EP0499321A1 - Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

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EP0499321A1
EP0499321A1 EP92200333A EP92200333A EP0499321A1 EP 0499321 A1 EP0499321 A1 EP 0499321A1 EP 92200333 A EP92200333 A EP 92200333A EP 92200333 A EP92200333 A EP 92200333A EP 0499321 A1 EP0499321 A1 EP 0499321A1
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EP
European Patent Office
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magnesium alloy
piston
metal piston
rare earth
light metal
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Withdrawn
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EP92200333A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Siegfried Dr. Mielke
Wolfgang Dr. Henning
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Kolbenschmidt AG
Original Assignee
Kolbenschmidt AG
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Publication date
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/08—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by contacting the fibres or filaments with molten metal, e.g. by infiltrating the fibres or filaments placed in a mould
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/02—Light metals
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    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/16—Fibres

Definitions

  • the invention relates to a press-cast, made of heat-resistant magnesium alloy light metal piston for internal combustion engines with partially, preferably on the piston crown, ring field, pin bosses and / or piston skirt molded bodies made of ceramic short fibers, preferably aluminum oxide, silicon carbide or silicon nitride fibers, which are aligned parallel to a plane, within this level, however, are statistically randomly oriented, and a process for its production.
  • magnesium materials have very considerable disadvantages compared to the aluminum-silicon alloys usually used for the production of light metal pistons for internal combustion engines.
  • 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-A-20 46 862 provides the running surface of the piston, which is made of magnesium material, with a wear-resistant metallic running layer, for example chrome, which adheres to the piston body via an intermediate layer made of aluminum. It is also known to provide the running surface of the piston 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 course (company script: Mahle KG and Elektron-Co. MbH, Stuttgart - Bad Canstatt 1946).
  • a piston for internal combustion engines is known from JP-A-63-042338, which consists of a magnesium alloy reinforced with 3 to 30% by volume of aluminum oxide-silicon oxide fibers.
  • JP-A-63-0423308 which consists of a magnesium alloy reinforced with 3 to 30% by volume of aluminum oxide-silicon oxide fibers.
  • such light-alloy pistons have so far not been able to find their way into practice, since they cause relatively high abrasive wear on the cylinder barrel.
  • Z. Metall 44 , 5/1990, pp. 438-443 intended to infiltrate molded articles made of short ceramic fibers by pressure casting with magnesium alloy, whereby the critical properties of magnesium alloy, such as modulus of elasticity, strength at higher temperatures, wear resistance and thermal expansion, are to be improved.
  • This object is achieved in that intermetallic compounds of one or more rare earth metals are embedded in the magnesium alloy matrix.
  • the proportion of the intermetallic compounds is 1 to 10% by volume, preferably 2.5 to 5% by volume.
  • Binary or more complex Mg-x (-y) alloys with x, y Al, Zn, Si, Mn, Li, Ca, Cd, Sn, Y, Sc, Zr, Ag, Bi are used as magnesium alloys for this purpose.
  • Such a flask is subjected to homogenization annealing at a temperature of 450 to 520 ° C for a period of 2 to 20 h after the production by press casting and then curing at a temperature of 150 to 250 ° C for a period of 5 to 20 h subjected.
  • the lanthanides Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Er and Yb are suitable as rare earth metals, individually or in a mixture.
  • the rare earth metals are embedded individually or in a mixture in the mixture as powdery, needle-shaped and / or flake-shaped particles in the fiber molding.
  • high-strength aluminum oxide fibers come into consideration as fiber material, which mainly consist of ⁇ -Al2O3 with a small proportion of ⁇ -Al2O3. Due to the low SiO2 content, these fibers are sufficiently stable against magnesium alloy melt for the manufacturing process.
  • the fiber molded body is heated and placed in a preheated die. After the melt has been introduced, the fiber molded body is infiltrated with magnesium alloy melt using pressure.
  • the rare earth metal or metals dissolve and form intermetallic compounds in the magnesium alloy matrix as a result of the homogenization annealing and hardening.
  • the piston (1) for internal combustion engines which is made of a magnesium alloy containing 3.5 to 5.0 wt. poured.
  • a hollow cylindrical fiber molded body (5) is cast into the hubs (6) of the bolt eyes (7).
  • the fiber molded body (4,5) consist of dark, needle-shaped Aluminum oxide fibers (8) and are embedded in the bright magnesium alloy matrix (9) containing 5% by volume of rare earth metals in the area of the fiber moldings.
  • the fiber content of a fiber molded body being 10 to 30% by volume. Due to the fact that the addition of rare earth metal is limited to the fiber molded body, poorer thermal conductivity and ductility caused by rare earth metals in the other piston zones is avoided.

