Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Verbundmaterials, insbesondere zur Verwendung für Kohlenstoffkolben, sowie einen Kohlenstoffkolben .

Es ist bekannt, Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, aus Kohlenstoff herzustellen, wobei Kohlenstoff einerseits leicht ist und andererseits sehr gute Notlaufeigenschaften besitzt .

Aus der WO 2008/019814 AI ist ein aus Kohlenstoff bestehender Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt mit einem Kolben ^¬ boden, einem an dem Kolbenboden axial anschließenden Feuersteg, einem Ringabschnitt und einem Kolbenschaft mit einer Nabenbohrung zur Aufnahme eines Kolbenbolzens, wobei die

Schaftwand auf der Schaftinnenseite zur Ausbildung der Nabe einander gegenüberliegende Verdickungen aufweist, die sich in die Kolbenbodenunterseite mit einer Rundung hineinerstrecken, wobei die Kolbenbodenunterseite in dem Bereich zwischen den Nabenverdickungen eine Gewölbefläche bildet, die an die Na- benverdickung zumindest im oberen Bereich der Nabenbohrung anschließt. Der Kolben weist eine Kohlenstoffmatrix auf, die durch ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung infiltriert ist, wobei 5 bis 30 % des Kolbenvolumens auf das Leichtmetall oder die Leichtmetalllegierung entfallen sollen. Der Ausgangswerkstoff für die Kohlenstoffmatrix des Kolbenstoffkolbens soll ein modifizierter Kohlenstoff sein, der Biegebruchfestigkeiten im Bereich von circa 65 bis 160 MPa aufweist. Der Kolben wird zunächst als poröser Kohlenstoff- kolben ausgeführt und dann mittels squeeze-cast-Infiltration mit Aluminium infiltriert. Aus der DE 4318193 AI sind ein Verbundmaterial und ein Ver ^¬ fahren zu dessen Herstellung bekannt, wobei ein als Werkstoff für Kolben brauchbares Verbundmaterial mit einer Porosität im Bereich von höchstens 10 Vol.-% 60 bis 95 Vol . % einer i sotropen Graphitmatrix und einer Aluminiumlegierung umfasst, mit der die Poren der Matrix durchtränkt sind. Das Verfahren zur Herstellung dieses Verbundmaterials besteht darin, dass eine isotrope Graphitmatrix mit einer Porosität im Bereich von 5 bis 50 Vol.-% unter einem Druck von wenigstens

100 kg/cm ² mit einer geschmolzenen Aluminiumlegierung impräg- niert wird. Hierbei wird das Material in Säulenform herge ^¬ stellt, und anschließend werden die Kolben aus den Säulen heraus durch spanende Bearbeitung hergestellt.

Aus der EP 0666247 Bl ist ein metallimprägnierter Kohlenwerk- Stoff oder Graphitwerkstoff bekannt, der mit einer Magnesium ^¬ legierung imprägniert ist, die 60 bis 90 Gew.-% Magnesium, 0 bis 39 Gew.-% Aluminium, 1,5 Gew.-% Zink und 0 bis 1 Gew.-% Mangan enthält, wobei eine der Imprägnierung zugängliche Po ^¬ rosität von 5 bis 50 Vol.-% vorhanden sein soll, mit der das Basismaterial, wie beispielsweise Elektrographit , Hartbrand ^¬ kohle oder Kohlenstoffgraphit, imprägniert wird.

Aus der DE 44 11 059 AI ist ein Werkstoff für Kolben für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, wobei dieser aus isotro- pem Graphit mit hoher Ausgangsfestigkeit bestehen soll, des ^¬ sen Flüssigkeit zugängliches Porenvolumen mit einem Metall aus der Gruppe Kupfer, Antimon und Silizium oder mit einer Legierung des Kupfers, des Antimons oder Siliziums gefüllt ist .

