DE3610856C3 - Verbund-Metallguß-Kolben für Verbrennungsmotoren - Google Patents
Verbund-Metallguß-Kolben für VerbrennungsmotorenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbund-Metallguß-Kolben für
Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein Verbund-Metallguß-Kolben dieser Art ist aus der Europäischen Patent
publikation 0 143 330 A2 bekannt. Ein solcher Kolben wird im Druckguß
verfahren erzeugt, wobei geschmolzenes Kolbenmetall in eine Form einge
bracht wird und dort unter hohem Druck erstarrt. Innerhalb dieser Form
befindet sich eine Einlage aus keramischen Fasern aus beispielsweise
Aluminiumoxid, und unter dem hohen Druck während der Verfestigung
dringt das Metall in die Lücken und Zwischenräume zwischen den Fasern
innerhalb der Einlage ein, so daß nach der Verfestigung die Einlage in
das Kolbenmaterial integriert ist. Nach diesem älteren, jedoch nicht vor
veröffentlichten Vorschlag soll die Zusammensetzung der Einlage so un
einheitlich sein, daß die Einlage in verschiedenen Abschnitten des Kolbens
die dort geforderten unterschiedlichen Eigenschaften erzeugt. Beispiels
weise kann eine solche Faserverteilung innerhalb der Einlage gewählt
werden, daß ein zentraler Abschnitt des Kolbens (angrenzend an eine
Brennraummulde) eine höhere Faserdichte von beispielsweise 20 bis 25
Vol.-% aufweist, während ein peripherer Umfangsbereich (welcher die
Kolbenringnut einschließt) eine kleinere Faserdichte von beispielsweise
1 bis 10 Vol.-% aufweist.
Die ältere, jedoch nicht vorveröffentlichte Deutsche Patentschrift
34 30 056 betrifft einen Tauchkolben mit faserverstärkter Brennraummulde
für Verbrennungsmotoren. Die Verstärkung wird hier durch eine ring
förmige Einlage aus Keramikfasern erzielt, die konzentrisch um die Brenn
raummulde herum angeordnet ist. Diese Einlage weist im Bereich der Bol
zenrichtung eine höhere Faserdichte und im Bereich der Pleuelschwing
ebene eine kleinere Faserdichte auf. Jedoch erstreckt sich diese bekannte
Einlage nicht bis in einen solchen Kolbenabschnitt, welcher die Kolben
ringnut(en) einschließt.
Der Übersichtsartikel nach SAE 830252 "Ceramic Reinforced Piston for
High Performance Diesel Engines" (Febr./März 1983) referiert über die
Ergebnisse der Verstärkung eines Kolbens aus einer Al-Legierung mit
verschiedenen keramischen Fasern. Bestimmte Kolbenabschnitte, insbe
sondere um die Kolbenringnut herum, werden dadurch verstärkt, daß
in diesen Abschnitten ein bestimmter Faseranteil mit gegebenenfalls be
stimmter Faserorientierung vorgesehen wird.
Die Deutsche Offenlegungsschrift 32 34 504
betrifft einen Kolben aus ei
ner Leichtmetall-Legierung mit einer verstärkten Kol
benkrone, deren Verstärkung aus einer Lage oder Mal
te aus Whisker oder Fasern aus verstärkendem Material
besteht, die in der Leichtmetall-Legierung eingebettet
ist, und deren Zwischenräume von der Leichtmetall-Le
gierung ausgefüllt sind. Die Whisker oder Fasern beste
hen 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 besonders hohe Stärke bzw. Stabilität er
fordert. Die Matte kann sich über die gesamte Bodenflä
che der Form erstrecken oder kann auch die Form eines
Ringes haben, so daß der mittlere Teil der Krone, der
zur Herstellung der Brennkammer maschinell 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 Einla
ge aus keramischen Fasern entnommen werden, die Ab
schnitte mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweist,
um damit gezielt eine Anpassung an unterschiedliche
Anforderungen am Verbund-Metallguß-Kolben
vorzunehmen, beispielsweise hinsichtlich solcher Eigen
schaften wie Wärmestandfestigkeit, Abriebbeständig
keit sowie Zug- und Streckfestigkeit.
