Verfahren zur Herstellung von Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen und bezweckt, auf eine neue, vorteilhafte Weise den in den @ein- zelnen Kolbenzonen unterschiedlichen Bean spruchungen und den dort gewünschten Werkstoffeigenschaften Rechnung zu tragen.
Der Boden eines Dieselmotors kann zum Beispiel im Betrieb an der Einspritzstelle bis zu etwa 440 C erhitzt werden und -dabei Explosionsdrücke bis zu 90 at aufnehmen müssen. Diese Beanspruchungen würden zweifellos zur Zerstörung des Kolbenbodens führen, der infolge dieser Hochbeanspruchun- gen Risse erhalten und dann durchbrennen würde, wenn der Werkstoff nicht gute Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit und Deh nungsfähigkeit besitzen würde.
Demgegen über ist für die Laufflächenzone des Kolbens ein Werkstoff von grosser Verschleissfestig keit mit Rücksicht auf die ständige gleitende Reibung im Zylinder notwendig. Ausserdem sollte aber die Wärmeausdehnungsziffer .des Kolbenwerkstoffes in dieser Laufzone mög lichst klein sein, um ,durch kleine Einbau spiele ein schnelles und klapperfreies Ein laufen des Kolbens erreichen zu können.
Man versuchte, diesen unterschiedlichen Beanspruchungen durch den Bau von so genannten Zweimetallkolben zu begegnen. So sind zum Beispiel Ausführungen bekannt, bei welchen ein Leichtmetallkolben mit einer Schwermetallbodenplatte ausgestattet ist. Be kannt ist ferner, einen Ieichtmetallkolbeii- boden mit einem Stahl- oder Gusseisenmantel durch Vergiessen oder Verschrauben zusam menzufügen.
Zur reihenmässigen Herstellung und Verwendung dieser Kolbenart ist es je doch kaum gekommen. Ihre Herstellung wurde wesentlich verteuert, weil :der Schwer- metallteil des Kolbens gesondert hergestellt wenden musste. Es sind ferner besondere Ko killen nötig, um den Bodenteil mit dem Schwermetallmautel zu vergiessen, oder aber ,die mechanische Zusammenfügung erfordert erheblichen Zeitaufwand.
Schliesslich be- steht auch die Möglichkeit, dass sich der Schwermetallteil nach einer gewissen Be triebsdauer lockert, da die Festigkeit eines homogenen Stückes nicht erreicht werden kann.
Durch,die Erfindung, die ein Verfahren zur Herstellung von Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen betrifft, soll nun ein Kolben geschaffen werden, bei welchem die unterschiedlichen Beanspruchungen und not wendigen Eigenschaften Ader einzelnen Kol benzonen berücksichtigt werden, ohne dass dabei .die oben angegebenen Nachteile der seither bekannten Ausführungen auftreten.
Erfindungsgemäss sollen zur Herstellung -des erfindungsgemässen Kolbens mindestens zwei Leichtmetallegierungen von unterschiedlicher Beschaffenheit in einem zwischen Schmelze und Dickflüssigkeit liegenden Zustand unter Bildung einer Zwischenlegierung in der Grenzzone zusammengefügt werden. Als Grenzzone werden dabei :diejenigen Zonen des Kolbens bezeichnet, wo zwei Legierungen zu sammenstossen.
Auf diese Weise erhält man einen homogenen Körper mit in bestimmten Zonen unterschiedlichen Werkstoffeigen schaften.
Die Erfindung bietet :die Möglichkeit, bis her bewährte Kolbenausführungen aller Art, zum Beispiel Kolben mit Einsatzstreifen zur Regelung der Wärmedehnung, sowie alle Kolbenbauformen beizuhalten, die sich bisher als zweckmässig erwiesen haben.
Unter Be- rücksichtigung der spezifischen Gewichte und der Erstarrungstemperaturen :der ein zelnen Legierungen kann man die Zwischen legierungszone .der einzelnen Schichten fest legen, indem man die zeitliche Folge der ein- zelnen Giessvorgänge entsprechend bemisst und gegebenenfalls die Art des Giessvorgan ges verändert.
So können zum Beispiel beim Giessverfahren die einzelnen flüssigen Legie rungen drucklos oder unter Pressdruck am gleichen Anguss oder getrennt zugeführt wer den. Bei mehreren Angossen können diese in verschiedener Höhenlage angeordnet sein, und je nach den vorliegenden Verhältnissen kann die Ebene der Bodenfläche oder die des Schaftrandes des Kolbens mit der Kokillen grundfläche zusammenfallen.
