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EP3027341B1 - Verfahren zur herstellung eines leichtmetallkolbens unter verwendung eines einlegeteils - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines leichtmetallkolbens unter verwendung eines einlegeteils Download PDF

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Publication number
EP3027341B1
EP3027341B1 EP14744340.2A EP14744340A EP3027341B1 EP 3027341 B1 EP3027341 B1 EP 3027341B1 EP 14744340 A EP14744340 A EP 14744340A EP 3027341 B1 EP3027341 B1 EP 3027341B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
powder
particles
manufacturing
insertion part
piston
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP14744340.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3027341A1 (de
Inventor
Udo Rotmann
Roland Ruch
Patrick Sutter
Frank Winger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International GmbH filed Critical Mahle International GmbH
Publication of EP3027341A1 publication Critical patent/EP3027341A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3027341B1 publication Critical patent/EP3027341B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009—Cylinders, pistons
    • B22D19/0027—Cylinders, pistons pistons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/04—Low pressure casting, i.e. making use of pressures up to a few bars to fill the mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/008—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of engine cylinder parts or of piston parts other than piston rings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2301/00—Metallic composition of the powder or its coating
    • B22F2301/35—Iron

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a light metal piston using an insert.
  • Light metal pistons have long been used in internal combustion engines due to their lower weight and lower inertial forces.
  • reinforcements in the form of so-called ring carriers are used.
  • iron alloys come into consideration as a material for such ring carriers, which usually have a coefficient of expansion which is as similar as possible to that of the piston material.
  • thermal stresses at the interfaces can lead to high stresses, which are the greater, the more different the thermal expansion coefficients of the two materials used for the piston on the one hand and the ring carrier on the other.
  • a crack between the ring carrier and the piston usually leads to failure of the engine and must therefore be avoided at all costs.
  • the bond between the ring carrier and the piston is usually metallurgically achieved by the known Alfinier perspectives in which the ring carrier is so long immersed in an aluminum melt until a diffusion layer has formed. Then this alfin Arthur ring carrier is casted during casting of the piston of the melt of the piston alloy, during which the alf binding occurs during the following solidification.
  • From the DE 34 18 405 C2 is a composite die casting method for the production of aluminum pistons for internal combustion engines, in which a ring carrier made of metal foam of the materials nickel, copper, iron or alloys thereof with a volume fraction of the piston of 3-50% at a casting pressure of at least 392 bar in the die-cast composite be infiltrated with the piston alloy.
  • a metallurgical bond can be produced by a subsequent multi-stage heat treatment, for example, solution annealing, aging, or the like.
  • EP 1 138 418 A2 Another method of manufacturing a piston is known from EP 1 138 418 A2 known.
  • an insert is made from a powder.
  • the insert is then dipped in a molten metal and cooled. Thereafter, the insert is placed in a mold and poured with a molten metal.
  • the present invention is concerned with the problem of providing an improved embodiment for a method for producing an aluminum piston with an insert, which in particular enables a better infiltrability of the insert.
  • the present invention is based on the general idea of choosing a sintered material for an infiltratable insert a powder with a completely novel grain composition in the manner of a new grading curve, whereby the open porosity and thus the infiltration of the insert made of this sintered material is significantly improved ,
  • This is achieved, for example, in that the grading curve is narrower, that is to say the size distribution of the individual sintered particles is narrower and thus the sintering powder from which the sintered material is produced is more homogeneous than usual.
  • the powder used according to the invention comprises at least iron or its alloys, preferably also nickel, copper or their alloys, and in this case comprises particles of different particle sizes, with at most 4% by volume of the powder consisting of particles having a diameter of less than 75 ⁇ m. At least 28% vol., Preferably at least 50% vol. and in one particularly preferred embodiment at least 88% vol. of the powder sintered particles having a diameter greater than 150 microns. This makes it possible to form the powdery sintered material coarser than usual, wherein usually 90% of the sintered particles have a diameter of less than 150 microns. In addition to the limitation of particles with a diameter of less than 75 microns to a maximum of 4% vol.
