DE4402090C2

DE4402090C2 - Kolben für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE4402090C2
Application number: DE4402090A
Authority: DE
Inventors: Masato Sasaki
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1993-01-26
Filing date: 1994-01-25
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2014-01-26
Also published as: DE4402090A1; US5507258A; JPH06218521A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungs motoren für Kraftfahrzeuge und dgl., sie betrifft insbe sondere die Kolbenringnuten derselben nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung nach Anspruch 4.

In den letzten Jahren wurden die Kolben für Verbrennungs motoren für Kraftfahrzeuge aus einer Aluminiumlegierung hergestellt anstatt aus Gußeisen, um so eine Gewichtsver minderung zu erzielen im Hinblick auf die Anforderungen an eine hohe Leistung und einen hohen Wirkungsgrad. Die Nuten für die Aufnahme von Kolbenringen werden auf einer äußeren Umfangsoberfläche des Kolbens erzeugt, die der Innenwand einer Zylinderbohrung gegenüberliegt. Eine obere Ringnut (Kopfringnut) die von den Kolbenringnuten einer Verbren nungskammer am nächsten liegt, unterliegt einer starken Abnutzung durch einen Kolbenring (Kopfring) als Folge der Einwirkung einer hohen Temperatur und insbesondere der di rekten Einwirkung des Verbrennungsdrucks. Es besteht somit die Gefahr, daß eine Aluminium-Mikroverschweißung zwischen der oberen Ringnut (Kopfringnut) und dem oberen Ring (Kopfring) auftritt.

Es sind bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen wor den, um eine solche Aluminium-Mikroverschweißung zu ver hindern: (1) die Verstärkung der Oberfläche der Kopfring nut durch Eincompoundieren eines anorganischen Faseraggre gats (vgl. JP-A-59-201 953); (2) die Verwendung von Hy brid-MMC (Metallmatrix-Verbundmaterialien) durch eine in situ-Behandlung der Kolben (vgl. "Automotive Technique" Nr. 891 056, publiziert im Mai 1989 von der Automotive Technique Society); (3) die Verstärkung der Oberfläche der Kopfringnut durch Eincompoundieren eines porösen Nickelma terials (vgl. JP-B2-3-30 708); (4) die Verstärkung der Oberfläche der Kopfringnut durch eine mit Alumit-behan delte Schicht (vgl. JP-A-1-190 951); (5) die Bildung einer Kupferlegierungsschicht durch Elektronenstrahlfusionsbe handlung auf der Oberfläche der Kolbenringnut (vgl. "Nr. 1 Technical Revue", publiziert in 1981 von der Firma Mitsub ishi Motor Co., Ltd.); (6) die Bildung eines Ringträgerab schnittes in der Kopfringnut durch Gießen einer Aluminium legierung um ein schlußbehandeltes Ni-Resist-Gußeisen herum.

Der obengenannte Stand der Technik weist jedoch die fol genden Nachteile auf: der Stand der Technik gemäß (1) bis (3) erfordert die Anwendung eines Hochdruck-Verdichtungs verfahrens im Hinblick auf die verwendeten Materialien, wie anorganische Fasern und dgl., in bezug auf das Formge bungsverfahren. Dies führt zu einem Anstieg der Herstel lungskosten und zu einer Beschränkung in bezug auf die Ge stalt des Kolbens.

Der Stand der Technik gemäß (4) trägt zu einer Verbesse rung der Beständigkeit gegen Mikroverschweißung mit dem Kopfring bei als Folge der Anwesenheit der Alumit-behan delten Schicht, sie führt jedoch nicht zu einer ausrei chenden Verschleißfestigkeit. Dagegen führt der Stand der Technik gemäß (5) nicht zu einer ausreichenden Beständig keit gegen Mikroverschweißung.

Der Stand der Technik gemäß (6), eine Technik, die bereits seit langem angewendet wird, gewährleistet eine gute Ver schleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Mikroverschwei ßung, dadurch kann jedoch eine Gewichtszunahme als Folge der Herstellung aus Gußeisen nicht vermieden werden.