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Abstract

In einen preßgegossenen, aus warmfester Magnesiumlegierung bestehenden Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen sind partiell Faserformkörper aus keramischen Kurzfasern eingegossen. Zur Verbesserung der Warmfestigkeit enthält die in den Faserformkörper infiltrierte Magnesiumlegierungsmatrix intermetallische Verbindungen eines oder mehrerer Seltenerd-Metalle. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft einen preßgegossenen, aus warmfester Magnesiumlegierung bestehenden Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen mit partiell, vorzugsweise am Kolbenboden, Ringfeld, Bolzennaben und/oder Kolbenschaft eingegossenen Formkörpern aus keramischen Kurzfasern, vorzugsweise Aluminiumoxid-, Siliziumcarbid- oder Siliziumnitridfasern, die parallel zu einer Ebene ausgerichtet, innerhalb dieser Ebene jedoch statistisch regellos orientiert sind, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • 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 für 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-A-20 46 862 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 festhaftet. Bekannt ist auch, die Lauffläche des Kolbens 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 Canstatt 1946). Alle diese Maßnahmen haben aber bisher nicht ausgereicht, um aus Magnesiumwerkstoffen funktionstüchtige Kolben für Verbrennungskraftmaschinen zu erzeugen. Aus der JP-A-63-042338 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. Ferner ist in Z. Metall 44, 5/1990, S. 438-443, vorgesehen, aus keramischen Kurzfasern bestehende Formkörper durch Preßgießen mit Magnesiumlegierung zu infiltrieren, wodurch die kritischen Eigenschaften von Magnesiumlegierung, wie E-Modul, Festigkeit bei höheren Temperaturen, Verschleißbeständigkeit und thermische Ausdehnung, verbessert werden sollen.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem preßgegossenen Leichtmetallkolben der eingangs beschriebenen Bauart die Warmfestigkeit der in den Faserformkörper infiltrierten Magnesiumlegierungsmatrix zu verbessern.
  • Gelöst ist diese Aufgabe dadurch, daß in der Magnesiumlegierungsmatrix intermetallische Verbindungen eines oder mehrerer Seltenerd-Metalle eingelagert sind.
  • Nach einem bevorzugten Merkmal beträgt der Anteil der intermetallischen Verbindungen 1 bis 10 Vol.%, vorzugsweise 2,5 bis 5 Vol.%.
  • Als Magnesiumlegierung werden für diesen Zweck binäre oder komplexere Mg-x(-y)-Legierungen mit x, y = Al, Zn, Si, Mn, Li, Ca, Cd, Sn, Y, Sc, Zr, Ag, Bi benutzt.
  • Ein derartiger Kolben wird nach der durch Preßgießen erfolgten Herstellung einer Homogenisierungsglühung bei einer Temperatur von 450 bis 520°C für die Dauer von 2 bis 20 h ausgesetzt und anschließend einer Aushärtung bei Temperaturen von 150 bis 250°C für die Dauer von 5 bis 20 h unterzogen.
  • Als Seltenerd-Metalle kommen insbesondere die Lanthaniden Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Er und Yb einzeln oder zu mehreren im Gemisch in Betracht.
  • Bei der Herstellung des aus Kurzfasern mit einer Länge von 50 bis 500 µm und einem Durchmesser von 3 bis 30 µm bestehenden Faserformkörpers werden die Seltenerd-Metalle einzeln oder zu mehreren im Gemisch als pulverförmige, nadelförmige und/oder flockenförmige Partikel in den Faserformkörper eingebettet. Als Faserwerkstoff kommen insbesondere hochfeste Aluminiumoxidfasern in Betracht, die überwiegend aus δ-Al₂O₃ mit einem geringen Anteil an α-Al₂O₃ bestehen. Aufgrund des geringen SiO₂-Gehalts sind diese Fasern für den Herstellungsprozeß ausreichend stabil gegenüber Magnesiumlegierungsschmelze. Der Faserformkörper wird erwärmt und in eine vorgeheizte Preßgießform eingelegt. Nach Einbringen der Schmelze erfolgt mit Hilfe von Druck die Infiltration des Faserformkörpers mit Magnesiumlegierungsschmelze.
  • Beim Preßgießen geht das bzw. die Seltenerd-Metalle in Lösung und bilden als Folge der Homogenisierungsglühung und Aushärtung intermetallische Verbindungen in der Magnesiumlegierungsmatrix.
  • Die Erfindung ist in der Zeichnung näher und beispielhaft erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch einen Kolben entlang der die Kolbenachse und die Bolzenachsrichtung einschließenden Ebene und
    Fig. 2
    einen Ausschnitt (Detail "X") aus dem Kolbenboden, der in 500-facher Vergrößerung das Gefüge zeigt.
  • Bei dem aus einer 3,5 bis 5,0 Gew.% Zink enthaltenden Magnesiumlegierung bestehenden, durch Preßgießen erzeugten Kolben (1) für Verbrennungskraftmaschinen ist im Bereich des Kolbenbodens (2) ein scheibenförmiger, die erste Ringnute (3) mitumfassender Faserformkörper (4) eingegossen. Ein hohlzylinderförmiger Faserformkörper (5) ist jeweils in den Naben (6) der Bolzenaugen (7) eingegossen. Die Faserformkörper (4,5) bestehen aus dunklen, nadelförmigen Aluminiumoxidfasern (8) und sind in die im Bereich der Faserformkörper 5 Vol.% Seltenerd-Metalle enthaltende, helle Magnesiumlegierungsmatrix (9) eingebettet.
  • Durch den Einbau von Partikeln aus Seltenerd-Metallen in den Faserformkörper wird eine deutliche Verbesserung der Warmfestigkeit erreicht, wobei der Fasergehalt eines Faserformkörpers 10 bis 30 Vol.% beträgt. Bedingt dadurch, daß der Zusatz von Seltenerd-Metall auf die Faserformkörper beschränkt ist, wird eine in den übrigen Kolbenzonen durch Seltenerd-Metalle verursachte schlechtere Wärmeleitfähigkeit und Duktilität vermieden.

