DE69424751T2

DE69424751T2 - Faserverstärkte Metallkolben

Info

Publication number: DE69424751T2
Application number: DE69424751T
Authority: DE
Inventors: Simon Thomas Gazzard
Original assignee: Federal Mogul Bradford Ltd
Current assignee: Federal Mogul Bradford Ltd
Priority date: 1993-12-04
Filing date: 1994-11-29
Publication date: 2001-02-22
Anticipated expiration: 2014-11-30
Also published as: EP0656428A1; DE69424751D1; GB2284461A; GB2284461B; GB9523721D0; GB2294102B; KR950019315A; BR9404838A; GB9324921D0; JPH07197147A; EP0656428B1; EP0710729A1; US5505171A; DE69430844D1; GB2294102A; EP0710729B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf faserverstärkte Metallkolben für Dieselmotoren, und insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Metallkolben, deren jeder keramische Verstärkungsfasern in dem Bereich des Kolbens aufweist, in dem die oberste Ringnut ausgebildet ist; und der Kolben besteht aus einer gegossenen Aluminiumlegierung, wobei das Metall die Faserverstärkung infiltriert, sobald der Kolben unter Anwendung eines mit Druck arbeitenden Verfahrens, wie Druckguß, gegossen wird.
Eine keramische Faserverstärkung erhöht die Festigkeit des Kolbenbereichs, in dem sie ausgebildet ist, und ermöglicht es auch, daß dieser Bereich höheren Temperaturen standhält, als dies sonst der Fall wäre. Je größer die Dichte des zu Beginn in dem Kolbenbereich enthaltenen Fasereinsatzes in bezug auf die Dichte des Fasermaterials ist, desto fester ist der gebildete Bereich.
Bei Betrieb oder bei nach dem Gießen erfolgenden Wärmebehandlungs-Verfahrensschritten, wie z. B. Lösungswärmebehandlung und Abschrecken, kann ein solcher Kolben aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung an der Grenze zwischen dem faserverstärkten Bereich und einem benachbarten Bereich, der nicht in dieser Weise verstärkt ist, Risse bilden. Diese Rißbildung erfolgt mit größerer Wahrscheinlichkeit, wenn der anfänglich in dem vorgenannten Bereich enthaltene Fasereinsatz eine relativ hohe Dichte, z. B. im Bereich von 10 bis 20% der Dichte des Fasermaterials, aufweist.
Üblicherweise bestehen die keramischen Verstärkungsfasern in einem Kolben aus Aluminiumoxid und/oder Aluminiumsilikat, und die Fasern weisen im Fasereinsatz vor dem Gießen des Kolbens eine dünne Siliciumoxid-Beschichtung auf, die durch Trocknen einer entsprechend geformten Verform der Kombination der Fasern mit einem Bindemittelsystem gebildet wird, das Silicagel enthält. Während des später erforderlichen Druckgusses des Kolbens kann die geschmolzene Aluminiumlegierung, die das Kolbenmaterial umfaßt, mit den Siliciumoxid-beschichteten Faserflächen reagieren und bleibt an diesen haften. In jedem Fall erfolgt ein Mikroschrumpfen des gegossenen Kolbenwerkstoffs, das im allgemeinen jede Verbindung zwischen der Aluminiumlegierung und den Fasern aufbricht oder in anderer Weise bewirkt, daß die Fasern weniger sicher in der Aluminiumlegierung gehalten werden. Dies bedingt, daß die Verschleißfestigkeit des faserverstärkten Kolbenbereichs deutlich niedriger wird als dies sonst der Fall wäre.
Es ist zwar bekannt, daß ein Fasereinsatz mit einer relativ hohen Dichte in einen Kolben eingelagert wurde, um den Kolbenboden zu bilden, aber es wurde bisher nicht als wünschenswert erachtet, einen derartigen Fasereinsatz mit relativ hoher Dichte in dem Bereich eines Kolbens aufzunehmen, der eine obere Ringnut bildet, da die Bearbeitung der Nut dadurch erschwert und zusätzlich zu dem mit der Nut verbundenen, erhöhten Verschleiß ein stärkerer Verschleiß des Kolbenrings in der Nut verursacht wird.
