DE3610856A1

DE3610856A1 - Verbund-metallgussgegenstand

Info

Publication number: DE3610856A1
Application number: DE19863610856
Authority: DE
Inventors: Martin D. Parma Ohio Smalc; Milton W. Bedford Ohio Toaz
Original assignee: Imperial Clevite Inc
Current assignee: Clevite Industries Inc
Priority date: 1985-04-04
Filing date: 1986-04-01
Publication date: 1986-10-09
Anticipated expiration: 2006-04-02
Also published as: AU5419586A; DE3610856C3; DE3610856C2; GB8605730D0; JP2866064B2; GB2173134A; JPS61235058A; US4587177A; MX166963B; CA1251010A; BR8601512A; GB2173134B; JPH09177604A; IN166369B; IT1208743B; IT8647834A0; AU581734B2

Description

PATENTANWÄLTE

TISCHER, KERN & BREHM

Albert-Rosshaupter-Strasse 65 D 8000 München 70 Telefon (089) 7605520 Telox 5-212284 palsd Tplpgrammp Kernpatent München

IMPERIAL CLEVITE INC. 1. April 1986

1275 Milwaukee Avenue, Suite 300 IC-44

Glenview, Illinois 60025
U.S.A.

Verbund-Metallgußgegenstand

Beschreibung:

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Metallgegenstand, wie etwa den Kolben eines Verbrennungsmotors. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Metallgegenstandes. Innerhalb des Metallgegenstandes befindet sich eine Einlage. Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft diese Einlage. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Metallgegenstand, wie etwa den Kolben eines Verbrennungsmotors, der wenigstens einen Verbundabschnitt aufweist, in dem das Metallmaterial durch anorganische Fasern verstärkt ist.

In einem Verbrennungsmotor und insbesondere in einem Dieselmotor wirken auf die Kolben zumeist sehr strenge Betriebsbedingungen ein. Es ist deshalb erforderlich, daß die entsprechenden, besonders stark belasteten Bereiche eine ausreichende Festigkeit aufweisen. In dieser Hinsicht sind drei Anforderungen für einen Motorkolben ganz besonders wichtig:

(1) Die Beständigkeit gegen Abrieb;

(2) die Beständigkeit gegen Festfressen oder Brennen; und

(3) die Wärmestandfestigkeit, insbesondere die Beständigkeit gegen thermisch induzierte Rißbildung.

Diejenigen Abschnitte des Kolbens, die den höchsten Belastungen ausgesetzt sind (hohe Temperatur und hoher Druck) und die deshalb von der Materialseite her eine maximale Auslegung erfordern, sind die Oberseite und die Unterseite der oberen Kolbenring-Nut und eine, einen Teil des Verbrennungsraums bildende Aushöhlung im Kolbenboden.

Insbesondere im Falle der Kolben für Dieselmotoren wird bereits in großem Umfang in denjenigem Teil des Kolbens, in welchem die oberste Kolbenring-Nut ausgespart ist, eine verstärkende Einlage eingesetzt, die aus einem besonderen Gußeisen besteht, etwa aus Ni-Resist-Gußeisen, das eine höhere Abriebbeständigkeit und eine höhere Wärmestandfestigkeit aufweist, als dasjenige Metallmaterial, aus welchem der Kolben ansonsten im wesentlichen aufgebaut ist (z.B. aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung). Jedoch treten an solchen Kolben, die zusammen mit einem abriebbeständigen, ringförmigen Träger, etwa aus Ni-Resist-Gußeisen gegossen worden sind, bestimmte andere Schwierigkeiten auf, wie etwa geringere Wärmeleitfähigkeit, schlechte Haftung der Einlage am Kolbenkörper und vergleichsweise hohe Kosten bei der Herstellung und bei der Einfügung der Einlage in den Kolben. Hinsichtlich des, mit der einen Teil des Verbrennungsraum bildenden Aushöhlung versehenen Kolbenabschnittes ist bereits versucht worden, der Neigung zur thermisch induzierten Rißbildung durch Modifizierung der Kolben-Materiallegierung und durch Änderung der Aushöhlungsgeometrie selbst entgegenzuwirken; diese Änderungen haben jedoch im Einzelfall nur geringen Erfolg gehabt. In einigen Fällen haben die Änderungen an der Geometrie

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der Aushöhlung sogar die Wirksamkeit der Verbrennung im Verbrennungsmotor beeinträchtigt.

Nach einem weiteren Vorschlag ist eine Verstärkung des Metallmaterials des Kolbens mit keramischen Fasern vorgesehen, wobei häufig der Zusatz eines keramischen Beschichtungsmittels erforderlich ist. Diese Fasern und die Beschichtungen werden in demjenigen Abschnitt des Kolbens vorgesehen, wo hohe Temperaturbeständigkeit und/oder Abriebbeständigkeit erforderlich ist, wie etwa im Bereich des Kolbenbodens mit der Aushöhlung oder in dem die Kolbenringe aufnehmenden Bereich des Kolbens. Das Einfügen von verstärkenden Fasern in das Kolbenmaterial hat sich jedoch bei den üblichen Gießverfahren als schwierig erwiesen, sofern nicht verschiedene und teuere Legierungszusätze vorgesehen werden, welche wiederum Schwierigkeiten hinsichtlich der Zuverlässigkeit im Betrieb aufwerfen. Darüber hinaus kann dann, wenn der zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften erforderliche hohe Faservolumen-Anteil realisiert wird, eine nachhaltige, thermisch induzierte Rißbildung auftreten, insbesondere dann, wenn der Kolben einer Lösungs-Glühbehandlung unterworfen wird, um maximale Festigkeit zu erzielen.