Man könnte auf die erfindungsgemässe Weise ein aus mehreren Leichtmetallegierungen bestehendes Formstück bilden, das dann im Prel3verfah- ren zu einem Kolbenrohling gepresst werden könnte.
Die Zeichnung zeigt nach dem erfin dungsgemässen Verfahren hergestellte Kolben und anhand dieser Figuren wird das Verfah ren im nachfolgenden beispielsweise erläutert, Fig. 1 zeigt den Längsschnitt eines Kol bens, der aus zwei Legierangsschichten mit im wesentlichen eben verlaufender Grenz zone besteht, während Fig. 2 den Längsschnitt eines Kolbens zeigt, bei welchem eine mehrfache Schich tung verschiedener Legierungen durchgeführt ist und die Grenzzonen kurvenförmig ver laufen.
Benutzt wird zur Herstellung des Kol bens gemäss Fig. 1 eine Giesseinrichtung, bei welcher ein Teil der Kokillenwandung wäh rend des Giessvorganges verschiebbar ist:
Nun wird der verschiebbare Teil .der Kokillen- w andung, der dort in die Kokille eingefügt ist, wo man eine der Leichtmetallegierungen später innerhalb,des Kolbenkörpers angeord net wissen will, nach aussen geschoben und der so entstehende Raum mit der ersten Le gierung 1, zum Beispiel einer Aluminium Kupfer-Legierung von<B>700'</B> C angefüllt. Diese Legierung besitzt bekanntlich eine gute Wärmeleitfähigkeit, sowie gute Festigkeits und Dehnungseigenschaften.
Alsdann wird der verschiebbare Teil der Kokillenwandung wieder einwärts bewegt, während inzwischen die aufgegebene Schmelze in einen zwischen Schmelze und Dickflüssigkeit liegenden Zu stand übergegangen ist, während ihre Tem peratur auf etwa<B>500'</B> C gesunken ist. In diesem Augenblick wird nun die zweite Leichtmetallegierung 2 (zum Beispiel eine Al-Si-Legierung) ebenfalls in einem zwischen Schmelze und Dickflüssigkeit liegenden Zu stand hinzugefügt. Diese Legierung be sitzt vorzugsweise eine geringe Wärmeaus dehnungsziffer und .einen guten Verschleiss- wert.
Man kann sich denken, dass dort, wo diese zuletzt vergossene Legierung auf die erste Legierung auftrifft, ein inniges Ver schmelzen und Verschweissen beider Legie rungen erfolgt. Es bildet sich an der Stelle, wo die Legierungen 1, 2 zusammenstossen -diese .Stelle wird als Grenzzone '3' (h\ig. 1) bezeichnet - eine Zwischenlegierung, die ein Mittelding zwischen :den vergossenen Leicht metallegierungen unterschiedlicher Beschaf fenheit darstellt und somit hinsichtlich ihrer Eigenschaften eine Angleichung nach beiden Richtungen ergibt.
In der Grenzzone sind bei Verwendung der erwähnten Ausgangslegierungen von der Siliziumlegierung kleinere Siliziumkristalle und von der kupferhaltigen Legierung Kup- feraluminid hineingeschwemmt worden.
Der Kolben nach Fig. 2 setzt sich aus mehreren Legierungsschichten 4, 5 und 6 zu sammen. Dabei können die Legierungen 4 und 6 gleiche Beschaffenheit haben. Bei dem gezeichneten Beispiel verlaufen die Grenz zonen bezw. die Zwischenlegierungsschiehten 7 und 8 kurvenförmig. Zuerst wird hier die Legierung 4 vergossen.
Wenn sich die Le- gier-ring in einem zwischen Schmelze und Dickflüssigkeit liegenden Zustand befindet, wird die Legierung 5, die eine andere Be schaffenheit aufweist als die Legierung 4 in einem zwischen Schmelze und Dickflüssig keit liegenden Zustand beigefügt. In eben solchem Zustand wird die Legierung 6 bei gefügt.
Process for the production of light metal pistons for internal combustion engines. The invention relates to a method for producing light metal pistons for internal combustion engines and aims to take into account the different stresses in the individual piston zones and the material properties desired there in a new, advantageous manner.
The bottom of a diesel engine can, for example, be heated up to about 440 C at the injection point during operation and explosion pressures of up to 90 atm must be absorbed. These stresses would undoubtedly lead to the destruction of the piston crown, which would crack as a result of these high stresses and then burn through if the material did not have good thermal conductivity, strength and elasticity.
