DE3801784A1 - Leichtmetallkolben fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, dessen Ringnuten, insbesondere Ringnutenflanken, vorzugsweise der ersten Ringnute, mit einer Verschleißschutzschicht überzogen sind.

Die Lebensdauer von Brennkraftmaschinen, in denen die Kolben unter hohen thermischen und dynamischen Belastungen laufen, wird oft dadurch begrenzt, daß die Ringnuten der Kolben, besonders die Ringnuten für den ersten Kolbenring, stark verschleißen. Ringnuten- und Kolbenringverschleiß werden gefördert, wenn der Kolben durch hohe Leistungsanforderungen thermisch und dynamisch hoch belastet wird und damit der Kolbenwerkstoff im Bereich der Ringnutenflanken an Härte und Festigkeit verliert, der Kolben bedingt durch die Auslegung der Brennkraftmaschine nur eine kurze führende Schaftlänge besitzt und zum Kippen neigt, der erste Kolbenring infolge mangelnder Schmierung trocken in der Ringnute läuft, durch ungenügende Filterung von der Brennkraftmaschine viel Staub angesaugt wird und/oder stark Rückstände bildender Kraftstoff gefahren wird. Mit zunehmendem Verschleiß vergrößert sich auch das Spiel zwischen Ringnute und Kolbenring, der Kolbenring verliert seine Führung. Er läuft mit seiner Stirnfläche nicht mehr exakt auf der Zylinderlaufbahn, kann sich verkanten und dichtet dadurch gegen die Verbrennungsgase nicht mehr sicher ab. Ölverbrauch und Gasdurchlaß steigen im Laufe der Zeit auf ein nicht mehr vertretbares Maß an. Außerdem besteht die Gefahr, daß der Kolbenring wegen ungenügender Führung in der Kolbenringnute bricht und infolgedessen Kolben und Zylinder zerstört werden. Um diesem gefährlichen Verschleiß der Ringnute entgegenzuwirken, sind in dem Kolben, insbesondere im Bereich der ersten Ringnute, Ringträger eingegossen, die aus Sondergußeisen gefertigt sind und in die die Ringnut eingestochen ist. Durch solche vergleichsweise teuren Ringträger wird das Gewicht des Kolbens nicht unbeachtlich erhöht.

Bekannt ist auch, bei einem aus Leichtmetall bestehenden Kolben im Bereich der Kolbenringe am Kolbenrohling eine Nut einzustechen und diese nach dem Metallspritzverfahren zunächst mit einer dünnen Zwischenschicht aus Molybdän, Titan, Kobalt, Nickel oder deren Legierungen sowie rostfreiem Stahl auszuspritzen, dann mit einem rostfreien Stahl mit hohem Chromgehalt und einem bestimmten Nickelgehalt aufzufüllen und dann darin die Ringnuten auszubilden (DE-OS 14 00 115). Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß zwischen dem Leichtmetall des Kolbens und der aufgespritzten Zwischenschicht eine schlechte Haftfestigkeit besteht.

Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Oberflächen eines Leichtmetallkolbens ist in der US-PS 32 85 717 vorgesehen, einen verschleißfesten Aluminiumwerkstoff der Zusammensetzung 12 bis 30% Silizium, 10 bis 30% Kupfer, 2 bis 6% Mangan sowie ggf. bis zu 6% Eisen, 0,5 bis 5% Nickel, 0,5 bis 3% Chrom und 0,5 bis 1% verschiedene andere Metalle, wie Titan, Vanadium, Wolfram, Molybdän usw., Rest Aluminium durch Plasma-Auftragsschweißen aufzubringen, indem der im Lichtbogen verflüssigte Aluminiumwerkstoff auf den angeschmolzenen Leichtmetallwerkstoff des Kolbens trifft und hier eine harte Oberflächenschicht erzeugt. Die Zusammensetzung der Oberflächenschicht ändert sich von außen nach innen, wobei die an Zusatzwerkstoff ärmste Schicht am tiefsten zu unterst liegt. Die Legierungsbildung erfolgt hierbei durch Diffusion des Aluminiumzusatzwerkstoffs in die Oberfläche des Leichtmetallkolbens.

Die DE-AS 22 00 033 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit, vorzugsweise der obersten Ringnute, von Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, bei dem eine 18 bis 30% Silizium und 2 bis 6% Kupfer enthaltende Aluminiumlegierung unter Anwendung von Elektronenstrahlen mit dem Leichtmetallwerkstoff des Kolbens unter Auflegieren verschmolzen wird. Solche Verfahren haben sich in der Praxis nicht durchsetzen können, da in aller Regel der Aufwand zur Herstellung der Verschleißschutzschicht zu hoch ist.

Die US-PS 30 14 771 schlägt einen Leichtmetallkolben vor, bei dem eine im Bereich der obersten Kolbenringnute eingestochene Nute mit einem durch Schweißen aufgetragenen Zusatzwerkstoff aus der gleichen Leichtmetallegierung, aus der auch der Kolben besteht, und einer Eisenlegierung aufgefüllt und dann die Ringnut darin eingestochen wird. Als nachteilig hat sich jedoch herausgestellt, daß die Verschleißfestigkeit des aufgetragenen Leichtmetallwerkstoffs nicht den gestellten Anforderungen entspricht.