Davon ausgehend besteht die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen mit Fasern verstärkten Metallgegenstand bereitzustellen, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, wobei eine vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern vorgesehen ist, die gute Abriebbeständigkeit, erhöhte Wärmestandfestigkeit und den gewünschten Wärmeübergang auf den Metallgegenstand gewährleistet, ohne daß eine zusätzliche Beschichtung bzw. irgendeine zusätzliche Oberflächenschicht erforderlich ist. Hierdurch soll die Zuverlässigkeit des Kolbens in Betrieb erhöht und die Wirtschaftlichkeit der Herstellung gesteigert werden.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe und Ziele ist ein

Metallgußgegenstand mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, insbesondere ein Kolben mit den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen. Weiterhin dient zur Lösung dieser Aufgabe und Ziele ein Verfahren mit den in Anspruch 14 angegebenen Maßnahmen. Schließlich dient zur Lösung dieser Aufgabe und Ziele eine Einlage aus keramischen Fasern mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft einen zusammengesetzten Metallgegenstand bzw. metallischen Verbundgegenstand, der einen Körper aus metallischem Material und eine vorgeformte, innerhalb des Körpers befindliche Einlage aus keramischen Fasern aufweist, um die Wärmestandfestigkeit, die Abriebbeständigkeit und die Zug- bzw. Streckfestigkeit des Gegenstandes zu erhöhen. Die hierzu vorgesehene vorgeformte Einlage besteht aus keramischen Fasern bzw. aus einem keramischen Fasermaterial und weist bestimmte, vorgegebene Eigenschaften auf, um eine besonders hohe Bindung zwischen dem Körper des Metallgegenstandes und der vorgeformten Einlage zu gewährleisten.

Ein anderer, weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Körper aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung und mit einer vorgeformten, innerhalb des Körpers befindlichen Einlage aus keramischem Fasermaterial, um die Wärmestandfestigkeit (insbesondere die Beständigkeit gegen die thermisch induzierte Rißbildung), die Abriebbeständigkeit und die Zug- bzw. Streckfestigkeit des Kolbens zu erhöhen. Auch in diesem Falle besteht die vorgeformte Einlage aus keramischem Fasermaterial und weist bestimmte, vorgegebene Eigenschaften auf, um eine besonders hohe und zuverlässige Bindung zwischen dem Körperteil des Kolbens und der vorgeformten Einlage zu gewährleisten.

Noch ein anderer, weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, der einen Körper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweist, wobei sich innerhalb des Körpers eine vorgeformte Einlage aus keramischem Fasermaterial befindet, um die Wärmestandfestigkeit, die Abriebbeständigkeit und die Zug- bzw. Streckfestigkeit des Kolbens zu steigern. In diesem Falle weist die vorgeformte Einlage mehr als einen Bereich aus keramischen Fasern auf, der sich hinsichtlich bestimmter Eigenschaften von wenigstens einem weiteren Bereich der Einlage unterscheidet.

Noch ein anderer, weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Verbundkolben, der einen Körper aus Aluminium oder Aluminiumlegierung aufweist, wobei sich innerhalb des Körpers eine vorgeformte Einlage aus keramischem Fasermaterial befindet, um die Abriebbeständigkeit und die Zug- bzw. Streckfestigkeit des Kolbens zu steigern. Dieser Körper weist einen ersten, aus Aluminium oder der Aluminiumlegierung bestehenden Abschnitt auf und einen zweiten Verbundabschnitt, der ebenfalls dieses metallische Material enthält und darüber hinaus eine vorgeformte Einlage, die verschiedene, sich hinsichtlich der Faserdichte unterscheidende Bereiche aufweist. Im einzelnen ist die Faserdichte in dem unmittelbar an den ersten Körperabschnitt angrenzenden Bereich niedriger, während die Faserdichte in dem an die Arbeitsfläche angrenzenden, zum ersten Körperabschnitt entfernten Bereich höher ist, um die Neigung zur thermisch induzierten Rißbildung auf ein Minimum herabzusetzen und um eine besonders hohe und zuverlässige Bindung zwischen der Einlage und dem Metallabschnitt innerhalb des Kolbens zu gewährleisten.

Noch ein anderer, weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Verbundkolben, der einen Körper aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung aufweist, wobei sich

innerhalb des Kolbens eine vorgeformte Einlage aus keramischem Fasermaterial befindet, um die Abriebbeständigkeit und die Zugbzw. Streckfestigkeit des Kolbens zu erhöhen. Dieser Körper weist einen ersten, aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Abschnitt und einen zweiten Verbundabschnitt auf, der zusätzlich zu dem Metall eine vorgeformte Einlage enthält. Diese vorgeformte Einlage weist verschiedene, sich hinsichtlich der Faserorientierung unterscheidende Bereiche auf. Im einzelnen ist im einen unmittelbar an den ersten Körperabschnitt angrenzenden Bereich eine erste Faserorientierung vorgesehen; in einem weiteren, an die Arbeitsfläche angrenzenden und zum ersten Körperabschnitt entfernten Bereich ist eine zweite Faserorientierung vorgesehen. Die erste Faserorientierung wird mit der Maßgabe gewählt, um eine besonders hohe Bindung zu erzielen und die zweite Faserorientierung wird mit der Maßgabe gewählt, um eine optimale Wärmestandfestigkeit zu erzielen .