Aus der DE 40 10 474 A1 (US 5,119,777) ist es bekannt, bei einem Leichtmetallkolben für eine Brennkraftmaschine die erste Ringnut für einen Kolbenring durch einen gegen Verschleiß widerstandsfähigen Ringträger zu verstärken, der aus Spänen einer hochsi liciumhaltigen Aluminiumlegierung besteht, die vom Kolbengrundwerkstoff umgossen sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, der eine ausreichende Verschleißfestigkeit und eine ausrei chende Beständigkeit gegen Mikroverschweißung aufweist, ohne daß dies mit einer Zunahme des Gewichtes und mit ei nem Anstieg der Herstellungskosten verbunden ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Kolben gemäß Anspruch 1 erreicht. Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens ist im Anspruch 4 beansprucht. Bevorzugte Ausbil dungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine fragmentarische vergrößerte Schnittansicht einer Kopfringnut eines Kolbens gemäß einer Aus führungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Kolben;

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich derjenigen der Fig. 2, die Metallformen für einen verschleißfesten Ringraum für die Kopfringnut darstellen;

Fig. 4 eine schematische Zeichnung, die eine Vorrich tung zur Prüfung der Verschleißfestigkeit dar stellt; und

Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 4, die eine Vor richtung zur Prüfung der Beständigkeit gegen Mi kroverschweißung darstellt.

In den beiliegenden Zeichnungen zeigen die Fig. 1 und 2 einen Kolben, der umfaßt einen Kolbenhauptkörper 1 aus ei ner Aluminiumlegierung (JISAC8A-T6), der im wesentlichen wie ein Zylinder geformt ist und eine Krone (Deckel, Auf satz) 2 aufweist, die einer Verbrennungskammer gegenüber liegt, drei Kolbenringnuten 4, 5, 6, die auf einer äußeren Umfangsoberfläche eines Ringstegs 3, der unterhalb der Krone 2 angeordnet ist, erzeugt worden sind, 3 Kolbenringe 7, 8, 9, die mit den Kolbenringnuten (Kopfnut, zweite Nut und Ölringnut) 4, 5, 6 in Eingriff stehen, und einen Man tel (Rand) 10, der unterhalb der Kolbenringnuten 4, 5, 6 angeordnet ist.

Die Kopfringnut 4 ist so geformt, daß sie einen mittleren Abstand von 9 mm von der oberen Oberfläche der Krone 2 hat und 4 mm breit und 8 mm tief ist. Außerdem ist nur eine Oberfläche der Kopfringnut 4 aus einem verschleißbeständi gen Ringraum 11 geformt, der nach dem weiter unten be schriebenen Formgebungsverfahren hergestellt worden ist.

Der verschleißbeständige Ringraum 11 besteht aus einer Aluminiumlegierung, die Siliciumcarbid (SiC)-Partikel ent hält und in den Kolbenhauptkörper 1 so eingegossen ist, daß sie die Oberfläche der Kopfringnut 4 bildet.

Das Verfahren zum Formen des verschleißbeständigen Ring raumes 11 wird nachstehend näher beschrieben. Zuerst wird ein Aluminiumlegierungs-Gußblock, der SiC-Partikel mit ei nem maximalen Durchmesser von einigen µm bis einigen zehn µm hat, in einer inerten Atmosphäre, beispielsweise in ei nem Argongas oder dgl., geschmolzen und bei 993°K gehal ten, danach mechanisch gerührt, um die SiC-Partikel in dem Aluminiumlegierungsmaterial gleichmäßig zu dispergieren.

In der Fig. 3 wird eine geschmolzene Aluminiumlegierung 13, die SiC-Partikel enthält, in eine untere Form 12 ge spritzt und durch eine obere Form 14 unter Druck gesetzt zur Erzielung einer Verdichtung. Nach dem Abkühlen wird ein rauher (grober) Formkörper des verschleißfesten Ring raumes 11 aus der unteren Form 12 entnommen. Dann wird ein verlorener Kopf herausgeschnitten und es wird erforderli chenfalls eine spanabhebende Bearbeitung durchgeführt, um dadurch die Formgebung für den verschleißfesten Ringraum 11 zu vervollständigen.