Aus der DE 10 2008 017 756 AI ist ein Carbonkörper bekannt, der mit einer Leichtmetalllegierung imprägniert ist. Dieser Carbonkörper soll 5 bis 35 Volumen-% einer Aluminiumlegierung in einer Matrix aus Kohlenstoff- oder Graphitpartikeln mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 3 bis 20 μιη und einer Dichte von 2 bis 2,4 g/cm ³ enthalten.

Beim Stand der Technik ist von Nachteil, dass üblicherweise leichtmetallinfiltrierte Kohlenstoff- bzw. Graphitkolben da ^¬ durch hergestellt werden, dass ein Block isostatisch gepresst wird, aus dem eine große Anzahl von Kolben spantechnisch her- gestellt wird. Diese spanende Bearbeitung ist material- und zeitintensiv .

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials, insbesondere für einen Kohlenstoff- kolben, zu schaffen, welches sehr gleichmäßige Eigenschaften besitzt .

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet .

Es ist zudem eine Aufgabe der Erfindung, einen Kohlenstoff- kolben zu schaffen, welcher vorbestimmte Eigenschaften besitzt.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet . Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass unterschiedliche Materia ^¬ lien für Kolben und Zylinder zu wechselnden Breiten des

Spiels zwischen Kolben und Zylinder je nach Betriebstempera ^¬ tur führen. Insbesondere bei niedrigen Temperaturen, wie insbesondere in der Kaltstartphase, kommt es zum sogenannten "blow-by", d. h. unverbrannte Kohlenwasserstoffe treten durch den Spalt in das Kurbelgehäuse aus.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (im Folgenden auch kurz CTE genannt, von „coefficient of thermal expansion") von Grauguss liegt beispielsweise im Bereich von 10 bis llxlO ^-6 K ^-1 und der ^¬ jenige einer üblichen Aluminiumlegierung beispielsweise im Bereich von 20 bis 22xl0 ^~6 K ^-1 . Bisherige leichtmetallinfilt ^¬ rierte Kohlenstoffkolbenmaterialien haben beispielsweise einen CTE von im Allgemeinen unter 8,5xl0 ^~6 K ^-1 bei einer Aus- gangsporosität der Kohlenstoffmatrix von circa 10 %. Um Kol ^¬ ben mit Vorteilen des metallinfiltrierten Graphits herzustellen, jedoch das Laufspiel zwischen Kolben und Zylinderlauf- buchse geringer zu gestalten und insbesondere dessen Tempera ^¬ turabhängigkeit zu minimieren, wird erfindungsgemäß ein Kol- ben anisotrop hergestellt, wobei dessen CTE in radialer Rich ^¬ tung höher ist als in axialer Richtung. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass zur Spaltminimierung nur der CTE in radialer Richtung in Abhängigkeit des Laufbuchsenmaterials optimiert werden braucht, nicht aber in axialer Richtung.

Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung derart, dass ein Grundmaterial mit Kohlenstoff und/oder Graphit nach dieser Herstellung bezüglich der Wärmedehnung und/oder Wärmeleitung eine Anisotropie von 5 bis 50 %, insbesondere 10 bis 40 %, insbesondere 20 bis 30 % durch ein anisotropes Formgebungs ^¬ verfahren aufweist. Dies kann durch sogenanntes near-net- shaping (d.h. endformnahes Herstellen) durch Gesenkpressen und anschließendes Nachbearbeiten durch Fräsen oder eine andere spanende Bearbeitung erfolgen. Der Vorteil des Pressens ist, dass sich die Graphitplättchen senkrecht zum Pressdruck orientieren, wodurch eine Anisotropie von beispielsweise 1,25 zu 1 erzielt wird (auch mit 25 % bezeichnet) . Als anisotropes Formgebungsverfahren kommt des Weiteren ein Vibrationsverdichten (beispielsweise wiederum als Gesenkpressen) in Frage.

Darüber hinaus kann der Graphit bzw. die Graphitkörner als anisotropes Formgebungsverfahren extrudiert bzw. strangge- presst werden, wobei sich die Graphitplättchen bzw. Graphitkörnchen parallel zur Pressrichtung ausrichten. Dementsprechend müssen die Kolben aus dem extrudierten Strang herausgeschnitten werden. Die Porosität des so hergestellten Kohlenstoffmaterials beträgt hierbei circa 10 bis 15 %.

