DE102010062711A1 - Verfahren zum Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor wird zumindest bereichsweise durch ein UIT-(Ultrasonic Impact Treatment)Verfahren auf die Oberfläche des Kolbens eingewirkt.

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
• Bei Kolben für Verbrennungsmotoren sind die am stärksten belasteten Bereiche der Kolbenboden, insbesondere im Bereich des Muldenrandes, und die Bolzenbohrungen. Diese Regionen unterliegen hohen thermischen Belastungen und mechanischen Beanspruchungen.
• Stand der Technik
• Die DE 31 39 059 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Druckeigenspannungen am Brennraummuldenrand eines Tauchkolbens für Verbrennungsmotoren. Die Druckeigenspannungen werden beispielsweise durch Walzen erzeugt.
• Aus der DE 198 15 485 C2 geht ein ähnliches Verfahren zur Behandlung des Muldenrandes hervor, bei dem die Bearbeitung durch ein Rollierverfahren erfolgt und zu einer Verringerung der Oberflächenrauhigkeit führt.
• Für die Festigkeitssteigerung an Schweißverbindungen aus Stahl ist aus P. J. Haagensen, E. S. Statnikov, L. Lopez-Martinez: Introductory Fatigue Tests on Welded Joints in High Strength Steel and Aluminium Improved by Various Methods including Ultrasonic Impact Treatment, IIW Doc. No. XIII-1748–98 (1998) die Verwendung eines UIT-(Ultrasonic Impact Treatment)Verfahrens bekannt.
• Der Aufsatz von A. Berg-Pollack, C. M. Sonsino, F. J. Völlmecke: Schwingfestigkeitssteigerung von Radsternen aus Aluminiumguss durch UIT-Behandlung, MP Materials Testing 52, S. 496–501, (2010) 7–8 beschreibt die Anwendung dieses Verfahrens auf die Schwingfestigkeitssteigerung von Radsternen aus Aluminiumguss.
• Darstellung der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der im Hinblick auf die Belastbarkeit in kritischen Bereichen verbessert ist.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren.
• Demzufolge wird zumindest bereichsweise durch ein UIT-(Ultrasonic Impact Treatment)Verfahren auf die Oberfläche des Kolbens eingewirkt. Bei den in dieser Weise behandelten Bereichen handelt es sich bevorzugt um den Kolbenboden, den Brennraummuldenrand und/oder zumindest eine Kolbenbolzenbohrung. Bei dem UIT-Verfahren wird im Wesentlichen mittels dünner Metallstifte, die der Oberflächengeometrie, bevorzugt derjenigen der oben genannten Bereiche, angepasst sind, auf die Bauteiloberfläche ”gehämmert”. Dieses ”Hämmern” wird über Ultraschall angeregt und wirkt in Tiefen bis etwa 2 mm. Durch die aufgebrachten mechanischen Impulse kann eine Steigerung der Härte, eine Reduzierung der oberflächennahen Porosität und/oder eine Glättung der Oberfläche erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu können, beispielsweise durch plastische Deformation, Druckeigenspannungen eingebracht werden. Sämtliche der genannten Effekte erhöhen die Schwingfestigkeit und damit die Lebensdauer des Kolbens. Für die Anwendung des UIT-Verfahrens sind entweder die erwähnten Metallstifte, gegebenenfalls zusammen mit der Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall, oder der zu behandelnde Kolben so gelagert, dass die zu behandelnden Bereiche durch das ultraschallangeregte ”Hämmern” bearbeitet, insbesondere modifiziert werden können. Im Bereich der Bolzenbohrungen kann nach der beschriebenen Behandlung eine Endbearbeitung bevorzugt oder sogar notwendig sein, um die in diesem Bereich höchstgenauen Maßtoleranzen zu erreichen.
• Als Material des zu behandelnden Kolbens wird derzeit eine primär-silizium-freie Legierung mit möglichst kleinen primären intermetallischen Phasen bevorzugt. Der Grund dafür liegt darin, dass primäres Silizium und/oder größere primäre intermetallische Phasen durch das UIT-Verfahren zertrümmert werden könnten. Insoweit wird die Verwendung beispielsweise von Strontium bevorzugt, das als Veredelungselement in vorteilhafter Weise zur Ausbildung vergleichsweise kleiner primärer Phasen führt, die der genannten Gefahr weniger unterliegen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 3139059 A1 [0003]
• DE 19815485 C2 [0004]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• P. J. Haagensen, E. S. Statnikov, L. Lopez-Martinez: Introductory Fatigue Tests on Welded Joints in High Strength Steel and Aluminium Improved by Various Methods including Ultrasonic Impact Treatment, IIW Doc. No. XIII-1748–98 (1998) [0005]
• A. Berg-Pollack, C. M. Sonsino, F. J. Völlmecke: Schwingfestigkeitssteigerung von Radsternen aus Aluminiumguss durch UIT-Behandlung, MP Materials Testing 52, S. 496–501, (2010) 7–8 [0006]

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem zumindest bereichsweise durch ein UIT-(Ultrasonic Impact Treatment)Verfahren auf die Oberfläche des Kolbens eingewirkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf den Kolbenboden, den Brennraummuldenrand und/oder zumindest eine Kolbenbolzenbohrung eingewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Einwirkung die Härte erhöht, die oberflächennahe Porosität verringert, die Oberfläche geglättet und/oder Druckeigenspannungen eingebracht werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus einer primär-silizium-freien Legierung besteht, die vorzugsweise durch Strontium veredelt wurde.