Der rauhe Formkörper des verschleißfesten Ringraums 11 kann außer nach dem vorstehend beschriebenen Schwerkraft- Gießverfahren auch nach einem Druckgießverfahren oder ei nem Metallschmelzen-Gießverfahren hergestellt werden. Dar über hinaus ist auch ein Pulvermetall-Schmiedeverfahren anwendbar. Danach werden die SiC-Partikel mit den Alumini umlegierungs-Teilchen gemischt, die in eine Metallform eingeführt worden sind, und durch die obere Form 14 unter Druck gesetzt zur Formgebung. Nach dem Erhitzen wird ein Schmieden durchgeführt, um die Dichte zu erhöhen. Wenn es nicht gelingt, eine erhöhte Dichte zu erzeugen, wird nach dem erneuten Erhitzen (Anlassen) das Schmieden wiederholt durchgeführt. Dieses Verfahren erlaubt die Fertigbearbei tung eines Produkts in der Endgestalt, so daß keine nach folgende spanabhebende Bearbeitung mehr erforderlich ist, wodurch ein verbesserter Bearbeitungswirkungsgrad erzielt wird.

Der verschleißbeständige Ringraum 11, der auf diese Weise hergestellt wird, wird zur Fixierung innerhalb des Kolben hauptkörpers 1 in eine Form gegossen. Ein Beispiel für diese Gießbedingungen besteht darin, daß eine Vorerwärmungstemperatur des verschleißfesten Ringraumes 11 673°K beträgt, daß die Spritztemperatur der geschmolzenen Legierung des Kolbenhauptkörpers 1 993°K beträgt, daß die Temperatur der Formen 473°K beträgt und daß die chemische Umwandlungsbehandlung des verschleißbeständigen Ringraums 11 in einer auf 313°K erhitzen Palcoal 3756-Lösung der Firma Parka Rising Co., Ltd. während eines 60 Sekunden dauernden Eintauchens durchgeführt wird.

Der Grund dafür, warum der verschleißfeste Ringraum 11 vorher einer chemischen Umwandlungsbehandlung unterzogen wird, ist folgender: da das Aluminiummaterial einen dünnen Oxidfilm auf seiner Oberfläche aufweist, kann keine aus reichende Ablagerung auf einer Kontaktgrenzfläche mit der geschmolzenen Legierung erzielt werden, was zu einer unge nügenden Bindung zwischen der Aluminiumschicht des Kolben hauptkörpers 1, die durch die geschmolzene Legierung ge bildet wird, und dem verschleißfesten Ringraum 11 aus der Aluminiumlegierung führt. Bei Erhöhung der Erhitzungstem peratur der geschmolzenen Legierung oder bei Durchführung einer ausreichenden Vorerwärmung des verschleißfesten Ringraums 11 tritt das Phänomen der Abscheidung (Ablagerung) auf. Wegen der stark beschränkten Bedingungen und des Bereiches dieser Abscheidung ist jedoch die Erzie lung einer gleichmäßigen Bindung bei der praktischen Durchführung schwer erreichbar.

Insbesondere führt das Vorerwärmen des verschleißfesten Ringraums 11 zu einer Verdickung des Oxidfilms, was zur Vergrößerung der möglichen Schwierigkeiten beim Verbinden Vereinigen) führt.

Bei vorheriger Durchführung der chemischen Umwandlungsbe handlung, wie vorstehend beschrieben, wird eine einer che mischen Umwandlung unterzogene Schicht durch Vorerwärmen oxidiert, während das Aluminiumlegierungsmaterial des ver schleißfesten Ringraums 11 nicht oxidiert wird. Das Oxid der einer chemischen Umwandlung unterzogenen Schicht wird durch die geschmolzene Aluminiumlegierung des Kolbenhaupt körpers 1 leicht eliminiert und die Aluminiumlegierung des Kolbenhauptkörpers 1 und diejenige des verschleißfesten Ringraums 11 können unter Erzielung einer hohen Bindungs festigkeit miteinander verbunden werden.

Die Ergebnisse der Prüfung der charakteristischen Ver änderungen wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Ver schleißbeständigkeit, die Beständigkeit gegen Mikrover schweißung und die spanabhebende Bearbeitbarkeit des ver schleißbeständigen Ringraums 11, der nach den vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist, näher be schrieben.

Die Tabelle I zeigt die Komponenten einer Matrix-Alumini umlegierung. Bei dieser Prüfung wurde eine nach dem Gieß verfahren hergestellte Probe verwendet und die Zugabemenge an SiC-Partikel wurde bewertet anhand von sieben Alumini umlegierungsmaterialien mit einem Anteil von 0, 5, 10, 15, 20, 25 und 30 Gew.-%.