Darüber hinaus besteht eine Möglichkeit, das Kolbenmaterial durch Sintern von Mesophasen-Kohlenstoff zu erzielen, wobei die Anisotropie hier durch insbesondere entsprechend ausge ^¬ richtete Zuschlagsstoffe erzielt wird, die ausgebrannt oder ausgegast werden. Hierbei wird eine Porosität von 15 bis 20 % erzielt .

An diese Formgebungsverfahren schließt sich jeweils das Infiltrieren mit einem Metall an. Da vorzugsweise circa 80 % des Porenvolumens des erhaltenen Kohlenstoffkörpers offene Porosität ist, ist eine gute Infiltrierbarkeit gegeben. Da bei allen erfindungsgemäßen Herstellverfahren eine hohe Porosität der Kohlenstoff-/Graphitmatrix und somit ein hoher Me- tallgehalt des metallinfiltrierten Materials erreicht wird, wird auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit des metallinfiltrier ^¬ ten Materials erzielt. Zum Infiltrieren kann als Metall vorteilhafterweise ein

Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung eingesetzt werden, wie etwa Aluminium, Magnesium oder eine Legierung mit Aluminium und/oder Magnesium. Es kann auch vorteilhaft sein, dass als Metall ein Metall aus der Gruppe Kupfer, Zinn, Zink und Antimon oder eine Legierung mit zumindest einem Bestandteil aus dieser Gruppe eingesetzt wird. Beispielsweise kann eine Cu-Sn-Bronze mit einem Cu-Sn- Verhältnis von etwa 80 zu 20 Gew.-% als Metalllegierung vor- liegen.

Vorteilhafterweise können bezüglich der Wärmeausdehnung und der Wärmeleitung unterschiedliche Anisotropien gezielt einge ^¬ stellt werden.

Weiter von Vorteil ist es wenn das Ausgangsmaterial mit einer Porosität von 12 bis 20 %, insbesondere 15 bis 18 % ausgebil ^¬ det wird und das Ausgangsmaterial anschließend mit Metall in ^¬ filtriert wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Ausgangsmaterial im Wesentlichen bestehend aus Graphit extru- diert bzw. stranggepresst , wobei sich die Graphitplättchen oder Graphitkörner sich parallel zur Extrudierrichtung aus- richten. Hierbei werden vorteilhafterweise zur Herstellung von Kolben die Kolbenrohlinge senkrecht zur Extrusionsrichtung aus dem extrudierten Strang herausgeschnitten. Die Erfindung betrifft zudem einen Kohlenstoffkolben, wobei ein den Kolben ausbildendes Grundmaterial mit Kohlenstoff und/oder Graphit bezüglich der Wärmedehnung und/oder Wärmeleitung bezüglich der axialen und radialen Richtung eine Anisotropie von 5 bis 50 %, insbesondere 10 bis 40 %, insbeson- dere 20 bis 30 % besitzt und zudem die offene Porosität des Kohlenstoffmaterials mit Metall infiltriert ist.

Das Metall kann vorteilhafterweise ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung sein, wie etwa Aluminium, Magnesium oder eine Legierung mit Aluminium und/oder Magnesium.

Es kann auch vorteilhaft sein, dass als Metall ein Metall aus der Gruppe Kupfer, Zinn, Zink, oder eine Legierung mit zumindest einem Bestandteil aus dieser Gruppe eingesetzt wird. Beispielsweise kann eine Cu-Sn-Bronze mit einem Cu-Sn-

Verhältnis von etwa 80 zu 20 Gew.-% als Metalllegierung vorliegen .

Vorteilhafterweise sind bei dem Kolben bezüglich der Wärme ^¬ ausdehnung und der Wärmeleitung unterschiedliche Anisotropien vorhanden. Dies hat von Vorteil, dass Wärmeausdehnung und Wärmeleitung unabhängig voneinander eingestellt, insbesondere optimiert werden können.

