DE3610856C2

DE3610856C2 - Verbund-Metallgußgegenstand

Info

Publication number: DE3610856C2
Application number: DE3610856A
Authority: DE
Inventors: Milton W Toaz; Martin D Smalc
Original assignee: Imperial Clevite Inc
Current assignee: Clevite Industries Inc
Priority date: 1985-04-04
Filing date: 1986-04-01
Publication date: 1995-08-31
Anticipated expiration: 2006-04-02
Also published as: AU5419586A; MX166963B; GB2173134B; IN166369B; BR8601512A; GB8605730D0; DE3610856C3; CA1251010A; GB2173134A; JPH09177604A; DE3610856A1; IT1208743B; IT8647834A0; JP2866064B2; JPS61235058A; AU581734B2; US4587177A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbund-Metall guß-Gegenstand, insbesondere einen Kolben für einen Verbren nungsmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein Verbund-Metallguß-Gegenstand dieser Art ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift 32 34 504 bekannt. Diese Druckschrift betrifft einen Kolben aus einer Leichtmetall- Legierung mit einer verstärkten Kolbenkrone, deren Verstär kung aus einer Lage oder Matte aus Whisker oder Fasern aus verstärkendem Material besteht, die in der Leichtmetall-Le gierung eingebettet ist, und deren Zwischenräume von der Leichtmetall-Legierung ausgefüllt sind. Die Whisker oder Fasern bestehen zweckmäßigerweise aus Aluminiumoxyd (Al₂O₃) oder Siliziumcarbid (SiC). Die Whisker oder Fasern der Matte können ungeordnet oder auch so angeordnet sein, daß sie in einer besonderen Richtung orientiert sind, die eine beson ders hohe Stärke bzw. Stabilität erfordert. Die Matte kann sich über die gesamte Bodenfläche der Form erstrecken oder kann auch die Form eines Ringes haben, so daß der mittlere Teil der Krone, der zur Herstellung der Brennkammer maschi nell entfernt wird, im wesentlichen aus der Leichtmetall- Legierung besteht, während die Verstärkung im Bereich um die Kante der Brennkammer gegeben ist.

Dieser Druckschrift kann kein Hinweis auf eine Einlage aus keramischen Fasern entnommen werden, die Abschnitte mit un terschiedlichen Eigenschaften aufweist, um damit gezielt eine Anpassung an unterschiedliche Anforderungen am Verbund- Metallguß-Gegenstand vorzunehmen, beispielsweise hinsicht lich solcher Eigenschaften wie Wärmestandfestigkeit, Abrieb beständigkeit sowie Zug- und Streckfestigkeit.

Die Deutsche Patentschrift 30 30 871 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbund-Gegenstandes, der eine vorgeformte Einlage aus anorganischen Fasern auf weist. Diese Einlage ist in einen Metallkörper eingebettet, der durch Umgießen der Einlage mit flüssigem Metall erzeugt wird. Die vorgeformte Einlage kann aus Faserbündeln be stehen, deren Fasern eine vorgegebene Orientierung aufwei sen. Irgendeine bestimmte Struktur oder Inhomogenität der Faserdichte innerhalb der vorgeformten Einlage wird nicht angesprochen.

Die Deutsche Patentschrift 27 01 421 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbund-Gegenstandes, insbesondere eines Kolbens oder Zylinders eines Verbren nungsmotors. Das Verfahren wird in zwei Stufen durchge führt. In einem ersten Schritt wird eine Metallschmelze um eine Einlage gegossen, die anorganische Fasern wie etwa Kohlenstoff-Fasern oder Glasfasern enthält. In einer zweiten Verfahrensstufe wird der so erhaltene Verbundkörper inner halb einer Form angeordnet, und es wird weiteres reines Me tall um den Verbundkörper gegossen. Auch hier ist irgendeine bestimmte Struktur der Fasereinlage nicht angesprochen.

Die Deutsche Offenlegungsschrift 32 48 373 betrifft ein Ver fahren zur Herstellung von Pleuelstangen, insbesondere für Brennkraftmaschinen. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Bündel aus unidirektional gerichteten anorganischen Fa sern (insbesondere Stahlfasern) innerhalb eines Rohres er hitzt, um die Fasern teilweise miteinander zu verbinden und so eine vorgeformte, mechanisch stabile Einlage zu schaffen. Diese Einlage wird in einem zweiten Verfahrensschritt in einer Form angeordnet und mit flüssigem Metall umgossen.

