DE102009032941A1

DE102009032941A1 - Mehrteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102009032941A1
Application number: DE102009032941A
Authority: DE
Inventors: Joachim Schulz; Jochen Kortas
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2011-01-20
Also published as: KR101649010B1; CN102483009B; US8991046B2; KR20120049882A; JP2012533020A; US20120192828A1; WO2011006469A1; EP2454464A1; CN102483009A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens (10, 110) für einen Verbrennungsmotor mit den folgenden Verfahrensschritten: Herstellen eines Kolbenoberteils (11) und eines Kolbenunterteils (12) mit jeweils einem inneren Stützelement (22, 26; 122, 126) mit Fügeflächen (24, 28; 124, 128) und einem äußeren Stützelement (23, 27; 123, 127) mit Fügeflächen (25, 29; 125, 129), Aufbringen eines Hochtemperatur-Lotwerkstoffs im Bereich mindestens einer Fügefläche (24, 28 bzw. 25, 29; 124, 128 bzw. 125, 129), Zusammensetzen von Kolbenoberteil (11) und Kolbenunterteil (12) zu einem Kolbenkörper durch Herstellen eines Kontakts zwischen den Fügeflächen (24, 28, bzw. 25, 29; 124, 128 bzw. 125, 129), Verbringen des Kolbenkörpers in einen Vakuumofen und Evakuieren des Vakuumofens, Erwärmen des Kolbenkörpers bei einem Druck von höchstens 10mbar auf eine Löttemperatur von höchstens 1300°C, Abkühlen des gelöteten Kolbens (10, 110) bei einem Druck von höchstens 10mbar bis zur vollständigen Erstarrung des Hochtemperatur-Lotwerkstoffs. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen mit diesem Verfahren herstellbar Kolben (10, 110).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens.
Die Verbindung von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil kann hierbei Probleme bereiten, wie es in der EP 1 483 493 B1 ausführlich erläutert ist. Das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil können bspw. miteinander verschweißt oder miteinander verschraubt sein, wobei jede dieser Verbindungstechniken spezifische Vor- und Nachteile aufweist. Aus der internationalen Patentanmeldung PCT/DE 2008/01394 ist es ferner bekannt, das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil mittels eines Lotwerkstoffs miteinander zu verbinden. Es werden jedoch keine Angaben zu den Verfahrensparametern gemacht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein vereinfachtes Lötverfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens bereitzustellen, das bei möglichst geringem Aufwand eine zuverlässige Lötverbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil gewährleistet.
Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und in einem gemäß diesem Verfahren herstellbaren Kolben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zunächst ein Kolbenoberteil und ein Kolbenunterteil mit jeweils einem inneren Stützelement mit Fügeflächen und einem äußeren Stützelement mit Fügeflächen hergestellt werden, dass ferner ein Hochtemperatur-Lotwerkstoff im Bereich mindestens einer Fügefläche aufgebracht wird, dass das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil durch Herstellen eines Kontakts zwischen den Fügeflächen zu einem Kolbenkörper zusammengesetzt werden, der anschließend in einen Vakuumofen verbracht und nach Evakuieren des Vakuumofens bei einem Druck von höchstens 10^–2 mbar auf eine Löttemperatur von höchstens 1300°C erwärmt wird. Danach wird der gelötete Kolben bei einem Druck von höchstens 10^–2 mbar bis zur vollständigen Erstarrung des Hochtemperatur-Lotwerkstoffs abgekühlt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die gewünschten Werkstoffeigenschaften des Grundwerkstoffs des erfindungsgemäßen Kolbens nach dem Erwärmen im Vakuumofen so eingestellt, dass keine weitere Wärmebehandlung, insbesondere kein Entspannungsglühen, mehr notwendig ist und der Grundwerkstoff nach dem Lötvorgang dennoch möglichst optimale Werte insbesondere bezüglich seiner Festigkeit, Härte und Gefügemorphologie aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit von kürzerer Dauer und auch kostengünstiger als die im Stand der Technik bekannten Verfahren.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Grundsätzlich sind alle bekannten Hochtemperatur-Lotwerkstoffe geeignet. Es werden jedoch Lotwerkstoffe auf der Basis von Nickel, Kobalt und/oder Kupfer bevorzugt. Ein Beispiel für einen geeigneten Lotwerkstoff ist das Nickelbasislot L-BNi2 (gemäß EN 1044 bzw. DIN 8513). Mit diesem Lotwerkstoff wird, insbesondere bei Verwendung von AFP-Stahl, eine besonders feste und zuverlässige Verbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil erzielt.
