DE68923921T2 - Kolben. - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kolben für Brennkraftmaschinen, wobei diese Kolben aus auf Aluminium basierenden Legierungen bestehen, und insbesondere auf solche Kolben, in denen eisenhaltige Komponenten enthalten sind.
- Solche Komponenten, wie zum Beispiel zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften von Kolbenringnuten verwendete eisenhaltige Einsatzteile, werden häufig unter Anwendung des weithin unter der Handelsmarke ALFIN bekannten Verfahrens eingebaut.
- Das ALFIN-Verfahren wird bei der Herstellung von Kolben durch Schwerkraftguß und auch durch Druckgußverfahren, wie z. B. Preßgießen, eingesetzt. Beim ALFIN-Verfahren können verschiedene Probleme auftreten und unzureichende Bindungen zwischen dem Einsatzteil und der Kolbenlegierung hervorrufen. Zu solchen Problemen können verschmutztes oder oxidiertes Einsatzmaterial, fehlerhafte Verfahrensbedingungen, die eine ungleichmäßige intermetallische Schichtdicke ergeben, sowie Oxid gehören, das aus der Schmelze herausgezogen und in die intermetallische Oberflächenbeschichtung des Einsatzteiles aufgenommen wird. Ferner ist das ALFIN-Verfahren nicht für eine Automatisierung geeignet, da für die erfolgreiche Durchführung des Verfahrens eine Geschicklichkeit des Bedienungspersonal wichtig ist.
- Selbst dort, wo die Bindung nicht durch einen der oben genannten Fehler verschlechtert wird, ist sie immer noch relativ schwach und spröde und kann während einer Wärmebehandlung oder der Bearbeitung des Kolbens aufbrechen.
- Durch Druckgußtechniken hergestellte Kolben sind häufig für mit Höchstgeschwindigkeiten laufende Maschinen vorgesehen und die Aluminiumlegierung, aus denen die Kolben hergestellt sind, ist oft wärmebehandelt, um die Materialeigenschaften zu optimieren. Zu den gewöhnlicherweise eingesetzten Wärmebehandlungen gehört eine Lösungsbehandlung
- und ein Abschreckvorgang, dem oft eine Ausscheidungsbehandlung folgt. Durch die Lösungsbehandlung wird die Dicke der spröden intermetallischen Eisen-Aluminiumschicht mittels Diffusion vergrößert und sogar schwächer, während der Wärmeschock des Abschreckvorgangs entweder die Bindung noch weiter schwächt oder sie völlig zerstören kann. Falls die Bindung nicht während des Abschreckens versagt, kann sie auf Grund der Beanspruchungen versagen, die bei einer nachfolgenden Wärmebehandlung oder Bearbeitung erzeugt werden.
- Die britische Patentschrift GB-A-775 595 beschreibt die Herstellung eines laminierten Gegenstandes durch Besprühen einer Oberfläche einer dünnen eisenhaltigen Metallplatte mit einem korrosionsbeständigen duktilen Metall und durch Druckgießen eines Körpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf diese Oberfläche.
- In der französischen Druckschrift FR-A-22 84 769 wird die Einbindung eines nichtporösen Ringträgereinsatzteiles in einen Kolben beschrieben, wobei der Rest des Kolbens aus einer Aluminiumlegierung besteht. Es wird beschrieben, daß das Einsatzteil aus gesintertem eisenhaltigem Material besteht, das mit Kupfer oder einer auf Kupfer basierenden Legierung
- vor dem Gießen des Kolbens infiltriert wird. Allerdings findet sich dort keine Beschreibung der Anwendung des beabsichtigten, vorteilhaften Preßgießens der Aluminiumlegierung. Die Bindung zwischen dem Einsatzteil und dem Rest des Kolbens besteht aus einer herkömmlichen, sogenannten ALFIN-Bindung.
- Kohnert et al beschreiben in der US-43 34 507 ein poröses Einsatzteil, das aus einem porösen Material gebildet ist und durch eine Druckgußtechnik mit einer Kolbenlegierung getränkt wird. Ein Problem dieser Lösung liegt darin, daß Teilchen des Materials, aus dem das Einsatzteil hergestellt ist, beim Bearbeiten abgelöst und während des Betriebs verschoben werden können, was zu erhöhtem Verschleiß und zu einer Beschädigung führt.
- Zur Einbindung eines Bauteils in einen Kolben, der unter Verwendung einer Druckgußtechnik gegossen wird, ist nun ein Verfahren gefunden worden, das die im vorherigen Abschnitt aufgeführten Nachteile überwindet.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Einbindung eines eisenhaltigen Bauteils in einen Kolben vorgeschlagen, mit einer Kombination der Schritte des Beschichtens der anzubindenden Bauteiloberflächen mit einem aus Partikeln bestehendem Material, das aus der Gruppe aus austenitischen rosffreien Stählen oder auf Nickel basierenden Legierungen oder auf Kupfer basierenden Legierungen oder ferritischem rosffreien Stahl ausgewählt ist, wobei die Schicht durch eine physikalische Bedampfungstechnik gebildet wird, ferner des Vorwärmens des beschichteten Bauteils auf 400º C, wobei das aus Partikeln bestehende Material wenigstens bis zur Vorwärmtemperatur oxidationsbeständig ist, des Anordnens des vorgewärmten Bauteils in einer Gußform und sodann des Gießens einer Aluminiumlegierung um das Bauteil herum durch eine Preßgußtechnik, wobei die Bindungskraft zwischen dem Bauteil und der gegossenen Aluminiumlegierung mehr als 102,9 MPa beträgt.
