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Dokumentenidentifikation DE69811753T2 02.10.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0870919
Titel Brennkraftmaschinenkolben und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder Yamaha Hatsudoki K.K., Iwata, Shizuoka, JP
Erfinder Koike, Toshikatsu, Iwata-Shi, JP;
Miyazawa, Kazuo, Iwata-Shi, JP;
Kurita, Hirotaka, Iwata-Shi, JP;
Yamagata, Hiroshi, Iwata-Shi, JP;
Inoue, Seiji, Iwata-Shi, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69811753
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.04.1998
EP-Aktenzeichen 981067549
EP-Offenlegungsdatum 14.10.1998
EP date of grant 05.03.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.10.2003
IPC-Hauptklasse F02F 3/00

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff vom unabhängigen Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff vom unabhängigen Anspruch 9.

In Bezug auf einen hin- und hergehenden Kolben zum Gebrauch in einem Motor für eine Brennkraftmaschine, z. B. einen 2- Takt- oder einen 4- Takt- Benzinmotor oder einen Dieselmotor, gibt es eine Forderung für eine Verbesserung in der Festigkeit und in dem Verschleißwiderstand. Es gibt auch eine Forderung für eine weitere Gewichtsreduzierung des Kolbens, um so die hin- und hergehenden Trägheitskraft desselben mit Blick in die Richtung auf eine Erhöhung einer Ausgangsleistung und einer Verminderung der Schwingung des Motors zu reduzieren. Folglich wird ein Material für den Kolben gefordert, das leicht sein soll, um die Bildung in eine dünne Wand zu gestatten, das sich beim permanenten Aussetzen in einer hohen Temperatur, wenn es in eine dünne Wand gebildet wird, gering verformt, und das in der Festigkeit und im Verschleißwiderstand hoch sein soll.

Als solch ein Material für die Kolben sind bisher z. B. eine Aluminiumlegierung, die leichtgewichtiges Aluminium (Al) als einen Grundbestandteil enthält, Silizium (Si) zum Erhöhen des Verschleißwiderstandes und des Widerstandes gegen Anbacken und Kupfer (Cu) und Magnesium (Mg) zum Erhöhen der Festigkeiten verwendet worden. Solch eine Aluminiumlegierung wird im wesentlichen in einen vorgegossenes Teil eines Kolbenhauptkörpers gegossen.

In einem aus z. B. einer Aluminiumlegierung gebildeten Kolben für eine Brennkraftmaschine, wirkt die Reaktionskraft von einer Pleuelstange während des Betriebes auf einen Bolzenbohrungsabschnitt des Kolbenhauptkörpers von einem Kolbenbolzen, so dass ein Umfang des Bolzenbohrungsabschnittes, der eine Gleitkontaktoberfläche des Kolbenbolzens vorsieht, verschlechtert wird (plastische Verformung). So gibt es die Befürchtung, dass der Kolben als ein Ergebnis der Erzeugung von Rattern zerbrechen wird. Um mit diesem Problem zurechtzukommen, wird der Bolzenbohrungsabschnitt herkömmlich durch Gießen eines hochfesten Teiles in dem Bolzennabenabschnitt des Kolbenhauptkörpers verstärkt.

Andererseits in einem hin- und hergehender Kolben, verwendet in einem Motor für eine Brennkraftmaschine, muß ein Kopfabschnitt dessen, der in einer Brennkammer ausgesetzt ist, einen sehr hohen Wärmewiderstand haben, während ein Randabschnitt dessen, der für gleitbares Berühren mit einer Innenwand, eines Zylinders vorgesehen ist, einen sehr hohen Verschleißwiderstand haben muß. Zusätzlich sollten die Materialkosten gespart und das Gewicht sollte reduziert werden. So sind bisher die verschiedenen Vorschläge unterbreitet worden, um einen Verbundkolbenhauptkörper zu bilden, der aus unterschiedlichen Materialien hergestellte verschiedene Abschnitte hat, anstatt den Kolben als ein Ganzes unter Verwendung desselben Materiales gleichmäßig zu verbessern (bezieht sich z. B. auf JP-A-Sho-63-12661, JP-A-Hei-1-180927 und JP-A-Hei-5- 320788).

In dem oben beschriebenen herkömmlichen Kolben für eine Brennkraftmaschine wird, wenn ein aus einem Verbundmaterial gebildeter Kolbenhauptkörper, der verschiedene Materialabschnitte hat, hergestellt wird, ein Verfahren übernommen, in dem die jeweiligen, aus verschiedenen Materialien hergestellten Abschnitte zuerst erzeugt werden und danach durch Schweißen einstückig zu werden, oder, indem ein Abschnitt zuerst geformt wird, der ein Material verwendet und das in einer Gießform anordnet wird, in die das andere Material nach dem Schmelzen gegossen wird, um den einen Abschnitt zu umgeben und das Gussstück mit ihm zusammenzufügen. Deshalb sind die Verfahrensschritte, wenn mit einem Fall verglichen wird, in dem ein Kolbenhauptkörper durch ein einzelnes Material hergestellt ist, erhöht, und die Herstellungszeit ist erhöht, so dass die Herstellungskosten erhöht sind

In einem Fall, bei dem die jeweiligen Teile, die verschiedene Materialien verwenden, zuerst erzeugt werden, und danach durch Schweißen zusammengefügt werden, ist die Festigkeit der Materiales an sich gelegentlich an Positionen nahe des Haftverbindungsabschnittes infolge der Wärme des Schweißens vermindert. In einem Fall, bei dem ein aus einem Material gebildetes Teil durch Gießen mit einem anderen Material in ein einheitliches Teil abgedeckt wird, besteht die Befürchtung, dass die Haftverbindungsfestigkeit an den Haftverbindungsgrenzen zwischen den verschiedenen Materialien nicht ausreichend ist.

Ein Kolben einer Brennkraftmaschine und solch ein Verfahren der Herstellung eines Kolbens, wie oben beschrieben, sind aus der US-A-4 364 159 bekannt, wobei zwei unter schiedliche Aluminiumlegierungen zum Bilden des Kolbens durch Schmieden verwendet werden.

Demzufolge ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Kolben, wie oben angezeigt, zu schaffen, der eine verbesserte Festigkeit und Verschleißwiderstand, sowie eine ausgezeichnete Haftfestigkeit zwischen den unterschiedlichen Materialien hat.

Nach der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Kolben nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst.

In dem vorerwähnten Kolben für eine Brennkraftmaschine, da der Bolzennabenabschnitt durch Gießen eines hochfesten Teiles in dem Bolzennabenabschnitt des Kolbenhauptkörpers verstärkt werden kann, ist es notwendig den Bolzennabenabschnitt zu vergrößern. Dies ist beim Versuchen das Gewicht des Kolbenhauptkörpers durch kompaktes Ausbilden des Bolzennabenabschnittes zu reduzieren nicht vorteilhaft. Zusätzlich gibt es ein Problem, dass die Haftfestigkeit zwischen dem Kolbengrundmaterial und dem hochfesten Teil auf Grund des Gießens übernommen wird.

Andererseits sind bei einem Aufbau, bei dem ein Kolbenkörper durch teilweises Verändern des Materiales desselben zusammengesetzt ist, ein Kopfabschnitt und ein Ringnutabschnitt (oder nur der Ringnutabschnitt) aus einem hochfesten Material auf Grund der Grenzen in der Herstellung, wie z. B. Reibungsschweißen oder Auftragschweißen, hergestellt, während der Bolzennabenabschnitt wie das Kolbengrundmaterial beibehalten wird. Als eine Konsequenz wird der Bolzennabenabschnitt, der als eine Gleitkontaktoberfläche des Kolbenbolzens dient, die wegen der Wärmeströmung von einem Kopfabschnitt einer hohen Temperatur unterworfen wird, in seiner Festigkeit oder Verschleißwiderstand bei einer hohen Temperatur nicht verbessert.

Überdies, in dem vorbeschriebenen Kolben für eine Brennkraftmaschine, da eine Reaktionskraft von einer Pleuelstange während der Explosionsverbrennung auf einen Kolbenhauptkörper während des Betriebes des Motors von einem Kolbenbolzen wirkt, oder da eine Reaktionskraft, obwohl eine schwache Kraft von einer Zylinderseite als ein Ergebnis der Kraft, die von der Pleuelstange während des Aufwärtshubes des Kolbens auf den Kolbenhauptkörper wirkt, erzeugt wird, wird die äußere Umfangsoberfläche des Kolbenhauptkörpers fest an die Zylinderwand gepreßt.

Wie nämlich in Fig. 23 gezeigt, wirkt ein Explosionsdruck P während der Explosionsverbrennung hauptsächlich auf eine obere Oberfläche des Kopfabschnittes des Kolbenhauptkörpers. Als ein Ergebnis wirkt, wenn eine unterhalb des Kolbenhauptkörpers angeordnete Kurbelwelle nach rechts gedreht wird, eine Reaktionskraft F von der Pleuelstange auf den Kolbenbohrungsabschnitt, so dass eine Reaktionskraft von dem Zylinder auf die äußere Umfangsoberfläche der rechten Hälfte des Kolbenhauptkörpers als eine Verteilungsbeanspruchung f wirkt.

Wahrend des Hubes, in dem sich der Kolbenhauptkörper von dem unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt bewegt, wirkt eine Antriebskraft F' von der Seite der Pleuelstange hauptsächlich auf den Bolzennabenabschnitt von der unteren rechten Seite. Als ein Ergebnis wirkt eine Trägheitskraft Ma (ein Produkt der Masse M des Kolbenhauptkörpers 1 und einer Beschleunigung a) auf den Schwerpunkt des Kolbenhauptkörpers, so dass eine Reaktionskraft von dem Zylinder auf die äußere Umfangsoberfläche der linken Hälfte des Kolbenhauptkörpers als eine Verteilungsbeanspruchung f' wirkt.

Wenn die oberste Fläche des Kolbenhauptkörpers vergrößert ist (langgestreckt in der Richtung der Gleitbewegung des Kolbens) für den Zweck des Verbesserns der Festigkeit, um solch einer Preßkraft der äußeren Umfangsoberfläche des Kolbenhauptkörpers an die Zylinderwand standzuhalten, ist die Menge des Abgases, die in dem Spalt zwischen der obersten Fläche und der Zylinderwand verbleibt, erhöht, so dass das Abgas von dem Motor einen erhöhten Betrag von HC, etc. hat.

Bisher ist ein Versuch unternommen worden, die Festigkeiten und den Verschleißwiderstand eines Abschnittes, der einem Ringnutabschnitt benachbart ist, durch teilweises Ändern des Materiales, aus dem der Kolbenhauptkörper gefertigt ist, zu erhöhen. Mit dieser Maßnahme wird jedoch die Betriebsfähigkeit vermindert, da das Material solch eines Abschnittes in den Kolbenhauptkörper durch Schweißen etc. integriert ist. Außerdem vermindert die Wärme während des Schweißens, die den Schweißabschnitt umgibt, die Festigkeit. Überdies, da nur der Abschnitt, benachbart der Ringnut in der Festigkeit erhöht wird, kann die Festigkeit zum Widerstehen des oben beschriebenen Fressens der Zylinderwand und der Verschleißwiderstand im Randbereich des Kolbenhauptkörpers verbessert werden.

Das Material des Kolbenhauptkörpers ist teilweise in ein Material geändert, das eine hohe Festigkeit und Verschleißwiderstand hat. Solch ein Material hat im Wesentlichen aus Gründen der besonderen Bauelemente eine Materialeinheit mit hohen Kosten. Die Legierung hat wegen eines großen Gehalts von großen, besonders schweren Elementen eine große spezifische Schwere. So ist es notwendig, die Menge von solch einem Material pro einen Kolben zu vermindern, um die Materialkosten zu sparen und das Kolbengewicht zu vermindern.

Deshalb erstreckt sich nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines der Materialien, das eine höhere Festigkeit hat, in einem Außenumfang des Kolbenhauptkörpers von einem oberen Ende eines Kopfabschnittes zu zumindest einem Randabschnitt unterhalb eines Ringnutabschnittes, und dadurch ist der Kolbenhauptkörper durch Schmieden präpariert, so dass die Länge des Materials, das eine höhere Festigkeit von dem oberen Ende des Kopfabschnittes in einem Zwischenabschnitt zwischen einem Paar von Bolzennaben größer ist, als in einer Nähe von jedem Paar der Bolzennaben.

Überdies ist es möglich, dass der Randabschnitt ein unteres Ende hat, versehen mit ausgeschnittenen Abschnitten, so dass der gesamte Bereich der äußeren Umfangsoberfläche des Kolbenhauptkörpers aus dem Material hergestellt ist, das eine höhere Festigkeit hat.

Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zumindest ein äußerer Umfangsabschnitt des oberen Endes des Kopfabschnittes aus dem Material hergestellt, das eine höhere Festigkeit hat.

Nach einem noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Material, das eine höhere Festigkeit hat, eine Aluminiumlegierung, die durch Erstarren eines schnell erstarrenden Pulvers erhalten wird, das Silizium (Si) in einer Menge von 10-22 Gew.-% enthält und das ein Ausgangskristallsilizium mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht größer als 10 um hat.

Nach einem noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält die durch Erstarren eines rapid erstarrenden Pulvers erhaltene Aluminiumlegierung nichtmetallische Bestandteile, härter als Silizium (Si) und die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht größer als 10 um in einer Menge von 1-10 Gew.-% haben.

Nach einem noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Material, das eine höhere Festigkeit hat, eine durch Erstarren eines schnell erstarrenden Pulvers erhaltene Aluminiumlegierung, und die nichtmetallische Bestandteile, härter als Silizium (Si) enthält, und die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht größer als 10 um in einer Menge von 1-10 Gew.-% hat.

Nach einem noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Material, das eine höhere Festigkeit hat, eine Aluminiumlegierung, die durch Erstarren eines schnell erstarrenden Pulvers erhalten wird, das Eisen (Fe) in einer Menge von 1-10 Gew.-% enthält und in dem der durchschnittliche Teilchendurchmesser einer Eisenverbindung nicht größer als 10 um ist.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren, wie oben angezeigt, zu schaffen, das eine verbesserte Festigkeit und einen verbesserten Verschleißwiderstand des Kolbens erleichtert, das ebenso eine ausgezeichnete Haftfestigkeit zwischen den verschiedenen Materialien sichert.

