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Diese Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren
eines Kolbens für
eine Brennkraftmaschine, der eine Aluminiumlegierung verwendet.
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Für
einen Kolben, der während
seines Hin- und Hergehens in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine
hohen Temperaturen und hohen Drücken
unterworfen wird, ist es erforderlich eine hohe Festigkeit und einen
hohen widerstand gegen Verschleiß zu haben und leichtgewichtig
zu sein. Als ein material für
solch einen Kolben wird allgemein eine Al-(Aluminium)Legierung,
die Si (Silizium) enthält,
verwendet. Die Hauptgründe
für das
Zusetzen von Si ist hier (1) die Gießeigenschaften durch Absenken
des Schmelzpunktes und durch Erleichtern des Fließens von
dem geschmolzenen Metall zu verbessern, (2) die Verformung bei hohen
Temperaturen durch Absenken des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
einzugrenzen, und (3) den Widerstand gegen Verschleiß und Ermüdung infolge
der Hochgeschwindigkeits-Gleitbewegung zu verbessern.
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Hinsichtlich des Absenkens des thermischen
Ausdehnungskoeffizienten (2) und der Verbesserung des Widerstandes
gegen Verschleiß (3)
ist die Wirkung im Verhältnis
zu der Menge von Si, die in der Legierung enthalten ist, größer. Demzufolge,
je höher
die Ausgangsleistung eines Motors und die thermische Belastung auf
den Kolben, desto größer ist
die zugesetzte Menge von Si.
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Da jedoch Si eine wesentlich niedrigere
thermische Leiffähigkeit
als Al hat, hat die Aluminiumlegierung, die eine große Menge
von Si enthält,
zwangsläufig
eine geringe thermische Leitfähigkeit.
Als ein Ergebnis kann Wärme
nicht angemessen abgeleitet werden, oder die Wärmeableitungswirkung schlecht
ist. Demzufolge ist insbesondere der Kolbenkopfbereich anfällig überhitzt
zu werden und anfällig
gegen Beschädigungen durch
Schmelzen ausgesetzt zu sein.
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Die
EP
0 539 172 zeigt ein Herstellungsverfahren eines Kolbens
aus einer Aluminiumlegierung. Entsprechend des Standes der Technik
wird ein Aluminiumpulver aus einem Aluminium, das zwischen 10 bis
25 Gew.-% von si, 5 bis 20 Gew.-% von Ni, 1 bis 5 Gew.-% von Cu
enthält,
und dem Rest, der aus Aluminium und Verunreinigungselemente besteht,
vorbereitet. Dieses Pulver wird mit einem Dispergierungsmittel gemischt, das
zumindest eines ist, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus 0,5 bis 10%
von Nitriden, Boriden, Carbiden oder Oxiden besteht. Das Dispergierungsmittel
hat einen durchschnittlichen Pulverdurchmesser zwischen 0,2 bis
20 μm. Diese
Mischung wird bei rund 450°C
extrudiert und auf die abschließend
erforderliche Form des Kolbens mechanisch bearbeitet.
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Das Ziel der Erfindung, festgelegt
in Hinblick auf die oben genannten Nachteile, ist ein Herstellungsverfahren
eines Kolbens zu schaffen, das die Deformation oder das Schmelzen
bei hohen Temperaturen und eine Verschlechterung in den Verschleiß- oder
Ermüdungseigenschaften
infolge der Hochgeschwindigkeits-Gleitbewegung einschränken kann.
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Um dieses oben genannte Ziel zu erreichen
sieht die Erfindung ein Verfahren vor, wie in dem Anspruch 1 definiert.
Eine alternierende Lösung
zu dem oben genannten Ziel entsprechend der vorliegenden Erfindung ist
in dem Anspruch 2 definiert. Die bevorzugten Ausführungsbeispiele
des erfinderischen Verfahrens sind in dem Anspruch 3 enthalten.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele
werden aus der folgenden Beschreibung der Beispiele der Erfindung
und aus den beigefügten
Zeichnungen deutlich. In den Zeichnungen
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ist 1 ein
Vergleichsdiagramm der Härteeigenschaften
zwischen herkömmlichen
Aluminiumlegierungen und zwei Ausführungsbeispielen von Legierungen
entsprechend der Erfindung.
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ist 2 eine
Vergleichsdiagramm der thermischen Leitfähigkeit zwischen herkömmlichen
Aluminiumlegierungen und zwei Ausführungsbeispielen von Legierungen
entsprechend der Erfindung.
