DE102006043301A1

DE102006043301A1 - Ringträger und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102006043301A1
Application number: DE200610043301
Authority: DE
Inventors: Günter Hörner; Eberhard Fezer
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ringträger (10) mit einem Ringträgerteil (11) und einem Kühlkanalteil (12), das mit dem Ringträgerteil (11) fest verbunden ist und zusammen mit dem Ringträgerteil (11) einen geschlossenen Kühlkanal (15) bildet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die zum Kühlkanal (15) weisende Oberfläche (14) des Ringträgerteils (11) als eine zum Kühlkanal (15) hin gasundurchlässige Sperrschicht (16) ausgebildet ist. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Ringträgers (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ringträger mit einem Ringträgerteil und einem Kühlkanalteil, der mit dem Ringträgerteil fest verbunden ist und zusammen mit dem Ringträgerteil einen geschlossenen Kühlkanal bildet. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ringträgers.
Ein gattungsgemäßer Ringträger ist aus der DE 101 34 293 A1 bekannt. Das Ringträgerteil besteht in der Regel aus einem austenitischen Gusseisen mit Lamellengraphit. Diese Werkstoffe sind auch unter dem Namen NiResist bekannt. Das Kühlkanalteil besteht in der Regel aus einem Stahlblech, bspw. aus einem V2A-Stahl. Das Kühlkanalteil ist, wie auch in der DE 197 50 021 A1 beschrieben, mit dem Ringträgerteil verschweißt.
Ein derartiger Ringträger wird vor dem Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor in die Gießform eingelegt und mit dem Gießwerkstoff umgossen. Bei der Herstellung von Kolben aus einer Aluminiumlegierung muss der Ringträger vorher behandelt werden, damit eine Bindeschicht zwischen den Ringträgermaterialien und dem Kolbenwerkstoff entsteht. Hierzu wird der Ringträger in der Regel alfiniert, bspw. in eine Aluminium-Silizium-Schmelze getaucht, wobei sich eine so genannte Alfin-Schicht, bestehend aus Eisenaluminiden, bildet. Diese Alfinschicht stellt die gewünschte Bindeschicht zwischen dem Kolbenwerkstoff und den Ringträgermaterialien dar.
Dabei hat sich gezeigt, dass aufgrund der hohen Temperatur in der Aluminium-Silizium-Schmelze der Gasdruck im Kühlkanal ansteigt. Aufgrund des Überdrucks und der Gasdurchlässigkeit Gusseisens mit Lamellengraphit kann zumindest ein Teil der im Kühlkanal eingeschlossenen Luft durch das Ringträgerteil entweichen. Der in der austretenden Luft enthaltene Luftsauerstoff führt zur Bildung von Oxidhäuten auf dem Ringträger, die nach dem Abkühlen des Ringträgers an diesem anhaften und am fertigen Kolben Fehlstellen in der Ringträgerbindung darstellen.
Die DE 101 34 293 A1 schlägt zur Lösung dieses Problems vor, die zum Kühlkanalteil hin weisende Oberfläche des Ringträgerteils zumindest teilweise mit einem Nickel-, Chrom- oder Eisenwerkstoff gasdicht zu beschichten. Diese gasdichte Beschichtung verhindert ein Austreten von Luft aus dem Kühlkanal durch das Ringträgerteil hindurch nach außen. Die DE 100 57 366 A1 schlägt ferner vor, dass der Ringträger vor dem Alfinieren über einen Zeitraum von mindestens 24 Stunden einem Unterdruck ausgesetzt wird, um den Kühlkanal zumindest so weit zu evakuieren, dass die beim Alfinieren auf den Ringträger einwirkenden hohen Temperaturen nicht mehr zu einem Überdruck im Kühlkanal führen, so dass keine Luft mehr entweichen kann.
