EP0432810A1 - Pressgegossener Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Pressgegossener Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen Download PDF

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Kolbenschmidt AG
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Nissan Motor Co Ltd
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    • F05C2253/16—Fibres

Definitions

  • the invention relates to a press-cast light metal piston for internal combustion engines with fiber molded bodies made of short ceramic fibers, in particular made of aluminum oxide, silicon carbide or silicon nitride, which are partially cast into the piston crown, ring field, pin boss and / or piston skirt, and which are aligned parallel to a plane, but are statistically randomly oriented within this plane.
  • the comparatively low density of magnesium or its alloys has always given an incentive to test use pistons made from them in internal combustion engines in order to reduce the oscillating masses of the internal combustion engine and to lower the bearing pressures due to the relatively lighter piston.
  • Magnesium materials have compared to those usually used for the production of light metal pistons Internal combustion engines used aluminum-silicon alloys quite considerable disadvantages.
  • the lifespan of pistons made of magnesium materials is relatively short and their strength is relatively low compared to the dynamic stress caused by the gas forces.
  • DE 20 46 862 A describes the running surface of the piston, which is made of magnesium material, with a wear-resistant metallic running layer, e.g. Chrome, which should adhere firmly to the piston body via an intermediate layer of aluminum. It is also known to provide the tread with a wear-resistant coating made of aluminum alloy, iron, graphite, manganese, nickel, tin, lead, cadmium and zinc or to alloy magnesium with wear-resistant elements such as aluminum or silicon. To improve the strength, magnesium is alloyed with cerium and thorium and the piston is made by forging with appropriate guidance of the fiber orientation (company writing: Mahle KG and Elektron-Co. MbH, Stuttgart-Bad Canstadt, 1946).
  • a piston for internal combustion engines is known from JP 63-042 338 A, which consists of a magnesium alloy reinforced with 3 to 30% by volume of aluminum oxide-silicon oxide fibers.
  • JP 63-042 338 A which consists of a magnesium alloy reinforced with 3 to 30% by volume of aluminum oxide-silicon oxide fibers.
  • the piston is made of a heat-resistant magnesium alloy
  • the piston skirt has at least in the area of its friction surfaces a 10 to 30 ⁇ m thick, hardness of 740 to 850 HV 0.01 possessing metallic, chemically or galvanically deposited running layer and the inside of the piston is coated with a thin layer of plastic lacquer.
  • the selectively fiber-reinforced light metal piston made of a magnesium alloy By producing the selectively fiber-reinforced light metal piston made of a magnesium alloy by means of the injection molding process, a fine structure and thus a good temperature change resistance of the magnesium alloy can be achieved.
  • the use of preformed fiber bodies leads to an increase in the strength values, a reduction in the thermal expansion and an increase in the modulus of elasticity.
  • materials for the overlay nickel, cobalt, chromium, iron, nickel with cobalt inclusions or nickel with chromium inclusions, in particular, are considered within the scope of the further embodiment of the invention, which show high wear resistance and adhere firmly to the magnesium material of the piston body. Only in the event of extreme stress from the gas forces can it be appropriate to connect the metallic running layer to the magnesium material of the piston body via an intermediate layer made of copper.
  • particles of non-metallic hard materials such as silicon carbide or the like, or oxide-ceramic materials, such as chromium oxide or the like, can be found in the metallic running layer. be stored, which increases the wear resistance.
  • the thin plastic lacquer layer applied to the inside of the piston is completely or partially replaced by a magnesium oxide layer generated by anodic oxidation.
  • a magnesium alloy which contains 2 to 6 wt.%, Preferably 3.5 to 5.5 wt.% Neodymium is particularly suitable for the purpose according to the invention.
  • the magnesium alloy can also contain 0.5 to 7.5% by weight of yttrium in order to achieve higher hardening.
  • the invention is illustrated in more detail and by way of example on the basis of a longitudinal section along the plane enclosing the piston axis and the axis perpendicular to the pin axis direction through a piston (1) produced from a magnesium alloy of the material group Mg5Nd by die casting, the shaft of which is reinforced with 20 vol 16 to 24 ⁇ m thick chemically deposited nickel layer (3) and the inside of which are coated with a 15 ⁇ m thick plastic lacquer layer (2).
  • the relatively smooth nickel layer has neither pores nor cracks in the layer itself or in the connection zone with the magnesium alloy of the piston body.
  • the average hardness of the nickel layer is 740 to 770 HV 0.010 . To test the adhesive strength of the nickel layer, it was blasted with glass beads for 20 s. Detachment of the nickel layer could not be observed.