  • the size distribution of the individual particles is made significantly narrower, the limitation of the grain sizes below the threshold, in particular the previously occurring filling of pores, which are then no longer available for infiltration limited.
  • a narrow restriction of the particle sizes downwards is not provided, as a result of which a significantly increased degree of filling of the pores remaining between larger sintered particles is achieved.
  • the powder used for the sintered material of the insert has a proportion of 0-4.0% vol. Particles with a diameter of 0-75 ⁇ m. In one embodiment, at most 10% vol., Preferably at most 2% vol. of the powder on particles with a diameter of 75-106 .mu.m, In a particularly preferred embodiment further comprise at most 6% vol. of the powder particle diameter in the range of 106-150 ⁇ m on. Accordingly, in this preferred embodiment at least 88% vol. of the powder particle diameter larger than 150 ⁇ m on.
  • the powder can be achieved that the remaining between the individual particles in the sintered material and infiltratable by a later light metal during the casting of the light metal piston pores are not completely filled, so that these pores for infiltration with the light metal available stand, whereby a significantly improved bond between the insert, which may be formed in a piston, for example, as a ring carrier, as a bowl edge or as a bolt eye, can be achieved.
  • At least 50% vol. of the powder particle diameter of 106-212 ⁇ m Due to the high powder content within a relatively narrow particle size range, the formation of a high porosity and thus an easily infiltrated sintered material is promoted. In another embodiment accounts for at least 50% Vol. on particles with diameters greater than 212 ⁇ m. Due to the high proportion of larger particles, a coarse-pored structure is achieved, which also facilitates infiltration.
  • a powder suitable for producing the sintered material according to the invention has a proportion of 0.5 to 6.0% by volume. Particles with a diameter of 106-150 ⁇ m.
  • the mentioned lower limit makes it clear that with such a sieving line or particle size distribution ultrafine particles for complete filling of the pores required for the infiltration are not available or only to an insufficient extent.
  • the sintered insert produced from the sintered material according to the invention has 50-80% pores, that is to say a 50-80% porosity, which optionally can be filled at least partially by the light metal.
  • a powder which is relatively homogeneous in terms of particle size not only is the porosity of the sintered material produced higher, but the individual pores are also substantially larger, which further improves flow through with a light metal melt.
  • At least individual sintered particles of the sintered material are coated with a binder, for example with a resin, which increases the green state stability and burns during sintering.
  • a resin which increases the green state stability and burns during sintering.
  • the resin firmly holds the individual sintered particles together and thus improves the strength of the pressed green compact.
  • Such a resin thus increases the dimensional accuracy of the first not yet sintered insert and thereby facilitates its damage-free handling.
  • the binder or the resin provides a porosity the Einlegeteils reducing coating of individual sintered particles, which deteriorates the infiltration and thus the connection between the light metal of the piston and the insert during the subsequent casting of the light metal piston.
  • the binder burns the resin and thus the previously reduced porosity of this again so that it can be used for the infiltration process.
  • the binder may also be configured to degrade during sintering by a different chemical reaction than oxidation.
  • the insert is fed during sintering instead of air another suitable gas, such as an endo gas.
  • a density of the insert is about 2.5-4.7g / cm 3 .
  • the density of aluminum is, for example, about 2.7 g / cm 3 , so that with an infiltration of the insert with light metal, such as aluminum, always a density of less than 5g / cm 3 can be achieved. Due to its high porosity and its comparatively low density, the insert thus increases the weight of the light metal piston by a much smaller amount than a massive cast part made of an iron alloy.
  • the invention relates to a method for producing a light metal piston, for example a magnesium or aluminum piston, using an insert described above, in which the liquid light metal is poured under a casting pressure of about 0.5-15 bar in a mold and in the Mold arranged insert infiltrated.