Die Deutsche Patentschrift 30 30 871 betrifft ein Ver
fahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbund-
Gegenstandes, der eine vorgeformte Einlage aus anor
ganischen Fasern aufweist. Diese Einlage ist in einen
Metallkörper eingebettet, der durch Umgießen der Ein
lage mit flüssigem Metall erzeugt wird. Die vorgeformte
Einlage kann aus Faserbündeln bestehen, deren Fasern
eine vorgegebene Orientierung aufweisen. Irgendeine
bestimmte Struktur oder Inhomogenität der Faserdich
te innerhalb der vorgeformten Einlage wird nicht ange
sprochen.
Die Deutsche Patentschrift 27 01 421 betrifft ein Ver
fahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbund-
Gegenstandes, insbesondere eines Kolbens oder Zylin
ders eines Verbrennungsmotors. Das Verfahren wird in
zwei Stufen durchgeführt. In einem ersten Schritt wird
eine Metallschmelze um eine Einlage gegossen, die an
organische Fasern wie etwa Kohlenstoff-Fasern oder
Glasfasern enthält. In einer zweiten Verfahrensstufe
wird der so erhaltene Verbundkörper innerhalb einer
Form angeordnet, und es wird weiteres reines Metall
um den Verbundkörper gegossen. Auch hier ist irgend
eine bestimmte Struktur der Fasereinlage nicht ange
sprochen.
Die Deutsche Offenlegungsschrift 32 48 373 betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von Pleuelstgen, insbe
sondere für Brennkraftmaschinen. In einem ersten Ver
fahrensschritt wird ein Bündel aus unidirektional gerich
teten anorganischen Fasern (insbesondere Stahlfasern)
innerhalb eines Rohres erhitzt, um die Fasern teilweise
miteinander zu verbinden und so eine vorgeformte, me
chanisch stabile Einlage zu schaffen. Diese Einlage wird
in einem zweiten Verfahrensschritt in einer Form ange
ordnet und mit flüssigem Metall umgossen.
Die Deutsche Offenlegungsschrift 32 41 141 betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von faserbündelverstärk
ten Druckgußteilen, insbesondere Pleuelstangen für
Brennkraftmaschinen. Wiederum wird ein Bündel aus
unidirektional gerichteten Fasern in einem ersten Ver
fahrensschritt erhitzt, um die Fasern teilweise miteinan
der zu verbinden. In einem zweiten Schritt wird die
Einlage in einer Form angeordnet und mit flüssigem
Metall umgossen. Entsprechend einer besonderen Aus
führungsform kann die Einlage aus einem Kern aus an
organischen, nicht-metallischen Fasern und aus einer
Hülle aus metallischen Fasern bestehen. Hierdurch soll
eine Gewichtsersparnis erzielt werden, weil ein Teil der
Einlage aus Fasern mit geringerem spezifischem Ge
wicht bestehen kann.
In einem Verbrennungsmotor und insbesondere in
einem Dieselmotor wirken auf die Kolben zumeist sehr
strenge Betriebsbedingungen ein. Es ist deshalb erfor
derlich, daß die entsprechenden, besonders stark bela
steten 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 Bren nen; und
- 3. die Wärmestandfestigkeit, insbesondere die Be ständigkeit gegen thermisch induzierte Rißbildung.
Diejenigen Abschnitte des Kolbens, die den höchsten
Belastungen ausgesetzt sind (hohe Temperatur und ho
her 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 Aushöh
lung im Kolbenboden.
Eine Verstärkung des Metallmaterials des Kolbens
mit keramischen Fasern - wie beispielsweise in den vor
stehend referierten Druckschriften vorgeschlagen -
erfordert häufig den Zusatz eines keramischen Be
schichtungsmittels. Die Fasern und das Beschichtungs
mittel 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 Kol
bens. Das Einfügen von verstärkenden Fasern in das
Kolbenmaterial hat sich jedoch bei den üblichen Gieß
verfahren als schwierig erwiesen, sofern nicht verschie
dene und teuere Legierungszusätze vorgesehen werden,
welche wiederum Schwierigkeiten hinsichtlich der Zu
verlässigkeit im Betrieb aufwerfen. Darüber hinaus
kann dann, wenn der zur Erzielung der gewünschten
55 Eigenschaften erforderliche hohe Faservolumen-Anteil
realisiert wird, eine nachhaltige, thermisch induzierte
Rißbildung auftreten, insbesondere dann, wenn der Kol
ben einer Lösungs-Glühbehandlung unterworfen wird,
um maximale Festigkeit zu erzielen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar
in, bei einem Verbund-Metallguß-Kolben der ge
nannten Art die thermisch/mechanischen Eigenschaften
durch eine gezielte Ausgestaltung und Anordnung der Einlage aus kera
mischen Fasern zu verbessern.
