Kolben für Verbrennungskraftmaschinen für Leichtmetallegierungen. W. Schulze, Berlin. Kolben für Verbrennungskraftmaschinen. Kolben aus den Leichtmetallegierungen Aluminium und Elektron werden im allgemeinen Maschinenbau, besonders aber für Verbrennungskraftmaschinen, Automobile und Motorräder, an Stelle der früher fast ausschließlich benutzten gußeisernen Kolben in steigendem Maße verwendet. Noch im Jahre 1926 betrug nach amerikanischen statistischen Ermittlungen der Anteil von Grauguß als Werkstoff für Kolben von Personenwagen etwa 75 v. H., während die Leichtmetalle nur mit 25 v. H. vertreten waren. Schon 4 Jahre später hatte sich das Bild direkt im umgekehrten Sinne geändert, indem 25 v. H. Graugußkolben etwa 75 v. H. Leichtmetallkolben gegenüberstanden. Wesentlich weiter ist diese Entwicklung in Deutschland vorgeschritten, wo zur gleichen Zeit nur etwa 12 v. H. Graugußkolben für Lastautomobile in Betrieb waren; für Personenwagen war der prozentuale Anteil noch geringer. Zwei Gründe waren maßgebend für die Einführung des Leichtmetallkolbens: Erstens die niedrigen spezifischen Gewichte (1,8 g/cm3 und 2,7 g/cm3 für Elektron und Aluminium gegenüber 7,3 g/cm3 für Grauguß), was sich auf die Verringerung des Gesamtgewichtes der bewegten Massen auswirkt, und zweitens die gute Wärmeleitfähigkeit der Leichtmetalle, wodurch Wärmestauungen vermieden und die Leistungsfähigkeitder Maschine gesteigert wird. Von großer Wichtigkeit für das ganze Problem sind ferner die guten mechanischen Eigenschaften der Elektronbzw. Aluminiumlegierungen, von denen die letzteren besonders in der Härte dem Grauguß wenig nachstehen. Dagegen stellte sich als Nachteil der hohe Wärmeausdehnungskoeffizient der Leichtlegierungen der Entwicklung hemmend gegenüber. Dieser beträgt etwa 0,000022, während Gußeisen nur 0,000012 besitzt. Dieser Ausdehnung des Materials in der Wärme muß bei der Fabrikation der Kolben durch Vergrößerung des Kolbenspiels notwendigerweise Rechnung getragen werden, was aber andererseits ein Klappern des Kolbens im kalten Motor zur Folge hat. Außerdem springt die Maschine schlecht an, es treten Kompressionsverluste auf und der Kolben selbst sowie die Zylinderbahnen werden infolge der ungenügenden Führung beim Druck- und Richtungswechsel zerschlagen. Kolbenkonstruktionen. Auf konstruktionsmäßigem Wege hat man versucht, den ungünstigen Wärmeausdehnungsverhältnissen der Leichtmetalle entgegenzuarbeiten, indem man an geeigneten Stellen Einlagen aus Stahlblech mit geringer Wärmeleitfähigkeit, sogenannte Invar-Streifen angeordnet hat, die mit eingegossen werden. Eine andere und oft gleichzeitig angewendete Maßnahme stellt das Freilegen der Nabe bei den Schlitzmantelkolben dar, wodurch die Ableitung der Wärme auf die übrigen Kolbenteile unterbunden wird. Ferner wird durch die Längsschlitze der Ausdehnung des Mantels in Richtung der Kolbenaxe Rechnung getragen und der ganze Mantel erhält eine gewisse Nachgiebigkeit. Fast ganz abgekommen ist man von den sogenannten Bimetallkolben, bei denen die Köpfe aus Aluminium und die Schäfte aus Gußeisen oder Stahl bestehen. Diese Kolben haben sich in ihren spezifischen Gewichten und in der Wärmeableitung als ungenügend gezeigt, auch ist ihre Haltbarkeit verhältnismäßig gering, da bei den im Betriebe ständig wechselnden Temperaturen zwei zusammengegossene Werkstoffe, die sich in der Wärme verschieden stark ausdehnen, notwendigerweise gegeneinander arbeiten und sich an der Verbindungsstelle lösen müssen. Eine Konstruktion, welche besonders in der neueren Zeit viel erfolgreich verwendet wird, ist der