DE4228216A1

DE4228216A1 - Verbundkolben mit einem siliziumnitrid-einsatz

Info

Publication number: DE4228216A1
Application number: DE4228216A
Authority: DE
Inventors: Tadao Ozawa; Yukio Miyairi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1991-08-26
Filing date: 1992-08-25
Publication date: 1993-03-04
Also published as: US5273009A; JPH0560011A; JP2591872B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolben mit einem Siliziumnitrid-Einsatz, der für eine Brennkraftmaschi ne bestimmt ist und aus einer Verbundkonstruktion besteht, die durch Verbundgießen eines Siliziumnitrid- und eines Me tallmaterials erhalten wird. Einige der Vorteile des Erfin dungsgegenstandes schließen niedrige Herstellungskosten für den Kolben wie auch einen einfachen Fertigungsprozeß bei niedrigen Temperaturen, so daß lediglich ein niedriges Spannungsniveau im Siliziumnitridmaterial hervorgerufen wird, ein. Bei hohen Temperaturen behält die Verbindung zwi schen dem Siliziumnitrid- und dem Metall-Bauteil ein hohes Festigkeitsniveau, d. h. mit anderen Worten ein hohes Niveau an Zuverlässigkeit oder Sicherheit bezüglich Festigkeit, und zwar frei von einem Brechen oder Reißen während der Her stellung.

In den letzten Jahren sind lebhafte und aktive Forschungs sowie Entwicklungsarbeiten in bezug auf mechanische Konstruk tionsteile durchgeführt worden, die die ausgezeichneten wärmebeständigen, abriebfesten und wärmeisolierenden Eigen schaften von Siliziumnitrid ausnützen. Da Siliziumnitrid spröder ist als Metall, ist es häufig schwierig, Silizium nitrid als das alleinige Material, das ein Bauteil bildet, zu verwenden, und insofern wird es im allgemeinen in Form eines Verbundkörpers in Kombination mit einem Metall zur Anwendung gebracht.

Bekannte Verfahren zur Verbindung von Siliziumnitrid und einem Metall umfassen die Schrumpfverbindung, die Preßver bindung oder das Hartlöten. Alle diese Verfahren erfordern jedoch, daß das gesinterte Siliziumnitrid-Bauteil mit einem Diamantschleifstein od. dgl. geschliffen wird, so daß die Oberfläche des Bauteils mit einem hohen Grad an Präzision feinbearbeitet wird. Diese Vorgehensweise ruft das Problem von hohen Produktionskosten hervor.

Um dieses Problem zu meistern, ist vorgeschlagen worden, eine Verbindung durch einen Einsatz- oder Verbundguß zu er zielen, d. h. einen Prozeß, der das Schleifen des Außenum fangs des Siliziumnitrid-Bauteils nicht erfordert. Ein Ver bundgießen unter Einsatz einer Aluminiumlegierung, die ein übliches Kolbenmaterial ist, hat jedoch ein Problem insofern zur Folge, als die Al-Legierung einen größeren Wärmedehnungs koeffizienten als das Siliziumnitrid hat, woraus eine Locke rung oder Spaltbildung resultiert, die zwischen dem Silizi umnitrid- und dem Metallmaterial auftritt, wenn diese hohen Temperaturen ausgesetzt werden.

Um dieses Problem zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, ein Verbundgießen unter Verwendung eines Metallmaterials durchzuführen, das in der Hauptsache aus Eisen besteht, welches einen kleineren Wärmedehnungskoeffizienten als eine Aluminiumlegierung hat. Ein Eisen enthaltendes Material (eisenhaltiges Material) hat einen Schmelzpunkt, der höher liegt als derjenige einer Aluminiumlegierung, und hieraus folgt ein anderes Problem. Die Gießtemperatur wird unvermeid lich während des Verbundgießens erhöht, was die Erzeugung einer übermäßigen Spannung im Siliziumnitrid während des Verbundgießens zwangsläufig zur Folge hat, wodurch die Ge fahr eines Zusammenbrechens des Siliziumnitrids erhöht wird.