Noch ein weiterer, anderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit keramischen Fasern verstärkten Kolbens, der einen mechanisch besonders stark belasteten und abriebbeständigen, keramische Fasern enthaltenden Abschnitt innerhalb eines Körpers aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung aufweist. Das Verfahren umfaßt wenigstens nachfolgende Verfahrensschritte:

- Es wird eine vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern bereitgestellt, die bestimmte, vorgegebene Eigenschaften aufweisen;

diese Einlage wird innerhalb einer Gußform angeordnet;

unter Druckgußbedingungen wird flüssiges Metallmaterial in die Gußform eingebracht und rund um die vorgeformte Einlage und diese durchdringend angeordnet, U'n einen mit keramischen Fasern verstärkten Kolben zu erzeugen;

der so erzeugte Kolben wird abgekühlt; und

am abgekühlten Kolben wird eine Lösungs-Glühbehandlung, gefolgt von einer Abschreckung und einer anschließenden Aushärtungsbehandlung durchgeführt, um maximale Zugbzw. Streckfestigkeit des Metallmaterials zu erzielen.

Noch ein anderer, weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft eine vorgeformte Einlage aus keramischem Fasermaterial, die für die Anwendung in einem der oben genannten Metallgegenstände geeignet ist. Diese Einlage weist mehr als einen Abschnitt aus keramischen Fasern auf, wobei sich wenigstens ein Abschnitt hinsichtlich bestimmter charakteristischer Eigenschaften von wenigstens einem weiteren Abschnitt unterscheidet.

Noch ein weiterer, anderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft eine vorgeformte Einlage aus keramischem Fasermaterial, die für die Anwendung in einem der oben beschriebenen Metallgegenstände geeignet ist. Diese Einlage weist mehr als einen Abschnitt angrenzend an eine Außenfläche aus keramischen Fasern mit einer ersten, vorgegebenen Faserorientierung auf. Weiterhin ist wenigstens ein zweiter Abschnitt angrenzend an die Arbeitsfläche und entfernt zu jener anderen Außenfläche vorhanden, dessen keramische Fasern eine zweite Faserorientierung aufweisen.

Ein mit der vorliegenden Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, daß ein mit keramischen Fasern verstärkter Kolben bereitgestellt wird, welcher den Rißbildungs-/Bindungs-Problemen zwischen einerseits den mit Fasern verstärkten Abschnitten und andererseits den Faser-freien Abschnitten standhält. Diese Probleme treten insbesondere als Folge der thermischen Wechselbeanspruchung beim Betrieb des Motors und/oder als Folge einer Wärmebehandlung auf, um die Festigkeit des metallischen Kolbenmaterials zu steigern. Hierbei liegt eine Besonderheit der Erfindung gerade darin, daß diese Vorteile ohne die Notwendigkeit einer getrenn-

ten Oberflächen-Beschichtung erzielt werden, die ansonsten (nach dem Stand der Technik) als zur Erhöhung der Wärmestandfestigkeit und Abriebbeständigkeit erforderlich angesehen worden ist.

Ein weiterer, mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, daß ein mit keramischen Fasern verstärkter Kolben bereitgestellt wird, welcher dem vom Kolbenring ausgehenden Abrieb standhält.

Noch ein weiterer, mit der vorliegenden Erfindung erzielter Vorteil ist in der Möglichkeit zur Herstellung eines zusammengesetzten Kolbens bzw. Verbundkolbens zu sehen, bei welchem die Festigkeit der Aluminiumlegierung zu einem Maximalwert gesteigert werden kann, der durch Lösungs-Glühbehandlung der Legierung erzielbar ist, und zwar auch dann, wenn diese Wärmebehandlung eine rasche Abschreckung einschließt, welche für die nach dem Stand der Technik hergestellten Kolben schädlich ist. Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß der erfindungsgemäße Kolben in dem an die Nut zur Aufnahme des Kolbenringes angrenzenden Abschnitt eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Noch ein weiterer, mit der vorliegenden Erfindung erzielter Vorteil ist darin zu sehen, daß dieser verbesserte, erfindungsgemäße Kolben wirtschaftlich herstellbar ist und in Betrieb eine besonders hohe Zuverlässigkeit gewährleistet.