Die Art und Weise des Auftragens des Lotwerkstoffs steht im Belieben des Fachmanns. Der Lotwerkstoff kann bspw. flächig auf die mindestens eine Fügefläche aufgetragen, insbesondere aufgestrichen oder mittels Stempel aufgedruckt werden. Der Lotwerkstoff kann aber auch in mindestens eine im Bereich mindestens einer Fügefläche angeordnete Depotvertiefung eingebracht werden. Hierbei kann die mindestens eine Depotvertiefung in herstellungstechnisch besonders einfacher Weise als umlaufende oder geradlinige Nut oder als kalottenförmige Vertiefung ausgebildet sein.
Das Kolbenoberteil und/oder das Kolbenunterteil sind zweckmäßigerweise mit mindestens einer Zentrierfläche versehen, um das Zusammensetzen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil zu vereinfachen und die korrekte Orientierung von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil zueinander auf besonders einfache Weise zu gewährleisten. Zur Optimierung der Lotverbindung kann die mindestens eine Zentrierfläche ebenfalls mit Lotwerkstoff versehen werden. Insbesondere wenn die mindestens eine Zentrierfläche in einem Winkel auf eine Fügefläche trifft, kann der Lotwerkstoff zweckmäßigerweise im Winkel angebracht werden.
Der Kolbenkörper wird im Vakuumofen vorzugsweise auf eine Löttemperatur von mindestens 1000°C erwärmt, um eine optimale Verteilung des Lotwerkstoffs mittels der während des Lötvorgangs wirkenden Kapillarkräfte zu erzielen. Es ist zweckmäßig, die Löttemperatur über mindestens 5 min konstant zu halten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für alle mehrteiligen Kolben geeignet. Es können bspw. ringförmige innere Stützelemente vorgesehen sein, die einen äußeren umlaufenden Kühlkanal und einen inneren Kühlraum begrenzen. Es können aber auch mittige innere Stützelemente vorgesehen sein, die einen äußeren umlaufenden Kühlkanal begrenzen, welcher sich über einen großen Bereich unterhalb des Kolbenbodens erstreckt. In beiden Fallen wird eine besonders gute Kühlwirkung durch das im Kühlkanal bzw. Kühlraum zirkulierende Kühlöl bewirkt.
Der erfindungsgemäße Kolben besteht vorzugsweise aus einem Stahl-Grundwerkstoff mit ferritisch-perlitischem Gefüge, bspw. einem AFP-Stahl. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angestrebte Härte des Grundwerkstoffs beträgt vorzugsweise 230 HB bis 300 HB.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens;
2 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens;
3 ein Temperatur-Zeit-Diagramm der Abkühlphase des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10 in einer Darstellung als zusammengesetzter Kolbenkörper vor dem Lötvorgang. Der Kolben 10 setzt sich zusammen aus einem Kolbenoberteil 11 und einem Kolbenunterteil 12, die im Ausführungsbeispiel aus einem AFP-Stahl geschmiedet sind. Das Kolbenoberteil 11 weist eine Verbrennungsmulde 13, einen umlaufenden Feuersteg 14 und eine umlaufende Ringpartie 15 auf. Das Kolbenunterteil 12 weist einen Kolbenschaft 16 und Naben 17 mit Nabenbohrungen 18 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf. Das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 bilden einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 19 und einen zentrischen inneren Kühlraum 21.
