DE102004030822B3

DE102004030822B3 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102004030822B3
Application number: DE102004030822A
Authority: DE
Inventors: Lothar Hofmann; Peter Konrad; Dr. Simon Reichstein
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-06-26

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor wird ein Einsatz (16) in einen Kolbengrundkörper (12) eingesetzt und nachfolgend umgeschmolzen, wobei das Umschmelzen umlaufend mit mindestens zwei Umläufen erfolgt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Kolben von Verbrennungsmotoren sind während des Betriebs hohen Belastungen, insbesondere thermischen Belastungen ausgesetzt. Aufgrund ständig steigender Literleistungen von Verbrennungsmotoren können insbesondere am Rand der Brennraummulde Temperaturen auftreten, die während des gewöhnlichen Betriebs bereits nahe an die Schmelztemperaturen auch moderner Kolbenlegierungen heranreichen. Unter diesen Umständen können bereits geringe Unregelmäßigkeiten beim Betrieb, die beispielsweise die vom Motormanagement erzeugten Einspritzmengen betreffen, zu Temperaturen führen, die oberhalb der Schmelztemperatur der Kolbenlegierungen liegen. Somit kann es insbesondere am Muldenrand zu Anschmelzungen kommen.

Die DE 103 16 002 der Anmelderin, die ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschreibt, offenbart ein Verfahren, bei dem ein Einsatz in einen Kolbengrundkörper eingebracht wird, und dieser, zusammen mit der unmittelbaren Umgebung des Einsatzes in dem Kolbengrundkörper, umgeschmolzen wird. Hierdurch kann im Bereich des Einsatzes ein besonders feines Gefüge erzeugt werden. Ferner können in dem Bereich des Einsatzes Legierungselemente angereichert werden, die zu einer verbesserten Hochtemperaturfestigkeit führen.

Die DE 100 37 246 C2 offenbart einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, bei dem ein sogenannter Schmelzring eingesetzt wird, und nachfolgend geschmolzen wird. Das Schmelzen erfolgt durch eine einmalig umlaufende, zickzackförmige Bewegung eines Elektronenstrahls.

Die DE 42 05 307 C1 offenbart ein Verfahren zum partiellen oberflächennahen Wärmebehandeln von Aluminiumteilen einer Brennkraftmaschine, bei dem ein energiereicher Strahl eine zyklische Bahnkontur mehrfach durchlaufen kann, um eine gewünschte Aufschmelztiefe zu erreichen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, durch das eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Kolbens erreicht werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren.

Demzufolge wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Einsatz in einen Kolbengrundkörper eingesetzt und nachfolgend umgeschmolzen. In diesem Zusammenhang wird im Hinblick auf Einzelheiten des Einsatzes sowie des Kolbengrundkörpers, insbesondere betreffend das Material dieser Komponenten, die Befestigung des Einsatzes in dem Kolbengrundkörper, den Vorgang des Umschmelzens als solchem sowie der bevorzugten Bereiche, in denen der Einsatz eingesetzt wird, einschließlich der dadurch erreichbaren Vorteile auf die oben erwähnte DE 103 16 002 der Anmelderin verwiesen, deren Offenbarung hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Mit anderen Worten sind sämtliche Gesichtspunkte des Kolbengrundkörpers, des Einsatzes sowie des Umschmelzverfahrens aus der genannten Druckschrift auch in Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung anwendbar. Beispielsweise sei erwähnt, dass der Einsatz in vorteilhafter Weise so ausgebildet sein kann, dass er einen wesentlich höheren Schmelzpunkt als der Kolbengrundkörper aufweist, so dass in besonders belasteten Bereichen, beispielsweise im Bereich des Muldenrandes, die Belastbarkeit erhöht werden kann. Hierzu trägt beispielsweise auch das in den kritischen Bereichen ausgebildete, sehr feine Gefüge bei. Ferner kann der Kolben insgesamt verbessert werden, da mittels des Einsatzes in den thermisch besonders belasteten Bereichen eine höhere Temperaturbeständigkeit erreicht wird, während der Werkstoff für den Kolben im Übrigen im Hinblick auf die Anforderung in anderen kritischen Bereichen des Kolbens, beispielsweise im Bereich eines Kühlkanals oder einer Bolzenbohrung, gewählt werden kann. Folglich kann insgesamt ein verbesserter Kolben hergestellt werden.

Erfindungsgemäß erfolgt das Umschmelzen des Einsatzes umlaufend und mit mindestens zwei Umläufen. Unter "umlaufend" wird in diesem Zusammenhang eine kreisförmige Bewegung um die Kolbenachse verstanden. Dieses Verfahren bietet den wesentlichen Vorteil, dass der Einsatz gewissermaßen in umlaufenden Schichten umgeschmolzen wird. Hierdurch können die Parameter für das Umschmelzen bei einzelnen Umläufen individuell eingestellt werden, und es kann eine exakte graduelle Abreicherung oder Verarmung bestimmter Elemente des Kolbenwerkstoffs erreicht werden. Beispielsweise sind im Bereich des Einsatzes Elemente zu vermeiden, die einem hohen Schmelzpunkt der verwendeten Materialien, insbesondere der Aluminiumlegierungen, entgegenwirken. Bei den bekannten Verfahren erfolgt an einzelnen Stellen ein umfassendes Schmelzen, was zu einer intensiven Schmelzbadbewegung führt. Hierdurch durchmischen sich der Werkstoff des Einsatzes und derjenige des Kolbengrundkörpers. Demgegenüber wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine umlaufende, schichtweise Bearbeitung vorgenommen, und es wird umfangreich verhindert, dass sich die Materialien in radialer Richtung unerwünscht stark vermischen. Hierdurch kann beispielsweise gewährleistet werden, dass eine für die Temperaturbeständigkeit besonders günstige Materialzusammensetzung im Bereich des Einsatzes weitestgehend erhalten bleibt und die thermisch besonders belasteten Bereiche mit günstigen Eigenschaften versieht.