Die vorliegende Erfindung ist darauf abgestellt, die herkömm licherweise hervorgerufenen Probleme zu überwinden, indem ein Kolben mit einem Siliziumnitrid-Einsatz (ein Silizium nitrid-Verbundkolben) für eine Brennkraftmaschine geschaf fen werden soll, der aus einer durch Verbundgießen eines Siliziumnitrid- und eines Metallmaterials erhaltenen Ver bundkonstruktion besteht. Eine maschinelle Bearbeitung zur Verbindung des Siliziumnitrid- und des Metallmaterials soll unnötig sein, so daß das Verbundwerkstück mittels einer kleinen Anzahl von Produktionsvorgängen oder -schritten bei niedrigen Herstellungskosten zu erzeugen ist, und des weiteren soll das Siliziumnitrid kaum anfällig für ein Bre chen während des Verbundgießens sein.

Um die obige Aufgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß ein Siliziumnitrid-Verbundkolben für eine Brennkraftmaschine geschaffen, der in einem oberen Kolbenabschnitt einen einen Brennraum begrenzenden Einsatz aus Siliziumnitrid besitzt. Dieser Kolben ist dadurch gekennzeichnet, (a) daß das Kolben-Hauptteil aus einem Eisen enthaltenden Metallmaterial als dessen Hauptkomponente gebildet ist und (b) daß die Gestalt des Siliziumnitrid-Einsatzes, die Hoch temperaturfestigkeit des Siliziumnitridmaterials, aus dem der Siliziumnitrid-Einsatz besteht, der Schmelzpunkt des Eisen enthaltenden Metallmaterials und die Verbundgußbedin gungen die folgenden Formeln (1) und (2) erfüllen:

k₁ · ΔT · (1/R₁ - 1/R₂) + k₂ · l² · ΔT < 0,5σ_c (1)

T_o = T_m - 0,413 · l · ΔT (2)

worin sind:

k₁ = 0,25 und k₂ = 0,05;
σ_c (MPa): die Vierpunkt-Biegefestigkeit des Siliziumnitridmaterials bei der Temperatur T_c (°C);
T_m (°C): der Schmelzpunkt des das Kolbenhauptteil bildenden Eisen enthaltenden Metallmaterials;
ΔT (°C): die Differenz zwischen der Vorwärmtemperatur des Siliziumnitrid-Einsatzes während des Einsetzens und dem Schmelzpunkt T_m (°C) des das Kolbenhauptteil bildenden Eisen enthaltenden Metallmaterials;
R₁, R₂: einen Querschnitt, der durch die die Brennraumachse und die Kolbenachse enthaltende Ebene gelegt ist, wobei:
die Punkte, an denen die Brennraumachse den Außenumriß sowie die Brennraumkontur des Siliziumnitrid-Einsatzes schneidet, durch ein Segment T0 verbunden sind;
in dem durch das Segment T0 abgetrennten kleineren Bereich ein zur Brennraumachse paralleles Segment PQ den Bereich darstellt, in dem die Dicke des Siliziumnitrid-Einsatzes ein Minimum ist;
das Segment PQ den genannten Bereich in eine Querschnittsfläche S₁ bzw. S₂ teilt, von denen die Fläche S₁ zur Brennraumachse entfernt und die Fläche S₂ zur Brennraumachse nahe liegt;
R₁ der Wert ist, der durch Dividieren der Querschnittsfläche S₁ durch die Länge der Kurve SQ erhalten wird, die den Punkt S, an dem der Außenumriß des Siliziumnitrid- Einsatzes dessen obere Fläche schneidet, und den Punkt Q auf dem Außenumriß des Siliziumnitrid-Einsatzes verbindet;
R₂ der Wert ist, der durch Dividieren der Querschnittsfläche S₂ durch die Länge der Kurve QT erhalten wird, die sich längs des Außenumrisses des Siliziumnitrid- Einsatzes vom Punkt Q zum Punkt T erstreckt; und
l die Länge des Segments PQ ist.

Die vorliegende Erfindung schafft auch einen Siliziumnitrid- Verbundkolben, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ge stalt eines Siliziumnitrid-Einsatzes, die Hochtemperaturfe stigkeit des Siliziumnitridmaterials, aus dem der Silizium nitrid-Einsatz besteht, und der Schmelzpunkt eines Eisen enthaltenden Metallmaterials die folgenden Formeln (3) und (4) erfüllen:

k₁ · T_m · (1/R₁ - 1/R₂) + k₂ · l² · T_m < 0,5σ_c (3)

