DE102005034905A1

DE102005034905A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102005034905A1
Application number: DE102005034905A
Authority: DE
Inventors: Simon Dr.-Ing. Reichstein; Lothar Dipl.-Ing. Hofmann
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2007-02-01
Also published as: US20090000470A1; EP1907684A1; JP2009503320A; WO2007012373A1; WO2007012373A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) mit einer Brennraummulde (2) für einen Verbrennungsmotor, bei dem zumindest ein Bereich der Brennraummulde (2), umfassend mindestens einen Muldengrund (20) schmelzbehandelt wird, um einen Werkstoff im schmelzbehandelten Bereich umzuschmelzen, so dass ein Aufbau des Werkstoffs im schmelzbehandelten Bereich in einer Schicht mit einer festlegbaren Tiefe verändert wird, sowie einen deratigen Kolben (1).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit einer Brennraummulde für einen Verbrennungsmotor sowie einen derartigen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
Kolben sind im Betrieb in Verbrennungsmotoren ständig Veränderungen der Betriebsbedingungen unterworfen. Jeder Start und/oder Abschaltvorgang sowie jeder Wechsel eines Lastfalls führt zu einer starken Veränderung der Temperaturverteilung im Kolben. Diese Veränderungen der Temperaturverteilungen verursachen innere Spannungen, die zu einer plastischen Verformung und schließlich zu einem Versagen des Kolbens führen können.

Es ist bekannt, die Lebensdauer eines Kolbens mittels einer Materialbearbeitung zu verlängern.

Aus der DE-OS 20 27 649 ist es bekannt, auf die besonderen thermischen und/oder mechanischen Belastungen ausgesetzten Kolbenteile eine Leichtmetallbewehrung durch Auftragsschweißung unter Bildung einer Mischzone aufzubringen. Der Kolben wird dabei insbesondere im Bereich eines Muldenrands mit einer unter Bildung einer Mischzone aufgeschweißten Reinaluminiumschicht überzogen.

Die DE 199 02 864 A1 beschreibt einen Kolben, bei dem der Rand der Brennraummulde zumindest teilweise mittels Strahlbeschichtung aus einem Zusatzwerkstoff gebildet ist.

Aus der DE 103 35 843 A1 ist es bekannt, die Lebensdauer des Kolbens mittels eines Umschmelzen des Muldenrands zu erhöhen.

Versuche zeigen jedoch, dass bestimmte Betriebsbedingungen dennoch zu einem Versagen des Kolbens führen können.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorkolbens sowie einen Motorkolben zu schaffen, mittels derer die Lebensdauer und Betriebssicherheit eines Motorkolbens weiter erhöht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10.

Dabei wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit einer Brennraummulde für einen Verbrennungsmotor ein Bereich der Brennraummulde umfassend mindestens einen Muldengrund schmelzbehandelt, so dass ein Aufbau des Werkstoffs im schmelzbehandelten Bereich in einer Schicht mit einer festlegbaren Tiefe verändert wird. Der Werkstoff wird im schmelzbehandelten Bereich "umgeschmolzen". Der Werkstoff weist somit in der schmelzbehandelten Schicht gegenüber dem darunterliegenden Werkstoff des Kolbens eine veränderte Struktur, beispielsweise eine veränderte Partikelgröße auf, so dass sich ein feineres Gefüge einstellt. Das feinere Gefüge hält einer wechselnden Belastung besser stand. Die Tiefe der Schicht wird dabei geeignet festgelegt. Sie kann von wenigen μm bis zu einigen mm reichen. Die Tiefe wird derart festgelegt, dass ein Aufbau des Werkstoffs verändert wird.

Durch das Umschmelzen wird einem Versagen des Kolbens im Muldengrund beispielsweise auf Grund von Veränderungen der Temperaturverteilung entgegengewirkt, so dass die Lebensdauer des Kolbens verlängert wird.

Verwendete Werkzeuge für die Schmelzbehandlung werden gegebenenfalls in geeigneter Weise an die Geometrie des Muldengrunds angepasst.

Vorzugsweise wird der Bereich mittels Lichtbogen-Schweißverfahren, Laser- und/oder Elektronenstrahl erwärmt und/oder durch eine induktive Erwärmung umgeschmolzen. Es sind jedoch auch andere Formen einer Energieeinbringung denkbar.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Bereich durch eine Energieeinbringung mit einer Leistung zwischen 2 und 8 kW erwärmt. Durch die Leistung des Energiestrahls und/oder die Einwirkzeit ist eine Tiefe der schmelzbehandelten Schicht beeinflussbar.