  • hypoeutectic alloys of aluminum are used with silicon and / or copper. This avoids the formation of Si or Cu phases, which may arise in particular in a hypereutectic Al alloy. This is undesirable because, when infiltrated, the sintered material may act like a filter whose pores do not allow these phases to pass, so that they accumulate on its surface.
  • the layer formed thereby separates the Insertion of the cast piston body and forms a vulnerability, which can lead to rejects or a subsequent failure of the piston.
  • the casting of the light metal piston can be done with or without back pressure, the casting pressure should be greater by at least 0.1 bar than the back pressure.
  • the casting of the light metal piston is carried out under protective gas, in particular using nitrogen or argon.
  • protective gas in particular using nitrogen or argon.
  • the cast piston is solution annealed or overaged.
  • so-called precipitation hardening can take place by solution heat treatment, as a result of which the strength of the light metal piston can be increased.
  • the curing can be done in principle in three stages, namely the actual solution annealing, quenching and subsequent aging (hot or cold).
  • the solution heat treatment is carried out at temperatures of about 480 ° to about 50 ° C, wherein a temperature is selected at which a sufficient amount of the alloying elements is dissolved in the solid solution, so that the hardening effect occurs after quenching and aging.
  • the overaging of such an aluminum alloy can also take place.
  • the mold is usually vented during the casting of the aluminum piston to achieve complete filling of the mold and an optimized infiltration process of the insert.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallkolbens unter Verwendung eines Einlegeteils.
  • Leichtmetallkolben werden aufgrund ihres geringeren Gewichts und ihrer geringeren Trägheitskräfte bereits seit langem in Brennkraftmaschinen eingesetzt. Um insbesondere eine erste Ringnut eines derartigen Leichtmetallkolbens, beispielsweise eines Aluminiumkolbens, gegen Schwelldruckbelastungen zu sichern, werden Bewehrungen in Form von sogenannten Ringträgern eingesetzt. Als Werkstoff für derartige Ringträger kommen insbesondere Eisenlegierungen in Betracht, die in der Regel einen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der dem des Kolbenwerkstoffs möglichst ähnlich ist. Da jedoch beispielsweise Eisen- und Aluminiumlegierungen sehr unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten haben, kann es bei thermischen Wechselbelastungen an den Grenzflächen zu hohen Spannungen kommen, die umso größer sind, je unterschiedlicher die Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden verwendeten Materialien für den Kolben einerseits und den Ringträger andererseits sind. Ein Riss zwischen dem Ringträger und dem Kolben führt üblicherweise zum Versagen des Motors und muss daher unbedingt vermieden werden. Die Bindung zwischen dem Ringträger und dem Kolben wird in der Regel metallurgisch durch den bekannten Alfinierprozess erreicht, bei welchem der Ringträger so lang in eine Aluminiumschmelze getaucht wird, bis sich eine Diffusionsschicht gebildet hat. Dann wird dieser alfinierte Ringträger beim Abguss des Kolbens von der Schmelze der Kolbenlegierung umgossen, wobei während der folgenden Erstarrung die Alfinbindung entsteht.
  • Bedingt durch die hohen Zünddrücke moderner Dieselmotoren werden nahezu alle hierfür verwendeten Kolben in der ersten Ringnut mit gusseisernen Ringträgern, zumeist aus Austenit, bewehrt. Der Trend zur Direkteinspritzung des Brennstoffs bei Benzinmotoren, verbunden mit steigenden Zünddrücken erfordert nun ebenfalls eine höhere Verschleißfestigkeit in der ersten Ringnut als dies übliche Kolbenlegierungen bieten können. Von besonderer Wichtigkeit ist dabei jedoch allgemein der Verbund zwischen dem Leichtmetall des Kolbens und dem darin eingegossenen Ringträger.
