Verfahren hergestellter Kühlkanalkolben

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens sowie einen mit einem derartigen Verfahren hergestellten Kühlkanalkolben.

Salzkerne werden insbesondere zur Herstellung von gegossenen Kolben mit geschlossenem Kühlkanal verwendet. Nach dem Gießen des Kolbens wird der Salzkern in an sich bekannter Weise durch Auflösen mit Wasser aus dem Kolben entfernt. Derartige Salzkerne werden in der Regel auf der Basis von Natriumchlorid hergestellt. Hierzu wird durch Kaltpressen des Werkstoffs ein Grünling erzeugt, der eine dem herzustellenden Kühlkanal ähnliche Form aufweist und dieser bei ca. 800°C knapp unterhalb des Schmelzpunkts des Werkstoffs gesintert. Das resultierende Sinterbauteil kann ggf. durch maschinelle Nachbearbeitung in die endgültige, dem herzustellenden Kühlkanal entsprechende Form gebracht werden.

Der resultierende Salzkern weist in der Regel eine Oberflächenrauigkeit R _z von 30μηη bis 60μηη auf. Bei einem modernen Kühlkanalkolben ist aufgrund der hohen thermischen Belastung im Motorbetrieb ein effektiver Wärmeübergang zwischen dem Kolbenboden und dem im Kühlkanal zirkulierenden Kühlöl wesentlich.

Aus der WO 2010/133596 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Salzkerns mit einer besonders glatten Oberfläche bekannt. Hiermit soll verhindert werden, dass während des Gießens eines Bauteils der Gusswerkstoff in die Oberfläche des Salzkerns eindringt oder mit dem Salzkern reagiert. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens sowie einen Kolben bereitzustellen, der einen besonders effektiven Wärmeübergang zwischen dem Kolben Werkstoff und dem im Kühlkanal zirkulierenden Kühlöl sicherstellt.

Eine erste Lösung besteht in einem Verfahren mit den folgenden Merkmalen: a) Herstellen eines Salzkernrohlings mittels Pressen und Sintern eines reinen Salz- werkstoffs mit einer Oberflachenrauigkeit R _z von maximal 60μηη; b) Eintauchen des Salzkernrohlings in eine gesättigte Lösung des Salzwerkstoffs oder Besprühen des Salzkernrohlings mit einer gesättigten Lösung des Salzwerkstoffs; c) Trocknen des Salzkernrohlings zu einem Salzkern mit einer Oberflächenrauigkeit R _z von mindestens 20Όμηη; d) Einlegen des Salzkerns in einem Gießform und Gießen eines Kühlkanalkolbens aus einem metallischen Gusswerkstoff.

Eine zweite Lösung besteht in einem Verfahren mit den folgenden Merkmalen: e) Herstellen eines Salzkernrohlings mittels Pressen und Sintern eines reinen Salz- werkstoffs mit einer Oberflächenrauigkeit R _z von maximal 60μηη; f) Eintauchen des Salzkernrohlings in ein Lösemittel oder eine Lösung des Salzwerkstoffs oder Besprühen des Salzkernrohlings mit einem Lösemittel oder einer Lösung des Salz- werkstoffs; g) Bestreuen des Salzkernrohlings mit einem Salzwerkstoff mit einer definierten Korngrößenverteilung und/oder einer definierten Korndurchmesserverteilung; h) Trocknen des Salzkernrohlings zu einem Salzkern mit einer Oberflächenrauigkeit R _z von mindestens 20Όμηη; i) Einlegen des Salzkerns in eine Gießform und Gießen eines Kühlkanalkolbens aus einem metallischen Gusswerkstoff.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein nach einem derartigen Verfahren herstellbarer Kolben. Die erfindungsgemäßen Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass eine definierte Oberflächenrauigkeit des Salzkerns erzielt werden kann, die größer ist als bei Salzkernen, die im üblichen Sinterverfahren hergestellt werden.

Gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 wird das erfindungsgemäße Ziel dadurch erreicht, dass der Salzwerkstoff aus der gesättigten Salzwerkstofflösung in Schritt c) auskristallsiert, die Kristalle sich auf der gesinterten Oberfläche des Salzkernrohlings absetzen und in die angelöste Oberfläche des Salzkernrohlins fest haften. Die nach dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 auf der Oberfläche des Salzkernrohlings aufgebrachten Salzkristalle wirken beim nachfolgenden Trocknen des Salzkernrohlings ferner als Kristallisationskeime, so dass die aus der gesättigten wässrigen Lösung ausfallenden Salzkristalle auf den Salzkörnern besonders effektiv auskristallisieren und eine besonders große Oberflächenrauigkeit resultiert.