In der Praxis hat sich herausgestellt, dass das Beschichten des Ringträgerteils nicht nur sehr aufwändig und kostspielig ist, sondern dass der Ringträger nach dem Beschichten sehr zügig alfiniert und in den Kolben eingegossen werden muss. Da dies nicht immer optimal verwirklicht werden kann, wird der Ringträger zusätzlich unter Unterdruck aufbewahrt, was die Verarbeitung noch weiter kompliziert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Ringträger bereit zu stellen, der auf möglichst einfache Weise weiterverarbeitet werden kann, insbesondere unter Vermeidung von Fehlstellen in der Ringträgerbindung in einen Kolben für einen Verbrennungsmotor eingegossen werden kann. Die vorliegende Erfindung soll ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ringträgers bereitstellen.
Die Lösung besteht in einem Ringträger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die zum Kühlkanal weisende Oberfläche des Ringträgerteils als eine zum Kühlkanal hin gasundurchlässige Sperrschicht ausgebildet ist bzw. in die zum Kühlkanal weisende Oberfläche des Ringträgerteils eine gasundurchlässige Sperrschicht eingebracht wird. Die vorliegende Erfindung beruht also auf der überraschenden Erkenntnis, dass es genügt, das Ringträgerteil selbst entlang seiner den Kühlkanal begrenzenden Oberfläche innerhalb seines Materialgefüges gasdicht zu gestalten, wobei nicht das Ringträgerteil insgesamt auf diese Weise verändert sein muss. Damit wird die Weiterverarbeitung des erfindungsgemäßen Ringträgers entscheidend vereinfacht, indem nämlich sowohl die Aufbewahrung unter Unterdruck als auch das umständliche Beschichten der Oberfläche des Ringträgerteils entfallen. Der erfindungsgemäße Ringträger kann in beliebigem zeitlichem Abstand zu seiner Herstellung weiterverarbeitet werden. Er muss insbesondere nicht mehr zügig nach seiner Herstellung alfiniert und in einen Kolben eingegossen werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Es genügt schon eine Sperrschicht mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 1 mm, um eine zufrieden stellende Abdichtung zu erzielen.
Das Ringträgerteil besteht in der Regel aus Metall, vorzugsweise aus einem austenitischen Gusseisen mit Lamellengraphit, während das Kühlkanalteil in der Regel aus einem Stahlblech, bspw. einem V2A-Stahlblech, besteht.
Bei einem Ringträgerteil aus Metall kann die Sperrschicht auf besonders einfache Weise durch Umschmelzen eines Gefügebereichs des Ringträgerteils gebildet sein, bspw. mittels energiereicher Strahlung. Besonders geeignet sind Elektronenstrahlschweißverfahren, aber auch die Anwendung von Plasma-, Laser- und Lichtbogenschweißverfahren sind möglich.
Da das Ringträgerteil einfacher zu handhaben ist als der fertige Ringträger, wird die Sperrschicht vorzugsweise vor dem Verbinden von Ringträgerteil und Kühlkanalteil in das Ringträgerteil eingebracht. Anschließend wird das Ringträgerteil in der Regel auf an sich bekannte Weise mit dem Kühlkanalteil verschweißt, wobei es von Vorteil ist, wenn die resultierende Schweißnaht die Sperrschicht überdeckt, so dass diese weder mit dem Alfinierbad noch mit dem Kolbenwerkstoff in Kontakt kommt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. 1 zeigt in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ringträgers 10. Der Ringträger 10 weist ein Ringträgerteil 11 und ein Kühlkanalteil 12 auf. Das Ringträgerteil besteht im Ausführungsbeispiel aus einem NiResist-Material, das heißt, einem austenitischen Gusseisen mit Lamellengraphit. Das Kühlkanalteil 12 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem V2A-Stahlblech. Das Ringträgerteil 11 und das Kühlkanalteil 12 sind in an sich bekannter Weise miteinander verschweißt, wobei die Kanten des Kühlkanalteils 12 über Schweißnähte 13 mit dem Ringträgerteil 11 verbunden sind. Die radial zum Kühlkanalteil 12 weisende Oberfläche 14 des Ringträgerteils 11 und das Kühlkanalteil 12 umschließen einen Kühlkanal 15.