Ausgehend von einem Verbund-Metallguß-
Kolben für einen Verbren
nungsmotor, der wenigstens eine
Kolbenringnut aufweist und der aus Aluminium, Magne
sium, Zink oder deren Legierungen, besteht,
wobei der Kolben wenigstens einen ersten Kolbenab schnitt aufweist, der ausschließlich aus diesem Metall besteht, und
der Kolben wenigstens einen zweiten verstärkten Ver bundabschnitt aufweist, welcher den Bereich der Kolbenringnut einschließt und welcher sowohl dieses Metall und eine vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern ent hält,
wobei die vorgeformte Einlage wenigstens einen ersten Einlagenabschnitt, und
wenigstens einen zweiten Ein lagenabschnitt, entfernt von dem ersten Einlagenab schnitt aufweist, wobei der erste Einlagen abschnitt eine kleinere Faserdichte aufweist als der zweite Einlagen abschnitt, ist die erfindungsgemäße Lösung obiger Aufgabe da durch gekennzeichnet, daß der erste Einlagenabschnitt benachbart zu dem ersten Kolbenabschnitt angeordnet und mit diesem verbunden ist; und der zweite Kolbenabschnitt an eine Arbeitsfläche des Kolbens angrenzt und den Bereich der Kolbenringnut einschließt.
wobei der Kolben wenigstens einen ersten Kolbenab schnitt aufweist, der ausschließlich aus diesem Metall besteht, und
der Kolben wenigstens einen zweiten verstärkten Ver bundabschnitt aufweist, welcher den Bereich der Kolbenringnut einschließt und welcher sowohl dieses Metall und eine vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern ent hält,
wobei die vorgeformte Einlage wenigstens einen ersten Einlagenabschnitt, und
wenigstens einen zweiten Ein lagenabschnitt, entfernt von dem ersten Einlagenab schnitt aufweist, wobei der erste Einlagen abschnitt eine kleinere Faserdichte aufweist als der zweite Einlagen abschnitt, ist die erfindungsgemäße Lösung obiger Aufgabe da durch gekennzeichnet, daß der erste Einlagenabschnitt benachbart zu dem ersten Kolbenabschnitt angeordnet und mit diesem verbunden ist; und der zweite Kolbenabschnitt an eine Arbeitsfläche des Kolbens angrenzt und den Bereich der Kolbenringnut einschließt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der er
ste Einlagenabschnitt 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
Einlagenabschnitt eine zweite Orientierung der Fasern
aufweist, die sich von der ersten Orientierung unter
scheidet.
Weiterhin kann die Einlage einen dritten Einlagenab
schnitt aufweisen, der sich zwischen dem ersten und
dem zweiten Einlagenabschnitt befindet, wobei dieser
dritte Einlagenabschnitt eine willkürliche Orientierung
der Fasern (Wirrfaserlage) aufweist.
Dank dieser erfindungsgemäßen Ausbildung der aus
keramischen Fasern bestehenden Einlage können am
fertigen Verbund-Metallguß-Kolben bestimmte
thermische Nachbehandlungen (Lösungs-Glühbehand
lung) durchgeführt werden, welche beispielsweise die
Festigkeit des Kolbens erhöhen.
Beispielsweise kann mit der vorliegenden Erfindung
ein Verbundkolben bereitgestellt werden, der einen
Körper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
aufweist, wobei sich innerhalb des Körpers eine vorge
formte Einlage aus keramischem Fasermaterial befin
det, um die Abriebbeständigkeit und die Zug- bzw.
