DE19518552C2

DE19518552C2 - Kolben für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE19518552C2
Application number: DE1995118552
Authority: DE
Inventors: Masato Sasaki
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1994-05-20
Filing date: 1995-05-19
Publication date: 1999-03-11
Anticipated expiration: 2015-05-20
Also published as: JP3280516B2; GB2290598B; JPH07310588A; DE19518552A1; GB9510270D0; GB2290598A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für Verbrennungsmotoren für Motorfahr zeuge und dergleichen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Kolben.

In den letzten Jahren werden die Kolben für Verbrennungsmotoren für Motorfahrzeuge aus einer Aluminiumlegierung anstelle von Gußeisen hergestellt, um so im Hinblick auf die ho hen Leistungs- und Wirtschaftlichkeitsanforderungen eine Gewichtsverminderung zu erzie len. Nuten (Rillen) für die Aufnahrne von Kolbenringen sind auf der äußeren Umfangsfläche des Kolbens vorgesehen, die der Innenwand der Zylinderbohrung gegenüberliegt. Eine obe re Ringnut, diejenige der Kolbenringnuten, die der Verbrennungskammer am nächsten liegt, unterliegt einem starken Verschleiß durch einen Kolbenring (oberen Ring), da sie einer ho hen Temperatur und insbesondere direkt dem Verbrennungsdruck ausgesetzt ist. Es be steht daher die Gefahr, daß eine Aluminiummikroverschweißung zwischen der oberen Ringnut und dem oberen Ring auftritt.

Es wurden bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um eine solche Aluminiummi kroverschweißung zu verhindern:

1. eine Verstärkung der Oberfläche der oberen Ringnut durch Einmischen eines anorgani schen Faseraggregats (vgl. JP 59-201953 A);
2. der Auftrag von Hybrid-MMC (Metallmatrix-Verbundwerkstoffen) unter Anwendung ei nes in-situ-Verfahrens auf die Kolben (vgl. "Automotive Technique", Nr. 891 056, publi ziert im Mai 1989 von der Automotive Technique Society);
3. eine Verstärkung der Oberfläche der oberen Ringnut durch Einmischen von porösem Nickelmaterial (vgl. JP 3-30708 B2);
4. eine Verstärkung der Oberfläche der oberen Ringnut mittels einer Alumilite-Schicht (vgl. JP 1-190 951 A);
5. die Ausbildung einer Kupferlegierungsschicht durch Elektronenstrahlschmelzbehand lung auf der Oberfläche der Kolbenringnut (vgl. "Technical Revue" Nr. I, publiziert 1988 von Mitsubishi Motor Co., Ltd.);
6. die Ausbildung eines Ringträgerabschnittes in der oberen Ringnut durch Gießen einer Aluminiumlegierung um Ni-Resist-Gußeisen herum im Alfin-behandelten Zustand und
7. die Verwendung eines Elements aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung mit niedri gem Siliciumgehalt im Alumilite behandelten Zustand auf der Oberfläche der oberen Ringnut (vgl. JP 1-190 951 A).

Der obengenannte Stand der Technik bringt jedoch die folgenden Nachteile mit sich:

Bei dem Stand der Technik gemäß (1) bis (3) muß im Hinblick auf die aufgebrachten Mate rialien, wie anorganischen Fasern und dergleichen, im Hinblick auf das Herstellungsverfah ren ein Hochdruck-Verfestigungs-Verfahren angewendet werden. Dies führt zu einem An stieg der Herstellungskosten und zu einer Beschränkung der Form des Kolbens.

Der Stand der Technik gemäß (4) bringt zwar eine Verbesserung in bezug auf die Bestän digkeit gegen Mikroverschweißung mit dem Kolbenring mit sich als Folge der Anwesenheit der Alumilite-Schicht, dadurch wird jedoch keine ausreichende Verschleißfestigkeit erzielt. Dagegen versagt der Stand der Technik gemäß (5) in bezug auf die Erzielung einer ausrei chenden Beständigkeit gegen Mikroverschweißung.

Bei dem bekannten Verfahren gemäß (6), das seit langem angewendet wird, wird zwar eine gute Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Mikroverschweißung gewährleistet, eine Gewichtszunahme als Folge der Herstellung aus Gußeisen kann jedoch nicht vermieden werden. Bei dem Stand der Technik gemäß (7) wird keine ausreichende Verschleißfestig keit und Beständigkeit gegen Mikroverschweißung erzielt als Folge der Verwendung eines Elements aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung.

