DE3607427C2

DE3607427C2 - Verfahren zur Herstellung des Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine sowie dieser Kolben

Info

Publication number: DE3607427C2
Application number: DE3607427A
Authority: DE
Inventors: Duraid Mahrus; Alexandre Afonso
Original assignee: Metal Leve SA Industria e Commercio
Current assignee: Metal Leve SA Industria e Commercio
Priority date: 1985-02-07
Filing date: 1986-03-06
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2006-03-07
Also published as: GB2187533B; BR8500556A; US4735128A; DE3607427A1; MX168571B; GB8605569D0; GB2187533A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine und auch einen nach diesem Verfahren erhaltenen Kolben. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kolben aus einem Leichtmetall, vorzugsweise aus Aluminium oder aus einer auf Aluminium basierenden Legierung, wobei der Kopfteil des Kolbens mit einer keramischen Einlage versehen ist.

Die derzeitigen Bemühungen bei der Entwicklung von Verbrennungskraft maschinen und die vorhersehbaren Entwicklungstendenzen sind auf Hoch leistungsmotoren ausgerichtet, an deren verschiedene Motorenbestandteile immer stärkere Anforderungen gestellt werden. Dies gilt insbesondere für mit Turbolader versehene Dieselmotoren, wo die thermischen und mechanischen Belastungen des Kolbenkopfs Werte erreichen, die diesen Bereich im Hinblick auf Rißbildung und sogar Bruch extrem anfällig machen.

Um diese Probleme zu beheben, wurden im Stande der Technik verschiedene Lösungsmöglichkeiten vorgeschlagen. So wurde erst kürzlich angeregt, verstärkende Materialien in den kritischen Bereich einzubringen, wie Einlagen aus Eisenmetallen, Fasern und insbesondere Keramiken. Bei Keramiken sind verschiedene Arten des Aufbringens derselben auf kraft fahrtechnische Teile, einschließlich Motorkolben, bekannt.

In der DE 27 01 421 wird ein Verfahren zum Herstellung eines Kolbens beschrieben, wobei in einem ersten Schritt ein Verbundkörper aus Fasern, wie Kohlenstoffasern oder keramischen Fasern, und einem Einbettungsmetall hergestellt wird. Dieser Verbundkörper wird an vorbestimmter Stelle in eine Gießform eingelegt, und in einem zweiten Verfahrensschritt wird durch einen Niederdruck-Gießprozeß eine Metallschmelze an diesen angegossen.

Die DE 32 34 504 beschreibt ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Kolbens aus einer Leichtmetallegierung mit einer verstärkten Kolbenkrone. Der Kolben wird in einer Form mit der Krone nach unten hergestellt, wobei eine Matte aus Whiskers oder Fasern am Boden der Form angeordnet wird und wobei die Metallegierung unter Druck eingeführt wird, so daß die Whiskers in der Metallegierung eingebettet werden. Bei dem so gefertigten, bekannten Kolben treten zwischen dem Keramikmaterial und Leichtmetallegierung aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Materialien starke Spannungsbelastungen auf.

Die US-PS 42 45 611 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, bei dem der Zentralteil des Kopfes, der die Verbrennungskammer definiert, in Form einer keramischen Einlage vorliegt, die eine umgekehrte konische Form aufweist, wodurch die Einlage im Kolben fixiert wird. Übermäßigen Belastungen sowohl der keramischen Einlage als auch des Leicht metallegierungskolbens werden durch die Schicht faserigen Materials absorbiert, das zwischen der Einlage und dem Kolben angeordnet ist.

Die europäische Patentanmeldung 82 108 729.3 offenbart einen anderen Lösungsweg. Danach wird die Leichtmetallegierung, aus der der Kolben hergestellt ist, zunächst mit einer Verbundschicht verbunden, die aus anorganischen oder metallischen Fasern und der Leichtmetallegierung aufgebaut worden ist. Auf die Verbundschicht wird darauf eine Schicht einer hitzebeständigen Legierung aufgetragen. Schließlich wird auf die Schicht der hitzebeständigen Legierung eine Schicht eines keramischen Materials aufgebracht. Die in diesen Patenten und auch sonstwo im Stande der Technik niedergelegten Vorschläge umfassen die Einführung einer Zwischenschicht zwischen dem Kolbenmaterial und der Keramik im Hinblick auf den Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen diesen unterschiedlichen Materialien.

Es ist daher eine umfassende Aufgabe der Erfindung, einen Kolben vorzu schlagen, bei dem der Kopfteil mit einer keramischen Einlage versehen ist, die derartig ausgestaltet ist, daß die thermische und mechanische Beständigkeit des Kopfteils verbessert wird.