ellyptisch geschliffene Kolben, und zwar ellyptisch in dem Sinne, daß die kürzere Achse in Richtung der stärkeren Materialquerschnitte, die sich in der Wärme auch stärker ausdehnen, also in der Kolbenbolzenachse liegt, während die längere Achse senkrecht dazu steht. Zur Vermeidung der unmittelbaren Wärmeübertragung von den Bolzenaugen zum Kolbenmantel ist der Uebergang von den ersteren zu den Mantelflächen durch Trennschlitze unterbrochen. Unter Berücksichtigung der Ausdehnungsverhältnisse, denen auch der Graugußzylinder bei der Erwärmung im Betriebe unterliegt, wird durch die ungleichmäßige Verlängerung der beiden Ellypsenachsen, indem sich die längere Achse um den Betrag verkürzt, den die kurze Achse über das normale Maß hinaus wächst, ein Kolben erzeugt, der in der Wärme auf seinen ganzen Mantelumfang bei gleichbleibendem Spiel trägt. Eine sinnentsprechende Abänderung des ellyptisch geschliffenen Kolbens ist bei einer anderen Konstruktion dadurch gefunden worden, daß die Flächenteile des Mantels, die als Tragflächen nur eine geringe Rolle spielen, schon im Gußstück hinter den Arbeitsflächen zurückstehen, und dadurch beim Drehen und Schleifen unbearbeitet bleiben. Infolge ihrer schwächeren Ausbildung vollzieht sich auch die Deformation des Kolbens in der Wärme innerhalb dieser unbearbeiteten Mantelflächen, so daß die Tragflächen unbeeinträchtigt bleiben. Kolbenlegierungen. Entsprechend der hohen Bedeutung die dem Kolben als Teil des Verbrennungsmotors zukommt, hat man in der letzten Zeit neben seiner zweckentsprechenden konstruktiven Durchbildung seine weitere Entwicklung auch auf metallurgischem Wege durch Verbesserung der leichtmetallischen Werkstoffe erstrebt und die mechanischen Eigenschaften auf ein Höchstmaß zu bringen versucht. Von einem guten Kolbenmaterial werden gefordert: An mechanischen Eigenschaften gute Zugfestigkeit, gute Bruchdehnung sowie besonders hohe Härte bei den ständig auftretenden starken Erwärmungen auf Temperaturenbis zu 300°; an physikalischen Fähigkeiten gute Wärmeleitfähigkeit und einen möglichst niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Außerdem spielen die Laufeigenschaften und die Widerstandsfähigkeit gegen Druckbeanspruchung eine wichtige Rolle. Diese Bedingungen lassen sich bis zu einem bestimmten Maße durch Veränderung der Zusammensetzung des Werkstoffes erreichen, wenn man die gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Metalle genau kennt. So erniedrigt z.B. ein hoher Siliziumzusatz zu Aluminium den Wärmeausdehnungskoeffizienten, was für den Kolben besonders günstig ist. Mangan zum Aluminium zulegiert erhöht die Härte, zuviel davon macht jedoch spröde und verschlechtert außerdem die Wärmeleitfähigkeit. Die letztere Eigenschaft wird besonders von Zusatzmetallen beeinträchtigt, die im Aluminium nicht als elementare Bestandteile fortbestehen bleiben, sondern mit diesen Mischkristalle bilden. Härtesteigernd auf Aluminium wirkt auch Nickel, was aber nicht zugleich die ungünstigen Eigenschaften in bezug auf Wärmeleitfähigkeit hat wie Mangan. Ein in fast allen Kolbenlegierungen anzutreffender metallischer Bestandteil ist ferner das Kupfer, was besonders die Laufeigenschaften der Kolben verbessert. Unter Berücksichtigung dieser Momente enthalten bekannte Aluminiumkolbenlegierungen bis zu 15 v. H. Kupfer bei geringen Anteilen an Silizium, Eisen, Nickel, Magnesium und kein oder viel Mangan (etwa 7 v. H.). Andere sehr bewährte Kolbenlegierungen bestehen aus 12 bis 25 v. H. Silizium, etwa 5 v. H. Kupfer und geringen Teilen an Mangan, Nickel und Magnesium. Aus einem