Unterschiedliche Materialien für JE Kolben

Bei der Konstruktion von Hochleistungskolben, spielt die Wahl des richtigen Materials eine wichtige Rolle. Die zur Verfügung stehenden Werkstoffe sind hier das 2618 und 4032 Aluminium, welche eine Reihe an Unterschieden aufweisen und sich daher auch unterschiedlich gut für die jeweilige Anwendung eignen.

Es scheint, dass man, je mehr man zu wissen scheint, umso mehr noch zu lernen hat, für den normalen Autofahrer sind Serienkolben gegossen, und Rennkolben geschmiedet – alles andere ist eigentlich unwichtig. In der Welt von Peter Pan, mag das auch zutreffen, doch die moderne Technologie bietet Chancen und Möglichkeiten der Entscheidung, und es zahlt sich aus, über die verfügbaren Optionen genau Bescheid zu wissen. In diesem speziellen Fall, die Schmiedekolben betreffend, bricht es sich am Ende auf die Entscheidung zwischen zwei Werkstoffen herunter. In vielen Fällen kann die Entscheidung umso schwieriger werden, je mehr Informationen man sammelt, doch wenn es um die Haltbarkeit, Performance und Fahrbarkeit eines Verbrennungsmotors geht, kann man kaum genug Input haben.

Beide Legierungen werden bei JE in Stangen angeliefert. Diese werden  in sogenannte Pucks geschnitten, die einzeln geschmiedet, oder zur CNC Abteilung gebracht werden, um zu einem Billet Kolben zu werden.

Wir kommen nicht umher, die Diskussion mit einer kleinen Exkursion in die Welt der Metallurgie zu starten. Wir möchten hier den Focus allein auf Schmiedekolben legen, diese schönen Stücke Aluminium kommen bei JE aus genau den beiden angesprochenen Legierungen!

Bestandteile

2618 4032
Aluminum 93.7% Aluminum 85%
Kupfer 2.3% Silikat 12.2%
Magnesium 1.6% Magnesium 1.0%
Eisen 1.1% Kupfer 0.9%
Nickel 1.0% Nickel 0.9%
Silikat 0.18%    
Titan 0.07%    


Der hohe Anteil an zugesetztem Silikat in der 4032 Legierung hat einen signifikanten Einfluss auf die Widerstandsfähigkeit des Kolbens und macht ihn zu einem großartigen Bauteil für langlebige Motoren, die viele Kilometer in Straßenautos ableisten sollen. Die kritischsten Stellen eines Kolbens sind immer die Ringstege, ein Kolben aus 4032 Aluminium wird die Kolbenringe mit dem richtig eingestelltem Spiel an ihrer Position halten und für viel Fahrspaß sorgen, ohne dass die Stege brechen.

Die beiden Werkstoffe nebeneinander sind nahezu unmöglich zu unterscheiden. Links ist das geschmiedete 2618 zu sehen, rechts das 4032. Obwohl sie nahezu identisch aussehen, sind die Unterschiede doch enorm.


Kolben aus 4032 Aluminium können sowohl in Tuning-, als auch in Wettbewerbsmotoren verwendet werden, und das mit jeweils großartigen Ergebnissen. Die Verwendung dieser Legierung macht den Kolben aufgrund des geringeren Ausdehnungskoeffizienten zwar anfälliger für Brüche bei sehr hohen Belastungen wie bei der Verwendung von 2618, doch lassen Sie sich davon nicht abschrecken! Es gibt Prostock Rennteams, die mit den 4032 Kolben seit vielen Rennen ganz erfolgreich  experimentieren, denn das Material ist etwas leichter und hat damit wieder Vorteile gegenüber dem 2618.

Eigenschaften

Material 4032 2618
Zugbelastung 55,000 psi 64,000 psi
Biegefestigkeit 46,000 psi 54,000 psi
Max. Dauerbelastung 16,000 psi 18,000 psi
Elastizitätsgrenze 11,400 psi 10,400 psi
Schmelzpunkt 990 – 1,060 F 1,020 – 1,180 F


Der größte Unterschied von 2618 Aluminium, wie es bei der Herstellung der Rennkolben von JE verwendet wird, ist der sehr geringe Anteil an Silikat, was den Kolben dehnbarer, und ihn damit geeigneter für die Verwendung in Motoren mit sehr hohen Belastungen macht. Sie sind also die richtige Wahl bei Motoren mit Kompressor,- oder Turboaufladung und/oder Lachgaseinspritzung.