Weiter von Vorteil ist, wenn das Kohlenstoffmaterial eine Po ^¬ rosität von 12 bis 20 %, insbesondere 15 bis 18 % vor dem In ^¬ filtrieren besitzt. Weiter von Vorteil ist, wenn das Kohlenstoffmaterial des Koh ^¬ lenstoffkolbens ein Graphitmaterial ist, welches durch Ge ^¬ senkpressen und/oder Vibrationsverdichten endformnah geformt ist, wobei durch das Pressen bzw. Verdichten die Graphit- plättchen im Wesentlichen senkrecht zum Pressdruck mit ihrer Längserstreckung in radialer Richtung ausgerichtet sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Koh- lenstoffmaterial des Kohlenstoffkolbens im Wesentlichen aus Graphit ausgebildet und ein extrudiertes oder stranggepress- tes Kohlenstoffmaterial , wobei die Graphitfläche bzw. Gra ^¬ phitkörner im Wesentlichen längs zur Extrudierrichtung und parallel zu einer radialen Richtung des Kolbens ausgerichtet sind.

Unter Graphitmaterial ist im Rahmen der Erfindung Kohlenstoff und/oder Graphit zu verstehen, wobei Graphit aufgrund seiner eigenen Anisotropie einen besonders hohen Anteil an der Bil- dung einer Anisotropie im erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben trägt. Das Graphitmaterial kann vollständig graphitierten Graphit und/oder teilgraphitierten Graphit aufweisen. Vollständig graphitierter Graphit ist beispielsweise durch

Graphitierung bei Temperaturen von über 2600 °C hergestellt, teilgraphitierter Graphit beispielsweise vorzugsweise bei

Temperaturen zwischen 2200 und 2600 °C, wie etwa im Bereich von etwa 2400 °C. Teilgraphitierter Graphit kann vorteilhaft ^¬ erweise eine höhere Festigkeit als vollständig graphitierter Graphit aufweisen. Somit lassen sich Festigkeit und Anisotro- pie durch verschiedene Anteile an Graphit verschieden hohen Graphitierungsgrads gezielt einstellen. Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläu ^¬ tert. Es zeigen dabei:

Figur 1: schematisch einen Kolben in einem Zylinder;

Figur 2: die Porenanordnung und Teilchenanordnung in einem isostatisch gepressten Kohlenstoffmaterial ;

Figur 3: die Orientierung der Poren und Teilchen in einem er- findungsgemäß gesenkgepressten Kohlenstoffkolben;

Figur 4: die Orientierung der Poren und Teilchen in einem

extrudierten Kohlenstoffmaterial . In Figur 1 sieht man stark schematisiert einen Zylinder 30 bzw. eine Zylinderlaufbuchse 30, wobei innerhalb des Zylin ^¬ ders ein Kolben 31 angeordnet ist.

Durch die Verbrennung in dem Verbrennungsmotor ergibt sich eine Wärmeausdehnung 33 in axialer Richtung und eine Wärmeausdehnung 34 in radialer Richtung. Die Wärmeausdehnung 34 in radialer Richtung führt dazu, dass ein zwischen dem Zylinder und dem Kolben bestehender Spalt 32 geschlossen wird bzw. bei einer entsprechenden Ausdehnung des Zylinders durch eine dar- auf abgestimmte Ausdehnung in radialer Richtung des Kolbens der Spalt zumindest bei hohen Temperaturen nicht größer wird.

In Figur 2 ist stark schematisiert zu erkennen, wie ein Mate ^¬ rial 10 für einen Kohlenstoffkolben nach dem Stand der Tech- nik aussieht, wenn es durch isostatisches Pressen hergestellt wird. Beim isostatischen Pressen wird allseitig Druck auf das Material aufgebracht, so dass durch den allseitigen Druck die Poren 11 und Graphitteilchen 12 keine Orientierung zeigen. Die maximale Anisotropie bezüglich der Wärmeleitfähigkeit in radialer Richtung zur Wärmeleitfähigkeit in axialer Richtung beträgt 1 zu 1,05, bzw . 5 % . Die Porosität beträgt üblicher ^¬ weise 10 %.