T_c = T_m - 0,413 · l · T_m (4)

worin sind:

k₁ = 0,25 und k₂ = 0,05;
σ_c (MPa): die Vierpunkt-Festigkeit des Siliziumnitridmaterials bei der Temperatur T_c (°C);
T_m (°C): der Schmelzpunkt des das Kolbenhauptteil bildenden Eisen enthaltenden Metallmaterials;
R₁, R₂: ein Querschnitt, der durch die die Brennraumachse und die Kolbenachse enthaltende Ebene gelegt ist, wobei:
die Punkte, an denen die Brennraumachse den Außenumriß sowie die Brennraumkontur des Siliziumnitrid-Einsatzes schneidet, durch ein Segment T0 verbunden sind;
in dem durch das Segment T0 abgetrennten kleineren Bereich ein zur Brennraumachse paralleles Segment PQ den Bereich darstellt, in dem die Dicke des Siliziumnitrid-Einsatzes ein Minimum ist;
das Segment PQ den genannten Bereich in eine Querschnittsfläche S₁ bzw. S₂ teilt, von denen die Fläche S₁ zur Brennraumachse entfernt und die Fläche S₂ zur Brennraumachse nahe liegt;
R₁ der Wert ist, der durch Dividieren der Querschnittsfläche S₁ durch die Länge der Kurve SQ erhalten wird, die den Punkt S, an dem der Außenumriß des Siliziumnitrid- Einsatzes dessen obere Fläche schneidet, und den Punkt Q auf dem Außenumriß des Siliziumnitrid-Einsatzes verbindet;
R₂ der Wert ist, der durch Dividieren der Querschnittsfläche S₂ durch die Länge der Kurve QT erhalten wird, die sich längs der äußeren Fläche der Außenkontur des Siliziumnitrid-Einsatzes vom Punkt Q zum Punkt T erstreckt; und
l die Länge des Segments PQ ist.

Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeich nungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung des oberen Teils eines Sili ziumnitrid-Verbundkolbens;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Siliziumnitrid-Verbund kolbens gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung eines Verfah rens zum Verbundgießen des in Fig. 2 gezeigten Kolbens;

Fig. 4 ein Diagramm, das Ergebnisse aus denjenigen der beige fügten Tabelle zeigt, die erlangt wurden, wenn das siliziumnitrid-Bauteil nicht vorgewärmt wurde;

Fig. 5 ein Diagramm, das Ergebnisse aus der beigefügten Ta belle angibt.

Erfindungsgemäß soll, um einen Siliziumnitrid-Verbundkolben zu erzeugen, das bei dem Verbund- oder Einsatzgießen verwen dete Metallmaterial vorzugsweise eine Eisen enthaltende Legie rung (eisenhaltige Legierung) sein, die einen Wärmedehnungs koeffizienten innerhalb des Bereichs von 3,5 · 10^-6 bis 9,5 · 10^-6/°C bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 400°C hat. Der Wärmedehnungskoeffzient soll so nahe wie möglich am Wärmedehnungskoeffizienten des Siliziumnitridmaterials liegen, um das Auftreten einer Lockerung oder einer Spalt bildung zwischen dem Siliziumnitrid-Einsatz und dem Metall material bei der tatsächlichen Verwendung zu verhindern.

Ein günstiges eisenhaltiges Metallmaterial, das einen inner halb des oben angegebenen Bereichs liegenden Wärmedehnungs koeffizienten hat, ist beispielsweise eine Legierung mit einer chemischen Zusammensetzung (in Gew.-%) von 0,3 bis 2,0% an C, 25 bis 32% an Ni, 12 bis 20% an Co, 0,3-2,5% an Si, 0,2 bis 0,8% an Nb, von 0,01 bis 0,2% an Mg oder Ca und von nicht mehr als 1,0% an Mn, wobei der Ausgleich oder Rest Fe und Verunreinigungen sind. Diese Legierung hat einen Wärmedehnungskoeffzienten von 3,5 · 10^-6 bis 9,0 · 10^-6/°C bei Temperaturen, die von Raumtemperatur bis 400°C reichen. Ein anderes bevorzugtes Beispiel ist eine Legierung mit einer chemischen Zusammensetzung (in Gew.-%) von 0,8 bis 3,0% an C, 30 bis 34% an Ni, 4,0 bis 6,0% an Co, von 1,0 bis 3,0% an Si, von nicht mehr als 2,0% an Mn, von nicht mehr als 1,0% an Schwefel, von nicht mehr als 1,5% an Phosphor und nicht mehr als 1,0% an Mg, wobei der Ausgleich Fe und Verunreinigungen sind. Diese zweite Legie rung hat einen Wärmedehnungskoeffizienten von nicht mehr als 9,0 · 10^-6/°C bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 400°C und einen Wärmedehnungskoeffizienten zwischen 2·10 ⁶ bis 3 · 10^-6/°C bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 200°C.