Das Kolbenoberteil 11 weist ein inneres Stützelement 22 und ein äußeres Stützelement 23 auf. Das innere Stützelement 22 ist an der Unterseite des Kolbenoberteils 11 ringförmig umlaufend angeordnet und weist eine Fügefläche 24 auf. Das innere Stützelement 22 bildet ferner einen Teil der umlaufenden Wand des inneren Kühlraums 21. Das äußere Stützelement 23 des Kolbenoberteils 11 ist im Ausführungsbeispiel innerhalb der Ringpartie 15 ausgebildet und weist eine Fügefläche 25 auf. Das innere Stützelement 22 weist ferner Überlaufkanäle 31 zum Übertritt von Kühlöl aus dem äußeren Kühlkanal 19 in den inneren Kühlraum 21 auf.
Das Kolbenunterteil 12 weist ebenfalls ein inneres Stützelement 26 und ein äußeres Stützelement 27 auf. Das innere Stützelement 26 ist an der Oberseite des Kolbenunterteils 12 umlaufend angeordnet und weist eine Fügefläche 28 auf. Das innere Stützelement 26 bildet ferner einen Teil der umlaufenden Wand des inneren Kühlraums 21. Das äußere Stützelement 27 ist im Ausführungsbeispiel innerhalb der Ringpartie 15 ausgebildet und weist eine Fügefläche 29 auf. Zentrierfläche 32 Das innere Stützelement 26 weist ferner eine umlaufende Zentrierfläche 32 auf, die im Ausführungsbeispiel im rechten Winkel auf der Fügefläche 28 steht. Ferner kann am Kolbenunterteil 12 ein umlaufender Bund angebracht sein, mit dem die Fügefläche 29 radial verbreitert wird und eine größere Oberfläche für das Auftragen des Lotwerkstoffs bietet. Der Bund wird nach dem Lötvorgang, bspw. bei der Fertigbearbeitung des Kolbens, wieder entfernt (nicht dargestellt).
In 1 ist der Kolben 10 als zusammengesetzter Kolbenkörper vor dem Lötvorgang dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Hochtemperatur-Lotwerkstoff in Form eine Lotdepots 33 in den Winkel zwischen Fügefläche 28 und Zentrierfläche 32 des inneren Stützelements 26 des Kolbenunterteils 12 aufgetragen. Der Lotwerkstoff kann als ein umlaufendes Lotdepot 33 oder in Form mehrerer Punkt- oder linienförmiger Lotdepots aufgetragen werden. Zusätzlich wird im Ausführungsbeispiel Lotwerkstoff in Form einer dünnen Schicht auf mindestens eine der äußeren Fügeflächen 25 bzw. 29 des Kolbenoberteils 11 und/oder Kolbenunterteils 12 aufgetragen (nicht dargestellt). Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. In einer anderen Variante kann der Lotwerkstoff auch ausschließlich flächig auf die Fügeflächen aufgetragen werden, ohne Lotdepots vorzusehen.
Anschließend werden das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 entlang ihrer Fügeflächen 24, 25 bzw. 28, 29 in Kontakt gebracht und zu einem Kolbenkörper zusammengesetzt, wobei die Zentrierfläche 32 die korrekte Orientierung von Kolbenoberteil 11 und Kolbenunterteil 12 gewährleistet.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110 in einer Darstellung als zusammengesetzter Kolbenkörper vor dem Lötvorgang. Der Kolben 110 entspricht im Wesentlichen dem Kolben 10 gemäß 1.
Der wichtigste Unterschied besteht darin, dass das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 lediglich einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 119 bilden. Hierfür weist das Kolbenoberteil 11 ein inneres Stützelement 122 auf, das an der Unterseite des Kolbenoberteils 11 mittig angeordnet und mit einer Fügefläche 124 auf. Dementsprechend weist das Kolbenunterteil 12 ein inneres Stützelement 126 auf, das an der Oberseite des Kolbenunterteils 12 mittig angeordnet und mit einer Fügefläche 128 versehen ist. Der resultierende Kühlkanal 119 erstreckt sich dementsprechend besonders weitläufig unter der Verbrennungsmulde 13, so dass sich eine effiziente Kühlwirkung ergibt.
Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass das äußere Stützelement 123 des Kolbenoberteils 11 bei diesem Ausführungsbeispiel unterhalb der Ringpartie 15 ausgebildet ist. Das äußere Stützelement 123 weist eine Fügefläche 125 und eine umlaufende Zentrierfläche 134 auf, die im Ausführungsbeispiel im rechten Winkel auf der Fügefläche 125 steht. Das äußere Stützelement 127 des Kolbenunterteils 12 ist dementsprechend ebenfalls unterhalb der Ringpartie 15 ausgebildet und weist eine Fügefläche 129 auf.
In 2 ist der Kolben 110 ebenfalls als zusammengesetzter Kolbenkörper vor dem Lötvorgang dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Hochtemperatur-Lotwerkstoff in Form eines Lotdepots 133 in den Winkel zwischen Fügefläche 125 und Zentrierfläche 134 des äußeren Stützelements 123 des Kolbenoberteils 11 aufgetragen. Der Lotwerkstoff kann als ein umlaufendes Lotdepot 133 oder in Form mehrerer Punkt- oder linienförmiger Lotdepots aufgetragen werden. Ferner ist bei diesem Ausführungsbeispiel in der Fügefläche 128 des mittigen Stützelements des Kolbenunterteils 12 ein weiteres kalottenförmiges, mit Lotwerkstoff gefülltes Lotdepot 135 vorgesehen.
Anschließend werden das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 entlang ihrer Fügeflächen 124, 125 bzw. 128, 129 in Kontakt gebracht und zu einem Kolbenkörper zusammengesetzt, wobei die Zentrierfläche 134 die korrekte Orientierung von Kolbenoberteil 11 und Kolbenunterteil 12 gewährleistet.
Das Lötverfahren zum Herstellen der Kolben 10, 110 wurde bei diesen Ausführungsbeispiel wie folgt durchgeführt. Als Grundwerkstoff wurde der AFP-Stahl 38MnVS6 gemäß DIN-EN10267 und Werkstoffnummer 1.1303 gewählt. Als Hochtemperatur-Lotwerkstoff wurde das Nickelbasislot L-BNi2 gemäß EN 1044 bzw. DIN 8513 gewählt. Die Sollzusammensetzung dieses Lotwerkstoffs beträgt 7 Gew.-% Chrom, 3,1 Gew.-% Bor, 4,5 Gew.-% Silizium, 3 Gew.-% Eisen und maximal 0,06 Gew.-% Kohlenstoff sowie Nickel bis 100 Gew.-% (alle Prozentangaben bezogen auf den Lotwerkstoff). Der Bereich der Schmelztemperatur entlang der Solidus-Liquidus-Linie im Schmelzdiagramm beträgt 970°C bis 1000°C. Der Bereich der Löttemperatur beträgt 1010°C bis 1180°C.
Die Kolbenkörper wurden in einen an sich bekannten Hochtemperatur-Vakuumofen mit Kühlgasvorrichtung verbracht. Der Vakuumofen wurde evakuiert, bis ein Druck von etwa 5 × 10^–3 mbar erreicht war. Dann wurde der Vakuumofen auf eine Löttemperatur von 1150°C aufgeheizt. Der Druck betrug während der Aufheizphase höchstens 10^–2 mbar. Die Löttemperatur wurde im Ausführungsbeispiel 15 min bis 60 min konstant gehalten, wobei der Druck bis auf etwa 5 × 10^–4 mbar sank. Dann wurde der Vakuumofen abgekühlt (vgl. 3), bis der Lotwerkstoff vollkommen erstarrt war (im Ausführungsbeispiel ca. 960°C). Ab dieser Temperatur kann durch Einblasen von Kühlgas, bspw. Stickstoff, eine beschleunigte Abkühlung herbeigeführt werden. Der Abkühlprozess wurde so gesteuert, dass die resultierenden Kolben 10, 110 eine ferritisch-perlitische Gefügeausbildung im AFP-Stahl und eine Härte von 230 HB bis 300 HB aufwiesen.