Streckfestigkeit des Kolbens zu steigern. Dieser Körper
weist einen ersten, aus Aluminium oder der Aluminium
legierung bestehenden Abschnitt auf und einen zweiten
Verbundabschnitt, der ebenfalls dieses metallische Ma
terial enthält und darüber hinaus eine vorgeformte Ein
lage, die verschiedene, sich hinsichtlich der Faserdichte
unterscheidende Einlagenabschnitte aufweist. Im einzel
nen ist die Faserdichte in einem ersten unmittelbar an
den ersten Körperabschnitt angrenzenden Einlagenab
schnitt niedriger, während die Faserdichte in einem
zweiten an die Arbeitsfläche angrenzenden, zum ersten
Körperabschnitt entfernten Einlagenabschnitt 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 ge
währleisten.
Zusätzlich kann diese vorgeformte
Einlage verschiedene Bereiche aufweisen, die sich hin
sichtlich der Faserorientierung unterscheiden. Im ein
zelnen ist in einem ersten, unmittelbar an den ersten
Körperabschnitt angrenzenden Einlagenabschnitt eine
erste Faserorientierung vorgesehen; in einem zweiten,
an die Arbeitsfläche angrenzenden und zum ersten Kör
perabschnitt entfernten Einlagenabschnitt ist eine zwei
te Faserorientierung vorgesehen. Die erste Faserorien
tierung wird mit der Maßgabe gewählt, um eine beson
ders hohe Bindung zu erzielen, und die zweite Faser
orientierung wird mit der Maßgabe gewählt, um eine
optimale Wärmestandfestigkeit zu erzielen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemä
ßen Verbund-Metallguß-Kolbens umfaßt wenig
stens nachfolgende Verfahrensschritte:
- - Es wird eine vorgeformte Einlage aus kerami schen Fasern bereitgestellt, die in verschiedenen Einlagenabschnitten bestimmte, vorgegebene Ei genschaften aufweist;
- - diese Einlage wird innerhalb einer Gußform an geordnet;
- - unter Druckgußbedingungen wird flüssiges Me tallmaterial in die Gußform eingebracht und rund um die vorgeformte Einlage und diese durchdrin gend angeordnet, um 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 Zug- bzw. Streckfestig keit des Metallmaterials zu erzielen.
Mit der vorliegenden Erfindung kann ein mit kerami
schen Fasern verstärkter Kolben bereitgestellt werden,
welche den Rißbildungs-/Bindungs-Problemen zwi
schen einerseits den mit Fasern verstärkten Abschnitten
und andererseits den faserfreien Abschnitten standhält.
Diese Probleme treten insbesondere als Folge der ther
mischen Wechselbeanspruchung beim Betrieb des Mo
tors 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 Notwendig
keit einer getrennten Oberflächen-Beschichtung erzielt
werden, die bislang als zur Erhöhung der Wärmestand
festigkeit und Abriebbeständigkeit erforderlich angese
hen worden sind.
Ein weiterer, mit der vorliegenden Erfindung erziel
barer Vorteil ist in der Möglichkeit zur Herstellung ei
nes zusammengesetzten Kolbens bzw. Verbundkolbens
zu sehen, bei welchem die Festigkeit der Aluminiumle
gierung zu einem Maximalwert gesteigert werden kann,
der durch Lösungs-Glühbehandlung der Legierung er
zielbar ist, und zwar auch dann, wenn diese Wärmebe
handlung eine rasche Abschreckung einschließt, welche
für die nach dem Stand der Technik hergestellten Kol
ben schädlich ist. Noch ein weiterer Vorteil der vorlie
genden Erfindung ist darin zu sehen, daß der erfindungs
gemäße Kolben in dem an die Nut zur Aufnahme des
Kolbenringes angrenzenden Abschnitt eine höhere
Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Nachstehend wird die Erfindung mehr im einzelnen
anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug
nahme auf die Zeichnungen erläutert: die letzteren zei
gen:
Fig. 1 in einer Schnittdarstellung einen erfindungsge
mäßen Kolben;
Fig. 2 eine für den Kolben nach Fig. 1 vorgesehene
vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern, die ver
schiene Einlagenabschnitte mit unterschiedlicher Faser
dichte aufweist;
Fig. 2a eine Abänderung der Einlage nach Fig. 2;
Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer solchen
vorgeformten Einlage aus keramischen Fasern, die ver
schiedene Einlagenabschnitte mit unterschiedlicher Fa
serdichte 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, wo
bei zusätzlich eine Übergangszone mit willkürlicher Fa
serorientierung vorhanden ist;
Fig. 5 in einer Schnittdarstellung noch eine weitere
Ausführungsform einer solchen, vorgeformten Einlage
aus keramischen Fasern, die verschiedene Einlagenab
schnitte mit unterschiedlicher Faserdichte oder Faser
orientierung 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.