Nach der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, wie oben angezeigt, nach dem unabhängigen Anspruch 9 erreicht.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird, während ein Aluminiumlegierungs- Stranggussmaterial durch ein erstes Werkzeug stranggepresst wird, ein schnell erstarrendes Pulver einer Aluminiumlegierung, vorgesehen um das stranggepresste Stranggussmaterial herum, mit Wärme und unter Druck, zusammen mit dem Gießmaterial durch ein zweites Werkzeug, das einen größeren Durchmesser als das erste Werkzeug hat, co- stranggepresst, um einen säulenförmigen Körper zu erhalten, zusammengesetzt aus Kernmaterial des Materiales des Stranggussmateriales und einem Außenumfangsmaterial, das mit dem Kernmaterial einstückig haftverbunden und aus dem Material des schnell erstarrenden Pulvers hergestellt ist, damit der säulenförmige Körper in eine vorbestimmte Größe abgeschnitten wird, um ein Rohmaterial zum Schmieden zu erhalten, und damit das Rohmaterial zum Schmieden eines ersten Formschrittes und einer nachfolgenden Behandlung unterzogen wird, um dadurch den Kolbenhauptkörper als ein Fertigerzeugnis zu erhalten.

Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält das schnell erstarrende Pulver einer Aluminiumlegierung Silizium (Si) in einer Menge von 10-22 Gew.-% und dadurch den durchschnittlichen Teilchendurchmesser von Ausgangskristallsilizium nicht größer als 10 um.

Nach einem noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält das schnell erstarrende Pulver einer Aluminiumlegierung einige nichtmetallische Bestandteile, härter als Silizium (Si) und die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht größer als 10 um haben, in einer Menge von 1-10 Gew.-%.

Nach einem noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Bestandteile, die härter als Silizium (Si) sind, zumindest Bestandteile, die aus jenen aus Siliziumkarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) und Aluminiumnitrid (AlN) ausgewählt sind.

Nach einem noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält das schnell erstarrende Pulver Eisen (Fe) in einer Menge von 1-10 Gew.-% und dadurch ist der durchschnittliche Teilchendurchmesser einer Eisenverbindung nicht größer als 10 um.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen niedergelegt.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf verschiedene Ausführungsbeispiele derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei:

Fig. 1 ein Beispiel (erstes Ausführungsbeispiel) eines Kolbenhauptkörpers entsprechend eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei (A) eine Seitenansicht ist, (B) eine Draufsicht und (C) eine vertikale Querschnittsdarstellung entlang der Linie C-C in Figur (B) ist.

Fig. 2 eine vertikale Querschnittsdarstellung ist, die ein Material zum Herstellen des in Fig. 1 gezeigten Kolbenhauptkörpers zeigt.

Fig. 3 eine Schnittdarstellung ist, die ein Beispiel des Zustandes für das Formen eines Abschnittes eines Materiales zeigt, das eine hohe Festigkeit eines in Fig. 2 gezeigten Verbundkolbenmateriales hat.

Fig. 4 eine Schnittdarstellung ist, die ein Beispiel des Zustandes zum Schmieden eines ersten gegossenen Teiles eines in Fig. 2 gezeigten Kolbenhauptkörpers aus dem Verbundkolbenmaterial zeigt.

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel (zweites Ausführungsbeispiel) eines Kolbenhauptkörpers entsprechend eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine der vorliegenden (Erfindung zeigt, wobei (A) eine Seitenansicht ist, (B) eine Draufsicht ist und (C) eine vertikale Querschnittsdarstellung entlang der Linie C-C in Figur (B) ist.

Fig. 6 eine vertikale Querschnittsdarstellung ist, die ein Material zum Herstellen des in Fig. 5 gezeigten Kolbenhauptkörpers ist.

Fig. 7 eine Schnittdarstellung ist, die ein Beispiel des Zustandes zum Formen eines Abschnittes eines Materiales zeigt, das eine höhere Festigkeit eines in Fig. 6 gezeigten Verbundkolbenmateriales hat.

Fig. 8 eine Schnittdarstellung ist, die ein Beispiel des Zustandes zum Formen eines ersten gegossenen Teiles eines Kolbenhauptkörpers aus dem in Fig. 2 gezeigten Verbundkolbenmateriales zeigt.

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel (drittes Ausführungsbeispiel) eines Kolbenhauptkörpers entsprechend eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei (A) eine Seitenansicht ist, (B) eine Draufsicht ist und (C) eine vertikale Querschnittsdarstellung entlang der Linie C-C in Figur (B) ist.

Fig. 10 eine vertikale Querschnittsdarstellung ist, die ein Material zum Herstellen des in Fig. 9 gezeigten Kolbenhauptkörpers zeigt.

Fig. 11 eine Schnittdarstellung ist, die ein Beispiel des Zustandes zum Bilden eines Abschnittes eines Materiales zeigt, das eine hohe Festigkeit eines in Fig. 10 gezeigten Verbundkolbenmateriales hat.

Fig. 12 eine Schnittdarstellung ist, die ein Beispiel des Zustandes zum Schmieden eines ersten gegossenen Teiles eines Kolbenhauptkörpers aus dem in Fig. 10 gezeigten Verbundkolbenmateriales zeigt.

Fig. 13 Kennlinien sind, die einen Unterschied im Verschleißwiderstand nach einem Unterschied im Material zur Herstellung eines Kolbenhauptkörpers in einem Beispiel des Gebrauchs Verwendung eines Materiales, das eine hohe Festigkeit (Ausführungsbeispiel A-1, das SiC enthält, Ausführungsbeispiel A-2, ohne SiC) zeigen und ein Beispiel des Gebrauchs eines Materiales, das eine geringe Festigkeit (Ausführungsbeispiel B) hat.

Fig. 14 Diagramme sind, die einen Unterschied in der Ermüdungsfestigkeit bei Temperaturen von 25, 150 und 250º entsprechend eines Unterschiedes im Material zur Herstellung eines Kolbenhauptkörpers in einem Beispiel zeigen, das ein Material verwendet, das eine hohe Festigkeit (Ausführungs beispiel A-1, das SiC enthält, Ausführungsbeispiel A-2, ohne SiC) hat und ein Beispiel des Gebrauchs eines Materiales, das eine geringere Festigkeit (Ausführungsbeispiel B) hat.

Fig. 15 ein Beispiel ist (erstes Ausführungsbeispiel) eines Kolbenhauptkörpers entsprechend eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung ist, wobei (A) eine Seitenansicht ist, (B) eine Draufsicht ist und (C) eine vertikale Querschnittsdarstellung entlang der Linie C-C in Figur (B), die eine auseinandergebreitete Darstellung ist.

Fig. 16 eine Schnittdarstellung ist, die ein Beispiel des Zustandes zum Schmieden eines ersten gegossenen Teiles eines wie in Fig. 16 gezeigten Kolbenhauptkörpers von einem Verbundkolbenmaterial zeigt.

Fig. 17 eine vertikale Querschnittsdarstellung ist, die ein Beispiel eines Verbundkolbenmateriales für den ersten Formkörper, gezeigt in Fig. 15 durch Schmieden, zeigt.

Fig. 18 eine Schnittdarstellung ist, die ein Beispiel des Zustandes zum Herstellen eines Abschnittes zeigt, der eine hohe Festigkeit des in Fig. 17 gezeigten Verbundkolbenmateriales hat.

Fig. 19 ein weiteres Ausführungsbeispiel (zweites Ausführungsbeispiel) eines Kolbenhauptkörpers für eine Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei (A) eine Seitenansicht ist, (B) eine Draufsicht ist und (C) eine vertikale Querschnittsdarstellung entlang der Linie C-C in Fig. 15 (B) ist.

Fig. 20 eine Schnittdarstellung ist, die ein Beispiel des Zustandes zum Schmieden eines ersten gegossenen Artikels eines Kolbenhauptkörpers, wie in Fig. 19 gezeigt, aus einem Verbundkolbenmaterial zeigt.

Fig. 21 eine vertikale Querschnittsdarstellung ist, die ein Beispiel eines Verbundkolbenmateriales für den ersten Formkörper des in Fig. 19 durch Schmieden gezeigten Kolbenhauptkörpers zeigt.

Fig. 22 eine Schnittdarstellung ist, die einen Zustand der Herstellung des in Fig. 21 gezeigten Verbundkolbenmateriales zeigt.

Fig. 23 eine erläuternde Seitenansicht der Kräfte ist, die auf einen Kolbenhauptkörper während des Betriebes eines Motors wirken.

Fig. 24 ein Beispiel eines nach einem Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugten Kolbenhauptkörpers zeigt, wobei (A) eine Seitenansicht ist, (B) eine Draufsicht ist und (C) eine vertikale Querschnittsdarstellung entlang der Linie C-C in Figur (B) ist.

Fig. 25 eine erläuternde Veranschaulichung eines Beispieles eines Verfahrens der Herstellung eines Stranggussmateriales einer Aluminiumlegierung zeigt, verwendet als ein Material für das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung.

Fig. 26 eine erläuternde Veranschaulichung eines Beispieles eines Verfahrens der Herstellung schnell erstarrenden Pulvers einer Aluminiumlegierung zeigt, verwendet als ein Material für das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung.

Fig. 27 einen Zustand der Erzeugung eines Verbundkolbenmateriales aus einem Stranggussmaterial und ein schnell erstarrendes Pulver in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei (A) eine Querschnittsseitenansicht entlang der Linie A-A in Figur B ist, und (B) eine Querschnitts-Draufsicht entlang der Linie B-B in Figur A ist.

Fig. 28 ein Beispiel eines Verbundkolben-Schmiedestückmateriales zeigt, erzeugt in dem in Fig. 27 gezeigten Zustand, wobei (A) eine Draufsicht ist und (B) eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in Figur A ist.

Fig. 29 ein weiteres Beispiel eines Verbundkolben-Schmiedestückmateriales zeigt, erzeugt in dem in Fig. 27 gezeigten Zustand, wobei (A) eine Draufsicht ist und (B) eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in Figur A ist.

Fig. 30 eine Querschnitts-Seitenansicht ist, die ein Beispiel des Zustandes zum Schmieden eines wie in Fig. 28 gezeigten Verbundkolbenmateriales in einem vorgeformten Teil eines Kolbenhauptkörpers zeigt.

Fig. 30 eine seitliche Querschnittsdarstellung ist, die ein Beispiel des Zustandes für das Schmieden eines Verbundmateriales, wie in Fig. 28 gezeigt, in einem ersten geformten Teil eines Kolbenhauptkörpers zeigt.

Die Ausführungsbeispiele eines Kolbens einer Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Kolbenhauptkörper eines Ausführungsbeispieles des Kolbens einer Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung; (A) ist eine Seitenansicht, wenn in die axiale Richtung eines Bolzennabenabschnittes gesehen, (B) zeigt eine obere Oberfläche eines Kopfabschnittes, wenn von oben gesehen wird, und (C) zeigt einen vertikalen Querschnitt entlang der Linie C-C in Figur (B).

Der Kolbenhauptkörper 1 wird durch einstückiges Formen durch Schmieden eines dicken zylindrischen Materiales nach einem vorgeformtes Teil, der einen Kopfabschnitt 2, eine zu einer Brennkammer ausgesetzte obere Oberfläche und einen Randabschnitt 3 hat, um gleitbar mit der Innenfläche eines Zylinders in Kontakt zu sein, so dass die dicke der Wand in einer Seite, versehen mit einer Bolzennabe 4, groß ist und allmählich nach unten von der Bolzennabe 4 in eine Seite, die keine Bolzennabe 4 hat, abnimmt, wobei das vorgeformte Teil mechanisch bearbeitet wird, um unnötige Abschnitte abzutrennen und um eine Kolbenringnut 5 und einen Bolzenbohrungsabschnitt 6 zu bilden, gefolgt durch, falls notwendig, eine Oberflächenbehandlung, wie z. B. Plattieren, um dadurch in ein Endprodukt fertig zu bearbeiten.

Der gesamte Kolbenhauptkörper 1 wird aus zwei Arten von Materialien 1A und 1B hergestellt, die unterschiedliche Festigkeiten haben und einstöckig durch Schmieden ihrer Grenzflächen verbunden sind. In dem erläuterten Ausführungsbeispiel verteilt sich das hochfeste Material 1A, um sich von einer oberen Oberfläche des Kopfabschnittes 2 zu einem Ringnutabschnitt 5 auszubreiten, während sich das Material 1B mit einer geringeren Festigkeit, als das Material 1A, verteilt, um sich von einer Rückseite des Kopfabschnittes 2 zu dem Randbereich 3 auszubreiten. Gleichzeitig erstreckt sich das hochfeste Material 1A zu einem oberen Teil der Bolzennabe 4, angeordnet unterhalb des Ringnutabschnittes 5, so dass ein Teil einer oberen Seite des Bolzenbohrungsabschnittes 6, gebildet in der Bolzennabe 4, aus dem hochfesten Material 1A hergestellt ist.

Der Kolbenhauptkörper 1 der vorliegenden Erfindung wird, wie in den Fig. 4(A) und 4(B) gezeigt, durch erstes Formen durch Schmieden eines Verbundkolbenrohmateriales 10 hergestellt, erhalten durch, wie in Fig. 2 gezeigt, einfaches Übereinanderiegen von zwei Arten unterschiedlicher Materialien 1A und 1B, oder durch direkte Presshaftverbindungsmaterialien 1a und 1B, nach dem Zerstören oxidierter Oberflächen an ihren Grenzen durch Expandieren kleiner Außendurchmessermaterialien durch das erste Schmiedestück. Als ein Ergebnis sind in dem Kolbenhauptkörper 1 das hochfeste Material 1A und das Material mit der geringeren Festigkeit 1B durch Schmieden an ihren Haftoberflächen ausgedehnt, so dass die Fläche des direkten Kontaktes zwischen ihnen, ausgenommen die oxidierten Oberflächen, erhöht ist, was einen festeren einstückigen Zustand als jenen vor dem Schmieden schafft.