Schließlich ist aus der DE-OS 32 46 630 ein Verfahren bekannt, bei dem die Ringnuten von Leichtmetallkolben unter Anwendung des Lichtbogenschweißens mit einer siliziumhaltigen Aluminiumlegierung aufgefüllt und in diese dann die Ringnut eingestochen wird. Da die Herstellung solcher Verschleißschichten mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist, hat dieses Verfahren noch keine Anwendung in der Praxis finden können.

Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung, einen hochwirksamen Verschleißschutz, insbesondere für die Ringnutenflanken der ersten Ringnut von Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen zu schaffen, der sich mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellen läßt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine aus einem aushärtbaren Kunststoff hoher Wärmebeständigkeit mit darin eingebetteten Teilchen von Festschmierstoff mit Schichtgitterstruktur bestehende Verschleißschutzschicht gelöst.

Die Festschmierstoffteilchen bestehen insbesondere aus Graphit und Molybdändisulfid, die einzeln oder in Mischung in dem Kunststoff eingebettet sind.

Im Hinblick auf die angestrebte Wirkung besteht eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Verschleißschutzschicht darin, daß die sich in Längsrichtung erstreckenden Flächen der Festschmierstoffteilchen parallel zu den Nutenflanken der Ringnuten liegend in dem Kunststoff eingebettet sind.

Die Festschmierstoffteilchen besitzen nach einem ausgestaltenden Erfindungsmerkmal eine Größe von 0,1 bis 40 µm, vorzugsweise 0,5 bis 30 µm.

Die erfindungsgemäß aufgebaute Verschleißschutzschicht, die eine Dicke von 5 bis 30 µm, vorzugsweise 5 bis 10 µm besitzt, führt zu einer deutlichen Verringerung des Verschleißes der Ringnutenflanken um 45 bis 60%, bezogen auf verschleißschutzfreie Ringnutenflanken, ohne daß dieser Vorteil durch einen nennenswerten Verschleiß am Kolbenring kompensiert würde.

Die Verschleißschutzschicht wird in der Weise erzeugt, daß auf die Flächen der Ringnute des bei konstanter Drehfrequenz mit einer Bahngeschwindigkeit von 3,0 bis 6,0 m/s, vorzugsweise 3,5 bis 5,0 m/s, rotierenden Leichtmetallkolbens das Gemisch aus Kunststoff und Festschmierstoffteilchen nacheinander aufgetragen und anschließend warm oder kalt ausgehärtet wird. Durch die Anwendung dieser Verfahrensmaßnahmen läßt sich mit vergleichsweise geringem Aufwand die Verschleißschutzschicht fest mit den Ringnutflanken verbinden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Seitenansicht eines Leichtmetallkolbens in Bolzenrichtung und

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Details X aus Fig. 1.

Ein Leichtmetallkolben (1) mit einem Durchmesser von 80 mm wird nach dem Fertigstechen der Ringnuten (2) auf eine nicht dargestellte Drehmaschine aufgespannt und mit einer Bahngeschwindigkeit von 4,0 m/s bei konstanter Drehfrequenz gedreht. Über eine mit der Austrittsöffnung dicht über der einen Ringnutenflanke (3) angeordneten Kanüle (4) wird ein Gemisch eines Resol-Krenol-Harzes mit 50% Molybdändisulfid-Teilchen von einer mittleren Korngröße von 3 µm auf die eine Ringnutenflanke (3) der ersten Kolbenringnute (2) aufgetragen. Durch die hohe Drehzahl des Leichtmetallkolbens wird das Gemisch aus Kunststoff und Molybdändisulfid-Teilchen in radialer Richtung von der Ecke Ringnutengrund (5)/ Ringnutenflanke (3) nach außen geschleudert, wobei die Ringnutenflanke (3) mit einer sehr gleichmäßigen dünnen Verschleißschutzschicht (6) von 8 µm überzogen wird. Anschließend wird die Verschleißschutzschicht (6) bei 170°C warm ausgehärtet.

Claims (7)

1. Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, dessen Ringnuten, insbesondere Ringnutenflanken, vorzugsweise der ersten Ringnute, mit einer Verschleißschutzschicht überzogen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht (6) aus aushärtbarem Kunststoff hoher Wärmebeständigkeit mit darin eingebetteten Teilchen von Festschmierstoff mit Schichtgitterstruktur besteht.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Festschmierstoffteilchen 0,1 bis 40 µm, vorzugsweise 0,5 bis 30 µm, beträgt.

3. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Festschmierstoffteilchen Graphit und Molybdändisulfid einzeln oder im Gemisch in dem Kunststoff eingebettet sind.

4. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in Längsrichtung erstreckenden Flächen der Festschmierstoffteilchen parallel zu den Ringnutenflanken (3) liegend in dem Kunststoff eingebettet sind.

5. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht (6) eine Dicke von 5 bis 30 µm, vorzugsweise 5 bis 10 µm, besitzt.

6. Verfahren zur Herstellung der Verschleißschutzschicht nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Flächen der Ringnuten des bei konstanter Drehfrequenz mit einer Bahngeschwindigkeit von 3,0 bis 6,0 m/s, vorzugsweise 3,5 bis 5,0 m/s, rotierenden Leichtmetallkolbens das Gemisch aus Kunststoff und Festschmierstoffteilchen nacheinander aufgetragen und anschließend warm oder kalt ausgehärtet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch in einer Menge von 4 bis 20 ml/min aufgetragen wird.