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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor und einen Motor, insbesondere einen Verbrennungsmotor.
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Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
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Die Motorenentwicklung geht zunehmend in Richtung kleinere aber leistungsfähigere Motoren („Downsizing“). Um den damit einhergehenden gesteigerten thermischen und mechanischen Belastungen, vor allem im Bereich einer Brennraummulde von Kolben entgegenzutreten, werden bereits hochbelastete Dieselkolben aus Al-Leichtmetall beispielsweise am Muldenrand und/oder am Muldengrund umgeschmolzen, um damit eine circa 4 bis 8-fach höhere thermische und mechanische Wechselbeständigkeit zu erzielen. Selbst bei Ottokolben werden in der Zukunft immer häufiger komplexe Geometrien und lokal auftretende Spannungsspitzen dafür sorgen, dass ein Umschmelzprozess notwendig wird, um die Dauerhaltbarkeit lokal zu steigern.
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Bislang wurde obiges Verfahren immer so angewendet, dass der Kolbenwerkstoff über den gesamten umgeschmolzenen Bereich homogen bezüglich seiner chemischen Zusammensetzung bleibt, ganz egal, ob ein Umschmelzprozess ohne Zusatzwerkstoff oder ein Umschmelzprozess mit Zusatzwerkstoff verwendet wurde. Innerhalb des modifizierten Bereiches bleibt die chemische Zusammensetzung gemäß konventionellen Verfahren immer im Wesentlichen konstant. Bisher gibt es kein Verfahren, dass gezielt durch Modifikation der Zusammensetzung von Bereichen unterschiedlicher Belastung einen hochbelasteten Kolben einer Verbrennungskraftmaschine optimiert und damit beständiger und widerstandsfähiger macht. Man hat daher bislang bezüglich der chemischen Zusammensetzung eines Umschmelzbereiches insgesamt, hinsichtlich der resultierenden Materialzusammensetzung immer einen Kompromiss gewählt, der möglichst allen auftretenden Belastungsarten gerecht wurde.
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Vorbekannte Verfahren zur Modifikation von Kolben von Verbrennungsmotoren finden sich in
EP 1 386 687 A1 und
DE 10 2012 212 791 A1 . Im ersten zitierten Dokument wird ein Verfahren beschrieben, mit dem ein Kolben über ein Lichtbogen-Schweißverfahren einer Schmelzbehandlung unterzogen wird. Dabei ist das vordergründige Ziel, durch ein Umschmelzen die Mikrostruktur des Kolbengrundwerkstoffs so zu verändern, dass diese den vielfältigen Belastungszuständen am Kolben besser gerecht wird. Zudem ist beschrieben, dass ein Hauptlegierungselement des Kolbengrundwerkstoffs als Zusatzwerkstoff bei der Schmelzbehandlung eingesetzt wird, um eine bereichsweise Änderung der chemischen Zusammensetzung des Kolbens zu bewirken. Im zweiten zitierten Dokument ist allgemein eine Umschmelzbehandlung an Kolben beschrieben, wobei die Tiefe des umgeschmolzenen Bereichs entlang einer Umfangsrichtung einer Kolben-Brennraummulde verändert wird.
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Darstellung und Wege zur Ausführung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, zumindest ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, insbesondere eines Kolbens wie er in Verbrennungsmotoren benutzt wird, vorzusehen, mit dem möglichst flexibel und variationsreich eine chemische Zusammensetzung am Kolben so geändert werden kann, dass damit gleichzeitig lokal unterschiedlichen Beanspruchungen und Belastungszuständen im Betrieb Rechnung getragen werden kann.
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Erfindungsgemäß wird obige Aufgabe durch das Verfahren zur Herstellung eines Kolbens gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der diesbezüglichen Unteransprüche.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist mithin ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem an einem Kolben zumindest abschnittsweise eine Umschmelzbehandlung durchgeführt wird, und zumindest die chemische Zusammensetzung eines Umschmelzbereiches, bevorzugt einer Umschmelzbahn, im Verlauf der Umschmelzbehandlung gezielt variiert wird.
