DE748567C

DE748567C - Verfahren zur Herstellung von gegossenen Leichtmetallkolben

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Publication number: DE748567C
Application number: DEA95772D
Authority: DE
Priority date: 1942-06-06
Filing date: 1942-06-06
Publication date: 1944-11-04

Description

Verfahren zur Herstellung von gegossenen Leichtmetallkolben Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen oder andere Arbeitsmaschinen durch Gießen. Es ist bekannt, daß gegossene Kolben aus Leichtmetallen und deren Legierungen kein dichtes Metallgefüge besitzen und zu Gaseinschlüssen neigen, die aus Luft oder aus Wasserstoff bestehen. Zwar versucht man durch geeignete Behandlung der geschmolzenen Werkstoffe die Gaseinschlüsse nach Möglichkeit zu vermeiden; sie ganz zu verhindern, ist jedoch unmöglich. Daher erreichen gegossene Leichtmetallkolben nie die Festigkeit, welche bei gepreßten- Kolben erzielt -werden kann. Auch auf die Wärmeleitfähigkeit wirken sich die Gaseinschlüsse störend aus, da sie einen glatten Wärmefluß verhindern. Andererseits bietet aber der gegossene Leichtmetallkolben gegenüber einem gepreßten insofern Vorteile, als eine beliebige konstruktive Form mit beliebig angeordneten Aussparungen und Rippen in verhältnismäßig -einfacher und billiger Weise .durch Gießen hergestellt werden kann. Auch bezüglich der Laufeigenschaften des Kolbens wirken sich die Gaseinschlüsse in durchaus erwünschtem Sinne aus, weil der-porige Werkstoff eine gute Ül!haftung. ermöglicht. Bei sehr hohen Beanspruchungen genügt jedoch die Festigkeit und die Wärmeleitfähigkeit :des gegossenen Werkstoffs nicht mehr allen Ansprüchen. Man muß in diesem Falle zu gepreßten Rohlingen übergehen und erreicht durch das beim Preßling dichtere Gefüge größere Festigkeit sowie durch ,den ausgerichteten Faserverlauf des Werkstoffes eine bessere Wärmeleitfähigkeit. Andererseits hat aber .der gepreßte Kolben gegenüber dem gegossenen Nachteile, welche durch die Artdes Preßvorganges bestimmt sind. Beim Preßvorgang können nämlich itn Kolbeninnern keine Hinterschneidungen und keine beliebig ausgeführten Rippen erzielt werden. Ferner sind die Laufeigenschaften des verdichteten Werkstoffes nicht so gut wie beim gegossenen Werkstoff, weil die porige .Struktur des Gefüges nicht mehr vorhanden ist.

Die Erfindung bezweckt, einen Leichtmetallkolben zu schaffen, der -die guten Eigenschaften der gegossenen Kolben mit denen der gepreßten Kolben vereint, ohne deren Nachteile aufzuweisen. Dies wird gemäß der Erfindung bei der Herstellung von Leichtmetallkolben -durch Gießen dadurch erreicht, daß .die thermisch oder mechanisch hochbelasteten Kolbenteile, wie Teile des Kolbenbodens, die Kolbenringzone oder-die Bolzennaben, als gepreßte Werkstücke aus einer Leichtmetallknetlegierung für sich hergestellt und von der zur Herstellung des Hauptkörpers _ des Kolbens dienenden Legierung derart um,7ossen «-erden. daß eine Legierung lediglich an den

umgossenen Oberflächen der Preßstücke staue

findet, deren Preßstruktur erhalten bleibt. .,.@.._:

