DE3823704A1 - Leichtmetallkolben fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen preßgegossenen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit im Bereich des Kolbenbodens und des Ringfelds ein- bzw. angegossenem, aus anorganischen in der Matrix des Werkstoffs des Leichtmetallkolbens mit einem Gehalt von < 10 bis 30 Vol.-%, vorzugsweise 15 bis 25 Vol.-%, eingebetteten Fasern aufgebautem topfartigem einteiligem Verbundwerkstoffkörper, der den gleichen Außendurchmesser wie der Kolben aufweist und in den vorzugsweise die erste Ringnut eingestochen ist.

Die Betriebsbeanspruchungen von Leichtmetallkolben in Brennkraftmaschinen setzen sich aus einer Kombination mechanisch und thermisch bedingter Spannungen zusammen. Die mechanischen Spannungen sind dynamisch, sie werden in der Hauptsache durch Gaskräfte verursacht. Die thermischen Beanspruchungen sind nur an der Oberfläche dynamisch; infolge der sich einstellenden Temperaturverteilung sind sie sonst als quasistatisch zu betrachten. Die in den letzten Jahrzehnten erfolgte Leistungssteigerung bei Brennkraftmaschinen hat zu einer Steigerung des effektiven Mitteldrucks geführt. Gleichzeitig werden eine weitere Steigerung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Brennkraftmaschinen als Ziel gesetzt. Parallel dazu wird die Forderung nach niedrigem Ölverbrauch sowie nach einer Verbesserung der Abgasqualität gestellt. Das bedeutet für Leichtmetallkolben sowohl höhere thermische als auch mechanische Belastungen. Durch den hohen Temperaturgradienten, beispielsweise im Bereich des Kolbenbodens, werden große Dehnungen verursacht, die plastische Verformungen des Oberflächenbereichs zur Folge haben, wodurch ein Teil der hohen Druckspannungen abgebaut wird. Wird die Brennkraftmaschine abgestellt, kühlt der Leichtmetallkolben ab, wodurch Zugspannungen entstehen, weil die Leichtmetallegierung im Betrieb unter den hohen Druckspannungen plastisch nachgegeben hat. Dieser Vorgang wiederholt sich im Prinzip bei jedem Lastwechsel aus der Vollast, wodurch die Leichtmetallegierung ermüdet und die Bildung mikroskopischer Fehlstellen gefördert wird, aus denen dann bei Überschreitung einer zulässigen Zugspannung Makroanrisse wachsen. Diese Risse können sich weiter ausbreiten und zum Ausfall des Leichtmetallkolbens führen. Ursache hierfür ist der Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen der duktilen Aluminium-Matrix und den spröden heterogenen Phasen, wie Silizium und intermetallische Phasen der Leichtmetallegierung. Die mikroskopischen Fehlstellen vergrößern sich zu Poren, die sich zu Makroanrissen vereinigen. Mit der Porenbildung ist eine Volumenzunahme und plastische Verformung der thermisch beanspruchten Bereiche verbunden.

Da aber die Fachwelt den aus Gewichtsgründen attraktiven Leichtmetallkolben beibehalten will, ist es nötig, ihn durch Sondermaßnahmen an spezielle örtliche Beanspruchungen anzupassen oder zu verstärken, wo dieser durch die Entwicklung der Brennkraftmaschine oder die Betriebsanforderung an der Grenze seiner Belastbarkeit angelangt ist.

So kann dem durch zeitweise thermisch/mechanische Überlastung entstehenden Verschleiß der Kolbenringe und ihrer Ringnuten, besonders des ersten Kolbenrings und seiner Ringnut, dadurch entgegengewirkt werden, daß ein aus Sondergußeisen bestehender zylinderringförmiger Ringträger in den Leichtmetallkolben eingegossen ist, der bei Betriebstemperaturen bedeutend härter und verschleißfester als der Werkstoff des Leichtmetallkolbens ist und in den die Ringnuten eingestochen sind. Um die Bindung zwischen Ringträger und Leichtmetallkolben noch zu verbessern, wird heute in den meisten Fällen, der Ringträger nach dem sogenannten Alfin-Verfahren in den Leichtmetallkolben eingegossen. Man erreicht durch den molekularen Verbund einen guten Kontakt zwischen Kolben und Ringträger, der nicht nur den Wärmefluß verbessert, sondern auch die Verbundfestigkeit erhöht (Bensinger, W.-D. und A. Mayer: Kolben, Pleuel und Kurbelwelle bei schnellaufenden Verbrennungsmotoren, Springer-Verlag Berlin-Göttingen-Heidelberg 1961, S. 11).

Bei geringerem Gewicht gegenüber einem aus Sondergußeisen bestehenden Ringträger kann der Bereich der ersten Ringnut auch durch Aufschmelzlegieren mit einer hoch-nickelhaltigen Zusatzlegierung in seinem Verschleißwiderstand erheblich gesteigert werden. Das Verfahren führt zu einer deutlichen Härtesteigerung der Ringnutflanken, die auch nach langen Laufzeiten unter hohen Temperaturen erhalten bleibt (US-A-4 5 62 327).