Die Fig. 1 zeigt einen Kolben 10 mit einem Kolben
körper 12, der irgendeine bekannte oder übliche Gestalt
aufweist und vorzugsweise aus Magnesium, aus Alumi
nium, oder aus einer Legierung dieser Metalle besteht.
Beispielsweise kann der Kolbenkörper aus einer Legie
rung aus 9,5% Silicium, 3,0% Kupfer, 1,0% Magnesium,
1,0% Zink, maximal 1,0% Eisen, Rest Aluminium beste
hen (Legierung Nr. 332.0 der Aluminium-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 (Legierung Nr. 242-0 der Alumi
nium-Gesellschaft); weiterhin eine Aluminium-Legie
rung mit 12,0% Silicium, 2,5% Nickel, 1,0% Magnesium,
1,0% Kupfer, maximal 0,2% Eisen, Rest Aluminium (Le
gierung Nr. 336.0 der Aluminium-Gesellschaft); zu wei
teren geeigneten Legierungen gehören Aluminium-
Gußlegierungen oder Aluminium-Knetlegierungen, die
mehr als 3,0% Zink enthalten. Soweit im Rahmen dieser
Unterlagen von "Aluminium" gesprochen wird, soll die
se Angabe sowohl Aluminium wie Aluminium-Legie
rungen, beispielsweise Legierungen der genannten Zu
sammensetzung einschließen.
Der Kolben 10 weist einen Kolbenboden 14 auf, in
dem eine, einen Teil des Verbrennungsraums bildende
Aushöhlung 16 ausgespart ist. In einem weiteren Kol
benabschnitt 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 vorgese
hen, daß der an die Kolbenring-Nut angrenzende Kol
benabschnitt 18 und gegebenfalls der an die Aushöhlung 16
angrenzende Kolbenabschnitt eine vorgeformte Einla
ge 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, anorganischen Fasern, etwa aus Alumini
umoxyd, aus Aluminiumoxyd/Siliciumdioxyd-Fasern
(beispielsweise mit einem Anteil von angenähert
51 Gew.-% Al2O3), aus Siliciumkarbidfasern oder aus
anderen bekannten keramischen Fasermaterialien. Die
se vorgeformten Einlagen können nach einer Vielzahl
bekannter Verfahren hergestellt werden; zu diesen Ver
fahren gehört beispielsweise auch die Formung im Va
kuum. Die charakteristischen Eigenschaften, das sind die
Dichte, die Art und die Orientierung dieser Fasern, sind
sorgfältig und bestimmt ausgewählt, wie das nachste
hend noch im einzelnen beschrieben wird, um zu ge
währleisten, daß im Verlauf einer Wärmebehandlung
(Lösungs-Glühbehandlung und/oder Abschreckung) ei
ne maximale Festigkeit und Abriebbeständigkeit erhal
ten wird, ohne daß am Kolben thermisch induzierte Riß
bildung oder vergleichbare Probleme auftreten, als Fol
ge der Wärmeverträglichkeit zwischen den, die Verstär
kungsfasern enthaltenden Kolbenabschnitten (Ver
bund-Abschnitt) und den Faser-freien Kolbenabschnit
ten, die lediglich aus Aluminiummaterial bestehen (Me
tallmaterial-Abschnitt).
Die vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern
wird in einer Gußform für den zu erzeugenden
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 Kolbens
erfolgt vorzugsweise im Druckguß-Verfahren, weil hier
bei die Porosität im Gußkörper auf ein Minimum redu
ziert wird, die Größe dendritischer Körper und Zellen
vermindert wird und die Bindung zwischen der Einlage
aus keramischen Fasern und dem Metallmaterial, insbe
sondere Aluminium, erheblich verbessert wird. Hierbei
ist zu beachten, daß im Verlauf des Druckguß-Vorgan
ges das Metallmaterial völlig die Fasereinlage durch
dringt und in deren Poren eindringt, so daß ein zusam
mengesetzter bzw. Verbundabschnitt des Kolbens ge
schaffen wird, der sowohl Metallmaterial wie kerami
sche Fasern enthält.
