DE4010474A1

DE4010474A1 - Leichtmetallkolben

Info

Publication number: DE4010474A1
Application number: DE4010474A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl Ing Dr Mielke; Wolfgang Dipl Ing Dr Henning
Original assignee: Kolbenschmidt AG
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1990-03-31
Filing date: 1990-03-31
Publication date: 1991-10-02
Also published as: US5119777A; JPH05346166A

Description

Die Erfindung betrifft einen preßgegossenen Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für Dieselmotoren, mit einem im Bereich der ersten Ringnut, ggf. auch der zweiten Ringnut mit dem Kolbengrundkörper vergossenen, aus einem metallischen Werkstoff mit offenen, mit dem Kolbenwerkstoff gefüllten Poren bestehenden Ringträger, in den die Ringnut eingestochen ist.

Um den Forderungen nach niedrigem Kraftstoffverbrauch nachkommen zu können, ist in den vergangenen Jahren der mittlere effektive Druck bei NKW-Dieselmotoren stetig erhöht worden. Diese Motoren müssen für hohe Dauerbelastungen und die damit verbundenen erhöhten Betriebstemperaturen der kritischen Bereiche des Kolbens ausgelegt sein. Für diese Anwendungsfälle stehen heute Leichtmetallkolben zur Verfügung, bei denen im Bereich der ersten Ringnut und ggf. auch der zweiten Ringnut ein Ringträger aus einem speziellen austenitischen Gußwerkstoff mit metallischer Bindung mit dem Kolbengrundkörper vergossen ist. Da die Wärmeausdehnung des Gußeisenwerkstoffs in etwa derjenigen des Leichtmetallwerkstoffs entspricht, bilden sich nur vergleichsweise geringe Wärmespannungen aus, was eine gute Verbindung begünstigt (Technisches Handbuch, Karl Schmidt GmbH, Neckarsulm, 1967, S. 106-109). Die Ringnut wird erst im eingegossenen Zustand in den Ringträger eingestochen. Der Kolbenring liegt im verschleißfesten Werkstoff und ist gleichzeitig weniger hohen Temperaturen ausgesetzt. Zwischen dem Ringträger und dem Kolbenwerkstoff muß eine feste gasdichte Verbindung bestehen und ein besserer Wärmeübergang möglich sein.

Die Forderung nach einer gegen Verschleiß widerstandsfähigen ersten Ringnut bei gleichzeitiger Ausnutzung der hohen Werkstoffestigkeit eines durch Warmfließpressen hergestellten Leichtmetallkolbens hat zu einem Kolben mit eingepreßtem Ringträger geführt. Der aus austenitisch-sphärolithischem Gußeisen bestehende Ringträger besitzt eine stark zerklüftete Gußhaut mit zahlreichen, unregelmäßigen, hinterschnittenen Höhlungen, die vollständig mit Kolbenwerkstoff ausgefüllt und damit unlösbar mit dem Kolbengrundkörper verbunden sein sollen (DE-B-12 24 109). Dieser Ringträger unterliegt wegen zu niedriger Härte einem nicht unbeachtlichen Verschleiß.

Nach der DE-A-38 01 847 ist ein Verfahren zur Herstellung von Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit im Bereich wenigstens der ersten Ringnut angegossenem Ringträger bekannt, bei dem ein aus einem Werkstoff mit offenen Poren aus austenitischem Sintereisen bestehender, auf 400 bis 750°C erhitzter Ringträger in ein auf 200 bis 400°C vorgeheiztes Gesenk eingebracht, in das Gesenk eine bestimmte Menge an Aluminiumlegierungsschmelze eingegossen, die Schmelze bis zu ihrer Erstarrung unter Druck gesetzt wird, wobei das unter Druck stehende Metall den Ringträger umfließt, die Kolbenform füllt und dabei die offenen Poren des Ringträgers ausfüllt. Auf diese Weise soll insgesamt eine besonders feste Verbindung zwischen dem Ringträger und dem Kolbengrundkörper erreicht werden, die selbst sehr große Belastungen im Motor aushält, wodurch die Gefahr des Auftretens unerwünschter Risse oder gar Brüche im Verbindungsbereich zwischen dem Ringträger und dem Kolben so gut wie vollständig vermieden ist. Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein solcher Ringträger als Folge der Herstellung durch Sintern eine relativ niedrige Festigkeit besitzt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Ringträgerkolben der eingangs beschriebenen Bauart eine selbst unter lang andauernder Wärmeeinwirkung unlösbare Verbindung mit dem Kolbengrundkörper zu schaffen, die zugleich gas- und öldruckdicht ist. Ferner soll der Ringträger eine hohe Festigkeit besitzen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen aus kaltgepreßten Spänen von austenitischem Gußeisenwerkstoff bestehenden Ringträger, bei dem die freien Oberflächen der Späne metallisch mit dem Kolbenwerkstoff verbunden sind. An dem Gußeisenwerkstoff kommt es zur Ausbildung einer vergleichsweise dicken intermetallischen Schicht. Ferner bewirken die im Gußeisenwerkstoff enthaltenen Graphitlamellen wegen ihrer schmierenden Wirkung gute Notlaufeigenschaften.