Zum Einbau von Kolben in Hochleistungs-Dieselmotoren ist es erwünscht, obere Ringnuten in Kolbenregionen aus einem Material mit hoher Verschleißfestigkeit zu bilden. Üblicherweise ist wenigstens die oberste Ringnut aus einem Ni-Resist-Einsatz gebildet, der eine wünschenswerte hohe Verschleißfestigkeit aufweist. Der Ni-Resist-Einsatz kann jedoch nicht Temperaturen von mehr als 270ºC ausgesetzt werden, die niedriger als die Temperaturen sind, denen er in einem Hochleistungsmotor ausgesetzt sein kann. Wenn in einem Kolbenbereich höhere Temperaturen zu erwarten sind, kann ein Fasereinsatz mit relativ hoher Dichte zweckmäßigerweise in diesem Bereich, und nicht in dem Bereich mit einem Ni-Resist-Einsatz, aufgenommen sein.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Kolbens für einen Dieselmotor, bei dem ein Fasereinsatz mit relativ hoher Dichte in dem Kolbenbereich aufgenommen ist, der die oberste Ringnut bildet, und dieser Kolbenbereich eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kolben für einen Dieselmotor mit keramischen Verstärkungsfasern in einem ringförmigen Bereich desselben bereitgestellt, wobei in dem faserverstärkten Bereich die oberste Ringnut des Kolbens vorgesehen ist, die Fasern ursprünglich in Form eines Einsatzes für den Kolben mit einer relativ hohen Dichte im Bereich von 10 bis 20% der Dichte des Fasermaterials vorliegen, bei der Herstellung des Kolbens der Einsatz mit geschmolzenem Kolbenwerkstoff infiltriert wird, um den faserverstärkten ringförmigen Bereich auszubilden, ferner der Kolbenwerkstoff eine Aluminiumlegierung mit 2,0 bis 5,5 Gew.-% Kupfer und mit 11,0 bis 17,0 Gew.-% Silicium und vorzugsweise 2,5 bis 3,5 Gew.-% Kupfer sowie 12 bis 14 Gew.-% Silicium umfaßt, wobei der Kolben durch Anwendung einer mit Druck arbeitenden Technik, wie z. B. Druckgießer, geformt wird, und dadurch gekennzeichnet ist, daß der faserverstärkte Bereich in einem Abstand vom Kolbenboden (14) angeordnet ist und die axiale Länge des Stegs zwischen der obersten Ringnut und dem Umfang des Kolbenbodens zwischen 3 und 10 mm beträgt.
Das Dokument JP-A-61 209 765 offenbart einen Kolben mit den Merkmalen des Oberbegriffs nach Anspruch 1.
In der EP-A-0,188,704 sind faserverstärkte Metallverbundwerkstoffe beschrieben, die zur Verwendung bei der Herstellung von Kolbenteilen eines Motors geeignet sein sollen, wobei jedoch die im vorherigen Abschnitt beschriebene Merkmalskombination dort nicht offenbart ist.
Jedes derartige Aluminiumlegierungsmaterial weist eine größere Warmfestigkeit als Aluminiumlegierungen mit einem niedrigeren Kupferanteil auf und bietet beim Betrieb des Kolbens eine festere Matrix zum Halten der keramischen Verstärkungsfasern als sie mit Aluminiumlegierungen, die einen geringeren Kupferanteil aufweisen, erreicht wird.
Zudem verträgt sich eine Aluminiumlegierung mit 2,0 bis 5,5 Gew.-% Kupfer besser mit dem in der Nut vorgesehenen Kolbenring.
Aufgrund eines oder beider der in den beiden vorstehenden Abschnitten beschriebenen Kriterien läßt sich bei Betrieb des Kolbens zusätzlich zum erwünschten, verminderten Verschleiß der Ringnut der erforderliche verminderte Verschleiß des Kolbenrings erreichen.
Darüber hinaus ist es aufgrund der höheren Warmfestigkeit der Aluminiumlegierung mit 2,0 bis 5,5 Gew.-% Kupfer im Vergleich mit einer Legierung, die einen geringeren prozentualen Kupferanteil aufweist, möglich, die oberste Ringnut näher am Kolbenboden vorzusehen, wenn die Betriebstemperatur höher ist, als es sonst der Fall wäre, und wenn diese Betriebstemperatur höher als für einen Ni-Resist-Einsatz erwünscht ist. Daher kann die axiale Länge des obersten Kolbenstegs kleiner sein, als dies mit einem Ni-Resist-Einsatz möglich wäre. Eine solche Kolbenanordnung mit einem kurzen Kolbensteg ist vorteilhaft, da in einem Motor das "Totvolumen" oberhalb des obersten Ringes, das in Verbindung mit dem Brennvolumen oberhalb des Kolbens steht, kleiner ist, als es sonst der Fall wäre. Die Verringerung des Totvolumens bewirkt eine entsprechende vorteilhafte Verringerung unerwünschter Abgasemissionen, eine Verbesserung beim Kraftstoffverbrauch des Motors und eine längere Lebensdauer.