Die Deutsche Offenlegungsschrift 32 41 141 betrifft ein Ver fahren zur Herstellung von faserbündelverstärkten Druckguß teilen, insbesondere Pleuelstangen für Brennkraftmaschinen. Wiederum wird ein Bündel aus unidirektional gerichteten Fa sern in einem ersten Verfahrensschritt erhitzt, um die Fa sern teilweise miteinander zu verbinden. In einem zweiten Schritt wird die Einlage in einer Form angeordnet und mit flüssigem Metall umgossen. Entsprechend einer besonderen Ausführungsform kann die Einlage aus einem Kern aus anorga nischen, nicht-metallischen Fasern und aus einer Hülle aus metallischen Fasern bestehen. Hierdurch soll eine Gewichts ersparnis erzielt werden, weil ein Teil der Einlage aus Fa sern mit geringerem spezifischem Gewicht bestehen kann.

In einem Verbrennungsmotor und insbesondere in einem Diesel motor wirken auf die Kolben zumeist sehr strenge Betriebsbe dingungen ein. Es ist deshalb erforderlich, daß die entspre chenden, besonders stark belasteten Bereiche eine ausrei chende 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 Bestän digkeit gegen thermisch induzierte Rißbildung.

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

Eine Verstärkung des Metallmaterials des Kolbens mit kerami schen Fasern - wie beispielsweise in den vor stehend refe rierten Druckschriften vorgeschlagen - erfordert häufig den Zusatz eines keramischen Beschichtungsmittels. Die Fasern und das Beschichtungsmittel werden in demjenigen Abschnitt des Kolbens vorgesehen, wo hohe Temperaturbeständigkeit und/ oder Abriebbeständigkeit erforderlich ist, wie etwa im Be reich des Kolbenbodens mit der Aushöhlung oder in dem die Kolbenringe aufnehmenden Bereich des Kolbens. Das Einfügen von verstärkenden Fasern in das Kolbenmaterial hat sich je doch bei den üblichen Gießverfahren als schwierig erwiesen, sofern nicht verschiedene und teuere Legierungszusätze vor gesehen werden, welche wiederum Schwierigkeiten hinsichtlich der Zuverlässigkeit im Betrieb aufwerfen. Darüber hinaus kann dann, wenn der zur Erzielung der gewünschten Eigen schaften erforderliche hohe Faservolumen-Anteil realisiert wird, eine nachhaltige, thermisch induzierte Rißbildung auf treten, insbesondere dann, wenn der Kolben einer Lösungs- Glühbehandlung unterworfen wird, um maximale Festigkeit zu erzielen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einem Verbund-Metallguß-Gegenstand der genannten Art die thermisch/mechanischen Eigenschaften durch eine gezielte Ausgestaltung der Einlage aus keramischen Fasern zu ver bessern.

Ausgehend von einem Verbund-Metallguß-Gegenstand, insbesondere einem Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Körper aus Aluminium, Magnesium, Zink oder deren Legierungen,
wobei der Gegenstand wenigstens einen ersten Abschnitt auf weist, der ausschließlich aus diesem Metall besteht, und
wobei der Gegenstand wenigstens einen zweiten Verbundab schnitt aufweist, der sowohl dieses Metall und eine vorge formte Einlage aus keramischen Fasern enthält,
wobei die vorgeformte Einlage wenigstens einen ersten Ein lagenabschnitt, direkt benachbart zu dem Metallkörper, auf weist, und
die vorgeformte Einlage wenigstens einen zweiten Einlagen abschnitt, entfernt von dem ersten Einlagenabschnitt auf weist,
ist die erfindungsgemäße Lösung obiger Aufgabe dadurch ge kennzeichnet, daß
der erste Einlagenabschnitt eine kleinere Faserdichte auf weist als der zweite Einlagenabschnitt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der erste Ein lagenabschnitt eine Faserdichte von 0 bis 5 Vol.-% auf, und der zweite Einlagenabschnitt weist eine Faserdichte von 10 bis 50 Vol.-% auf.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es zweckmäßig, wenn der erste Einlagenabschnitt eine erste Orientierung der Fasern aufweist und der zweite Einlagen abschnitt eine zweite Orientierung der Fasern aufweist, die sich von der ersten Orientierung unterscheidet.

Weiterhin kann die Einlage einen dritten Einlagenabschnitt aufweisen, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ein lagenabschnitt befindet, wobei dieser dritte Einlagenab schnitt eine willkürliche Orientierung der Fasern (Wirrfa serlage) aufweist.