Aus der DE 33 39 867 A1 ist ein Aluminium-Kolben bekannt, bei dem gleichzeitig mit einer siliciumhaltigen Aluminiumlegierung wenigstens ein weiterer Zusatzwerkstoff unter Bildung einer Hartlegierung in eine vorgestochene Nut aufgetragen wird.

Aus der DE 44 02 090 A1, der die JP 5-10380 A vom 26. Januar 1993 zugrundeliegt, ist ein Kolben bekannt, der einen Ringträger aus einer siliciumhaltigen Aluminiumlegierung besitzt.

Aus der DE 40 10 474 A1 ist ein Aluminium-Kolben bekannt, dessen Ringträger aus kaltge preßten Spänen aus austenitischem Gußeisen besteht.

Nachteil dieser bekannten Alu-Kolben ist die zu geringe Verschleißfestigkeit.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Kolben für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, die eine ausreichende Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Mikro verschweißung aufweisen, ohne daß das Gewicht und die Herstellungskosten zunehmen.

Diese Aufgabe wird vorrichtungsmäßig durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und verfah rensmäßig durch den Gegenstand des Anspruchs 6 gelöst. Ausführungsformen und Ver besserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen nä her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine fragmentarische vergrößerte Schnittansicht einer oberen Ringnut eines Kol bens gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 den Kolben im Längsschnitt;

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, die einen verschleißfesten Ringträger mit einer Alumilite-Schicht für die obere Ringnut zeigt;

Fig. 4 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, welche die Metallformen für den verschleißfesten Ringträger zeigt;

Fig. 5 eine schematische Zeichnung, welche die Prüfung auf Verschleißfestigkeit erläu tert;

Fig. 6 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 5, welche die Prüfung auf Beständigkeit gegen Mi kroverschweißung erläutert;

Fig. 7 eine Tabelle, welche die Komponenten der Matrix-Aluminiumlegierung erläutert;

Fig. 8 eine Tabelle ähnlich der Fig. 7, welche die Ergebnisse der Prüfungen erläutert, und

Fig. 9 eine Tabelle ähnlich der Fig. 8, welche die Ergebnisse der Prüfungen erläutert.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, insbesondere die Fig. 1 und 2, umfaßt ein Kolben einen Kolbenhauptkörper 1, der aus einer Aluminiumlegierung besteht (JISAC8A- T6) und im wesentlichen wie ein Zylinder geformt ist, und einen Kopf (Krone) 2 aufweist, der einer Verbrennungskammer gegenüberliegt, drei Kolbenringnuten 4, 5 und 6, die auf einer äußeren Umfangsoberfläche eines unterhalb des Kopfes 2 angeordneten ringförmigen Steges (Ringsteges) 3 ausgebildet sind, drei Kolbenringe 7, 8, 9, die mit den Kolbenringnu ten (obere Nut, zweite Nut und Ölringnut) 4, 5, 6 in Verbindung stehen, und einen Kolben mantel 10, der unterhalb der Kolbenringnuten 4, 5, 6 angeordnet ist.

Die obere Ringnut 4 ist so geformt, daß sie einen mittleren Abstand von 9 mm von der obe ren Fläche des Kopfes 2 hat und eine Breite von 4 mm und eine Tiefe von 8 mm aufweist. Außerdem besteht nur eine Oberfläche der oberen Ringnut 4 aus einem verschleißfesten Ringträger 11, der nach einem Herstellungsverfahren, wie es weiter unten beschrieben wird, hergestellt worden ist.

In der Fig. 3 besteht der verschleißfeste Ringträger 11 aus einer Aluminiumlegierung 11b, die Siliciumcarbid(SiC)-Partikel 11a enthält und innerhalb des Kolbenhauptkörpers 1 so ge gossen ist, daß er die Oberfläche der oberen Ringnut 4 bildet.