  • Aus der DE 34 18 405 C2 ist ein Verbund-Druckgießverfahren zur Herstellung von Aluminiumkolben für Brennkraftmaschinen bekannt, bei welchem ein Ringträger aus Metallschaum der Werkstoffe Nickel, Kupfer, Eisen oder Legierungen davon mit einem Volumenanteil des Kolbens von 3-50% bei einem Gießdruck von mindestens 392 bar im Druckguss zum Verbund mit der Kolbenlegierung infiltriert werden. Eine metallurgische Bindung kann durch eine anschließende mehrstufige Wärmebehandlung, beispielsweise Lösungsglühen, Altern, oder ähnliches erzeugt werden.
  • Aus der DE 196 35 326 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Leichtlegierungs-Verbundstoffelements bekannt, bei welchem zunächst ein poröses Verbundstoffbildungsmaterial in einem Hohlraum einer Gussform gehalten wird. Anschließend wird eine geschmolzene leichte Legierung in dem Hohlraum der Gussform durch Anlegen eines Gasdrucks eingegossen, wodurch die Poren des porösen Verbundstoffbildungsmaterials mit der geschmolzenen leichten Legierung getränkt werden. Hierdurch bildet sich ein Verbundstoffabschnitt, der aus einem Verbundstoffmaterial aus der leichten Legierung und dem Verbundstoffbildungsmaterial gebildet ist.
  • Ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Kolbens ist aus der EP 1 138 418 A2 bekannt.
  • Aus der DE 26 39 294 C2 ist für unterschiedliche hochporöse Sinterwerkstoffe auf Chrom-Nickel-Basis sowie Cu, Ni, Fe, Ni-Fe-Schaumwerkstoffe durch Infiltration unter Erstarrungsdrücken zwischen 2500 und 1000 bar für offene Porositäten von 25-38% zur Verwendung als Ringträger beschrieben.
  • In der DE 10 2011 122 626 A1 wird zur Herstellung eines Kolbens ein Einlegeteil aus einem Pulver hergestellt. Das Einlegeteil wird anschließend in eine Metallschmelze getaucht und abgekühlt. Danach wird das Einlegeteil in einer Gussform eingelegt und mit einer Metallschmelze umgossen.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Verfahren zum Herstellen eines Aluminiumkolbens mit einem Einlegeteil eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine bessere Infiltrierbarkeit des Einlegeteils ermöglicht.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, für einen Sinterwerkstoff für ein infiltrierbares Einlegeteil ein Pulver mit einer völlig neuartigen Kornzusammensetzung in der Art einer neuen Sieblinie zu wählen, wodurch die offene Porosität und damit auch die Infiltrierbarkeit des aus diesem Sinterwerkstoff hergestellten Einlegeteils deutlich verbessert wird. Erreicht wird dies beispielsweise dadurch, dass die Sieblinie enger gefasst ist, das heißt die Größenverteilung der einzelnen Sinterpartikel enger und damit das Sinterpulver, aus dem der Sinterwerkstoff erzeugt wird, homogener als üblicherweise ist. Das erfindungsgemäß eingesetzte Pulver enthält zumindest Eisen oder dessen Legierungen, vorzugsweise auch Nickel, Kupfer oder deren Legierungen, und umfasst dabei Partikel unterschiedlicher Korngrößen, wobei höchstens 4 Volumenprozent des Pulvers aus Partikeln mit einem Durchmesser von kleiner als 75 µm bestehen. Dabei können zumindest 28%Vol., bevorzugt mindestens 50%Vol. und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform mindestens 88%Vol. des Pulvers Sinterpartikel mit einem Durchmesser von größer als 150 µm aufweisen. Hierdurch ist es möglich, den pulverförmigen Sinterwerkstoff gröber als üblich auszubilden, wobei üblicherweise 90% der Sinterpartikel einen Durchmesser von kleiner als 150 µm aufweisen. Neben der Begrenzung der Partikel mit einem Durchmesser von kleiner als 75 µm auf maximal 4%Vol. wird die Größenverteilung der einzelnen Partikel deutlich enger gefasst, wobei die Beschränkung der Korngrößen unterhalb des Schwellenwertes insbesondere das bisher auftretende Füllen von Poren, die dann nicht mehr zur Infiltration zur Verfügung stehen, beschränkt. Bei herkömmlichen Sinterwerkstoffen ist eine derart enge Beschränkung der Partikelgrößen nach unten nicht vorgesehen, wodurch ein deutlich erhöhter Füllgrad auch der zwischen größeren Sinterpartikeln verbleibenden Poren erreicht wird.