Unter Bezug auf einen ersten geformten Kolben aus dem Verbundkolbenrohmaterial 10, wie in den Fig. 4(A) und 4(B) gezeigt, wird das Schmieden mit einer vorher erwärmten unteren Form 22, während die Temperatur zwischen 250-450ºC gesteuert wird, und einer oberen Form (Stempel) 21, ähnlich erwärmt, während die Temperatur zwischen 250-450ºC gesteuert wird, ausgeführt. Durch solch ein Wärmeschmieden mit der Verwendung der vorher auf eine gesteuerte Temperatur erwärmten oberen Form 21 und der unteren Form 22, kann ein vorgeformtes Teil des Kolbenhauptkörpers mit einer guten Abmessungsgenauigkeit durch ausreichende Nutzung der Dehnbarkeit der Aluminiumlegierung geformt werden.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann z. B., wenn das Material eine hohe Festigkeit 1A zum Formen des oben beschriebenen Kolbenhauptkörpers hat, eine Aluminiumlegierung verwendet werden, erhalten durch Erstarren von schnell erstarrendem Pulver, und die Aluminium (Al) als ein Grundmaterial enthält und, zusätzlich, 10-22 Gew.-% von Silizium (Si), 1-10 Gew.-% von Eisen (Fe), 0,5-5 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5 -5 Gew.-% von Magnesium (Mg), 1 Gew.-% oder weniger Mangan (Mn), 1 Gew.-% oder weniger Nickel (Ni), 1 Gew.-% oder weniger Chrom (Cr), 2 Gew.-% oder weniger Zirkon (Zr) und 1 Gew.-% oder weniger Molybdän (Mo).

Ein Beispiel von solchem Material ist eine durch Erstarren von schnell erstarrendem Pulver erhaltene Aluminiumlegierung und die enthält 17 Gew.-% von Silizium (Si), 5 Gew.-% von Eisen (Fe), 1 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5 Gew.-% von Magnesium (Mg), 0,01 Gew.-% von Mangan (Mn), 0,01 Gew.-% von Nickel (Ni), 0,01 Gew.-% von Chrom (Cr), 1 Gew.-% von Zirkon (Zr) und 0,01 Gew.-% von Molybdän (Mo).

Außerdem kann in der vorliegenden Erfindung ein weiteres Beispiel des Materiales, das eine hohe Festigkeit 1A hat, verwendet werden, eine Aluminiumlegierung, erhalten durch Erstarren von schnell erstarrendem Pulver und die Aluminium (Al) als ein Grundmaterial enthält und 10-22 Gew.-% von Silizium (Si), 1-10 Gew.-% von Eisen (Fe), 0,5-5 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5-5 Gew.-% von Magnesium (Mg), 1 Gew.-% oder weniger Mangan (Mn), 1 Gew.-% oder weniger Nickel (Ni), 1 Gew.-% oder weniger Chrom (Cr), 2 Gew.-% oder weniger Zirkon (Zr) und 1 Gew.-% oder weniger Molybdän (Mo) und, zusätzlich, 1-10 Gew.-% von Siliziumkarbid (SiC), der zum Verbessern des Verschleißwiderstandes verwendet wird und der ein härteres Bestandteil als Silizium (Si) ist.

Als ein Beispiel von solch einer Legierung kann eine Aluminiumlegierung erwähnt werden, erhalten durch Erstarren von schnell erstarrendem Pulver und die enthält 17 Gew.-% von Silizium (Si), 5 Gew.-% von Eisen (Fe), 1 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5 Gew.-% von Magnesium (Mg), 0,01 Gew.-% von Mangan (Mn), 0,01 Gew.-% von Nickel (Ni), 0,01 Gew.-% von Chrom (Cr), 1 Gew.-% von Zirkon (Zr) und 0,01 Gew.-% von Molybdän (Mo) und 5 Gew.-% von Siliziumkarbid (SiC).

In jedem der oben beschriebenen Materialien, die eine hohe Festigkeit 1A haben, sind Silizium (Si) und Siliziumkarbid (SiC) zugesetzt, um den Verschleißwiderstand und den Widerstand gegen Zusammenzubacken durch das Vorhandensein von harten Teilchen in der Metalltextur zu verbessern. Eisen (Fe) ist zugesetzt, um eine hohe Festigkeit bei 200ºC oder mehr durch Dispersion und Verfestigung des Metalltextur zu erhalten. Kupfer (Cu) und Magnesium (Mg) sind zugesetzt, um die Festigkeit bei 200ºC oder weniger zu verbessern. Die Mengen dieser Bestandteile außerhalb der oben beschriebenen Bereiche versagen, um den gewünschten Verschleißwiderstand, den Widerstand gegen Zusammenbacken und die erforderlichen Festigkeiten bei hohen Temperaturen zu erhalten.

Als das Material, das eine geringere Festigkeit 1B zum Bilden des Kolbenhauptkörpers 1 hat, kann gemeinsam mit dem oben beschriebenen Material, das eine hohe Festigkeit 1A hat, eine Aluminiumlegierung, herkömmlich zum Gießen als ein Schmelz- Produktionstyp (Stranggussmaterial) verwendet werden, nämlich eine Aluminiumlegierung eines Schmelz- Produktionstyps, die Aluminium (Al) als ein Basismaterial und zusätzlich 10-22 Gew.-% von Silizium (Si), 1 Gew.-% oder weniger von Eisen (Fe), 0,05-5 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5-2 Gew.-% von Magnesium (Mg). 1 Gew.-% oder weniger von Mangan (Mn), 1 Gew.-% oder weniger von Nickel (Ni) und 1 Gew.-% oder weniger von Chrom (Cr).

Ein besonderes Beispiel solch eines Materiales ist eine Aluminiumlegierung des Schmelzproduktionstyps das 19 Gew.-% von Silizium (Si), 0,2 Gew.-% von Eisen (Fe), 4 Gew.-% von Kupfer (Cu), 1 Gew.-% von Magnesium (Mg), 0,1 Gew.-% von Mangan (Mn), 0,1 Gew.-% von Nickel (Ni) und 0,1 Gew.-% von Chrom (Cr) enthält.

In Bezug auf die oben beschriebene schnell erstarrte Pulveraluminiumlegierung, als Beispiele des Materiales, das eine hohe Festigkeit 1A hat, wird ein Rohling einer Aluminiumlegierung bei ungefähr 700ºC oder mehr geschmolzen und die Schmelze wird, um schnell abzukühlen und gleich zu erstarren, bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit von mindestens 100ºC/sec, wie ein Nebel gesprüht, um dadurch schnell erstarrtes Pulver (Pulvermetall) der Aluminiumlegierung zu erhalten, das einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von ungefähr 100 um hat. Nach dem Zusammenbringen mit Pulvern der notwendigen einzelnen Bestandteile wird das schnell erstarrende Pulver der Aluminiumlegierung, wie in Fig. 3 gezeigt, auf 400-500ºC erwärmt und in eine runde Stange stranggepreßt und erstarrt. Die Stange wird in eine vorbestimmte Größe geschnitten, um dadurch ein scheibenförmiges Material 1A, wie in Fig. 2 gezeigt, eines Verbundkolbenmateriales 10 zu erhalten.

In jedem der Materialbeispiele, die eine hohe Festigkeit 1A haben, verwendet in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wird jeder der Bestandteile, wie z. B. Silizium (Si) und Eisen (Fe) in einen fein verteilten Zustand eines durchschnittlichen Teilchendurchmessers von 10 um oder weniger dispergiert.

So z. B. sind, da Silizium (Si) in solch einem fein verteilten Zustand in der Aluminiumlegierungstextur dispergiert ist, dass ein Teilchendurchmesser des Ausgangskristallsiliziums 10 um oder weniger ist, selbst wenn das Material 1A in eine dünne Wand während des Schmiedeformens des ersten geformten Teiles des Kolbenhauptkörpers 1 geformt wird, keine Risse in den ersten Siliziumteilchen in dem Randbereich gebildet, und daher hat der geformte Kolbenhauptkörper 1 eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit.

In dem Fall des Beispieles, in dem Siliziumkarbid (SiC) enthalten ist, kann, da das Siliziumkarbid (SiC) gleichmäßig in der Textur der Aluminiumlegierung in einem fein verteilten Zustand dispergiert ist, ein verbesserter Verschleißwiderstand erhalten werden.

In Bezug auf Eisen (Fe) wird, da eine schnell erstarrte Pulveraluminiumlegierung, die Eisen (Fe) in einem fein verteilten Zustand enthält, durch Schmieden geformt ist, die Bildung von grobkörnigen Eisenverbindungen verhindert, so dass eine gleichmäßige Metalltextur, frei von grobkörnigen Eisenverbindungen, die Spannungsbeanspruchungen verursachen würden, erhältlich ist. Deshalb kann die Eisenkomponente in einer größeren Menge im Vergleich mit dem Fall, bei dem ein Kolbenhauptkörper ursprünglich durch ein herkömmliches Gießverfahren geformt ist, zugesetzt werden, was die Vorbereitung einer Legierung, die eine hohe Festigkeit hat, ermöglicht.

Andererseits, wenn ein Kolbenhauptkörper dem ersten Formen durch das herkömmliche Gießverfahren unterzogen wird, das als ein Verfahren eine Aluminiumlegierung verwendet, die eine große Eisenmenge enthält, werden grobkörnige Eisenverbindungen in der Legierung beim Abkühlen nach dem Gießen gebildet, so dass die Festigkeiten geneigt sind, vermindert zu werden.

Außerdem sind auch die weiteren Bestandteilkomponenten in dem Aluminiumlegierungspulver als feines Pulver enthalten und da das Aluminiumlegierungspulver in eine dichte Kristalltextur durch Erstarren und Schmieden geformt wird, verursachen diese Bestandteile keine Verminderung in der Festigkeit infolge der Beanspruchung in den Kristallkorngrenzen, um dadurch die Ermüdungsfestigkeit zu verbessern. Jedes der Beispiele des oben beschriebenen Materiales, das eine hohe Festigkeit 1A hat, und ein Beispiel des Materiales, das eine geringere Festigkeit 1B hat, wird Vergleichstests in Bezug auf den Verschleißwiderstand und die Ermüdungsfestigkeit unterworfen. Die Ergebnisse sind wie folgt.

Die Fig. 13 zeigt nämlich die Ergebnisse vom Reibungsverschleißtest (Eine Testprobe wird als ein Rotor verwendet). Ein Aufbau eines vorbestimmten Materiales wird wiederholt gegen den Rotor gepresst, der in einem umlaufenden Zustand gehalten wird. Die Fläche der Verschleißmarken in den Kontaktoberflächen repräsentiert den Verschleißgrad, ausgeführt bei einer Testtemperatur von 250ºC, um den Verschleißwiderstand jedes Beispieles des Materiales 1A, das eine hohe Festigkeit hat (Beispiel A1, das SiC enthält, und Beispiel A-2, das kein SiC enthält) mit einem Beispiel (Beispiel B) des Materiales, das eine geringere Festigkeit 1B hat, zu vergleichen, woraus deutlich wird, dass beide Materialien 1A (Beispiel A1 und Beispiel A2) einen höheren Verschleißwiderstand bei einer hohen Temperatur geben, wenn mit dem Material 1B (Beispiel B) verglichen wird.

Fig. 14 zeigt die Ergebnisse der Ermüdungstests (Eine Sinusbelastung wird auf eine Testprobe angewandt). Die Ermüdungsgrenze repräsentiert die Anzahl der Wiederholungen (eine Zahl repräsentiert einen Zeitraum der Sinuskurve), bis die Testprobe zerbrochen ist, ausgeführt bei Testtemperaturen von 25ºC, 150ºC und 250ºC, um die Ermüdungsfestigkeit jedes Beispieles des Materiales, das eine hohe Festigkeit 1A hat (Beispiel A1, das SiC enthält, und Beispiel A-2, das kein SiC enthält), mit einem Beispiel (Beispiel B) des Materiales, das eine geringere Festigkeit 1B hat, zu vergleichen, woraus deutlich wird, dass beide Materialien 1A (Beispiel A1 und Beispiel A2) eine höhere Ermüdungsfestigkeit geben, wenn mit dem Material 1B (Beispiel B) bei irgendeiner Testtemperatur verglichen wird.

Oben ist ein Ausführungsbeispiel (erstes Ausführungsbeispiel) des Kolbens für eine Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Fig. 5 und 9 stellen weitere Ausführungsbeispiele (zweite und dritte Ausführungsbeispiele) des Kolbens für eine Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung dar. In diesen Ausführungsbeispielen werden dieselben Materialien 1A und 1B, wie jene als Beispiele in den obigen Ausführungsbeispielen (erstes Ausführungsbeispiel) gezeigten, verwendet. Aber der Zustand der Verteilung des Materiales 1A und 1B des Kolbenhauptkörpers ist verschieden.

In dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 5 gezeigt, verteilt sich nämlich das Material, das eine hohe Festigkeit 1A hat, um eine Fläche vom Umfangsabschnitt des Kopfabschnittes 2 zu dem Ringnutabschnitt 5 des Kolbenhauptkörpers 1, während sich das Material, das eine geringere Festigkeit 1B hat, um eine Fläche von dem Mittelabschnitt des Kopfabschnittes 2 zu dem Randabschnitt 3 verteilt. Das Material, das eine hohe Festigkeit 1A hat, erstreckt sich zu einem oberen Abschnitt der Bolzennabe 4, angeordnet zwischen dem Ringnutabschnitt 5, so dass die obere Seite der Bolzenbohrung 6, gebildet in der Bolzennabe 4, aus einem Material hergestellt ist, das eine hohe Festigkeit 1A hat.

Der Kolbenhauptkörper 1 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel wird durch Warmschmieden eines Verbundkolbenmateriales 10, zusammengesetzt aus zwei Arten der Materialien 1A und 1B, erhalten, die, wie in Fig. 6 gezeigt, unterschiedliche Festigkeiten zwischen einer unteren Form 22, vorgewärmt unter einem gesteuerten Zustand auf 250 -450ºC, und einer oberen Form (Stempel) 21, vorgewärmt unter einem gesteuerten Zustand auf 250-450ºC wie in Fig. 8 gezeigt, haben, um dadurch ein erstes geformtes Teil zu erhalten. Dies wird einer spanenden Behandlung durch mechanisches Bearbeiten, wie z. B. dem Entfernen von unnötigen Abschnitten und für die Bildung der Kolbenringnut 5 und eines Bolzenbohrungsabschnittes 6 unterzogen, und, falls gewünscht, einer Oberflächenbehandlung, wie z. B. Plattieren, um dadurch das Fertigerzeugnis zu bilden.