Durch die anodische Oxidationsbehandlung wird eine Alumilite-Schicht 20 gebildet auf einer Oberfläche des verschleißfesten Ringträgers 11 und einer äußeren Umfangsoberfläche des Kolbenhauptkörpers 1 in der Nähe des Kopfes 2 und der oberen Ringnut 4 des ringförmigen Steges (Ringsteges) 3. Die Alumilite-Schicht 20 enthält SiC-Partikel 20a in gleicher Weise wie der verschleißfeste Ringträger 11. Das heißt, während der anodischen Oxidationsbe handlung werden SiC-Partikel in dem verschleißfesten Ringträger 11 präzipitiert (ausgeschieden) und sind in der Alumilite-Schicht 20 enthalten.

Das Verfahren zur Herstellung des verschleißfesten Ringträgers 11 wird nachstehend im einzelnen beschrieben. Zuerst wird eine Aluminiumlegierungs-Gießbramme, die SiC- Partikel mit einem maximalen Durchmesser von mehreren µm bis mehreren 10 µm enthält, in einer inerten Atmosphäre, z. B. in Argongas oder dgl., geschmolzen und bei 993 K gehal ten, dann mechanisch bewegt (gerührt), um die SiC-Partikel in dem Aluminiumlegierungs material gleichmäßig zu dispergieren.

In der Fig. 4 wird eine geschmolzene Aluminiumlegierung 13, die SiC-Partikel enthält, in eine untere Form 12 injiziert und durch eine obere Form 14 unter Druck gesetzt, um eine Erstarrung zu bewirken. Nach dem Abkühlen wird ein grober Abschnitt des verschleißfesten Ringträgers 11 aus der unteren Form 12 herausgenommen. Dann wird ein verlorener Kopf herausgeschnitten und erforderlichenfalls wird eine maschinelle Bearbeitung (spanabhe bende Bearbeitung) durchgeführt, um so die Formgebung des verschleißfesten Ringträgers 11 zu vervollständigen.

Der rauhe Abschnitt des verschleißfesten Ringträgers 11 kann außer nach dem vorstehend beschriebenen Gravitationsgießverfahren auch nach einem Formgießverfahren oder einem Metallschmelzen-Gießverfahren hergestellt werden. Darüber hinaus ist auch ein Pulverme tall-Schmiedeverfahren anwendbar. Dabei werden die SiC-Partikel mit den Aluminiumlegie rungs-Teilchen, die in eine Metallform eingebracht werden, gemischt und durch die obere Form 14 unter Druck gesetzt, um die Formgebung durchzuführen. Nach dem Erhitzen wird geschmiedet, um die Dichte zu erhöhen. Wenn die erhöhte Dichte nicht erhalten wird, wird das Schmieden nach dem erneuten Erwärmen wiederholt durchgeführt. Dieses Verfahren erlaubt die Fertigbearbeitung eines Produkts in der endgültigen Form, so daß keine nach folgende maschinelle Bearbeitung (spanabhebende Bearbeitung) erforderlich ist, was zu einem verbesserten Arbeitswirkungsgrad führt.

Der auf diese Weise hergestellte verschleißfeste Ringträger 11 wird in den Kolbenhaupt körper 1 zur Fixierung gegossen. Ein Beispiel für diese Gießbedingungen besteht darin, daß eine Vorerwärmungstemperatur des verschleißfesten Ringträgers 11673 K beträgt, eine Injektionstemperatur der geschmolzenen Legierung des Kolbenhauptkörpers 1993 K beträgt, eine Temperatur der Formen 473 K beträgt und die chemische Umwandlungsbe handlung des verschleißfesten Ringträgers 11 in einer auf 313 K erhitzten Palcoat 3756- Lösung der Firma Nihon Parkerizing Co., Ltd. während einer Eintauchzeit von 60 s durchge führt wird.

Der Grund dafür, warum der verschleißfeste Ringträger 11 vorher einer chemischen Um wandlungsbehandlung unterworfen wird, ist folgender: Da Aluminiummaterial einen feinen Oxidfilm auf der Oberfläche desselben aufweist, kann an einer Kontaktgrenzfläche mit der geschmolzenen Legierung keine ausreichende Abscheidung erzielt werden, was zu einer ungenügenden Verbindung der Aluminiumschicht des Kolbenhauptkörpers 1, der aus einer geschmolzenen Legierung hergestellt wird, und dem verschleißfesten Ringträger 11 aus einer Aluminiumlegierung führt. Wenn die Erwärmungstemperatur der geschmolzenen Le gierung erhöht wird oder eine ausreichende Vorerwärmung des verschleißfesten Ringträ gers 11 durchgeführt wird, tritt ein Abscheidungsphänomen auf. Wegen der stark be schränkten Bedingungen und des Bereiches dieser Abscheidung ist eine gleichmäßige Verbindung in der Praxis jedoch schwer durchführbar.