Im Rahmen der Erfindung ist darüber hinaus festge
stellt worden, daß weitere Bedingungen erfüllt sein müs
sen um bestimmte angestrebte Eigenschaften zu erzie
len. Hierzu gehört, daß der Anteil keramischer Fasern in
demjenigen Körperabschnitt, der an die Arbeitsfläche
des fertigen Verbundabschnittes des Kolbens anschließt und der den Bereich der
Kolbenringnut(en) einschließt
(das ist diejenige Oberfläche, die besonderen Schutz ge
gen Abrieb und thermische Einwirkung benötigt), vor
zugsweise eine Faserdichte entsprechend einem Volu
menanteil 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 Wär
meausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials;
anderenfalls können die unterschiedlichen Wärmeaus
dehnungskoeffizienten zu Schwierigkeiten hinsichtlich
der Bindung zwischen Einlage und Metallmaterial füh
ren. Zusätzlich zur Verringerung der thermischen Aus
dehnung des Verbundabschnittes werden auch die Pro
bleme hinsichtlich thermisch induzierter Rißbildung im
Verlauf einer Wärmebehandlung im Anschluß an den
Gußvorgang erheblich reduziert; eine solche Wärmebe
handlung kann beispielsweise eine Lösungs-Glühbe
handlung und eine anschließende Abschreckung umfas
sen, um dem Kolben eine höchstmögliche Festig
keit zu verleihen. Im Hinblick darauf wird mit der vorlie
genden Erfindung vorgeschlagen, an der vorgeformten
Einlage 24 Einlagenabschnitte mit unterschiedlicher Fa
serdichte (vgl. Fig. 2, 2a, 3 und 3a) und gegebenfalls Einlagenab
schnitte mit unterschiedlicher Faserorientierung (vgl.
Fig. 4 und 4a) vorzusehen. Hierbei ändert sich die Faser
dichte oder die Faserorientierung beim Obergang 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 Ab
riebbeständigkeit oder der Wärmestandfestigkeit zu ge
währleisten. Sofern beispielsweise in dem Bereich, der
die, einen Teil des Verbrennungsraumes bildende Aus
höhlung umgibt, eine Dichte an keramischen Fasern von
15 Vol.-% angestrebt wird, dann soll die vorgeformte
Einlage an der Grenzfläche zwischen dem Verbundab
schnitt der Einlage zum Metallmaterial des Kolbens ei
ne 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 Mini
malwert an der dazu entfernten Grenzfläche erfolgen.
Nach einem anderen, alternativen Vorschlag kann die
Änderung der Faserdichte in Form einer Reihe von auf
einanderfolgenden Faserschichten erfolgen; auch in die
sem Falle werden völlig befriedigende Ergebnisse erhal
ten, 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 Span
nungen, die dann auftreten, wenn der Kolben erhebliche
Temperaturwechsel-Beanspruchungen erfährt, z. B. im
Falle einer Lösungs-Glühbehandlung gefolgt von einer
anschließenden Abschreckung.
