EP1464821A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Herstellung eines Kolbens - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a piston for a Internal combustion engine and a method for its production.
- thermomechanical Fatigue and especially the one caused by it Fatigue cracks due to a local increase in strength counteract.
- particularly heat-resistant materials on the pistons, especially in its particularly stressed areas, applied are known in the prior art to be thermomechanical Fatigue and especially the one caused by it Fatigue cracks due to a local increase in strength counteract.
- EP 0 393 922 B1 discloses one Aluminum pistons for internal combustion engines, in which a reinforced section in the area of the combustion chamber trough an aluminum alloy wire reinforced with ceramic fibers is formed. In other words, it becomes a composite provided, in which the extremely hard and strong fibers in an aluminum matrix can be embedded.
- the Composite is extremely stiff and strong.
- DE-A-1 122 325 discloses a light metal piston for Internal combustion engines with pure aluminum reinforcement.
- DE 718 437 describes a piston with a Pure aluminum coating, which only a few Can be hundreds of a millimeter thick.
- the invention has for its object to a piston create, especially with regard to the Resistance to thermomechanical fatigue is improved. Furthermore, a method for its Manufacturing will be suggested.
- the piston according to the invention has at least in areas with a coating of ductile material a thickness of 200 ⁇ m or less.
- This measure is in place insofar as diametrically opposed to the approaches pursued so far, as the first time a ductile, that is to say plastically deformable Material for coating the highly stressed areas of a Piston is used.
- the invention is based on the Recognition that cracks in piston alloys microplastic processes due to different local Properties of the different phases of the material occur. These different properties contribute Heating and cooling processes to internal tensions. Further plastic deformation can occur. These events are on cracks appear on the surfaces. in the Within the scope of the invention it was also recognized that education these cracks due to a higher strength of the material, so also by coating with heat-resistant materials, only can be difficult to a small extent.
- the coating applied according to the invention ductile material can, as more precisely below explained, applied firmly. Furthermore, this points Coating to a thickness of 200 microns or less. For one such thickness has been found to be the desired Properties are achievable. There is also a coating made of ductile material with the specified thickness economically producible. Is particularly preferred in in this connection, a thickness of 50 ⁇ m or less. To that Pistons according to the invention should also be mentioned that it in particular a highly loaded diesel piston can act. Basically, the one with the Coating provided according to the invention both from Steel as well as an aluminum alloy. Especially an aluminum cast alloy is preferred.
- the edge of a combustion chamber trough is preferred. This is particularly extensive due to temperature changes affected and can be particularly effective through the coating according to the invention are protected.
- a cast aluminum alloy became a highly loaded one Diesel pistons with a combustion chamber trough in the area of the Piston plate manufactured.
- a particularly stressed edge area of the trough Coating made of ductile material with a thickness of up to 50 ⁇ m trained.
- the coating consisted of technical pure aluminum and has been galvanically deposited.
- the Ring groove was covered here. That way one could Pistons are manufactured for which confirmed by tests could be that resilience to thermomechanical fatigue was significantly improved.
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Abstract
Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor weist zumindest bereichsweise eine Beschichtung aus duktilem Material mit einer Dichte von 200 µm oder weniger auf. Im Rahmen eines Verfahrens der Herstellung eines Kolbens wird dieser mit einem duktilen Material mit einer Dicke von 200 µm oder weniger beschichtet.
Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen
Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Kolben von Verbrennungsmotoren sind während des Betriebs
fortlaufend Veränderungen der Betriebsbedingungen,
insbesondere der Temperaturen, unterworfen. Sowohl
Veränderungen im Hinblick auf den Lastfall, als auch Start- und
Abschaltvorgänge führen zu erheblichen Veränderungen der
Temperaturverteilung in dem Kolben. Hierdurch verändern sich
auch die jeweiligen lokalen Temperaturen äußerst umfangreich
und führen sowohl makroskopisch als auch mikroskopisch zu
inneren Spannungen. Diese können zu plastischen Verformungen
und im Extremfall zu einem Versagen des Kolbens führen.
Insbesondere an Stellen, an denen der Kolben hohen
Temperaturen ausgesetzt ist, muss eine besonders gute
Beständigkeit des Kolbens gegen derartige thermomechanische
Ermüdung gegeben sein.
Im Stand der Technik ist es bekannt, thermomechanische
Ermüdung und insbesondere den dadurch hervorgerufenen
Ermüdungsrissen durch eine lokale Erhöhung der Festigkeit
entgegenzuwirken. Mit anderen Worten wurde bislang
vorgeschlagen, besonders warmfeste Werkstoffe auf den Kolben,
insbesondere in dessen besonders beanspruchten Bereichen,
aufzubringen.