besonders hoch kupferhaltigen Material sind der amerikanische Aluminiumkolben „Permite Unitype“ und der Nelson-Bohnalite-Kolben, die von Ford, Chevrolet und Roosevelt viel verwendet werden. Auch der vorgeschriebene Invarschlitzmantelkolben besteht aus gleichem Material. Hohe Anteile an Silizium besitzen besonders die bewährten deutschen Kolbenlegierungen. So enthält das sogenannte Suprakolbenmaterial bis zu 20 v. H. Silizium, das Alusilkolbenmaterial sogar bis zu 25 v. H. Silizium. Werkstoffeigenschaften und deren Prüfung. Die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen, ermittelt nach dem bekannten Verfahren in der Zerreißmaschine bzw. der Brinell-Härteprüfmaschine beträgt für Kolbenmaterial mit hohem Kupfergehalt etwa 15 bis 20 kg/mm2 Zugfestigkeit, 1 bis 2 v. H. Bruchdehnung, 90 bis 120 kg/mm2 Brinellhärte. Mitunter wird für besondere Konstruktionen von Zweitakterkolben auch noch Sandguß verwendet, dessen Eigenschaften jedoch um einige Prozente tiefer liegen. Kolbenlegierungen mit hohen Siliziumanteilen ohne sonstige verbessernde metallische Zusätze besitzen nur etwa 12 bis 14 kg/mm2 Zugfestigkeit, 2 bis 4 v. H. Bruchdehnung und 80 bis 90 kg/mm2 Brinellhärte. Diese Eigenschaften lassen sich jedoch durch Beimengen von Mangan, Nikkel und Magnesium auf 14 bis 18 kg/mm2 Zugfestigkeit, etwa 6 v. H. Bruchdehnung und 140 kg/mm2 Brinellhärte steigern, von denen die Härte selbst bei gesteigerten Temperaturen bis zu 300° eine Höhe von 20 bis 40 kg/mm2 beibehält. Wie bereits erwähnt, kommt auch das leichte Elektron als Kolbenmaterial in Frage; es besitzt 16 bis 20 kg/mm2 Zugfestigkeit, 3 bis 5 v. H. Bruchdehnung und 40 bis 50 kg/mm2 Brinellhärte. Auf dem Wege des Teilpreßverfahrens verarbeitet wird ferner das vergütbare Leichtmaterial Dur-Alumin für Automobilkolben verwendet. Durch den Vergütungsprozeß (Abschrecken bei 540° mit anschließendem mehrtägigem Lagern), lassen sich Festigkeitszahlen von über 30 kg/mm2 erreichen, wobei die Härte allerdings nur 100 bis 120 kg/mm2 beträgt. Diesen Zahlen gegenüber besitzt Grauguß etwa 20 bis 30 kg/mm2 Zugfestigkeit bei 180 kg/mm2 Brinellhärte. Die Festigkeitsprüfung hat man bereits auch auf ganze Kolben übertragen und untersucht diese mittels geeigneter Hilfswerkzeuge ebenfalls in der Zerreißmaschine, wobei die obere Aufhängung am Kolbenboden, die untere mittels des Kolbenbolzens in Höhe der Augen angebracht wird. Kolben von 90 mm Ø hielten bei diesen Prüfungen bis zu 5500 kg Belastung aus, ohne daß der Bruch eintrat. Gleiche Untersuchungen werden in der Wärme ausgeführt, wobei der Kolbenboden durch ein geeignetes elektrisches Heizelement erwärmt wird. Die Ermittlung des Wärmeausdehnungskoeffizienten gehört zu den Prüfarten der neueren Zeit, wird aber auch schon allgemein für Metalle angewendet und besonders für Speziallegierungen, als welche die Kolbenwerkstoffe anzusprechen sind. Für solche Messungen hat man verschiedene Apparate konstruiert, die im Prinzip jedoch in gleicher Weise arbeiten. Man verwendet für die Prüfungen gewöhnlich kleine Probestäbe von 5 bis 10 mm Durchmesser und zehnfacher, also 50 bis 100 mm Länge. Die Probekörper werden auf beiden Stirnseiten mit einem Körner versehen und zwischen 2 Quarz-spitzen gespannt. Zur Erwämung kommt der Prüfstab in eine Quarzröhre und diese in einen elektrischen Ofen, wo die Steigerung der Temperatur stufenweise auf 50, 100, 150, 200° und so weiter bis auf 300° durchgeführt wird. Die Verlängerung des Probestabes bei dieser Temperatur überträgt sich auf die eine der beiden Quarzspitzen und durch diese auf einen Feinmaßstab, wo