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DE19813430A1 - Verbundgußkolben und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Verbundgußkolben und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundgußkolben und ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundgußkolbens mit einem Kopfteil und einem das Kopfteil wenigstens teilweise über­ deckenden Armierungsteil.
Bei hochbelasteten Kolben, beispielsweise aus Al-Legierungen treten aufgrund thermischer und mechanischer Spannungen bedingt durch das Alterungsverhalten, Kerbwirkungen an der Oberfläche und Gefügeveränderungen auf, welche in Verbindung mit hohen mecha­ nischen Belastungen Risse im Kolbenbodenbereich zur Folge haben können. Diese Risse haben eine sehr hohe Fortschrittsgeschwindigkeit und führen zur Zerstörung des Bauteils und damit meist zu einer Totalzerstörung des Motors. Wegen der für das Arbeitsverfahren oft unerläßlichen Brennraummulde sind Kolben für direkt einspritzende Dieselmotoren besonders stark betroffen.
Aus der DE-OS 25 13 272 und der DE-OS 36 02 241 sind Kolben für Brennkraftmaschinen bekannt, wobei eine Verschalung des Kolbenkopfteiles mit einem Armierungsteil in einem Gießprozeß erfolgt bzw. ausgebildet wird. Hierbei haben Verbesserungen des Alterungsver­ haltens der Kolbenlegierung und Erhöhen der Warmfestigkeit den Einsatzbereich für Al-Druckgußkolben in höherbelasteten Verbrennungsmotoren erschlossen. Weiter steigende Anforderungen setzten jedoch vor allem wegen der gießverfahrensbedingten Gefügein­ homogenitäten und Oxide im Gußteil Grenzen.
Als Abhilfe werden beispielsweise im Rennsport und bei hochaufgeladenen Ottomotoren Schmiedekolben eingesetzt, die jedoch wegen des Fehlens eines Ringträgers bei Diesel­ motoren nicht verwendet werden können. Derartige Preßkolben sind in der Herstellung aufwendiger als Gußkolben und damit auch teurer.
Bei Dieselmotoren mit entsprechend hoher Belastung verwendet man zur Lösung dieses Problems gebaute Kolben, Pendelschaftkolben oder Kolben aus Eisenwerkstoffen, die deut­ lich höhere Temperaturbelastungen und Zünddrücke als Al-Werkstoffe ertragen können. Nachteilig ist, daß bei der Verbrennung hohe Oberflächentemperaturen entstehen, die das Temperaturniveau des gesamten Brennraumes anheben. Dadurch entstehen bei der Ver­ brennung vermehrt Stickoxide, was einen hohen Aufwand bei der Abgasnachbehandlung erfordert. Zudem wird die Füllung des Brennraumes im Ansaugtakt deutlich schlechter und der Gesamtwirkungsgrad des Motors nimmt ab. Alle Kolben aus Eisenwerkstoffen sind relativ massereich, was sich negativ auf den Massenausgleich besonders bei schnellaufenden Motoren auswirkt.
Bei weiteren Lösungsvorschlägen, beispielsweise gemäß der EP 0 295 481 A2, werden partielle Verstärkungen im Bereich der höchsten Spannungen vorgesehen bzw. einge­ gossen, z. B. Graugußringe am Muldenrand. Diese haben den Nachteil, daß entweder die Festigkeit der Verbindungsschicht, beispielsweise Alfin, nicht ausreicht oder die erforderlichen Verbindungsstreben durch das Gußteil stark rißfördernd sind.
Es gibt auch Versuche, im Aluminium faserverstärkte Bereiche mittels Squeeze Cast herzustellen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß unvermeidbare, sporadisch auftretende Fehl- bzw. Störstellen im Faserverbund als Rißstarter wirken.
Aus der DE-OS 24 32 990 ist ein Kolben für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, wobei ein Mantelabschnitt den Kolben in vorbestimmten Abschnitten überdeckt.
In der EP 0 118 204 B1 wird ein Kolben für eine Brennkraftmaschine beschrieben, wobei eine Verstärkung aus eisenhaltigem Material über einem Kolben aus Aluminium angeordnet ist und für eine feste Verbindung mit der Aluminiumverbindung Öffnungen aufweist.