Der geringere Anteil an Silikat bedeutet aber auch, dass der Kolben einen größeren Ausdehnungskoeffizienten hat, welcher im Bohrmaß, bzw. im Laufspiel des Kolbens berücksichtigt werden muss. Ein Kolben aus 2618 dehnt sich etwa 15% mehr aus als der gleiche Kolben, der aus 4032 hergestellt ist. Aus diesem Grund, wird ein Motor, der mit Kolben aus 2618 ausgestattet ist, immer leichte Geräusche im Kaltstart produzieren und kann auch leicht zu erhöhtem Ölverbrauch neigen.

In stark aufgeladenen Motoren, wie z.B. dem 2JZ Toyota Motor mit über 5bar Ladedruck, ist ein Kolben aus 2618 die richtige Wahl.


Sobald ein Motor Betriebstemperatur hat, haben beide Materialien dasselbe Laufspiel und die Motoren klingen gleich!


Der geringere Silikatanteil der 2618 Legierung macht den Kolben zwar anfälliger für ein stärker ausgeprägtes  Verschleißverhalten im Vergleich zu dem gleichen Kolben aus 4032, bei Wettbewerbsmotoren kommt dies jedoch nie zum Tragen, denn bei der Suche nach immer mehr Leistung, werden die Kolben meist viel früher getauscht, als dieser vermeintliche Nachteil zum Problem werden könnte.

Pro & Contra 2618

Pro Contra
Stärker Motorgeräusche im Kaltlauf
Dehnbarer Geringfügig höherer Verschleiß
Standfester bei Dauerbelastung  
Exzellente Eigenschaften bei Hochtemperatur  


Signifikanten Einfluss auf die Standfestigkeit und Belastungsgrenze eines Kolbens hat auch die Wärmebehandlung durch den Hersteller. Jede Legierung erfordert einen jeweils speziellen, auf das Material zugeschnittenen Prozess, der das maximal mögliche aus dem Material herausholt. Im Falle der JE Schmiedekolben wird dieser Wärmebehandlungsprozess in 4 Stufen durchgeführt:

  1. Vorbehandlung / Anheizen
  2. Endgültige Erhitzung, die fremde, unerwünschte Bestandteile aus dem Material entfernt
  3. Abschreckung im Wasserbad
  4. Künstlicher Alterungsprozess, der dem 2618 eine längere Haltbarkeit verleiht

Links sehen Sie einen 2618 Stroker Kolben. Rechts ist ein Billet Puck aus 2618 zu sehen, kurz bevor er zum Fräsen geht.


Die Unterschiede zwischen den beiden Legierungen scheinen die Entscheidungsfindung kompliziert zu machen, in der Tat haben beide Probanden Vor- und Nachteile. Aus diesem Grund bietet JE beide Legierungen an. Ein Koben aus 4032 Aluminium ist einfach komfortabler, weil der kleinere Ausdehnungskoeffizient und das damit verbundene sehr geringe Laufspiel, auch im Kaltstart geräuschärmer sind. Auf der anderen Seite ist er sehr stabil und verschleißarm, was ihn zur perfekten Wahl für straßenzugelassene Fahrzeuge, auch mit viel Leistung, macht.

Pro & Contra 4032

Pro Con
Sehr geringes Laufspiel Weniger dehnbar
Leiser Betrieb, auch im Kaltstart Etwas höherer Verschleiß
Leichter als 2618 Weniger standfest


2618 Aluminium ist für seine hohe Temperaturstabilität bekannt, was den JE Kolben aus diesem Material zu dem richtigen Kandidaten macht, um einen Wettbewerbsmotor aufzubauen, insbesondere bei Langstreckenrennen. Aber auch bei hochgezüchteten Turbomotoren, die immer noch auf der Straße bewegt werden, kann der Kolben eine perfekte Wahl sein.

Dieser 2618 Billet Kolben ist ein reiner Rennkolben, welcher extra erleichtert wurde, um das maximal mögliche aus dem Rennmotor zu holen.


Beide Legierungen bieten unterschiedliche Charakteristika, doch für einige Einsatzgebiete machen die Vorteile des Rennorientierten Kolben aus 2618 die Entscheidung einfach. Denn für einen Rennmotor, oder stark modifizierten Turbomotor, ist er immer die richtige Wahl.


Die Entscheidung über das Kolbenmaterial ist nur eine von vielen, die auf dem Weg zum perfekten Motor getroffen werden muss, doch mit dem richtigen Hintergrundwissen, wird er großartige Performance abliefern, und dem Fahrer ein Lächeln ins Gesicht zaubern.

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