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veranschaulicht die 3 die Form des Kolbens, der unter Verwendung
einer Aluminiumlegierung entsprechend der Erfindung gebildet ist.
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ist 4 ein
Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens für einen in der 3 gezeigten Kolbens.
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veranschaulicht die 5 ein vorhergehendes Verfahren zur Herstellung
des in der 3 gezeigten Kolbens.
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Der Bestandteil Si wird hinzugefügt, um den
Verschleißwiderstand
und den Wärmewiderstand
durch das Erzeugen von Hartkristall-Siliziumkörnern der Anfangs- oder eutektischen
Kristalle in der Metallzusammensetzung zu verbessern. Der Bestandteil
Fe (Eisen) wird hinzugefügt,
um eine dispergierte metallische Zusammensetzung zu erzeugen, um
eine hohe Festigkeit bei Temperaturen über 200°C zu schaffen. Die Bestandteile
Cu (Kupfer) und Mg (Magnesium) werden hinzugefügt, um die Festigkeit bei Temperaturen
unter 200°C
zu erhöhen.
Der beabsichtigte Widerstand gegen Verschleiß und Festfressen und die notwendige
Festigkeit bei hohen Temperaturen werden außerhalb der Bereiche der vorbeschriebenen
Ausführungsbeispiele nicht
erreicht.
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Die Tabelle 1 zeigt die Bestandteile
der Aluminiumlegierungen AC8A und AC9B, die in dem JIS bestimmt
sind und die herkömmlich
für die
Kolben verwendet werden, und die Bestandteile der Legierung 1 und der
Legierung 2 als Beispiele von Aluminiumlegierungen der vorliegenden
Erfindung.
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1 zeigt
den Vergleich der Härteeigenschaften
zwischen den herkömmlichen
Aluminiumlegierungen JIS AC8A, JIS AC9B, und den Legierungen 1,
2 der Erfindung. Wie aus der Fig. gesehen wird, sind die Härteeigenschaften
der Legierungen 1 und 2 der Erfindung jenen der Legierungen JIS
AC8A und JIS AC9B überlegen.
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2 zeigt
den Vergleich der thermischen Leitfähigkeit (in Watt pro Meter
Kelvin) zwischen den Aluminiumlegierungen der Erfindung, die jeweils
8 Gew.-% und 20 Gew.-%
von Si + SiC enthalten, und den vorerwähnten Legierungen JIS AC8A
und JIS AC9B. Wie aus der Fig. gesehen wird, sind die Legierungen
der Erfindung in der thermischen Leitfähigkeit höher als die Legierungen JIS
AC8A und JIS AC9B, die kein SiC enthalten. Demzufolge verbessern
die Legierungen der Erfindung, wenn sie für Kolben verwendet werden,
die Wärmeverteilungseigenschaften
und ermöglichen
die Verwendung unter den Bedingungen von hoher Ausgangsleistung
bei hohen Temperaturen.
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Jetzt wird das Herstellungsverfahren
des Kolbens, das die Aluminiumlegierungen der Erfindung verwendet,
beschrieben.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Brennkraftmaschinen-Kolbenstücks, das durch Schmieden entsprechend
der Erfindung hergestellt wird; (A) zeigt
eine Seitenansicht, wie si in der Richtung der Achse der Kolbenbolzenbohrung
gesehen wird, (B) zeigt eine Draufsicht,
wie sie von oberhalb des Kolbens gesehen wird, und (C) zeigt
eine vertikale Querschnittsdarstellung, wie sie entlang der Linie
C–C in
der 3(B) gesehen wird.
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Das Kolbenstück 1 ist ein fertig-bearbeitetes
Endprodukt, hergestellt durch spanendes Bearbeiten eines ersten
Werkstückes,
gebildet durch Schmieden eines dicken, zylindrischen Werkstückes, um
die Kolbenringnuten 5 und eine Kolbenbolzenbohrung 6 zu
bilden und um den unnötigen
Teil abzuschneiden, und mit einer Oberflächenbehandlung, z. B. Elektroplattieren,
weiterbearbeitet wird und das integral einen Kopfabschnitt 2 hat,
der der Brennkammer ausgesetzt ist, und einen Randabschnitt 3,
der in dem Bereich rund um die Kolbenbolzennabe 4 dicker
ist und allmählich,
abwärts
weg von der Kolbenbolzennabe dünner
wird.