  • Erfindungsgemäß weist das für den Sinterwerkstoff des Einlegeteils verwendete Pulver einen Anteil von 0-4,0%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von 0-75µm auf. In einer Ausführungsform entfallen höchstens 10%Vol., bevorzugt höchstens 2%Vol. des Pulvers auf Partikel mit einem Durchmesser von 75-106µm, In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen ferner höchstens 6%Vol. des Pulvers Partikeldurchmesser im Bereich von 106-150µm auf. Demnach weisen in dieser bevorzugten Ausführungsform mindestens 88%Vol. des Pulvers Partikeldurchmesser größer als 150µm auf. Bereits durch diese enge Beschränkung der Feinstbestandteile des Pulvers kann erreicht werden, dass die zwischen den einzelnen Partikeln im Sinterwerkstoff verbleibenden und von einem späteren Leichtmetall beim Gießen des Leichtmetallkolbens infiltrierbaren Poren nicht vollständig gefüllt werden, so dass diese Poren für die Infiltration mit dem Leichtmetall zur Verfügung stehen, wodurch ein deutlich verbesserter Verbund zwischen dem Einlegeteil, welches beispielsweise als Ringträger, als Muldenrand oder als Bolzenauge in einem Kolben ausgebildet sein kann, erreicht werden kann.
  • Dazu weisen in einer Ausführungsform mindestens 50%Vol. des Pulvers Partikeldurchmesser von 106-212µm auf. Durch den hohen Pulveranteil innerhalb einer relativ engen Korngrößenbandbreite wird die Entstehung einer hohen Porosität und damit eines leicht infiltrierbaren Sinterwerkstoffs gefördert. In einer anderen Ausführungsform entfallen mindestens 50%Vol. auf Partikel mit Durchmessern größer als 212µm. Durch den hohen Anteil größerer Partikel wird eine grobporigere Struktur erzielt, die ebenfalls die Infiltration erleichtert.
  • Zweckmäßig weist ein zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sinterwerkstoffs geeignetes Pulver einen Anteil von 0,5 bis 6,0%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von 106-150µm auf. Insbesondere die genannte Untergrenze macht deutlich, dass bei einer derartigen Sieblinie bzw. Korngrößenverteilung Feinstpartikel zum vollständigen Füllen der für die Infiltration erforderlichen Poren nicht oder nur im unzureichenden Maße vorhanden sind. Hierdurch kann beispielsweise erreicht werden, dass das aus dem erfindungsgemäßen Sinterwerkstoff hergestellte, das heißt gesinterte Einlegeteil, 50-80 % Poren, das heißt eine 50-80%-ige Porosität aufweist, die gegebenenfalls zumindest teilweise durch das Leichtmetall ausgefüllt werden kann. Durch ein hinsichtlich der Partikelgröße relativ homogenes Pulver ist nicht nur die Porosität des erzeugten Sinterwerkstoffs höher, sondern die einzelnen Poren sind auch wesentlich größer, was die Durchströmbarkeit mit einer Leichtmetallschmelze weiter verbessert.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind zumindest einzelne Sinterpartikel des Sinterwerkstoffs mit einem Binder, beispielsweise mit einem Harz, beschichtet, welches die Grünstandfestigkeit erhöht und beim Sintern verbrennt. Nach dem Pressen des Grünlings hält das Harz die einzelnen Sinterpartikel jedoch fest aneinander und verbessert somit die Festigkeit des gepressten Grünlings. Ein derartiges Harz erhöht somit die Formtreue des zunächst noch nicht gesinterten Einlegeteils und erleichtert dadurch dessen beschädigungsfreie Handhabung. Der Binder bzw. das Harz stellt dabei eine die Porosität des Einlegeteils reduzierende Beschichtung einzelner Sinterpartikel dar, welche beim späteren Gießen des Leichtmetallkolbens die Infiltration und damit die Verbindung zwischen dem Leichtmetall des Kolbens und dem Einlegeteil verschlechtert. Beim Sintern des Einlegeteils jedoch verbrennt der Binder das Harz und somit die zuvor von diesem reduzierte Porosität wieder frei, so dass diese für den Infiltrationsprozess genutzt werden kann. Alternativ kann der Binder auch dazu eingerichtet sein, beim Sintern durch eine andere chemische Reaktion als eine Oxidation abgebaut zu werden. Dazu wird dem Einlegeteil während des Sinterns statt Luft ein anderes geeignetes Gas, z.B. ein Endogas zugeführt.