Vorzugsweise wird der schmelzbehandelte Bereich nachfolgend mit einer Abkühlrate oder Geschwindigkeit von 100–1000 K/s abgekühlt. Bei technischen Umschmelzprozessen sind Erstarrungsgeschwindigkeiten in einem äußerst umfangreichen Bereich, nämlich etwa zwischen 10³ und 10^–10 K/s möglich. Je höher die Abkühlrate ist, desto feiner kristallisieren die Partikel in der Schmelze. Innerhalb dieses umfangreichen Bereichs hat sich die Abkühlrate von 100–1000 K/s bei Kolben mit Silizium-Anteil als besonders günstig herausgestellt. Die Rate kann jedoch zumindest bei Kolben ohne Silizium-Anteil über- oder unterschritten werden.

Bei Versuchen für Kolben mit Silizium-Anteil hat sich ergeben, dass durch die Abkühlrate von 100–1000 K/s die folgenden Vorteile erreicht werden. Bei dem hergestellten Kolben können in den aufgeschmolzenen und nachfolgend abgekühlten Bereichen des Muldengrunds Partikel festgestellt werden, die kleiner, zumeist deutlich kleiner als 10^–6 m sind. Für Partikel mit einer derartigen Größe hat sich ergeben, dass sie zu der erwünschten Dispersionshärtung und damit zu einer deutlichen Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit führen.

Die bevorzugte Abkühlrate von 100–1000 K/s wurde wie folgt ermittelt. Durch versuche wurde herausgearbeitet, dass die Abkühlrate mindestens 100 K/s betragen muss, damit ein ausreichender Anteil des primären Siliziums, das gegebenenfalls in dem herzustellenden Kolben vorhanden ist, ausreichend fein ausgebildet wird, so dass es zu einer Dispersionshärtung des Werkstoffs kommt. Eine langsamere Erstarrung würde zu einem gröberen Gefüge führen, das die erwünschten Eigenschaften nicht aufweist. Somit kann als eine Mindest-Abkühlrate 100 K/s für bestimmte Kolbenmaterialien angegeben werden.

Im Hinblick auf die bevorzugte Obergrenze der Abkühlrate hat sich durch geeignete Versuche ein Wert von 1000 K/s ergeben. Bei einem noch schnelleren Abkühlen könnte es bei Kolben mit Silizium-Anteil zu einer Zwangslösung des Siliziums in einem übersättigten Aluminium- Mischkristall kommen. Hierdurch würden die erwünschten, feinen Dispersoide verloren gehen. Diese sind für die angestrebte Dispersionshärtung und Hochtemperaturfestigkeit erforderlich. Darüber hinaus ist es äußerst aufwendig, diejenigen Volumina des Muldengrunds, die bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens aufgeschmolzen werden, schneller abzukühlen als mit der erfindungsgemäßen Abkühlrate von 1000 K/s. Insgesamt ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren ein wirtschaftlich sinnvolles Herstellungsverfahren für Kolben, mit dem ein Kolben mit einer zumindest bereichsweise verbesserten Hochtemperaturfestigkeit hergestellt werden kann.

Bevorzugt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen seiner Herstellung ein Kolben bearbeitet, der aus einer Legierung besteht. Die Legierung weist ein Hauptlegierungselement und zumindest ein weiteres Legierungselement auf. Ferner wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass die Beständigkeit gegen thermische Ermüdung durch Einbringen des Hauptlegierungselements verbessert werden kann. In diesem Punkt unterscheidet sich diese Ausführungsform von den bislang üblicherweise gewählten Ansätzen. Bei üblichen Verfahren werden zumeist festigkeitserhöhende Elemente, wie z.B. Silizium, Nickel, Kupfer oder Magnesium, eingebracht. Derartige Legierungselemente erhöhen beispielsweise bei einem Kolben aus einer Aluminiumlegierung lokal die Festigkeit. Es wurde dabei stets angenommen, dass durch eine Erhöhung des festigkeitserhöhenden Legierungselements auch die Eigenschaften im Hinblick auf die Temperaturwechselbeständigkeit verbessert werden können.

Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch überraschend herausgestellt, dass nicht eine Erhöhung, sondern eine Verringerung der Konzentration dieser festigkeitserhöhenden Elemente vorteilhaft ist. Es kommt also zu einer "Verdünnung" der Legierung. Diese Maßnahme kann auch als Ablegieren bezeichnet werden. Dies wird dadurch erreicht, dass zumindest in geringem Umfang das Hauptlegierungselement eingebracht wird, so dass sich die Konzentration der Legierungselemente in den behandelten Bereichen verringert, zumindest jedoch nicht erhöht. Versuche haben gezeigt, dass dies zwar zu einer geringfügigen Erniedrigung der Festigkeit führen kann. Es ergibt sich jedoch auch eine verbesserte Beständigkeit gegen thermomechanische Ermüdung. Insbesondere dadurch, dass das erfindungsgemäße Verfahren lediglich in den thermisch besonders belasteten Bereichen angewendet wird, ergibt sich ein Kolben, der insgesamt eine nur geringfügig beeinträchtigte Festigkeit aufweist. An den besonders gefährdeten Stellen ist die thermische Belastbarkeit jedoch erhöht, so dass sich insgesamt eine deutlich verbesserte Lebensdauer des Kolbens ergibt.

Der erfindungsgemäße Effekt lässt sich dadurch erreichen, dass das Hauptlegierungselement in Reinform als Zusatzwerkstoff eingebracht wird. Der gleiche Effekt kann jedoch erzeugt werden, indem eine Legierung eingebracht wird, die das Hauptlegierungselement sowie zumindest ein Legierungselement der Kolbenlegierung enthält, welches jedoch in dem Zusatzwerkstoff in einer niedrigeren Konzentration vorliegt als in dem zu behandelnden Kolben. Auch hierdurch wird bereichsweise die Konzentration des Legierungselements verringert und die thermische Beständigkeit des Kolbens zumindest in diesem Bereich erhöht. Zu der zuletzt beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem im Rahmen des Aufschmelzens mittels eines Schweißverfahrens das Hauptlegierungselement als Zusatzwerkstoff eingebracht wird, ist zu betonen, dass dieser Verfahrensschritt grundsätzlich von übrigen Merkmalen der Erfindung, insbesondere der angegebenen Abkühlrate, unabhängig ist. Mit anderen Worten kann bei einem beliebigen Verfahren zur Herstellung eines Kolbens eine Verbesserung der Wärmebeständigkeit dadurch erfolgen, dass der Kolben mittels eines Schweißverfahrens zumindest bereichsweise aufgeschmolzen wird, und das Hauptlegierungselement als Zusatzwerkstoff eingebracht wird, sodass die Konzentration des Hauptlegierungselements somit zumindest bereichsweise erhöht wird. Bei einem derartigen Verfahren können alle übrigen, vorangehend und nachfolgend genannten Merkmale vorteilhaft eingesetzt werden. Dies gilt in gleicher Weise für den erfindungsgemäßen Kolben, der zumindest bereichsweise eine verglichen mit anderen Bereichen feinere Struktur und eine erhöhte Konzentration des Hauptlegierungselements aufweisen kann, ohne dass Partikel in derjenigen Größe vorhanden sind, die nachfolgend für den erfindungsgemäßen Kolben angegeben werden. Auch die Merkmale des erfindungsgemäßen Kolbens sind in hierin beschriebener Weise miteinander kombinierbar.

Vorzugsweise wird der Kolben in einer Schicht mit einer Tiefe von mehr als 200 μm, insbesondere von mindestens 300 μm, umgeschmolzen. Dadurch wird eine Veränderung der Struktur des Werkstoffs erzielt.

Bevorzugt wird der Kolben nach einem Umschmelzen zusätzlich an der Oberfläche behandelt und/oder bearbeitet. Der Umschmelzvorgang ist somit nicht immer der letzte Bearbeitungsschritt. Weitere Bearbeitungsschritte, beispielsweise für eine Glättung der Oberfläche können anschließen.

In einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich zu dem Muldengrund ein daran angrenzender Bereich schmelzbehandelt. Grundsätzlich ist es denkbar, die gesamte Brennraummulde einer Umschmelzbehandlung zu unterziehen. Geringe Erstarrungsgeschwindigkeiten werden jedoch unter anderem dadurch erzielt, dass ein schmelzbehandelter Bereich räumlich begrenzt ist. Soll ein größerer Bereich umgeschmolzen werden, so ist eine Behandlung in mehreren Schritten vorzuziehen.

Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt weiter durch einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben eine Brennraummulde aufweist, die Brennraummulde in einem Bereich umfassend zumindest den Muldengrund schmelzbehandelt ist und ein Werkstoff im schmelzbehandelten Bereich umgeschmolzen ist, so dass ein Aufbau des Werkstoffs im schmelzbehandelten Bereich verglichen mit den unbehandelten Bereichen des übrigen Kolbens in einer Schicht mit einer festlegbaren Tiefe verändert ist. Eine erwartete Lebensdauer eines Kolbens mit umgeschmolzenem Muldengrund liegt erheblich höher als die herkömmlicher Kolben.

