DE102008048978A1 - Armierung einer Ringnut eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Armierung zumindest einer Ringnut eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, wobei ein inhomogenes Gefüge im Bereich der einzubringenden Ringnut nach der Herstellung eines Kolbenrohlings durch einen Umschmelzvorgang homogenisiert wird und bei diesem ersten Verarbeitungsschritt des Umschmelzvorganges Legierungszusätze unter Zuhilfenahme einer Wärmequelle aufgeschmolzen und damit im zu armierenden Bereich zugesetzt werden, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass das schon teilweise homogenisierte Gefüge in einem weiteren Verarbeitungsschritt, jetzt allerdings ohne Zugabe von Legierungszusätzen, unter Zuhilfenahme der Wärmequelle erneut oberflächlich aufgeschmolzen wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Armierung zumindest einer Ringnut eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, wobei ein inhomogenes Gefüge im Bereich der einzubringenden Ringnut nach der Herstellung eines Kolbenrohlings durch einen Umschmelzvorgang homogenisiert wird und bei diesem ersten Verarbeitungsschritt des Umschmelzvorganges Legierungszusätze unter Zuhilfenahme einer Wärmequelle aufgeschmolzen und damit im zu armierenden Bereich zugesetzt werden, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
- Ein Schweißprozess zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Ringnuten ist anhand von einem Tandemschweißen in der
EP 0 820 831 B1 beschrieben. Dieses Tandemschweißen läßt sich heutzutage nicht mehr auf die Kolben und deren Zusatzwerkstoffe übertragen, da diese Kolben nicht mehr den Anforderungen an die heutigen Brennkraftmaschinen, insbesondere im Hinblick auf die Emissionen und den Verbrauch, genügen. In Verbindung mit Eisen als Armierungswerkstoff bleiben aufgrund der höheren Schmelztemperatur sowie des höheren spezifischen Gewichtes dieses Eisenwerkstoffes ungelöste Eisenpartikel sowie eine sehr hohe Anzahl von Gasporen in der Schmelze übrig. - Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ringnutarmierung bereitzustellen, mit dem sich ein homogenes, sehr porenarmes Gefüge erzielen läßt.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das an sich bekannt inhomogene Gefüge nach der Herstellung eines Kolbenrohlings (z. B. durch Gießen oder Schmieden) durch einen Umschmelzvorgang, wie er beispielsweise aus der
EP 0 820 831 B1 bekannt ist, homogenisiert wird. Bei diesem ersten Schritt des Umschmelzvorganges werden Legierungszusätze in Draht- oder Pulverform unter Zuhilfenahme beispielsweise eines Plasma/Wig-Lichtbogens oder mit Hilfe eines Laserstrahls realisiert. - Dieser erste Umschmelzvorgang führt zwar schon zu einer Verbesserung der Ringnutarmierung, die aber den Anforderungen an heutige Kolben von Brennkraftmaschinen dauerhaft noch nicht genügt.
- Deshalb ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass das schon teilweise homogenisierte Gefüge in einem weiteren Verarbeitungsschritt, jetzt allerdings ohne Zugabe von den genannten Legierungszusätzen, unter Zuhilfenahme eines Plasma/Wig-Lichtbogens oder mit Hilfe eines Laserstrahles erneut oberflächlich aufgeschmolzen wird, so dass durch diesen zusätzlichen Umschmelzvorgang sich das gewünschte homogene Gefüge im Bereich der Ringnut (oder der mehreren Ringnuten) einstellt.
- Bei der Erfindung handelt es sich um eine Verbesserung eines Bearbeitungsprozesses in Bezug auf die Erhöhung der Verschleißbeständigkeit von Ringnuten von Kolbenlegierungen, vorzugsweise Kolbenlegierungen aus Leichtmetallwerkstoffen, weiter vorzugsweise von aluminiumhaltigen Kolbenlegierungen.
- Die beschriebene lokale Verstärkung des Ringfeldes mittels Aufschmelzlegieren kann sowohl mit als auch ohne Nahtvorbereitung erfolgen.