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Gemäß dieser erfindungsgemäßen Herangehensweise werden in Abhängigkeit der lokal an einem Kolben im Betrieb auftretenden Belastungsart und -höhe ebenfalls lokal die Umschmelzparameter so variiert, dass sich die chemische Zusammensetzung des umgeschmolzenen Bereiches innerhalb/während des Umschmelzprozesses ändert. Die verwendeten Begrifflichkeiten „im Verlauf“, „innerhalb/ während“ sind dabei bevorzugt so zu verstehen, dass wenn eine Umschmelzbehandlung im Gange ist d.h. am Kolben durchgeführt und damit ein Umschmelzbereich geschaffen wird, die sich im Umschmelzbereich ergebende Zusammensetzung im Prozess gezielt verändert wird. Vorstellbar ist beispielsweise die Erzeugung einer kontinuierlichen Schmelzbahn/ Umschmelzbahn ähnlich einer Schweißnaht/ Schweißraupe, die sich entlang technisch relevanter Bereiche eines Kolbens erstreckt und während diese im Verfahren produziert wird, gleichzeitig die sich entlang der Schweißbahn einstellende Zusammensetzung des Umschmelzbereiches gezielt verändert wird. Der Begriff „gezielt“ indiziert hier, dass die Änderung der chemischen Zusammensetzung einem technischen Zweck folgt und auf diesen abgestimmt ist. Die „chemische Zusammensetzung“ des Umschmelzbereiches wird bestimmt durch das Kolbengrundmaterial (z.B. hochfeste Al-Legierung), welches in der Umschmelzbehandlung aufgeschmolzen wird und eines verwendeten Zusatzmaterials. Im Rahmen der Umschmelzbehandlung ergibt sich damit eine gewisse Vermischung der Materialien und somit eine prozessparameterabhängige chemische Zusammensetzung des Umschmelzbereiches. Unter „Umschmelzen“ ist ein, insbesondere lokales und gezieltes Aufschmelzen des Kolbengrundwerkstoffes durch geeignete und dem Fachmann bekannte thermische Verfahren zu verstehen. Zum Beispiel können dazu Schweißverfahren wie WIG (Wolfram-Inertgasschweißen) und MIG (Metall-Inertgasschweißen) verwendet werden.
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Durch obiges Verfahren ist es also möglich, verschiedene Bereiche eines Kolbens in Abhängigkeit der dort relevantesten Belastungsart und -höhe mit lokal unterschiedlichen Materialzusammensetzungen vorzusehen, die genau diesen Belastungsarten besser gerecht werden als das Kolbengrundmaterial. Diese lokale Belastungsanpassung kann dabei in einem einzelnen Prozessschritt erfolgen, nämlich im Verlauf der Erzeugung eines Umschmelzbereiches während einer Umschmelzbehandlung durch Variation der Prozessparameter, wie dies nachfolgend dargestellt ist. Die Durchführung mehrerer getrennter Prozessschritte ist dabei nicht erforderlich, was zu verfahrenstechnischen Effizienzsteigerungen führt.
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Mit Vorteil wird das Variieren der chemischen Zusammensetzung des Umschmelzbereiches im Verlauf der Umschmelzbehandlung, erreicht durch zumindest einen Schritt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
- - Variieren einer zugeführten Menge eines Zusatzwerkstoffes für die Umschmelzbehandlung pro umgeschmolzenem Volumen,
- - Wechseln eines Ausführungsmodus der Umschmelzbehandlung von Auflegieren oder Ablegieren zu Aufschweißen eines Zusatzwerkstoffes für die Umschmelzbehandlung oder umgekehrt, und
- - Variieren einer Zusammensetzung eines Zusatzwerkstoffes für die Umschmelzbehandlung. Diese Anpassungsschritte im Verlauf der Umschmelzbehandlung werden jeweils bevorzugt so durchgeführt, dass sich auf die jeweilig lokal dominierende Belastungsart z.B. am Kolbenboden abgestimmte chemische Zusammensetzungen des Umschmelzbereiches ergeben.
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Die oben erläuterte Variation der Zusammensetzung kann bevorzugt über obige Wege realisiert werden. Beispielsweise kann zur Umschmelzbehandlung ein einzelner Zusatzwerkstoff eingesetzt werden. Über Steuerung der eingebrachten Menge des Zusatzwerkstoffes in die Umschmelzbehandlung kann dann im Verlauf des Umschmelzens, die sich ergebende chemische Zusammensetzung des Umschmelzbereiches verändert werden. Je mehr Zusatzwerkstoff eingebracht wird, umso mehr ändert sich die Zusammensetzung des Umschmelzbereiches im Vergleich zur Zusammensetzung des Kolbengrundwerkstoffes. Stärkere Abweichungen davon können für bestimmte, lokal auftretende Belastungsarten von Vorteil sein. Wird dann während der Umschmelzbehandlung ein Kolbenbereich erreicht in dem es bevorzugt ist, einen Umschmelzbereich zu haben, der chemisch dem Kolbengrundmaterial ähnelt, dann