Weitere Vorteile und Besonderheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich für einen Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter zusätzlicher Berücksichtigung der Zeichnungen; die letzteren zeigen:

Fig. 1 in einer Schnittdarstellung einen erfindungsgemäßen Kolben;

Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß vorgesehenen vorgeformten Einlage aus keramischen Fasern, die verschiedene Bereiche mit unterschiedlicher Faserdichte aufweist;

Fig. 2a eine Abänderung der Ausführungsform nach Fig. 2;

Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäß vorgesehenen, vorgeformten Einlage aus keramischen Fasern, die verschiedene Bereiche mit unterschiedlicher Faserdichte aufweist;

Fig. 3a eine Abänderung der Ausführungsform nach Fig. 3;

Fig. 4 noch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäß vorgesehenen, vorgeformten Einlage aus keramischen Fasern, die verschiedene Bereiche mit unterschiedlicher Faserorientierung aufweist;

Fig. 4a eine Abänderung der Ausführungsform nach Fig. 4, wobei zusätzlich eine Übergangszone mit willkürlicher Faserorientierung vorhanden ist;

Fig. 5 in einer Schnittdarstellung noch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäß vorgesehenen, vorgeformten Einlage aus keramischen Fasern, die verschiedene Bereiche mit unterschiedlicher Faserdichte oder Faserorientierung aufweist; und

Fig. 6 in einer Schnittdarstellung einen Kolben, in welchem die vorgeformte Einlage nach Fig. 5 eingesetzt ist.

Ohne daß damit eine Beschränkung beabsichtigt ist, wird die Erfindung nachstehend mit Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen erläutert.

-Ib-

Die Fig. 1 zeigt einen Kolben 10 mit einem Kolbenkörper 12, der irgendeine bekannte oder übliche Gestalt aufweist und vorzugsweise aus Magnesium, aus Aluminium, oder aus einer Legierung dieser Metalle besteht. Beispielsweise kann der Kolbenkörper aus einer Legierung aus 9,5% Silicium, 3,0% Kupfer, 1,0% Magnesium, 1,0% Zink, maximal 1,0% Eisen, Rest Aluminium bestehen (Legierung Nr. 332.0 der Aluminium-Gesellschaft).

Zu weiteren Beispielen häufig genutzter Legierungen gehören nachstehende Aluminiumlegierungen; eine Aluminiumlegierung mit 4,0% Kupfer, 2,0% Nickel, 1,5% Magnesium, maximal 0,7% Silicium, maximal 1,0% Eisen, Rest Aluminium (Legierung Nr. 242.0 der Aluminium-Gesellschaft); weiterhin eine Aluminium-Legierung mit 12,0% Silicium, 2,5% Nickel, 1,0% Magnesium, 1,0% Kupfer, maximal 0,2% Eisen, Rest Aluminium (Legierung Nr. 336.0 der Aluminium-Gesellschaft); zu weiteren geeigneten Legierungen gehören Aluminium-Gußlegierungen oder Aluminium-Knetlegierungen, die mehr als 3,0% Zink enthalten. Soweit im Rahmen dieser Unterlagen von "AluminiunT'gesprochen wird, soll diese Angabe sowohl Aluminium wie Aluminium-Legierungen, beispielsweise Legierungen der genannten Zusammensetzung einschließen.

Der Kolben 10 weist einen Kolbenboden 14 auf, in dem eine, einen Teil des Verbrennungsraums bildende Aushöhlung 16 ausgespart ist. In einem weiteren Kolbenabschnitt 18 ist von der Umfangswand ausgehend eine Nut zur Aufnahme eines Kolbenringes ausgespart. Schließlich gehören zu dem Kolben 10 eine Anlage 20 für den Kolbenbolzen und eine Schürze 22.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß der an die Kolbenring-Nut angrenzende Kolbenabschnitt 18 und/oder der an die Aushöhlung 16 angrenzende Kolbenabschnitt eine vorgeformte Einlage 24 aus keramischem Fasermaterial enthält, welche mehr im einzelnen in den Fig. 2, 2a, 3, 3a, 4 und 4a dargestellt ist. Die vorgeformte Einlage 24 besteht aus keramischen, anorgani-

sehen Fasern, etwa aus Aluminiumoxyd, aus Aluminiumoxyd/Siliciumdioxyd-Fasern (beispielsweise mit einem Anteil von angenähert 51 Gew.-% Al₂O₃), aus Siliciumkarbidfasern oder aus anderen bekannten keramischen Fasermaterialien. Diese vorgeformten Einlagen können nach einer Vielzahl bekannter Verfahren hergestellt werden; zu diesen Verfahren gehört beispielsweise auch die Formung im Vakuum. Die charakteristischen Eigenschaften, das sind die Dichte, die Art und die Orientierung dieser Fasern, sind sorgfältig und bestimmt ausgewählt, wie das nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird, um zu gewährleisten, daß im Verlauf einer Wärmebehandlung (Lösungs-Glühbehandlung und/oder Abschreckung) eine maximale Festigkeit und Abriebbeständigkeit erhalten wird, ohne daß am Kolben thermisch induzierte Rißbildung oder vergleichbare Probleme auftreten, als Folge der Wärmeverträglichkeit zwischen den, die Verstärkungsfasern enthaltenden Kolbenabschnitten (Verbund-Abschnitt) und den Faser-freien Kolbenabschnitten, die lediglich aus Aluminiummaterial bestehen (Metallmaterial-Abschnitt).