Dank dieser erfindungsgemäßen Ausbildung der aus keramischen Fasern bestehenden Einlage können am fertigen Verbund-Me tallguß-Gegenstand bestimmte thermische Nachbehandlungen (Lösungs-Glühbehandlung) durchgeführt werden, welche bei spielsweise die Festigkeit des Gegenstandes erhöhen.

Beispielsweise kann mit der vorliegenden Erfindung ein Ver bundkolben bereitgestellt werden, der einen Körper aus Alu minium oder einer Aluminiumlegierung aufweist, wobei sich innerhalb des Körpers eine vorgeformte Einlage aus kerami schem Fasermaterial befindet, um die Abriebbeständigkeit und die Zug- bzw. Streckfestigkeit des Kolbens zu steigern. Die ser Körper weist einen ersten, aus Aluminium oder der Alumi niumlegierung 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 unterschei dende Einlagenabschnitte aufweist. Im einzelnen ist die Fa serdichte in einem ersten unmittelbar an den ersten Körper abschnitt angrenzenden Einlagenabschnitt niedriger, während die Faserdichte in einem zweiten an die Arbeitsfläche an grenzenden, zum ersten Körperabschnitt entfernten Einlagen abschnitt höher ist, um die Neigung zur thermisch induzier ten Rißbildung auf ein Minimum herabzusetzen und um eine be sonders hohe und zuverlässige Bindung zwischen der Einlage und dem Metallabschnitt innerhalb des Kolbens zu gewähr leisten.

Alternativ oder zusätzlich kann diese vorgeformte Einlage verschiedene Bereiche aufweisen, die sich hinsichtlich der Faserorientierung unterscheiden. Im einzelnen ist in einem ersten, unmittelbar an den ersten Körperabschnitt angren zenden Einlagenabschnitt eine erste Faserorientierung vorge sehen; in einem zweiten, an die Arbeitsfläche angrenzenden und zum ersten Körperabschnitt entfernten Einlagenabschnitt ist eine zweite Faserorientierung vorgesehen. Die erste Fa serorientierung wird mit der Maßgabe gewählt, um eine be sonders hohe Bindung zu erzielen, und die zweite Faserorien tierung wird mit der Maßgabe gewählt, um eine optimale Wärmestandfestigkeit zu erzielen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Ver bund-Metallguß-Gegenstandes umfaßt wenigstens nachfolgende Verfahrensschritte:

- Es wird eine vorgeformte Einlage aus keramischen Fa sern bereitgestellt, die in verschiedenen Einlagen abschnitten bestimmte, vorgegebene Eigenschaften aufweist;
- diese Einlage wird innerhalb einer Gußform angeordnet;
- unter Druckgußbedingungen wird flüssiges Metallmate rial in die Gußform eingebracht und rund um die vor geformte Einlage und diese durchdringend angeordnet, um einen mit keramischen Fasern verstärkten Kolben zu erzeugen;
- der so erzeugte Kolben wird abgekühlt; und
- am abgekühlten Kolben wird eine Lösungs-Glühbehand lung, gefolgt von einer Abschreckung und einer an schließenden Aushärtungsbehandlung durchgeführt, um maximale Zug- bzw. Streckfestigkeit des Metallmate rials zu erzielen.

Mit der vorliegenden Erfindung kann ein mit keramischen Fa sern verstärkter Kolben bereitgestellt werden, welche den Rißbildungs-/Bindungs-Problemen zwischen einerseits den mit Fasern verstärkten Abschnitten und andererseits den Faser freien Abschnitten standhält. Diese Probleme treten insbe sondere 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 ge rade darin, daß diese Vorteile ohne die Notwendigkeit einer getrennten Oberflächen-Beschichtung erzielt werden, die bis lang als zur Erhöhung der Wärmestandfestigkeit und Abriebbe ständigkeit erforderlich angesehen worden sind.