Insbesondere führt das Vorerwärmen des verschleißfesten Ringträgers 11 zu einem Dic kerwerden des Oxidfilms, wodurch die Schwierigkeiten beim Vereinigen noch verstärkt wer den.

Wenn vorher eine chemische Umwandlungsbehandlung durchgeführt wird, wie vorstehend beschrieben, wird durch das Vorerwärmen eine durch chemische Umwandlung behandelte Schicht oxidiert, während das Aluminiumlegierungs-Material des verschleißfesten Ringträ gers 11 nicht oxidiert wird. Das Oxid der durch chemische Umwandlung behandelten Schicht wird durch die geschmolzene Aluminiumlegierung des Kolbenhauptkörpers 1 leicht entfernt, wodurch die Aluminiumlegierung des Kolbenhauptkörpers und diejenige 11b des verschleißfesten Ringträgers 11 mit einer hohen Verbindungsfestigkeit miteinander verbun den werden können.

Andererseits ist der Grund dafür, warum die Alumilite-Schicht 20 auf den oberen und unte ren Oberflächen der oberen Ringnut 4, die möglicherweise einen starken Verschleiß auf weisen, und der äußeren Umfangsoberfläche des Zylinderkopfes 2 und dem ringförmigen Steg (Ringsteg) 3 in der Nähe der oberen Ringnut 4 erzeugt und auf dem Kolbenmantel 10 nicht erzeugt wird, folgender: Wenn die Alumilite-Schicht 20 auf dem Kolbenmantel 10 ge bildet wird, entsteht darauf kein Ölfilm, was dazu führt, daß leicht ein Kolbenfressen auftritt.

Die Dicke der Alumilite-Schicht 20 wird im Hinblick auf die Ergebnisse der Prüfungen, die weiter unten beschrieben werden, so festgelegt, daß sie innerhalb des Bereiches von 10 bis 50 µm liegt. Insbesondere führt eine Dicke unter 10 µm zu keiner ausreichenden Ver schleißfestigkeit, während eine Dicke von über 50 µm nicht nur zu einem Anstieg der Ober flächenrauheit, sondern auch zu einer Zunahme der Behandlungskosten führt.

Darüber hinaus wird die Größe der SiC-Partikel 11a, 20a aus den nachstehend angegebe nen Gründen so festgelegt, daß sie innerhalb des Bereiches von 3 bis 40 µm liegt. Im Hin blick auf die Ergebnisse der Prüfungen, die weiter unten beschrieben werden, führt eine Größe von unter 3 µm zu Schwierigkeiten in bezug auf das volle Tragen (Aushalten) der Belastung des Kolbenringes 7, was zu Schwierigkeiten bei der Erzielung einer ausreichen den Verschleißfestigkeit führt. Andererseits führt eine Größe von über 40 µm nicht nur zu einer Zunahme der Oberflächenrauheit nach der Nut (Rillen)-Bearbeitung und somit auch nach der Alumilite-Behandlung, sondern auch zum leichten Auftreten von Rissen in der mit Alumilite behandelten Schicht 20, was zu einem Abplatzen derselben führt.

Die Ergebnisse der Prüfungen von charakteristischen Veränderungen werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Verschleißfestigkeit und die Beständigkeit gegen Mikrover schweißung des durch die vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten verschleiß festen Ringträgers 11, der die Alumilite-Schicht 20 aufweist, und in bezug auf die maschi nelle (spanabhebende) Bearbeitbarkeit des Materials des verschleißfesten Ringträgers 11 näher beschrieben.

Die Fig. 7 zeigt die Komponenten einer Matrix-Aluminiumlegierung. Bei den Prüfungen wur den Proben, die nach dem Gießverfahren hergestellt wurden, verwendet. Die Zugabemen ge von SiC-Partikel mit einem Durchmesser von 9,3 ± 4 µm wurde bewertet bei sieben mit Alumilite behandelten Proben für 0, 5, 10, 15, 20, 25 und 30 Gew.-%.