Erfindungsgemäß können die Kolben endformnah in entsprechenden Matrizen gesenkgepresst werden. Wie in Figur 3 ersicht ^¬ lich ist, richten sich hierbei im Material die Poren 2, aber auch die Graphitkörner/-plättchen 3 entsprechend des Drucks 4 aus, so dass eine Anisotropie sowohl bezüglich der Wärmelei ^¬ tung als auch bezüglich der Wärmedehnung erzielt wird. Durch die Ausrichtung während des Gesenkpressens besteht bezüglich der radialen Richtung eine größere Wärmedehnung als bezüglich der axialen Richtung.

Es ergibt sich hierbei insbesondere eine Porosität von 10 bis 18 %, insbesondere von 12 bis 15 %.

Bei einem nach einer Variante des Ausführungsbeispiels her- gesteilen Kolbens wird mit Vibrationsverdichten ein ähnliches Ergebnis erzielt, wie in Fig. 3 dargestellt.

In Figur 4 ist ersichtlich, wie sich das Material beim Extrudieren verhält, wobei der Pfeil 5 die Extrusionsrichtung an- zeigt. Durch das Extrudieren richten sich sowohl die Graphitteilchen 3 als auch die Poren 2 entlang der Bewegungsrichtung 5 im Extrusionsstrang 6 aus. Es ergibt sich insbesondere eine Porosität von 14 bis 20 %, insbesondere 15 bis 18 %. Wie sich aus einem Vergleich der Figuren 3 und 4 ergibt, müssen, um gleiche Orientierung und gleiche Anisotropien wie beim Gesenkpressen zu erhalten, die extrudierten Stränge 6 mit einem entsprechenden Schneid- oder Stanzwerkzeug 7 quer zur Extrusionsrichtung zu Kolbenrohlingen geschnitten werden.

Erfindungsgemäß können sowohl bezüglich der Wärmeausdehnung als auch bezüglich der Wärmeleitung unterschiedliche Anisotropien gezielt eingestellt werden, d. h. z. B. auch, dass die Anisotropie bezüglich der Wärmeleitung und der Wärmedehnung unterschiedliche Größen und unterschiedliche Richtungen haben können.

Bei dem erfindungsgemäßen Material ist von Vorteil, dass die Wärmeleitfähigkeit insbesondere durch die hohe Porosität und gute Infiltrierbarkeit deutlich besser ist als bei Kohlen ^¬ stoffkolben im Stand der Technik, was wiederum zur Folge hat, dass eine Gleichmäßigkeit der Temperatur derart erzielt wird, dass im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem der Kolben teilweise höhere Temperaturen hat als der umgebende Zylinder, diese Temperaturen aneinander angeglichen werden. Der erfindungsgemäße Kolben ist insbesondere zu Verwendung als Kolben in Kraftmaschinen, wie etwa Kraftmaschinen mit innerer oder äußerer Verbrennung, insbesondere Brennkraftmaschinen, Stirling-Motoren, sowie Druckluftmotoren, und Arbeitsmaschinen, wie etwa Kompressoren und Expander, geeignet. Der Kolben kann in allen bekannten Geometrien ausgebildet sein, wie etwa als Hubkolben, beispielsweise für einen Otto ^¬ motor, oder als Rotationskolben, beispielsweise für eine Wankelmotor . Beispiel

Der Wärmeausdehnungskoeffizient eines Verbundmaterials gemäß dieser Erfindung, kurz CTE (Coefficient of thermal expansion) beschreibt die relative Ausdehnung bezogen auf eine Tempera ^¬ turdifferenz ΔΤ . Bei der Auslegung von Kolben muss die Wärmeausdehnung explizit berücksichtigt werden. Ein Standardprob ^¬ lem bei der Paarung Aluminiumkolben und Aluminiumgehäuse ist die stärkere radiale Ausdehnung des Kolbens im Vergleich zum Gehäuse, obwohl Material mit gleichem CTE eingesetzt wird. Der Grund hierfür ist die deutlich höhere Temperatur des Kolbens >300°C gegenüber dem gekühlten Gehäuse von 100-200°C. Deshalb wird an dieser Stelle ein großer Feuerstegspalt im Kaltzustand hingenommen, der beim Aufwärmen des Kolbens auf Betriebstemperatur dann langsam verringert wird.