Die Späne bestehen aus austenitischem Gußeisenwerkstoff mit Lamellengraphit der Zusammensetzung

1,0 bis 2,8 Gew.-% Silizium
0,8 bis 1,5 Gew.-% Mangan
13,5 bis 22,0 Gew.-% Nickel
1,75 bis 6,0 Gew.-% Chrom
max. 0,5 Gew.-% Kupfer
max. 3,0 Gew.-% Kohlenstoff
max. 0,8 Gew.-% Phosphor
Rest Eisen.

Der Kupfergehalt dieser Legierung kann auch 5,5 bis 7,5 Gew.-% betragen.

Es ist auch möglich, daß die Späne aus austenitischem Gußeisenwerkstoff mit Kugelgraphit der Zusammensetzung

1,75 bis 3,0 Gew.-% Silizium
0,7 bis 2,4 Gew.-% Mangan
18,0 bis 24,0 Gew.-% Nickel
max. 0,5 Gew.-% Chrom
max. 3,0 Gew.-% Kohlenstoff
max. 0,08 Gew.-% Phosphor
Rest Eisen

bestehen.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal sind die Späne aus austenitischem Sondergußeisen ganz oder teilweise durch Späne hochsiliziumhaltiger Aluminiumlegierungen, faserverstärkter Aluminiumlegierungen und Buntmetalle einzeln oder zu mehreren ersetzbar.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn den Spänen bis zu 5 Vol.-% Zinkpulver mit einer Korngröße von 40 bis 100 µm zugemischt sind, um eine gleichmäßige Benetzung der Späne zu erreichen.

Bei dem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäß gestalteten Leichtmetallkolbens werden die eine Größe von 1 bis 10 mm, vorzugsweise 2 bis 5 mm, aufweisenden, gereinigten und entfetteten Späne mit einem Druck von 350 bis 800 N/mm² zu einem Ringträger verpreßt, der anschließend für die Dauer von 5 bis 30 min, vorzugsweise 10 bis 15 min, in einer Aluminium- bzw. Aluminium-Silizium-Schmelze von 700 bis 750°C erwärmt, nach der Entnahme aus der Schmelze in eine Kolbenform eingebracht, die Kolbenform mit geschmolzenem Kolbenwerkstoff gefüllt und dieser unter Druck von vorzugsweise 500 bis 1000 bar zur Erstarrung gebracht wird.

Die zwischen den freien Oberflächen der Späne und dem Kolbenwerkstoff bestehende intermetallische Schicht ist an der äußeren Oberfläche des Ringträgers ungefähr 0,015 bis 0,030 mm und im Inneren < 10 µm, insbesondere 2 bis 5 µm, dick. Ihre Zusammensetzung entspricht beim Tauchen in Reinaluminium der intermetallischen Phase Fe₂Al₅; bei der Verwendung von Aluminiumlegierungen ist ihre Zusammensetzung komplizierter.