Das Umschmelzen des Einsatzes erfolgt derart, dass sich die Parameter unterschiedlicher Umläufe unterscheiden. Hierdurch können radial unterschiedliche Zonen des Einsatzes in unterschiedlicher Weise behandelt werden, und hinsichtlich ihrer Eigenschaften in günstiger Weise beeinflusst werden.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Ferner erfolgt das Umschmelzen des Einsatzes vorzugsweise durch ein Schweißverfahren. Ein derartiges Verfahren kann besonders effizient durchgeführt werden, und dessen Parameter können in vorteilhafter Weise günstig und individuell eingestellt werden, um ein gewünschtes Ergebnis hinsichtlich der Eigenschaften des umgeschmolzenen Einsatzes zu erhalten.

Die Wirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden weiter verstärkt, wenn sich die in einzelnen Umläufen umgeschmolzenen Bereiche allenfalls geringfügig überdecken. Hierdurch kann die beschriebene, unerwünschte intensive Schmelzbadbewegung besonders umfangreich verhindert werden, und einzelne radiale Zonen können besonders genau und abgestuft behandelt werden.

Für die Befestigung des Einsatzes in dem Kolbengrundkörper wird derzeit bevorzugt, dass dieser eingeschrumpft oder eingepresst wird.

In vorteilhafter Weise kann der Einsatz ferner in dem Kolbengrundkörper durch Schweißen befestigt werden. Dieses Einschweißen kann mittels eines beliebigen geeigneten Verfahrens, beispielsweise mittels eines Elektronenstrahls, erreicht werden.

In diesem Fall können weitere Vorteile dadurch erzielt werden, dass die Parameter des Schweißvorganges zum Befestigen des Einsatzes in dem Kolbengrundkörper sich von den Parametern, bevorzugt den Schweißparametern des Umschmelzvorganges unterscheiden. Hierdurch kann mittels der Wahl der Schweißparameter für das Einschweißen der Übergang zwischen dem Einsatz und dem Kolbengrundkörper in beliebiger, gewünschter Weise eingestellt werden. Beispielsweise kann hier eine Vermischung des Werkstoffs des Kolbengrundkörpers mit dem Material des Einsatzes zugelassen werden, um den Übergang in diesem Bereich "weicher" zu gestalten.

Schließlich wird für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt, dass nach dem Umschmelzen des Einsatzes zumindest teilweise aus dem Einsatz eine Brennraummulde herausgearbeitet wird. Hierdurch können, wie erwähnt, die günstigen Eigenschaften des Materials des Einsatzes in besonderer Weise im Bereich der Brennraummulde, insbesondere an dessen Rand genutzt werden, um die Temperaturbeständigkeit des Kolbens insbesondere in diesem Bereich zu erhöhen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird eine beispielhaft in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 schematisch einen Kolben nach dem Einschweißen eines Einsatzes;
2 schematisch das Umschmelzen des Einsatzes; und
3 schematisch den fertig bearbeiteten Kolben.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Kolben 10 während seiner Herstellung gezeigt. In einen Kolbengrundkörper 12, der eine Kolbenbolzenbohrung 14 aufweist, ist ein Einsatz 16 eingesetzt worden und darin durch Schweißen befestigt, mit anderen Worten "eingeschweißt" worden. Dies ist an einer umlaufenden Schweißnaht 18 zu erkennen. Durch geeignete Wahl der Schweißparameter für diese Schweißnaht 18 kann eine gezielte Vermischung des Materials des Kolbengrundkörpers 12 mit demjenigen des Einsatzes 16 im Bereich des Übergangs zwischen diesen beiden Komponenten erreicht werden.
In 2 ist zu erkennen, wie der Einsatz 16 schichtweise, in zwei bis n konzentrischen Schichten 20.1, 20.2 bis 20.n umgeschmolzen wurde. Diese Schichten überlappen sich allenfalls geringfügig, so dass im Rahmen des Umschmelzens keine umfangreiche Schmelzbadbewegung in radialer Richtung erfolgt, sondern eine gezielte Abreicherung von Elementen erfolgen kann, die in dem Einsatz nicht vorgesehen sind, und einem hohen Schmelzpunkt der verwendeten Aluminiumlegierungen entgegenwirken würden.
In 3 ist der fertig bearbeitete Kolben 10 zu erkennen. Aus diesem wurde insbesondere im Bereich des Einsatzes 16 eine Brennraummulde 22 herausgearbeitet. Deren thermisch besonders beanspruchter Rand 24 liegt im Bereich des eingesetzten und umgeschmolzenen Einsatzes, so dass dessen thermisch günstige Eigenschaften in diesem besonders kritischen Bereich in vorteilhafter Weise genutzt werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, bei dem ein Einsatz (16) in einen Kolbengrundkörper (12) eingesetzt und nachfolgend umgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschmelzen umlaufend, mit mindestens zwei Umläufen erfolgt, und sich die Parameter unterschiedlicher Umläufe unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschmelzen durch ein Schweißverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die umgeschmolzenen Bereiche sich allenfalls geringfügig überdecken.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (16) in den Kolbengrundkörper (12) eingeschweißt oder eingepresst wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (16) in dem Kolbengrundkörper (12) durch Schweißen befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Schweißvorgangs zum Befestigen des Einsatzes (16) sich von den Parametern des Umschmelzvorganges unterscheiden.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Umschmelzen im Bereich des Einsatzes (16) eine Brennraummulde (22) herausgearbeitet wird.