  • Eine Dichte des Einlegeteils liegt bei ca. 2,5-4,7g/cm3. Die Dichte von Aluminium liegt beispielsweise bei ca. 2,7g/cm3, so dass bei einer Infiltration des Einlegteils mit Leichtmetall, beispielsweise Aluminium, stets noch eine Dichte von unter 5g/cm3 erreicht werden kann. Das Einlegeteil erhöht somit aufgrund seiner hohen Porosität und seiner vergleichsweise geringe Dichte das Gewicht des Leichtmetallkolbens um einen wesentlich geringeren Betrag als ein aus einer Eisenlegierung gefertigtes massives Eingussteil.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallkolbens, beispielsweise eines Magnesium- oder Aluminiumkolbens, unter Verwendung eines zuvor beschriebenen Einlegeteils, bei welchem das flüssige Leichtmetall unter einem Gießdruck von ca. 0,5-15 bar in eine Gussform eingefüllt wird und das in der Gussform angeordnete Einlegeteil infiltriert. In einer bevorzugten Ausführungsform werden untereutektische Legierungen des Aluminiums mit Silizium und/oder Kupfer verwendet. Dadurch wird eine Bildung von Si- oder Cu-Phasen vermieden, die insbes. in einer übereutektischen Al-Legierung entstehen können. Dies ist deswegen unerwünscht, weil der Sinterwerkstoff beim Infiltrieren wie ein Filter wirken kann, dessen Poren diese Phasen nicht durchlassen, so dass sie sich an dessen Oberfläche ansammeln. Die dadurch gebildete Schicht trennt das Einlegeteil von dem gegossenen Kolbenkörper und bildet eine Schwachstelle, die zu Ausschuss oder einem späteren Ausfall des Kolbens führen kann. Das Gießen des Leichtmetallkolbens kann dabei mit oder ohne Gegendruck erfolgen, wobei der Gießdruck um mindestens 0,1 bar größer sein sollte als der Gegendruck.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt das Gießen des Leichtmetallkolbens, beispielsweise des Aluminiumkolbens, unter Schutzgas, insbesondere unter Nutzung von Stickstoff oder Argon. Hierdurch kann eine Oxidation des Leichtmetalls beim Gießen verhindert werden, wobei eine derartige unerwünschte Oxidation des Leichtmetalls zum Verstopfen der Poren des Sinterwerkstoffs durch Oxide führen und dadurch eine gute Infiltration des Einlegeteils und dessen mechanische Bindung an den Kolbenkörper wie zuvor beschrieben erschweren kann. Durch die Verwendung des Schutzgases kann die Oxidation verhindert und damit die Infiltration des Einlegeteils verbessert werden.