Die Bindefestigkeit des Ringträgers mit dem Kolbenwerkstoff ist annähernd doppelt so hoch wie diejenige bei einem Ringträger mit offenen Poren und nur mechanischer Verankerung mit dem Kolbenwerkstoff. Darüber hinaus zeigt die metallische Verbindung eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit und ist gas- und öldruckdicht.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine ausschnittsweise Darstellung eines durch die Achse eines Leichtmetallkolbens (1) geführten Längsschnitts, bei dem im Bereich der ersten Ringnut ein Ringträger (2) eingegossen ist, dessen Stege auf ihren Stirnseiten vom Kolbenwerkstoff überdeckt sind und in den die Ringnut (3) spanend eingestochen ist. Der Ringträger (2) besteht aus bei 480 N/mm² gepreßten, eine mittlere Länge von 4 mm aufweisenden Spänen (4) aus austenitischem Gußeisenwerkstoff mit Kugelgraphit der Zusammensetzung

2,0 Gew.-% Silizium
0,85 Gew.-% Mangan
19,0 Gew.-% Nickel
1,95 Gew.-% Chrom
1,5 Gew.-% Kohlenstoff
Rest Eisen.

Der in Fig. 2 in einer Vergrößerung von 500 : 1 dargestellte Schliff eines Teils einer Radialschnittebene durch den Kolben im Bereich des eingegossenen Ringträgers (2) zeigt einen einwandfreien Umguß des Ringträgers (2) mit Kolbenwerkstoff. An den Außenflächen des Ringträgers (2) besteht eine gute intermetallische Bindeschicht (5) mit einer Dicke von 0,015 bis 0,030 mm. Über den ganzen Querschnitt sind die offenen Porenvolumina (6) des Ringträgers (2) satt mit dem Werkstoff des Kolbenkörpers (7) penetriert bzw. mit intermetallischer Bindeschicht (5) ausgefüllt.

Claims

1. Preßgegossener Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für Dieselmotoren, mit einem im Bereich der ersten Ringnut, ggf. auch der zweiten Ringnut angeordneten und mit dem Kolbengrundkörper vergossenen, aus einem metallischen Werkstoff mit offenen, mit Kolbenwerkstoff gefüllten Poren bestehenden Ringträger, in den die Ringnut eingestochen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringträger (2) aus gereinigten und entfetteten kaltgepreßten Spänen (4) aus austenitischem Gußeisenwerkstoff besteht und zwischen den freien Oberflächen der Späne und dem Kolbenwerkstoff (1) eine metallische Bindung vorhanden ist.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Späne (4) aus austenitischem Gußeisenwerkstoff mit Lamellengraphit der Zusammensetzung 1,0 bis 2,8 Gew.-% Silizium
0,8 bis 1,5 Gew.-% Mangan
13,5 bis 22,0 Gew.-% Nickel
1,75 bis 6,0 Gew.-% Chrom
max. 0,5 Gew.-% Kupfer
max. 3,0 Gew.-% Kohlenstoff
max. 0,8 Gew.-%Phosphor
Rest Eisenbestehen.

3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupfergehalt 5,5 bis 7,5 Gew.-% beträgt.

4. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Späne (4) aus austenitischem Gußeisenwerkstoff mit Kugelgraphit der Zusammensetzung 1,75 bis 3,0 Gew.-% Silizium
0,7 bis 2,4 Gew.-% Mangan
18,0 bis 24,0 Gew.-% Nickel
max. 0,5 Gew.-% Chrom
max. 3,0 Gew.-% Kohlenstoff
max. 0,8 Gew.-%Phosphor
Rest Eisenbestehen.

5. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Späne (4) aus austenitischem Gußeisenwerkstoff ganz oder teilweise durch Späne hochsiliziumhaltiger Aluminiumlegierungen, faserhaltiger Aluminiumlegierungen und von Buntmetallen einzeln oder zu mehreren ersetzbar sind.

6. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Spänen (4) bis zu 5 Vol.-% Zinkpulver mit einer Korngröße von 40 bis 100 µm zugemischt sind.

7. Verfahren zur Herstellung des preßgegossenen Leichtmetallkolbens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gereinigten und entfetteten, eine Größe von 1 bis 10 mm, vorzugsweise 2 bis 5 mm, aufweisenden Späne mit einem Druck von 400 bis 600 N/mm² zu einem Ringträger kaltverpreßt werden, der für die Dauer von 5 bis 30 min, vorzugsweise 10 bis 15 min, in einer Aluminium- bzw. Aluminium-Silizium-Schmelze von 700 bis 750°C erwärmt wird, nach der Entnahme aus dieser Schmelze in einer Kolbenform angeordnet wird, in die Formschmelze des Kolbenwerkstoffs eingefüllt und unter Druck von vorzugsweise 500 bis 1000 bar zur Erstarrung gebracht wird.