Aus dem Aufsatz "Aufweitstauchen von Rohren durch Innenhochdruckumformen" von Dr.-Ing. Friedrich Klaas, Blech Rohre Profile 35 (1988) 3, Seite 175 bis 180, und aus dem Aufsatz "Verfahren und Maschinen für die Kaltumformung von Rohren" von Dr.-Wirtsch.-Ing. Fritz-J. Neff, Blech Rohre Profile 28 (1981) 2, Seite 54 bis 57 ist ferner das Innenhochdruck­ umformen von Rohren, beispielsweise für Auspuffrohre bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei die obengenannten Nachteile überwunden werden und thermisch-mechanische Schädigungen hochbelasteter Bereiche von Aluminium-Kolben durch einen örtlichen Einbau von Armierungsteilen höherer Warmfestigkeit zu verhindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Armierungsteil aus einem Ausgangs­ werkstück mittels Hydro-Umformung entsprechend Konturen eines zu überdeckenden Abschnitts des Kopfteils hergestellt wird.
Vorteilhafterweise werden hierdurch Fertigkonturen bereitgestellt, welche eine hohe Maß- genauigkeit aufweisen und eine nachfolgende Bearbeitung entbehrlich machen. Des weiteren ist eine kostengünstige Herstellung der Armierungsteile trotz zum Teil komplexer Konturen gewährleistet. Die hydrogeformten Armierungen können vergleichsweise dünn­ wandig ausgebildet sein und tragen somit zu einer Reduktion des Kolbengesamtgewichtes bei.
Ein durch Hydro-Umformung hergestelltes Armierungsteil kann einfach in einem nach­ folgenden Alfin-Verfahren eingegossen werden kann, ohne daß eine Nachbearbeitung erforderlich ist.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Hydro-Umformung mittels Innenhochdruckumformung.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird als Ausgangswerkstück ein flaches Blech oder Rohr verwendet.
Ein einfaches und kostengünstiges Verfahren ergibt sich dadurch, daß das Armierungsteil mittels partiellen Ausbauchens eines Ausgangswerkstückes, mittels rotationssymmetrischen Aufweitens eines Ausgangswerkstückes oder mittels rotationssymmetrischen Aufweit­ stauchens eines Ausgangswerkstückes hergestellt wird.
In vorteilhafter Weise werden dabei wenigstens zwei der voranstehenden drei Umformungs­ arten kombiniert.
Eine Nachbearbeitung des Verbundgußkolbens ist aufgrund der hohen Maßgenauigkeit des Armierungsteils entbehrlich.
Besonders, aber nicht ausschließlich bei Kolben für direkt einspritzende Dieselmotoren erhält man durch eine hinterschnittene Muldenform zusätzlich eine formschlüssige Verbin­ dung, die von der Alfinverbindung stoffschlüssig unterstützt wird.
In besonders bevorzugter Weise wird der Formschluß dadurch verbessert, daß ein Kolben­ ringfeld im Einguß- bzw. Armierungsteil mit ausgeformt wird.
Als Material für das Einguß- bzw. Armierungsteil wird zweckmäßigerweise warmfester Stahl mit Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem verwendeten Al-Werkstoff verwendet. Aufgrund der im Vergleich zu diesem Al-Werkstoff schlechteren Wärmeleitfähigkeit dieses Stahles wird nach einem Kaltstart einer hiermit ausgestatteten Brennkraftmaschine deren Betriebstemperatur schneller erreicht, welches Vorteile bezüglich der Kaltstartemissionen und des Anspringverhaltens eines nachgeschalteten Katalysators bringt.
Das Herstellungsverfahren mittels Hydroforming bzw. Hydro-Umformung läßt Materialdicken von ca. 0,4 mm bis ca. 3 mm insbesondere am Verbundguß- bzw. Armierungsteil zu, so daß eine sehr dünne Schale hoher Paßgenauigkeit auf den Kolben aufgebracht werden kann. Wegen dieser hohen Paßgenauigkeit des Einguß- bzw. Armierungsteiles kann eine Bear­ beitung des Kolbenbodens und einer Ringpartie entfallen, wenn die gesamte Bearbeitung von diesem Bereich ausgeht.
Ferner wird erfindungsgemäß ein Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Armie­ rungsteil vorgeschlagen, welches ein Kopfteil des Kolbens wenigstens teilweise überdeckt, wobei das Armierungsteil nach dem voranstehenden Verfahren gefertigt ist.
Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispieles der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung. Diese zeigt in
Fig. 1 einen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Verbundgußkolbens gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 1,
Fig. 3 einen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Verbundgußkolbens gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und
Fig. 4 bis 6 weitere Teilschnitte erfindungsgemäßer Verbundgußkolben gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen.
