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Die
Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine, wobei
im Gießverfahren
ein Kolbenrohling herstellbar und anschließend fertig bearbeitbar ist,
gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
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Kolben,
insbesondere ein- oder mehrteilige Kolben (mehrteilige Kolben auch
Pendelschaftkolben genannt), werden in bekannter Weise mittels eines Gießverfahrens
hergestellt, so dass nach dem Gießen des Kolbens oder des Kolbenteils
mittels entsprechender Formwerkzeuge ein Kolbenrohling zur Verfügung steht.
Dieser Kolbenrohling weist im Regelfall schon die weitestgehend
endgültige
Außenkontur
des späteren
Kolbens auf, muss aber in bestimmten Bereichen noch fertig bearbeitet
werden, insbesondere auf Maß gebracht
werden.
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Der
gegossenen Kolbenrohling und damit auch der spätere, fertig bearbeitete Kolben
weist bis auf die randnahen Bereiche eine nahezu homogene kristalline
Struktur auf, wobei eine solche Struktur den auf den Kolben im Betrieb
in der Brennkraftmaschine wirkenden Kräften Stand hält. Es hat
sich aber herausgestellt, dass der Kolben beim Betrieb im Zylinder
der Brennkraftmaschine nicht an allen Stellen mit identischen Kombinationen
aus Drücken
und Temperaturen beaufschlagt wird, so dass nach Möglichkeit
immer eine solche Struktur des gegossenen Materials eingestellt
werden muss, die optimal an die vorliegende Beanspruchung angepasst
ist und das die Mindestanforderungen erfüllt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben bereitzustellen,
der hinsichtlich seiner Belastungsgrenzen in unterschiedlichen Bereichen
hinsichtlich der Materialeigenschaften angepasst und optimiert ist.
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Diese
Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass der Kolben nach dem Gießen
Bereiche mit unterschiedlichen Strukturen des Alpha-Mischkristalls
aufweist. Damit besteht der Erfindungsgedanke darin, dass in bestimmten
Bereichen des Kolbens, wie zum Beispiel in der Bolzennabe, eine
feine Kristallstruktur (feinkristallin) erzeugt wird und in anderen
Bereichen, wie zum Beispiel im Bereich des Kolbenbodens oder des
Muldenrandbereiches, eine deutlich davon abweichende, beispielsweise
eine grobkristalline oder auch stengel-kristalline Kristallstruktur
erzeugt wird. Dabei ist es auch denkbar, dass die voneinander unterschiedlichen
Kristallstrukturen andersherum wie gerade geschildert oder in anderen
Kolbenbereichen erzeugt werden. Wichtig ist die Erzeugung einer
Kristallstruktur mit deutlich unterschiedlicher Ausbildung in verschiedenen
Kolbenbereichen. Durch entsprechende Wahl von Gießprozessparametern,
insbesondere wie Werkzeugkühlung,
Temperaturen der Gießschmelze
und Schmelzeigenschaften der verwendeten Gießschmelze werden also Kolbenbereich des
Kolbenrohlings erzeugt, die zumindest zwei oder mehr unterschiedliche
Kristallstrukturen aufweisen, wobei die Art der Kristallstruktur
in dem jeweiligen Kolbenbereich den dort vorhandenen Belastungen angepasst
ist. Das bedeutet, dass der besondere Vorteil von der erfindungsgemäßen Gradienten-Kristallstruktur
darin liegt, dass Kolbenrohlinge und damit spätere fertige Kolben hergestellt
werden können, die
partiell unterschiedliche Kristallgrößen (Kristallvarianten) und
damit unterschiedliche Werkstoffvarianten enthalten, welche entsprechend
der Kolbenbelastungen in den jeweiligen Bereichen die erforderlichen
angepassten und damit besseren Eigenschaften liefert. Somit lassen
sich also durch die vorliegende Erfindung deutliche Optimierungen
gerade im hoch belasteten Kolbenbodenbereich oder, falls der Kolben
eine Brennraummulde aufweist, im Muldenrandbereich erzielen und
gleichzeitig die erforderlichen Belastbarkeiten im Bereich der Kolbennabe
auf dem erforderlichen Niveau beibehalten. Durch die entsprechend
gewählten Gießprozessparameter oder
gegebenenfalls auch der Materialeigenschaften lassen sich die zumindest
beiden unterschiedlichen Strukturen erzeugen, wobei der Übergang
von der einen auf die andere Struktur fließend oder unstetig sein kann.