Ein Verbundkolbenmaterial 10 kann, wie in Fig. 6 gezeigt, durch Erwärmen und Strangpressen eines schnell erstarrenden Pulvers einer Aluminiumlegierung (die Pulver von jeweiligen Bestandsteilen enthält) in einer hohlen Stange, wie in Fig. 7 gezeigt, hergestellt werden. Nach dem erstarren wird die Stange in eine vorbestimmte Größe geschnitten, um ein Ringmaterial 1A zu erhalten. Dies wird dann in das Material 1B eingesetzt. Das Einsetzen ein angemessenes Presspassen, das ein Übermaß verwendet. Es kann jedoch eine Übergangspassung oder eine Spielpassung verwendet werden. In diesem Fall sind die Einsetzeingriffsoberflächen durch die Erzeugung eines Oberflächendruckes in der Richtung senkrecht zu den Einsetzeingriffsoberflächen durch Schmieden erstreckt, so dass der oxidierte Film auf den Oberflächen zerbrochen wird, um eine direktes Haftverbinden des Materiales 1A und 1b zu gestatten.

In dem dritten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung, verteilt sich, wie in Fig. 9 gezeigt, das Material, das eine hohe Festigkeit 1A hat, um einen Bereich von dem Umfangsabschnitt des Kopfabschnittes 2 zu dem Randbereich 3, angeordnet außerhalb des Ringnutabschnittes 5 und der Bolzennabe 4 des Kolbenhauptkörpers 1 einzunehmen, während das Material, das eine niedrigere Festigkeit 1B hat, sich auf der Seite der Achse des Kolbenhauptkörpers 1 verteilt, um einen Bereich von dem Mittelabschnitt des Kopfabschnittes 2 zu der Innenseite der Bolzennabe 4 einzunehmen. Das Material, das eine hohe Festigkeit 1A hat, erstreckt sich über den gesamten Umfang der Außenseite des Bolzenbohrungsabschnittes 6, gebildet in der Bolzennabe 4.

Der Kolbenhauptkörper 1 nach dem dritten Ausführungsbeispiel wird erhalten durch Warmschmieden eines Verbundkolbenmateriales 10, zusammengesetzt aus zwei Arten von Materialien 1A und 1B, die unterschiedliche Festigkeiten haben, wie in Fig. 10 gezeigt, zwischen einer unteren Form 22, vorerwärmt unter einem gesteuerten Zustand auf 250-450ºC und einer oberen Form (Stempel) 21, vorerwärmt unter einem gesteuerten Zustand auf 250-450ºC, wie in Fig. 12 gezeigt, um dadurch ein vorgeformtes Teil zu erhalten. Dies wird einer spanenden Behandlung durch mechanisches Bearbeiten, wie z. B. dem Entfernen von unnötigen Abschnitten und für die Bildung der Kolbenringnut 5 und eines Bolzenbohrungsabschnittes 6 unterzogen, und, falls gewünscht, einer Oberflächenbehandlung, wie z. B. Plattieren, um dadurch das Fertigerzeugnis zu bilden.

Ein Verbundkolbenmaterial 10 kann, wie in Fig. 10 gezeigt, durch Strangpressen einer Aluminiumlegierung eines Schmelzerzeugnismateriales beim Erwärmen in eine runde Stange, wie in Fig. 11 gezeigt, hergestellt werden, und gleichzeitigem Erwärmen und Strangpressen eines schnell erstarrenden Pulvers einer Aluminiumlegierung (die Pulver von jeweiligen Bestandsteilen enthält), um so den Umfang der runden Stange des Schmelzerzeugnismateriales zu überziehen. Die zwei stranggepressten Abschnitte sind einstückig erstarrt. Die resultierende Verbundsäule, die Mittel- und Umfangsabschnitte, hergestellt aus unterschiedlichen Materialien hat, wird auf eine vorbestimmte Größe geschnitten, um das Verbundmaterial zu erhalten.

Nach jedem der Ausführungsbeispiele des Kolbens für Brennkraftmaschinen der vorliegenden Erfindung, da der Abschnitt eines Bolzenbohrungsabschnittes 6, der als eine Gleitkontaktoberfläche eines Kolbenbolzens dient, aus einem Material gebildet ist, das eine hohe Festigkeit 1A hat, hat der Bolzenbohrungsabschnitt verbesserte Festigkeit und Verschleißwiderstand, ohne den Ausweg zu nutzen, ein spezifisches Verstärkungsteil in die Bolzennabe 4 zu gießen.

Das in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendete Material 1A hat, wenn mit Material 1B verglichen wird, eine höhere Kosteneinheit wegen des Mischens mit Siliziumkarbid (SiC) und Eisen (Fe), wegen eines hohen Gehaltes von Silizium (Si), wegen der Notwendigkeit des Mischens einer Vielfalt von Bestandteilen, während die Menge derselben gesteuert wird, wegen des Gebrauchs der spezifischen Bestandteilen und wegen der Notwendigkeit des Herstellungsschrittes zum Erzeugen von schnell erstarrendem Pulver. Deshalb ist es notwendig, die pro Kolben verwendete Materialmenge zu sparen. Zusätzlich, da das Material 1A eine größere Menge von Elementen hat, die eine hohe spezifische Schwerkraft haben, und daher die sich ergebende Legierung eine größere spezifische Schwerkraft im Vergleich mit dem Material 1B hat, ist es notwendig, die pro Kolben verwendete Materialmenge zu sparen.

In dieser Hinsicht können die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele jeweils die Materialkosten und das Gewicht des Kolbenhauptkörpers 1 durch Verwenden des Materiales 1A nur in einem Abschnitt, der den Bolzenbohrungsabschnitt 6 umgibt, vermindern. Außerdem wird in dem ersten Ausführungsbeispiel das Material 1A in dem Kopfabschnitt 2 und einem Umfangsabschnitt des Kopfabschnittes 2 des Bolzenbohrungsabschnittes 6 verwendet, auf den die Reaktion der Pleuelstange während der Explosionsverbrennung und die Arbeitskraft von der Pleuelstange während des Aufwärtshubes des Kolbens wirken, so dass der Kolbenhauptkörper 1 ein vermindertes Gewicht hat, während die Steifigkeit und die Festigkeiten um den Ringnutabschnitt 5 herum und den Bolzenbohrungsabschnitt 6 verbessert werden.

In jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, da der oberste Kontaktabschnitt, der sich von einer Nähe des Ringnutabschnittes 5 zu dem Kopfabschnitt 2 erstreckt, aus dem Material hergestellt ist, das eine hohe Festigkeit 1A hat, kann der oberste Kontaktabschnitt der Kraft, die verursacht wird, wenn der Kolbenhauptkörper um den Kolbenbolzen durch die Reaktionskraft der Pleuelstange und den Kolbenschlag während der Explosionsverbrennung geschwungen wird und wenn der oberste Kontaktabschnitt dadurch fest gegen die Zylinderwand gepresst wird, widerstehen.

Weil der oberste Kontaktabschnitt eine hohe Festigkeit hat, ist es möglich, den obersten Kontaktabschnitt klein zu machen, so dass die Menge des Auslassgases, das in einem Spalt zwischen dem obersten Kontaktabschnitt und der Zylinderwand verbleibt, vermindert werden kann, was zu der Verminderung von HC führt.

In dem zweiten Ausführungsbeispiel hat der Kolbenhauptkörper 1 ein vermindertes Gewicht, weil nur der Umfangsabschnitt des Kopfabschnittes aus dem Material 1A mit Blick auf die Tatsache hergestellt ist, dass die Innenbeanspruchung und die Innenverdrehung, erzeugt in dem Kopfabschnitt 2 durch den Explosionsbrenndruck, der auf die obere Oberfläche des Kopfabschnittes wirkte, in dem Umfangsabschnitt größer als in dem Mittelabschnitt des Kopfabschnittes 2 ist.

In jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, da eine schnell erstarrte Pulveraluminiumlegierung, die eine in den obigen Beispielen gezeigte Zusammensetzung hat, wird als das Material, das eine hohe Festigkeit 1A hat, verwendet wird, ist es möglich, die Lebensdauer des Kolbenhauptkörpers 1 infolge des Verschleißwiderstandes und des Widerstandes gegen Zusammenbacken des Materiales 1A zu erhöhen. Außerdem, da das Material 1A einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten 1A hat, kann die thermische Verformung des Kolbenhauptkörpers 1 vermindert werden. Insbesondere in dem Fall des dritten Ausführungsbeispieles, da der Randabschnitt 3 aus dem Material 1A hergestellt ist, kann der Verschleißwiderstand des Kolbenhauptkörpers 1 sicher verbessert werden.

Außerdem, in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, da eine schnell erstarrte Pulveraluminiumlegierung, die eine geringe thermische Leitfähigkeit hat, als das Material, das eine hohe Festigkeit 1A hat, verwendet wird, wird die Wärmeleitung aus dem Kopfabschnitt, der eine zu der Brennkammer zu dem Bolzenbohrungsabschnitt 6 freigelegte obere Oberfläche hat, vermindert, so dass der Verschleißwiderstand des Kolbenhauptkörpers 1, der der hohen Temperatur unterworfen ist, verbessert wird.

In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird ein Aluminiummaterial eines Rohlingmateriales verwendet, das eine hohe thermische Leitfähigkeit als das Material, das eine geringe Festigkeit 1B hat, das verteilt ist, um eine Fläche von dem Mittelabschnitt des Kopfab- Schnittes 2 zu dem Randabschnitt 3 einzunehmen, wodurch die Wärme des Kopfabschnittes 2 durch das Material 1B von dem Randabschnitt 3 zu der Zylinderwand mit hoher Effektivität übertragen werden kann, so dass die Temperatur des Kopfabschnittes 2 vermindert ist, die thermische Festigkeit des Kopfabschnittes freizugeben. Als ein Ergebnis ist es möglich, den Kopfabschnitt 2 dünn zu machen, so dass der Kolbenhauptkörper 1 im Gewicht reduziert werden kann.

In jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ist der Kolbenhauptkörper 1 eine Grundform, erhalten durch Schmieden eines Verbundkolbenmateriales 10, erhalten durch einstückiges Haftverbinden oder einfaches Übereinanderiegen der zwei Arten von Materialien 1A und 1B, die unterschiedliche Festigkeiten haben, die Haftschnittstelle des Materiales 1A und des Materiales 1B des Kolbenhauptkörpers 1 wird durch Schmieden verlängert, so dass das resultierende Teil in einem festeren einstöckigen Zustand ist, wenn mit jenem des vorhergehenden Schmieden verglichen wird.

Jedes der Ausführungsbeispiele eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung ist vorhergehend beschrieben worden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele begrenzt. Z. B. sind die zwei Arten der Materialien 1A und 1B, die unterschiedliche Festigkeiten haben, nicht auf jene in den obigen Ausführungsbeispielen als Beispiel genannten begrenzt. Die vorliegende Erfindung kann unter Verwendung irgendwelcher anderer geeigneter Materialien praktisch angewandt werden. Auch ist das Verfahren der Herstellung des Kolbenhauptkörpers 1 nicht auf das bestimmte Schmiedeverfahren, wie in den obigen Ausführungsbeispielen veranschaulicht, begrenzt, sondern es kann vielmehr irgendein weiteres geeignetes Verfahren für die Herstellung desselben verwendet werden.

Entsprechend des Kolbens für eine Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung, wie oben erläutert, können die Festigkeiten und der Verschleißwiderstand eines Bolzenbohrungsabschnittes, der eine Gleitkontaktoberfläche für einen Kolbenbolzen vorsieht, verbessert werden, ohne die Gewichtsverminderung des Kolbenhauptkörpers zu verhindern, die durch Vergrößern einer Bolzennabe verursacht würde.

Im Folgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. Fig. 15 zeigt einen Kolbenhauptkörper eines Ausführungsbeispieles des Kolbens einer Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung; (A) ist eine Seitenansicht, gezeigt in der axialen Richtung eines Bolzenbohrungsabschnittes, (B) zeigt eine obere Oberfläche des Kopfabschnittes, wenn von oben gesehen wird, und (C) zeigt einen vertikalen Querschnitt entlang der Linie C-C in Figur (B).

Der Kolbenhauptkörper 1 wird durch einstückiges Formen durch Schmieden eines dicken zylindrischen Materiales in ein erstes geformtes Teil erhalten, das einen Kopfabschnitt 2 hat, der eine obere Oberfläche hat, die in eine Brennkammer ausgesetzt wird, und das einen Randabschnitt 3 hat, um mit einer Innenfläche eines Zylinders gleitbar in Kontakt zu sein, so dass die Dicke der Wand in einer mit einer Bolzennabe 4 versehenen Seite groß ist und sich allmählich von der Bolzennabe 4 zu einer Seite, die keine Bolzennabe 4 hat, nach unten vermindert, wobei das zuerst geformte Teil mechanisch bearbeitet wird, um unnötige Abschnitte abzutrennen und um die Kolbenringnut 5 und einen Bolzenbohrungsabschnitt 6 zu bilden, gefolgt durch, sofern notwendig, einer Oberflächenbehandlung, wie z. B. Plattieren, um dadurch in ein Fertigerzeugnis fertig zu stellen.

Der Kolbenhauptkörper 1 wird aus zwei Arten von Materialien 1A und 1B hergestellt, die unterschiedliche Festigkeiten haben, die einstückig durch Schmieden in ihren Grenzen haftverbunden werden. In diesem Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 15(D) gezeigt, erstreckt sich das hochfeste Material 1A von einer oberen Oberfläche des Kopfabschnittes 2 zu einem Randabschnitt 3 unter einem Ringnutabschnitt 5, so dass die Länge von dem oberen Abschnitt des Kopfabschnittes 2 in einem Zwischenabschnitt zwischen zwei Bolzenbohrungsabschnitten (Bolzennaben 4) länger ist, als jene in einer Nähe der Bolzennabenabschnitte (Bolzennaben 4).

Das hochfeste Material 1A, das auf der Außenumfangsfläche des Kolbenhauptkörpers ausgesetzt ist, verteilt sich, wie in Fig. 15(C) gezeigt, in einem Umfang (äußere Umfangsflächenseite) des Kolbenhauptkörpers, während sich das Material mit einer geringeren Festigkeit 1B als das Material 1A verteilt, um von einem Mittelabschnitt (Achsenseite) einen unteren Endabschnitt des Randabschnittes 3 einzunehmen.

Der Kolbenhauptkörper 1 des vorliegenden Ausführungsbeispieles kann durch erstes Formen durch Schmieden hergestellt werden, wie in Fig. 16 gezeigt, aus einem Verbundkolbenmaterial 10, wie in Fig. 17 gezeigt, zusammengesetzt aus zwei Arten von Materialien 1A und 1B, miteinander eingesetzt und die unterschiedliche Festigkeiten haben. Als ein Ergebnis sind in dem Kolbenhauptkörper 1 das Material, das eine hohe Festigkeit 1A hat, und das Material, das eine geringe Festigkeit 1B hat, miteinander haft verbunden, so dass die Einsetzeingriffsoberflächen durch Schmieden verlängert werden, während sie einer tangentialen Belastung unterworfen werden und fest in einen einheitlichen Aufbau eingefügt sind.