Es ist des weiteren ein ganz besonderes Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kolben vorzuschlagen, bei dem der Kopfteil in Form einer keramischen Einlage direkt mit dem Kolben durch eine mechanische Befestigung verbunden ist.

Des weiteren ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzu schlagen, mit dem die mechanische Verbindung zwischen der keramischen Einlage und dem Kolben in zweckmäßiger Weise durchgeführt werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine, der aus einer Leichtmetallegierung hergestellt wird und einen unteren Mantelteil und einen Kopfteil aufweist, dem eine keramische Einlage angepaßt ist, wobei eine keramische Einlage mit einem oberen Teil mit einer oberen Oberfläche und einem unteren Teil herangezogen wird, wobei der untere Teil und der obere Teil jeweils eine gewisse Porosität aufweisen und die Poren des unteren Teils größer als die Poren des oberen Teils sind, wobei die keramische Einlage auf eine Temperatur von etwa 400 bis 600°C erhitzt wird, eine Preßgußform auf eine Temperatur von etwa 200 bis 400°C erhitzt wird, die keramische Einlage auf den Boden der Form gebracht wird, wobei die obere Oberfläche der keramischen Einlage dem Boden der Form zugekehrt ist, eine geeignete Menge einer geschmolzenen Leichtmetallegierung in die Form gegossen wird, ein Stempel in die Form abwärts bewegt und ein fortschreitender Druck auf den Stempel ausgeübt wird, um den Kolben zu bilden und das Leichtmetall die Poren der keramischen Einlage ausfüllen zu lassen, der Kolben nach der Verfestigung der Leichtmetallegierung aus der Form entfernt und zur endgültigen Dimensionierung maschinell bearbeitet wird.

Erfindungsgemäß wird die oben angesprochene mechanische Verbindung zwischen dem Kolben und der keramischen Einlage durch Ausfüllen von in dem keramischen Teil geschaffenen Poren mit dem Kolbenmaterial erreicht, wobei die Befestigung nach dem Druckgußverfahren bewirkt wird. Erfindungsgemäß wird ein keramischer Teil geschaffen, dessen untere und obere Oberflächen porös sind, wobei die Poren des unteren Teils, d. h. des Teils, der mit dem Kolben in Kontakt steht, größer sind (etwa 20 bis 40 Mikrometer) als die Poren des oberen Teils, d. h. desjenigen Teils, der den Oberteil des Kolbens darstellt, wobei die Poren der oberen Oberfläche etwa 1 bis 10 Mikrometer messen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert werden. Darin bedeuten:

Fig. 1 einen Querschnitt in Längsrichtung eines Kolbens mit einer kera mischen Einlage auf dem Kopfteil;

Fig. 2 einen Querschnitt in Längsrichtung des in Fig. 1 dargestellten Kolbens, die eine in der Einlage ausgebildete Ringnut und eine Oberschicht auf der oberen Fläche der Einlage zeigt;

Fig. 3 einen Querschnitt in Längsrichtung einer weiteren Form des Kolbens der Fig. 1, wobei die Einlagenhöhe gleichmäßig ist und

Fig. 4 einen Querschnitt in Längsrichtung einer anderen alternativen Darstellung des Kolbens der Fig. 1, bei dem die Einlage den zentralen Teil des Kolbenkopfes bildet, d. h. den die Verbrennungskammer definierenden Teil.

Nach einer in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Preßgußform auf eine Temperatur von 200 bis 400°C erhitzt. Die poröse keramische Einlage (2) wird auf eine Temperatur von 400 bis 600°C erhitzt. Die Einlage (2) wird dann auf den Boden der Form gelegt, wobei die obere Oberfläche (2a) nach unten gerichtet ist. Danach wird eine gewisse Menge einer geschmolzenen Aluminiumlegierung in die Form gegossen. Dann wird ein Stempel, der in seiner Gestalt der Kontur der Innenseite des Kolbens entspricht, in die Form eingebracht, was zunächst ohne weitergehende Druckanwendung erfolgt, d. h. es herrscht der Druck, der bereits aus dem Eigengewicht des Stempels resultiert. Zu Beginn und während der Verfestigung der Aluminiumlegierung wird ein fortschreitender Druck auf den Stempel ausgeübt, um damit die Legierung zwischen den Stempel und die Formwand und gegen die untere Fläche (2b) der Einlage (2) zu pressen, wodurch die Form des Kolbens (1) definiert und das Ausfüllen der Poren in der keramischen Einlage (2) bewirkt wird.