Die in Fig. 1 dargestellt erste Ausführungsform eines Verbundgußkolbens 14 für einen Turbodieselmotor mit Direkteinspritzung hat ein Armierungsteil 10 und eine Kolbenober­ fläche 12. Das Armierungsteil 10 ist dabei derart mit dem Kolben 14 verbunden, daß das Armierungsteil einen nicht näher dargestellten Brennraum begrenzt und das Material des Kolbens 14 vor hohen Temperaturen und Drücken im Brennraum abschirmt.
Fig. 2 zeigt den Aufbau der verschiedene Schichten des Verbundgußkolbens. Von oben, also von der Kolbenoberseite 12 her gesehen sind folgende Schicht vorgesehen: Das Armierungsteil 10, welches mittels Hydroforming vorgeformt wurde und eine Verbindungs­ schicht 16, welche einen Stoffschluß zwischen dem Armierungsteil 10 und einem nach­ folgenden Grundmaterial 18 aus einem Schwerkraftguß herstellt. An den Punkten 20 ist eine formschlüssige Verbindung zwischen Armierung 10 und Kolben 14 ausgebildet.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Verbundgußkolbens für einen Ottomotor.
Es sind auch partielle Armierungen 10 möglich. Dies ist in den Fig. 4 bis 6 dargestellt. Diese partiellen Armierungen 10 dehnen sich beispielsweise nur auf den hochbelasteten oder auf den Muldenbereich bis hin zu einer Oberflanke einer ersten Ringnut 22 aus. In Fig. 4 ist zusätzlich ein Ringträger 24 vorgesehen, welcher ebenfalls hydrogeformt sein kann. Bei diesen Varianten sind mehr oder weniger partielle Bodenbearbeitungsmaßnahmen vor­ teilhaft.
Außer Stahlwerkstoffen können im wesentlichen alle alfinierbaren Werkstoffsorten ver­ wendet werden. Besonders bevorzugt sind nickelhaltige bzw. kupfer-nickelhaltige, warmfeste Werkstoffe, wie beispielsweise Monel oder ähnliches. Für den Einsatz dieser Werkstoffe wird in vorteilhafter Weise die Zusammensetzung des Alfinbades geeignet modifiziert. Im Prinzip eignen sich alle im flüssigen Aluminium anlösbaren Werkstoffe.
Das bekannte Alfin-Verfahren im Schwerkraftguß wird bisher bei Verbundguß von Aluminium mit Eisenwerkstoffen durchgeführt und hat sich besonders beim Einguß eines Ringträgers als zuverlässig bewährt. Mittels dieses Alfin-Verfahrens wird nunmehr vorgeschlagen, ein Kolbenoberteil bzw. ein Armierungsteil 10 einzugießen, welches entweder einen eng be­ grenzten Bereich hoher Spannung verstärkt oder den gesamten Kolbenkopf 14 einschließ- lich der Ringpartie umfaßt. Dieses Armierungsteil 10 ist dabei paßgenau mittels eines Hydroformingverfahrens vorgefertigt und benötigt daher keine oder nur eine geringe weitere Bearbeitung.
Eingegossen wird das Armierungsteil 10 bevorzugt im Alfinverfahren, wobei die spätere Kolbenoberfläche 12 vor dem Alfinieren passiviert wird, so daß eine einseitige Alfinschicht aufgebracht werden kann. Die Passivierung kann durch jede Art von Oberflächenschicht erzeugt werden, die von der Schmelze des Alfinbades nicht benetzt wird, z. B. durch keramische oder graphithaltige Schichten, oder auch durch Aufdampfen oder Aufspritzen von Schichten geeigneter Werkstoffe.
Warmfeste Al-Legierungen können hierbei weiterhin als Gußwerkstoff verwendet werden. Zusätzlich erhält man eine Armierung von rißgefährdeten Stellen mit hochwarmfesten Stahl­ werkstoffen, die eine bis zu 4fach höhere Wärmefestigkeit aufweisen. Die dünne Stahlum­ mantelung erzeugt in der Warmlaufphase des Motors eine schnellere Aufheizung der Kolbenoberfläche 12. Dadurch entstehen weniger Emissionen an unverbrannten Kohlen­ wasserstoffen, Partikeln und Kohlenmonoxid.
Der Armierungswerkstoff besteht aus homogenem Walzmaterial mit feinstem, fehlerfreiem Gefüge ohne Gußinhomogenitäten.
Eine Bearbeitung des Kolbenbodens kann entfallen, da das Einguß- bzw. Armierungsteil 10 im benötigten Toleranzbereich herstellbar ist.