Ein weiterer, mit der vorliegenden Erfindung erzielbarer Vorteil ist in der Möglichkeit zur Herstellung eines zusam mengesetzten Kolbens bzw. Verbundkolbens zu sehen, bei wel chem die Festigkeit der Aluminiumlegierung zu einem Maximal wert 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 Kol ben in dem an die Nut zur Aufnahme des Kolbenringes angren zenden Abschnitt eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Nachstehend wird die Erfindung mehr im einzelnen anhand be vorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnun gen erläutert: die letzteren zeigen:

Fig. 1 in einer Schnittdarstellung einen erfindungs gemäßen Kolben;

Fig. 2 eine für den Kolben nach Fig. 1 vorgesehene vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern, die verschiene Einlagenabschnitte mit unter schiedlicher Faserdichte aufweist;

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

Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer solchen vorgeformten Einlage aus keramischen Fasern, die verschiedene Einlagenabschnitte mit unter schiedlicher Faserdichte aufweist;

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

Fig. 4 noch eine weitere Ausführungsform einer sol chen, vorgeformten Einlage aus keramischen Fasern, die verschiedene Einlagenabschnitte mit unterschiedlicher Faserorientierung aufweist;

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

Fig. 5 in einer Schnittdarstellung noch eine weitere Ausführungsform einer solchen, vorgeformten Einlage aus keramischen Fasern, die verschie dene Einlagenabschnitte 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 Ausfüh rungsformen erläutert.

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 Alu minium-Gesellschaft).

Zu weiteren Beispielen häufig genutzter Legierungen gehören nachstehende Aluminium-Legierungen: eine Aluminium-Legierung mit 4,0% Kupfer, 2,0% Nickel, 1,5% Magnesium, maximal 0,7% Silicium, maximal 1,0% Eisen, Rest Aluminium (Legie rung 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 weite ren geeigneten Legierungen gehören Aluminium-Gußlegierungen oder Aluminium-Knetlegierungen, die mehr als 3,0% Zink ent halten. Soweit im Rahmen dieser Unterlagen von "Aluminium" gesprochen wird, soll diese Angabe sowohl Aluminium wie Aluminium-Legierungen, beispielsweise Legierungen der ge nannten Zusammensetzung einschließen.

Der Kolben 10 weist einen Kolbenboden 14 auf, in dem eine, einen Teil des Verbrennungsraums bildende Aushöhlung 16 aus gespart ist. In einem weiteren Kolbenabschnitt 18 ist von der Umfangswand ausgehend eine Nut zur Aufnahme eines Kol benringes 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 be steht aus keramischen, anorganischen Fasern, etwa aus Alu miniumoxyd, aus Aluminiumoxyd/Siliciumdioxyd-Fasern (bei spielsweise mit einem Anteil von angenähert 51 Gew.-% Al₂O₃), aus Siliciumkarbidfasern oder aus anderen bekannten kerami schen 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 Abriebbe ständigkeit erhalten wird, ohne daß am Kolben thermisch in duzierte Rißbildung oder vergleichbare Probleme auftreten, als Folge der Wärmeverträglichkeit zwischen den, die Ver stärkungsfasern enthaltenden Kolbenabschnitten (Verbund- Abschnitt) und den Faser-freien Kolbenabschnitten, die le diglich aus Aluminiummaterial bestehen (Metallmaterial-Ab schnitt).

Die vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern wird in einer Gußform für den zu erzeugenden Gegenstand, etwa einen Kol ben, 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 Ge genstandes erfolgt vorzugsweise im Druckguß-Verfahren, weil hierbei die Porosität im Gußkörper auf ein Minimum reduziert wird, die Größe dendritischer Körper und Zellen vermindert wird und die Bindung zwischen der Einlage aus keramischen Fasern und dem Metallmaterial, insbesondere Aluminium, er heblich 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 Ver bundabschnittes des Kolbens anschließt (das ist diejenige Oberfläche, die besonderen Schutz gegen Abrieb und thermi sche 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 Wärmeausdehnungs koeffizienten zu Schwierigkeiten hinsichtlich der Bindung zwischen Einlage und Metallmaterial führen. Zusätzlich zur Verringerung der thermischen Ausdehnung des Verbundabschnit tes werden auch die Probleme hinsichtlich thermisch indu zierter Rißbildung im Verlauf einer Wärmebehandlung im An schluß an den Gußvorgang erheblich reduziert; eine solche Wärmebehandlung kann beispielsweise eine Lösungs-Glühbehand lung und eine anschließende Abschreckung umfassen, um dem Gegenstand eine höchstmögliche Festigkeit zu verleihen. Im Hinblick darauf wird mit der vorliegenden Erfindung vorge schlagen, an der vorgeformten Einlage 24 Einlagenabschnitte mit unterschiedlicher Faserdichte (vgl. Fig. 2, 2a, 3 und 3a) oder Einlagenabschnitte mit unterschiedlicher Faser orientierung (vgl. Fig. 4 und 4a) vorzusehen. Hierbei ändert sich die Faserdichte oder die Faserorientierung beim Über gang 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 Abriebbe ständigkeit 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 Vol.-% angestrebt wird, dann soll die vorgeformte Einlage an der Grenzfläche zwi schen dem Verbundabschnitt der Einlage zum Metallmaterial des Kolbens eine Faserdichte von ungefähr 5 Vol.-% aufwei sen; von dieser Grenzfläche aus in Richtung auf die Ar beitsfläche zu nimmt die Faserdichte dann fortschreitend bis zu einem Wert von 15 Vol.-% an der Arbeitsfläche der Aushöh lung 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 er halten, solange der Unterschied der Faserdichte in zwei be nachbarten 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-Glühbe handlung gefolgt von einer anschließenden Abschreckung.