Das Ringträgerteil 11 ist mit einer gasdichten Sperrschicht 16 versehen. Die gasdichte Sperrschicht 16 ist etwa 0,5 bis 1,0 mm dick und bildet die radial zum Kühlkanal 12 weisende Oberfläche (14) des Ringträgerteils 11. Die Sperrschicht 16 schließt das Ringträgerteil 11 auf diese Weise gasdicht zum Kühlkanal 15 hin ab. Beim Alfinieren des erfindungsgemäßen Ringträgers 10 kann somit keine Luft mehr aus dem Kühlkanal 15 durch das Ringträgerteil 11 hindurch nach außen entweichen. Die Schweißnähte 13 überdecken die nach außen weisenden Flächenbereiche der Sperrschicht 16.
Zur Herstellung der Sperrschicht wird bevorzugt ein Elektronenstrahlschweißverfahren eingesetzt. Im Ausführungsbeispiel wurde der in 1 gezeigte Ringträger 10 mit einem Elektronenstrahl mit einer Strahlleistung P = 2,66 kW bei einem Linsenstrom I_L = 2200 mA behandelt. Die Schweißgeschwindigkeit betrug V_S = 10 mm/s bei einem Strahlerzeugerdruck p_E = 10^-5 mbar und einem Arbeitskammerdruck p_A = 10^-3 mbar. Eine zusätzliche Wärmebehandlung war nicht notwendig.
Der Elektronenstrahl bewirkt eine Gefügeumwandlung im Ringträgerteil 11, wobei bei einer Schmelztemperatur von etwa 1.500°C die Lamellen aus Graphit zerstört werden. Die dabei eventuell entstehenden unebenen Randbereiche der Sperrschicht 16 verschwinden beim Verschweißen des erfindungsgemäß behandelten Ringträgerteils 11 mit dem Kühlkanalteil 12, weil sie von den Schweißnähten 13 überdeckt werden. Somit ist die Sperrschicht 16 nur im Querschliff sichtbar.

Claims

Ringträger (10) mit einem Ringträgerteil (11) und einem Kühlkanalteil (12), das mit dem Ringträgerteil (11) fest verbunden ist und zusammen mit dem Ringträgerteil (11) einen geschlossenen Kühlkanal (15) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Kühlkanal (15) weisende Oberfläche (14) des Ringträgerteils (11) als eine zum Kühlkanal (15) hin gasundurchlässige Sperrschicht (16) ausgebildet ist.
Ringträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (16) 0,5 bis 1 mm breit ist.
Ringträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringträgerteil (11) aus einem metallischen Material, insbesondere einem austenitischen Gusseisen mit Lamellengraphit besteht.
Ringträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkanalteil (12) aus einem Stahlblech besteht.
Ringträger nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (16) durch Umschmelzen eines Gefügebereichs des Ringträgerteils (11) gebildet ist.
Ringträger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (16) durch energiereiche Strahlung, vorzugsweise ein Elektronenstrahlschweißverfahren gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Ringträgers (10) mit einem Ringträgerteil (11) und einem Kühlkanalteil (12), das mit dem Ringträgerteil (11) fest verbunden ist und zusammen mit dem Ringträgerteil (11) einen geschlossenen Kühlkanal (15) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass in die zum Kühlkanal (15) weisende Oberfläche (14) des Ringträgerteils (11) eine gasundurchlässige Sperrschicht (16) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (16) durch Umschmelzen eines Gefügebereichs eines metallischen Ringträgerteils (11) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (16) durch Elektronenstrahlschweißverfahren in das Ringträgerteil (11) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (16) vor dem Verbinden von Ringträgerteil (11) und Kühlkanalteil (12) in das Ringträgerteil (11) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkanalteil (12) mit dem Ringträgerteil (11) verschweißt wird, so dass die resultierenden Schweißnähte (13) die Sperrschicht (16) überdecken.