DE2626131A1 - Harteloxierter leichtmetallkolben - Google Patents

Description

MAHLE GMBH, Pragstrasse 26-46, 7000 Stuttgart 50

Harteloxierter Leichtmetallkolben

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotore mit örtlich hoch temperaturbelasteten Oberflächenstellen, insbesondere auf dem Kolbenboden, bei dem diese Stellen zur Erhöhung der Warmfestigkeit harteloxiert sind.

Es ist bereits seit langem bekannt und üblich, die Warmfestigkeit von temperaturmäßig örtlich hoch belasteten Oberflächen an Leichtmetallkolben elektrolytisch zu oxidieren. Das gilt vor allem für den Boden der Kolben und insbesondere für Kolbenboden mit einer Brennraummulde.

Bei Kolben für hoch belastete Verbrennungsmotore besteht nämlich die Gefahr von Rißbildungen. Zu derartigen Rissen kommt es in erster Linie infolge örtlich überhöhter Temperaturen unter gleichzeitiger hoher mechanischer Belastung durch Gaskräfte. Am deutlichsten läßt sich der Rißausbildungsmechanismus an den Rissen am Rande einer Brennraummulde im Boden eines Kolbens zeigen.

Der Rand einer Brennraummulde ist folgenden Hauptbelastungen ausgesetzt:

a) örtlich auf den Rand einwirkende extrem hohe Temperaturen

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b) hohe Gaskräfte,

c) periodischer Temperatur- und Gaskräftewechsel hoher Frequenz

Die unter diesen Belastungen auftretenden Risse verlaufen radial über den Muldenrand und stellen sich praktisch bei allen üblichen Aluminium-Kolbenlegierungen ein.

Die im Kolbenboden liegende Verbrennungsmulde zeigt einen vom äußeren Kolbenbodenumfang zum Muldenrand hin ansteigenden und von dort zum Boden der Mulde hin abfallenden Temperatur-Verlauf. Bei diesen Temperatur-Bedingungen wird die am stärksten erhitzte Zone des Kolbenbodens, nämlich der Rand der Brennraummulde, an einer dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des dortigen Werkstoffes und der dort herrschenden Temperatur entsprechenden freien Ausdehnung durch die den Muldenrand allseits umgebenden kälteren Materialzonen gehindert. So bilden sich im voll erwärmten Muldenrand starke Druckspannungen aus. Diese Druckspannungen führen zu einer plastischen Verformung des insoweit nicht ausreichend warmfesten Leichtmetalls im Muldenrandbereich. Die in dem genannten Bereich auftretenden Temperaturspitzen liegen häufig über 350 C. Da sich bei Aluminium-Kolbenlegierungen die Festigkeit bei Temperaturen ab 250° C in der Regel erheblich erniedrigt, wird die Elastizitätsgrenze bei den genannten Temperaturspitzen schnell überschritten. Die sich bei der plastischen Verformung unter Spitzentemperaturen einstellende Stauchung des Werkstoffes im Muldenrandbereich führt dort bei Abkühlung zu Zugspannungen. Diese wiederum sind die Ursache für die radialen Anrisse im Randbereich der Brennraummulde. Zur Vermeidung derartiger Anrisse werden diese Bereiche unter anderem elektrolytisch oxidiert. Die Wirkung einer solchen sogenannten Harteloxalschicht erklärt man sich folgendermaßen.

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Im Bereich der Harteloxalschicht bauen sich Druckspannungen auf. Die Harteloxalschicht selbst ist im übrigen wegen ihrer im wesentlichen keramischen Eigenschaften noch gegenüber sehr hohen Temperaturen weitgehendst beständig. Insofern ist die Harteloxalschicht selbst auch bei Spitzentemperaturen von beispielsweise über 35O°C noch beständig. Darüber hinaus geht von der Schicht noch eine wichtige Funktion in bezug auf den darunter liegenden nicht oxidierten Aluminium-Werkstoff aus. Denn wegen des erforderlichen Kräftegleichgewichts erzeugen die Druckspannungen der Harteloxalschicht in dem angrenzenden Aluminium-Grundmaterial entsprechende Zugspannungen.