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Neben
den schon genannten Vorteilen der Erfindung durch die gezielt einstellbare
Kristallgröße und Kristallform
trägt die
gelenkt oder gerichtet erstarrte Kristallstruktur zu einer inneren
Kristallanisotropie (Anisotropie bedeutet unterschiedliche Materialeigenschaften
in unterschiedlichen Raumrichtungen) zum Vorteil der Erfindung bei,
welche zu einer Verbesserung der mechanischen und thermomechanischen
Belastbarkeit des Kolbens im Betrieb in der Brennkraftmaschine führt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Struktur
eine grob kristalline oder stengel-kristalline Struktur und die
zumindest weitere Struktur eine Feinstruktur, wobei in Bereichen,
die normal belastet sind (wie zum Beispiel die Bolzennabe, eine
fein kristalline oder eine feine Kristallstruktur erzeugt wird und
in anderen Bereichen, die insbesondere thermisch höher belastet
sind, wie zum Beispiel im Bereich des Kolbenbodens oder der Brennraummulde,
insbesondere des Muldenrandbereiches, eine grob kristalline oder
stengel-kristalline Kristallstruktur erzeugt wird.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die
Struktur (Kristallstruktur bzw. Kornstruktur) im Bereich der Brennraummulde am
Muldenrand möglichst
grob eingestellt. Dadurch wird die Menge an Korngrenzflächen deutlich
gegenüber
einer feineren Kristallstruktur reduziert, wodurch die thermomechanischen
Ermüdungseigenschaften verbessert
(also die Anfälligkeit
gegen Ermüdung
bei hohen Temperaturen herabgesetzt) sowie Kriechverformung und
Korngrenzengleitung deutlich reduziert werden. Diese Eigenschaftsoptimierungen
in den thermisch und thermomechanisch hoch belasteten Bereichen
wirken sich positiv im Hinblick auf die Kolbenbelastbarkeiten im
Betrieb bei der Brennkraftmaschine aus.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, auf das diese nicht beschränkt ist, ist in der einzigen
Figur gezeigt und im Folgenden beschrieben. Mit der Bezugsziffer 1 ist
soweit im Einzelnen dargestellt, ein Kolbenrohling bezeichnet, der
in an sich bekannter Weise mittels eines Gießwerkzeuges hergestellt wird,
wobei in das Gießwerkzeug
die flüssige
Gießschmelze
eingefüllt
und abgewartet wird, bis diese erstarrt ist. Nach dem Gießen und
dem Entfernen des Gießwerkzeuges
steht der in der Figur gezeigte Kolbenrohling zur Verfügung. Hierbei
handelt es sich um einen Kolbenrohling für einen einteiligen Kolben,
wobei die Erfindung aber auch bei mehrteiligen Kolben einsetzbar
ist. Unter mehrteiligen Kolben sind solche Kolben zu verstehen,
bei denen ein Kolbenkopf und ein Schaftteil über einen Bolzen miteinander
verbunden werden (so genannte Pendelschaftkolben) oder auch Kolben,
die aus einem ersten und einem zumindest zweiten (oder mehreren)
Teilen bestehen, die nach ihrer Herstellung unlösbar miteinander verbunden
und einen späteren
einteiligen Kolben bilden. Ebenso ist die Erfindung anwendbar bei
Kolben, die aus einem Stahlmaterial bestehen, genauso wie bei Kolben,
die aus einem Leichtmetall (wie zum Beispiel Aluminium) hergestellt
werden.
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Der
Kolbenrohling 1 weist einen Kolbenboden 2, gegebenenfalls
mit einem Muldenbereich 3 (soweit erforderlich für den Betrieb
des Kolbens) auf. Im Kolbenboden 2 ist ein Ringträgerbereich 4 vorgesehen,
wobei schon Elemente zur Aufnahme zumindest eines Ringes mit eingegossen
werden können. Ebenso
kann (muss aber nicht) ein Kühlkanal 5 vorhanden
sein, der vorzugsweise im Ringträgerbereich 4,
das heißt
koaxial dahinter verlaufend, angeordnet ist. Ebenfalls in an sich
bekannter Weise weist der Kolbenrohling 1 eine Kolbennabe 6 auf,
die eine Bolzenbohrung zur Aufnahme eines Kolbenbolzens sowie einen
sich daran anschließenden
Schaftbereich 7 aufweist.