Bevorzugt ist der Werkstoffaufbau im schmelzbehandelten Bereich in einer Schicht mit einer Tiefe von mehr als 200 μm, insbesondere von mehr als 300 μm, verändert.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Kolben im schmelzbehandelten Bereich verglichen mit unbehandelten Bereichen des Kolbens eine feinere Struktur auf, vorzugsweise mit Partikeln kleiner 10^–6 m.

Der Kolben ist vorzugsweise als Dieselkolben vorgesehen. Dieselkolben, insbesondere Lkw-Kolben, sind besonderen thermischen Belastungen ausgesetzt. Eine Verstärkung des Muldengrunds durch Umschmelzen ist dabei besonders vorteilhaft.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Die einzige Figur zeigt:
eine schematische Schnittdarstellung eines Kolbens mit verstärktem Muldengrund.
Ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
Die Figur zeigt schematisch einen Kolben 1 eines Verbrennungsmotors mit einer Brennraummulde 2. Der Übergang zwischen Kolbenboden 3 und Brennraummulde 2 wird als Muldenrand bezeichnet. Der Boden der Brennraummulde 2 wird als Muldengrund 20 bezeichnet.
Der Muldengrund 20 ist zumindest teilweise umgeschmolzen. Das Umschmelzen erfolgt vorzugsweise durch ein Lichtbogen-Schweißverfahren. Die Oberfläche des Kolbens 1 wird durch den Lichtbogen im Bereich des Muldengrunds 20 aufgeschmolzen. Eine anschließende Erstarrungsgeschwindigkeit liegt um ein Vielfaches höher als bei einem Guss des Kolbens 1. Dadurch stellt sich in dem umgeschmolzenen Bereich des Muldengrunds 20 ein feineres Gefüge als im übrigen Kolben 1 ein.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) mit einer Brennraummulde (2) für einen Verbrennungsmotor, bei dem zumindest ein Bereich der Brennraummulde (2) umfassend mindestens einen Muldengrund (20) schmelzbehandelt wird, so dass ein Aufbau des Werkstoffs im schmelzbehandelten Bereich in einer Schicht mit einer festlegbaren Tiefe verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mittels Lichtbogen, Laser- und/oder Elektronenstrahl erwärmt wird und/oder durch induktive Erwärmung umgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich durch eine Energieeinbringung mit einer Leistung zwischen 2 und 8 kW erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Schmelzbehandlung eine Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von 100–1000 K/s erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) aus einer Legierung mit einem Hauptlegierungselement und zumindest einem Legierungselement besteht, und dass bei der Schmelzbehandlung das Hauptlegierungselement als Zusatzwerkstoff eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der schmelzbehandelte Bereich in einer Schicht mit einer Tiefe von mehr als 200 μm umgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der schmelzbehandelte Bereich in einer Schicht mit einer Tiefe von mindestens 300 μm umgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Umschmelzen der schmelzbehandelte Bereich zusätzlich an der Oberfläche behandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der schmelzbehandelte Bereich zusätzlich den an den Grund (16) angrenzenden Bereich umfasst.
Kolben für einen Verbrennungsmotor, welcher Kolben (1) eine Brennraummulde (2) aufweist, die Brennraummulde (2) in einem Bereich umfassend zumindest den Muldengrund (20) schmelzbehandelt ist, so dass ein Aufbau des Werkstoffs im schmelzbehandelten Bereich verglichen mit dem Werkstoff unbehandelter Bereiche des Kolbens (1) in einer Schicht mit einer bestimmten Tiefe verändert ist.
Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffaufbau im schmelzbehandelten Bereich verglichen mit dem Werkstoff unbehandelter Bereiche des Kolbens (1) in einer Schicht mit einer Tiefe von mehr als 200 μm verändert ist.
Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffaufbau im schmelzbehandelten Bereich verglichen mit dem Werkstoff unbehandelter Bereiche des Kolbens (1) in einer Schicht mit einer Tiefe von mindestens 300 μm verändert ist.
Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der schmelzbehandelte Bereich zusätzlich den an den Muldengrund (20) angrenzenden Bereich umfasst.
Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem schmelzbehandelten Bereich verglichen mit den unbehandelten Bereichen des Kolbens (1) Partikel mit einer feineren Struktur, insbesondere einer Größe kleiner 10^–6 m, vorhanden sind.
Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus einer Legierung mit einem Hauptlegierungselement und zumindest einem Legierungselement besteht, und dass zumindest in dem schmelzbehandelten Bereich eine erhöhte Konzentration des Hauptlegierungselements vorliegt.
Kolben nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptlegierungselement Aluminium oder Eisen ist.
Kolben für einen Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Dieselkolben vorgesehen ist.