EP2318560A2 - Verfahren zur herstellung eines kolbens einer brennkraftmaschine, bestehend aus einer verbesserten aluminiumsilizium-legierung - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines kolbens einer brennkraftmaschine, bestehend aus einer verbesserten aluminiumsilizium-legierung

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EP2318560A2
EP2318560A2 EP09778312A EP09778312A EP2318560A2 EP 2318560 A2 EP2318560 A2 EP 2318560A2 EP 09778312 A EP09778312 A EP 09778312A EP 09778312 A EP09778312 A EP 09778312A EP 2318560 A2 EP2318560 A2 EP 2318560A2
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EP
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piston
silicon alloy
aluminum
internal combustion
combustion engine
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EP09778312A
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Inventor
Udo Buschkamp
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KS Kolbenschmidt GmbH
Original Assignee
KS Kolbenschmidt GmbH
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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
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C22C21/04—Modified aluminium-silicon alloys
    • 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
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0084—Pistons  the pistons being constructed from specific materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/01—Pistons; Trunk pistons; Plungers characterised by the use of particular materials
    • 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
    • F05C2201/90—Alloys not otherwise provided for
    • F05C2201/903—Aluminium alloy, e.g. AlCuMgPb F34,37

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a piston of an internal combustion engine, wherein a piston blank made of an aluminum-silicon alloy is poured with the addition of copper fractions and then finished, according to the features of the preamble of claim 1.
  • the other possibility for producing a piston, with which the desired complex designs can be achieved is the casting method, wherein for the production of pistons made of light metal materials preferably an aluminum-silicon alloy is used, which is entered as cast melt in a mold, there solidifies, after which a piston blank of the
  • Casting mold can be removed and finished. Finishing is usually to be seen in that by machining, such. Turning or milling, the piston blank is made to measure and other elements (such as annular grooves, bolt holes, inlet and outlet openings for a cooling channel in the piston) and the like are introduced. Thereafter, the finished piston is available and can be installed in the internal combustion engine.
  • Finishing is usually to be seen in that by machining, such. Turning or milling, the piston blank is made to measure and other elements (such as annular grooves, bolt holes, inlet and outlet openings for a cooling channel in the piston) and the like are introduced. Thereafter, the finished piston is available and can be installed in the internal combustion engine.
  • the invention thus relates to a method for producing a piston in which a piston blank made of an aluminum-silicon alloy is cast.
  • a piston blank made of an aluminum-silicon alloy is cast.
  • copper shares this alloy the strength of the finished piston under consideration of the conditions during its operation in the cylinder chamber of the internal combustion engine are not yet satisfactory.
  • a motorized sliding combination of an aluminum-based alloy is known from DE 10 2005 047 037 A1.
  • the invention is therefore based on the object to provide an improved method for producing a piston of an internal combustion engine, wherein a piston produced by this method significantly improved
  • the copper content amounts to a maximum of 5.5% of the aluminum-silicon alloy and that proportions of titanium, zirconium, chromium or vanadium are added to the aluminum-silicon alloy and the sum of all components (including possible impurities) is 100%.
  • the use of such a piston alloy has the advantage that thus high vibration strengths of the finished piston in the cylinder chamber of the internal combustion engine at high temperatures, i. under full load, as well as at medium temperatures, i. at partial load of the internal combustion engine, let achieve.
  • Another advantage is the fact that the components of the piston alloy can be assembled easily, which is a key advantage in the mass production of pistons.
  • the aluminum-silicon alloy phosphorus is added. This has the advantage that the Kornfeinungs bin is improved and adjusts a better flowability. These properties in particular show their optimum effect in interaction with the other proportions in the piston alloy when the phosphorus content is 40-80 ppm.
  • beryllium vanadium is added to the piston alloy. This addition of beryllium vanadium advantageously reduces the formation of oxides, especially on the surface of the piston blank or of the finished piston.
  • the cobalt alloy TitanBor is added. Also this addition of TitanBor improves the grain refining effect (ie by substance entry the number of germs in the casting melt is increased) KS Kolbenschmidt GmbH, 74172 Neckarsulm
  • the finished piston is alfiniert, wherein the material for Alfinieren BerylliumVanadium is added.
  • the addition of beryllium vanadium in the alfin material improves its adhesion to the surface of the piston and moreover advantageously reduces the slurry history.
  • the inventive method for producing the piston using the claimed piston alloy offers a comparison with known casting process piston higher vibration resistance, which is increased by at least 15% over the previously known fatigue strength, measured at room temperature and at 350 0 C. This results in a higher load capacity of the piston during operation of the internal combustion engine, accompanied by a significant reduction in weight. Also, higher material hardness can be achieved, which advantageously eliminates the elimination of the previously performed heat treatment (solution annealing) of the cast piston blank or the finished machined piston.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei ein Kolbenrohling aus einer Aluminiumsilizium-Legierung unter Zugabe von Kupferanteilen gegossen und danach fertig bearbeitet wird, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der Kupferanteil maximal 5,5 % der Aluminiumsilizium-Legierung beträgt und dass der Aluminiumsilizium-Legierung Anteile von Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Chrom (Cr) bzw. Vanadium (V) beigemischt werden.