Danach wurde der Durchmesser der SiC-Partikel, die in einer Menge von 10,0 Gew.-% zu gegeben wurden, bewertet bei sechs mit Alumilite behandelten Proben für eine Größe von 2, 5, 10, 20, 30 und 40 µm. Gleichzeitig wurde eine Bewertung der Proben ohne zugesetzte SiC-Partikel (0 Gew.-%) oder der Proben aus einer einfachen Matrix-Aluminiumlegierung und der Proben ohne Alumilite-Behandlung vorgenommen.

Bei einem Verfahren zur Bewertung der Verschleißfestigkeit wurde eine Apparatur verwen det, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Insbesondere ist der Kolbenring 7 auf einem rotierenden Bett 15 befestigt, das mittels eines Motors (nicht dargestellt) in Rotation versetzt wird. Ein am unteren Ende einer Heizeinrichtung 16 fixierter Testkörper 17 wird gegen einen oberen Abschnitt des Kolbenringes 7 gepreßt, um einen Abrieb (Verschleiß) zu erzeugen. Dieser Testkörper 17 ist ein Teil des verschleißfesten Ringträgers 11, der aus der Ringnut des Kolbenhauptkörpers 1 herausgeschnitten wurde. Bei diesem Verfahren werden die Testbe dingungen, wie die Temperatur, die Schmierung und dgl., so eingestellt, daß sie in Korrela tion stehen zu dem Kolben eines echten Motors. Die Bewertung wird durchgeführt anhand der Tiefe des Abriebs (Verschleißes) nach der Prüfung.

Bei einem Verfahren zur Bewertung der Beständigkeit gegen Mikroverschweißung wurde eine Apparatur verwendet, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Insbesondere wurde ein Be schleunigungstestverfahren angewendet, bei dem der Kolbenring 7 gegen eine Unterseite der oberen Ringnut 4 des Kolbenhauptkörpers 1 gepreßt und durch die Hebel 18, 19 in nur einer Richtung verschoben wird, wie durch einen Pfeil in der Fig. 6 angezeigt. Die Bewer tung wird durchgeführt auf der Basis der Bewertung der verschweißten und abgenutzten Fläche der Ringnut 4 gegenüber einer gleitenden Fläche des Kolbenrings 7. Die Prüfung wird fortgesetzt, bis die Alumilite-Schicht 20 vollständig entfernt ist.

Eine Bewertung der maschinellen (spanabhebenden) Bearbeitbarkeit wurde in der Weise durchgeführt, daß ein zylindrischer, rauher Abschnitt mit einem Durchmesser von 70 mm unter den folgenden Bedingungen bearbeitet wurde und die gesamte Bearbeitungszeit, bis ein Werkzeug einen Abrieb (Verschleiß) von 0,3 mm aufwies, gemessen wurde:
maschinelle Bearbeitungsgeschwindigkeit: 200 m/min
abgeschnittene Menge: 0,3 mm
Beschickungsmenge: 0,03 mm/Umdrehung verwendetes Werkzeug: Gasphasen-synthetisches Diamant-Werkzeug, hergestellt von der Firma Asahi Daiya Co., Ltd.

Die Fig. 8 und 9 zeigen die Ergebnisse der vorstehend beschriebenen Bewertungen.

In den Fig. 8 und 9 ist die Verschleißfestigkeit durch einen Wert angegeben, bezogen auf die Abriebsmenge ohne zugesetzte SiC-Partikel (0 Gew.-%) und ohne Alumilite- Behandlung, die auf den Wert 100 festgesetzt wurde. Ein kleinerer Wert gibt einen geringe ren Verschleiß an.

Die Beständigkeit gegen Mikroverschweißung ist angegeben durch einen Wert, der bezo gen ist auf den Wert ohne Zugabe von SiC-Partikel (0 Gew.-%) und ohne Alumilite- Behandlung für die verschweißte Fläche der auf 100 festgesetzt wurde. Ein geringerer Wert gibt eine geringere Mikroverschweißung an.