die Gesamtverlängerung mittels eines Fernrohres abzulesen ist. In ähnlicher Art hat man auch die Wärmeausdehnung ganzer Kolben zu messen versucht; eine unmittelbare Anlehnung an die Betriebsverhältnisse ist jedoch in dieser Form nicht zu erzielen, da die Erwärmung des Kolbens im Motor nicht gleichmäßig erfolgt, sondern derselbe am Boden höheren Temperaturen ausgesetzt ist als am Mantel. Für die Prüfung der Wärmeleitfähigkeit gibt es ausgearbeitete Verfahren noch nicht, man ermittelt dieselbe meist auf behelfsmäßigem Wege indem man geeignete Probestäbe aus Leichtmetallegierungen mit einem solchen aus Reinaluminium vergleicht, dessen Wärmeleitfähigkeit bekannt ist. Von den weiteren Eigenschaften ist die Widerstandsfähigkeit eines Kolbens gegen Druckbeanspruchung sehr wichtig und wird daher für seine Beurteilung mit herangezogen. Obwohl der Druck, dem ein Kolben im Betriebe ausgesetzt ist, an seinem ganzen Boden gleichmäßig erfolgt, hat sich gezeigt, daß eine Prüfmethode, bei der die gleichen Beanspruchungsverhältnisse herrschen, ungenaue Werte ergibt, weil dabei die stärkste Belastung am äußeren Umfang des Kolbens auftritt. Man ist daher dazu übergegangen, den Kolben für die Druckprüfung in seinem Bolzen von unten abzustützen und den Boden mittels eines abgestumpften, schneidenförmigen Druckstückes längs und quer zur Bolzenachse einzudrücken. Brüche, die bei dieser Prüfung auftreten, gleichen denen, die im Betriebe entstehen, so daß man die Belastungswerte mit den Betriebsbelastungen immerhin vergleichen kann. Auch die Kenntnis der Laufeigenschaften eines Materials ist für seine Beurteilung für Kolbenzwecke notwendig. Da die Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß sowohl vom Gefügeaufbau und der Dichte eines Werkstoffes wie von der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstoffes und der guten oder schlechten Schmierung an den Reibungsflächen beeinträchtigt wird, hat man auch für diese Prüfung besondere Maschinen gebaut, bei denen durch Konstanthalten aller einflußreichen Faktoren gute Vergleichswerte zu erzielen sind. Bekannt sind für Laufeigenschaftsuntersuchungen Reibungs- bzw. Verschleißprüfmaschinen, in denen Leichtmetallringe, die fest auf einer drehbaren Unterlage sitzen, mit einer Geschwindigkeit von 8 bis 10 m/Sekunde (etwa entsprechend der normalen Kolbengeschwindigkeit) laufen und dabei an ihren äußeren Umfangsflächen durch Hebeldruck beliebig belastet werden können. Der Verschleiß des Ringes läßt sich durch Messung feststellen. Sowohl die beschriebenen Konstruktionen als auch die Werkstoffe und die Prüfmethoden haben ihre heutige Entwicklung einer jahrelangen kritischen Beobachtung der Betriebsverhältnisse zu danken, denen der Kolben als einer der wichtigsten Teile des Motors einer Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt ist. Zur erfolgreichen Anwendung der Leichtmetalle im Verbrennungskraftmaschinenbau hat nach neuesten Mitteilungen auch die Entwicklung geeigneter Zylinderwerkstoffe beigetragen, die eine um 50 v. H. höhere Wärmeausdehnung besitzen sollen als normales Gußeisen und sich dadurch den Wärmeausdehnungsverhältnissen der Leichtmetallegierungen im Betriebe besser anpassen. Zweckmäßige Neuerungen sind auch bei der Konstruktion der Kolbenringe erreicht worden. Bekannt sind z.B. dreiteilige zusammengesetzte Kolbenringe, die so beschaffen sind, daß sie zugleich die Zylinderwand und die Kolbenringnute abdichten, wodurch das Klappern des Kolbens im kalten Motor sowie das Schlagen desselben beim Hubwechsel und andere unangenehme Störungsmomente fortfallen sollen.