Zusätzlich kann eine solche, vorgeformte Einlage vor
gesehen werden, die Einlagenabschnitte mit unter
schiedlicher Faserorientierung aufweist. In diesem Sin
ne kann die Faserorientierung an der Grenzfläche 21
zwischen dem Verbundabschnitt und dem Metallmateri
al-Abschnitt in Richtung der Kolbenachse ausgerichtet
sein; im Gegensatz dazu ist die Orientierung der kera
mischen Fasern in dem an die Arbeitsfläche 23 angren
zenden Bereich angenähert parallel zum Kolbenboden
ausgerichtet (vgl. Fig. 4). In bestimmten Fällen kann es
zweckmäßig sein, zwischen diesen beiden Einlagenab
schnitten eine Übergangszone 25 mit willkürlicher Fa
serorientierung (Wirrfaserlage) vorzusehen, wie das in
Fig. 4a angedeutet ist. Ein solcher Aufbau verteilt die
mechanischen Spannungen noch besser, die aus ra
schem Temperaturwechsel resultieren; solche Tempe
raturänderungen können sowohl im Verlauf einer Wär
mebehandlung zur Steigerung der Festigkeit des Me
tallgefüges wie unter schweren Arbeitsbedingungen ei
nes Motors auftreten. Schließlich - und das ist beson
ders wichtig - schafft dieser Aufbau einen Kolben mit
ausgezeichneter Abriebbeständigkeit und Festigkeit,
ohne daß die Notwendigkeit zur Anwendung einer ge
trennten Oberflächenbeschichtungsschicht besteht.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Er
findung sieht einen Kol
ben vor, wie er mit Fig. 6 dargestellt ist. Eine solcher
Kolben enthält eine vorgefertigte Einlage
26 aus keramischen Fasern, die mehrere Einlagenab
schnitte aufweist, die sich hinsichtlich wichtiger Faserei
genschaften unterscheiden. Eine solche Einlage aus ke
ramischen Fasern mit mehreren unterschiedliche Faser
eigenschaften aufweisenden Einlagenabschnitten er
leichtert die Herstellung des fertigen Kolbens und
erlaubt im Anschluß an den Gußvorgang eine Wärme
behandlung zur Erzielung maximaler Festigkeitswerte.
Zum Beispiel kann, wie in Fig. 5 dargestellt, eine Einlage
26 aus keramischen Fasern mit mehreren, unterschiedli
che Fasereigenschaften aufweisenden Einlagenab
schnitten einen Einlagenabschnitt 28 mit höchster Fa
serdichte angrenzend an die Oberseite des Bereiches 28
aufweisen, und wenigstens einen weiteren Einlagenab
schnitt mit niedrigster Faserdichte an der Bodenfläche.
Vorzugsweise ist eine solche Faserorientierung vorge
sehen, 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 unter
schiedliche Faserdichten aufweisen oder nicht, wobei
die Faserorientierung typischerweise in eine Richtung
parallel zur vorgeformten Einlage verläuft. Das heißt,
dieser zweite Abschnitt der vorgeformten Einlage kann
sich in verschiedenen, wichtigen Fasereigenschaften
(Zusammensetzung, Orientierung, Dichte und derglei
chen) von dem anderen Abschnitt der Einlage unter
scheiden. In der Praxis kann diese Form der vorgeform
ten 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 Einla
genabschnitte bildet einen Bestandteil des Kolbens.
Weiterhin kann eine Einlage aus keramischen Fasern
auch im Bereich des Kolbenbolzens vorgesehen wer
den.
Das nachstehende Beispiel betrifft eine bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und dient
zur weiteren Erläuterung, ohne die Erfindung einzu
schränken.
- 1. Zuerst wird eine vorgeformte Einlage aus kera mischen Fasern, nämlich aus Aluminiumoxydfa sein bereitgestellt, die in demjenigen Einlagenab schnitt, 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 vorge formte Einlage wird daraufhin innerhalb einer Gußform für einen Kolben angeordnet. Eine Alu miniumlegierung wird bei einer Temperatur von 670°C bis 760°C unter Druck in die Form einge führt. Die Aluminiumlegierung besteht im wesentli chen aus 4,0% Kupfer, 2,0% Nickel, 1,5% Magne sium, Rest Aluminium. Die Erzeugung des Guß stückes erfolgt unter den bekannten Druckguß-Be dingungen, so daß das flüssige Metall die Einlage umgibt und diese durchdringt; zur Durchführung des Druckgusses wird ein Druck zwischen 350 und 2460 bar ausgeübt.
- 2. Der die vorgeformte Einlage enthaltende Kolben wird daraufhin abgekühlt und aus der Gußform entnommen.
- 3. Am abgekühlten Kolben wird daraufhin eine Lö sungs-Glühbehandlung 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 Kol ben 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 ein Kolben mit einer Zugfestigkeit von 33 000 N/cm2 (47 ksi) erhalten. Für anders zusammengesetzte Aluminiumlegierun gen müssen andere an die Legierungszusammen setzung angepaßte Parameter der Wärmebehand lung vorgesehen werden.