Diese Zugspannungen sind nun den die plastische Verformung des Aluminium-Werkstoffes bewirkenden vom Muldenrand ausgehenden Druckspannungen - hervorgerufen durch Ausdehnungsbehinderung - entgegengesetzt, d.h. sie müssen zunächst einmal abgebaut werden, bevor es dort zu einem Druckspannungszustand kommen kann. Im Ergebnis führt dies dazu, daß das maximale Druckspannungsniveau in dem an die Harteloxalschicht anliegenden Aluminium-Grundmaterialbereich um die Höhe der dort zwangsweise vorab eingeführten Zugspannungen erniedrigt wird. Für die Oxidschicht selbst ist ein hoher Druckspannungszustand nicht schädlich, da es bei dieser aufgrund ihrer keramischen Eigenschaften selbst an der oberen Grenze der hier maximal infragekommenden Temperaturen noch immer nicht zu plastischen Verformungen kommen kann. Anders ausgedrückt heißt dies, die Oxidschicht selbst hat in allen Betriebszuständen eine ausreichend hohe Festigkeit.

Die Wirksamkeit von Harteloxalschichten ist bei den Rändern von Brennraummulden besonders groß. Denn die erwähnten Druckspannungen bauen sich dort im Bereich der Innenradien der gefährdeten Ränder besonders ausgeprägt auf. Dies gilt sinngemäß ebenso für ebene Böden, wo jedoch die Druckspannungen in der Harteloxalschicht um den Anteil der an Innenradien geometrisch bedingten Druckspannungen vermindert sind.

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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die von einer Harteloxalschicht auf das angrenzende Leichtmetall-Grundmaterial ausgehenden Zugspannungen noch weiter zu erhöhen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die harteleoxierten Oberflächenstellen begrenzt auf den Tiefenbereich des Harteloxals auch noch mechanisch verfestigt sind.

Der Sinn der erfindungsgemäßen mechanischen Verfestigung ist es, die Druckspannungen in der Harteloxalschicht noch zusätzlich zu erhöhen. Dabei kommt es erfindungsgemäß insbesondere darauf an, die Zonen mechanischer Verfestigung und des Harteloxals derart tiefenmäßig aufeinander abzustimmen, daß sich die von der mechanischen Verfestigung ausgehenden Druckspannungen an der Stelle, an der die Druckspannungen des Harteloxals in das Grundmaterial eingeleitet werden, mit diesen voll überlagern. Denn nur auf diese Weise lassen sich die Zugspannungen im Grundmaterial entsprechend erhöhen und damit die Gefahr einer plastischen Verformung durch örtlich überhöhte Wärmeausdehnung vermeiden. Die verdichtete Zone darf aber vor allem nicht tiefenmäßig über die Eloxalschicht hinausreichen, da anderenfalls in das nicht oxidierte und damit mangels ausreichender Warmfestigkeit rißgefährdete Grundmaterial Druckspannungen eingebracht würden, die dann eine Rißbildung nicht nur nicht verhindern, sondern sogar noch fördern würden.

Das Verdichten kann durch bekannte Verfahren wie Rollieren, Hämmern, Druckstrahlen oder ähnliches erfolgen und zwar vor oder nach dem Eloxieren. Durch das Verdichten werden die durch das Harteloxieren erzeugten Druckspannungen auf etwa das drei- bis fünffache gesteigert. Bei einem erfindungsgemäß aufgebauten Kolbenboden hat sich gezeigt, daß die Beständigkeit gegen Rißbildung gegenüber nur harteloxierten Böden um ein Vielfaches erhöht werden konnte.

