DE102010001133B4

DE102010001133B4 - Verfahren und Formteil zur Anwendung bei der Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102010001133B4
Application number: DE102010001133.9A
Authority: DE
Inventors: Robert Willard; Dipl.-Ing. Morgenstern Roman; Dr.rer.nat.Dipl.-Phys. Brai Martin; Wolfram Cromme
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2030-01-23
Also published as: DE102010001133A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem der Kolben zumindest bereichsweise und zumindest kurzzeitig über den Schmelzpunkt des Kolbenmaterials erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben in dem über den Schmelzpunkt erwärmten Zustand durch Andrücken eines oder mehrerer geeigneter Formteile, sodass ein formschlüssiger Kontakt zu dem geschmolzenem Kolbenmaterial hergestellt wird, einer Formung unterworfen wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Formteil zur Anwendung im Rahmen eines Verfahrens zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
Kolben von Verbrennungsmotoren sind aufgrund der Kombination von mechanischer und thermischer Beanspruchung extremen Belastungen unterworfen. Dies gilt insbesondere für den Muldenrand beziehungsweise die Bolzenbohrungen, wo hohe mechanische Spannungen bei erhöhten Temperaturen beziehungsweise in Kombination mit abrasivem und adhäsivem Verschleiß wirken.
Stand der Technik
Aus der DE 80 28 685 U1 , der DE 103 35 843 A1 und der DE 10 2007 044 696 A1 sind Verfahren bekannt, bei denen beispielsweise der Muldenrand eines Leichtmetallkolbens umgeschmolzen wird, um das Gefüge zu verfeinern und dadurch eine erhöhte Belastbarkeit herzustellen.
DE 10 2004 033 486 B3 beschreibt eine Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei eine Bearbeitungszone im Randbereich einer im Kolbenboden angeordneten Kolbenmulde durch Einwirkung eines energiereichen Strahls vorübergehend auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur erwärmt und durch Wärmeabfluss in tiefer liegende und/oder angrenzende Bereiche wieder abgekühlt wird.
WO 2007/012373 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit einer Brennraumulde für einen Verbrennungsmotor, bei dem zumindest ein Bereich der Brennraummulde umfassend mindestens einen Muldengrund schmelzbehandelt wird, um einen Werkstoff im schmelzbehandelten Bereich umzuschmelzen, sodass ein Bereich des Werkstoffs im schmelzbehandelten Bereich in einer Schicht mit einer festlegbaren Tiefe verändert wird, sowie einen derartigen Kolben.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Formteil zur Anwendung bei der Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zur Verfügung zu stellen, mit denen der Kolben im Hinblick auf seine Belastbarkeit verbessert werden kann. Ferner soll ein in dieser Hinsicht verbesserter Kolben geschaffen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Patentanspruch 1 beschrieben.
Demzufolge wird der Kolben zumindest bereichsweise und zumindest kurzzeitig über den Schmelzpunkt des Kolbenmaterials erwärmt und in dem über den Schmelzpunkt erwärmten Zustand einer Formung unterworfen. In der oben erwähnten DE 103 35 843 A1 wird erläutert, dass die Oberfläche des Kolbens zumindest bereichsweise über den Schmelzpunkt hinaus erwärmt werden kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann das Verfahrensergebnis jedoch deutlich verbessert werden, da die erfindungsgemäße Formung den umgeschmolzenen und aufgrund der Erwärmung über den Schmelzpunkt des Materials hinaus grundsätzlich fließfähigen Kolbenwerkstoff derart begrenzt und/oder formt, dass dessen Gefüge in der gewünschten Weise verfeinert werden kann. Beispielsweise konnte festgestellt werden, dass bei der erfindungsgemäßen Behandlung eine Primärphasengröße von 3 μm bis 6 μm vorliegt, was lokale Spannungen an den Phasengrenzen während der Temperaturbeaufschlagung im Betrieb verringert und die Schädigung durch Temperaturwechselfelder reduziert. Hierdurch werden auch diejenigen Stellen verringert, von denen Risse ausgehen können, so dass sich insgesamt die Lebensdauer des Kolbens erhöht.
Ferner konnte bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen festgestellt werden, dass in den umgeschmolzenen Bereichen unerwünschte Poren vermieden werden können. Neben den beschriebenen vergleichsweise kleinen Siliziumpartikeln können sich in dem Primärgefüge weitere sehr feine intermetallische Phasen finden, welche die Schädigung durch thermomechanische Belastungen verringern.
Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme eine umfangreiche Übersättigung der Mischkristallmatrix erwartet, was die Möglichkeit eröffnet, den Kolben bei Temperaturen von beispielsweise zwischen 170°C und 250°C auszulagern, um sekundäre Ausscheidungen zu bilden, welche die Festigkeit der Aluminiumgrundmatrix weiter erhöhen. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet darüber hinaus den Vorteil, dass der zu bearbeitende Kolben im Rahmen der Umschmelzbehandlung nicht notwendigerweise gedreht werden muss, indem beispielsweise ein induktives Aufheizverfahren verwendet wird. Die beschriebene Formung des Kolbens kann bereits während des Aufheizens beginnen und kann bis zu einer ausreichenden Abkühlung andauern.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Besonders gute Ergebnisse im Hinblick auf die Feinheit des Gefüges und die Vermeidung von Poren konnten festgestellt werden, wenn die Formung mit einem Druck von insbesondere mindestens 2,5 N/mm² und/oder 50 N erfolgte. Erfindungsgemäß werden ein oder mehrere geeignete Formteile, deren Konturen in etwa den Abmessungen des zu behandelnden Bereichs, beispielsweise dem Muldenrand oder der Kolbenbolzenbohrung entsprechen, gegen den umgeschmolzenen Bereich gedrückt, so dass gewissermaßen ein formschlüssiger Kontakt zu dem geschmolzenen Material hergestellt wird. Insbesondere bei der beschriebenen Formung mittels Druck kann eine vergleichsweise gute Oberflächenqualität ausgebildet werden. Dennoch kann der behandelte Bereich gegebenenfalls einer Nachbearbeitung unterworfen werden. Insbesondere zeigen Schliffbilder des umgeschmolzenen Bereichs mit und ohne Formung sowie mit und ohne Druckbeaufschlagung, dem sogenannten Nachdrücken, dass sich die Anzahl von Poren durch die Formung und insbesondere durch das Nachdrücken auf nahezu Null reduzieren lässt. Ferner kann hierdurch eine besonders exakte Kontur ausgebildet werden, so dass der erforderliche Nachbearbeitungsaufwand minimiert wird.
Im Hinblick auf die Verfahrensparameter haben sich insbesondere bei Kolben aus Aluminiumlegierungen Aufheiztemperaturen von bis zu 800°C als günstig erwiesen.
Gleichzeitig haben erste Untersuchungen ergeben, dass die Erwärmung über den Schmelzpunkt für maximal etwa zehn, bevorzugt nur maximal fünf Sekunden erfolgen sollte.
Besonders bevorzugt wird derzeit, dass die zu behandelnden Bereiche des Kolbens induktiv erwärmt werden. Diese Vorgehensweise bietet insbesondere den Vorteil, dass der Kolben, im Gegensatz zu einer Erwärmung mittels Laser- oder WIG-Umschmelzen, nicht gedreht werden muss. Ferner kann das Erwärmen durch Induktion sehr schnell erfolgen, und insbesondere in Kombination mit einer raschen Abkühlung lassen sich kurze Taktzeiten erreichen, und die neue Vorgehensweise lässt sich in eine bestehende Serienproduktion integrieren. Insbesondere gegenüber dem WIG-Umschmelzen, bei dem es einen Anfangs- und einen Endpunkt gibt, bietet die induktive Erwärmung den Vorteil, dass das Auftreten von unerwünschten Oxiden vermindert werden kann. Ferner ist zu erwarten, dass die Energiekosten und damit die Prozesskosten insgesamt geringer sind.
Wie bereits erwähnt, hat es sich bei ersten Versuchen als günstig erwiesen, dass die erfindungsgemäße Formung bereits während das Aufheizens beginnt und/oder während der Abkühlung anhält.
Im Hinblick auf die Verfahrenseffizienz bietet es in bestimmten Fällen Vorteile, wenn sich das erfindungsgemäße Verfahren unmittelbar an ein Gießverfahren zur Urformung des Kolbens anschließt. In diesem Stadium ist der Kolben noch erwärmt, und es muss in vorteilhafter Weise vergleichsweise wenig Energie aufgewendet werden, um diesen zumindest bereichsweise über den Schmelzpunkt des Kolbenmaterials zu erwärmen.
Wie beschrieben wird derzeit bevorzugt, den Kolben nach der erfindungsgemäßen Behandlung bei Temperaturen zwischen beispielsweise 170°C und 250°C auszulagern, um sekundäre Ausscheidungen zu bilden, welche die Festigkeit der Aluminiumgrundmatrix erhöhen.
Nachdem es sich bei dem Muldenrand (insbesondere bei Dieselkolben), dem Muldenhöcker (insbesondere bei Ottomotorkolben) und den Kolbenbolzenbohrungen um vergleichsweise hochbelastete Bereiche handelt, wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise auf diese Bereiche angewendet. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Bereich einer oder beider Kolbenbolzenbohrungen ist es denkbar, diese mit einer derartigen Festigkeit zu versehen, dass auf separate Buchsen in vorteilhafter Weise verzichtet werden kann.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch ein Formteil, das zumindest teilweise die Kontur eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, gegebenenfalls einschließlich Bearbeitungszugaben, aufweist und bei einer Schmelztemperatur des Kolbenmaterials hitzebeständig ist, das für das Drücken gegen geschmolzenes Kolbenmaterial vorgesehen ist. Durch ein derartiges Formteil kann in vorteilhafter Weise ein Umschmelzen eines Kolbens, zumindest bereichsweise, erfolgen, und gleichzeitig kann in den umgeschmolzenen Bereichen eine Formung des Kolbens vorgenommen werden, so dass sich hier ein besonders feines und/oder porenärmeres Gefüge einstellt. Die Verwendung eines Formteils bietet darüber hinaus den Vorteil, dass es durch den Kontakt mit den aufgeschmolzenen Bereichen des Kolbens die hier vorhandene Wärme im Rahmen der Abkühlung schnell abführt und so zu einer zügigen Kühlung des Kolbens beiträgt.