Alternativ kann eine solche, vorgeformte Einlage vorgesehen werden, die Einlagenabschnitte mit unterschiedlicher Faser orientierung aufweist. In diesem Sinne kann die Faserorien tierung 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 an grenzenden Bereich angenähert parallel zum Kolbenboden aus gerichtet (vgl. Fig. 4). In bestimmten Fällen kann es zweck mäßig sein, zwischen diesen beiden Einlagenabschnitten eine Übergangszone 25 mit willkürlicher Faserorientierung (Wirr faserlage) 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 Metallge füges wie unter schweren Arbeitsbedingungen eines Motors auftreten. Schließlich - und das ist besonders wichtig - schafft dieser Aufbau einen Kolben mit ausgezeichneter Ab riebbeständigkeit und Festigkeit, ohne daß die Notwendigkeit zur Anwendung einer getrennten Oberflächenbeschichtungs schicht besteht.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht einen Metallgegenstand, etwa einen Kolben vor, wie er mit Fig. 6 dargestellt ist. Eine solcher Gegenstand/Kolben ent hält eine vorgefertigte Einlage 26 aus keramischen Fasern, die mehrere Einlagenabschnitte aufweist, die sich hinsicht lich wichtiger Fasereigenschaften unterscheiden. Eine solche Einlage aus keramischen Fasern mit mehreren unterschiedliche Fasereigenschaften aufweisenden Einlagenabschnitten er leichtert 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 Einlagenabschnitten einen Einlagenabschnitt 28 mit höchster Faserdichte angrenzend an die Oberseite des Bereiches 28 aufweisen, und wenigstens einen weiteren Ein lagenabschnitt mit niedrigster Faserdichte an der Boden fläche. Vorzugsweise ist eine solche Faserorientierung vor gesehen, 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 Abschnitt 30 der Einlage 26 kann unterschiedliche Faserdichten aufweisen oder nicht, wobei die Faserorientie rung typischerweise in eine Richtung parallel zur vorgeform ten Einlage verläuft. Das heißt, dieser zweite Abschnitt der vorgeformten Einlage kann sich in verschiedenen, wichtigen Fasereigenschaften (Zusammensetzung, Orientierung, Dichte und dergleichen) von dem anderen Abschnitt der Einlage unterscheiden. In der Praxis kann diese Form der vorgeform ten Einlage verwendet werden, um einen Kolben 32 zu erzeu gen, wie er in Fig. 6 dargestellt ist; die Einlage aus ke ramischen Fasern mit mehreren, sich hinsichtlich wichtiger Fasereigenschaften unterscheidende Einlagenabschnitte bildet einen Bestandteil des Kolbens. Weiterhin kann eine Einlage aus keramischen Fasern auch im Bereich des Kolbenbolzens vorgesehen werden.

Das nachstehende Beispiel betrifft eine bevorzugte Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung und dient zur weiteren Erläuterung, ohne die Erfindung einzuschränken.