Gemäß dem Verfahren nach Anspruch 2 wird das erfindungsgemäße Ziel dadurch erreicht, dass die Oberfläche des Rohlings mittels eines geeigneten Lösemittels bzw. einer Lösung des Salzwerkstoffs angelöst und die noch nasse Oberfläche anschließend mit zusätzlichen Kristallen des Salzwerkstoffs mit einer definierten Korngrößen- und/oder Korndurchmesserverteilung bestreut werden. Diese Kristalle werden in der angelösten Oberfläche des Salzkernrohlings eingelagert und haften fest.

Daraus ergibt sich eine definierte Oberflächenrauigkeit der Kühlkanaloberfläche, die größer ist als im Stand der Technik. Im Ergebnis ist die Kühlkanaloberfläche selbst vergrößert, so dass der Wärmeübergang zwischen dem Kolben Werkstoff und dem im Kühlkanal zirkulierenden Öl im Motorbetrieb wesentlich verbessert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist technisch einfach umsetzbar und kann problemlos in bestehende Produktionslinien integriert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den weiteren Vorteil, dass keine Fremdstoffe oder Zusatzstoffe benötigt werden. Diese können das Auslösen des Salzkerns nach dem Gießen des Kolbens erheblich erschweren. Ferner können sie zu einer Gasfreisetzung während des Gießens des Kolbens führen. Durch den Verzicht auf Fremdstoffe oder Zusatzstoffe wird eine Beschädigung der Kühlkanaloberfläche (bspw. durch Was- serstoffporosität) vermieden. Insbesondere kann auf die Verwendung jeglicher Klebstoffe verzichtet werden, die einen Gasaustritt und damit eine Blasenbildung im Gussbauteil verursachen können.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zweckmäßigerweise wird in Schritt a) bzw. in Schritt e) ein bewährter Salzwerkstoff in Form von Natriumchlorid verwendet.

In Schritt a) bzw. in Schritt e) kann der Salzkernrohling einer mechanischen Endbearbeitung unterzogen werden, um eine möglichst genaue Kontur des herzustellenden Kühlkanals zu erzeugen.

Es können alle für Salzwerkstoffe geeigneten Lösemittel verwendet werden, insbesondere Wasser und polare organische Lösemittel, wobei Wasser bevorzugt ist. Gut geeignet sind ferner Methanol, Ethanol, Isopropanol, Diethylether und Aceton. Bei Verwendung eines polaren organischen Lösemittels kann diesem mindestens ein Kronenether hinzugefügt werden, um die Löslichkeit des Salzwerkstoffs zu verbessern. Für die Komplexierung von Natriumionen besonders geeignet sind die zyklischen Öffnungen von [15]-Krone-5. Kaliumionen werden bspw. von [18]- Krone-6 bevorzugt komplexiert. In Schritt c) bzw. Schritt h) sollte der Salzkernrohling bevorzugt in bewegter Luft und bei einer Temperatur von maximal 200°C getrocknet werden, bis keine Feuchtigkeit mehr austritt. Bevorzugt wird der Salzkernrohling bei einer Temperatur von maximal 100°C besonders schonend getrocknet, besonders bevorzugt erfolgt die Trocknung bei Raumtemperatur.

In Schritt c) bzw. Schritt h) kann ein Salzkern mit einer Oberflächenrauigkeit von bis zu 1 mm erhalten werden, abhängig von der endgültigen Größe der gemäß dem Verfahren nach Patentanspruch 1 auskristallierten Salzkristalle bzw. abhängig von der Größe der gemäß Schritt g) zusätzlich zum Bestreuen des Salzkernrohlings verwendeten Salzkristalle.

Zweckmäßigerweise wird nach Schritt a) und vor Schritt b) der Salzkernrohling auf eine Temperatur von 80°C bis 100°C erwärmt, um eine besonders effektive Benetzung durch die wässrige gesättigte Salzwerkstofflösung gemäß dem Verfahren nach Patentanspruch 1 zu erhalten.

Ferner kann der erfindungsgemäß erhaltene Salzkern vor dem Einlegen in die Gießform gemäß Schritt d) bzw. Schritt i) auf eine Temperatur von 300°C bis 500°C erwärmt werden, um eine zu große Temperaturdifferenz zum verwendeten Gießwerkstoff zu vermeiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zum Herstellen von Kühlkanalkolben aus einem Werkstoff auf der Basis von Aluminium, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Gusslegierung.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung: Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens im Schnitt;

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens gemäß Figur 1 verwendeten Salzkerns im Schnitt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für beliebige Typen und Bauarten von Kühlkanalkolben geeignet. In Figur 1 ist beispielhaft ein einteiliger gegossener Kühlkanalkolben 10 dargestellt. Der Kühlkanalkolben 10 weist einen Kolbenkopf 1 1 mit einem Kolbenboden 12 auf, in den eine Verbrennungsmulde 13 eingebracht ist. Der Kolbenkopf 1 1 weist ferner einen Feuersteg 14 sowie eine Ringpartie 15 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der Kolben ist in Höhe der Ringpartie 15 mit einem umlaufenden Kühlkanal 16 versehen. Der Kolben weist ferner in an sich bekannter Weise einen Kolbenschaft 17 mit Kolbennaben 18 auf, welche mit Nabenbohrungen 19 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) versehen sind. Die Kolbennaben 18 sind in an sich bekannter Weise über Laufflächen 21 miteinander verbunden.