Abstract

In einen preßgegossenen Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen sind partiell Faserformkörper aus keramischen Kurzfasern, die parallel zu einer Ebene ausgerichtet sind, eingegossen. Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit des aus einer warmfesten Magnesiumlegierung bestehenden Kolbens weist der Kolbenschaft wenigstens im Bereich seiner Reibflächen eine 10 bis 30 µm dicke, eine Härte von 740 bis 850 HV0,01 besitzende metallische, chemisch oder galvanisch abgeschiedene Laufschicht auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen preßgegossenen Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen mit partiell im Kolbenboden, Ringfeld, Bolzennaben und/oder Kolbenschaft eingegossenen Faserformkörpern aus keramischen Kurzfasern, insbesondere aus Aluminiumoxid, Siliziumcarbid oder Siliziumnitrit, die parallel zu einer Ebene ausgerichtet, innerhalb dieser Ebene jedoch statistisch regellos orientiert sind.
  • Das Streben nach verbrauchsgünstigen, geräusch- und vibrationsarmen Verbrennungskraftmaschinen führt zu hohen Anforderungen u.a. auch an den Leichtmetallkolben. Von den sich für diesen Zweck anbietenden Möglichkeiten ist u.a. die Verkleinerung der Kolbenmasse von Bedeutung, da sie eine weitere, sekundäre Gewichtsreduzierung bei den Verbrennungskraftmaschinen bietet und damit über ein niedrigeres Fahrzeuggewicht zu weiteren Verbrauchseinsparungen führt. Eine reduzierte Kolbenmasse regt die Verbrennungskraftmaschine zu weniger Schwingungen an und bewirkt ein günstigeres akkustisches schwingungstechnisches Verhalten und erhöht damit den Komfort.
  • Neben der eine deutliche Verkleinerung der Kolbenmasse in den Bereichen Bolzennaben, Ringfeld und Kolbenboden hervorrufenden Reduzierung der Kompressionshöhe des Kolbens und einer Verkürzung des Kolbenschafts hat die vergleichsweise geringe Dichte von Magnesium bzw. dessen Legierungen immer einen Anreiz zum probeweisen Einsatz von daraus hergestellten Kolben in Verbrennungskraftmaschinen gegeben, um durch den relativ leichteren Kolben die schwingenden Massen der Verbrennungskraftmaschine zu verringern und die Lagerdrücke zu erniedrigen. Magnesiumwerkstoffe weisen aber gegenüber den üblicherweise für die Herstellung von Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen verwendeten Aluminium-Siliziumlegierungen ganz beträchtliche Nachteile auf. Infolge der unzureichenden Verschleißfestigkeit gegenüber den beim An- und Einlaufen sowie Notlaufen im Motorbetrieb auftretenden Mischreibungszuständen ist die Lebensdauer von aus Magnesiumwerkstoffen gefertigten Kolben verhältnismäßig kurz und ihre Festigkeit gegenüber der dynamischen Beanspruchung durch die Gaskräfte relativ gering.
  • Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit wird in der DE 20 46 862 A die Lauffläche des aus Magnesiumwerkstoff bestehenden Kolbens mit einer verschleißfesten metallischen Laufschicht, z.B. Chrom, versehen, die über eine Zwischenschicht aus Aluminium auf dem Kolbenkörper fest haften soll. Bekannt ist auch, die Lauffläche mit einem verschleißfesten Überzug aus Aluminiumlegierung, Eisen, Graphit, Mangan, Nickel, Zinn, Blei, Kadmium und Zink zu versehen oder Magnesium mit verschleißfesten Elementen wie Aluminium oder Silizium zu legieren. Zur Verbesserung der Festigkeit wird Magnesium mit Cer und Thorium legiert und der Kolben durch Schmieden mit entsprechender Lenkung des Faserverlaufs gefertigt (Firmenschrift: Mahle KG und Elektron-Co. mbH, Stuttgart-Bad Canstadt, 1946). Alle diese Maßnahmen haben aber bisher nicht ausgereicht, um aus Magnesiumwerkstoffen funktionstüchtige Kolben für Verbrennungskraftmaschinen zu erreichen. Aus der JP 63-042 338 A ist zwar ein Kolben für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, der aus einer mit 3 bis 30 Vol.-% Aluminiumoxid-Siliziumoxid-Fasern verstärkten Magnesiumlegierung besteht. Derartige Leichtmetallkolben haben jedoch bisher keinen Einzug in die Praxis halten können, da sie einen relativ hohen abrasiven Verschleiß der Zylinderlaufbahn hervorrufen.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen durch Preßgießen hergestellten Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen der eingangs beschriebenen Bauart bereitzustellen, der eine ausreichende Verschleißfestigkeit bei geringer Reibung besitzt und der den hohen Anforderungen an Festigkeit gegenüber der dynamischen Beanspruchung durch die Gaskräfte, insbesondere beim Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen mit sehr hoher spezifischer Leistung, genügt.
  • Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß der Kolben aus einer warmfesten Magnesiumlegierung hergestellt ist, der Kolbenschaft wenigstens im Bereich seiner Reibflächen eine 10 bis 30 µm dicke, eine Härte von 740 bis 850 HV0,01 besitzende metallische, chemisch oder galvanisch abgeschiedene Laufschicht aufweist und die Innenseite des Kolbens mit einer dünnen Kunststofflackschicht überzogen ist.
  • Durch die Herstellung des aus einer Magnesiumlegierung bestehenden selektiv faserverstärkten Leichtmetallkolbens nach dem Preßgießverfahren läßt sich ein feines Gefüge und damit eine gute Temperaturwechselbeständigkeit der Magnesiumlegierung erreichen. Der Einsatz von vorgeformten Faserkörpern führt zu einer Erhöhung der Festigkeitswerte, einer Verringerung der Wärmeausdehnung und einem Anstieg des E-Moduls. Als Werkstoffe für die Laufschicht kommen im Rahmen der weiteren Ausgestaltung der Erfindung insbesondere Nickel, Kobalt, Chrom, Eisen, Nickel mit Kobalteinlagerungen oder Nickel mit Chromeinlagerungen in Betracht, die eine hohe Verschleißfestigkeit zeigen und fest auf dem Magnesiumwerkstoff des Kolbenkörpers haften. Nur im Fall extremer Beanspruchung durch die Gaskräfte kann es angebracht sein, die metallische Laufschicht über eine Zwischenschicht aus Kupfer mit dem Magnesiumwerkstoff des Kolbenkörpers zu verbinden.
  • Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal können in der metallischen Laufschicht Partikel nicht-metallischer Hartstoffe, wie Siliziumcarbid oder dergleichen, oder oxidkeramischer Werkstoffe, wie Chromoxid oder dergleichen, eingelagert sein, wodurch die Verschleißfestigkeit zusätzlich erhöht wird.
  • Im Rahmen der Ausgestaltung der Erfindung ist die auf der Innenseite des Kolbens angebrachte dünne Kunststofflackschicht ganz oder teilweise durch eine mittels anodischer Oxidation erzeugten Magnesiumoxidschicht ersetzt. Für den erfindungsgemäßen Zweck ist insbesondere eine Magnesiumlegierung, die 2 bis 6 Gew.-%, vorzugsweise 3,5 bis 5,5 Gew.-% Neodym enthält, geeignet.
  • Gegebenenfalls kann die Magnesiumlegierung noch 0,5 bis 7,5 Gew.-% Yttrium enthalten, um eine höhere Aushärtung zu erzielen.
  • Die Erfindung ist näher und beispielhaft anhand eines Längsschnitts entlang der die Kolbenachse und die Achse senkrecht zur Bolzenachsrichtung einschließenden Ebene durch einen aus einer Magnesiumlegierung der Werkstoffgruppe Mg5Nd durch Preßgießen hergestellten Kolben (1) dargestellt, dessen mit 20 Vol.-% Aluminiumoxidfasern verstärkter Schaft mit einer 16 bis 24 µm dicken chemisch abgeschiedenen Nickelschicht (3) und dessen Innenseite mit einer 15 µm dicken Kunststofflackschicht (2) überzogen sind. Die relativ glatte Nickelschicht weist weder Poren noch Risse in der Schicht selbst oder in der Verbindungszone mit der Magnesiumlegierung des Kolbenkörpers auf. Die durchschnittliche Härte der Nickelschicht beträgt 740 bis 770 HV0,010. Zur Prüfung der Haftfestigkeit der Nickelschicht wurde diese 20 s lang mit Glasperlen gestrahlt. Ein Ablösen der Nickelschicht konnte dabei nicht beobachtet werden.

