WO2012140219A1 - Kolben für brennkraftmaschine, bestehend aus einer aluminium-legierung mit reduziertem magnesiumgehalt - Google Patents

Kolben für brennkraftmaschine, bestehend aus einer aluminium-legierung mit reduziertem magnesiumgehalt Download PDF

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    • F02F3/0084—Pistons  the pistons being constructed from specific materials
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    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/06—Casting

Definitions

  • Piston for internal combustion engine consisting of an aluminum alloy with a reduced magnesium content
  • the invention relates to a method for producing a piston of an internal combustion engine by casting a piston blank of an aluminum-silicon alloy with a low spinel content.
  • Pistons for modern internal combustion engines will increasingly be made of light metal materials, in particular of aluminum-silicon alloys. These alloys are characterized by high strength and can also be processed in the complex designs of modern pistons.
  • the aluminum-silicon alloy is poured into a corresponding casting mold as casting melt and removed after solidification as a piston blank.
  • the piston blank is then finish machined e.g. by turning or milling.
  • the piston blank is made to measure and other elements (such as annular grooves, pin bores, inlet and outlet openings for a cooling channel in the piston) are introduced.
  • the alloys used for light metal pistons contain magnesium, silicon, copper, beryllium and / or vanadium in addition to aluminum to improve the strength during operation in the cylinder of the internal combustion engine. This can lead to contamination under the oxidative conditions of the casting process.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for producing a piston made of an aluminum-silicon alloy, in which the formation of impurities which reduce the strength of the finished piston, is avoided.
  • the starting point is a method of manufacturing a piston for an internal combustion engine by casting a piston blank of an aluminum alloy containing aluminum (Al), magnesium (Mg), and silicon (Si).
  • the aluminum alloy has an inclusion concentration of MgAl 2 O 4 (spinel) of less than 0.5 mm 2 / kg.
  • aluminum alloys for pistons typically contain beryllium and / or vanadium to reduce oxide formation. It has been found that, due to the substantial absence of magnesium, it is not necessary to add beryllium and / or vanadium.
  • the aluminum alloy used according to the invention therefore preferably contains no magnesium oxide (MgO), no beryllium (Be) and / or no vanadium (V) .d.h. each with a content of 0 ppm.
  • the aluminum alloy phosphorus (P) is added so that the aluminum alloy contains phosphorus (P) in a concentration of 40 to 80 ppm.
  • the aluminum alloy may contain proportions of titanium (Ti), zirconium (Zr), chromium (Cr) and boron (B).
  • Another object of the invention are pistons for internal combustion engines, prepared by the method described above or the preferred variants.
  • the piston according to the invention has a piston upper part with a ring field and optionally a combustion bowl and optionally a cooling channel and a lower part with Kolben2020ften and bolt holes.
  • the piston may have in its upper part a cooling channel at least one inlet opening and at least one outlet opening for a cooling medium, it being possible for a cooling medium, in particular engine oil, to circulate through the cooling channel.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine durch Gießen eines Kolbenrohlings aus einer Aluminium- Legierung enthaltend Aluminimum (AI), Magnesium (Mg), und Silizium (Si), wobei die Aluminium-Legierung eine Einschluß-Konzentration von MgAI204 (Spinell) von weniger als 0,5 mm2/kg aufweist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Kolben für Brennkraftmaschine, bestehend aus einer Aluminium-Legierung mit reduziertem Magnesiumgehalt
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine durch Gießen eines Kolbenrohling aus einer Aluminiumsilizium- Legierung mit einem geringen Anteil an Spinell.
Kolben für moderne Brennkraftmaschinen werde in zunehmenden Maße aus Leichtmetallwerkstoffen, insbesondere aus Aluminiumsilizium-Legierungen hergestellt. Diese Legierungen zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit aus und können auch in den komplexen Bauformen von modernen Kolben verarbeitet werden.
Zur Herstellung solcher Kolben wird die Aluminiumsilizium-Legierung als Gießschmelze in eine entsprechende Gießform gegeben und nach Erstarren als Kolbenrohling entnommen. Der Kolbenrohling wird anschließend spanabhebend fertig bearbeitet z.B. durch Drehen oder Fräsen. Hiermit wird der Kolbenrohling auf Maß gefertigt und andere Elemente (wie z.B. Ringnuten, Bolzenbohrungen, Zulauf- und Ablauföffnungen für einen Kühlkanal im Kolben) eingebracht.