Die maschinelle (spanabhebende) Bearbeitbarkeit ist angegeben durch die Werkzeug- Lebensdauer, bezogen auf den Wert 100, wenn die rauhen Abschnitte ohne Zugabe von SiC-Partikel maschinell bearbeitet werden unter Verwendung eines gesinterten Diamant- Werkzeuges COMPAX der Firma General Electric Co., Ltd.. Es sei darauf hingewiesen, daß die rauhen Abschnitte mit zugesetzten SiC-Teilchen mittels eines Gasphasen synthetischen Diamant-Werkzeugs bearbeitet werden.

In der Fig. 8 ist für den Fall, daß keine Alumilite-Behandlung durchgeführt wird, selbst dann, wenn die Zugabemenge an SiC-Partikel nur 5 Gew.-% beträgt, die Verschleißfestigkeit stark verbessert im Vergleich zu dem Fall ohne eine solche Zugabe. Bei einer Zugabemen ge von 10 Gew.-% wird der Effekt der Zugabe im wesentlichen konstant.

Andererseits ist im Falle der Durchführung einer Alumilite-Behandlung die Verschleißfestig keit verbessert im Vergleich zu dem Fall, daß keine Alumilite-Behandlung durchgeführt wird, da die Verschleißfestigkeit einer Alumilite-Schicht besser ist als diejenige der Aluminiumle gierung.

In der Fig. 8 zeigt die Beständigkeit gegen Mikroverschweißung eine ähnliche Tendenz. Für den Fall, daß keine Alumilite-Behandlung durchgeführt wird, ist die Beständigkeit gegen Mikroverschweißung deutlich verbessert bei einer Erhöhung der Zugabemenge an SiC- Partikeln. Bei einer Zugabemenge von 25 Gew.-% oder mehr tritt keine Mikroverschwei ßung auf.

Andererseits tritt bei Durchführung einer Alumilite-Behandlung, selbst wenn die Zugabe menge an SiC-Partikel nur 5 Gew.-% beträgt, keine Mikroverschweißung auf, so daß die Beständigkeit gegen Mikroverschweißung deutlich verbessert ist.

Bei der maschinellen (spanabhebenden) Bearbeitbarkeit tritt selbst dann, wenn die Zuga bemenge der SiC-Partikel nur 5 Gew.-% beträgt, eine Verschlechterung der Bearbeitbarkeit auf im Vergleich zu dem Fall ohne Zugabe. Darüber hinaus wird bei der Erhöhung der Zu gabemenge die maschinelle (spanabhebende) Bearbeitbarkeit schlechter und bei einer Zu gabemenge von 30 Gew.-% tritt bei dem Werkzeug ein Kantenbruch auf, so daß eine ma schinelle (spanabhebende) Bearbeitung unmöglich wird.

In der Fig. 9 ist bezüglich des Effekts der Größe der SiC-Partikel angegeben, daß für den Fall, daß keine Alumilite-Behandlung durchgeführt wird, die Verschleißfestigkeit deutlich verbessert ist, wenn der Durchmesser der SiC-Partikel 5 µm oder mehr (3 µm oder mehr, um genau zu sein) beträgt. Auch ist die Beständigkeit gegen Mikroverschweißung verbes sert bei einer Erhöhung der Größe der SiC-Partikel, was jedoch nicht bemerkenswert ist, wenn der Gewichtsprozentsatz an SiC-Partikel konstant ist.

Andererseits wird dann, wenn eine Alumilite-Behandlung durchgeführt wird, die Verschleiß festigkeit deutlich verbessert, und es entsteht keine Beständigkeit gegen Mikroverschwei ßung, wenn der Durchmesser der SiC-Partikel 5 µm oder mehr (3 µm oder mehr, um genau zu sein) beträgt.

Die maschinelle (spanabhebende) Bearbeitbarkeit wird schlechter mit einer Zunahme der Größe der SiC-Partikel. Bei 40 µm wird die Oberflächenrauheit nach der maschinellen (spanabhebenden) Bearbeitung schlechter, was durch die nachfolgende Alumilite- Behandlung noch ausgeprägter wird.

Die obigen Prüfungen zeigen, daß die optimale Zugabemenge der SiC-Partikel im Bereich von 5 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise von 10 bis 20 Gew.-%, liegt, und daß die optimale Größe der SiC-Partikel in dem Bereich von 3 bis 40 µm, vorzugsweise von 3 bis 20 µm, liegt.

