DE3246630A1

DE3246630A1 - Verfahren zur herstellung verschleissfester oberflaechen, der ringnuten von aus aluminiumkolbenlegierungen bestehenden kolben fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3246630A1
Application number: DE19823246630
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr.-Ing. 7107 Neckarsulm Mielke
Original assignee: Karl Schmidt 7107 Neckarsulm GmbH; Karl Schmidt GmbH
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1982-12-16
Filing date: 1982-12-16
Publication date: 1984-06-20
Also published as: DE3246630C2

Description

v# Verfahren zur Herstellung II ng zur ~verschleißfester~Oberflächen,
der jRinqnuten von aus Aluminiumkolbenlegierungen bestehenden Kolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung verschleißfester Oberflächen der Ringnuten, wenigstens der obersten Ringnut, vorzugsweise der Nutflanken, von aus Aluminiumkolbenlegierungen bestehenden Kolben für Brennkraftmaschinen durch Anwendung des Lichtbogenscheißens, wie z.B. MIG- und Plasmaschweisverfahrens.
Es sind Brennkraftmaschinen bekannt, die entweder nach ihrer Auslegung oder nach dem Arbeitsort einen besonders hohen Verschleiß der Ringnuten, insbesondere der obersten Ringnut, mit Bruchgefahr der Kolbenringe befürchten lassen oder zeigen.
Anfälligkeit hierfür besteht, wenn aufgrund der konstruktiven Gesamtauslegung der Brennkraftmaschine die Temperaturen im Ringfeld abnormal hoch liegen, extreme Rückstände bildender Kraftstoff gefahren wird, aus besonderen Gründen das Spiel des Kolbens yroB yewählt wurde und dadurch Kippbewegungen ermöglicht werden oder die Luftfilterunq, besonders in staubreicher Umgebung, z.B. auf Baustellen, unzulänglich ist.
In all diesen Fällen werden sogenannte Ringträgerkolben eingesetzt, bei denen in den aus einer Aluminiuinkolbenleyierung bestehenden Kolbenkörper im Bereich wenigstens des obersten Kolbenrings ein aus einem Eisenwerkstoff bestehender Ringträger, in den die Kolbenringnut eingestochen ist, über eine intermetallische Verbundschicllt eingegossen ist (Fachkunde Kraftfahrttechnik, 2. Auflage, Holland + Josenhans-Verlag, Stuttgart 1982, S. 27). Durch den eingegossenen Ringträger wird das Gewicht des Aluminiumkoibens in nachteiliger Weise erhöht.
Bekannt ist auch, bei einem aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolben im Bereich der Kolbenringe, eine Nut einzustechen und diese nach dem Metallspritzverfahren zunächst mit einer dünnen Zwischenschicht aus Molybdän, Titan, Kobalt, Nickel oder deren Legierungen sowie rostfreiem Stahl auszuspritzen, dann mit einem rostfreien Stahl mit hohem Chromgehalt und einem bestimmten Nickelgehalt aufzufüllen und dann die Ringnuten auszubilden (DE-OS 14 00 115). Der Nachteil besteht darin, daß zwischen der Aluminiumlegierung und der aufgespritzten Zwischenschicht eine schlechte Haftfestigkeit besteht.
Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Oberflächen eines aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolbens ist in der US-PS 3 285 717 vorgesehen, einen verschleißfesten Aluminiumwerkstoff der Zusammensetzung 12 bis 30 % Silizium, 10 bis 30 % Kupfer, 2 bis 6 % Mangan sowie ggf. bis zu 6 % Eisen, 0,5 bis 5 % Nickel, 0,5 bis 3 % Chrom und 0,5 bis 1 t verschiedene andere Metalle wie Titan, Vanadium, Wolfram, Molybdän usw., Rest Aluminium, durch Plasma-Auftragsschweißen aufzubringen, indem der im Lichtbogen verflüssigte Aluminiumzusatzwerkstoff auf den angeschmolzenen Kolbenwerkstoff trifft und hier eine harte Oberflächenschicht erzetlgt. Die Zusammensetzung der Oberflächenschicht ändert sich von außen nach innen, wobei die an Zusatzwerkstoff ärmste Schicht am tiefsten zuunterst liegt. Die Legierungsbildung erfolgt hierbei durch Diffundieren des Aluminiurnzuiatz-Werkstoffs in die Oberfläche des Aluminiumkolbens. Die DE-AS 22 00 033 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit, vorzugweise der obersten Ringnut von aus Aluminiumlegierungen bestehenden Kolben für Brennkraftmaschinen, indem eine 18 bis 30 % Silizium und 2 bis 6 % Kupfer enthaltende Aluminiumlegierung unter Anwendung von Liektronenstrahlen mit der Aluminiumlegierung des Kolbens unter Auflegieren verschmolzen wird. Solche Verfahren haben sich nicht durchsetzen können, da in aller Regel der Aufwand zur Herstellung der Verschleißschutzschicht zu hoch ist.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Oberfiächen der Kolbenringnuten, wenigstens der obersten Ringnut, insbesondere der Nutflanken, von einem aus Alutniniumkoj benlegierungen bestehenden Kolben derart verschleißfest ausyebildet werden kann, daß ein Kompromiß zwischen der vergleichsweise hohen Verschleißfestigkeit der Ringnut eines mit einem Ringträger bestückten Kolbens und der relativ schlechten Verschleißfestigkeit der Ringnut eines Kolbens, bei dem die Verschleißschuüzschicht durch Auflegieren der Aluminiumkolbenlegierung mit einem Aluminium-Zusatzwerkstoff gebildet worden ist, erreicht wird, ohne daß das Gewicht des Kolbens und der Herstellungsaufwand erhöht werden.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß am Kolbenrohling im Bereich der mit verschleißfesten Oberflächen zu versehenden Ringuten jeweils eine Nut, deren Querschnitt größer als derjenige der Ringnut am endbearbeiteten Kolben ist, eingestochen wird, die bei um seine Längsachse rotiere Mndem Kolbenrohling durch Lichtbogenschweißen vollständig mit einem aus einer siliziumhaltigen Aluminiumlegierung bestehenden Zusatzwerkstoff aufgefüllt, das Schmelzbad durch ent- sprechendes Kühlen so schnell wie möglich zur Erstarrung gebracht und danach die Kolbenringnuten eingestochen wer- den.
In den meisten Fällen reicht es aus, die Nut nur so tief in den Kolbenrohling einzustechen, daß nur der Teil der Flanken der Ringnut des endarbeiteten Kolbens eine verschleißfeste Oberfläche besitzt, der dem Verschleiß durch den Kolbenring unterliegt, da der Rinynutgrund und die angrenzenden Bereiche der Ringnutflanken dem Verschleiß durch den Kolbenring kaum oder nicht unterliegen Die schnelle Erstarrung wird durch Verwendung einer Wasser- oder Luftdusche erreicht.
Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, den Kolben von der Innenseite her, mittels einer geeigneten Flüssicjkeit zu kühlen.
Als silizumhaltige Aluminiumlegierungen kommen insbesondere übereutektische Aluminiumlegierungen der Zusammesetzung 11 bis 30 % Silizium, 0,8 bis 1,8 % Kupfer, 0,8 bis 1,6 % Nickel, 0,4 bis 1,3 % Magnesium, Rest Aluminium in Betracht. Gegebenenfalls kann die Legierung noch 0,5 bis 20 % Eisen enthalten undoder der Kupfergehalt kann bis zu 15 % und/oder der Nickelgehalt bis zu 15 % betragen.
Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich mit vergleichsweise geringem Aufwand eine verschleißfeste festhaltende Oberflächenschicht mit einer Härte von > 150, vorzugsweise 180 bis 200 HB, durch fein verteilte intermetallische Phasen erzeugen.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.