Eisenhaltige Metallmaterialien, wie sie oben angegeben wurden, sind zu bevorzugen, weil bei derartigen Legierungen Graphit, das eine Dichte von etwa 2 g/cm³ hat, vom flüssigen Metall, das eine Dichte von annähernd 8 g/cm³ hat, während eines Er starrens ausfällt, so daß die Größe einer Erstarrungskontrak tion vermindert wird, was darin resultiert, daß der Wert der Gesamtschrumpfung, die auftritt, bis sich die Temperatur auf Raumtemperatur absenkt, kleiner wird als derjenige von Le gierungen mit einer niedrigen Wärmedehnung, wie Invar-Legie rungen und Kovar. Ein anderer Grund ist, daß ein eisenhalti ges Material von anderer als der oben angegebenen chemischen Zusammensetzung einen Wärmedehnungskoeffzienten, der näher an demjenigen eines Siliziumnitrid-Bauteils liegt, als es derjenige eines üblichen eisenhaltigen Materials ist, und der ein Verbundgießen ermöglicht, nicht hat.

Der Schmelzpunkt eines eisenhaltigen Metallmaterials liegt üblicherweise bei 1500°C oder in diesem Bereich. Wenn ein solches Metallmaterial für ein Verbundgießen mit einem Sili ziumnitrid-Bauteil verwendet wird, so wird dieses Siliziumni trid-Bauteil während des Gießvorgangs einer Übergangswärme spannung ausgesetzt, wenn es mit dem geschmolzenen Metallma terial von hoher Temperatur in Berührung gebracht wird.

Die oben angegebene Formel (1) gemäß dieser Erfindung spezi fiziert Bedingungen bezüglich der Gestalt des Siliziumnitrid- Einsatzes, des eisenhaltigen Metallmaterials und der Vorwärm temperatur des Siliziumnitrid-Einsatzes, die alle keine Ge fahr einschließen, daß das Siliziumnitrid-Bauteil durch die Wärmespannung zerbrochen wird. Der erste Ausdruck auf der linken Seite der Formel (1) entspricht der Wärmespannung, die in den unteren Bereichen der den Brennraum begrenzenden Innenfläche aufgrund des Unterschiedes in der Durchschnitts temperatur zwischen dem zentralen Teil und dem Außenumfangs teil des Siliziumnitrid-Einsatzes erzeugt werden können, wäh rend der zweite Ausdruck der Wärmespannung entspricht, die an der den Brennraum begrenzenden Innenfläche aufgrund des Temperaturgradienten über die Dicke des Siliziumnitrid-Ein satzes erzeugt werden kann.

In der Formel (1) sind die Koeffizienten k₁ und k₂ Funktionen des Wärmedehnungskoeffizienten des Siliziumnitridmaterials, des Elastizitätsmoduls, der spezifischen Wärme, der Dichte und der Wärmeübergangszahl zwischen dem geschmolzenen Me tallmaterial und dem Siliziumnitrid-Bauteil. Es wurde je doch durch Versuche bestätigt, daß innerhalb der normaler weise möglichen Bereiche der physikalischen Eigenschaften eines Siliziumnitridmaterials und des Wärmedehnungskoeffi zienten während des Gießens von eisenhaltigem Metallmaterial k₁ sowie k₂ konstante Werte haben, d. h. k = 0,25 und k₂ = 0,05.

Wie die Formel (2) klar zeigt, ist ein Vorwärmen des Silizium nitrid-Einsatzes vor dem Gießen des geschmolzenen Metallma terials von Vorteil insofern, als eine Rißbildung unter Wär mespannung des Siliziumnitrid-Einsatzes verhindert wird. Das erfordert jedoch eine Erhöhung in der Zahl der Produktionspro zesse und wird deshalb als nicht zu bevorzugend angesehen.

Um eine Rißbildung an dem Siliziumnitrid-Einsatz ohne den zusätzlichen Vorwärmvorgang zu vermeiden, wird es erfindungs gemäß vorgezogen, daß die Vierpunkt-Biegefestigkeit σ_c des Siliziumnitridmaterials bei der Temperatur T_c (°C), ausge drückt in Form des Schmelzpunkts T_m (°C) des eisenhaltigen Materials wie in der Formel (4), die Beziehung mit R₁, R₂, l und T_m, wie in der Formel (3) angegeben ist, hat.