Als wesentlicher Schritt, die Belastbarkeit von Leichtmetallkolben zu erhöhen, kann das Preßgießen gelten. Bei diesem Gießverfahren wird die Schmelze mit einem beliebig einstellbaren Druck in die Form gefüllt und anschließend unter hohem Druck von über 1000 bar zur Erstarrung gebracht. Zusätzlich zum herstellungsbedingten feineren Gefüge, das im Bereich des Kolbenbodens zu einer höheren Thermoschockbeständigkeit führt, bringt dieses Verfahren eine geringere Streuung der Festigkeitswerte im Vergleich zum Kokillenguß. Durch das zusätzliche Ein- oder Angießen von aus anorganischen in der Matrix aus dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens eingebetteten Fasern aufgebauter Verbundwerkstoffkörper, kann die Belastbarkeit in dem für Leichtmetallkolben kritischen Temperaturbereich von über 300°C verdoppelt werden. Durch den hohen Gießdruck lassen sich vorgeformte Körper aus Fasern, sogenannte preforms, leicht mit der Leichtmetallschmelze penetrieren. Der Enddruck von über 1000 bar bringt Schmelze und Fasern auf atomaren Abstand, so daß es zu der für eine gute Bindung von Fasern und Matrix notwendigen, gesteuerten Reaktion kommen kann. Besonders im Bereich des Kolbenbodens und der Ringpartie werden dazu beim Preßgießen keramische Kurzfasern von wenigen µm Dicke in die Matrix des Leichtmetallkolbenwerkstoffs eingebettet. Entsprechend der Mischungsregel ergibt sich durch die Faserverstärkung sowohl eine Erhöhung der Festigkeit als auch ein Anstieg im E-Modul. Durch das Ein- bzw. Angießen des Verbundwerkstoffkörpers ist bei mittleren Belastungen ein Ersatz des aus Sondergußeisen bestehenden Ringträgers möglich.

Aus Gründen der Verschleißfestigkeit, der Wärmeleitung, der Thermoschockbeständigkeit sowie aus wirtschaftlichen Gründen ist in der EP-A-00 80 562 ein Leichtmetallkolben vorgesehen, in den ein aus 2 bis 10% anorganischen Fasern und einer Matrix aus dem Leichtmetallkolbenwerkstoff bestehender hohlzylinderförmiger Verbundkörper mit orientierungslos verlaufenden Fasern, der den Feuersteg und den Bereich der ersten Ringnut umfaßt, eingegossen ist.

Da außerdem bei Brennkraftmaschinen eine Erhöhung der Thermoschockbeständigkeit des Kolbenbodens anzustreben ist, ist bereits ein Leichtmetallkolben vorgesehen, bei dem der Kolbenboden aus einem Verbundwerkstoffkörper mit 20 Vol.-% Fasern, die parallel zur Ebene des Kolbenbodens ausgerichtet sind - innerhalb dieser Ebene ist die Orientierung statistisch regellos - besteht. Auf diese Weise wird neben einer guten Thermoschockbeständigkeit auch eine thermische Isolation des Brennraums durch die reduzierte Wärmeleitung des Verbundwerkstoffkörpers erreicht (Mielke, S., W. Sander, F. Weiss: Werkstoff für leichte Dieselkolben; KS-Jubiläumsschrift 9/1985).

Die EP-A-01 43 330 beschreibt einen durch Preßgießen hergestellten Leichtmetallkolben mit im Kolbenboden befindlicher Brennraummulde, in den ein das Ringfeld, den Kolbenboden außerhalb der Brennraummulde und den Rand der Brennraummulde umfassender topfartiger Verbundwerkstoffkörper eingegossen ist, wobei der Gehalt der orientierungslos angeordneten keramischen Fasern 1 bis 25% betragen soll. Da jedoch bekannt ist, daß mit steigendem Fasergehalt des Verbundwerkstoffkorpers zwar die Verschleißfestigkeit der Ringnutenflanken anwächst, gleichzeitig jedoch der Verschleiß des in der Ringnut eingesetzten Kolbenrings überproportional zunimmt, ist die Fachwelt bestrebt, den Fasergehalt des Verbundkörpers auf solche Werte - im allgemeinen zwischen 6 und 10 Vol.-% Faseranteil - einzustellen, damit einerseits ein möglichst geringer Verschleiß des Kolbenrings eintritt, andererseits jedoch eine ausreichende Verschleißfestigkeit der Ringnutenflanken gegeben ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei dem eingangs beschriebenen preßgegossenen Leichtmetallkolben die Festigkeit der Ringnutenflanken, wenigstens der ersten Ringnut deutlich zu verbessern, ohne dadurch jedoch den darin eingesetzten Kolbenring einem erhöhten Verschleiß auszusetzen.

Gelöst ist diese Aufgabe dadurch, daß die Fasern wenigstens im Bereich der Ringnuten parallel zur Ebene des Kolbenbodens verlaufend ausgerichtet sind.