Beispielsweise offenbart die EP 0 393 922 B1 einen
Aluminiumkolben für Brennkraftmaschinen, bei dem ein
verstärkter Abschnitt im Bereich der Brennraummulde durch
einen mit Keramikfasern verstärkten Aluminiumlegierungsdraht
gebildet wird. Mit anderen Worten wird ein Verbundwerkstoff
vorgesehen, bei dem die extrem harten und festen Fasern in
eine Aluminium-Matrix eingebettet werden. Der
Verbundwerkstoff ist äußerst steif und fest.
Dies gilt ebenso für die Beschichtung, die in der DE
29 21 952 A1 vorgeschlagen wird. Demzufolge sind verschiedene
Arten von harten und verschleißarmen Schichten auf die
besonders belasteten Bereiche aufzubringen.
In der DE 198 13 430 A1 ist ein Verbundgusskolben mit einem
Armierungsteil beschrieben, das mittels Hydro-Umformung
hergestellt wird. Im Rahmen des Gießvorganges wird dieses
vorgefertigte Armierungsteil mit dem eingegossenen
Kolbenwerkstoff kombiniert.
Die DE-A-1 122 325 offenbart einen Leichtmetallkolben für
Verbrennungsmotoren mit einer Bewehrung aus Reinaluminium.
Schließlich geht aus der DE 718 437 ein Kolben mit einem
Überzug aus Reinaluminium hervor, der lediglich wenige
Hunderstelmillimeter dick sein kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben zu
schaffen, der insbesondere im Hinblick auf die
Widerstandsfähigkeit gegen thermomechanische Ermüdung
verbessert ist. Ferner soll ein Verfahren zu dessen
Herstellung vorgeschlagen werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch den im
Anspruch 1 beschriebenen Kolben.
Demzufolge weist der erfindungsgemäße Kolben zumindest
bereichsweise eine Beschichtung aus duktilem Material mit
einer Dicke von 200 µm oder weniger auf. Diese Maßnahme steht
insofern diametral den bisher verfolgten Ansätzen gegenüber,
als erstmalig ein duktiles, also gut plastisch verformbares
Material zur Beschichtung der hochbelasteten Bereiche eines
Kolbens eingesetzt wird. Die Erfindung beruht auf der
Erkenntnis, dass Risse in Kolbenlegierungen durch
mikroplastische Vorgänge aufgrund unterschiedlicher lokaler
Eigenschaften der verschiedenen Phasen des Werkstoffs
auftreten. Diese unterschiedlichen Eigenschaften führen bei
Aufheiz- und Abkühlvorgängen zu inneren Spannungen. Ferner
kann plastische Verformung auftreten. Diese Vorgänge haben an
den Oberflächen die Entstehung von Rissen zur Folge. Im
Rahmen der Erfindung wurde ferner erkannt, dass die Bildung
dieser Risse durch eine höhere Festigkeit des Materials, also
auch durch die Beschichtung mit warmfesten Materialien, nur
in geringem Umfang erschwert werden kann.
Demgegenüber wurde im Rahmen der Erfindung herausgefunden,
dass es die Eigenschaften des Kolbens erheblich verbessert,
wenn die Duktilität des Materials erhöht wird. Hierunter wird
die Fähigkeit des Materials zu plastischer Verformung ohne
Rissbildung verstanden. Im Gegensatz zu den bisher
verwendeten harten Schichten wird im Rahmen der Erfindung
folglich die Verwendung weicher, duktiler Schichten
vorgeschlagen. Diese Schichten sind geeignet, an den inneren
Spannungen des Kolbenwerkstoffs und an der unter Umständen
auftretenden Plastizität "teilzunehmen", ohne dass die Gefahr
einer Rissbildung besteht. Hierdurch kann, wie Versuche
zeigen, der Widerstand des Kolbens gegen thermische Ermüdung
erheblich verbessert werden, und die Wahrscheinlichkeit von
Rissbildung umfangreich verringert werden.
