Bauteile aus Aluminium-Legierungen für Brennkraftmaschinen

Abstract

 Aus siliziumhaltigen Aluminium-Legierungen gegossene Bauteile für Brennkraftmaschinen sind in ihren thermischen überelastischen Wechselbeanspruchungen unterliegenden Bereichen mit einer Harteloxalschicht überzogen.
Um die Beständigkeit solcher Bauteile gegenüber thermischer Ermüdung zu erhöhen, sind in den mit der Harteloxalschicht überzogenen Bereichen aus Fasern und/oder Whiskern bestehende Formkörper eingegossen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft aus silizumhaltigen Aluminium-Legierungen gegossene Bauteile für Brennkraftmaschinen, insbesondere Kolben, deren thermischen, überelastischen Wechselbeanspruchungen unterliegenden Bereiche mit einer Harteloxalschicht von 30 bis 120 pm, vorzugsweise 40 bis 80 µm, Dicke überzogen sind.

[0002] Die Betriebsbeanspruchungen solcher Bauteile setzen sich aus einer Kombination mechanisch und thermisch bedingter Spannungen zusammen. Die mechanischen Spannungen sind dynamisch, sie werden in der Hauptsache durch Gaskräfte verursacht. Die thermischen Beanspruchungen sind nur an der Oberfläche dynamisch, infolge der sich einstellenden Temperaturverteilung sind sie sonst als quasistatisch zu betrachten. Die in den letzten Jahrzehnten erfolgte Leistungssteigerung bei Brennkraftmaschinen hat zu einer Steigerung des effektiven Mitteldrucks geführt. Gleichzeitig wird eine weitere Steigerung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer als Ziel gesetzt. Parallel dazu wird die Forderung nach niedrigem Ölverbrauch sowie nach einer Verbesserung der Abgasqualität gestellt. Das bedeutet für die aus siliziumhaltigen Aluminium-Legierungen bestehen Bauteile der Brennkraftmaschinen, insbesondere für den Kolben, sowohl höhere thermische als auch mechanische Belastungen. Durch den hohen Temperaturgradienten, beispielsweise im Bereich des Kolbenbodens, werden große Dehnungen verursacht, die plastische Verformungen des Oberflächenbereichs zur Folge haben, wodurch ein Teil der hohen Druckspannung abgebaut wird. Wird die Brennkraftmaschine abgestellt, kühlt der Kolben ab, wodurch Zugspannungen entstehen, weil die Aluminium-Legierung im Betrieb unter den hohen Druckspannungen plastisch nachgegeben hat. Dieser Vorgang wiederholt sich im Prinzip bei jedem Lastwechsel aus der Vollast, wodurch die Aluminium-Legierung ermüdet und die Bildung mikroskopischer Fehlstellen gefördert wird, aus denen dann bei Überschreitung einer zulässigen Zugspannung Makroanrisse wachsen. Diese Risse können sich weiter ausbreiten und zum Ausfall des Kolbens führen. Ursache hierfür ist der Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen der duktilen Aluminium-Matrix und den spröden heterogenen Phasen, wie Silizium und intermetallische Phasen. Die mikroskopischen Fehlstellen vergrößeren sich zu Poren, die sich zu Makrorissen vereinigen. Mit der Porenbildung ist eine Volumenzunahme und plastische Verformung der thermisch beanspruchten Bereiche verbunden.

[0003] Es ist bekannt, daß als praktische Hilfe in einem solchen Fall die Bauteile mit einer Harteloxalschicht von 40 bis 80JUm Dicke überzogen werden. Die Harteloxalschicht hat einen relativ viel geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Aluminium-Legierung. Dadurch entsteht beim heißen Bauteil an der Oberfläche unter der Harteloxalschicht eine geringere Wärmedehung, die wiederum geringere Spannungen in der Aluminium-Legierung zur Folge hat. Durch diese vergleichsweise geringeren Spannungen in der Aluminium-Legierung unter der Harteloxalschicht, wird die Neigung zur Bildung von Makroanrissen so stark gesenkt, daß die Lebensdauer des Bauteils um das dreibis vierfache einsteigt. Der Zeitpunkt des ersten Auftretens von thermischen Makroanrissen, läßt sich somit zwar durch die Harteloxalschicht beträchtlich hinauszögern, nach Ausbildung von Makroanrissen breiten sich diese jedoch mit der gleichen Geschwindigkeit aus, als wenn das Bauteil keine Harteloxalschicht aufweisen würde.