Das Einsetzen des Materials 1A in das Material 1B erfolgt angemessen durch Presspassen, das eine Presspassung verwendet. Es kann jedoch eine Übergangspassung oder eine Spielpassung verwendet werden. In diesem Fall sind die Einsetzeingriffsoberflächen durch die Erzeugung eines Oberflächendruckes in der Richtung senkrecht zu den Einsetzeingriffsoberflächen durch Schmieden erstreckt, so dass der oxidierte Film auf den Oberflächen zerbrochen wird, um eine direktes Haftverbinden des Materiales 1A und 1b zu gestatten.

Das Schmieden des Verbundkolbenmateriales 10 in eine erste Form des Kolbens, wird, wie in Fig. 16 gezeigt, ausgeführt in einer unteren Form 22, zusammengesetzt aus Seitenformen 22a und einer Bodenform 22b, und vorerwärmt unter einem gesteuerten Zustand von 250-450ºC, und einer oberen Form (Stempel) 21, vorerwärmt unter einem gesteuerten Zustand von 250-450ºC. Durch das Warmschmieden, das die oberen und unteren Formen 21 und 22 verwendet, jedes auf eine gesteuerte Temperatur vorerwärmt, kann ein erstes geformtes Teil des Kolbenhauptkörpers, der eine präzise Abmessung hat, unter angemessenen Gebrauch der Dehnbarkeit der Aluminiumlegierung erhalten werden.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, kann als das Material, das eine hohe Festigkeit 1A zum Formen des oben beschriebenen Kolbenhauptkörpers hat, z. B. eine Aluminiumlegierung verwendet werden, erhalten durch Erstarren des schnell erstarrenden Pulvers und das Aluminium (Al) als ein Grundmaterial enthält, und, zusätzlich, 10-22 Gew.-% von Silizium (Si), 1-10 Gew.-% von Eisen (Fe), 0,5-5 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5-5 Gew.-% von Magnesium (Mg), 1 Gew.-% oder weniger Mangan (Mn), 1 Gew.-% oder weniger Nickel (Ni), 1 Gew.-% oder weniger Chrom (Cr), 2 Gew.-% oder weniger Zirkon (Zr) und 1 Gew.-% oder weniger Molybdän (Mo).

Ein Beispiel von solchem Material ist eine durch Erstarren von schnell erstarrendem Pulver erhaltene Aluminiumlegierung, die 17 Gew.-% von Silizium (Si), 5 Gew.-% von Eisen (Fe), 1 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5 Gew.-% von Magnesium (Mg), 0,01 Gew.-% Mangan (Mn), 0,01 Gew.-% Nickel (Ni), 0,01 Gew.-% Chrom (Cr), 1 Gew.-% Zirkon (Zr) und 0.01 Gew.-% Molybdän (Mo) enthält.

Außerdem kann in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, als ein weiteres Materialbeispiel, das eine hohe Festigkeit 1A hat, eine durch Erstarren von schnell erstarrendem Pulver erhaltene Aluminiumlegierung verwendet werden und die Aluminium (Al) als ein Grundmaterial enthält und 10-22 Gew.-% von Silizium (Si), 1-10 Gew.-% von Eisen (Fe), 0,5-5 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5-5 Gew.-% von Magnesium (Mg), 1 Gew.-% oder weniger Mangan (Mn), 1 Gew.-% oder weniger Nickel (Ni), 1 Gew.-% oder weniger Chrom (Cr), 2 Gew.-% oder weniger Zirkon (Zr) und 1 Gew.-% oder weniger Molybdän (Mo) und zusätzlich 1-10 Gew.-% Siliziumkarbid (SiC), das zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes verwendet wird und das ein härterer Bestandteil als Silizium (Si) ist.

Als ein Beispiel für solch eine Legierung kann eine Aluminiumlegierung erwähnt werden, erhalten durch Erstarren des schnell erstarrenden Pulvers und die 17 Gew.-% von Silizium (Si), 5 Gew.-% von Eisen (Fe), 1 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5 Gew.-% von Magnesium (Mg), 0.01 Gew.-% Mangan (Mn), 0,01 Gew.-% Nickel (Ni), 0,01 Gew.-% Chrom (Cr), 1 Gew.-% oder weniger Zirkon (Zr), 0,01 Gew.-% Molybdän (Mo) und 5 Gew.-% von Siliziumkarbid (SiC).

In jedem der oben beschriebenen Materialien, die eine hohe Festigkeit 1A hat, sind Silizium (Si) und Siliziumkarbid (SiC) hinzugesetzt, um den Verschleißwiderstand und den Widerstand gegen Zusammenbacken durch das Vohandensein von harten Teilchen in der Metalltextur zu verbessern. Eisen (Fe) ist hinzugesetzt, um eine hohe Festigkeit bei 200ºC oder mehr durch Dispergieren und Verfestigen der Materialtextur zu erhalten. Kupfer (Cu) und Magnesium (Mg) sind hinzugesetzt, um die Festigkeit bei 200ºC oder weniger zu verbessern.

Die Beträge dieser Bestandteile außerhalb der oben beschriebenen Bereiche versagen, um den gewünschten Verschleißwiderstand, den Widerstand gegen Zusammenbacken und die Festigkeiten bei hohen Temperaturen zu erhalten.

Als das Material, das eine geringe Festigkeit 1B zum Bilden des Kolbenhauptkörpers 1 hat, kann zusammen mit dem oben beschriebenen Material, das eine hohe Festigkeit 1A hat, eine Aluminiumlegierung verwendet werden, herkömmlich zum Gießen als ein Schmelz- Herstellungstyp (Stranggussmaterial) verwendet werden, nämlich eine Aluminiumlegierung eines Schmelz- Herstellungstyps, der Aluminium (Al) als ein Grundmateri al enthält und zusätzlich 10-22 Gew.-% von Silizium (Si), 1 Gew.-% oder weniger Eisen (Fe), 0,5-5 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5-2 Gew.-% von Magnesium (Mg), 1 Gew.-% oder weniger Mangan (Mn), 1 Gew.-% oder weniger Nickel (Ni), 1 Gew.-% oder weniger Chrom (Cr).

Ein besonderes Beispiel solch eines Materiales ist eine Aluminiumlegierung des Schmelz- Herstellungstyps, enthaltend 19 Gew.-% von Silizium (Si), 0,2 Gew.-% Eisen (Fe), 4 Gew.-% von Kupfer (Cu), 1 Gew.-% von Magnesium (Mg), 0,1 Gew.-% Mangan (Mn), 0.1 Gew.-% Nickel (Ni) und 0,1 Gew.-% Chrom (Cr).

In Bezug auf die oben beschriebene schnell erstarrende Pulveraluminiumlegierung als Beispiele des Materiales, das eine hohe Festigkeit 1A hat, wird ein Rohling einer Aluminiumlegierung bei ungefähr 700ºC oder mehr geschmolzen und die Schmelze wird wie ein Nebel gesprüht, um schnell abzukühlen und bei einer Abkühlgeschwindigkeit von zumindest 100ºC/sec erstarren zu lassen, um dadurch schnell erstarrtes Pulver (Pulvermetall) der Aluminiumlegierung zu erhalten, die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von ungefähr 100 um hat. Nach dem Zusammenbringen mit Pulvern von notwendigen Bestandteilkomponenten, wird das schnell erstarrte Pulver der Aluminiumlegierung auf 400-500ºC erwärmt, wie in Fig. 18 gezeigt, und in einen Hohlzylinder stranggepresst und erstarren gelassen. Der Zylinder wird auf eine vorbestimmte Größe abgeschnitten, um dadurch ein ringförmiges Material 1A zu erhalten. Das Material 1B wird dann in das Material 1A eingesetzt, um eine Verbundkolbenmaterial 10 zu erhalten, wie in Fig. 17 gezeigt.

In jedem der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten Materialbeispiele, die eine hohe Festigkeit 1a haben, wird jedes Bestandteil, wie z. B. Silizium (Si) und Eisen (Fe) in einen fein verteilten Zustand eines durchschnittlichen Teilchendurchmessers von 10 um oder weniger in der Pulveraluminiumlegierung, die einen durchschnittlichen Teilchendurchmessers von ungefähr 100 um hat, dispergiert.

So wird z. B. Silizium (Si) in solch einem fein verteilten Zustand in der Aluminiumtextur dispergiert, dass der Teilchendurchmesser des Ausgangskristallsiliziums 10 um oder weniger ist, selbst wenn das Material 1A in eine dünne Wand während des Schmiedeformens des vorgeformten Teiles des Kolbenhauptkörpers 1 gestreckt wird, wobei keine Risse in den ersten Siliziumteilchen in dem Randbereich gebildet werden, und, demzufolge hat der geformte Kolbenhauptkörper eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit.

In dem Fall des Beispieles, in dem Siliziumkarbid (SiC) enthalten ist, da das Siliziumkarbid (SiC) in der Textur der Aluminiumlegierung gleichmäßig in einem fein verteilten Zustand dispergiert ist, kann ein verbesserter Verschleißwiderstand erhalten werden.

In Bezug auf Eisen (Fe), da eine schnell erstarrende Pulveraluminiumlegierung, die Eisen (Fe) in einem fein verteilten Zustand enthält, durch Schmieden gebildet wird, wird die Bildung von grobkörnigen Eisenbestandteilen verhindert, so dass eine gleichmäßige Metalltextur, frei von Eisenbestandteilen, die Spannungsbeanspruchungen verursachen würden, erhältlich ist. Deshalb können die Eisenbestandteile in einer größeren Menge im Vergleich mit dem Fall, in dem ein Kolbenhauptkörper primär durch ein herkömmliches Gießverfahren gebildet wird, zugesetzt werden, was die Vorbereitung einer Legierung ermöglicht, die eine hohe Festigkeit hat.

Andererseits, wenn ein Kolbenhauptkörper dem primären Formen durch das herkömmliche Gießverfahren unterworfen wird, das als ein Material eine Aluminiumlegierung verwendet, die eine große Menge Eisen enthält, werden grobkörnige Eisenbestandteile in der Legierung nach dem Abkühlen nach dem Gießen gebildet, so dass die Festigkeiten dazu neigen vermindert zu werden.

Außerdem sind die weiteren Bestandteilkomponenten in dem Aluminiumlegierungspulver auch als feines Pulver enthalten und da das Aluminiumlegierungspulver in eine dichte Kristalltextur durch Erstarren und Schmieden geformt wird, verursachen diese Bestandteile keine Verminderung in der Festigkeit infolge der Beanspruchung in den Kristallkorngrenzen, um dadurch die Ermüdungsfestigkeit zu verbessern.

Jedes der Beispiele in dem oben beschriebenen Material, das eine hohe Festigkeit 1A hat und ein Beispiel des Materiales, das eine niedrige Festigkeit 1B hat, wird Vergleichstest in Bezug zu dem Verschleißwiderstand und der Ermüdungsfestigkeit unterzogen. Die Ergebnisse sind wie folgt.

Fig. 13 zeigt nämlich die Ergebnisse vom Reibverschleißtest (Eine Testprobe wird als ein Rotor verwendet. Ein Aufsatz eines vorbestimmten Materiales wird wiederholt gegen den Rotor gepresst, der in einem drehenden Zustand gehalten wird. Der Bereich der Verschleißmarkierungen in den Kontaktoberflächen repräsentiert den Verschleißgrad), ausgeführt bei einer Testtemperatur von 250ºC, um den Verschleißwiderstand jedes Mate rialbeispieles 1A, das eine hohe Festigkeit hat (Beispiel A1, das SiC enthält, und Beispiel A-2, das kein SiC enthält) mit einem Beispiel (Beispiel B) des Materiales, das eine geringe Festigkeit 1B hat zu vergleichen, aus dem es deutlich wird, dass beide Materialien 1A (Beispiel A1 und Beispiel A2) einen höheren Verschleißwiderstand bei einer höheren Temperatur besitzen, wenn mit dem Material 1B (Beispiel B) verglichen wird.

Fig. 14 zeigt die Ergebnisse vom Ermüdungstest (Auf die Testprobe wird eine Sinusbelastung angewandt. Die Ermüdungsgrenze repräsentiert die Anzahl der Wiederholungen (eine Anzahl repräsentiert einen Zeitraum der Sinuskurve), bis die Testprobe zerbrochen ist.), ausgeführt bei Testtemperaturen von 25ºC, 150ºC und 250ºC, um die Ermüdungsfestigkeit jedes Materialbeispieles, das eine hohe Festigkeit 1A hat (Beispiel A1, das SiC enthält, und Beispiel A-2, das kein SiC enthält), mit einem Beispiel (Beispiel B) des Materiales, das eine geringe Festigkeit 1B hat zu vergleichen, aus dem es deutlich wird, dass beide Materialien 1A (Beispiel A1 und Beispiel A2) eine höhere Ermüdungsfestigkeit bei jeder Testtemperatur besitzen, wenn mit dem Material 1B (Beispiel B) verglichen wird.

Oben beschrieben ist ein Ausführungsbeispiel für eine Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung. Fig. 19 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kolbens für eine Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel sind dieselben Materialien 1A und 1B, wie jene als Beispiele in dem obigen Ausführungsbeispiel gezeigten, verwendet Aber der Zustand der Verteilung der Materialien 1A und 1B des Kolbenhauptkörpers ist unterschiedlich.

In dem Kolbenhauptkörper nach dem ersten Ausführungsbeispiel ist nämlich der Randabschnitt 3 kontinuierlich in einem langgestreckten Zustand überall am Umfang des Kolbenhauptkörpers gebildet, mit einer unteren Endseite des Randabschnittes 3, der aus dem Material 1B, das eine geringe Festigkeit hat, gebildet ist. Andererseits ist in dem Kolbenhauptkörper nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Randbereich 4 mit von den unteren Enden abgeschnittenen Abschnitten an Positionen versehen, die einem Paar von Bolzennaben 4 entsprechen, so dass der Randabschnitt 3 an einem größeren Teil der Abschnitte außerhalb der Bolzennaben 4 nicht vorhanden ist. Als ein Ergebnis ist der Kolbenhauptkörper als ein Ganzes im Gewicht leicht, in der gesamten Seitenwand des Kolbenhauptkörpers 1, wobei die Außenumfangsoberfläche aus dem Material hergestellt ist, das eine hohe Festigkeit 1A hat.