Die gemäß der Erfindung aufgebrachte Beschichtung aus
duktilem Material kann, wie nachfolgend noch genauer
erläutert, festhaftend aufgebracht werden. Ferner weist diese
Beschichtung eine Dicke von 200 µm oder weniger auf. Für eine
derartige Dicke hat sich herausgestellt, dass die gewünschten
Eigenschaften erreichbar sind. Ferner ist eine Beschichtung
aus duktilem Material mit der angegebenen Dicke
wirtschaftlich herstellbar. Besonders bevorzugt wird in
diesem Zusammenhang eine Dicke von 50 µm oder weniger. Zu dem
erfindungsgemäßen Kolben sei noch erwähnt, dass es sich
hierbei insbesondere um einen hochbelasteten Dieselkolben
handeln kann. Grundsätzlich kann der mit der
erfindungsgemäßen Beschichtung versehene Kolben sowohl aus
Stahl als auch aus einer Aluminiumlegierung sein. Besonders
bevorzugt wird eine Aluminium-Guss-Legierung.
Bevorzugte Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Kolbens
sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass eine Beschichtung
aus technisch reinem Aluminium zu besonders günstigen
Eigenschaften des damit beschichteten Kolbens führt.
Technisch reines Aluminium eignet sich deshalb besonders gut
als das Beschichtungsmaterial, weil es zum einen duktiler als
der Kolbenwerkstoff, beispielsweise eine Aluminiumlegierung
oder Stahl, ist, und somit das oben beschriebene Prinzip der
Erfindung realisiert. Im übrigen weist es jedoch ähnliche
mechanische und physikalische Eigenschaften wie der
Kolbenwerkstoff auf, was für den damit beschichteten Kolben
zu besonders vorteilhaften Eigenschaften führt.
Als bevorzugtes Herstellungsverfahren hat sich ein
galvanisches Abscheiden herausgestellt. Dieses Verfahren
führt in vorteilhafter Weise zu sehr gleichmäßigen und gut
haftenden Schichten mit der oben angegebenen Dicke.
Im Hinblick auf die Bereiche des Kolbens, die mit der
erfindungsgemäßen Beschichtung versehen sind, wird
insbesondere der Rand einer Brennraummulde bevorzugt. Dieser
ist besonders umfangreich durch Temperaturveränderungen
betroffen und kann besonders wirksam durch die
erfindungsgemäße Beschichtung geschützt werden.
Die Lösung der oben angegebenen Aufgabe erfolgt zum anderen
durch das im Anspruch 5 beschriebene Verfahren zur
Herstellung eines Kolbens, bei dem ein Kolben mit duktilem
Material mit einer Dicke von 200 µm oder weniger beschichtet
wird. Hierdurch ist ein Kolben mit den vorangehend
beschriebenen, im Hinblick auf die Temperaturbeständigkeit
günstigen Eigenschaften, herstellbar. Ferner kann das
Verfahren wirtschaftlich realisiert werden.
Bevorzugte Verfahrensschritte bestehen entsprechend den oben
angegebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens
darin, die Beschichtung aus technisch reinem Aluminium
auszubilden, und/oder diese galvanisch abzuscheiden und/oder
den Rand einer Brennraummulde zu beschichten. Im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sei ferner erwähnt, dass
in vorteilhafter Weise Bereiche, in denen die Beschichtung
nicht erwünscht ist, durch einfache Maskentechniken abgedeckt
werden können. Hierbei handelt es sich beispielsweise um die
Ringnuten eines Kolbens.
Aus einer Aluminium-Guss-Legierung wurde ein hochbelasteter
Dieselkolben mit einer Brennraummulde im Bereich des
Kolbenbodens hergestellt. In dem besonders kritischen,
besonders beanspruchten Randbereich der Mulde wurde eine
Beschichtung aus duktilem Material mit einer Dicke von bis zu
50 µm ausgebildet. Die Beschichtung bestand aus technisch
reinem Aluminium und wurde galvanisch abgeschieden. Die
Ringnut wurde hierbei abgedeckt. Auf diese Weise konnte ein
Kolben hergestellt werden, für den durch Versuche bestätigt
werden konnte, dass die Widerstandsfähigkeit gegen
thermomechanische Ermüdung erheblich verbessert war.
Claims (9)
- Kolben für einen Verbrennungsmotor, der zumindest bereichsweise eine Beschichtung aus duktilem Material mit einer Dicke von 200 µm oder weniger aufweist.
- Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus technisch reinem Aluminium besteht.
- Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung galvanisch abgeschieden wird.
- Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben eine Brennraummulde aufweist, deren Rand beschichtet ist.
- Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem der Kolben mit einem duktilen Material mit einer Dicke von 200 µm oder weniger beschichtet wird.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben durch technisch reines Aluminium beschichtet wird.
- Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch galvanisches Abscheiden ausgebildet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand einer Brennraummulde beschichtet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben beim Beschichten teilweise, insbesondere durch Maskentechniken, abgedeckt wird.
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