Tabelle I

Komponenten der Matrix-Aluminiumlegierung

In einem Verfahren zur Bewertung der Verschleißfestigkeit wurde eine Apparatur verwendet, wie sie in Fig. 4 darge stellt ist. Insbesondere wird der Kolbenring 7 auf einem sich drehenden Bett 15 fixiert, das mit einem Motor (nicht dargestellt) in Rotation versetzt wird. Ein an dem unteren Ende einer Heizeinrichtung 16 fixiertes Teststück 17 wird gegen einen oberen Abschnitt des Kolbenrings 7 gepreßt zur Erzielung eines Abriebs. Dieses Teststück 17 ist ein Teil des verschleißfesten Ringraums 11, der aus der Ringnut des Kolbenhauptkörpers 1 ausgeschnitten ist. Bei diesem Ver fahren werden die Testbedingungen, wie z. B. die Tempera tur, die Schmier- bzw. Gleitfähigkeit und dgl. so einge stellt, daß sie in Korrelation stehen zu dem Kolben eines realen Motors. Die Bewertung erfolgt anhand der Tiefe des Verschleißes (Abriebs) nach der Prüfung.

In dem Verfahren zur Bewertung der Beständigkeit gegen Mi kroverschweißung wurde eine Apparatur verwendet, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist.

Insbesondere wird ein beschleunigtes Testverfahren ange wendet, bei dem der Kolbenring 7 gegen die Unterseite der Kopfringnut 4 des Kolbenhauptkörpers 1 gepreßt wird und nur in einer Richtung gleitend verschoben wird durch die Stellorgane 18, 19, wie in der Fig. 5 durch einen Pfeil dargestellt. Die Bewertung erfolgt anhand des Verhältnis ses zwischen einer verschweißten und abgenutzten Fläche der Ringnut 4 und der Gleitfläche des Kolbenrings 7.

Die Bewertung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit erfolgte in der Weise, daß ein zylindrischer rauher Formkörper mit einem Durchmesser von 70 mm unter den folgenden Bedingun gen und unter Anwendung der folgenden Gesamtbearbeitungs zeit spanabhebend bearbeitet wurde, bis bei einem Werkzeug ein Abrieb von 3 mm gemessen wurde:
Bearbeitungsgeschwindigkeit: 200 m/min
Abschnittmenge: 0,3 mm
Zuführungsmenge: 0,03 mm/Rotation
verwendetes Werkzeug: Gasphasen-Synthese Diamant- Werkzeug, hergestellt von der Firma Asahi Daiya Co., Ltd.

Die Tabelle II zeigt die Ergebnisse der obengenannten Be wertungen. In der Tabelle II ist die Verschleißbeständig keit angegeben durch eine Zahl, wobei die Abriebsmenge ohne zugesetzte SiC-Partikel (0 Gew.-%) auf 100 festge setzt wurde. Ein kleinerer Wert zeigt einen geringeren Verschleiß an.

Die Beständigkeit gegen Mikroverschweißung ist angegeben durch eine Zahl, wobei die verschweißte Fläche ohne zu gegebene SiC-Partikel (0 Gew.-%) auf 100 festgelegt wurde.

Ein kleinerer Wert gibt eine geringere Mikroverschweißung an.

Die spanabhebende Bearbeitbarkeit ist angegeben durch die Lebensdauer des Werkzeugs, die auf 100 festgesetzt wurde, wenn die rauhen Formkörper ohne zugegebene SiC-Partikel spanabhebend bearbeitet werden unter Verwendung eines Sin ter-Diamant-Werkzeugs COMPAX, hergestellt von der Firma General Electric Co., Ltd. Es sei darauf hingewiesen, daß die rauhen Formkörper mit zugesetzten SiC-Partikel mit ei nem Gasphasen-Synthesediamant-Werkzeug spanabhebend bear beitet wurden.

Tabelle II

Ergebnisse der Bewertung

Wie aus der Tabelle II ersichtlich, ist selbst dann, wenn die Zugabemenge der SiC-Partikel nur 5 Gew.-% beträgt, die Verschleißbeständigkeit stark verbessert im Vergleich zu dem Fall, bei dem keine Zugabe erfolgt. Bei einer Zugabe menge von 10 Gew.-% wird der Effekt der Zugabe im wesent lichen konstant.

Die Beständigkeit gegen Mikroverschweißung zeigt eine ähn liche Tendenz. Es ist klar, daß selbst dann, wenn die Zugabemenge der SiC-Partikel nur 5 Gew.-% beträgt, die Be ständigkeit gegen Mikroverschweißung stark verbessert ist im Vergleich zu dem Fall, bei dem keine Zugabe erfolgt. Bei einer Zugabemenge von 10 Gew.-% oder mehr tritt keine Mikroverschweißung auf.