Darüber hinaus wurde ein Operationstest durchgeführt mit dem mit Alumilite behandelten Kolben, der einen Kolbenhauptkörper 1 aus einer Aluminiumlegierung aufwies, die um den verschleißfesten Ringträger 11 aus einer Aluminiumlegierung mit zugesetzten SiC-Partikel herumgegossen wurde, wobei der Kolben in einen Verbrennungsmotor eingebaut wurde. Die Zugabemenge der SiC-Partikel in dem verschleißfesten Ringträger 11 wurde auf 10 Gew.-% eingestellt. Außerdem wurde zum Vergleich ein Operationstest durchgeführt mit einem Kolben ohne Alumilite-Behandlung und mit einem Kolben, der einen Kolbenhaupt körper ohne einen verschleißfesten Ringträger 11 aufwies.

Die Operationsbedingungen waren folgende: es wurde ein 4-Zylinder-Benzinmotor mit ei nem Volumen von 2000 cm³ verwendet und bei einer Öltemperatur von 150°C und einer Kühlmitteltemperatur von 120°C 200 h lang kontinuierlich laufen gelassen.

Die Ergebnisse sind die, daß der Kolben ohne den verschleißfesten Ringträger 11 einen Abrieb (Verschleiß) von 50 µm erfährt und eine Mikroverschweißung von 85% der Unter seite der oberen Ringnut entsteht, während der Kolben mit dem verschleißfesten Ringträger 11 und ohne eine Alumilite-Behandlung einen Abrieb (Verschleiß) von 5 µm erfährt und eine Mikroverschweißung auf 50% der Unterseite der oberen Ringnut entsteht und der Kolben mit dem verschleißfesten Ringträger 11 und mit einer Alumilite-Behandlung weder einen Abrieb (Verschleiß) erfährt noch eine Mikroverschweißung auftritt.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß sie darauf nicht beschränkt ist und daß viele Änderun gen und Modifikationen innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung möglich sind. So können beispielsweise anstelle von SiC-Partikeln Partikel mit einer äquivalenten Härte, wie Teilchen aus BN, Si₃N₄, Al₂O₃, WC, TiC und TiB₂, verwendet werden.

Claims

1. Kolben für Verbrennungsmotoren mit einem Hauptkörper (1) aus einer Alumini umlegierung, in dessen äußerer Umfangsfläche eine Vielzahl von Kolbenringnuten (4, 5, 6) vorgesehen ist, wobei diese Kolbenringnuten (4, 5, 6) mit einer partikel haltigen Alumilite-Schicht (20) beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

1. diese Kolbenringnuten aus verschleißfesten Ringträgern (11) aus einer partikel haltigen Aluminiumlegierung bestehen, die zwischen der Alumilite-Schicht (20) und dem Hauptkörper (1) angeordnet sind, und
2. die Alumilite-Schicht (20) neben den Kolbenringnuten (4, 5, 6) auch den Haupt körper (1) in der Nähe der Ringträger (11) bedeckt.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel der ver schleißfesten Ringträger (11) aus Siliciumcarbid (SiC) bestehen.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die SiC-Partikel 5 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-%, entsprechen.

4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die SiC-Teilchen Durchmesser in dem Bereich von 3 bis 40 µm, vorzugsweise von 3 bis 20 µm, ha ben.

5. Kolben nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfesten Ringträger (11) Feststoff-Teilchen aus BN, Si₃N₄, Al₂O₃, WC, TiC und TiB₂ umfassen.

6. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß

1. die Bereiche in der äußeren Umfangsfläche des Kolbens als verschleißfeste Ringträger (11) aus einer partikelhaltigen Aluminiumlegierung gebildet werden,
2. um die verschleißfesten Ringträger (11) herum eine Aluminiumlegierungs schmelze zur Bildung des Hauptkörpers (1) gegossen wird, wobei die ver schleißfesten Ringträger (11) in einer Lage angeordnet werden, die der Lage von Kolbenringen (7, 8, 9) entspricht, und
3. daß die Alumilite-Schicht (20) durch anodisches Oxidieren auf den Oberflächen sowohl der verschleißfesten Ringträger (11) als auch des Hauptkörpers (1) in der Nähe der Ringträger (11) ausgebildet wird.