DE3441713C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tauchkolben für Ver­ brennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 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 eine Temperatur-Wechselbeständigkeit bei etwa 200° bis 300° gefordert ist, kommt es im Bereich der Naben des Kolbens stärker auf die mechanische Festigkeit, insbesondere die Dauerwechselfestigkeit des Kolben­ materials an. Eine hohe Temperatur-Wechselfestigkeit ist insbesondere bei Kolbenböden mit Brennraummulden am Rand der Brennraummulde notwendig, damit dort im Motorbetrieb keine Anrisse auftreten.

Sowohl für die Temperatur-Wechselfestigkeit wie auch die Dauerfestigkeit ist die Härte des Aluminium­ materials 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; jedenfalls unterhalb von etwa 300°C. Denn dort nimmt diese mit abnehmender Härte ab und steigt mit zu­ nehmender 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 Hartanodisierschicht 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.

Zur Verbesserung der Nabenfestigkeit ist es aus DE-PS 11 84 570 bekannt, das jeweils an die Nabenbohrung direkt angrenzende Kolbenmaterial vorzuwärmen und in fließfähigem Zustand durch Verpressen umzuformen. Dadurch wird allerdings keine erhöhte Temperaturwechselbeständigkeit des Bodenbereiches des Kolbens erreicht. Auch ist nicht zu erkennen, daß dort im Nabenbereich besondere Materialhärten eingestellt werden sollen. Die Festigkeitserhöhung des Nabenmaterials wird dort vielmehr durch die Einarbeitung einer im Faserverlauf festigkeitsmäßig günstigen Preßstruktur realisiert, wobei insbesondere keine Rede von einer besonderen Wärmebehandlung ist.

Bei einem Leichtmetallkolben nach DE-OS 20 27 649 wird die Temperaturbeständigkeit des Bodenbereiches durch Aufschweißen von Zusatzmaterial erhöht. Dies erfordert einen hohen in der Praxis aus wirtschaftlichen Gründen meist nicht akzeptablen Aufwand. Der dort angegebene Kolbengrundwerkstoff AlSi12 ist im übrigen schlecht geeignet, in dem Nabenbereich eine für die dort gewünschte Festigkeit hohe Materialhärte einzustellen.

Schließlich beschreibt die DD-PS 1 54 726 noch einen Kolben, an dem unterschiedliche Bereiche auf eine möglichst hohe Materialhärte gebracht werden. Allerdings werden dort die hohen Härten grundsätzlich als gleichermaßen für alle Bereiche, wie beispielsweise Kolbenboden-, Ringnuten- und Nabenbereiche, günstig angesehen. Dies trifft in der Praxis jedoch nicht zu.

Insbesondere von dem zuletzt genannten Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem bei einem Kolben aus dem gattungsgemäßen Material einerseits Rißbildungen im Bereich des Kolbenbodens vermieden und andererseits gleichzeitig möglichst hohe Festigkeitseigenschaften im Nabenbereich des Kolbens erreicht werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Durch die Einstellung der angegebenen unterschiedlichen 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 besteht aus einer AlSi 12 Cu Mg Ni - Aluminium- Legierung. In seinem Boden ist eine Brennraummulde 2 vor­ gesehen.

Der Kolben ist gegossen und warm ausgehärtet auf Brinell- Härtewerte von 100-140 HB.

Zur Erreichung der erfindungsgemäß unterschiedlichen Härte­ werte am Kolben und im Nabenbereich des Kolbens wird der Kolben von Raumtemperatur am Boden induktiv auf 350°-400°C 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 200°C 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 Ober­ flächentemperatur von 400°C wird bei der erwähnten Behand­ lungszeit 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.

Claims (2)

1. Verfahren zum Herstellen eines Tauchkolbens für Verbrennungsmotoren aus einer zumindest im Be­ reich des Kolbenkopfes und der Naben aushärtbaren gegossenen Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß Teilbereiche (3) der Kolbenoberfläche auf ei­ ner Eindringtiefe von 3-20 mm durch eine erste, selektive Wärmebehandlung auf eine Brinell-Härte von 80-90 HB und die Nabenbereiche (4) durch eine zweite, selektive Wärmebehandlung auf eine Brinell-Härte zwischen 100 und 140 HB gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weichere Materialzone am Kolbenboden sich nur über eine Tiefe von 15 oder vorzugsweise so­ gar nur 10 mm erstreckt.