1. Zuerst wird eine vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern, nämlich aus Aluminiumoxydfasern, bereitgestellt, die in demjenigen Einlagenabschnitt, 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 Guß form für einen Kolben angeordnet. Eine Aluminiumlegie rung wird bei einer Temperatur von 670°C bis 760°C unter Druck in die Form eingeführt. Die Aluminiumlegie rung 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 um gibt und diese durchdringt; zur Durchführung des Druck gusses wird ein Druck zwischen 350 und 2460 bar ausge übt.
2. Der die vorgeformte Einlage enthaltende Kolben wird dar aufhin abgekühlt und aus der Gußform entnommen.
3. Am abgekühlten Kolben wird daraufhin eine Lösungs-Glüh behandlung durchgeführt; im Anschluß daran wird der Kolben abgeschreckt und gehärtet. Im Verlauf der Lösungs-Glühbehandlung wird der Kolben 12 h lang bei einer Temperatur von 516°C ± 5°C gehalten; im Anschluß daran wird der Kolben rasch mit Wasser auf eine Tempera tur von 38 bis 82°C abgekühlt. Daraufhin wird der Kol ben 3 bis 5 h lang bei einer Temperatur zwischen 200 und 240°C gehärtet. Hierbei wird ein Kolben mit einer Zug festigkeit von 33 000 N/cm² (47 ksi) erhalten. Für anders zusammengesetzte Aluminiumlegierungen müssen andere an die Legierungszusammensetzung angepaßte Para meter der Wärmebehandlung vorgesehen werden.
4. Der wärmebehandelte Kolben wird daraufhin einer ab schließenden mechanischen Bearbeitung unterzogen, bis er die erforderlichen Abmessungen angenommen hat, so weit dies erforderlich ist. Eine solche mechanische Bearbeitung kann in üblicher Weise erfolgen.

Auf diese Weise hergestellte Kolben weisen eine gute Abrieb beständigkeit und eine gute Wärmestandfestigkeit (Beständig keit gegen thermisch induzierte Rißbildung) auf, ohne daß die Anwendung einer speziellen Oberflächenbeschichtung oder dergleichen erforderlich ist. Die Kolben weisen ausgezeich nete Festigkeitswerte auf und erweisen sich im Betrieb als zuverlässig. Das Herstellungsverfahren ist einfach und wirt schaftlich. Typischerweise weisen solche Kolben, an denen keine Wärmebehandlung mit abschließender Abschreckung und Härtung durchgeführt werden kann, eine Zugfestigkeit von ungefähr 26 000 N/cm² (37 ksi) auf; im Vergleich dazu weisen solche Kolben, an denen eine Wärmebehandlung mit Abschrec kung und Aushärtung durchgeführt worden ist, eine Zugfestig keit von 31 600 N/cm² (45 ksi) oder besser auf. Die bislang bestehenden Schwierigkeiten hinsichtlich der thermisch indu zierten Rißbildung sind gelöst worden, und trotzdem wird ein hochfester Metallguß-Gegenstand erhalten. Die Anwendung einer vorgeformten Einlage mit einem oder mehreren Einlagen abschnitten, die sich hinsichtlich bestimmter, vorgegebener Fasereigenschaften von einem oder mehreren anderen Einlagen abschnitten unterscheiden, ermöglicht es, einen Metallguß- Gegenstand bereit zustellen, der außerordentliche hohe Festigkeitswerte aufweist.

Claims

1. Verbund-Metallguß-Gegenstand, insbesondere ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Körper aus Aluminium, Magnesium, Zink oder deren Legie rungen,
wobei der Gegenstand wenigstens einen ersten Abschnitt aufweist, der ausschließlich aus diesem Metall besteht, und
wobei der Gegenstand wenigstens einen zweiten Verbundabschnitt aufweist, der sowohl dieses Metall und eine vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern enthält,
wobei die vorgeformte Einlage wenigstens einen ersten Einlagenab schnitt, direkt benachbart zu dem Metallkörper, aufweist, und
die vorgeformte Einlage wenigstens einen zweiten Einlagenabschnitt, entfernt von dem ersten Einlagenabschnitt, aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Einlagenabschnitt eine kleinere Faserdichte aufweist als der zweite Einlagenabschnitt.

2. Verbund-Metallguß-Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Einlagenabschnitt eine Faserdichte von 0 bis 5 Vol.-% auf weist; und
der zweite Einlagenabschnitt eine Faserdichte von 10 bis 50 Vol.-% aufweist.

3. Verbund-Metallguß-Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Einlagenabschnitt eine erste Orientierung der Fasern auf weist; und
der zweite Einlagenabschnitt eine zweite Orientierung der Fasern aufweist, die sich von der ersten Orientierung unterscheidet.

4. Verbund-Metallguß-Gegenstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einlage einen dritten Einlagenabschnitt aufweist, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Einlagenabschnitt befindet; und
dieser dritte Einlagenabschnitt eine willkürliche Orientierung der Fasern (Wirrfaserlage) aufweist.