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhalber unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Kolbens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei sich der dargestellte Querschnitt in der Ebene befindet, die sowohl die Kolbenachse als auch die Achse der Kolbenbolzenbohrungen enthält.
Der gezeigte Kolben 10 für einen Dieselmotor wird durch Druckguß einer Aluminiumlegierung hergestellt, die folgendes umfaßt:
Kupfer 2,5 Gew.-%
Silicium 13,5 Gew.-%
Nickel 1,0 Gew.-%
Magnesium 1,0 Gew.-%, wobei
der Rest aus Aluminium und aus merklichen wie auch unmerklichen Verunreinigungen besteht.
Die letztendliche Zugfestigkeit dieser Legierung bei 350ºC beträgt 70 MegaPascal.
Der gezeigte Kolben ist mit drei Ringnuten 12 versehen, wobei jedoch auch jede gewünschte Anzahl solcher Ringnuten vorgesehen sein kann. Der Kolbenboden ist mit 14 angegeben, und in diesem Kolbenboden ist eine Brennmulde 16 ausgebildet. Durch unterhalb der Ringnuten 12 im Kolben ausgebildete Vorsprünge verlaufen Kolbenbolzenbohrungen 18. Der Kolbenmantel ist mit 20 bezeichnet. In der Zeichnung sind außerdem noch die Kolbenachse 22 und die Achse 24 der Kolbenbolzenbohrungen 18 gezeigt.
Ein (nicht gezeigter) Einsatz aus keramischen Verstärkungsfasern, bei dem die Fasern z. B. aus Aluminiumoxid bestehen, wird beim Druckguß-Verfahrensschritt in den Kolben 10 eingebracht. Insbesondere befindet sich der Fasereinsatz bei einer erforderlichen Position in der Gußform, und die geschmolzene Aluminiumlegierung mit der zuvor beschriebenen Zusammensetzung wird unter Anwendung eines von außen aufgebrachten Drucks dazu gebracht, den Fasereinsatz zu infiltrieren. Die Anordnung ist dergestalt, daß ein ringförmiger, faserverstärkter Kolbenbereich 26 ausgebildet wird, und in diesem Kolbenbereich ist die oberste Ringnut 12' angeordnet. Der ringförmige, faserverstärkte Bereich 26 verläuft in einem Abstand vom Kolbenboden 14.
Der Kolben ist für einen Hochleistungs-Dieselmotor vorgesehen, und die oberste Ringnut 12' ist in bezug auf den Kolbenboden 14 so angeordnet, daß der obere Kolbensteg 28 zwar eine begrenzte axiale Länge, aber eine vorteilhaft kleine axiale Länge von weniger als 10 Millimetern zwischen der obersten Ringnut 12' und dem Umfang des Kolbenbodens 14 aufweist. Diese axiale Länge kann im Bereich von 3 bis 10 Millimetern und zweckmäßigerweise im Bereich von 5 bis 9 Millimetern liegen. Eine derart geringe axiale Länge für den obersten Kolbensteg hätte bisher eine hohe Bruchneigung des Steges unter normalen Betriebsbedingungen für den Kolben bedeutet. Gemäß der vorliegenden Erfindung gewährleistet jedoch die Kombination einer Aluminiumlegierung mit einer hohen Warmfestigkeit, die einen Keramikfaser-Verstärkungseinsatz mit relativ hoher Dichte durchdringt, daß kein Bruch des obersten Kolbensteges erfolgt. Dieser Steg weist z. B. eine axiale Länge von 8,5 Millimetern auf. Aufgrund einer solchen Lage der obersten Ringnut 12' können die Temperaturen, denen der Kolbenbereich 26 ausgesetzt ist, höher als 270ºC und damit ungeeignet für ein Ni-Resist- Material sein, das üblicherweise für einen solchen Kolbenbereich verwendet wird.
Der in den Kolben eingelagerte Fasereinsatz wies eine relativ hohe Dichte von 15% der C> ichte des Fasermaterials auf. Aufgrund dieser hohen Dichte, der hohen Warmfestigkeit der zuvor genannten Aluminiumlegierung und der verbesserten Verträglichkeit der Legierung mit dem Kolbenring sowie durch den von sich aus hochfesten Träger, der durch die Aluminiumlegierung für die verstärkenden Aluminiumoxidfasern gebildet wird, liegen eine wünschenswerte, hohe Verschleißfestigkeit des Kolbenbereiches 26 und eine verminderte Verschleißrate des Kolbenrings vor, der in der in diesem Bereich vorgesehenen Nut aufgenommen ist.