- Zur Verminderung der Gasporen wird auf dem laut
EP 0 820 831 B1 zu verwendenden, der Kolbenlegierung sehr ähnlich Schweißzusatzwerkstoff AlSi 12 verzichtet. Die Gasporen, die primär auf den hohen Siliziumgehalt zurückzuführen sind, lassen sich in vorteilhafter Weise dadurch minimieren, wenn als Hauptlegierungselement ein siliziumfreier Schweißzusatz verwendet wird. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn dieser Schweißzusatz mit Magnesium legiert ist, um eine weitere Härtesteigerung des Gefüges zu erreichen. Ebenso werden als Armierungszusätze ausschließlich niedrig legierte Schweißzusätze auf Eisenbasis sowie Schweißzusätze mit hohem Mangananteil auf Kupferbasis verwendet. - Je nach Grundstoff der Kolbenlegierung können die oben genannten Schweißzusätze auch in entsprechender Weise vom Material her angepasst werden, so dass die oben genannten Schweißzusätze besonders vorteilhaft sind im Zusammenhang mit aluminiumhaltigen Kolbenlegierungen, wobei die Aufzählung allerdings nicht abschließend ist und auch andere Schweißzusätze in Betracht kommen können.
- Bei der Durchführung des Aufschmelzens der Kolbenlegierung im ersten Verarbeitungsschritt kann wahlweise ein Tandem- oder ein Laserschweißprozess zum Einsatz kommen.
- Andere Aufschmelzverfahren sind ebenfalls denkbar. Eine Vorbereitung der Schweißnaht ist sinnvoll, jedoch je nach dem verwendeten Schweißprozess nicht zwangsweise notwendig.
- Durch die Durchführung des erfindungsgemässen zweistufigen Verfahrens wird somit ein homogenes, sehr porenarmes Gefüge im Bereich der Ringnut zu deren Armierung geschaffen. Da die ungelösten Partikel aufgrund der Homogenisierung nicht mehr vorhanden sind, stellt die Zerspanung dieses Bereiches zur Einbringung der Ringnuten keinerlei Probleme dar. Weiterhin wird die Rißgefahr in diesem Bereich deutlich reduziert, da Spannungen innerhalb der Gefügestruktur aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der ungelösten Metallpartikel nicht mehr auftreten. Durch die ungelösten Metallpartikel (und somit einer partiell unterschiedlichen Wärmeausdehnung) konnte in der Vergangenheit keine gleichmäßige Flächenpressung zwischen der Ringnutunterflanke und dem Kolbenring erreicht werden, so dass jetzt durch die Erfindung aufgrund der weiter verbesserten Homogenisierung dieser Effekt zusätzlich noch eliminiert ist.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0820831 B1 [0002, 0004, 0009]
Claims (7)
- Verfahren zur Armierung zumindest einer Ringnut eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, wobei ein inhomogenes Gefüge im Bereich der einzubringenden Ringnut nach der Herstellung eines Kolbenrohlings durch einen Umschmelzvorgang homogenisiert wird und bei diesem ersten Verarbeitungsschritt des Umschmelzvorganges Legierungszusätze unter Zuhilfenahme einer Wärmequelle aufgeschmolzen und damit im zu armierenden Bereich zugesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das schon teilweise homogenisierte Gefüge in einem weiteren Verarbeitungsschritt, jetzt allerdings ohne Zugabe von Legierungszusätzen, unter Zuhilfenahme der Wärmequelle erneut oberflächlich aufgeschmolzen wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle durch einen Plasma/Wig-Lichtbogen realisiert wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle durch einen Laserstrahl realisiert wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptlegierungselement ein siliziumfreier Schweißzusatz verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Schweißzusatz mit Magnesium legiert ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Armierungszusätze ausschließlich niedrig legierte Schweißzusätze auf Eisenbasis sowie Schweißzusätze mit hohem Mangananteil auf Kupferbasis verwendet werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung des Aufschmelzens der Kolbenlegierung im ersten und/oder im weiteren Verarbeitungsschritt ein Tandem- oder ein Laserschweißprozess zum Einsatz kommt.
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