Der erfindungsgemäß gestaltete Leichtmetallkolben ist in Fig. 1 in einem durch die Kolbenachse und die Achse der Kolbenbolzenbohrungen geführten Längsschnitt beispielhaft dargestellt. An den durch Preßgießen der Leichtmetallegierung des Typs AlSil2CuNiMg hergestellten Leichtmetallkolben (1) ist ein den Bereich des Kolbenbodens (2), des Feuerstegs (3) und der ersten Ringnut (4) umfassender topfartiger einteiliger Verbundwerkstoffkörper (5), bestehend aus einer die Matrix bildenden Leichtmetallegierung des Typs AlSil2CuNiMg und 20 Vol.-% darin eingebetteten Al₂O₃-Fasern, die parallel zur Ebene des Kolbenbodens (2) verlaufend ausgerichtet sind, angegossen.

Unter Verwendung einer Ringnutverschleiß-Modellprüfmaschine, mit der die mechanischen, thermischen und chemischen Bedingungen im Motorbetrieb simuliert werden können, wurde eine aus dem Leichtmetallkolben nach Fig. 1 herausgearbeitete segmentförmige Ringnut- und Kolbenringprobe untersucht. Aufgrund des für die Modellprüfung zu fordernden Beanspruchungskollektivs mit kleinen radialen Relativbewegungsamplituden hoher Frequenz zwischen Ringnut und Kolbenring ist als Basis für die Modellprüfmaschine ein nach dem Resonanzprinzip arbeitender Rütteltisch vorgesehen, auf dem die Ringnutprobe auf eine Heizplatte aufgespannt ist. Über dem Rütteltisch ist eine ortsfeste, über einen Exzenter bewegbare Belastungseinrichtung angeordnet, die die Kolbenringprobe aufnimmt und diese zyklisch auf die Ringnutprobe drückt. Zusätzlich sind an dem Rütteltisch eine Querbewegungseinrichtung für die Ringnutprobe und eine Schmiermittelversorgungseinrichtung angebaut.

Die radiale Relativbewegung zwischen Ringnut- und Kolbenringprobe wird durch die Radialbewegung des Rütteltisches erzeugt. Senkrecht zur Radialbewegung des Rütteltisches erfolgt die Seitenbewegung, die die relative Umfangsbewegung zwischen Ringnut und Kolbenring simuliert. Zur Simulation der Torsion des Kolbenrings in der Ringnut wird die Kolbenringprobe auf der Ringnutprobe einer Kippbewegung unterworfen. Bei der Modellprüfung ist eine kontinuierliche Schmierung der Gleitfläche zwischen Ringnut- und Kolbenringprobe zwischen Trockenlauf und voller Schmierung einstellbar. Die Ringnutprobe befindet sich auf einer elektrischen, widerstandsbeheizten Heizplatte, deren Wärmezufuhr so geregelt werden kann, daß die Ringnutprobe bis auf 300°C erwärmbar ist. Die Beheizung der Kolbenringprobe erfolgt durch Wärmeübertragung von der Ringnutprobe. Über Meßwertaufnehmer werden die Rütteltischbewegung, die Belastung, der elektrische Widerstand sowie die Kipp- und Querbewegung registriert.

In Fig. 2 sind in dem Säulendiagramm III die aus den Meßwerten von jeweils fünf Probekörpern errechneten Mittelwerte der Verschleißraten für verschiedene Bereiche der Ringnutprobe und für die Kolbenringprobe des nach der Erfindung aufgebauten Leichtmetallkolbens dargestellt.

Zum Zwecke des Vergleichs wurden zusätzlich fünf Ringnutproben der Leichtmetallegierung des Typs AlSil2CuNiMg und fünf Ringnutproben der Leichtmetallegierung des Typs AlSil2CuNiMg mit 20 Vol.-% orientierungslos darin eingebetteten Al₂O₃-Fasern mit jeweils fünf Kolbenringproben untersucht, deren Verschleißraten in den Säulendiagrammen I und II wiedergegeben sind.

Eine vergleichende Gegenüberstellung der Säulendiagramme I bis III zeigt, daß bei dem durch die erfindungsgemäße Ausführung des Verbundwerkstoffkörpers verbesserten Leichtmetallkolben sowohl die Ringnut als auch der Kolbenring trotz des hohen Anteils an Faserwerkstoff einen deutlich niedrigeren Verschleiß aufweisen.

Claims (1)

1. Preßgegossener Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit im Bereich des Kolbenbodens und des Ringfelds ein- bzw. angegossenem, aus organischen in der Matrix des Werkstoffs des Leichtmetallkolbens mit einem Gehalt von < 10 bis 30 Vol.-%, vorzugsweise 15 bis 25 Vol.-%, eingebetteten Fasern aufgebautem topfartigem einteiligem Verbundwerkstoffkörper, der den gleichen Außendurchmesser wie der Leichtmetallkolben aufweist und in den vorzugsweise die erste Ringnut eingestochen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Verbundwerkstoffkörpers (5) wenigstens im Bereich der Ringnuten (4) parallel zur Ebene des Kolbenbodens (2) verlaufend ausgerichtet sind.