Claims

1. Kolben für einen Dieselmotor, mit keramischen Verstärkungsfasern in einem ringförmigen Bereich desselben, wobei in dem faserverstärkten Bereich die oberste Ringnut des Kolbens vorgesehen ist, die Fasern ursprünglich in Form eines Einsatzes für den Kolben mit einer relativ hohen Dichte im Bereich von 10 bis 20% der Dichte des Fasermaterials vorliegen, bei der Herstellung des Kolbens der Einsatz mit geschmolzenem Kolbenwerkstoff infiltriert wird, um den faserverstärkten Bereich auszubilden, ferner der Kolbenwerkstoff eine Aluminiumlegierung mit 2,0 bis 5,5 Gew.-% Kupfer und mit 11,0 bis 17,0 Gew.-% Silicium umfaßt und der Kolben durch Anwendung einer Druckgußtechnik geformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der faserverstärkte Bereich in einem Abstand vom Kolbenboden (14) angeordnet ist und die axiale Dicke des Stegs zwischen der obersten Ringnut und dem Umfang des Kolbenbodens zwischen 3 und 10 mm beträgt.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung 25 bis 3,5 Gew.-% Kupfer enthält.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung 12 bis 14 Gew.-% Silicium aufweist.

4. Kolben nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenwerkstoff folgendes umfaßt:

Kupfer 2,5 Gew.-%,

Silicium 13,5 Gew.-%,

Nickel 1,0 Gew.-%,

Magnesium 1,0 Gew.-%,

wobei der Rest aus Aluminium sowie aus merklichen und unmerklichen Verunreinigungen besteht.

5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Verstärkungsfasern aus Aluminiumoxid und/oder Aluminiumsilicat bestehen.

6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Dicke des Stegs zwischen der obersten Ringnut und dem Umfang des Kolbenbodens 5 bis 9 mm beträgt.