Die vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern wird in einer Gußform für den zu erzeugenden Gegenstand, etwa einen Kolben, angeordnet und daraufhin wird flüssiges Aluminium unter Druckguß-Bedingungen rund um die Einlage eingeführt, so daß das Metall auch die Einlage durchdringt. Das Gießen des Gegenstandes erfolgt vorzugsweise im Druckguß-Verfahren, weil hierbei die Porosität im Gußkörper auf ein Minimum reduziert wird, die Größe dendritischer Körner und Zellen vermindert wird und die Bindung zwischen der Einlage aus keramischen Fasern und dem Metallmaterial, insbesondere Aluminium, erheblich verbessert wird. Hierbei ist zu beachten, daß im Verlauf des Druckguß-Vorganges das Metallmaterial völlig die Fasereinlage durchdringt und in deren Poren eindringt, so daß ein zusammengesetzter bzw. Verbundabschnitt des Kolbens geschaffen wird, der sowohl Metallmaterial wie keramische Fasern enthält.

Im Rahmen der Erfindung ist darüber hinaus festgestellt worden, daß weitere Bedingungen erfüllt sein müssen, um bestimmte angestrebte Eigenschaften zu erzielen. Hierzu gehört, daß der Anteil keramischer Fasern in demjenigen Körperabschnitt, der an die Arbeitsfläche des fertigen Verbundabschnittes des Kolbens anschließt (das ist diejenige Oberfläche, die besonderen Schutz gegen Abrieb und thermische Einwirkung benötigt), vorzugsweise eine Faserdichte entsprechend einem Volumenanteil von 10 bis 20 Vol.-% oder mehr aufweisen soll. Diese Anforderung an die Gesamtdichte (von mehr als 10 bis etwa 50 Vol.-%) verringert erheblich den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials; anderenfalls können die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Schwierigkeiten hinsichtlich der Bindung zwischen Einlage und Metallmaterial führen. Zusätzlich zur Verringerung der thermischen Ausdehnung des Verbundabschnittes werden auch die Probleme hinsichtlich thermisch induzierter Rißbildung im Verlauf einer Wärmebehandlung im Anschluß an den Gußvorgang erheblich reduziert; eine solche Wärmebehandlung kann beispielsweise eine Lösungs-Glühbehandlung und eine anschließende Abschreckung umfassen, um dem Gegenstand eine höchstmögliche Festigkeit zu verleihen. Im Hinblick darauf wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, an der vorgeformten Einlage 24 Bereiche mit unterschiedlicher Faserdichte (vgl. Fig. 2, 2a, 3 und 3a) oder Bereiche mit unterschiedlicher Faserorientierung (vgl. Fig. 4 und 4a) vorzusehen. Hierbei ändert sich die Faserdichte oder die Faserorientierung beim Übergang von der Fläche, die mit dem Metallmaterial des Kolbens in Berührung steht, in Richtung auf die Arbeitsfläche(n) hin, um den gewünschten Schutz hinsichtlich der Abriebbeständigkeit oder der Wärmestandfestigkeit zu gewährleisten. Sofern beispielsweise in dem Bereich, der die,einen Teil des Verbrennungsraumes bildende Aushöhlung umgibt, eine Dichte an keramischen Fasern von 15 VoI.-% angestrebt wird, dann soll die vorgeformte Einlage an der Grenzfläche zwischen dem Verbundabschnitt der Einlage zum Metallmaterial des

Kolbens eine Faserdichte von ungefähr 5 Vol.-% aufweisen; von dieser Grenzfläche aus in Richtung auf die Arbeitsfläche zu nimmt die Faserdichte dann fortschreitend bis zu einem Wert von 15 Vol.-% an der Arbeitsfläche der Aushöhlung zu. Vorzugsweise kann die Änderung der Faserdichte in der vorgeformten Einlage allmählich vom Maximalwert an der Arbeitsfläche bis zum Minimalwert an der dazu entfernten Grenzfläche erfolgen. Nach einem anderen, alternativen Vorschlag kann die Änderung der Faserdichte in Form einer Reihe von aufeinanderfolgenden Faserschichten erfolgen; auch in diesem Falle werden völlig befriedigende Ergebnisse erhalten, solange der Unterschied der Faserdichte in zwei benachbarten Faserschichten nicht mehr als 5% beträgt (vgl. Fig. 2a und 3a). Eine vorgeformte Einlage mit sich ändernder Faserdichte verteilt die mechanischen Spannungen, die dann auftreten, wenn der Kolben erhebliche Temperaturwechsel-Beanspruchungen erfährt, z.B. im Falle einer Lösungs-Glühbehandlung gefolgt von einer anschließenden Abschreckung.

Alternativ kann eine solche, vorgeformte Einlage vorgesehen werden, die Bereiche mit unterschiedlicher Faserorientierung aufweist. In diesem Sinne kann die Faserorientierung an der Grenzfläche 21 zwischen dem Verbundabschnitt und dem Metallmaterial-Abschnitt in Richtung der Kolbenachse ausgerichtet sein; im Gegensatz dazu ist die Orientierung der keramischen Fasern in dem an die Arbeitsfläche 23 angrenzenden Bereich angenähert parallel zum Kolbenboden ausgerichtet (vg]. Fig. 4), In bestimmten Fällen kann es zweckmäßig sein, zwischen diesen beiden Bereichen eine Übergangszone 25 mit willkürlicher Faserorientierung (Wirrfaserlage) vorzusehen, wie das in Fig. 4a angedeutet ist. Ein solcher Aufbau verteilt die mechanischen Spannungen noch besser, die aus raschem Temperaturwechsel resultieren; solche Temperaturänderungen können sowohl im Verlauf einer Wärmebehandlung zur Steigerung der Festigkeit des Metallgefüges wie unter schweren Arbeitsbedingungen eines