Der Ringträger herkömmlicher Konstruktion kann durch eine entsprechende Formgebung des Armierungsteiles 10 ersetzt werden.
Gegenüber Stahlkolben, gebauten Kolben und Pendelschaftkolben ergeben sich Gewichts­ vorteile durch lediglich eine dünne Stahlarmierung. Dies verbessert das Schwingungsver­ halten der Motoren besonders bei 3- und 4-Zylindermotoren. Ferner sind höhere Drehzahlen möglich. Durch eine verbesserte Wärmeabfuhr durch dünne Ummantelung des Al-Kerns entstehen bei Betriebstemperatur niedrigere Stickoxid-Emissionen. Ferner sind die Her­ stellungskosten deutlich geringer.
Im Vergleich mit Preßlingen ist nunmehr eine Armierung der Ringnut zur Verschleißreduktion möglich, was Preisvorteile mit sich bringt.
Gegenüber früheren Verbundgußkolben mit Muldenrandeinsätzen und Spinnen ergibt sich eine Verbesserung des Form- und Kraftschlusses durch größere zusammenhängende Flächen. Es kommt zu keinen Kerbwirkungen durch Verbindungsstege zwischen Mulden­ rand und Ringträger. Der Einguß eines Ringträgers ist bei Teilbearbeitung des Kolben­ bodens nach wie vor möglich.
Im Gegensatz zu mittels Squeeze Gast (Flüssigpressen) infiltrierten Faserarmierungs­ einsätzen ergibt sich eine höchste Homogenität in der Oberflächenschicht des Ver­ bundgußteiles, welches praktisch kerbwirkungsfrei ist. Ferner erzielt man eine höhere Warmfestigkeit gegenüber faserverstärktem Aluminium.
Anstelle des Alfin-Verfahrens oder ähnlicher Eintauch-Löseprozesse kann das Einguß­ verfahren mit Verbindungsschichten für Aluminium aus z. B. Zinn, Zink oder Kupfer versehen werden, welche bevorzugt galvanisch oder gespritzt aufgebracht werden. Damit kann das Eingußteil im Schwerkraftguß kraftschlüssig eingegossen werden.
Eine weitere bevorzugte Variante besteht darin, das Eingußteil durch Flamm- oder Plasma­ spritzen einseitig zu beschichten, wobei eine poröse Oberfläche erzeugt wird. Beim Einguß mittels Flüssigpressen entsteht eine Diffusionsbindung, welche die Alfinbindung an Zugfe­ stigkeit noch übertrifft.
Es ist auch möglich, bei sehr dünnen Armierungsteilen auf die Bindungsschicht 16 zwischen Armierung 10 und Grundwerkstoff 18 (Fig. 2) zu verzichten. Hierbei wird das Armierungsteil im Gesenk eingeschmiedet und findet über Formschluß Halt.

Claims (13)

1. Verfahren zum Herstellen eines Verbundgußkolbens mit einem Kopfteil und einem das Kopfteil wenigstens teilweise überdeckenden Armierungsteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Armierungsteil aus einem Ausgangswerkstück mittels Hydro-Umformung ent­ sprechend Konturen eines zu überdeckenden Abschnitts des Kopfteils hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydro-Umformung mittels Innenhochdruckumformung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangswerkstück ein flaches Blech oder Rohr verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Armierungsteil mittels partiellen Ausbauchens eines Ausgangswerkstückes her­ gestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Armierungsteil mittels rotationssymmetrischen Aufweitens eines Ausgangswerk­ stückes hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Armierungsteil mittels rotationssymmetrischen Aufweitstauchens eines Ausgangswerkstückes hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der Umformungsarten gemäß Ansprüche 4 bis 6 kombiniert werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem nachfolgenden Schritt das Armierungsteil mittels eines Alfin-Verfahrens stoffschlüssig in einem bekannten Gießverfahren eingegossen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine hinterschnittene Muldenform des Kolbens ausgebildet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolbenringfeld im Armierungsteil mit ausgeformt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Armierungsteil ein warmfester Stahl verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Armierungsteil eine Materialdicke von 0,4 mm bis 3 mm eingeformt wird.
13. Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Armierungsteil, welches ein Kopfteil des Kolbens wenigstens teilweise überdeckt, dadurch gekennzeichnet, daß das Armierungsteil nach einem Verfahren gemäß wenigstens einem der vorher­ gehenden Ansprüche gefertigt ist.
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