Description

KS Kolbenschmidt GmbH, 74172 Neckarsulm
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, bestehend aus einer verbesserten Aluminiumsilizium-Legierung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei ein Kolbenrohling aus einer Aluminiumsilizium-Legierung unter Zugabe von Kupferanteilen gegossen und danach fertig bearbeitet wird, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Die Kolben, die in modernen Brennkraftmaschinen betrieben werden, sind in Folge von immer weiter steigenden Einspritzdrücken und damit einhergehend immer weiter steigenden Verbrennungstemperaturen immer höheren Belastungen ausgesetzt, so dass grundsätzlich Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die Festigkeit dieser Kolben zu verbessern.
Eine mögliche Maßnahme zur Verbesserung der Festigkeit von Kolben besteht darin, den Kolben in einem Schmiedeverfahren herzustellen. Mit dem Schmiedeverfahren lassen sich zwar die gewünschten Festigkeitsanforderungen erfüllen, wohingegen die komplexe Bauformen von modernen Kolben, insbesondere Kolben aus einem Leichtmetallwerkstoff, sich in Schmiedeverfahren nicht realisieren lassen.
Die andere Möglichkeit zur Herstellung eines Kolbens, mit der sich die gewünschten komplexen Gestaltungen erzielen lassen, ist das Gießverfahren, wobei zur Herstellung von Kolben aus Leichtmetallwerkstoffen vorzugsweise eine Aluminiumsilizium-Legierung zur Anwendung kommt, die als Gießschmelze in eine Gießform eingegeben wird, dort erstarrt, wobei danach ein Kolbenrohling der
RlβTÄTIßUNΩSKnPfE KS Kolbenschmidt GmbH, 74172 Neckarsulm
Gießform entnommen werden kann und fertig bearbeitet wird. Die Fertigbearbeitung ist im Regelfall darin zu sehen, dass durch spanabhebende Bearbeitung, wie z.B. Drehen oder Fräsen, der Kolbenrohling auf Maß gebracht wird und andere Elemente (wie z.B. Ringnuten, Bolzenbohrungen, Zulauf- und Ablauföffnungen für einen Kühlkanal im Kolben) und dergleichen eingebracht werden. Danach steht der fertige Kolben zur Verfügung und kann in die Brennkraftmaschine eingebaut werden.
Bei den bisher bekannten Gießverfahren zur Herstellung von Kolben aus Leichtmetallwerkstoffen ist zudem eine kostenintensive doppelte Wärmebehandlung (Lösungsglühen) erforderlich, wobei dies jedoch nicht zu den gewünschten Festigkeitseigenschaften des fertigen Kolbens führt.
Die Erfindung beschäftigt sich somit mit einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, bei dem ein Kolbenrohling aus einer Aluminiumsilizium-Legierung gegossen wird. Zur Erhöhung der Festigkeitsanforderungen ist es darüber hinaus schon bekannt geworden, dieser Legierung Kupferanteile beizugeben, wobei die Festigkeit des fertigen Kolbens unter der Berücksichtigung der Rahmenbedingungen während seines Betriebes im Zylinderraum der Brennkraftmaschine noch nicht zufriedenstellend sind.
Eine motorische Gleitpaarung aus einer Aluminiumbasislegierung ist aus der DE 10 2005 047 037 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine anzugeben, wobei ein nach diesem Verfahren hergestellter Kolben deutlich verbesserte
Festigkeitsanforderungen während des Betriebes im Zylinder der Brennkraftmaschine aufweist. KS Kolbenschmidt GmbH, 74172 Neckarsulm
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentsanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kupferanteil maximal 5,5 % der Aluminiumsilizium-Legierung beträgt und dass der Aluminiumsilizium-Legierung Anteile von Titan, Zirkonium, Chrom bzw. Vanadium beigemischt werden und die Summe aller Bestandteile (einschließlich möglicher Verunreinigungen) 100 % beträgt. Die Verwendung einer solchen Kolbenlegierung hat den Vorteil, dass sich damit hohe Schwingfestigkeiten des fertigen Kolbens im Zylinderraum der Brennkraftmaschine bei hohen Temperaturen, d.h. unter Volllast, sowie bei mittleren Temperaturen, d.h. bei Teillast der Brennkraftmaschine, erzielen lassen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Bestandteile der Kolbenlegierung sich einfach zusammensetzen lassen, was bei der Serienfertigung von Kolben von entscheidendem Vorteil ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aluminiumsilizium-Legierung Phosphor zugegeben wird. Dies hat den Vorteil, dass der Kornfeinungseffekt verbessert wird sowie sich ein besseres Fließvermögen einstellt. Diese Eigenschaften zeigen insbesondere dann ihre optimale Wirkung im Zusammenspiel mit den übrigen Anteilen in der Kolbenlegierung, wenn der Phosphoranteil 40-80 ppm beträgt.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolbenlegierung BerylliumVanadium zugegeben wird. Diese Zugabe von BerylliumVanadium reduziert in vorteilhafter Weise die Oxidbildung, insbesondere auf der Oberfläche des Kolbenrohlings bzw. des fertig bearbeiteten Kolbens.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kobenlegierung TitanBor zugegeben wird. Auch diese Zugabe von TitanBor verbessert den Kornfeinungseffekt (d.h. durch Substanzeintrag wird die Zahl der Keime in der Gießschmelze erhöht) KS Kolbenschmidt GmbH, 74172 Neckarsulm
und reduziert darüber hinaus die Fiederkristallbildung (Fiederkristalle: frei schwebende und losgelöst von der Erstarrungsfront erstarrende Körner) im
Materialgefüge des gegossenen Kolbenrohlings, was ansonsten zu Materialschwächung führt.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der fertig bearbeitete Kolben alfiniert wird, wobei dem Material zum Alfinieren BerylliumVanadium zugegeben wird. Die Zugabe von BerylliumVanadium in das Alfinmaterial verbessert seine Haftung auf der Oberfläche des Kolbens und reduziert darüber hinaus in vorteilhafter Weise die Sludgeschicht.
Insgesamt bietet das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Kolbens unter Verwendung der beanspruchten Kolbenlegierung eine gegenüber mit bekannten Gießverfahren hergestellten Kolben eine höhere Schwingfestigkeit, die um mindestens 15 % gegenüber der bisher bekannten Schwingfestigkeit, gemessen bei Raumtemperatur und bei 3500C, gesteigert ist. Daraus resultieren eine höhere Belastbarkeit des Kolbens im Betrieb der Brennkraftmaschine, einhergehend mit einer deutlichen Gewichtsreduzierung. Ebenfalls lassen sich höhere Materialhärten erzielen, wodurch in vorteilhafter Weise der Wegfall der bisher immer durchgeführten Wärmebehandlung (Lösungsglühen) des gegossenen Kolbenrohlings bzw. des fertig bearbeitenden Kolbens entfallen kann.
In der beigefügten Tabelle sind verschiedene Legierungen aus dem Stand der Technik und ihre Zusammensetzungen (M124, M142, M145, M174 von der Firma Mahle GmbH sowie KS 1295 von der Firma KS Kolbenschmidt GmbH) mit der erfindungsgemäßen Legierung, die die Bezeichnung „Timbor" trägt, und ihre Zusammensetzung aufgeführt. Die Angaben in den Spalten der Tabelle sind Prozentangaben und beziehen sich auf den prozentualen Anteil des jeweiligen Materials, bezogen auf dessen Gesamtmenge.