Im folgenden wird auf Ausführungsformen des Erfindungsgegen standes eingegangen, wobei es jedoch selbstverständlich ist, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist.

Ausführungsform 1

Die Fig. 1 zeigt in einer Schnittdarstellung den oberen Teil eines Siliziumnitrid-Verbundkolbens, d. h. eines Kolbens mit einem Siliziumnitrid-Einsatz. Der Siliziumnitrid-Einsatz 2 wird im Verbundguß einstückig mit einem Metall 1, das einen Kolbenkörper oder ein Kolbenhauptteil bildet, vereinigt und begrenzt im Kolben einen Brennraum 3.

Bei diesem Kolben wird ein Querschnitt des Siliziumnitrid-Ein satzes 2, der durch die die Zentralachse 5 des Brennraumes 3 (Brennraumachse 5) und die Mittelachse 4 des Kolbens (Kol benachse 4) einschließende Ebene geht, durch ein Segment T0 dividiert, das die Punkte T und 0, an welchen die Brennraumachse 5 einen Außenumriß 6 des Einsatzes 2 und eine Brennraumkontur 7 schneidet, verbindet, wodurch der Querschnitt des Silizium nitrid-Einsatzes 2 in zwei Teile geteilt wird. Der Quer schnitt auf der rechten Seite wird später untersucht.

Ein anderes Segment PQ ist dasjenige, daß es eine minimale Länge hat, mit der es die jeweiligen Schnittpunkte, an denen eine gerade, zum Segment TO parallele Linie die Brennraumkon tur 7 und den Außenumriß 6 des Siliziumnitrid-Einsatzes 2 schneidet, wobei diese Länge des Segments PQ mit l bezeichnet wird. Eine erste Querschnittsfläche S₁ wird durch das Segment PQ, einen ersten Abschnitt der Brennraumkontur 7, die obere Fläche 8 des Einsatzes 2 und einen ersten Abschnitt des Außenumrisses 6 des Siliziumnitrid-Einsatzes 2 bestimmt. Eine zweite Querschnittsfläche S₂ wird durch das Segment PQ, einen zweiten Abschnitt der Brennraumkontur 7, das Segment TO und einen zweiten Abschnitt des Außenumrisses 6 des Si liziumnitrid-Einsatzes 2 bestimmt.

Der durch Dividieren von S₁ durch die Länge einer Kurve SQ, die sich längs des ersten Abschnitts des Außenumrisses 6 des Einsatzes 2 von einem Schnittpunkt S der oberen Fläche 8 des Einsatzes 2 und dem Außenumriß 6 dieses Einsatzes 2 zum Punkt Q erstreckt, erhaltene Wert wird als R₁ ausgedrückt. Der durch Dividieren von S₂ durch die Länge einer anderen Kurve QT, die sich längs des zweiten Abschnitts des Außenumrisses 6 des Siliziumnitrid-Einsatzes 2 vom Punkt Q zum Punkt T er streckt, erhaltene Wert wird als R₂ ausgedrückt.

Mit der oben beschriebenen Konstruktion wurden Verbundguß versuche ausgeführt, indem die Gestalt des Brennraumes, die chemische Zusammensetzung des Metallmaterials, das Silizium nitridmaterial und/oder die Vorwärmtemperatur des Silizium nitrid-Einsatzes verändert wurden.

Die in der beigefügten Tabelle gezeigten Ergebnisse sind im Diagramm der Fig. 4 dargestellt. Unter den in der Tabel le gezeigten Ergebnissen sind solche, die erhalten wurden, wenn für den Siliziumnitrid-Einsatz eine Vorwärmebehandlung nicht durchgeführt wurde. Die Fig. 5 ist ein Diagramm, das alle in der Tabelle 1 aufgeführten Ergebnisse wiedergibt.

Das Symbol x in der beigefügten Tabelle und den Fig. 4 sowie 5 kennzeichnet die Tatsache, daß eine Rißbildung des Si-Nitrid- Einsatzes während des Verbundgießens beobachtet wurde, während das Symbol o die Tatsache angibt, daß der Silizium nitrid-Einsatz imstande war, der Wärmespannung zu widerste hen.

Wie aus der Tabelle und den Fig. 4 sowie 5 deutlich wird, ist es notwendig, Bedingungen, die die Formeln (1) oder (3) erfüllen, anzuwenden, um eine Rißbildung am Siliziumnitrid- Einsatz aufgrund von Wärmespannung zu verhindern.