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4 zeigt
ein Beispiel des Herstellungsverfahrens eines Kolbenstückes 1 als
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Zuerst wird in dem Verfahren (1) ein Aluminiumlegierungsblock
vorbereitet, indem ein Aluminium-Grundmaterial (Al) Silizium (Si),
Eisen (Fe) und andere Bestandteile enthält. Als nächstes wird in dem Verfahren
(2) eine oder mehrere Arten von Blöcken bei einer Temperatur von
700°C oder
höher geschmolzen, in
dem Nebelzustand atomisiert und schnell bei einer Geschwindigkeit
von 100°C
pro Sekunde abgekühlt,
um in schnell abgekühltes
pulverisiertes Metall der Aluminiumlegierung zu erstarren.
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In dem Verfahren (3) wird das schnell
abgekühlte
pulverisierte Metall der Aluminiumlegierung bis zu 400–500°C erwärmt und
extrudiert, um in eine runde Aluminiumlegierungsstange zu erstarren.
Dann wird in dem Verfahren (4) die runde Aluminiumlegierungsstange
in dick-förmige
Werkstücke
geschnitten, von denen jedes einen angemes senen Betrag hat, der
dem Kolben entspricht, der durch das Schmieden entsprechend der
vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
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Hier ist es in Ergänzung zu
dem oben beschriebenen Bildungsverfahren für die geschmiedeten Kolben durch
Schneiden der extrudierten Aluminiumlegierungsstange in Stücke von
der beabsichtigter Form und Größe auch
möglich,
die Werkstücke
der beabsichtigten Form und Größe noch
direkter zu bilden, z. B. durch ein Giessen mit dem Aluminiumlegierungspulver
und Erwärmen
auf bis zu 400–500°C unter Druck.
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Es ist auch möglich, die Werkstücke der
dicken Scheibenform für
die geschmiedeten Kolben, da das Aluminiumlegierungspulver auf bis
zu 400–500°C unter Druck
erwärmt,
eingeführt
und zwischen einem Paar von Presswalzen gewalzt und pressgestanzt
wird, zu bilden. Oder es ist auch möglich das gewalzte Material in
rechteckförmige
Werkstücke
einer gewünschten
Abmessung für
die geschmiedeten Kolben zu schneiden, und die recheckförmigen Werkstücke können in
dicke scheibenförmige
Werkstücke
für die
geschmiedeten Kolben vorgeschmiedet werden.
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Ein anfangs gebildetes Werkstück des Kolbenstückes, das
den Kopfabschnitt und den Randabschnitt einstückig besitzt, wird aus dem
Werkstück
für den
geschmiedeten Kolben gebildet, hergestellt wie oben beschrieben
durch die Verfahren (5) von Anwendens eines Trennmittels an der äußere Oberfläche des
Werkstückes,
(6) von Erwärmen,
um den Formgebungsvorgang zu erleichtern, und (7) von Schmieden
durch Pressen mit Paarweisen oberen und unteren Formen.
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Das anfangs gebildete Werkstück als,
wie oben beschrieben, ein einziges geschmiedetes Stück, wird dann
dem Verfahren (8) der Wärmebehandlung,
um die Festigkeit zu erhöhen,
und dem abschließenden
Verfahren (9) der spanenden Bearbeitung unterworfen, um die Kolbenringnuten
und die Kolbenbolzenbohrung zu bilden, und um den unnötigen Teil
abzuschneiden, um die endgültige
Form des Kolbenstückes
zu schaffen.
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Überdies
ist erforderlich, dass das wie oben beschriebene fertig-bearbeitete
Kolbenstück
durch eine Oberflächenbehandlung,
z. B. Elektroplattieren auf Randabschnitt-Seitenoberfläche, bearbeitet wird, um die Gleiteigenschaften
und den Verschleißwiderstand
zu verbessern.
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Entsprechend der oben beschriebenen
vorliegenden Erfindung, weist das Schmieden des Werkstückes für den Kolben
in den Verfahren (6) und (7) die Schritte auf, von, erstens wie
in der 5(A) gezeigt, Platzieren
eines Werkstückes 10 einer
dicken Scheibenform, z. B. in dem ausgesparten Abschnitt einer unteren,
bis auf eine gesteuerte Temperatur zwischen 200 und 500°C vorerwärmten Form 11,
und zweitens, wie in der 5(B) gezeigt,
Pressen in eine Form eines Kolbens mit einer oberen Form (Stempel) 12,
die bis zu einer gesteuerten Temperatur zwischen 200 und 500°C erwärmt wird.