wird nur eine geringe Menge Zusatzwerkstoff zugeführt oder temporär gar kein Zusatzwerkstoff zugeführt, sodass nur eine thermische Umschmelzbehandlung aber nicht eine chemische Änderung des Kolbens erfolgt. Ähnliche Effekte können erzielt werden, indem die chemische Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffes im Verlauf der Umschmelzbehandlung variiert wird. Dies ist denkbar durch Steuerung der Geschwindigkeit des Zuführmechanismus des Zusatzmaterials, je nachdem welche chemische Zusammensetzung im Umschmelzbereich erzielt werden soll. Abschließend können die gewünschten, gezielten Variationen der chemischen Zusammensetzung im Umschmelzbereich erreicht werden durch Änderungen/Wechsel eines Ausführungsmodus der Umschmelzbehandlung. Solche Modi sind dem technischen Fachmann bekannt und umfassen damit das dem Fachmann bekannte Auf- oder Ablegieren, wobei ein hoher Aufmischungsgrad bzw. eine hohe Durchmischung des Zusatzwerkstoffes mit dem Grundwerkstoff gewünscht ist, sowie das sogenannte Aufschweißen, wobei ein geringer Aufmischungsgrad bzw. eine möglichst geringe Durchmischung zwischen Zusatzmaterial und Kolbengrundwerkstoff gewünscht ist. Beim Auf- oder Ablegieren soll zudem lokal eine „Anreicherung“ oder „Verdünnung“ bestimmter Legierungselemente (z.B. Basiselement oder Hauptlegierungselement(e)) und/oder bestimmter Legierungsbestandteile (Phasen, Gefügebestandteile etc.) erfolgen. Beim Aufschweißen hingegen erfolgt vordergründig ein Materialauftrag auf den Kolbengrundwerkstoff. Die obigen Varianten zeigen, wie die chemische Zusammensetzung eines Umschmelzbereiches während einer Umschmelzbehandlung mit hoher Prozesseffizienz gezielt variiert werden kann.
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Bevorzugt ist, dass die Umschmelzbehandlung im Bereich einer Brennraummulde des Kolbens, bevorzugt an einem Muldenrand und/oder Muldengrund der Brennraummulde durchgeführt wird. Weiter bevorzugt ist, dass die chemische Zusammensetzung des Umschmelzbereiches im Verlauf der Umschmelzbehandlung in Umfangsrichtung der Brennraummulde variiert wird. Die vorliegende Erfindung besteht also auch darin, einen Muldenrand- und Muldengrundumschmelzprozess mit variierender Werkstoffzusammensetzung bereitzustellen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erfindungsgemäße Verfahren im Bereich einer Brennraummulde eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor durchgeführt wird. Dabei kann die Umschmelzbehandlung beispielsweise umfänglich entlang eines Muldenrandes und/oder eines Muldengrundes durchgeführt werden. Dabei wird während der Umschmelzbehandlung eine bevorzugt kontinuierliche, umfängliche Umschmelzbahn erzeugt und je nach umfänglicher Umschmelzposition wird die Zusammensetzung, die sich im Umschmelzbereich ergibt, gezielt variiert. Dies kann durch die oben beschriebenen Schritte erfolgen. In Abhängigkeit von der Belastungsart oder/und -höhe liegt beispielsweise ein Muldenrand im Bereich eines hohen Aufmischungsgrades (auflegiert) oder im Bereich eines niedrigen Aufmischungsgrades (aufgetragen). Dies wird z.B. durch eine sich umlaufend veränderliche Muldengeometrie vor dem Schweißen bestimmt.
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Noch weiter bevorzugt ist, dass eine Tiefe der geänderten chemischen Zusammensetzung des Umschmelzbereiches im Verlauf der Umschmelzbehandlung in Umfangsrichtung der Brennraummulde variiert wird. In dieser weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nicht nur allgemein die chemische Zusammensetzung im Verlauf der Umschmelzbehandlung variiert, sondern optional auch die Materialtiefe des Kolbens bis zu welcher die chemische Zusammensetzung geändert wird. So werden also entlang von Muldenbereichen und einer Umschmelzbahn nicht nur Bereiche verschiedener chemischer Zusammensetzung erzeugt, sondern auch Umschmelzbereiche verschiedener Tiefe. Dabei sind lokale Zusammensetzungs- und Tiefenänderungen beliebig kombinierbar und es kann sich eine komplexe modifizierte Struktur entlang einer Brennraummulde ergeben. Tiefenvariationen können dabei durch Änderungen der Prozessparameter des Umschmelzverfahrens selbst erreicht werden, dazu wird auf die Lehre in
DE 10 2012 212 791 A1 verwiesen. Bei Verwendung eines Schweißverfahrens kann dies dementsprechend durch Ändern von Stromstärke, Spannung, Vorschubgeschwindigkeit des Kolbens oder des Zusatzwerkstoffes und/oder des Abstandes einer Schweißelektrode von der Oberfläche geschehen.