  • Zweckmäßig wird der gegossene Kolben lösungsgeglüht bzw. überaltert. Insbesondere bei Aluminiumlegierungen kann durch das Lösungsglühen ein sogenanntes Ausscheidungshärten erfolgen, wodurch die Festigkeit des Leichtmetallkolbens gesteigert werden kann. Das Aushärten kann dabei prinzipiell in drei Stufen erfolgen, nämlich dem eigentlichen Lösungsglühen, dem Abschrecken und dem anschließenden Auslagern (warm oder kalt). Das Lösungsglühen erfolgt dabei bei Temperaturen von ca. 480° bis über 50°C, wobei eine Temperatur gewählt wird, bei welcher eine ausreichende Menge von den Legierungselementen im Mischkristall gelöst ist, so dass der Aushärtungseffekt nach dem Abschrecken und der Auslagerung eintritt. In entsprechender Weise kann auch das Überaltern einer derartigen Aluminiumlegierung erfolgen.
  • Die Gussform wird während des Gießens des Aluminiumkolbens üblicherweise entlüftet, um ein vollständiges Füllen der Gussform und einen optimierten Infiltrationsprozess des Einlegeteils erzielen zu können.

Claims (11)

  1. Verfahren zu Herstellung eines Leichtmetallkolbens, insbesondere eines Aluminiumkolbens, bei welchem
    - ein Einlegeteil unter Verwendung eines Pulvers, das aus einem zumindest Eisen oder dessen Legierungen aufweisenden Pulver besteht, wobei das Pulver Partikel unterschiedlicher Korngrößen umfasst und höchstens 4%Vol. des Pulvers aus Partikeln mit einem Durchmesser von kleiner als 75 µm bestehen, durch sintern hergestellt wird,
    - das flüssige Leichtmetall, insbesondere Aluminium, unter einem Gießdruck von 0,5 bis 15 bar in eine Gussform eingefüllt wird und das in der Gussform angeordnete Einlegeteil infiltriert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass das Gießen des Leichtmetallkolbens unter Schutzgas, insbesondere Stickstoff oder Argon, erfolgt, und/oder
    - dass das Gießen unter Gegendruck erfolgt, wobei der Gegendruck 0,1 bar kleiner ist als der Gießdruck.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der gegossene Kolben lösungsgeglüht oder überaltert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Herstellen des Einlegeteils ein Pulver verwendet wird, das einen Anteil von höchstens 10%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von 75-106µm aufweist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Herstellen des Einlegeteils ein Pulver verwendet wird, das einen Anteil von mindestens 28%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von größer als 150µm aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Herstellen des Einlegeteils ein Pulver verwendet wird, das einen Anteil von mindestens 50%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von größer als 150µm aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Herstellen des Einlegeteils ein Pulver verwendet wird, das einen Anteil von mindestens 88%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von größer als 150µm aufweist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Herstellen des Einlegeteils ein Pulver verwendet wird, das einen Anteil von mindestens 50%Vol. Partikel mit einem Durchmesser von 106-212µm aufweist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Herstellen des Einlegeteils ein Pulver verwendet wird, das einen Anteil von mindestens 50%Vol. Partikel mit einem Durchmesser größer als 212µm aufweist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Herstellen des Einlegeteils ein Pulver verwendet wird, das ferner Nickel, Kupfer oder Legierungen derselben enthält.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest einzelne Sinterpartikel mit einem Binder, insbesondere einem Harz, beschichtet werden, welcher dazu eingerichtet ist, eine zur Handhabung des Grünlings vor dem Sintern geeignete Grünstandfestigkeit herzustellen und beim Sintern zu verbrennen.
EP14744340.2A 2013-07-31 2014-07-28 Verfahren zur herstellung eines leichtmetallkolbens unter verwendung eines einlegeteils Active EP3027341B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013215020.2A DE102013215020A1 (de) 2013-07-31 2013-07-31 Infiltrierbares Einlegeteil
PCT/EP2014/066168 WO2015014787A1 (de) 2013-07-31 2014-07-28 Infiltrierbares einlegeteil

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP3027341A1 EP3027341A1 (de) 2016-06-08
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