Bei Kohlenstoff-basierten Kolben (CTE a=4e-6/K) , auch mit Aluminium Infiltration (CTE a=8e-6/K) , ist der CTE des Kol- benmaterials hingegen deutlich kleiner als der CTE des Aluminiumgehäuses (CTE a=22e-6/K) . Das Aluminiumgehäuse eine r _Ko i- _b en=39.6mm Kolbens dehnt sich also bei Erwärmung auf 150 °C um ca. 131ym

Der erfindungsgemäße Kolben eines Aluminium-infiltrierten Graphits dieses Beispiels bei 310°C dehnt sich nur um etwa 98ym. Im Gegensatz zum Standardaluminiumkolben öffnet sich also der Feuerstegspalt beim Aufheizen auf Betriebstempera- tur.

Im weiteren Verlauf dieses Ausführungsbeispiels wird zu FEM Berechnungen übergegangen, da sie mehr Effekte berücksichtigen (z.B. lokal unterschiedliche Temepraturen) und demnach deutlich genauer als die einfachen analytischen Schätzungen sind . Im Gegensatz zu herkömmlichem Aluminium-infiltrierten Graphit mit isotropem CTE α ± _so =8e-6/K, zeigt ein bereits leicht modi ^¬ fiziertes Material mit 30% Anisotropie (a _xy =9.04e-6/K und a _z =6.96e-6/K, a _~ =ai _SO =8e-6/K) auf Basis heutiger Rezepturen deutliche Vorzüge in der thermischen Ausdehnung hinsichtlich der Anwendung als Kolbenmaterial im Verbrennungsmotor. Der höhere radiale CTE a _xy =9.04e-6/K ist besser an die umgebenden metallischen Werkstoffe angepasst, wodurch der Feuerstegspalt bei Betriebstemperatur enger ausgelegt werden kann. Dies wird in Fig. 5a illustriert: der anisotrope Werkstoff (dunkelgrau) dehnt sich mehr in radialer Richtung aus als der isotrope Werkstoff (hellgrau) . In Zahlen verdeutlicht kann in Fig. 6 der Feuerstegspalt so von 15ym auf 3ym gesenkt werden.

Zwar spielt der Feuerstegspalt im dargestellten Dieselkolben nicht die tragende Rolle bei der Einsparung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, der Effekt funktioniert aber auch im Ottokolben, wo der Feuerstegspalt von Interesse ist.

Darüber hinaus lässt sich durch die geringere Expansion in axialer Richtung (Fig. 5b) der Spalt zwischen Kolbenoberflä- che und Zylinderkopf verringern. In Zahlen kann die axiale

Expansion von 104ym auf 91ym, also um ca. 13% verringert werden .

Das erfindungsgemäße Verbundmaterial dieses Beispiels lässt sich aber überraschend noch weiter optimieren. Durch Verände- rung der Rezeptur (z.B. andere Kokssorten für den infiltrierten Graphit) lässt sich die Anistropie in a _xy und a _z weiter erhöhen, bei gleichzeitiger Absenkung des isotropen Niveaus o , z.B. a _~ =7.5e-6/K, a _xy =9e-6/K, a _z =6e-6/K. So erhält man dieselbe Minimierung des Feuerstegspalts (gleiches a _xy ) und kann den Spalt zwischen Kolbenoberfläche und Zylinderkopf erfin ^¬ dungsgemäß noch weiter verringern (kleineres a _z ) .