Nach der Verfestigung der Aluminiumlegierung wird der Kolben (1) mit der Einlage (2) als integrierter Bestandteil mit geeigneten Mitteln aus der Form entfernt und dann zur endgültigen Dimensionierung maschinell bearbeitet. Bei der in Fig. 1 und 2 gezeigten Form der Einlage ist der Einlagenteil, der dem peripheren Ringbereich am nächsten ist, höher als der zentrale Teil, so daß eine Nut in den peripheren Ringbereich maschinell eingearbeitet werden kann, um hiermit eine Anpassung an den oberen Kompressionsring, gezeigt in Fig. 2, zu schaffen. Bei gewissen Anwendungsfällen, wo die Temperaturen im Verbrennungsbereich extrem hoch sind, kann es zweckmäßig sein, den oberen Teil der Einlage (2) mit einer Schicht (3) zu bedecken, z. B. aus Chromoxid, um dem oberen Kolbenteil zusätzliche thermische Beständigkeit zu verleihen. Diese fakul tative Schicht ist in Fig. 2 abgebildet und kann nach bekannten Verfahren, wie durch Diffusion, Plasmaspritzen oder Eintauchen, aufgebracht werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Verbrennungskraft maschine, der aus einer Leichtmetallegierung hergestellt wird und einen unteren Mantelteil und einen Kopfteil aufweist, dem eine keramische Einlage angepaßt ist,
wobei eine keramische Einlage mit einem oberen Teil mit einer oberen Oberfläche und einem unteren Teil herangezogen wird,
wobei der untere Teil und der obere Teil jeweils eine gewisse Porosität aufweisen und die Poren des unteren Teils größer als die Poren des oberen Teils sind, wobei
die keramische Einlage auf eine Temperatur von etwa 400 bis 600°C erhitzt wird, eine Preßgußform auf eine Temperatur von etwa 200 bis 400°C erhitzt wird,
die keramische Einlage auf den Boden der Form gebracht wird, wobei die obere Oberfläche der keramischen Einlage dem Boden der Form zuge kehrt ist,
eine geeignete Menge einer geschmolzenen Leichtmetallegierung in die Form gegossen wird,
ein Stempel in die Form abwärts hineinbewegt und ein ansteigender Druck auf den Stempel ausgeübt wird, um den Kolben zu bilden und das Leichtmetall die Poren der keramischen Einlage ausfüllen zu lassen,
der Kolben nach der Verfestigung der Leichtmetallegierung aus der Form entfernt und zur endgültigen Dimensionierung maschinell bearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch messer der keramischen Einlage und des Kolbenkopfteils im wesentlichen gleich sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kera mische Einlage mindestens eine peripherische Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenringes aufweist.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß auf die obere Fläche der keramischen Einlage eine keramische Schicht hoher Hitzebeständigkeit aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kerami sche Schicht durch das Diffusions-, Plasmaspritz- oder Eintauchverfahren aufgebracht wird.

6. Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, hergestellt aus einer Leichtmetallegierung, mit einem Mantelteil und einem Kopfteil, an den eine keramische Einlage (2) angepaßt ist, wobei die kerami sche Einlage einen unteren Teil, der mit dem Kopfteil des Kolbens in Kontakt steht, und einen oberen Teil hat, der den Oberteil des Kolbens darstellt, und wobei die keramische Einlage in ihrem un teren Teil eine gewisse Porosität aufweist und die Poren derar tige Größen haben, die das Eindringen und das nachfolgende Verfe stigen der Leichtmetallegierung des Kolbens (1) in zumindest ei nem Teil der Höhe der keramischen Einlage (2) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil der keramischen Einlage (2) eine gewisse Poro sität aufweist, wobei die Poren des unteren Teils der keramischen Einlage (2) größer als die Poren des oberen Teils der keramischen Einlage (2) sind.

7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren von dem unteren Teil zu dem oberen Teil der keramischen Einlage (2) konisch verlaufen.

8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Porengröße der Einlage (2) 20 bis 40 Mikrometer am unteren Teil und 1 bis 10 Mikrometer am oberen Teil ist.

9. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kerami sche Einlage (2) eine ringförmige Konfiguration hat und in koaxialer An ordnung zu dem Kolben (1) vorliegt.

10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durch messer der keramischen Einlage (2) im wesentlichen gleich dem des Kopfteils des Kolbens (1) ist und die keramische Einlage (2) mit mindestens einer peripherischen Ringnut (4) für den Kolbenring versehen ist.

11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der peri phere Teil der keramischen Einlage (2) eine größere Höhe als der zentra le Teil aufweist.

12. Kolben nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der obere Teil der Einlage (2) mit einer keramischen Schicht (3) versehen ist.