Die Erfindung ist von ,der Überlegung att@::@

gegangen, -daß bei sehr starker Beanspruchung':

gegossener Kolben deren Festigkeitseigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit nicht in allen Teilen des Kolbens unzureichend werden. Vielmehr sind bei höchsten Beanspruchungen im gegossenen Kolben nur gewisse örtliche, meist kleine Teile des Kolbens den Beanspruchungen nicht mehr gewachsen. Ain meisten beansprucht sind, beispielsweise im Dieselmotor, diejenigen Teile des Kolbenbodens, welche zur Sicherstellung der Gemischaufbereitung zerklüftet sind, wobei vorspringende Nasen und Kanten vom Einspritzstrahl getroffen werden und diesen Einspritzstrahl in bestimmte Bahnen zu lenken haben. In diesen Nasen und Vorsprüngen treten bei gegossenen Kolhen häufig nach kürzerer oder längerer Laufzeit Wärmerisse auf, welche geinäß der Erfindung durch ein dichteres Gefüge und Ausrichtung des Faserverlaufs un1 der damit ursächlich zusammenhängenden besseren Wärmeleitfähigkeit in diesen örtlich hochbeanspruchten Zonen vermieden werden. Bisher hat man in solchen Fällen meist den gegossenen Kolben durch den gepreßten Kolben ersetzt und hat die schon angedeuteten -Nachteile des gepreßten Kolbens. nämlich seine aus Gründen der Herstellung einfachere und daher oft nicht zweckmäßige Konstruktion und seine schlechteren Laufeigenschaften in Kauf nehmen müssen.

Dagegen :gestattet die Erfindung, auch in solchen Fällen den gegossenen Kolben anzuwenden, indem nur die örtlich höchstbeanspruchten Stellen, wie Kanten und Nasen sowie auch die Kanten und Oberflächen kugelförmiger Verbrennungsräume, welche in den Kolben verlagert sind, aus fertiggepreßten Teilen aus einer Kolbenknetlegierung eingegossen sind. Den gepreßten Teilstücken können dabei so einfache Formen gegeben werden. daß der zweckmäßigste Faserverlauf auf alle Fälle erreicht wird. Als weitere Beispiele für hochbelastete Kolbenteile, welche gemäß der Erfindung als Preßstücke hergestellt und eingegossen werden, seien die Bolzennaben und die Kolbenringzone genannt.

Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens ist dafür zu sorgen, daß die in die Kokille eingelegten gepreßten Werlcstiiclte beim nachfolgenden Umgießen mit der Kolbengußlegierung einerseits an den- umgossenen Oberflächen der Preßstücke eine feste Verbindung mit dein Gußkörper eingehen, andererseits aber sich mit diesem nur an der Oberfläche -legieren und nicht etwa schmelzen oder auch-nur ihre dem gepreßten Werkstoff eigeiitümliclie Struktur verlieren. Die Erfah-

_ ng hat bewiesen, daß das gewünschte Er-

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nis durch geeignete Wahl der Kokillen-

" peratur und der Fließrichtung des einge-

ssenen Metalls ohne besondere Schwierig-

eit zu erreichen ist. Die in die Kokille ein-

gelegten Preßteile werden dann durch ihre Wärmeabgabe an die Kokille beim Umgießen nur an den umgossenen Rändern und Flächen vom flüssigen Gießmetall angeschmolzen und legieren mit diesem fugenlos, während der Kern der eingelegten Preßstücke in seiner Struktur unverändert bleibt.