Auf diese Weise kann das anfänglich
gebildete Werkstück
des Kolbenstückes
durch Warmschmieden, das eine Temperatur bei einer guten dimensionalen Genauigkeit
verwendet, während
eine gute Anwendung der Verformbarkeit der Aluminiumlegierung vorgenommen
wird, gebildet werden.
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Auch kann das Werkstück 10 bis
zu einer Temperatur zwischen 200 und 500°C erwärmt werden, bevor wes in den
Schmiedeformen platziert wird, wird dann in der Aussparung der unteren
Form 11 platziert und unmittelbar mit der oberen Form 12 geschmiedet.
Auch in diesem Fall wird das Schmieden ausgeführt, während die Temperatur der oberen
und der unteren Form 11 und 12 zwischen 200 und
500°C gesteuert
wird. Auf diese Weise kann die Schmiedezeit gegenüber dem
getrennten, parallelen Schmiedeverfahren und der Werkstückerwärmung verkürzt werden.
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Das Werkstück wird, wie oben beschrieben,
für den
geschmiedeten Kolben der Aluminiumlegierung durch Schmelzen und
Versprühen
der Aluminiumlegierung, Erstarren durch schnelles Abkühlen, um
ein verfestigtes Pulver zu erhalten, und dann durch Formen und Erstarren
des Pulvers hergestellt. Als ein Ergebnis beträgt der durchschnittliche Korndurchmesser
von dem Aluminiumlegierungspulver ungefähr 100 μm. Der durchschnittliche Korndurchmesser
der Bestandteile Si und SiC, die in der Aluminiumlegierung enthalten
sind, ist so klein wie 20 μm
oder kleiner und an jedem Korn der Aluminiumlegierung verteilt,
während
die anfänglichen,
kristallinen Siliziumkörner,
enthalten in dem schmelz-erzeugten Aluminiumlegierungsmaterial,
um angenommen für
das Schmiden verwendet zu werden, viel größer sind.
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Als ein Ergebnis wird der geschmiedete
Kolben für
Brennkraftmaschinen des vorliegenden Ausführungsbeispieles anfänglich unter
Verwendung des Werkstückes
für den
geschmiedeten Kolben des vorliegenden Ausführungsbeispieles geschmiedet,
das die Bestandteile von Si und SiC in verteilten feinen Körnern enthält, die
frei von Brüchen
als ein Ergebnis von Kornbruch des anfänglichen kristallinen Silizium
in den Randabschnit ten 3 selbst dann ist, wenn der Randabschnitt
besonders gestreckt wird, um dünnwandig
zu sein, wenn das anfänglich
gebildete Werkstück
in das Kolbenstück 1 geschmiedet
wird, und hat demzufolge eine hohe Ermüdungsfestigkeit in dem Randbereich.
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Hier kann es auch, um das Si und
das SiC in feine Körnchen
in der Aluminiumlegierung zu verteilen, vorgesehen werden, dass
die Aluminiumlegierung schnell abgekühlt und erstarrt wird, um das
Aluminiumlegierungspulver herzustellen. Dann werden das Si und das
SiC des durchschnittlichen Korndurchmessers von 1–20 μm in einer
Menge gemischt, die das Mischungsverhältnis der Aluminiumlegierung
der vorliegenden Erfindung erzeugt und direkt in einer erforderlichen
Größe durch
Pressen und Erwärmen
bei einer Temperatur unter 700°C
gebildet. Dies resultiert zu Si und SiC, die in dem Grenzbereich
der Aluminiumlegierungs-Pulverzusammensetzung verteilt sind, von
einem durchschnittlichem Korndurchmesser kleiner als 20 μm.
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In dem Fall, dass die anfängliche
Formgebung des Kolbenstückes
durch ein normales Gießverfahren unter
Verwendung einer Aluminiumlegierung als ein Werkstück vorgenommen
wird, das eine große
Menge von Eisen als einen Zusatz enthält, wird, wie das Material
nach dem Gießen
abgekühlt
wird, Eisen-Grobkorn erzeugt, was zu einer Verminderung in der Festigkeit
führt.