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Bei
diesem Kolbenrohling 1 ist in erfindungsgemäßer Weise
erkennbar, dass in den Bereichen, in denen eine normale Belastbarkeit
gefordert ist (wie im Bereich des Ringträgers und der Kolbennabe) eine
feinkristalline Struktur eingestellt, während in den darüber hinausgehenden
thermisch höher
belasteten Bereichen, also in dem Bereich, in dem der später fertige
Kolben unmittelbar den Verbrennungstemperaturen im Zylinder der
Brennkraftmaschine ausgesetzt ist, eine grob kristalline Struktur
aufweist. Diese grob kristalline Struktur ist bei dem Ausführungsbeispiel,
also im Muldenbereich 3, insbesondere im Bereich des Muldenrandes,
eingestellt.
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Wie
der Figur zu entnehmen ist, handelt es sich hierbei um ein Gradientengefüge, bei
der die beiden Strukturen (Gefüge)
einen relativ unstetigen Verlauf aufweisen. Alternativ oder ergänzend dazu
ist es selbstverständlich
denkbar, durch entsprechende Wahl der Materialeigenschaften und/oder
der Gießprozessparameter
einen fließenden Übergang
der Gefüge
(Kornstrukturen) einzustellen.
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Im
Rahmen dieser Patentanmeldung werden die Begriffe „Struktur" und „Gefüge" gleichwertig verwendet,
wobei als Terminus Technicus der Begriff „Gefüge" der genauere Ausdruck ist. Der Begriff „Alpha-Mischkristall" wird dabei so verstanden,
dass ein Korn des Alpha-Mischkristalls ein Bereich mit sich periodisch
wiederholender Anordnung der Atome ist. Bei einem Aluminiumwerkstoff
aus dem der Kolben herstellbar ist, ist es also ein Bereich mit
sich periodisch wiederholender Anordnung der Aluminiumatome. Durch
ein benachbartes Korn in der Gießschmelze ist es durch die
so genannte Korngrenze abgegrenzt. Die Korngrenze ist ein im Gegensatz
zu dem Korn selber nicht vollständig
klar strukturiert. Zwei oder mehr solcher Körper bilden somit ein Gefüge, weil
sie sich aneinander entlang der Korngrenze fügen. Das bedeutet, dass mit
mehrere sich berührende
Kristalle oder auch Körner
als Gefüge
bezeichnet werden. Damit betrifft die Patentanmeldung, insbesondere
die Patentansprüche,
also Kolben mit sowohl groben als auch feinen Gefüge. Dabei
bedeutet weiterhin „grob", dass sich in irgendeiner
Raumrichtung ein großer
Abstand von Korngrenze zu Korngrenze ergibt. Der Begriff „fein" bedeutet hingegen
einen kleinen Abstand von Korngrenze zu Korngrenze. Da nach dem
Gießen
eines Kolbenrohlings und seiner Fertigbearbeitung im Betrieb des
Kolbens in der Brennkraftmaschine, die Korngrenze ein Parameter ist
für mögliche Beschädigungen
(Rissbildungen), wird der Kolben gemäß der Erfindung so gegossen, so
dass er nach dem Gießen
Bereichen mit unterschiedlichen Strukturen des Alpha-Mischkristalls
aufweist. Daraus resultieren in den unterschiedlichen Bereichen
auch unterschiedliche Korngrenzen. Je größer die Korngrenze zwischen
den einzelnen Körnern
ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung,
so dass gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass in Bereichen
des Kolbens, die Normal (insbesondere thermisch weniger hoch) belastet
sind, eine feinkristalline oder eine feine Kristallstruktur erzeugt
wird und in anderen Bereichen die höher (insbesondere thermisch höher) belastet
sind, eine Grobkristalline oder stengel-kristalline Kristallstruktur
erzeugt wird, somit nutzt die Erfindung den Umstand aus, einzelne
Bereiche des Kolbens mit unterschiedlichen Korngrenzen zuversehen,
um vor allen Dingen höher
belastete Bereiche widerstandsfähiger
gegen diese Belastungen ausbilden zu können. Dies lässt sich
vorzugsweise durch die Verwendung eines Kokillenwerkzeuges für den Gießvorgang
und eine entsprechende Kühlung und
Konditionierung der Gießschmelze
während
des Gießvorganges
erzielen.