- 4. Der wärmebehandelte Kolben wird daraufhin ei ner abschließenden mechanischen Bearbeitung un terzogen, 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 Wärmestandfestig
keit (Beständigkeit gegen thermisch induzierte Rißbil
dung) auf, ohne daß die Anwendung einer speziellen
Oberflächenbeschichtung oder dergleichen erforderlich
ist. Die Kolben weisen ausgezeichnete Festigkeitswerte auf und
erweisen sich im Betrieb als zuverlässig. Das 10
Herstellungsverfahren ist einfach und wirtschaftlich.
Typischerweise weisen solche Kolben, an denen keine
Wärmebehandlung mit abschließender Abschreckung
und Härtung durchgeführt werden kann, eine Zugfestigkeit von
ungefähr 26000 N/cm2 (37 ksi) auf; im Ver
gleich dazu weisen solche Kolben, an denen eine Wär
mebehandlung mit Abschreckung und Aushärtung
durchgeführt worden ist, eine Zugfestigkeit von 31 600
N/cm2 (45 ksi) oder besser auf. Die bislang bestehenden
Schwierigkeiten hinsichtlich der thermisch induzierten
Rißbildung sind gelöst worden, und trotzdem wird ein
hochfester Verbund-Metallguß-Kolben erhalten. Die An
wendung einer vorgeformten Einlage mit einem oder
mehreren Einlagenabschnitten, die sich hinsichtlich be
stimmter, vorgegebener Fasereigenschaften
von einem 25 oder mehreren anderen Einlagenabschnitten
unterscheiden, ermöglicht es, einen Metallguß-Kolben
bereit zustellen, der außerordentliche hohe Festigkeits
werte aufweist.
Claims (4)
1. Verbund-Metallguß-Kolben für einen Verbrennungsmotor,
der wenigstens eine Kolbenringnut aufweist und der aus Aluminium, Magnesium, Zink oder deren Legierungen besteht,
wobei der Kolben wenigstens einen ersten Kolbenabschnitt aufweist, der nur aus diesem Metall besteht, und
der Kolben ferner wenigstens einen zweiten, verstärkten Verbund abschnitt aufweist, welcher den Bereich der Kolbenringnut einschließt und welcher sowohl dieses Metall und eine vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern enthält,
wobei die vorgeformte Einlage wenigstens einen ersten Einlagenab schnitt und wenigstens einen zweiten Einlagenabschnitt, entfernt von dem ersten Einlagenabschnitt, aufweist, wobei der erste Einlagen abschnitt eine kleinere Faserdichte aufweist als der zweite Einlagen abschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Einlagenabschnitt benachbart zu dem ersten Kolbenabschnitt angeordnet und mit diesem verbunden ist; und
der zweite Einlagenabschnitt an eine Arbeitsfläche des Kolbens an grenzt und den Bereich der Kolbenringnut einschließt.
der wenigstens eine Kolbenringnut aufweist und der aus Aluminium, Magnesium, Zink oder deren Legierungen besteht,
wobei der Kolben wenigstens einen ersten Kolbenabschnitt aufweist, der nur aus diesem Metall besteht, und
der Kolben ferner wenigstens einen zweiten, verstärkten Verbund abschnitt aufweist, welcher den Bereich der Kolbenringnut einschließt und welcher sowohl dieses Metall und eine vorgeformte Einlage aus keramischen Fasern enthält,
wobei die vorgeformte Einlage wenigstens einen ersten Einlagenab schnitt und wenigstens einen zweiten Einlagenabschnitt, entfernt von dem ersten Einlagenabschnitt, aufweist, wobei der erste Einlagen abschnitt eine kleinere Faserdichte aufweist als der zweite Einlagen abschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Einlagenabschnitt benachbart zu dem ersten Kolbenabschnitt angeordnet und mit diesem verbunden ist; und
der zweite Einlagenabschnitt an eine Arbeitsfläche des Kolbens an grenzt und den Bereich der Kolbenringnut einschließt.
2. Verbund-Metallguß-Kolben nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Einlagenabschnitt eine Faserdichte von 0 bis 5 Vol.-% aufweist; und
der zweite Einlagenabschnitt eine Faserdichte von 10 bis 50 Vol.-% aufweist.
der erste Einlagenabschnitt eine Faserdichte von 0 bis 5 Vol.-% aufweist; und
der zweite Einlagenabschnitt eine Faserdichte von 10 bis 50 Vol.-% aufweist.
3. Verbund-Metallguß-Kolben 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.
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-Kolben 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.
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