Andererseits wird dann, wenn die Zugabemenge der SiC-Partikel nur 5 Gew.-% beträgt, die spanabhebende Bearbeitbar keit schlechter im Vergleich zu dem Fall, bei dem keine Zugabe erfolgt. Durch Erhöhung der Zugabemenge wird die spanabhebende Bearbeitbarkeit noch schlechter und bei ei ner Zugabemenge von 30 Gew.-% tritt bei dem Werkzeug ein Kantenbruch auf, so daß eine spanabhebende Bearbeitung un möglich wird.

Die obengenannte Prüfung zeigt, daß die optimale Zugabe menge der SiC-Partikel in einem Bereich von 5 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise von 10 bis 20 Gew.-%, liegt.

Dann wurde ein Betriebstest durchgeführt im Hinblick auf den Kolben mit einem Kolbenhauptkörper 1 aus einer Alumi niumlegierung, der um den verschleißbeständigen Ringraum 11 aus einer Aluminiumlegierung unter Zugabe von SiC-Partikel herum gegossen wurde, und der Kolben in den Verbren nungsmotor eingesetzt wurde. Die Zugabemenge der SiC-Partikel in dem verschleißfesten Ringraum 11 wurde auf 10 Gew.-% festgelegt. Außerdem wurde zum Vergleich ein Be triebstest durchgeführt mit einem Kolben, der einen Kolbenhauptkörper ohne den verschleißfesten Ringraum 11 aufwies.

Die Betriebsbedingungen waren folgende: es wurde ein Vier- Zylinder-Benzinmotor mit einem Hubraum von 1600 cm verwen det und 100 h lang kontinuierlich bei einer Öltemperatur von 150°C und einer Kühlmitteltemperatur von 120°C laufen gelassen.

Die Ergebnisse waren die, daß der Kolben ohne den ver schleißfesten Ringraum 11 einen Verschleiß (Abrieb) von 50 µm aufwies und auf 85% der Unterseite der Kopfringnut 4 Mikroverschweißungen auftraten, während bei dem Kolben mit dem verschleißfesten Ringraum 11 weder ein Abrieb noch eine Mikroverschweißung auftrat.

Claims

1. Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Hauptkörper (1) aus einer Alumini umlegierung, in dessen äußerer Umfangsfläche eine Vielzahl von Kolbenringnuten (4, 5, 6) vorgesehen ist, wobei in der obersten Ringnut (4) ein verschleißfester Ring träger (11) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der verschleißfeste Ringträger (11) aus einer Aluminiumlegierung besteht, wel che Siliciumcarbid(SiC)-Partikel enthält.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die SiC-Partikel 5 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-%, entsprechen.

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die SiC-Partikel Durchmes ser in dem Bereich von einigen µm bis einigen zehn µm haben.

4. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Formen eines verschleißfesten Ringträgers (11) aus einer Siliciumcarbid(SiC)-Par tikel aufweisenden Aluminiumlegierung,
- Unterwerfen dieses verschleißfesten Ringträgers (11) einer chemischen Um wandlungsbehandlung und
- Gießen einer schmelzflüssigen Aluminiumlegierung für den Hauptkörper (1) des Kolbensrings um den verschleißfesten Ringträger (11).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Formen mit Hilfe des Schwerkraftgießens, mit Hilfe des Druckgießens, mit Hilfe des Metallschmelz gießens oder mit Hilfe eines Pulvermetall-Schmiedeverfahrens durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Um wandlungsbehandlung in einer auf 313 K erwärmten Palcoal 3756-LÖsung der Fir ma Parka Rising Co., Ltd. während eines 60 s-Eintauchzeitraumes durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießen solcherart durchgeführt wird, daß eine Vorwärmtemperatur für den verschleißfesten Ringträger (11) 673 K beträgt daß die Einspritztemperatur der schmelzflüssigen Aluminiumle gierung des Hauptkörpers (1) 993 K beträgt und daß die Temperatur der Gießform 473 K beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumlegie rung SiC-Partikel mit einem Anteil von 5 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-% beigemischt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß SiC-Partikel ver wendet werden, deren Durchmesser innerhalb des Bereiches von mehreren µm bis zu mehreren zehn µm aufweisen.