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Unterschiedlich zu dem oben gesagten
werden in der vorliegenden Ausführungsbeispiel,
da die Aluminiumlegierung in Pulverform durch schnelles Abkühlen und
in das Werkstück
für den
geschmiedeten Kolben durch Erwärmen
unter Druck hergestellt wird, die Grobkörner der Eisenverbindung am
Erzeugtwerden gehindert, eine gleichmäßige metallische Zusammensetzung
wird geschaffen, die frei von Grobkorneisenverbindungen ist, die
Beanspruchungskonzentrationen verursachen können. Als ein Ergebnis kann
Eisen in einer großen Menge
hinzugefügt
werden, um eine Legierung zu schaffen, die eine hohe Ermüdungsfestigkeit
hat.
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Das Werkstück für den geschmiedeten Kolben
und der geschmiedete Kolben selbst für Brennkraftmaschinen des vorliegenden
Ausführungsbeispieles
entsprechend der Erfindung, das wie oben beschrieben SiC enthält, enthält eine
besondere Menge von SiC, die härter
als Si ist, um den Verschleißwiderstand
zu erhöhen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Werkstückes für den geschmiedeten
Kolben und der geschmiedete Kolben selbst für Brennkraftmaschinen der vorliegenden
Erfindung, die, wie oben beschrieben, SiC enthalten, können ausgeführt werden
wie folgt:
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Z. B. in dem in der 4 gezeigten Verfahren (2) wird ein Aluminiumlegierungsbarren,
der kein SiC enthält,
geschmolzen und in dem Nebelzustand versprüht, schnell abgekühlt und
in ein Pulver erstarrt (pulverisiertes Metall). Eine bestimmte Menge
von SiC, das einen durchschnittlichen Korndurchmesser von 1–20 μm hat, wird
in das pulverisierte Metall gemischt, so dass das Werkstück für den Kolben,
hergestellt mit dem schnell abgekühlten, verfestigtes Pulver,
SiC enthält
und dass das SiC und Si, die einen durchschnittlichen Korndurchmesser
von 20 μm
oder weniger haben, in dem Grenzbereich des Aluminiumlegierungs-Pulverzusammensetzung,
das einen durchschnittlichen Korndurchmesser von ungefähr 100 μm hat, verteilt
werden.
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Wie oben beschrieben hat die Aluminiumlegierung
der vorliegenden Erfindung eine höhere thermische Leitfähigkeit,
einen verbesserten Verschleißwiderstand
und eine höhere
Ermüdungsfestigkeit,
ohne den Koeffizienten der thermischen Ausdehnung zu erhöhen. Durch
das Bilden eines Motorkolbens, der solch eine Aluminiumlegierung
verwendet, ist es möglich,
die Wanddicke und das Gewicht des Kolbens zu vermindern, um den
hohen Temperaturen, frei von Verschleiß und Schmelzen erfolgreich
Stand zu halten, während
eine Hochgeschwindigkeits-Gleitbewegung des Kolbens bei einer hohen
Ausgangsleistung gestattet wird.
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Wenn überdies der Kolben durch Schmieden
oder dergleichen mit dem in der Aluminiumlegierung enthalten SiC
und Si, mit durchschnittlichen Korndurchmesser von von 20 μm oder weniger
hergestellt wird, werden Risse am Auftreten infolge des Bruchs von
Si und SiC, wenn das Werkstückgestreckt
wird, gehindert. Da die Körner
von Si und SiC zwischen den Aluminiumlegierungskörnern gleichmäßig verteilt
sind, wird die Ermüdungsfestigkeit
erhöht.
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Wenn die Aluminiumlegierung, die,
wie oben beschrieben, Si und SiC enthält, verwendet wird, um einen
Kolben durch ein herkömmliches
Gießverfahren
zu bilden, ist es schwer eine gewünschte Form des Kolbens infolge
der eingeschränkten
Möglichkeit
des Gießens
herzustellen. Mit der vorliegenden Erfindung kann jedoch der Kolben
durch Schmieden oder Gießen
durch Verwenden des schnell abgekühlten und verfestigten Pulvers
aus der Aluminiumlegierung, die Si und SiC enthält, gebildet werden. Als ein
Ergebnis wird der Kolben mit einer begrenzten Verformung bei hohen
Temperaturen, einer guten thermischen Leitfähigkeit und einer hohen Festigkeit
und Verschleißwiderstand
geschaffen.