Motors auftreten. Schließlich - und das ist besonders wichtig schafft dieser Aufbau einen Kolben mit ausgezeichneter Abriebbeständigkeit und Festigkeit, ohne daß die Notwendigkeit zur Anwendung einer getrennten Oberflächenbeschichtungsschicht besteht.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht einen Metallgegenstand, etwa einen Kolben vor, wie er mit Fig. dargestellt ist. Ein solcher Gegenstand/Kolben enthält eine vorgefertigte Einlage 26 aus keramischen Fasern, die mehrere Bereiche aufweist, die sich hinsichtlich wichtiger Fasereigenschaften unterscheiden. Eine solche Einlage aus keramischen Fasern mit mehreren, unterschiedliche Fasereigenschaften aufweisenden Bereichen erleichtert die Herstellung des fertigen Gegenstandes, und erlaubt im Anschluß an den Gußvorgang eine Wärmebehandlung zur Erzielung maximaler Festigkeitswerte. Zum Beispiel kann, wie in Fig. 5 dargestellt, eine Einlage 26 aus keramischen Fasern mit mehreren, unterschiedliche Fasereigenschaften aufweisenden Bereichen einen Bereich 28 mit höchster Faserdichte angrenzend an die Oberseite des Bereiches 28 aufweisen, und wenigstens einen weiteren Bereich mit niedrigster Faserdichte an der Bodenfläche. Vorzugsweise ist eine solche Faserorientierung vorgesehen, daß diese im wesentlichen senkrecht zur Achse der vorgeformten Einlage verläuft oder der Kontur der Oberseite der Einlage folgt, wie das in Fig. 5 dargestellt ist. Ein zweiter Bereich 30 der Einlage 26 kann unterschiedliche Faserdichten aufweisen oder nicht, wobei die Faserorientierung typischerweise in eine Richtung parallel zur vorgeformten Einlage verläuft. Das heißt, dieser zweite Bereich der vorgeformten Einlage kann sich in verschiedenen, wichtigen Fasereigenschaften (Zusammensetzung, Orientierung, Dichte und dergleichen) von dem anderen Bereich der Einlage unterscheiden. In der Praxis kann diese Form der vorgeformten Einlage verwendet werden, um einen Kolben 32 zu erzeugen, wie er in Fig. 6

dargestellt ist; die Einlage aus keramischen Fasern mit mehreren, sich hinsichtlich wichtiger Fasereigenschaften unterscheidende Bereiche bildet einen Bestandteil dieses Kolbens. Weiterhin kann eine Einlage aus keramischen Fasern auch im Bereich des Kolbenbolzens vorgesehen werden.

Das nachstehende Beispiel bringt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und dient zur weiteren Erläuterung, ohne die Erfindung einzuschränken.

. Zuerst wird eine geeignete vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern, nämlich aus Aluminiumoxydfasern, bereitgestellt, die in demjenigen Bereich, der am fertigen Verbundabschnitt an die Arbeitsfläche angrenzt, einen Fasergehalt von 17 Vol.-% aufweist, der allmählich auf einen Wert von 4 Vol.-% im Bodenbereich abnimmt. Diese vorgeformte Einlage wird daraufhin innerhalb einer Gußform für einen Kolben angeordnet und eine Aluminiumlegierung wird bei einer Temperatur von 670⁰C bis 760⁰C unter Druck in die Form eingeführt. Die Aluminiumlegierung besteht im wesentlichen aus 4,0% Kupfer, 2,0% Nickel, 1,5% Magnesium, Rest Aluminium. Die Erzeugung des Gußstückes erfolgt unter den bekannten Druckguß-Bedingungen, so daß das flüssige Metall die Einlage umgibt und diese durchdringt; zur Durchführung des Druckgusses wird ein Druck zwischen 350 und 2.460 bar ausgeübt.

2. Der die vorgeformte Einlage enthaltende Kolben wird daraufhin abgekühlt und aus der Gußform entnommen.

3. Am abgekühlten Kolben wird daraufhin eine Lösungs-Glühbehandlung durchgeführt; im Anschluß daran wird der Kolben abgeschreckt und gehärtet. Im Verlauf der Lösungs-Glühbehandlung wird der Kolben 12h lang bei einer Temperatur

von 516⁰C - 5 C gehalten; im Anschluß daran wird der Kolben rasch mit Wasser auf eine Temperatur von 38 bis 82°C abgekühlt. Daraufhin wird der Kolben 3 bis 5 h lang bei einer Temperatur zwischen 200 und 240 C gehärtet. Hierbei wird

2 ein Kolben mit einer Zugfestigkeit von 33.000 N/cm (47 ksi) erhalten. Für anders zusammengesetzte Aluminiumlegierungen müssen andere an die Legierungszusammensetzung angepaßte Parameter der Wärmebehandlung vorgesehen werden.

4. Der wärmebehandelte Kolben wird daraufhin einer abschließenden mechanischen Bearbeitung unterzogen, bis er die erforderlichen Abmessungen angenommen hat, soweit dies erforderlich ist. Eine solche mechanische Bearbeitung kann in üblicher Weise erfolgen.