Ausführungsform 2

Die Fig. 2 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Silizium nitrid-Verbundkolben gemäß der Erfindung. Diese Ausführungs form ist ein Beispiel für einen zweiteiligen Kolben für einen Dieselmotor, wobei der Kolben derart konstruiert ist, daß er einen Brennraum 3 besitzt, der durch einen Siliziumnitrid- Einsatz 2 mit einer Vierpunkt-Biegefestigkeit von 800 MPa bei 1100°C begrenzt ist, und wobei der Einsatz 2 einstückig in eine Konstruktion mit einer eisenhaltigen Legierung 23 eingegossen ist, die in der Hauptsache Fe und Ni enthält.

Bei diesem Beispiel ist lediglich das Kronen- oder Bodenteil des zweiteiligen Kolbens als eine Konstruktion ausgebildet, die durch Verbundgießen des Siliziumnitrid-Einsatzes 2 und der Eisen enthaltenden Legierung 23 erhalten wird. Die Aus führungsform, bei der der den Kolbenbrennraum 3 bildende Hohl raum durch das Siliziumnitrid-Bauteil abgegrenzt ist, das einen größeren Wärmeübergangswiderstand pro Gewichtseinheit als eine Aluminiumlegierung oder ein eisenhaltiges Material hat, und bei der das Siliziumnitrid-Bauteil in eine Kon struktion einstückig im Verbund eingegossen ist, wobei das eisenhaltige Material den Kolbenkörper bildet, ist darauf ausgerichtet, den Wärmeübergangsverlust vom Verbrennungsgas innerhalb des Brennraumes auf die den Brennraum begrenzende Wandfläche zu vermindern und auch die Hitzebeständigkeit des jenigen Teils, in dem die Öffnung des Brennraumes ausgestaltet ist, zu steigern, um dadurch die Probleme zu verhindern, die einem Kolben aus Metallmaterial anhaften, wie Verbrennen von offenen Bereichen und Rißbildung.

Die Annahme von gewissen Bedingungen, die die Formeln (1) und (3) gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllen, hat die Herstellung dieser Ausführungsform ermöglicht.

Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Verfahrens zum Verbund gießen des Kolbens in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform. Gemäß Fig. 3 kommen hierbei eine Form 32, ein Gußeisen 33 von niedriger Wärmedehnung und eine Saugvorrichtung 34 zur Anwendung.

Ein Siliziumnitrid-Bauteil 2 mit einer gesinterten Außenum fangsfläche, die nicht geschliffen worden war, wurde in die Form 32 eingesetzt. Anschließend wurde ein geschmolzenes Me tallmaterial von niedriger Wärmedehnung (Gußeisen 33) mit 1450°C in die Form 32 gegossen, während die Saugvorrichtung 34 ständig den erzeugten Druck vermindert hat. Dieses Metall material hatte eine chemische Zusammensetzung (in Gew.-%) von 1,2% an C, von 1,2% an Si, von nicht mehr als 0,3% an Mn, von 28% an Ni, von 14 % an Co, von 0,03 % an Mg und von 0,3 % an Nb. Nachdem der Inhalt der Form allmählich auf Raumtemperatur abgekühlt worden war, wurde er aus der Form 32 entnommen, wodurch ein Verbundkörper aus Siliziumnitrid und Metall erhalten wurde. Dann wurde der Außenumfang des Metallmaterials maschinell bearbeitet.

Wie beschrieben wurde, macht es ein Siliziumnitrid-Verbund kolben, der in seiner Konstruktion die verschiedenen, durch diese Erfindung spezifizierten Bedingungen erfüllt, möglich, einen Siliziumnitrid-Verbundkolben für eine Brennkraftmaschi ne zu fertigen, der aus einem durch Verbund- oder Einsatz gießen eines Siliziumnitrid-Bauteils und eines Metallmateri als erhaltenen Verbundkörper besteht. Der Kolben ist inso fern von Vorteil, als die Verbindung zwischen dem Silizium nitrid-Bauteil sowie dem Metallmaterial nicht maschinell be arbeitet werden muß, so daß der Herstellungsprozeß einfach ist und die Kosten niedrig sind, als ein niedriges Spannungs niveau im Siliziumnitrid-Bauteil bei niedrigen Temperaturen erzeugt wird, als der Verbindungsbereich zwischen dem Metall körper sowie dem Siliziumnitrid-Bauteil ein hohes Festigkeits niveau aufweist und insofern selbst bei hohen Temperaturen zuverlässig ein hohes Festigkeitsniveau bietet, und als das Siliziumnitrid-Bauteil kaum für eine Bruchbildung während des Einsatzgießens anfällig ist.

