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Verbundgußstück und Verfahren zu dessen Herstellung Die Erfindung
bezieht sich auf Kolben für Verbrennungskraftmaschinen aus Leichtmetall.
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Bisher wurde vorgeschlagen, die Abnutzungseigenschaft von Aluminiumkolben
dadurch zu verbessern, daß in der Nähe des Kolbenbodens ein Band eingelegt wird,
in das die Kolbenringnuten eingedreht sind. Für solche Bänder wurden Stahl und Gußeisen
wegen der geringeren Abnutzung dieser Metalle gegenüber Aluminium und Aluminiumlegierungen
vorgeschlagen. Wegen der weit äuseinanderliegenden Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Gußeisen und Stahl einerseits und Aluminium und Aluminiumlegierungen andererseits
wurde weiterhin vorgeschlagen, d!em Eisen und Stahl ein Legierungsmetall, wie beispielsweise
Nickel, hinzuzufügen, das diesem einen Wärmeausdehnungskoeffizienten verleiht, der
dem des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung, die den Kolbenkörper bildet, näherkommt.
Jedoch sogar in diesem Fall läßt die Verschiedenheit der Wärmeausdehnung zwischen
dem eingelegten Band und dem Kolbenkörper aus Aluminium das Aluminium während des
Erhitzungsvorganges gegen die zurückhaltende Wirkung des Eisen- oder Stahlbandes
wachsen.
Dadurch ergibt sich :eine sehr geringe Stauchung des Aluminiums, so daß bei dessen
Abkühlung das Band nicht mehr so dicht anliegt wie ursprünglich. Weitere Erhitzungsvorgänge
vergrößern diesen Zustand, bis das Ringband am Ende in dem Aluminiumkolben lose:
wird. Obgleich Einlagen aus hochnickelhalti-gem Gußeisen mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten
bei Aluminiumkolben nützlich und erwünscht sind, wird dadurch das Problem nicht
vollständig gelöst.
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Gemäß der Erfindung sind aus Aluminium und aus Aluminiumlegierungen
hergestellte Kolben, in die den Verschleiß verringernde Ringbänder eingelegt sind,
durch ein Gießverfahren hergestellt, bei dem die ringförmige Einlage molekular mit
dem Aluminium mit dem Kolben unter solchen Bedingungen verbunden wird, daß ein Unterschied
in dem Wärmeausdebnungskoeffizient zwischen dem Aluminium und dem Eisenmetall nicht
ausreicht, um beim Abkühlen nach dem Gießen eine Spannung zu erzeugen, die die Festigkeit
der Verbindung übersteigt. Demzufolge wird der Kolben auch hinterher im Betrieb
bei großen Temperaturschwankungen nicht zerstört. Das Ringband bleibt, wie es durch
harten Betrieb im tatsächlichen Gebrauch nachgewiesen wurde, fest in dem Kolben.
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Erfindungsgemäß sind bei den Kolben für Verbrennungskraftmaschinen
die Eisenringe und das Aluminium durch einen dünnen Film von wenigen hundertstel
Millimetern einer iEisen- und Aluminiumlegierung verbunden. Außerdem muß der Ring
aus einem Eisen von hoher Festigkeit und einem Elastizitätsmodul unter etwa 1,i2
X los kg/cm2 bestehen. Vorzugsweise soll der Elastizitätsmodul des (Eisenringes
zwischen etwa 0,77 X los kg/cm2 und etwa i,o5i X los kg/crrm2 liegen. Besonders
geeignet ist Grauguß mit einem niedrigen Elastizitätsmodul. Das Verbinden des Aluminiums
mit dem Eisenring erfolgt in der Weise, däß der Eisenring aus Grauguß mit niedrigem
Elastizitätsmodul zuerst mit einem dünnen Film geschmolzenen Aluminiums von wenigen
hundertstel Millimetern überzogen wird.
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Während der mit Aluminium überzogene Ring noch mindestens die Schmelztemperatur
besitzt, bei der das für den Kolbenkörper verwendete Aluminium bzw. Aluminiumlegierung
gegossen wird, und der Aluminiumfilm auf dem Band flüssig oder plastisch ist, wird
das Metall des Aluminiumkörpers in bekannter Weise vorzugsweise in einer Dauergießform
um die Einlage herum egossen. Wenn der Kolben abgekühlt ist und aus der Form genommen
wird, ist der Ring mittels der dazwischenliegenden Schicht aus einer Eisen-Aluminium-Legierung,
die wegen ihrer spröden Natur auf wenige hundertstel Millimeter bemessen wird, äußerst
fest mit dem Aluminium verbunden.
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Das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung ergibt einen festgefugten
und gegen Verschleiß widerstandsfähigen Verbundgußko:lben. Er besitzt das niedrige
Gewicht des Aluminiums und an der Stelle, an der die größte Abnutzung auftritt,
die Festigkeit von Gußeisen oder Stahl. Die Erfindung ist im folgenden an Hand.
schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel erläutert.