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Die Harteloxalschicht ist zweckmäßigerweise etwa 40 - 150 jum, vorzugsweise 70 - 110jam., dick. Es ist dabei zu berücksichtigen, daß sich durch die Umwandlung von Aluminium in Al₃O₃ (Hart-*- eloxal) das Volumen des eloxierten Grundmaterials um einen Faktor 2 vergrößert und sich somit eine maßliche Vergrößerung des Werkstückes um die Hälfte der Harteloxalschichtdicke ergibt.

Zum Stand der Technik soll hier noch darauf hingewiesen werden, daß ein Verdichten von hart zu eloxierenden Stellen an Aluminium-Kolben in einem von der Erfindung abweichenden Sinn bereits aus der GB-PS 803 357 bekannt ist. Dort geht es um das Problem, Aluminium-Legierungen mit höheren Gehalten an Kupfer und Silizium elektrolytisch zu oxidieren. Nach den Ausführungen in jener Schrift lassen sich solche Legierungen jedoch nicht ohne weiteres eloxieren. Die zu oxidierenden Flächen müssen vielmehr zunächst geäzt und sodann mechanisch, z.B. durch Walzen, geglättet werden. Bei dem mechanischen Glätten geht es im Prinzip nur darum, die durch das Ätzen erzeugten Poren bzw. die dadurch aufgerauhte Oberfläche zu beseitigen sowie eine im Zusammenhang mit dem Ätzen von Kupfer und Silizium freie Fläche zum nachfolgenden Eloxieren zu schaffen. Einen Hinweis auf die erfindungsgemäße Lehre zur Vermeidung von wärmebedingten Anrissen durch gezielte Überlagerung der Druckspannungen einer Oxidschicht mit denjenigen durch mechanische Verfestigung in diese Eloxalschicht zusätzlich noch eingebrachten Druckspannungen zur Erzeugung möglichst hoher Zugspannungen im Übergangsbereich zum an diese Schicht angrenzenden Grundmaterial ist dieser Schrift dagegen an keiner Stelle zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden beschrieben.

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Bei einem Leichtmetallkolben der Legierung AlSi 12 CuMgNi ist der eine Brennraummulde aufweisende Boden vollständig harteloxiert. Die Harteloxalschicht besitzt eine Dicke von 80 - 100 jum. Im Bereich des Muldenrandes ist der Kolbenboden vor dem Eloxieren in einer Tiefe von etwa 40 jum senkrecht zur Oberfläche verdichtet worden, d.h. genau in dem Bereich, der von dem Grundmaterial in Harteloxal umgewandelt wird, da die Harteloxalschicht ja eine Volumenverdopplung und damit auch eine Schichtdickenverdopplung bewirkt. Die Verdichtung selbst erfolgt durch Druckstrahlen mit Glasperlen eines mittleren Durchmessers von 100/im unter einem Druck von 6,8 atü. Ein derart ausgebildeter Kolbenboden erwies sich in der Praxis als wesentlich rißbeständiger als ein nur harteloxierter Boden. Bei entsprechenden Versuchen hat sich andererseits aber auch bewiesen, daß eine über die Harteloxalschicht tiefenmäßig hinausgehende mechanisch erzeugte Verdichtungszone die Rißneigung wieder stark erhöht.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   (1J Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotore mit örtlich hoch temperaturbelasteten Oberflächenstellen, insbesondere auf dem Kolbenboden, bei dem diese Stellen zur Erhöhung der Warmfestigkeit harteloxiert sind, dadurch gekennzeichnet , daß diese Stellen begrenzt auf den Tiefenbereich des Harteloxals auch noch mechanisch verfestigt sind.
2. 2. Leichtmetallkolben mit örtlich hoch temperaturbelasteten harteloxierten und mechanisch verfestigten Oberflächenstellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Harteloxalschicht eine Dicke von 40 150/im aufweist.
3. 3. Leichtmetallkolben mit örtlich hoch temperaturbelasteten harteloxierten und mechanisch verfestigten Oberflächenstellen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Harteloxalschicht eine Dicke von 70-110jum aufweist.

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   QRlQiNAL INSPECTS©