Der aus einer Aluminiumlegierung des Typs AlSil2CuNiMg bestehende Kolbenrohling 1 ist auf eine Aufnahmehülse 2 durch den kolbenseitigen Einpaß 3 aufgeschoben. Durch die zwischengelegte Dichtung 4 bildet der Kolbenrohling 1 mit der Aufnahmehülse 2 einen geschlossenen Hohlraum 5. Der Kolbenrohling 1 ist über einen Zuganker 6, der an dem durch die Kolbenbolzenbohrungen hindurchgeführten Kolbenbolzen angreift, fixiert. Uber die Zulaufleitung 8 strömt ein Kühlmittel in den Hohlraum 5 ein, wodurch Kolbenboden und Ringfeld intensiv gekühlt werden. Uber die in der Aufnahmehülse 2 angebrachten Bohrungen 9 tritt das Kühlmittel wieder aus dem Hohlraum 5 aus. Durch entsprechende Auslegung des Durchmessers der Bohrungen 9 kann eine mehr oder weniger große Füllung des Hohlraums 5 erreicht werden. Die Aufnahmehülse 2 ist in der drehbaren Vorrichtung 10 eingespannt.
Zur Herstellung von verschleißfesten Oberflächen der Flanken der obersten Kolbenringnut wird in den Kolbenrohling 1 eine Nut 11 eingestochen, bei der der Abstand zwischen oberer und unterer Nutfläche im vorderen Teil größer als Flankenabstand der Kolbenringnut des endbeareiteten Kolbens ist. Unmittelbar nach dem Einstechen der Nut 11 wird in diese bei rotierendem Kolbenrohling 1 der Zusatzwerkstoff 12 bestehend aus einer Aluminiumlegierung der Zusammensetzung 12 % Silizium, 15 % Kupfer, 15 %Nickel, 1 % Magnesium, Rest Aluminium mit Hilfe des Schweißbrenners 13 angeschmolzen und die Nut 11 mit dem Zusatzwerkstoff vollständig aufgefüllt. Anschliezend erfolgt die Endbearbeitung des Kolbenrohlings 1 durch die üblichen Bearbei tungsmaßnahmen.
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Claims

PATENTANSPRUCHE Verfahren zur Herstellung verschleißfester Oberflächen der Ringnuten, wenigstens der obersten Ringnut, vorzugsweise der Nutflanken, von aus Aluminiumkolbenlegierungen bestehenden Kolben für Brennkraftmaschinen, unter Anwendung des Lichtbogenschweißens, wie z.B. des MIG- und Plasmaschweißverfahrens, dadurch yekennzeichnet, daß am Kolbenrohling im Bereich der mit verschleißfester Oberflächen zu versehenden Ringnuten jeweils eine Nut eingestochen wird, die bei um seine Längsachse rotierenden Kolbenrohling durch Lichtbogenschweißen mit einem aus einer siliziumhaltigen Aluminiumlegierung bestehenden Zusatzwerkstoff aufgefüllt wird, wobei das Schmelzbad durch entsprechende Kühlung so schnell wie möglich zur Erstarrung gebracht und danach die Kolben- ringnut eingestochen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß am Kolbenrohling eine Nut eingestochen wird, deren Querschnitt größer als derjenige der Rinynut am endbearbeitenden Kolben ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadu ch gekennz chnet, das die Nut am Kolbenrohling so tief eingestochen wird, daß nur der Teil der Ringnutflanken des endbearbeiteten Kolbens eine verschleißfeste Oberfläche besitzt, der dem Verschleiß durch den Kolbenring unterliegt.
4. Verfahren nach einer oder mehreren der Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichent, daß das durch Lichtbogenschweißen erzeugte Schmelzbad unter Verwendung einer Wasser- oder Luftdusche oder durch Flüssigkeitskühlung von der Innenseite des Kolbens her zur Erstarrung gebracht wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß übereutektische siliziumhaltige qluminiumlegierung eine Legierung der Zusammensetzung 11 bis 30 % Silizium, 0,8 bis 1,8 % Kupfer, 0,8 bis 1,6 % Nickel, 0,4 bis 1,3 % Magnesium, Rest Aluminium in Betracht, verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurchql kennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung noch 0,5 bis 2,0 % Eisen enthält und/oder der Kupfergehalt bis zu 15 t und/oder der Nickelgehalt bis zu 15 % beträgt.