Der Kolbenhauptkörper 1 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel wird nicht durch Warmschmieden eines aus zwei Arten von Materialien 1A und 1B zusammengesetzten Verbundkolbenmateriales 10 erhalten, die, wie in Fig. 21 gezeigt, unterschiedliche Festigkeiten haben, zwischen einer unteren Form 22, vorerwärmt unter einem gesteuerten Zustand von 400-500ºC und einer oberen Form (Stempel) 21, vorerwärmt unter einem gesteuerten Zustand von 400-500ºC, wie in Fig. 20 gezeigt, um dadurch ein erstes geformtes Teil zu erhalten. Dieses wird einer Fertigbehandlung durch ein mechanisches Bearbeiten unterzogen, wie z. B. zum Entfernen unnötiger Abschnitte und für die Bildung der Kolbenringnut 5 und eines Bolzenbohrungsabschnittes 6 und, falls gewünscht, einer Oberflächenbehandlung, wie z. B. Plattieren, um dadurch das Fertigerzeugnis zu bilden.

Ein Verbundkolbenmaterial 10 kann, wie in Fig. 21 gezeigt, durch Strangpressen einer Aluminiumlegierung eines Rohling- Materiales durch Erwärmen in eine runde Stange und gleichzeitigem Erwärmen und Strangpressen eines schnell erstarrenden Pulvers einer Aluminiumlegierung (die Pulver der jeweiligen Bestandteilkomponenten enthält) erzeugt werden, um so den Umfang der runden Stange der Rohling- Aluminiumlegierung zu überziehen. Die zwei stranggepressten Abschnitte sind einstückig erstarrt. Die resultierende Verbundsäule, die aus verschiedenen Materialien hergestellte Mittel- und Umfangsabschnitte hat, wird in eine vorbestimmte Größe geschnitten, um das Verbundmaterial zu erhalten.

Nach jedem der Ausführungsbeispiele des Kolbens für Brennkraftmaschinen der vorliegenden Erfindung, da die Außenumfangsseite des Kolbenhauptkörpers 1 aus dem Material gebildet ist, das eine hohe Festigkeit 1A in dem langen Bereich von dem Kopfabschnitt 2 zu dem unteren Abschnitt des Randabschnittes 3 durch den Ringnutabschnitt 5 an einer Zwischenabschnittsseite zwischen den beiden Kolbennaben 4 des Kolbenhauptkörpers 1 hat, nämlich auf der Seite, an der der Kolbenhauptkörper gegen die Zylinderwand durch eine Reaktionskraft von einer Pleuelstange während der Explosionsverbrennung und durch eine Arbeitskraft gedrückt wird, obwohl eine schwache Kraft von der Pleuelstange während des Aufwärtshubes des Kolbens wirkt, ist es möglich, eine ausreichende Festigkeit zum Widerstehen des Fressens des Kolbenhauptkörpers 1an die Zylinderwand zu sichern.

Da eine ausreichende Festigkeit zum Widerstehen des Fressens des Kolbenhauptkörpers 1 an die Zylinderwand gesichert ist, ist es möglich, den obersten Kontaktabschnitt klein zu machen, so dass die Menge eines Abgases, die in dem Spalt zwischen dem obersten Kontaktabschnitt und der Zylinderwand verbleibt, vermindert werden kann, was zu einer Verminderung von HC führt. Gleichzeitig, da die Dicke des Außenumfangsabschnittes des Kopfabschnittes 2 klein gemacht werden kann, kann das Gewicht des Kolbenhauptkörpers 1 entsprechend vermindert werden.

In jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, da eine schnell erstarrende Pulveraluminiumlegierung, die eine in den obigen Beispielen gezeigte Zusammensetzung hat, als das Material, das eine hohe Festigkeit 1a hat, verwendet wird, ist es möglich, den Verschleißwiderstand des Randbereiches 1 zu verbessern und die Lebensdauer des Kolbenhauptkörpers 1 infolge des Verschleißwiderstandes und des Widerstandes zum Zusammenbacken des Materiales 1a zu verlängern. Da das Material 1A einen kleinen Ausdehnungskoeffizienten hat, kann die thermische Verformung des Kolbenhauptkörpers 1 vermindert werden.

Das in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendete Material 1A hat, wenn mit dem Material 1B verglichen wird, eine höhere Kosteneinheit, wegen des Mischens mit Siliziumkarbid (SiC) und Eisen (Fe), wegen eines hohen Gehaltes vin Silizium (si), wegen der Notwendigkeit des Mischens einer Vielzahl von Bestandteilen, während des Steuerns der mengen derselben, wegen des Gebrauchs von besonderen Bestandteilkomponenten und wegen der Notwendigkeit von Herstellungsschritten zum Erzeugen von schnell erstarrenden Pulvers. Deshalb ist es notwendig, die Menge des pro Kolben verwendeten Materiales zu sparen. Zusätzlich, da das Material 1A eine größere Menge von Elementen enthält, die eine hohe spezifische Schwerkraft haben, und daher, die resultierende Legierung im Vergleich mit dem Material 1B hat eine größere spezifische Schwerkraft, ist es notwendig, die Menge des pro Kolben verwendeten Materiales zu sparen.

In diesem Hinblick kann jedes der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele die Materialkosten und das Gewicht des Kolbenhauptkörpers 1 vermindern, wenn mit dem Fall verglichen wird, in dem ein aus dem Material 1A hergestellter Abschnitt durchweg den Umfang der Umfangsaußenoberfläche des Kolbenhauptkörpers durch Verlängerung eines aus dem Material 1A hergestellten Abschnittes, nur in einem Zwischenabschnitt zwischen den zwei Bolzennaben 4, verlängert wird. Jetzt kann, wie oben beschrieben, die Festigkeit zum Widerstehen des Fressens des Kolbenhauptkörpers an die Zylinderwand, ausreichend gesichert werden.

In jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, während die Steifigkeit und die Festigkeit des Randbereiches gesichert wird, um der Presskraft an die Zylinderwand zu widerstehen, kann das Gewicht des Randabschnittes 3 durch Reduzieren der Dicke derselben weiter vermindert werden, wenn mit dem fall verglichen wird, in dem der Randbereich nur aus dem Material B hergestellt ist. Da zumindest eine kleine Dicke in der Herstellung durch Schmieden erforderlich ist, gibt es beim Reduzieren der Dicke des Randbereiches eine Grenze, wenn der Randbereich nur aus dem Material A hergestellt ist. Wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kann durch Verwenden des Materiales B in der Innenseite (Achsenseite des Kolbenhauptkörpers), während das Material A in einer Oberfläche (Außenumfangsoberflächenseite des Kolbenhauptkörpers) des Randbereiches 3 verwendet wird, die Gewichtsverminderung von und die Materialkosten für den Kolbenhauptkörper erreicht werden, während der Verschleißwiderstand, der zumindest notwendige Grad von Festigkeit und Steifigkeit, gesichert ist.

In dem weiteren Ausführungsbeispiel, der Kolbenhauptkörper 1 ist vorgeformt durch Schmieden eines Verbundkolbenmateriales 10 erhalten, erhalten durch einstückiges Haftverbinden der zwei Arten von Materialien 1A und 1B, die unterschiedliche Festigkeiten haben, wird die Haftschnittstelle des Materiales 1A und des Materiales 1B des Kolbenhauptkörpers 1 durch Schmieden so langgestreckt, dass das resultierende Teil in einem festeren einstückigen Zustand ist, wenn mit jenem des vorhergehenden verglichen wird.

Jedes der Ausführungsbeispiele eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung ist in dem Vorhergehenden beschrieben worden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die vorherigen Ausführungsbeispiele begrenzt. Z. B. kann der Kolbenhauptkörper 1, der eine wie in Fig. 15 gezeigte Form und Gestalt hat, durch Schmieden des Verbundkolbenmateriales 10, wie in Fig. 21 gezeigt, erhalten durch den in Fig. 22 gezeigten Schritt durch Verwendung einer wie in Fig. 16 gezeigten Schmiedeform, präpariert sein. In diesem Fall, da die Kolbennabe 4 dick ist, wird ein Aufbau verwendet, bei dem sich das Material 1A nicht ausreichend zu dem Randbereich 3 unter den Bolzenbohrungsabschnitt 6 erstreckt.

Der Kolbenhauptkörper, der eine wie in Fig. 19 gezeigte Form und Gestalt hat, kann ebenso durch Schmieden des Verbundkolbenmateriales 10, wie in Fig. 17 gezeigt, erhalten durch den in Fig. 18 gezeigten Schritt, mit der Verwendung einer Schmiedeform, wie in Fig. 20 gezeigt, präpariert sein. Auch in diesem Fall, obwohl sich der aus dem Material 1A hergestellte Abschnitt nicht auf ein unteres Ende des Randabschnittes 3 erstreckt, ist es möglich, dass sich die Oberfläche des aus dem Material 1A hergestellten Randabschnittes zu dem unteren Abschnitt des Bolzenbohrungsabschnittes 6 erstreckt. In diesem Fall, durch kleines Ausbilden des Innendurchmessers des Ringes aus ringförmigen Material 1A des in Fig. 17 gezeigten Verbundkolbenmateriales 10, oder durch Erhöhen der Höhe dessen, ist es möglich, den aus dem Material 1A hergestellten Abschnitt nahe des unteren Endes des Randabschnittes erstrecken zu lassen.

Außerdem sind in dem Kolben für Brennkraftmaschinen nach der vorliegenden Erfindung die zwei Arten von Materialien 1A und 1B, die unterschiedliche Festigkeiten haben, nicht auf jene beispielhaften in den obigen Ausführungsbeispielen begrenzt. Die vorliegende Erfindung kann durch jede andere geeignete Materialien praktisch angewendet werden. Auch ist das Verfahren der Herstellung des Kolbenhauptkörpers 1 nicht auf das spezielle Schmiedeverfahren, wie in den obigen Ausführungsbeispielen veranschaulicht, begrenzt, sondern ziemlich jedes andere geeignete Verfahren kann für die Herstellung desselben verwendet werden.

Nach dem Kolben für eine Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung, wie oben erläutert, können die Festigkeiten zum Widerstehen des Drückens eines Kolbenhauptkörpers auf eine Zylinderwand und der Verschleißwiderstand eines Randabschnittes verbessert werden, während die Materialkosten für die Produktion des Kolbenhauptkörpers gespart werden und das Gewicht des Kolbenhauptkörpers reduziert wird, ohne den obersten Kontaktabschnitt des Kolbenhauptkörpers zu erhöhen und ohne die Menge des verbleibenden Abgases zu erhöhen.

Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 24 zeigt einen Kolbenhauptkörper eines Ausführungsbeispieles des Kolbens einer Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung; (A) ist, wenn in axialer Richtung eines Bolzenbohrungsabschnittes gesehen wird, eine Seitenansicht; (B) zeigt, wenn von oben gesehen, eine obere Oberfläche eines Kopfabschnittes, und (C) zeigt einen vertikalen Querschnitt entlang der Linie C-C in Figur (B).

Der Kolbenhauptkörper 1 wird durch einstückiges Formen durch Schmieden eines dicken, scheibenförmigen Kolben- Schmiedestückmateriales in ein erstes geformtes Teil erhalten, das einen Kopfabschnitt 2 hat, der eine obere Oberfläche hat, um in einer Brennkammer ausgesetzt zu werden und einen Randabschnitt 3, um gleitbar in Kontakt mit einer Innenoberfläche eines Zylinders zu sein, so dass die Dicke der mit einer Bolzennabe 4 versehenen Wand in einer Seite groß ist und allmählich nach unten von der Bolzennabe 4 in eine Seite, die keine Bolzennabe 4 hat, abnimmt, wobei das kolbenbildende Material, so vorgeformt (erstes Formteil), mechanisch bearbeitet wird, um unnötige Abschnitte zu entfernen und eine Kolbenringnut 5 und einen Bolzenbohrungsabschnitt 6 zu bilden, gefolgt durch, falls notwendig, eine Oberflächenbehandlung, wie z. B. Plattieren, um dadurch ein Fertigerzeugnis fertig zu stellen.

Der Kolbenhauptkörper 1 ist aus zwei Arten von Materialien 1A und 1B hergestellt, die unterschiedliche Festigkeiten haben und durch Schmieden in ihren Grenzflächen haftverbunden sind. Das Material 1A, gebildet aus einem schnell erstarrenden Pulver (Pulvermetall) einer Aluminiumlegierung, als ein hochfestes Material, verteilt sich in einem Außenumfangsabschnitt (Seitenwandabschnitt) des Kopfabschnittes 2, um von einem Umfang des Kopfabschnittes 2 zu einem Ringnutabschnitt 5 eine Außenseite der Bolzennabe 4 und den Randabschnitt 3 einzunehmen, während sich das Material 1B, gebildet aus einem Stranggussmaterial (Rohmaterial) einer Aluminiumlegierung, als ein Material mit einer geringeren Festigkeit, als das Material 1A, in einem Mittelteil (Achsabschnitt) des Kolbenhauptkörpers 1 verteilt, um ein Mittelteil des Kopfabschnittes 2 zu einer Innenseite der Bolzennabe 4 einzunehmen.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann als das schnell erstarrende Pulver zum Bilden eines Materiales 1A des oben beschriebenen Kolbenhauptkörpers z. B. eine Aluminiumlegierung verwendet werden, erhalten durch Erstarrung von schnell erstarrendem Pulver und die Aluminium (A1) als ein Basismaterial enthält, und zusätzlich 10-22 Gew.-% von Silizium (Si), 1-10 Gew.-% von Eisen (Fe), 0,5-5 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5 -5 Gew.-% von Magnesium (Mg), 1 Gew.-% oder weniger Mangan (Mn), 1 Gew.-% oder weniger Nickel (Ni), 1 Gew.-% oder weniger Chrom (Cr), 2 Gew.-% oder weniger Zirkon (Zr) und 1 Gew.-% oder weniger Molybdän (Mo).

Ein Beispiel solch eines Materiales ist eine Aluminiumlegierung, erhalten durch Erstarrung von schnell erstarrendem Pulver und die 17 Gew.-% von Silizium (Si), 5 Gew.-% von Eisen (Fe), 1 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5 Gew.-% von Magnesium (Mg), 0,01 Gew.-% Mangan (Mn), 0,01 Gew.-% Nickel (Ni), 0,01 Gew.-% Chrom (Cr), 1 Gew.-% Zirkon (Zr) und 0.01 Gew.-% Molybdän (Mo) enthält.