Auf diese Weise hergestellte Kolben weisen eine gute Abriebbeständigkeit und eine gute Wärmestandfestigkeit (Beständigkeit gegen thermisch induzierte Rißbildung) auf, ohne daß die Anwendung einer speziellen Oberflachenbeschichtung oder dergleichen erforderlich ist. Die Kolben weisen ausgezeichnete Festigkeitswerte auf und erweisen sich im Betrieb als zuverlässig. Das Herstellungsverfahren ist einfach und wirtschaftlich. Typischerweise weisen solche Kolben, an denen keine Wärmebehandlung mit abschließender Abschreckung und Härtung durchgeführt werden kann, eine Zugfestigkeit

2
von ungefähr 26.000 N/cm (37 ksi) auf; im Vergleich dazu weisen solche Kolben, an denen eine Wärmebehandlung mit Abschreckung und Aushärtung durchgeführt worden ist, eine

2
Zugfestigkeit von 31.600 N/cm (45 ksi) oder besser auf.

Die bislang bestehenden Schwierigkeiten hinsichtlich der thermisch induzierten Rißbildung sind gelöst worden, und trotzdem wird ein hochfester Metallgußgegenstand erhalten. Die Anwendung einer vorgeformten Einlage mit einem oder mehreren Bereichen, die sich hinsichtlich bestimmter, vor-

gegebener Fasereigenschaften von einem oder mehreren anderen Bereichen unterscheiden, ermöglicht es, einen Metallgußgegenstand bereitzustellen, der außerordentliche hohe Festigkeitswerte aufweist, wobei dennoch die aus dem Stand der Technik bekannten Schwierigkeiten hinsichtlich der thermisch induzierten Rißbildung und einer vergleichsweise geringen Abriebbeständigkeit überwunden sind, ohne daß die Notwendigkeit besteht, spezielle Oberflächenbeschichtungen vorzusehen. Die erfindungsgemäß erzeugten Metallgußgegenstände, insbesondere Kolben für Verbrennungsmotoren, erweisen sich in Betrieb als zuverlässig. Die Herstellung kann einfach und wirtschaftlich erfolgen.

Wie dargelegt, ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert worden. Für Fachleute ist ersichtlich, daß verschiedene Abänderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom wesentlichen Kern der Erfindung abzuweichen. Solche Abänderungen betreffen beispielsweise die Anwendung von Zink oder anderer Metalle als gegossenes Metallmaterial. Auch solche Abänderungen und/oder Modifizierungen sollen von der vorliegenden Erfindung umfaßt sein, solange sie sich unter den Gegenstand der Ansprüche und deren Äquivalente subsumieren lassen.

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Claims

PATENTANWÄLTE TISCHER, KERN & BREHM Albert-Rosshaupter-Strasse 65 D 8000 München 70 Telefon (089) 7605520 Telex 5-? 12284 patsd Telegramme Kernpatent Münchpn IMPERIAL CLEVITE INC. 1. April 1986 Milwaukee Avenue, Suite 300 IC-44 Glenview, Illinois 60025 U.S.A. Verbund-Metallgußgegenstand Patentansprüche:

1. Ein Metallgußgegenstand,

mit einem Körper aus Aluminium, Magnesium, Zink oder deren Legierungen und

mit einer innerhalb des Körpers befindlichen, vorgeformten Einlage aus keramischen Fasern,

um die Wärmestandfestigkeit, die Abriebbeständigkeit und die Zug- bzw. Streckfestigkeit des Gegenstandes zu erhöhen, dadurch gekennzeichnet, daß

die vorgeformte Einlage (18, 24, 26) aus keramischen Fasern mit vorgegebenen, bestimmten Eigenschaften besteht, welche eine besonders gute Bindung zwischen Körper (12) und der vorgeformten Einlage ergeben.

2. Der Metallgußgegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Körper (12) einen ersten, lediglich aus Metall, nämlich aus Aluminium, Magnesium, Zink oder deren Legierung bestehenden Abschnitt und einen zweiten, zusammengesetzten Abschnitt (Verbund-Abschnitt) aufweist, der sowohl eines dieser Metalle

und die Einlage enthält; und

diese vorgeformte Einlage verschiedene, sich hinsichtlich der Faserdichte unterscheidende Bereiche aufweist, wobei die Faserdichte in dem unmittelbar an den ersten Körperabschnitt angrenzenden Bereich niedriger ist, und wobei die Faserdichte in dem an die Arbeitsfläche angrenzenden, zuti ersten Körperabschnitt entfernten Bereich höher ist, um den Zwang zur Anwendung besonderer Oberflächenbeschichtungen zu vermeiden.

3. Der Metallgußgegenstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die vorgegebene, sich ändernde Dichte der vorgeformten Einlage ausgehend vom Bereich mit niedriger Dichte in Richtung auf den an die Arbeitsfläche angrenzenden und höhere Dichte aufweisenden Bereich hin im wesentlichen allmählich und gleichmäßig zunimmt.

4. Der Metallgußgegenstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die vorgegebene, sich ändernde Dichte der vorgeformten Einlage ausgehend vom Bereich mit niedriger Dichte in Richtung auf den, an die Arbeitsfläche angrenzenden und höhere Dichte aufweisenden Bereich hin in Form einer Reihe aufeinanderfolgender Schichten mit jeweils größerer Dichte zunimmt.