Claims (5)

  1. Preßgegossener, aus warmfester Magnesiumlegierung bestehender Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen mit partiell, vorzugsweise am Kolbenboden, Ringfeld, Bolzennaben und/oder Kolbenschaft eingegossenen Faserformkörpern aus keramischen Kurzfasern, wie Aluminiumoxid-, Siliziumcarbid- oder Siliziumnitrid-Fasern, die parallel zu einer Ebene ausgerichtet, innerhalb dieser Ebene jedoch statistisch regellos orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Faserformkörper infiltrierte Magnesiumlegierungsmatrix intermetallische Verbindungen eines oder mehrerer Seltenerd-Metalle enthält.
  2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesiumlegierungsmatrix 1 bis 10 Vol.%, vorzugweise 2,5 bis 5,0 Vol.%, intermetallische Verbindungen enthält.
  3. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung binärer oder komplexerer Magnesium-x(-y)-Legierungen mit x, y = Al, Zn, Si, Mn, Li, Ca, Cd, Sn, Y, Sc, Zr, Ag, Bi.
  4. Verfahren zur Herstellung des Leichtmetallkolbens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel von Seltenerd-Metallen enthaltenden Faserformkörper in eine Preßgießform eingelegt werden, die Magnesiumlegierungsschmelze in die Preßgießform eingebracht, die Magnesiumlegierungsschmelze unter Druck zur Erstarrung gebracht, der Leichtmetallkolben einer 2 bis 20 h dauernden Homogenisierungsglühung bei Temperaturen von 450 bis 520°C unterworfen und anschließend bei Temperaturen von 150 bis 250°C für die Dauer von 5 bis 20 h ausgelagert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung eines oder mehrerer der Seltenerd-Metalle Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Er, Yb.
EP92200333A 1991-02-15 1992-02-06 Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen Withdrawn EP0499321A1 (de)

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