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Fig. i ist ein Querschnitt durch einen die Erfindung erläuternden
Verbundgußkolben; Fig. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt durch die Kolbeneinlage
(Kolbenring) der Fig. i.
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In den Zeichnungen ist mit io, eine ringförmige Einlage aus Gußeisen
oder -stahl bezeichnet, die in einem Kolben m aus gegossenem Aluminium bzw. Aluminiumlegierung
eingelegt ist. Diese Einlage io wird vorzugsweise von einem Vollring ohne die Kolbenringnuten
i2 gebildet, die erst nach der Fertigstellung des Verbundkolbens eingedreht werden.
Außerdem isst die Einlage io vorzugsweise im Außendurchmesser größer als der Kolben,
so daß sie in einer Vertiefung der Dauergießform angeordnet werden kann, in der
das Aluminium oder die Aluminiumlegierung gegossen wird.
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Vor dem Einlegen in die Form wird die Einlage aus Gußeisen oder Stahl
auf die Temperatur erhitzt, bei der Aluminium mit dem Gußesen oder Stahl legiert,
was vorzugsweise dadurch geschieht, daß die Einlage io in ein Bad geschmolzenen
Aluminiums bzw. einer Aluminiumlegierung genügend lange eingetaucht wird, um diese
Temperatur zu erreichen und die Legierungsbildung in der gewünschten dünnen Schicht
zwischen der Oberfläche des Metalls der Einlagen io und dem geschmolzenen Aluminium
bzw. Aluminiumlegierung stattfindet.
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Die überzogene Einlage io wird dann, solange der Oberflächenfilm aus
Aluminium noch flüssig oder plastisch ist, in die Dauergießform eingebracht und
das geschmolzene Aluminium b:zw. Aluminiumlegierung des Kolbenkörpers i i um die
Einlage io herumgegossen. Infolge der Schmelzvereinigung zwischen dem flüssigen
oderplastischen Aluminiumfilm auf der Einlage io, und dem angegossenen Aluminium
oder der angegossenen Aluminiumlegierung sind der Kolbenkörper @i;i und der Eisenring
io: über die Eisen-Aluminium-Legierung 13 homogen miteinander verb:un@ Wie bekannt,
sind die thermischen und mechanischen Spannungen bzw. Schlag- und Verschleißbeanspruchungen,
denen der Kolben im Betrieb unterworfen ist, beträchtlich. Es ist deshalb in erster
Linie erwünscht, diese auf ein Mindestmaß herabzudrücken. Deshalb wird, um die Verschiedenheit
der Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Material des Ringes i0 und dem Material
des Kolbenkörpers i i zu verringern, die Ringeinlage io aus einem Eisen oder Stahl
von hoher Festig= keit und einem Elastizitätsmodül unter etwa 16 X ioB gefertigt.
Geeignet ist z. B. ein hochnickelbaltiges Gußeisen, @d'as etwa i2,5 °/a Nickel enthält.
Diese Differenz in der Wärmeausdehnung kann weiterhin dadurch verringert werden,
daß als Material für den Kolbenkörper i i eine Aluminiumlegierung mit Legierungsbestandteilen,
welche die Wärmeausdehnung des. Aluminiums verringern, verwendet wird. Eine solche
Legierung
ist z. B. ein Aluminium, das UNO, Silizium, 2,5 % Nickel, r,2 % Magnesium und o,8%
Kupfer enthält. Wenn ein Gußeisenring io mit dem vorher erwähnten hohen Nickelgehalt
und für den Kolbenkörper i i eine Aluminiumlegierung mit niedrigen Ausdehnungskoeffizienten
verwendet wird, dann widersteht der Kolben gemäß der Erfindung dem härtesten Betrieb
ohne Schaden außer einer normalen Abnutzung.
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Auch Grauguß mit niedrigem Elastizitätsmodul kann mit guten Ergebnissen
als Material für die Einlage verwendet werden. Der Elastizitätsmodul muß aber unter
etwa i,i2 X iog kg/em2 und vorzugsweise zwischen 0,717 X IOß und i,oi51 X
iog kg/cm2 liegen.
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Die Festigkeit der Verbindung 13 des Kolbens dieser Erfindung
ergibt einen. solchen Sicherheitsfaktor, daß die Verbindung i'3, auch ohne weiteres
axial so weit ausgedehnt werden kann, daß, falls erwünscht, die nächste benachbarte
Kolbenringnut 12' ebenfalls in der Einlage io untergebracht werden kann, obwohl
gewöhnlich die obersten ein oder zwei Ringe die stärkste Abnutzung erleiden und
deshalb die Eiseneinlage in erster Linie für diese erforderlich ist.