[0004] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs beschriebene, aus einer siliziumhaltigen Aluminium-Legierung bestehende Bauteil für Brennkraftmaschinen so zu verändern, daß nicht nur eine weitere Verschiebung der für den Ausgang von Makroanrissen verantwortlichen Porenbildung zu höheren Temperaturwechselzahlen erzielt, sondern im Falle der Ausbildung eines Makroanrisses eine deutliche Reduzierung der Ausbreitungsgeschwindigkeit erreicht wird.

[0005] Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß in den thermischen, überelastischen Wechselbeanspruchungen unterliegenden mit einer Harteloxalschicht versehenen Bereichen des Bauteils aus Fasern und/oder Whiskern gebildete Formkörper eingegossen sind.

[0006] Die optimale Festigkeit gegen eine thermische überelastische Wechselbeanspruchung wird dann erreicht, wenn der Gehalt an Faser bzw. Whiskern 5 bis 30 Vol.%, vorzugsweise 10 bis 15 Vol.% beträgt.

[0007] Die Formkörper bestehen aus A1₂0₃-Fasern, Sio₂-Fasern, dergleichen keramischen Fasern, aus Kohlefasern oder SiC-Whiskern einzeln oder in Mischung miteinander.

[0008] Die Bauteile werden erfindungsgemäß in der Weise gegossen, daß die Aluminium-Legierungsschmelze in die Kokille, in der die aus Fasern bzw. Whiskern bestehenden Formkörper an vorbestimmter Stelle eingelegt sind, eingefüllt und anschließend die Schmelze bis zu ihrer Erstarrung druckbelastet wird. Dabei werden die Formkörper mit der Aluminium_-Legierungsschmelze infiltriert.

[0009] Ferner kann die nach dem Einlegen des Formkörpers in die Kokille eingefüllte Aluminium-Legierungsschmelze unter Vakuum zur Erstarrung gebracht werden.

[0010] Die Ergebnisse der thermischen Ermüdungsprüfung an mit einer Harteloxalschicht beschichteten und mit Formkörpern aus Fasern bzw. Whiskern verstärkten Werkstoffproben aus siliziumhaltigen Aluminium-Legierungen lassen zur Deutung des zugrundeliegenden Schutzmechanismus den Schluß zu, daß die durch die überelastische Wechselbeanspruchung hervorgerufene Zerrüttung des Aluminiumgrundwerkstoffs im oberflächennahen Bereich durch die Kombination von kriechbeständiger Harteloxalschicht und die thermische Ausdehnung behindernder, aus Fasern bzw. Whisker bestehender Formkörper beachtlich verlangsamt wird. Infolge des gegenüber der Aluminium-Legierung geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten steht die Harteloxalschicht bei Betriebstemperatur unter Zugspannung. Bei Bauteilen, die, bedingt durch hohe Verbrennungsdrücke oder ungünstige Formen, hohe mechanische Spannungen aufbauen, werden die Anrisse in diesen Bereichen durch die eingegossenen Formkörper vermieden.

[0011] Aus der DE-PS 27 01 421 ist zwar ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen, insbesondere von Kolben und Zylindern von Brennkraftmaschinen bekannt, wobei durch einen Verbundgießprozeß mit anschließender Erstarrung des Einbettungsmetalls und erhöhtem Druck ein faserverstärkter Körper hergestellt wird. Der in einem ersten Verfahrensschritt hergestellte Formkörper wird an vorbestimmter Stelle in eine Gießform eingelegt und in einem zweiten Verfahrensschritt durch einen Niederdruck-Gießprozeß eine Metallschmelze mit einer Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunktes der Deckschicht, aber unterhalb des Schmelzpunktes des Kernbereiches des Formkörpers liegt, an diesen angegossen. Diese Druckschrift enthält jedoch keinen Hinweis faserverstärkte Bauteile zusätzlich noch einmal mit einer Harteloxalschicht zu überziehen.