Nachdem für die Erwärmung des Kolbens für das zumindest bereichsweise Umschmelzen induktive Verfahren bevorzugt werden, ist es für das Formteil vorteilhaft, wenn es eine vergleichsweise geringe Permeabilität aufweist, so dass das erzeugte Magnetfeld möglichst wenig beeinträchtigt wird.
Aufgrund der Versuchsergebnisse mit einer Formung des Kolbens unter Druck, wird für das erfindungsgemäße Formteil bevorzugt, dass es mit Druck beaufschlagbar und/oder beweglich ist, um besonders zuverlässig eine Formung in den umgeschmolzenen Zonen zu erreichen.
Das Formteil kann in vorteilhafter Weise zur Regelung des Verfahrens verwendet werden, wenn es, wie bevorzugt, zumindest einen Temperaturmesspunkt, insbesondere ein Thermoelement aufweist, das mit einem Regler derart verbunden wird, dass die von dem Formteil aufgenommenen Daten über die Temperatur des Kolbens verarbeitet werden. Alternativ ist eine Kontrolle der Prozesstemperatur mittels Infrarotmessung möglich.
Als Material für das beschriebene Formteil wird derzeit Keramik bevorzugt. Keramik bietet insbesondere den Vorteil, dass es eine geringe Permeabilität aufweist und das beispielsweise zum induktiven Erwärmen vorgesehene Magnetfeld nicht umfangreich stört.
Bei einer Vorrichtung, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, wird vorgesehen, dass diese zumindest ein Formteil in einer der vorangehend oder nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen, geeignete Spulen zur Erwärmung der umzuschmelzenden Bereiche, einen ausreichend starken Generator und einen Regler aufweist.
Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass er bereichsweise Primärphasen, insbesondere primäre Siliziumausscheidungen mit einer Größe von maximal 6 μm, insbesondere maximal 5 μm und bevorzugt maximal 4 μm aufweist und in diesen Bereichen im Wesentlichen porenfrei ist. In dieser Ausgestaltung kann ein zumindest bereichsweise im Hinblick auf seine Festigkeit erheblich verbesserter Kolben geschaffen werden. Die Größenuntergrenze der Siliziumausscheidungen kann bei 4 μm, bevorzugt 3 μm liegen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem der Kolben zumindest bereichsweise und zumindest kurzzeitig über den Schmelzpunkt des Kolbenmaterials erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben in dem über den Schmelzpunkt erwärmten Zustand durch Andrücken eines oder mehrerer geeigneter Formteile, sodass ein formschlüssiger Kontakt zu dem geschmolzenem Kolbenmaterial hergestellt wird, einer Formung unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formung mit Druckbeaufschlagung, insbesondere von mindestens 2,5 N/mm² erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenmaterial auf bis zu 800°C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenmaterial für maximal zehn Sekunden über den Schmelzpunkt erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung induktiv erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formung während des Aufheizens beginnt und während der Abkühlung anhält.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Erwärmung unmittelbar an ein Gießverfahren zur Urformung des Kolbens anschließt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben nachfolgend bei Temperaturen von beispielsweise 170°C bis 250°C ausgelagert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses auf einen Muldenrand und/oder einen Muldenhöcker und/oder zumindest eine Kolbenbolzenbohrung angewendet wird.
Formteil zur Verwendung in dem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, das zumindest teilweise die Kontur eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, gegebenenfalls einschließlich Bearbeitungszugaben, aufweist und bei einer Schmelztemperatur des Kolbenmaterials hitzebeständig ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil für das Drücken gegen geschmolzenes Kolbenmaterial vorgesehen ist.
Formteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es eine geringe magnetische Permeabilität aufweist.
Formteil nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit Druck beaufschlagbar und beweglich ist.
Formteil nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zumindest einen Temperaturmesspunkt aufweist.
Formteil nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus einer Keramik ausgeführt ist.
Kolben für einen Verbrennungsmotor, der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 herstellbar ist und der zumindest bereichsweise Primärphasen, insbesondere primäre Siliziumausscheidungen mit einer Größe von maximal 6 μm, insbesondere maximal 4 μm aufweist und in diesen Bereichen im Wesentlichen porenfrei ist.