DE4340267B4 - Leichtmetall-Kolben mit einer Verbrennungsmulde - Google Patents

Leichtmetall-Kolben mit einer Verbrennungsmulde Download PDF

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Abstract

Leichtmetallkolben für einen Dieselmotor mit einer Verbrennungsmulde und einer aus einem Ring aus Feinkornkohlenstoff bestehenden Muldenrandbewehrung (4), der durch Umgießen unter Schwerkraft mit dem Kolbengrundwerkstoff verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Muldenrandbewehrung (4) durch Hinterschnitt im Kolben befestigt ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Leichtmetall-Kolben mit einer Verbrennungsmulde und einer Muldenrandbewehrung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus der US 43 34 507 ist es bekannt, bei Kolben mit Verbrennungsmulden den Muldenrand mit einer Bewehrung aus gesintertem porösem Chrom-Nickel-Stahl, der bei der Kolbenherstellung unter Druck mit Schmelze infiltriert wird, zu versehen.
  • Ebenso ist es aus DE 34 40 0560 C1 bekannt, den Muldenrand mit einer Bewehrung aus Al2O3-Fasern zu versehen, wobei zunächst ein Faser-Preform hergestellt wird und dieses Preform bei der Kolbenherstellung unter Druck mit Schmelze infiltriert wird.
  • Ziel dieser Bewehrungen ist es, die durch Temperaturwechselbeanspruchung am Muldenrand häufig entstehenden Risse zu verhindern.
  • Nachteil des vom Al-Basiswerkstoff infiltrierten Cr-Ni-Stahls ist seine schlechte Bearbeitbarkeit, sein höheres spezifisches Gewicht und seine, verglichen mit dem Keramikfaser-Verbundwerkstoff, geringere Belastbarkeit.
  • Der Keramikfaser-Verbundwerkstoff unterliegt bei der Herstellung und Verarbeitung erhöhten Umweltschutz-Auflagen und lässt sich schlecht entsorgen, da Fasern und Schmelze kaum voneinander getrennt werden können. Beiden Verfahren ist der Nachteil gemeinsam, dass die Schmelze mit Druck beaufschlagt werden muss, um die in der Bewehrung vorhandene offene Porosität vollständig mit Schmelze zu füllen.
  • Aus der DE 25 45 588 A1 und DE 21 36 594 A sind jeweils Kolbeneinsätze am Muldenrand bekannt geworden, die zur Dämmung des Wärmeflusses aus Metall oder aus Kohlenstoff bestehen.
  • Die EP 0 258 330 B1 offenbart einen komplett aus Pressgraphit/Elektrographit bestehenden Kolben, der brennraumseitig abbrandfest vergütet sein muss, derart, dass diese Flächen karbidisiert bzw. siliziert sein müssen. Erst durch diese Maßnahme sei der Kolben mit ausreichender Biegefestigkeit und Ab- bzw. Ausbrandfestigkeit für den Einsatz in einem Verbrennungsmotor gesichert.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff für die Muldenrandbewehrung bereitzustellen, der Anrisse am Muldenrand sicher vermeidet, ohne die vorgenannten Nachteile aufzuweisen.
  • Die Lösung die Aufgabe wird mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmal erzielt.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Kolbens ergeben sich folgende Vorteile:
    • – Infolge des niedrigen E-Moduls von Feinkorn-Kohlenstoff treten am Muldenrand sehr geringe Spannungen auf.
    • – Der niedrige thermische Ausdehnungskoeffizient führt zu einer sehr guten Thermoschockbeständigkeit.
    • – Im Temperaturbereich über 300°C weist Feinkornkohlenstoff bessere mechanische Eigenschaften als das Kolbengrundmaterial auf.
    • – Infolge der schlechteren Wärmeleitungseigenschaften wird weniger Wärme in den Kolben eingebracht, wodurch die Nut- und Nabentemperaturen absinken.
    • – Das Einbringen der Bewehrung kann durch konventionelle Gießverfahren erfolgen. Es ist keine Druckbeaufschlagung der Schmelze erforderlich.
    • – Der hohe Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem Kolbenwerkstoff und dem Feinkornkohlenstoff bewirkt beim Abkühlen des Gießteiles ein Aufschrumpfen des Kolbenwerkstoffs auf den Feinkornkohlenstoff unter Erzeugung von Druckspannungen in der Bewehrung.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigt die einzeige Figur
  • einen Kolben mit Verbrennungsmulde im Querschnitt.
  • Ein Leichtmetall für einen Dieselmotor weist einen Ringträger 2 und eine Verbrennungsmulde 3 auf, deren Muldenrand mit einer Bewehrung 4 aus Feinkornkohlenstoff gegen Anrisse geschützt ist.
  • Der Kolben 1 wird durch Flüssigpressen mit unten liegendem Kolbenboden hergestellt. Der Preßdruck beträgt 250 bar. Um zu verhindern, daß die spezifisch leichtere Muldenrandbewehrung 4 beim Flüssigpressen aufschwimmt, wird sie vor dem Flüssigpressen in einer Aufnahme an 3 Punkten mit leichter Preßpassung radial von innen gespannt, vorgewärmt und an schließend mit Aufnahme in die Form eingelegt, umgossen und mit Preßdruck beaufschlagt.
  • Die Bewehrung 4 ist im Kolben 1 hinterschnittartig befestigt.
  • Alternativ hierzu kann die Bewehrung 4 auch ohne Hinterschnitt im Kolben 1 befestigt sein, wenn das beim Eingießen des Bewehrungsteils auftretende Aufschrumpfen des Kolbenwerkstoffs auf das Bewehrungsteil für eine auch im Motorbetrieb ausreichende Befestigung der Bewehrung 4 genügt.
  • Eine weitere Möglichkeit, die Bewehrung 4 in dem Grundwerkstoff zu befestigen, besteht in der Herstellung einer metallischen Bindung.
  • Hierzu muß die Bewehrung 4 galvanisch beschichtet werden und die Schicht muß anschließend analog zum ALFIN-Verfahren in einer Metallschmelze angelöst werden, bevor die Bewehrung 4 eingegossen wird.

Claims (5)

  1. Leichtmetallkolben für einen Dieselmotor mit einer Verbrennungsmulde und einer aus einem Ring aus Feinkornkohlenstoff bestehenden Muldenrandbewehrung (4), der durch Umgießen unter Schwerkraft mit dem Kolbengrundwerkstoff verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Muldenrandbewehrung (4) durch Hinterschnitt im Kolben befestigt ist.
  2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Muldenrandbewehrung (4) aus mehreren Ringabschnitten besteht.
  3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Muldenrandbewehrung (4) eine an sich bekannte Oxidationsschutzschicht zumindest an den den Verbrennungsgasen ausgesetzten Flächen aufweist.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetall Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Muldenrandbewehrung (4) vor dem Umgießen galvanisch mit einem Metall beschichtet wird und diese Metallschicht anschließend in einer Metallschmelze angelöst wird, um zwischen Bewehrung (4) und Grundwerkstoff eine metallische Bindung herzustellen.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallkolbens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Muldenrandbewehrung (4) vor dem Umgießen galvanisch mit Chrom beschichtet wird und diese Chromschicht anschließend in einer Metallschmelze angelöst wird, um zwischen Bewehrung (4) und Grundwerkstoff eine intermetallische Bindung herzustellen.
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