Die für Leichtmetallkolben verwendeten Legierungen enthalten zur Verbesserung der Festigkeit während des Betriebes im Zylinder der Brennkraftmaschine neben Aluminium Magnesium, Silizium, Kupfer, Berylium und/oder Vanadium. Dies kann unter den oxidativen Bedingungen des Giesprozesses zu Verunreinigungen führen. Die Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens aus einer Aluminiumsilizium-Legierung bereit zu stellen, bei dem die Entstehung von Verunreinigungen, welche die Festigkeit des fertigen Kolbens reduzieren, vermieden wird.
Ausgangspunkt ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine durch Gießen eines Kolbenrohlings aus einer Aluminium- Legierung, enthaltend Aluminimum (AI), Magnesium (Mg), und Silizium (Si).
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Aluminium-Legierung eine Einschluß- Konzentration von MgAI2O4 (Spinell) von weniger als 0,5 mm2/kg aufweist.
Üblicherweise enthalten Aluminium-Legierungen für Kolben Beryllium und/oder Vanadium zur Reduzierung der Oxidbildung. Es stellte sich heraus, dass durch die weitgehende Abwesenheit von Magnesium es nicht erforderlich ist, Beryllium und/oder Vanadium zuzugeben. Bevorzugt enthält die erfindungsgemäß verwendete Aluminium-Legierung daher kein Magnesiumoxid (MgO), kein Beryllium (Be) und/oder kein Vanadium (V) .d.h. jeweils mit einem Anteil von 0 ppm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Aluminium-Legierung Phosphor (P) zugegeben, sodass die Aluminium-Legierung Phosphor (P) in einer Konzentration von 40 bis 80 ppm enthält. Hierdurch bildet sich Aluminiumphosphit (AIP), bevorzugt sodass die Aluminium-Legierung eine Einschluß-Konzentration von Aluminiumphosphit (AIP) von weniger als 6,0 mm2/kg aufweist.
Es ist ebenfalls möglich, der Aluminium-Legierung Kupfer (Cu) zuzugeben, sodass die Aluminium-Legierung Kupfer (Cu) in einer Konzentration von maximal 5,5 Gew% enthält.
Auch diese Zugabe von Titan und Bor verbessert den Kornfeinungseffekt (d.h. durch Substanzeintrag wird die Zahl der Keime in der Gießschmelze erhöht) und reduziert darüber hinaus die Fiederkristallbildung (Fiederkristalle: frei schwebende und losgelöst von der Erstarrungsfront erstarrende Körner) im Materialgefüge des gegossenen Kolbenrohlings, was ansonsten zu Materialschwächung führt. Weiterhin kann die Aluminium-Legierung Anteile von Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Chrom (Cr) und Bor (B) enthalten.
Die Summe aller Bestandteile (einschließlich möglicher Verunreinigungen) beträgt 100 %.
Weiterer Gegenstand der Erfindung sind Kolben für Brennkraftmaschinen, hergestellt nach dem oben beschrieben Verfahren oder den bevorzugen Varianten.
Insbesondere weist der erfindungsgemäße Kolben ein Kolbenoberteil mit einem Ringfeld und gegebenenfalls einer Brennraummulde und gegebenenfalls einem Kühlkanal sowie ein Unterteil mit Kolbenschäften und Bolzenbohrungen auf. Optional kann der Kolben in seinem Oberteil einen Kühlkanal zumindest eine Zulauföffnung und zumindest eine Ablauföffnung für ein Kühlmedium aufweisen, wobei durch den Kühlkanal ein Kühlmedium, insbesondere Motoröl zirkulieren kann.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1 . Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine durch Gießen eines Kolbenrohlings aus einer Aluminium-Legierung enthaltend Aluminimum (AI), Magnesium (Mg), und Silizium (Si) dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Legierung eine Einschluß-Konzentration von MgAI204 (Spinell) von weniger als 0,5 mm2/kg aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium- Legierung kein Magnesiumoxid (MgO) enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Aluminium-Legierung Phosphor (P) in einer Konzentration von 40 bis 80 ppm enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Legierung Kupfer (Cu) in einer Konzentration von bitte angeben ppm enthält.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Legierung kein Beryllium (Be) enthält.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Legierung kein Vanadium (V) enthält.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Legierung eine Einschluß-Konzentration von Aluminiumphosphit (AIP) von weniger als 6,0 mm2/kg aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Legierung Anteile von Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Chrom (Cr) und Bor (B) enthält.
9. Kolben einer Brennkraftmaschine, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben ein Kolbenoberteil mit einem Ringfeld und gegebenenfalls einer Brennraummulde und gegebenenfalls einem Kühlkanal sowie ein Unterteil mit Kolbenschäften und Bolzenbohrungen aufweist.
1 1 . Kolben nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben in seinem Oberteil einen Kühlkanal mit zumindest einer Zulauföffnung und zumindest einer Ablauföffnung für ein Kühlmedium aufweist, wobei durch den Kühlkanal ein Kühlmedium, insbesondere Motoröl zirkulieren kann.
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