- Das Bauteil sollte sich in einem sauberen, nicht-oxidierten Zustand befinden, um das Beschichten mit dem aus Partikeln bestehenden Material zu ermöglichen. Das aus Partikeln bestehende Material kann durch eine Technik wie z. B. Plasmaspritzen, Schmelzen im Lichtbogen oder Flammspritzen oder ein anderes physikalisches Bedampfungsverfahren abgelagert werden.
- Die Schichtdicke kann im Bereich von 0,025 bis 0,3 mm und möglicherweise im Bereich von 0,05 bis 0,15 mm Dicke liegen.
- Das Bauteil kann zunächst mit einer Zinnschicht z. B. durch Eintauchen oder Elektroplattieren beschichtet werden, um das Anbinden der nachfolgenden Beschichtung während einer anschließenden Wärmebehandlung vor dem Gießen zu verbessern.
- Das beschichtete Bauteil kann auch einer Wärmevorbehandlung unterzogen werden, um die Bindung zwischen der Beschichtung und dem Bauteil vor dem Gießen zu verbessern.
- Zu anderen Bauteilen, die mit diesem Verfahren in einem Kolben eingelagert werden können, gehören Buchsen in den Kolbenbolzenaugen und Brennkammermulden im Kolbenboden.
- Auf diese Weise an oder in Kolben an- bzw. eingebundene Bauteile müssen nicht zuerst in Aluminiumschmelze wie beim ALFIN-Verfahren eingetaucht werden. Daher wird keine spröde Ausgangsschicht aus einer intermetallischen Aluminium-Eisen-Verbindung gebildet.
- Es sei erwähnt, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung Wärmebehandlungen zuläßt die es gestatten, die optimalen Eigenschaften der Aluminiumlegierung zu entwickeln, was bei derzeitigen Verfahren nicht möglich ist.
- Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nun nur zur Erläuterung Beispiele beschrieben.
- Ein Kolbenringträgereinsatzteil aus Ni-RESIST (Handelsmarke) -Eisen wurde durch Strahlputzen gereinigt und durch Plasmabedampfung mit einer 0,12 mm dicken Schicht aus einem Pulver aus rostfreiem 316 L-Stahl beschichtet. Der beschichtete Ringträger wurde dann vor dem Anordnen in der Matrize einer Preßgußform auf 400º C vorgewärmt. Bei 740º C bis 760º C wurde dann heiße Lo-ex (Handelsmarke) -Aluminium- Kolbenlegierung um das Einsatzteil herum preßgegossen. Der Preßgieß-Druck von 108,2 x 10&sup6; bis 154,6 x 10&sup6; Pa (7 bis 10 tsi) wurde gehalten, bis eine vollständige Verfestigung eingetreten war.
- Dem gegossenen Kolben wurden Stichproben entnommen, die für die Bindung Zugfestigkeiten mit einem Mittelwert von 126,5 x 10&sup6; Pa (126,5 Mpa) ergaben. Dieses ergab eine 80 %ige Festigkeitssteigerung gegenüber einer typischen, ohne jede weitere Wärmebehandlung ausgebildeten ALFIN-Bindung.
- Andere Stichproben wurden mit demselben Verfahren erstellt, wiesen aber unterschiedliche Spritzschichtdicken auf. Die Festigkeiten der Zwischenflächen wurden geprüft und ergaben die in der nachstehenden Tabelle angegebenen Ergebnisse. Ausdampfschichtdicke (mm) Reißfestigkeit (UTS) (Mpa)
Claims (8)
1. Verfahren zum Einbinden eines eisenhaltigen Bauteils in einen Kolben, mit einer
Kombination der Schritte des Beschichtens der anzubindenden Bauteiloberflächen mit einer
Schicht aus einem aus Partikeln bestehenden Material, das aus der Gruppe austenitischer
rostfreier Stähle oder auf Nickel oder auf Kupfer basierender Legierungen oder ferritischer
rostfreier Stahl ausgewählt ist, wobei die Schicht mittels einer physikalischen
Bedampfungstechnik ausgebildet wird, ferner des Vorwärmens des beschichteten Bauteils
auf 400ºC, wobei das aus Partikeln bestehende Material wenigstens bis zur
Vorwärmtemperatur oxidationsbeständig ist, des Anordnens des vorgewärmten Bauteils in
einer Gußform und sodann des Gießens einer Aluminiumlegierung um das Bauteil herum
durch eine Preßgußtechnik, wobei die Bindungskraft zwischen dem Bauteil und der
gegossenen Aluminiumlegierung mehr als 102,9 MPa beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische
Bedampfungstechnik Plasmaspritzen, Schmelzen im Lichtbogen oder Flammspritzen
umfaßt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das
Bauteil eins oder mehrere der Elemente umfaßt die aus der Gruppe ausgewählt sind, die
den Kolbenringträger, die Buchsen für Kolbenbolzenaugen, die Brennkammermulde und den
Kolbenboden enthält.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Material ein Pulver aus rosffreiem 316L-Stahl ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dicke der Schicht im Bereich von 0,025 bis 0,3 mm liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht im
Bereich von 0,05 bis 0,15 mm liegt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
beschichtete Bauteil vor dem Vorwärmschritt wärmebehandelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kolben nachträglich nach dem Gießen wärmebehandelt wird.
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