In contrast, a material of high wear resistance is necessary for the running surface zone of the piston, taking into account the constant sliding friction in the cylinder. In addition, however, the coefficient of thermal expansion of the piston material in this running zone should be as small as possible in order to be able to achieve a quick and rattle-free insertion of the piston through small installation games.
Attempts were made to counteract these different stresses by building so-called two-metal pistons. For example, designs are known in which a light metal piston is equipped with a heavy metal base plate. It is also known to add a light metal piston base with a steel or cast iron jacket by casting or screwing.
Serial production and use of this type of piston has hardly ever come about. Their production became significantly more expensive because: The heavy metal part of the piston had to be manufactured separately. There are also special Ko killen necessary to cast the bottom part with the heavy metal toll, or the mechanical assembly requires a considerable amount of time.
Finally, there is also the possibility that the heavy metal part will loosen after a certain period of operation, since the strength of a homogeneous piece cannot be achieved.
Through the invention, which relates to a method for producing light metal pistons for internal combustion engines, a piston is now to be created in which the different stresses and necessary properties of the individual piston zones are taken into account, without the above-mentioned disadvantages of the previously known Executions occur.
According to the invention, for the production of the piston according to the invention, at least two light metal alloys of different properties should be joined together in a state lying between the melt and the thick liquid, forming an intermediate alloy in the boundary zone. Boundary zones are: those zones of the piston where two alloys collide.
In this way, you get a homogeneous body with different material properties in certain zones.
The invention offers: the possibility of maintaining all types of piston designs that have been tried and tested up to now, for example pistons with insert strips for regulating the thermal expansion, as well as all piston designs that have so far proven to be useful.
Taking into account the specific weights and solidification temperatures of the individual alloys, the intermediate alloy zone of the individual layers can be determined by measuring the time sequence of the individual casting processes accordingly and changing the type of casting process if necessary.
In the casting process, for example, the individual liquid alloys can be fed in without pressure or under pressure at the same sprue or separately. In the case of several gates, these can be arranged at different heights, and depending on the prevailing conditions, the plane of the bottom surface or that of the skirt edge of the piston can coincide with the mold base surface.
In the manner according to the invention, one could form a molded piece consisting of several light metal alloys, which could then be pressed into a piston blank using the compression method.
The drawing shows pistons produced according to the method in accordance with the invention, and with the aid of these figures, the process is explained in the following, for example, FIG. 1 shows the longitudinal section of a piston consisting of two alloy layers with an essentially flat boundary zone, while FIG shows the longitudinal section of a piston in which a multiple layering of different alloys is carried out and the boundary zones are curved ver.
For the production of the Kol ben according to FIG. 1, a casting device is used in which part of the mold wall can be displaced during the casting process:
Now the movable part of the mold wall, which is inserted into the mold where one of the light metal alloys will later be located within the piston body, is pushed outwards and the space thus created is filled with the first alloy 1, for example an aluminum-copper alloy of <B> 700 '</B> C. This alloy is known to have good thermal conductivity and good strength and elongation properties.
Then the displaceable part of the mold wall is moved inwards again, while the melted melt has meanwhile passed into a state between the melt and the thick liquid, while its temperature has dropped to about 500 ° C. At this moment the second light metal alloy 2 (for example an Al-Si alloy) is also added in a position between the melt and the thick liquid. This alloy preferably has a low coefficient of thermal expansion and a good wear value.
One can imagine that where this last alloy encounters the first alloy, there is an intimate fusion and welding of both alloys. It forms at the point where the alloys 1, 2 collide - this point is referred to as the border zone '3' (often 1) - an intermediate alloy that represents a middle thing between: the cast light metal alloys of different properties and thus, with regard to their properties, an alignment in both directions results.
When the starting alloys mentioned were used, smaller silicon crystals from the silicon alloy and copper aluminide from the copper-containing alloy were washed into the boundary zone.
The piston according to FIG. 2 is composed of several alloy layers 4, 5 and 6 together. Alloys 4 and 6 can have the same properties. In the example shown, the border zones run respectively. the intermediate alloy layers 7 and 8 are curved. Alloy 4 is cast here first.
If the alloy ring is in a state between the melt and the thick liquid, the alloy 5, which has a different nature than the alloy 4 in a state between the melt and the thick liquid, is added. Alloy 6 is added in just such a state.