DE3610856C3

DE3610856C3 - Verbund-Metallguß-Kolben für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE3610856C3
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: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2006-04-02
Also published as: IT8647834A0; DE3610856A1; GB8605730D0; CA1251010A; JPH09177604A; GB2173134A; MX166963B; BR8601512A; AU581734B2; US4587177A; GB2173134B; JP2866064B2; AU5419586A; JPS61235058A; IT1208743B; IN166369B; DE3610856C2

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.

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

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.

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.

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.

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.