Außerdem kann in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, als ein weiteres Beispiel des schnell erstarrenden Pulvers einer Aluminiumlegierung zum Bilden des Teiles des Materiales 1A, eine Aluminiumlegierung verwendet werden, die Aluminium (Al) als ein Grundmaterial enthält und 10-22 Gew.-% von Silizium (Si), 1-10 Gew.-% von Eisen (Fe), 0,5-5 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5-5 Gew.-% von Magnesium (Mg), 1 Gew.-% oder weniger Mangan (Mn), 1 Gew.-% oder weniger Nickel (Ni), 1 Gew.-% oder weniger Chrom (Cr), 2 Gew.-% oder weniger Zirkon (Zr) und 1 Gew.-% oder weniger Molybdän (Mo) und zusätzlich 1-10 Gew.-% Siliziumkarbid (SiC), das zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes verwendet wird und das ein härterer Bestandteil als Silizium (Si) ist.

Als ein Beispiel solch einer Legierung kann eine Aluminiumlegierung erwähnt werden, erhalten durch Erstarren des schnell erstarrenden Pulvers und die 17 Gew.-% von Silizium (Si), 5 Gew.-% von Eisen (Fe), 1 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5 Gew.-% von Magnesium (Mg), 0.01 Gew.-% Mangan (Mn), 0,01 Gew.-% Nickel (Ni), 0,01 Gew.-% Chrom (Cr), 1 Gew.-% oder weniger Zirkon (Zr), 0,01 Gew.-% Molybdän (Mo) und 5 Gew.-% von Siliziumkarbid (SiC).

In jedem des oben beschriebenen schnell erstarrenden Pulvers einer Aluminiumlegierung sind Silizium (Si) und Siliziumkarbid (SiC) zugesetzt, um den Verschleißwiderstand und den Widerstand zum Zusammenbacken durch das Vorhandensein von harten Teilchen in der Metalltextur zu verbessern. Eisen (Fe) wird zugesetzt, um eine hohe Festigkeit bei 200ºC oder mehr durch Dispergieren und Verfestigen der Metalltextur zu erhalten. Kupfer (Cu) und Magnesium (Mg) sind zugesetzt, um die Festigkeit bei 200ºC oder weniger zu verbessern. Die Mengen von diesen Komponenten außerhalb des oben beschriebenen Bereiches versagen den gewünschten Verschleißwiderstand, den Widerstand zum Zusammenbacken und die erforderlichen Festigkeiten bei hohen Temperaturen zu erhalten.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann als das Stranggussmaterial (Rohmaterial) zum Bilden des anderen Teiles des Materiales 1B des Kolbenhauptkörpers eine Aluminiumlegierung von Stranggussmaterial verwendet werden, herkömmlich zum Gießen verwendet, nämlich eine Legierung, die Aluminium (Al) als ein Basismaterial enthält und zusätzlich 10-22 Gew.-% von Silizium (Si), 1 Gew.-% oder weniger von Eisen (Fe), 0,5-5 Gew.-% von Kupfer (Cu), 0,5-2 Gew.-% von Magnesium (Mg), 1 Gew.-% oder weniger Mangan (Mn), 1 Gew.-% oder weniger Nickel (Ni), 1 Gew.-% oder weniger Chrom (Cr).

Ein besonderes Beispiel solch eines Materiales ist eine Aluminiumlegierung eines Stranggussmateriales, das 19 Gew.-% von Silizium (Si), 0,2 Gew.-% von Eisen (Fe), 4 Gew.-% von Kupfer (Cu), 1 Gew.-% von Magnesium (Mg), 0,1 Gew.-% Mangan (Mn), 0,1 Gew.-% Nickel (Ni) und 0,1 Gew.-% von Chrom (Cr) enthält.

Jedes der Beispiele des Materiales 1A des oben beschriebenen schnell erstarrenden Pulvers einer Aluminiumlegierung und ein Beispiel des Materiales 1B eines Stranggussmateriales wird Vergleichstests in Bezug auf den Verschleißwiderstand und die Ermüdungsfestigkeit unterworfen. Die Ergebnisse sind wie folgt.

Fig. 13 zeigt nämlich die Ergebnisse des Reibverschleißtests (eine Testprobe wird als ein Rotor verwendet. Ein Aufsatz eines vorbestimmten Materiales wird wiederholt gegen den Rotor gepreßt, der in einem drehenden Zustand gehalten wird. Der Bereich der Verschleißmarkierungen in den Kontaktoberflächen repräsentiert den Verschleißgrad), ausgeführt bei einer Testtemperatur von 250ºC, um den Verschleißwiderstand jedes Materialbeispieles 1A eines schnell erstarrenden Pulvers (Beispiel A1, das SiC enthält, und Beispiel A-2, das kein SiC enthält) mit einem Beispiel (Beispiel B) des Materiales eines Stranggussmateriales, aus dem es deutlich wird, dass beide Materialien 1A (Beispiel A1 und Beispiel A2) einen höheren Verschleißwiderstand bei einer höheren Temperatur besitzen, wenn mit dem Material 1B (Beispiel B) verglichen wird.

Fig. 14 zeigt die Ergebnisse vom Ermüdungstest (Auf die Testprobe wird eine Sinusbelastung angewandt. Die Ermüdungsgrenze repräsentiert die Anzahl der Wiederholungen (eine Anzahl repräsentiert einen Zeitraum der Sinuskurve), bis die Testprobe zerbrochen ist.), ausgeführt bei Testtemperaturen von 25ºC, 150ºC und 250ºC, um die Ermüdungsfestigkeit Jedes Materialbeispieles 1A des schnell erstarrenden Pulvers (Beispiel A1, das SiC enthält, und Beispiel A-2, das kein SiC enthält), mit einem Beispiel (Beispiel B) des Materiales 1B des Stranggussmateriales zu vergleichen, aus dem es deutlich wird, dass beide Materialien 1A (Beispiel A1 und Beispiel A2) eine höhere Ermüdungsfestigkeit bei jeder Testtemperatur besitzen, wenn mit dem Material 1B (Beispiel B) verglichen wird.

Ein Verfahren der Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine des vorliegenden Ausführungsbeispieles wird nachstehend beschrieben, in dem ein ganzer Kolbenhauptkörper 1 aus einer Zusammensetzung von zwei Arten von Materialien 1A und 1B hergestellt wird, die unterschiedliche Festigkeiten haben, wird industriell hergestellt, dabei als Rohmaterialien das oben beschriebene schnell erstarrende Pulver einer Aluminiumlegierung und das Stranggussmaterial einer Aluminiumlegierung verwendend.

Das als Rohmaterial für die Produktion des Kolbenhauptkörpers 1 verwendete Stranggussmaterial einer Aluminiumlegierung wird durch z. B., wie in Fig. 25 gezeigt, (B) Schmelzen und Stranggießen (A) eines Rohlings aus einer Aluminiumlegierung und (C) schneiden in eine vorbestimmte Größe erhalten. Das verwendete, schnell erstarrende Pulver einer Aluminiumlegierung wird erzeugt durch, z. B., wie in Fig. 26 gezeigt, (B) Schmelzen (A) eines Rohlings aus einer Aluminiumlegierung und Sprühen wie ein Nebel, um bei einer Abkühlgeschwindigkeit von zumindest 100ºC/sec abzukühlen und zu erstarren, um dadurch ein schnell erstarrendes Pulver (Pulvermetall) zu erhalten, das einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von ungefähr 100 um hat.

Jeweilige Bestandteilkomponenten in dem schnell erstarrenden Pulver einer Aluminiumlegierung sind darin in der Form eines feinen Pulvers enthalten, entweder gebildet durch schnelles Erstarren eines Rohlings aus einer Aluminiumlegierung, der solche Komponenten enthält, oder durch Mischen von feinem Pulver solcher Komponenten mit schnell erstarrendem Pulver einer Aluminiumlegierung.

In dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundkolbenschmiedestückmaterial 10 mittels einer Materialherstellungsvorrichtung 11, wie in Fig. 27 gezeigt, erzeugt, die als ein Rohmaterial das oben beschriebene schnell erstarrende Pulver und das Stranggussmaterial verwendet.

Die Materialherstellungsvorrichtung 11 hat eine erste Aufnahmekammer 12 zum Enthalten des Stranggussmateriales 1B und eine zweite Aufnahmekammer 13 zum Enthalten des schnell erstarrenden Pulvers 1A in Nebeneinanderstellung mit der ersten Kammer. Ein erstes Werkzeug 14 öffnet sich in einer Unterteilungswand zwischen der ersten und der zweiten Aufnahmekammer 12 und 13, während ein zweites Werkzeug 15, das eine Durchmesser größer als jenen des ersten Werkzeuges 14 hat, öffnet sich nach außen in die zweite Aufnahmekammer 13 an einer Position, die dem ersten Werkzeug 14 gegenüberliegt.

Mit solch einer Vorrichtung 11 wird das in die erste Aufnahmekammer 12 aufgenommene Stranggussmaterial auf 400-500ºC erwärmt und gedrückt und durch das erste Werkzeug 14 in Richtung der zweiten Aufnahmekammer 13 stranggepresst, um einen säulenförmigen Körper zu bilden. Gleichzeitig wird das schnell erstarrende Material 1A, aufgenommen in der zweiten Aufnahmekammer 13, auf 400-500ºC erwärmt und gedrückt und durch das zweite Werkzeug 15, das einen größeren Durchmesser als das erste Werkzeug 14 hat, stranggepresst.

Als ein Ergebnis wird ein säulenförmiger Körper eines Verbundmateriales, zusammengesetzt aus einem Kernmaterial, hergestellt aus dem Material 1B des Stranggussmateriales, und ein Außenumfangsmaterial, hergestellt aus dem Material 1A des schnell erstarrenden Pulvers, durch das zweite Werkzeug 15 aus der Vorrichtung 11 co- stranggepresst. Der säulenförmige Körper des Verbundmateriales wird auf eine vorbestimmte Größe geschnitten, um ein Rohschmiedematerial 10 eines Verbundkolbens für die Bildung eines vorgeformten Teiles des Kolbenhauptkörpers durch Schmieden zu erhalten.

In dem Verbundkolben-Schmiedestückmaterial 10, erzeugt durch die oben beschriebene Vorrichtung 11, werden deren oxidierte Filme während des Durchganges des Stranggussmateriales 1B durch das erste Werkzeug 14 zerstört, so dass das Basismaterial des Stranggussmateriales 1B freigelegt ist da das erwärmte, schnell erstarrende Pulver 1A mit dem freigelegten Abschnitt unter einem Druck haftverbunden wird, hat die Haftverbindungsfestigkeit zwischen dem säulenförmigen Kernmaterial 1B und dem Außenumfangsmaterial 1A einen hohen Wert. Deshalb wird in dem Verbundkolben-Schmiedestückmaterial 10 die Haftverbindung zwischen dem Kernmaterial 1b und dem Außenumfangsmaterial 1A während des Transports oder während der Vorbereitung des anschließenden Schmiedeschrittes nicht leicht zerstört, um dadurch gute Handhabungseigenschaften zu schaffen.

Das Verbundkolben-Schmiedestückmaterial 10 wird gestaltet, um nach dem Schmieden eine geringere Höhe (Dicke) als jene des Kolbenhauptkörpers 1 zu haben. Das Außenumfangsmaterial (schnell erstarrendes Pulver 1A) hat eine kleinere Dicke als der Durchmesser des Kernmateriales (Stranggussmaterial 1B).

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind, wie in Fig. 28 gezeigt, das Kernmaterial 1B und das Außenumfangsmaterial 1A konzentrisch ausgerichtet. Falls gewünscht, kann jedoch die Dicke des Außenumfangsmateriales 1A teilweise geändert sein oder ein Vorsprung 10a für den Gebrauch zum Bestimmen der Position desselben im Verhältnis zu einer Form zum Schmieden, wie in Fig. 29 gezeigt, kann gebildet werden. Solch eine Veränderung in der Form des Kernmateriales 1B und des Außenumfangsmateriales 1A kann leicht durch Verändern der Form des ersten oder des zweiten Werkzeuges 14 und 15 der oben beschriebenen Vorrichtung 11 erreicht werden.

Das so erzeugte Verbundkolben-Schmiedestückmaterial 10 wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dem Warmschmieden unterzogen, das, wie in Fig. 30 gezeigt, eine untere Form 22, vorerwärmt unter einem gesteuerten Zustand von 250-450ºC und einer oberen Form (Stempel) 21, vorerwärmt unter einem gesteuerten Zustand von 250 -450º, verwendet, um dadurch ein vorgeformtes Teil zu erhalten. Dieses wird einer spanenden Behandlung durch mechanisches Bearbeiten, wie z. B. dem Abtrennen unnötiger Abschnitte und für die Bildung einer Kolbenringnut 5 und eines Bolzenbohrungsabschnittes 6, und, falls erforderlich, um einer Oberflächenbehandlung, wie z. B. Plattieren unterzogen, um dadurch das Fertigerzeugnis zu bilden.

Durch solches Warmschmieden kann unter Verwendung der vorher auf eine gesteuerte Temperatur erwärmten unteren Form 21 und oberen Form 22 ein vorgeformtes Teil des Kolbenhauptkörpers mit einer guten maßlichen Genauigkeit durch ausreichende Verwendung der Dehnbarkeit der Aluminiumlegierung geformt werden. Außerdem, da die Haftverbindungsgrenzen zwischen dem Material 1A und dem Material 1B des Verbundkolben-Schmiedestückmateriales durch Schmieden gestreckt werden, ist die Fläche des direkten Kontaktes zwischen den Grundmaterialien 1A und den Materialien 1B erhöht, so dass in dem geformten Kolbenhauptkörper 1 die Haftverbindungsgrenzen zwischen dem Material 1A und dem Material 1B in einem verstärkteren Zustand als vor dem Schmieden sind.

In dem Verfahren der Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine nach dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann der Schritt des Bildens des schnell erstarrenden Pulvers einer Aluminiumlegierung durch Erstarrung gleichzeitig ein Verbundkolben-Schmiedestückmaterial 10 erzeugen, zusammengesetzt aus einem Kernmaterial des Stranggussmateriales 1B und einem Außenumfangsmaterial des schnell erstarrenden Pulvers 1A, ohne dass die Herstellungsschritte und Herstellungszeiten sich wesentlich erhöhen, so dass die Kostensteigerung verhindert ist.