Bei der Steuerung des Abkühlprozesses sind in der Regel verschiedene, dem Fachmann bekannte Parameter zu berücksichtigen. Am einfachsten ist die Orientierung an so genannten, dem Fachmann bekannten, Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagrammen (ZTU), die in der Regel vom Hersteller des Grundwerkstoffs zur Verfügung gestellt werden, wie es auch beim AFP-Stahl 38MnVS6 der Fall ist. Als wesentliche Parameter zu berücksichtigen sind aber auch der Aufbau des Vakuumofens sowie Größe, Geometrie und Anzahl der zu verarbeitenden Werkstücke, da diese Parameter die Wärmekapazitäten der Werkstücke beeinflussen. Auch physikalische Effekte wie Wärmeleitung und Wärmestrahlung sowie durch Gefügeumwandlungen bedingte thermische Effekte beeinflussen den Abkühlungsprozess, da sie sich über den jeweiligen Temperaturbereich nicht immer linear verändern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1483493 [0002]
- DE 2008/01394 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- EN 1044 [0008]
- DIN 8513 [0008]
- DIN-EN10267 [0028]
- EN 1044 [0028]
- DIN 8513 [0028]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens (10, 110) für einen Verbrennungsmotor mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Kolbenoberteils (11) und eines Kolbenunterteils (12) mit jeweils einem inneren Stützelement (22, 26; 122, 126) mit Fügeflächen (24, 28; 124, 128) und einem äußeren Stützelement (23, 27; 123, 127) mit Fügeflächen (25, 29; 125, 129), b) Aufbringen eines Hochtemperatur-Lotwerkstoffs im Bereich mindestens einer Fügefläche (24, 28 bzw. 25, 29; 124, 128 bzw. 125, 129), c) Zusammensetzen von Kolbenoberteil (11) und Kolbenunterteil (12) zu einem Kolbenkörper durch Herstellen eines Kontakts zwischen den Fügeflächen (24, 28 bzw. 25, 29; 124, 128 bzw. 125, 129), d) Verbringen des Kolbenkörpers in einen Vakuumofen und Evakuieren des Vakuumofens; e) Erwärmen des Kolbenkörpers bei einem Druck von höchstens 10^–2 mbar auf eine Löttemperatur von höchstens 1300°C; f) Abkühlen des gelöteten Kolbens (10, 110) bei einem Druck von höchstens 10^–2 mbar bis zur vollständigen Erstarrung des Hochtemperatur-Lotwerkstoffs.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochtemperatur-Lotwerkstoff auf der Basis von Nickel, Kobalt und/oder Kupfer verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lotwerkstoff flächig auf die mindestens eine Fügefläche (24, 28 bzw. 25, 29; 124, 128 bzw. 125, 129) aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lotwerkstoff in mindestens eine im Bereich mindestens einer Fügefläche angeordnete Depotvertiefung (33, 133, 135) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Depotvertiefung (33, 133, 135) als umlaufende oder geradlinige Nut oder als kalottenförmige Vertiefung ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (11) und/oder das Kolbenunterteil (12) mit mindestens einer Zentrierfläche (32, 134) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zentrierfläche (32, 134) mit Lotwerkstoff versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zentrierfläche (32, 134) in einem Winkel auf eine Fügefläche (28, 125) trifft und der Lotwerkstoff im Winkel angebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkörper auf eine Löttemperatur von mindestens 1000°C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löttemperatur mindestens 5 min konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abkühlgeschwindigkeit von 1°C/min bis 50°C/min gewählt wird.
Mehrteiliger Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor, herstellbar durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ringförmige innere Stützelemente (22, 26) vorgesehen sind, die einen äußeren umlaufenden Kühlkanal (19) und einen inneren Kühlraum (21) begrenzen.
Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittige innere Stützelemente (122, 126) vorgesehen sind, die einen äußeren umlaufenden Kühlkanal (119) begrenzen.
Kolben nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Stahl-Grundwerkstoff mit ferritisch-perlitischem Gefüge und einer Härte von 230 HB bis 300 HB, insbesondere aus einem AFP-Stahl, besteht.