Claims

KS Kolbenschmidt GmbH, 74172 NeckarsulmVerfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, bestehend aus einer verbesserten Aluminiumsilizium-LegierungPatentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei ein Kolbenrohling aus einer Aluminiumsilizium-Legierung unter Zugabe von Kupferanteilen gegossen und danach fertig bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupferanteil maximal 5,5 % der Aluminiumsilizium- Legierung beträgt und dass der Aluminiumsilizium-Legierung Anteile von Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Chrom (Cr) bzw. Vanadium (V) beigemischt werden und die Summe aller Bestandteile 100 % beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Aluminiumsilizium-Legierung Phosphor (P) zugegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Phosphoranteil 40-80 ppm der Kolbenlegierung beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumsilizium-Legierung BerylliumVanadium (BeV) zugegeben wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumsilizium-Legierung TitanBor (TiB) zugegeben wird. KS Kolbenschmidt GmbH, 74172 Neckarsulm
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der fertig bearbeitete Kolben alfiniert wird, wobei dem Material zum Aflinieren BerylliumVanadium (BeV) zugegeben wird.
7. Kolben einer Brennkraftmaschine, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben ein Kolbenoberteil mit einem Ringfeld und gegebenenfalls einer Brennraummulde und gegebenenfalls einem Kühlkanal sowie ein Unterteil mit Kolbenschäften und Bolzenbohrungen aufweist.
9. Kolben nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben in seinem Oberteil einen Kühlkanal aufweist, wobei der Kühlkanal mit zumindest einer Zulauföffnung und zumindest einer Ablauföffnung für ein Kühlmedium versehen ist, wobei in die zumindest eine Zulauföffnung das Kühlmedium, insbesondere Motoröl, eingespritzt wird, in dem Kühlkanal zirkuliert und aus der Ablauföffnung austritt und beim Austritt Wärme aus dem Kolbenoberteil abführt.
EP09778312A 2008-09-05 2009-09-03 Verfahren zur herstellung eines kolbens einer brennkraftmaschine, bestehend aus einer verbesserten aluminiumsilizium-legierung Withdrawn EP2318560A2 (de)

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