Es ist zwar bekannt, beim Guß von Kolben verschiedene Gußlegierungen zu verwenden, so daß einzelne Kolbenteile bestimmte durch die jeweils angewendete Gußlegierung hervorgerufene Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise ist vorgeschlagen worden, den Kolbenboden aus einer hochprozentigen Magnesiumlegierung und den Kolbenschaft aus einer stark siliziumhaltigen Aluminiumlegierung zu gießen. Die aus den verschiedenen Legierungen bestehenden Kolbeneile sollen dabei durch das Vergießen oder auch durch Pressen oder durch mechanische Verbindungsmittel miteinander verbunden «erden. Auf diese Weise ist es aber nicht möglich, bestimmten Teilen des Kolbens die hohen Festigkeitseigenschaften und das große Wärmeleitvermögen zu verleihen, welche dem gepreßten Leichtmetall eigentümlich sind.
Auch hat man bei im ganzen oder zum überwiegenden Teil gepreßten Kolben einzelne Teile aus Gußlegierungen von so hoher Härte und geringer Dehnung hergestellt, daß diese Teile zufolge ihrer physikalischen Eigenschaften nicht mehr preßbar sind. Beispielsweise wählte man für den Kolbenboden eine Legierung von höherer Härte und höherer Warmfestigkeit als für den Kolbenmantel, der aus einer Legierung mit höherer Dehnung besteht und ein geknetetes Gefüge aufweist. Ein solcher Kolben ist jedoch als gepreßter Kolben anzusprechen. Er .unterliegt hinsichtlich sein:r Formgebung den für gepreßte Kolben geltendenBeschränkungen, und.die Laufeigenschaften seines Mantels mit geknetetem Gefüge sind den Laufeigenschaften gegossener Kolben unterlegen.
Im Gegensatz zu diesen bekannten Leichtnietallkolben aus zwei verschiedenen Werkstoffen zeichnet sich eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gerade dadurch aus, daß die gleiche L eichtinetalllknetlegierung sowohl für die Herstellung der Preßstücke als auch für das Gießen .des übrigen Kolbenkörpers angewendet wird. Die erwünschte Legierung zwischen ,den umgossenen Oberflächen der Preßstücke und dem Gußkörper tritt bei dieser Ausführung der Erfindung in besonders zuverlässiger Weise ein, und die mechanischen und thermischen Unterschiede der Kolbenteile beruhen in diesem Falle ausschließlich auf der verschiedenen Verarbeitung des Werkstoffes. Bekanntl?ch kann die Festigkeit von Leichtmetallknetlegierungen, .die auch zum Gießen gut geeignet sind, durch Pressen bis um 50 0'lo und mehr gesteigert werden.
Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen von Kolben, die nach :dem vorliegenden Verfahren hergestellt sind.
Abb. i zeigt einen Kolben mit im Boden eingesenktein Verbrennungsraum für Dieselmotore zur Hälfte in senkrechtem Schnitt mit einem als Preßstück eingegossenen Mündungsrand :des Verbrennungsraumes.
Abb. 2 zeigt einen ähnlichen Kolben in entsprechender Darstellung, bei dem der obere Teil. der Kolbenringzone als Preßstück eingegossen ist.
Zunächst werden die hochbeanspruchten Kolbenteile 2, wie Kol:benringzone oder Verbrennungsk.ammermündung, für sich als fertiggepreßte Werkstücke aus einer Leichtmetallknetlegierung hergestellt, dann in die Kokille eingesetzt und mit der den übrigen Kolbenkörper i bildenden Legierung umgossen. Die Kokillentemperatur und der Werkstoffluß beim Gießen sind, letzterer durch. entsprechende Wahl :der E?ngußrichtung sowie Anzahl und Anordnung der Steiger, so zu steuern, daß die eingesetzten Preßstücke nur an ihren umgossenen Flächen anschmel-,zen und sich mit dem Gießwerkstoff legeren, im übrigen aber ihre @Preßstruktur behalten.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Herstellung von gegossenen Leichtmetallkolben für Brennkraftm,aschinen oder andere Arbe'-tsmasch:-nen, deren Teile verschiedenes Gefüge aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch odermechanisch hochbelasteten Kolbenteile, wie Teile des Kolbenbodens, .die Kolbenringzone oder die Bolzennaben, als gepreßte Werkstücke aus einer Leichtmetallknetlegierung für sich hergestellt und von der zur Herstellung des Hauptkörpers des Kolbens dienenden Legierung derart umgossen werden, daß .eine Legierung lediglich an den umgossenen Oberflächen der Preßstücke stattfindet, deren Preßstruktur erhalten bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch i, .dadurch gekennzeichnet, daß ,die gleiche Leichtmetallknetlegierung für die Herstellung der Preßstücke und für das Gießen des übrigen Kolbenkörpers angewendet wird. Zur Abgrenzung des Anmeldungsgegenstandes vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: deutsche Patentschrift ..... Nr. 567 262; schweizerische Patentschrift - 202 934.