5. Der Metallgußgegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

in dem niedrigere Dichte aufweisenden Bereich der vorgeformten Einlage innerhalb des Gegenstandes die Faserdichte 0 bis 5 Vol.-% beträgt; und

in dem höhere Dichte aufweisenden Bereich der vorgeformten Einlage innerhalb des Gegenstandes die Faserdichte 10 bis 50 Vol.-% ausmacht.

6. Der Metallgußgegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Körper einen ersten, lediglich aus Metall, nämlich aus Aluminium, Magnesium, Zink oder deren Legierungen bestehenden Abschnitt und einen zweiten, zusammengesetzten Abschnitt (Verbund-Abschnitt) aufweist, der sowohl eines dieser Metalle und die Einlage enthält; und

diese vorgeformte Einlage verschiedene, sich hinsichtlich der Faserorientierung unterscheidende Rereiche aufweist, wobei in einem, unmittelbar an den ersten Körperabschnitt angrenzenden Bereich eine erste Faserorientierung vorgesehen ist, welche eine besonders gute Bindung gewährleistet, und in einem weiteren, an die Arbeitsfläche angrenzenden und zum ersten Körperabschnitt entfernten Bereich eine zweite Faserorientierung vorgesehen ist, welche eine besonders hohe Wärmestandfestigkeit gewährleistet.

7. Der Metallgußgegenstand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

die vorgeformte Einlage einen dritten Bereich der Faserorientierung aufweist, nämlich eine Übergangszone mit willkürlicher Faserorientierung (Wirrfaserlage) zwischen der ersten Faserorientierung und der zweiten Faserorientierung.

8. Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor

mit einem Körper aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen und mit einer innerhalb des Körpers befindlichen, vorgeformten Einlage aus keramischen Fasern, um die Wärmestandfestigkeit, die Abriebbeständigkeit und die Zug- bzw. Streckfestigkeit des Kolbens zu erhöhen,
dadurch gekennzeichnet, daß

die vorgeformte Einlage (18, 24, 26) mehr als einen bestimmten Bereich aufweist, der sich hinsichtlich bestimmter Fasereigenschaften von wenigstens einem weiteren Bereich innerhalb der vorgeformten Einlage unterscheidet.

9. Der Kolben nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß

die verschiedenen Bereiche der vorgeformten Einlage sich hinsichtlich der Faserorientierung unterscheiden.

10. Der Kolben nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß

die verschiedenen Bereiche der vorgeformten Einlage sich hinsichtlich der Faserdichte unterscheiden.

11. Eine vorgeformte Einlage für die Anwendung in einem Metallgußgegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder für die Anwendung in einem Kolben nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß

diese Einlage aus keramischen Fasern besteht und mehr als einen Bereich aufweist, der sich hinsichtlich charakteristischer Fasereigenschaften von wenigstens einem weiteren Bereich der vorgeformten Einlage unterscheidet.

. Die vorgeformte Einlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß

innerhalb der Einlage wenigstens ein Bereich mit einer hohen Faserdichte von mehr als 10 Vol.-% vorhanden ist, und innerhalb der Einlage wenigstens ein weiterer Bereich mit niedriger Faserdichte von weniger als 5 Vol.-% vorhanden ist.

13. Die vorgeformte Einlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß

wenigstens ein Bereich der Einlage sich von wenigstens einem weiteren Bereich der Einlage hinsichtlich der Faserorientierung unterscheidet.

14. Ein Verfahren zur Herstellung eines mit keramischen Fasern verstärkten Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben einen mechanisch besonders stark belasteten und abriebbeständigen, keramische Fasern enthaltenden Abschnitt innerhalb eines Körpers aus Metallmaterial, nämlich aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen aufweist, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

Es wird eine vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern bereitgestellt, die bestimmte, vorgegebene Eigenschaften aufweisen;

diese Einlage wird innerhalb einer Gußform angeordnet; unter Druckguß-Bedingungen wird flüssiges Metallmaterial in die Gußform eingebracht und rund um die vorgeformte Einlage und diese durchdringend angeordnet, um einen mit keramischen Fasern verstärkten Kolben zu erzeugen; der erzeugte Kolben wird abgekühlt; und es wird eine Lösungs-Glühbehandlung, gefolgt von einer Abschreckung und eine anschließende Aushärtung durchgeführt, um maximale Zug- bzw. Streckfestigkeit des Metallmaterials zu erzielen.

15. Das Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß

eine vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern eingesetzt wird, die einen Bereich mit hoher Faserdichte aufweist, dessen Faseranteil mehr als 10 Vol.-% beträgt und die einen weiteren Bereich mit niedrigerer Faserdichte aufweist, dessen Faseranteil weniger als 5 Vol.-% beträgt.

16. Das Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß

eine vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern eingesetzt wird, die verschiedene, sich hinsichtlich der Faserorientierung unterscheidende Bereiche aufweist.

ORIGINAL IfJSPECTED

17. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorgeformte Einlage eingesetzt wird, die mehr als einen Bereich aufweist, der sich hinsichtlich bestimmter Eigenschaften der keramischen Fasern von wenigstens einem weiteren Bereich der vorgefertigten Einlage unterscheidet.