Ein Metall, aus dem ein Kolbenkörper gebildet ist, enthält als Hauptbestandteil Eisen. Die Gestalt eines Siliziumnitrid- Einsatzes, die Hochtemperaturfestigkeit des Siliziumnitrid materials, aus dem der Einsatz besteht, der Schmelzpunkt des Eisen enthaltenden Metallmaterials und die Einsatz- oder Ver bundgußbedingungen erfüllen die angegebenen Formeln (1) und (2) oder die Formeln (3) und (4). Der Verbindungsbereich zwi schen dem Siliziumnitrid-Bauteil und dem Metallmaterial muß nicht maschinell bearbeitet werden. Insofern sind der Her stellungsvorgang einfach und die Produktionskosten niedrig. Ferner wird bei niedrigen Temperaturen im Siliziumnitrid-Bau teil ein niedriges Spannungsniveau erzeugt. Der Verbindungs bereich zwischen dem Siliziumnitrid-Einsatz und dem Metall körper hat eine hohe Festigkeit und somit auch bei hohen Tem peraturen eine hohe Zuverlässigkeit oder Sicherheit, und das Siliziumnitrid-Bauteil unterliegt während des Verbundgießens nur schwerlich Brüchen.

Tabelle

Claims

1. Siliziumnitrid-Verbundkolben für eine Brennkraftmaschine, der in einem oberen Kolbenabschnitt einen einen Brennraum begrenzenden Einsatz aus Siliziumnitrid besitzt, dadurch gekennzeichnet,
(a) daß das Kolbenhauptteil (1) aus einem Eisen enthalten den Metallmaterial als dessen Hauptkomponente gebildet ist und
(b) daß die Gestalt des Siliziumnitrid-Einsatzes (2), die Hochtemperaturfestigkeit des Siliziumnitridmaterials, aus dem der Siliziumnitrid-Einsatz besteht, der Schmelz punkt des Eisen enthaltenden Metallmaterials (1) und die Verbundgußbedingungen die folgenden Formeln (1) und (2) erfüllen: k₁ · ΔT · (1/R₁ - 1/R₂) + k₂ · l² · ΔT < 0,5σ_c (1)T_o = T_m - 0,413 · l · ΔT (2)worin sind:k₁ = 0,25 und k₂ = 0,05;
σ_c (MPa): die Vierpunkt-Biegefestigkeit des Siliziumnitridmaterials bei der Temperatur T_c (°C);
T_m (°C): der Schmelzpunkt des das Kolbenhauptteil bildenden Eisen enthaltenden Metallmaterials;
ΔT (°C): die Differenz zwischen der Vorwärmtemperatur des Siliziumnitrid-Einsatzes während des Einsetzens und dem Schmelzpunkt T_m (°C) des das Kolbenhauptteil bildenden Eisen enthaltenden Metallmaterials;
R₁, R₂: einen Querschnitt, der durch die die Brennraumachse (5) und die Kolbenachse (4) enthaltende Ebene gelegt ist, wobei:
die Punkte, an denen die Brennraumachse (5) den Außenumriß (6) sowie die Brennraumkontur (7) des Siliziumnitrid- Einsatzes (2) schneidet, durch ein Segment T0 verbunden sind;
in dem durch das Segment T0 abgetrennten kleineren Bereich ein zur Brennraumachse (5) paralleles Segment PQ den Bereich darstellt, in dem die Dicke des Siliziumnitrid- Einsatzes (2) ein Minimum ist;
das Segment PQ den genannten Bereich in eine Querschnittsfläche S₁ bzw. S₂ teilt, von denen die Fläche S₁ zur Brennraumachse entfernt und die Fläche S₂ zur Brennraumachse (5) nahe liegt;
R₁ der Wert ist, der durch Dividieren der Querschnittsfläche S₁ durch die Länge der Kurve SQ erhalten wird, die den Punkt S, an dem der Außenumriß (6) des Siliziumnitrid- Einsatzes (2) dessen obere Fläche (8) schneidet, und den Punkt Q auf dem Außenumriß des Siliziumnitrid-Einsatzes verbindet;
R₂ der Wert ist, der durch Dividieren der Querschnittsfläche S₂ durch die Länge der Kurve QT erhalten wird, die sich längs des Außenumrisses (6) des Siliziumnitrid- Einsatzes (2) vom Punkt Q zum Punkt T erstreckt; und
l die Länge des Segments PQ ist.

