Aluminium-Legierung, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Aluminium-Legierung zumindest in Teilbereichen (3) der Kolbenbodenoberfläche auf einer Tiefe von 3 mm bis zu 20 mm eine Brinell-Härte von HB 80 - 90 aufweist, während deren Härte in den Nabenbereichen (4) HB 110 - 140 beträgt.
2. Tauchkolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die weichere Materialzone am Kolbenboden sich nur über eine Tiefe von 15 oder vorzugsweise sogar nur 10 mm erstreckt.