Wie in Figur 1 schematisch angedeutet ist, weist der umlaufende Kühlkanal 16 eine Oberfläche mit einer Oberflächenrauigkeit R _z von mindestens 200μηη, bevorzugt von bis zu 400μηη, besonders bevorzugt von bis zu 1 mm auf.

Figur 2 zeigt einen Salzkern 30 aus Natriumchlorid zur Verwendung bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens 10 gemäß Figur 1 . Der Salzkern 30 weist einen Salzkernrohling 31 auf, dessen Oberfläche 32 mit Salzkristallen 33 aus Natriumchlorid überzogen ist. Der Salzkern 30 kann in einem ersten Ausführungsbeispiel wie folgt hergestellt werden:

Zunächst wird der Salzkernrohling 31 in an sich bekannter Weise durch Kaltpressen und Sintern eines Salzwerkstoffs wie Natriumchlorid hergestellt. Dabei ist darauf zu achten, dass der reine Salzwerkstoff, d.h. ein Salzwerkstoff, der keine Fremdstoffe oder Zusatzstoffe enthält, verwendet wird. Der Salzkernrohling 31 kann nach dem Sintern an seiner Oberfläche 32 in bekannter Weise mechanisch endbearbeitet werden, um eine Querschnittskontur zu erhalten, die möglichst genau der Querschnittskontur des herzustellenden Kühlkanals entspricht.

Der fertige Salzkernrohling 31 wird in eine gesättigte wässrige Lösung des Salz- werkstoffs, im Ausführungsbeispiel Natriumchlorid, getaucht oder damit besprüht, so dass seine Oberfläche 32 von der Lösung benetzt wird. Anschließend wird der Salzkernrohling 31 getrocknet, bspw. in einem Ofen bei einer Temperatur von knapp unter 100°C, bspw. 95°C bis 98°C, solange, bis kein Wasserdampf mehr aus dem Salzkernrohling austritt. Während des Trocknens kristallisieren Salzkristalle 33 aus der gesättigten Lösung aus und haften auf der Oberfläche 32 des Salzkernrohlings 31 .

Nach Beendigung des Trocknungsvorgangs liegt ein fertiger Salzkern 30 vor, der sich durch eine Oberflächenrauigkeit R _z von mindestens 200μηη auszeichnet.

Zur Herstellung des Kühlkanalkolbens 10 wird der Salzkern 30 in an sich bekannter Weise in eine entsprechende Gussform eingelegt und mit einem metallischen Werkstoff, bspw. auf der Basis von Aluminium gegossen. Nach Abschluss des Giessvorgangs liegt ein Kolbenrohling mit eingegossenem Salzkern 30 vor. Der Kolben roh ling wird in bekannter Weise endbearbeitet, und der Salzkern 30 mit Wasser ausgespült. Es resultiert der Kühlkanalkolben 10 gemäß Figur 1 .

Eine Abwandlung dieses Verfahrens besteht darin, dass der Salzkernrohling 31 vor dem Eintauchen in die gesättigte Lösung auf eine Temperatur von 80°C bis 100°C erhitzt wird, um eine besonders effektive Benetzung der Oberfläche 32 des Salzkernrohlings 31 durch die gesättigte Lösung zu erhalten.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann der Salzkern 30 wie folgt hergestellt werden:

Zunächst wird wie oben beschrieben ein Salzkernrohling 31 hergestellt. Dieser wird mit einem geeigneten Lösemittel, bevorzugt Wasser oder mit einer Lösung des Salzwerkstoffs, bevorzugt Natriumchlorid besprüht oder in die betreffende Flüssigkeit eingetaucht. Anschließend wird die noch nasse Oberfläche des Salzkernrohlings 31 mit Kristallen des Salzwerkstoffs, im Ausführungsbeispiel Natriumchlorid, bestreut und anschließend wie beschrieben getrocknet und weiterverwendet. Die verwendeten Körner weisen eine definierte Korngrößenverteilung und/oder eine definierte Korndurchmesserverteilung auf.

Mit dieser Maßnahme kann die Oberflächenrauigkeit R _z des Salzkerns 30 besonders genau eingestellt werden. Beispielsweise konnte nach Verwendung von Salzkristallen einer mittleren Korngröße von 500μηη eine Oberflächenrauigkeit R _z der Oberfläche des Kühlkanals 16 des fertigen Kühlkanalkolbens 10 von 200μηη bis 400μ gemessen werden. Salzkristalle mit einem mittleren Korndurchmesser von 1 mm ergaben eine Oberflächenrauigkeit R _z der Oberfläche des Kühlkanals 16 des fertigen Kühlkanalkolbens 10 von 700μηη bis 900μηη.