Claims (7)

1. Preßgegossener Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen mit partiell, vorzugsweise am Kolbenboden, Ringfeld, Bolzennaben und/oder Kolbenschaft, eingegossenen Faserformkörpern aus keramischen Kurzfasern, vorzugsweise aus Aluminiumoxid-, Siliziumcarbid- oder Siliziumnitrit-Fasern, die parallel zu einer Ebene ausgerichtet, innerhalb dieser Ebene jedoch statistisch regellos orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (1) aus einer warmfesten Magnesiumlegierung besteht und der Kolbenschaft wenigstens im Bereich seiner Reibflächen eine 10 bis 30 µm dicke, eine Härte von 740 bis 850 HV0,01 besitzende metallische, chemisch oder galvanisch abgeschiedene Laufschicht (3) aufweist und die Innenseite des Kolbens mit einer dünnen Kunststofflackschicht (2) überzogen ist.
2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht (3) aus Nickel, Kobalt, Chrom, Eisen, Nickel mit eingelagerten Kobaltpartikeln oder Nickel mit eingelagerten Chrompartikeln besteht.
3. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Laufschicht (3) Partikel nicht-metallischer Hartstoffe, wie Siliziumcarbid oder dergleichen, eingelagert sind.
4. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Laufschicht (3) Partikel oxidkeramischer Werkstoffe, wie Chromoxid oder dergleichen, eingelagert sind.
5. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofflackschicht (2) ganz oder teilweise durch eine mittels anodischer Oxidation erzeugten Magnesiumoxidschicht ersetzt ist.
6. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesiumlegierung 2 bis 6 %, vorzugsweise 3,5 bis 5,5 % Neodym enthält.
7. Leichtmetallkolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesiumlegierung noch 0,5 bis 7,5 % Yttrium enthält.
EP90202262A 1989-11-11 1990-08-22 Pressgegossener Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen Revoked EP0432810B1 (de)

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