[0012] Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

[0013] Es wurden aus der Aluminium-Legierung des Typs AlSil2CuNiMg jeweils fünf Prüfkörper

a) durch Kokillengießen hergestellt,

b) durch Flüssigpressen hergestellt,

c) durch Kokillengießen hergestellt und auf der Prüffläche mit einer 55 _/um dicken Harteloxalschicht überzogen,

d) mit 10 % Al₂O₃-Fasern durch Flüssigpressen hergestellt und auf der Prüffläche mit einer 55 µm dicken Harteloxalschicht überzogen.

[0014] Diese Prüfkörper wurden auf ihre Beständigkeit gegenüber thermischer Ermüdung mittels üblicher Thermoschockbehandlung untersucht. Dabei wurde jeder Prüfkörper 16 s lang mit einer Gasflamme auf ca. 350 °C aufgeheizt, danach 16 s lang mit Druckluft, dann 16 s lang mit Wasser abgekühlt und anschließend 16 s lang an der Luft getrocknet. In Abständen von 500 solcher Behandlungszyklen wurden alle Prüfkörper mit dem Mikroskop bei 40-facher Vergrößerung auf Rißbildung hin untersucht.

[0015] Dabei zeigt sich gemäß dem in Fig. 1 wiedergegebenen Diagramm, daß bei den nach a) hergestellten Prüfkörpern bereits nach 1000 Temperaturwechseln und bei den nach b) hergestellten Prüfkörpern nach 2000 Temperaturwechseln eine deutliche Rißbildung eintritt. Bei den nach c) erzeugten Prüfkörpern wurde eine Rißbildung nach mehr als 4000 Temperaturwechseln beobachtet, während bei den nach d) hergestellten erfindungsgemäß aufgebauten Prüfkörpern nach 4000 Temperaturwechseln zwar Mikrorisse zu beobachten waren, die sich jedoch selbst nach 6000 Temperaturwechseln nur unbedeutend auswirkten. Anschließend wurden von den nach a), c) und d) hergestellten Prüfkörpern Querschliffe angefertigt und deren Gefüge untersucht. Die nach a) gefertigten Prüfkörper zeigen gemäß Fig. 2 eine vergleichsweise starke Gefügeauflockerung der Aluminium-Legierung. Die gleiche Beobachtung trifft auch für die nach c) hergestellten Prüfkörper zu, bei denen gemäß Fig. 3 unter der noch vorhandenen Harteloxalschicht das Gefüge der Aluminium-Legierung stark aufgelockert ist. Bei den nach d) hergestellten Prüfkörpern ist zwar die Harteloxalschicht nach 6000 Temperaturwechseln völlig abgetragen, doch das Gefüge der Aluminium-Legierung zeigt, wie aus Fig. 4 hervorgeht, keinerlei erkennbare Schädigung.

Ansprüche

1. Aus silizumhaltigen Aluminium-Legierungen gegossene Bauteile für Brennkraftmaschinen, insbesondere Kolben, deren thermischen, überelastischen Wechselbeanspruchungen unterliegenden Bereiche mit einer Harteloxalschicht von 30 bis 120 um, vorzugsweise 40 bis 80 µm Dicke, überzogen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den mit einer Harteloxalschicht überzogenen Bereichen aus Fasern und/oder Whiskern gebildete Formkörper eingegossen sind.

2. Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Fasern bzw. Whiskern 5 bis 30 Vol%, vorzugsweise 10 bis 15 Vol.% beträgt.

3. Bauteile nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper aus A1₂0₃-Fasern, SiO₂-Fasern, dergleichen keramischen Fasern, Kohlefasern oder SiC-Whiskern einzeln oder in Mischungen miteinander bestehen.

4. Verfahren zur Herstellung der Bauteile nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper an vorbestimmter Stelle in eine Kokille eingelegt, die Aluminium-Legierungschmelze in die Kokille eingefüllt und die Schmelze bis zu ihrer Erstarrung druckbelastet wird.

5. Verfahren zur Herstellung der Bauteile nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper an vorbestimmter Stelle in eine Kokille eingelegt, die Aluminium-Legierungsschmelze eingefüllt und die Schmelze bis ihrer Erstarrung unter Vakuum gehalten wird.

Zeichnung