2. Siliziumnitrid-Verbundkolben, dadurch gekennzeichnet, daß die Gestalt eines Siliziumnitrid-Einsatzes (2), die Hochtemperaturfestigkeit des Siliziumnitridmaterials, aus dem der Siliziumnitrid-Einsatz besteht, und der Schmelzpunkt eines Eisen enthaltenden Metallmaterials (1) die folgenden Formeln (3) und (4) erfüllen: k₁ · T_m · (1/R₁ - 1/R₂) + k₂ · l² · T_m < 0,5σ_c (3)T_c = T_m - 0,413 · l · T_m (4)worin sind:k₁ = 0,25 und k₂ = 0,05;
σ_c (MPa): die Vierpunkt-Festigkeit des Siliziumnitridmaterials bei der Temperatur T_c (°C);
T_m (°C): der Schmelzpunkt des das Kolbenhauptteil bildenden Eisen enthaltenden Metallmaterials;
R₁, R₂: einen Querschnitt, der durch die die Brennraumachse (5) und die Kolbenachse (4) enthaltende Ebene gelegt ist, wobei:
die Punkte, an denen die Brennraumachse (5) den Außenumriß (6) sowie die Brennraumkontur (7) des Siliziumnitrid- Einsatzes (2) schneidet, durch ein Segment T0 verbunden sind;
in dem durch das Segment T0 abgetrennten kleineren Bereich ein zur Brennraumachse (5) paralleles Segment PQ den Bereich darstellt, in dem die Dicke des Siliziumnitrid- Einsatzes (2) ein Minimum ist;
das Segment PQ den genannten Bereich in eine Querschnittsfläche S₁ bzw. S₂ teilt, von denen die Fläche S₁ zur Brennraumachse entfernt und die Fläche S₂ zur Brennraumachse (5) nahe liegt;
R₁ der Wert ist, der durch Dividieren der Querschnittsfläche S₁ durch die Länge der Kurve SQ erhalten wird, die den Punkt S, an dem der Außenumriß (6) des Siliziumnitrid- Einsatzes (2) dessen obere Fläche (8) schneidet, und den Punkt Q auf dem Außenumriß des Siliziumnitrid-Einsatzes verbindet;
R₂ der Wert ist, der durch Dividieren der Querschnittsfläche S₂ durch die Länge der Kurve QT erhalten wird, die sich längs des Außenumrisses (6) des Siliziumnitrid-Einsatzes (2) vom Punkt Q zum Punkt T erstreckt; und
l die Länge des Segments PQ ist.

3. Siliziumnitrid-Verbundkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallmaterial (1) eine Eisen enthaltende Legierung mit einem Wärmedehnungs koeffizienten im Bereich von 3,5·10^-6 bis 9,0·10^-6/°C bei Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur bis 400°C ist.

4. Siliziumnitrid-Verbundkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallmaterial (1) eine Legierung mit einer chemischen Zusammensetzung (in Gew.-%) von 0,3 bis 2,0% an C, von 25 bis 32% an Ni, von 12 bis 20% an Co, von 0,3 bis 2,0% an Si, von 0,2 bis 0,8% an Nb, von 0,01 bis 0,2% an Mg oder Ca und von nicht mehr als 1,0% an Mn ist, wobei der Ausgleich Fe und Verunreinigungen sind und die Legierung einen Wärme- dehnungskoeffizienten von 3,5 · 10^-6 bis 9,0 · 10^-6/°C bei Temperaturen, die von Raumtemperatur bis 400°C reichen, hat.

5. Siliziumnitrid-Verbundkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallmaterial (1) eine Legierung mit einer chemischen Zusammensetzung (in Gew.-%) von 0,8 bis 3,0% an C, von 30 bis 34% an Ni, von 4,0 bis 6,0% an Co, von 1,0 bis 3,0% an Si, von nicht mehr als 2,0% an Mn, von nicht mehr als 1,0% an Schwefel, von nicht mehr als 1,5% an Phosphor und von nicht mehr als 1,0% an Mg ist, wobei der Ausgleich Fe und Verun reinigungen sind, die Legierung einen Wärmedehnungs koeffizienten von nicht mehr als 9,5·10^-6/°C bei Tem peraturen im Bereich von Raumtemperatur bis 400°C und einen Wärmedehnungskoeffizienten zwischen 2·10^-6 bis 3·10 ^-6/°C bei Temperaturen im Bereich von Raumtempera tur bis 200°C hat.