Außerdem, da die Haftverbindungsgrenzen zwischen dem Material 1A (des schnell erstarrenden Pulvers) und dem Material 1B (des Stranggussmateriales) des so erzeugten Verbundkolben-Schmiedestückmateriales 10 durch Schmieden erweitert werden, kann die Haftverbindungsfestigkeit zwischen dem Material 1A und dem Material 1B des geformten Kolbenhauptkörpers 1 verbessert werden.

Da sich auch in dem geformten Kolbenhauptkörper 1, erhalten aus solch einem Verbundkolben-Schmiedestückmaterial 10, das Material 1A, geformt durch Erstarren des schnell erstarrenden Pulvers, in einem Außenumfangsabschnitt des Kolbenhauptkörpers 1 verteilt, können auch die Festigkeit und der Verschleißwiderstand des Kolbenhauptkörpers 1 verbessert werden.

In dem Abschnitt des Kolbenhauptkörpers 1, hergestellt aus dem Material 1A, verwendet in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, ist jedes der Bestandteile, wie z. B. Silizium (Si) und Eisen (Fe) in dem Aluminiumlegierungspulver, das einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von ungefähr 100 um hat, dispergiert und ist in einem fein verteilten Zustand eines durchschnittlichen Teilchendurchmessers von 10 um oder weniger.

So z. B., da Silizium (Si) in solch einem fein verteilten Zustand in der Aluminiumlegierungstextur ist, dass das Ausgangskristallsilizium 10 um oder weniger ist, werden selbst wenn das Material 1A in eine dünne Wand während des Schmiedeformens des vorgeformten Teiles des Kolbenhauptkörpers 1 gedehnt wird, keine Risse in den Ausgangskristallsiliziumteilchen in dem Randabschnitt gebildet, wobei der geschmiedete Kolbenhauptkörper 1 eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit hat.

In Bezug auf Eisen (Fe), da eine schnell erstarrende Pulveraluminiumlegierung, die Eisen (Fe) in einem durch Schmieden gebildeten fein verteilten Zustand enthält, wird die Bildung von grobkörnigen Eisenverbindungen verhindert, so dass eine gleichmäßige Metalltextur, frei von grobkörnigen Eisenverbindungen, die eine Spannungskonzentration verursachen würde, erhältlich ist. Deshalb kann das Eisenbestandteil in einer größeren Menge im Vergleich mit dem Fall, in dem ein Kolbenhauptkörper durch ein herkömmliches Gießverfahren gebildet wird, zugesetzt werden, was die Vorbereitung einer Legierung, die eine hohe Festigkeit hat, ermöglicht.

Andererseits, wenn der Kolbenhauptkörper einem Vorformen durch das herkömmliche Gießverfahren unterworfen wird, wird als ein Material eine Aluminiumlegierung, die eine große Menge Eisen enthält, grobkörnige Eisenverbindungen in der Legierung nach dem Abkühlen nach dem Gießen gebildet, so dass die Festigkeiten dazu neigen, vermindert zu werden.

In dem Fall, bei dem Siliziumkarbid (SiC) in dem schnell erstarrenden Pulver 10A enthalten ist, kann, da das Siliziumkarbid (SiC) gleichmäßig in der Textur der Aluminiumlegierung in einem fein verteilten Zustand dispergiert ist, ein verbesserter Verschleißwiderstand erhalten werden.

Außerdem sind die weiteren Bestandteilkomponenten auch in dem Aluminiumlegierungspulver als feines Pulver enthalten, wenn das Material 1A das schnell erstarrte Pulver einer Aluminiumlegierung ist. Als ein Ergebnis verursachen diese Bestandteile, da das Aluminiumlegierungspulver durch Erstarrung und Schmieden in einer dichten Kristallstruktur gebildet ist, keine Verminderung in der Festigkeit infolge der Spannungskonzentration in den Kristallkorngrenzen, um dadurch die Ermüdungsfestigkeit zu verbessern.

In Verbindung mit jedem der oben beschriebenen Punkte, da sich solch ein verfestigtes Material 1A in einem Außenumfangsabschnitt des Kolbenhauptkörpers 1 verteilt, und z. B., da die Seitenwand des Kolbenhauptkörpers 1 aus dem Material hergestellt ist, das einen hohen Verschleißwiderstand und den widerstand zum Zusammenbacken hat, ist es möglich, die Lebensdauer des Kolbenhauptkörpers 1 zu erhöhen. Außerdem, da das Material 1a einen kleinen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung hat, kann die thermische Verformung des Kolbenhauptkörpers 1 vermindert werden. Überdies, selbst wenn das Material 1A in seinem Randbereich 3 sehr dünn ist, tritt weder Bruch von Silizium- (Si) teilchen auf, noch Bildung von Rissen an jenen Abschnitten; d. h. die Ermüdungsfestigkeit wird verbessert.

Außerdem, da der oberste Kontaktabschnitt, der sich von der Nähe des Ringnutabschnittes 5 zu dem Kopfabschnitt 2 erstreckt, aus dem Material 1A hergestellt ist, kann selbst wenn der oberste Kontaktabschnitt des Kolbens fest gegen die Zylinderwand während des Betriebes des Motors gepreßt wird, der oberste Kontaktabschnitt solch einer Preßkraft widerstehen. So ist es möglich, den obersten Kontaktabschnitt klein zu machen, so dass die Menge des verbleibenden Abgases in dem Spalt zwischen dem obersten Kontaktabschnitt und der Zylinderwand vermindert werden kann, was zu einer Reduzierung von HC führt.

Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens der Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung ist in dem Vorhergehenden beschrieben worden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das obige Ausführungsbeispiel begrenzt. Z. B. sind das schnell erstarrende Pulver einer Aluminiumlegierung und das Stranggussmaterial einer Aluminiumlegierung, verwendet als ein Rohmaterial, nicht auf jene bestimmten, als ein Beispiel in dem obigen Ausführungsbeispiel gezeigten, begrenzt. Außerdem ist das bestimmte Verfahren zum Schmieden des Verbundkolben- Schmiedestückmateriales in ein vorgeformtes Teil des Kolbenhauptkörpers nicht auf jenes, in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel gezeigtes, begrenzt.

Nach dem Verfahren der Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung wie oben erläutert, sind die Festigkeit und der Verschleißwiderstand eines Kolbenhauptkörpers durch Verwenden einer schnell erstarrenden Pulveraluminiumlegierung, als ein Material zum Bilden des Kolbenhauptkörpers, verbessert. Außerdem wird ein Verbundkolben-Schmiedestückmaterial, zusammengesetzt aus solch schnell erstarrtem Pulver, ohne signifikante Erhöhung der Herstellungsschritte und der Herstellungszeit erzeugt, so dass der Kostenanstieg verhindert ist. Gleichzeitig wird solch ein Verbundkolben-Schmiedestückmaterial einstückig gebildet, so dass die Haftverbindungsfestigkeit zwischen unterschiedlichen Materialien des Kolbenhauptkörpers verbessert wird.


Anspruch[de]

1. Kolben für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenhauptkörper (1), der aus zumindest zwei unterschiedlichen Materialien (1A, 1B), die unterschiedliche Festigkeiten aufweisen, gebildet ist, wobei die Materialien (1A, 1B) einstückig durch Schmieden miteinander haftverbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenhauptkörper (1) durch primäre Formgebung durch Schmieden des Verbundmateriales (10), bestehend aus einem Kolbengrundmaterial und einem Material, das eine höhere Festigkeit als das Kolbengrundmaterial aufweist, erhalten wird, derart, daß zumindest ein Abschnitt eines Bolzenbohrungsabschnittes (6) des Kolbenhauptkörpers (1), der eine Gleitkontaktoberfläche eines Kolbenbolzens bildet, aus dem Material gebildet ist, das eine höhere Festigkeit aufweist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Materialien, das eine höhere Festigkeit besitzt, sich in einen Außenumfang des Kolbenhauptkörpers (1) von einem oberen Ende eines Kopfabschnittes (2) zu zumindest einem Mantelabschnitt (3) unterhalb eines Ringnutabschnittes (5) erstreckt, und daß der Kolbenhauptkörper (1) durch Schmieden derart hergestellt ist, daß eine Länge des Materiales, das eine höhere Festigkeit besitzt, von dem oberen Ende des Kopfabschnittes (2) größer in einem Zwischenabschnitt zwischen einem Paar von Bolzennaben (4) größer ist als in einer Nähe jedes einzelnen des Paares von Bolzennabenabschnitten (4).

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelabschnitt (3) ein unteres Ende aufweist, das mit ausgesparten Abschnitten versehen ist, so daß ein ganzer Bereich einer äußeren Umfangsoberfläche des Kolbenhauptkörpers (1) aus dem Material hergestellt ist, das eine höhere Festigkeit besitzt.

4. Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein äußerer Umfangsabschnitts des oberen Endes des Kopfabschnittes (2) aus dem Material hergestellt ist, das eine höhere Festigkeit aufweist.

5. Kolben nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, das eine höhere Festigkeit besitzt, eine Aluminiumlegierung ist, die durch Verfestigen eines rapide erstarrendes Pulvers erhalten wird, das Silizium (Si) in einer Menge von 12-22 Gew.-% enthält und das ein Primärkristallsilizium mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von nicht mehr als 10 um hat.

6. Kolben nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, das eine höhere Festigkeit besitzt, eine Aluminiumlegierung ist, die durch Verfestigen des rasch erstarrenden Pulvers erhalten wird und das nicht metallische Komponententeilchen enthält, die härter als Silizium (Si) sind und die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser als 10 um aufweisen, in einer Menge von 1-10 Gew.-%.

7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht metallischen Komponententeilchen zumindest solche sind, ausgewählt unter Siliziumkarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) oder Aluminiumnitrid (AIN).

8. Kolben nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, das eine höhere Festigkeit aufweist, eine Aluminiumlegierung ist, die erhalten wird durch Verfestigen des rapide erstarrenden Pulvers, das Eisen (Fe) in einer Menge von 1-10 Gew.-% enthält und in dem der durchschnittliche Teilchendurchmesser einer Verbindung des Eisens nicht größer als 10 um ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, der einen Kolbenhauptkörper (1), gebildet aus zumindest zwei Materialien (1A, 1B), die unterschiedliche Festigkeiten aufweisen, besitzt und die Schritte aufweist des Zusammenbringens unter einstückigen Haftverbindens der Materialien (1A, 1B) durch Schmieden, gekennzeichnet durch Schmieden eines Verbundmateriales (10) bestehend aus einem Kolbengrundmaterial und einem Material, das eine höhere Festigkeit als das Kolbengrundmaterial aufweist, derart, daß zumindest ein Bereich eines Bolzenbohrungsabschnittes (6) des Kolbenhauptkörpers (1), der eine Gleitkontaktoberfläche eines Kolbenbolzens bildet aus dem Material gebildet ist, das eine größere Festigkeit besitzt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien (1A, 1B) in einer unteren Form (22) durch eine obere Form oder Stempel (21) geschmiedet sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß beide Formen (22, 21) auf eine gesteuerte Temperatur von 250ºC-450ºC vorerwärmt werden.

12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß während des Extrudierens eines Stranggießmateriales aus einer Aluminiumlegierung durch ein erstes Werkzeug (12) ein rapide sich verfestigendes Pulver oder eine Aluminiumlegierung, die um das extrudierte Stranggießmaterial vorgehesen ist, so unter Erwärmen und unter Druck zusammen mit dem Stranggießmaterial durch ein zweites Werkzeug (15), das einen größeren Durchmesser als das erste Werkzeug (14) hat, koextrudiert wird, um einen säulenförmigen Körper zu erhalten, der aus einem Kernmaterial, bestehend aus dem Material des Stranggießmateriales und einem äußeren Umfangsmaterial, einstückig haftverbunden mit dem Kern, besteht und dasaus dem Material des rapide sich verfestigenden Pulvers gebildet ist, und daß der säulenförmige Körper in eine vorbestimmte Größe geschnitten wird, um ein Rohmaterial (10) zum Schmieden zu erhalten, und daß das Rohmaterial (10) zum Schmieden einem primären Formgebungsschritt und einer anschließenden Verarbeitung unterzogen wird, um hierdurch den Kolbenhauptkörper (1) als einen Endartikel zu erhalten.

13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das eine der Materialien, das eine höhere Festigkeit besitzt, sich in einen Außenumfang des Kolbenhauptkörpers (1) von einem oberen Ende eines Kopfabschnittes (2) zu zumindest einem Mantelabschnitt (3) unterhalb eines Ringnutabschnittes (5) erstreckt und daß der Kolbenhauptkörper (1) derart geschmiedet wird, daß eine Länge des Materiales, das eine höherer Festigkeit besitzt, von dem oberen Ende des Kopfabschnittes (2) größer ist in einem Zwischenabschnitt zwischen einem Paar von Bolzennaben (4) als in einer Nähe jeder einzelnen des Paares von Bolzennaben (4).

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelabschnitt (3) ein unteres Ende besitzt, das mit Aussparungen versehen ist, so daß der gesamte Bereich einer äußeren Umfangsoberfläche des Kolbenhauptkörpers (1) aus dem Material besteht, das eine höhere Festigkeit besitzt.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein äußerer Umfangsabschnitt des oberen Ende des Kolbenabschnittes (2) aus einem Material besteht, das eine höhere Festigkeit besitzt.

16. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, das eine höhere Festigkeit besitzt, eine Aluminiumlegierung ist, die durch Verfestigen eines rapide erstarrenden Pulvers erhalten wird, daß Silizium (Si) in einer Menge von 10-22 Gew.-% enthält und das ein Primärkristallsilizium mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 10 um hat.

17. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, das eine höhere Festigkeit besitzt, eine Aluminiumlegierung ist, die durch Verfestigen des rapide erstarrenden Pulvers erhalten wird und das nicht metallische Komponententeilchen enthält, die härter als Silizium (Si) sind und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 10 um in einer Menge von 10-10 Gew.-% aufweist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht metallischen Komponententeilchen zumindest welche sind, die ausgewählt sind, aus Siliziumkarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) oder Aluminiumnitrid (AIN).

19. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, das eine höhere Festigkeit besitzt, eine Aluminiumlegierung ist, die erhalten wird durch Verfestigen des rapide erstarrenden Pulvers, das Eisen (Fe) in einer Menge von 1-10 Gew.-% enthält und in dem der durchschnittliche Teilchendurchmesser einer Verbindung des Eisens nicht größer als 10 um ist.







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