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In vorteilhafter Weise wird während der Umschmelzbehandlung in einem Bereich der Brennraummulde, der im Betrieb des Kolbens vergleichsweise erhöhte Zugspannungen aufweist, lokal eine HCF-beständigere Legierungszusammensetzung und/oder in einem Bereich der Brennraummulde, der im Betrieb des Kolbens vergleichsweise erhöhte thermomechanische Belastungen erfährt, lokal eine temperaturwechselbeständigere Legierungszusammensetzung jeweils im Vergleich mit einer Kolbenbasislegierung erzeugt. Damit ergibt sich eine belastungsoptimierte Ausgestaltung einer Brennraummulde eines Kolbens.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kolben, insbesondere für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, der zumindest abschnittsweise eine gezielt veränderte chemische Zusammensetzung aufweist, die lokal unterschiedlichen Beanspruchungen und Belastungszuständen am Kolben im Betrieb davon Rechnung trägt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Kolben gemäß Anspruch 7 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen davon ergeben sich aus den Merkmalen der diesbezüglichen Unteransprüche.
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Ein solcher erfindungsgemäßer Kolben für einen Verbrennungsmotor ist durch das zuvor beschriebene Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor erhältlich und weist alle damit verbundenen und daraus resultierenden strukturellen und funktionalen Vorteile auf. „Erhältlich“ ist dabei so zu verstehen, dass ein erfindungsgemäßer Kolben für einen Verbrennungsmotor durch die oben beschriebenen Verfahren hergestellt wird, wobei bevorzugt ist, dass ein bereits vorhandener Kolben der erfindungsgemäßen Umschmelzbehandlung unterzogen und damit modifiziert und verbessert wird.
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Strukturell ausgedrückt ist der erfindungsgemäße Kolben bevorzugt ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einer Brennraummulde, wobei an einem Muldenrand und/oder einem Muldengrund der Brennraummulde, bevorzugt in Umfangsrichtung, mehrere Bereiche existieren in denen die chemische Zusammensetzung von der chemischen Zusammensetzung eines Kolbengrundmaterials verschieden ist und die chemischen Zusammensetzungen in zumindest einem Teil dieser mehreren Bereiche wiederum voneinander verschieden sind. Konkret vorstellbar ist damit ein Kolben, der am Muldenrand und/oder auch am Muldengrund einen im Wesentlichen kontinuierlichen, umfänglich verlaufenden Umschmelzbereich beispielsweise in Form einer Umschmelzbahn oder Schweißraupe aufweist. Würde man die Zusammensetzung des Materials dieser Umschmelzbahn entlang deren Länge bestimmen, so würde man feststellen, dass Bereiche existieren, die eine vom Kolbengrundwerkstoff abweichende chemische Zusammensetzung aufweisen. Man würde jedoch ferner feststellen, dass diese abweichende Zusammensetzung nicht in allen Bereichen gleich ist, sondern sich die chemische Zusammensetzung dieser Bereiche wiederrum untereinander unterscheidet. Dies wird durch das oben beschriebene Verfahren ermöglicht. Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich also durch eine hohe chemische Variabilität und Vielfalt entlang eines Umschmelzbereiches in Form einer Umschmelzbahn o. Ä. aus. Damit ergeben sich die bereits oben hinsichtlich des Verfahrens aufgeführten Vorteile. Konkret also ein Kolben, der lokal und flexibel an dort auftretende Belastungszustände angepasst ist, womit lokal vorherrschenden Schadens- und Versagensmechanismen vorgebeugt werden kann. Der erfindungsgemäße Kolben ist somit insgesamt belastungsbeständiger, zuverlässiger und weist eine erhöhte Haltbarkeit auf.
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Es ist bevorzugt, dass der Kolben aus einer Legierung, vorzugsweise aus einer beliebigen konventionellen Kolbenlegierung besteht, die als Hauptelemente am Muldenrand in Bolzenrichtung: 2,0-9,0 Gew.-% Si, 2,0-6,0 Gew.-% Ni und ≤ 2,0 Gew.-% Fe aufweist und am Muldenrand in Laufrichtung: 3,0-12,0 Gew.-% Si, 3,0-8,0 Gew.-% Ni und ≤ 3,0 Gew.-% Fe aufweist. Diese bevorzugte Ausgestaltung verkörpert das bereits zuvor dargestellte Konzept, wonach je nach auftretenden Belastungszuständen z.B. entlang eines Muldenrandes im Verlauf einer Umschmelzbehandlung gezielt unterschiedliche chemische Zusammensetzungen bzw. auch Mikrostrukturen eingestellt werden. Vorliegend werden demnach am Muldenrand in Laufrichtung tendenziell höhere Gehalte an Si, Ni und Fe eingestellt, um den dort vorherrschenden und vom Muldenrand in Bolzenrichtung abweichenden Belastungen besser Rechnung zu tragen.
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Mit Vorteil weist ein Bereich der Brennraummulde, der im Betrieb des Kolbens vergleichsweise erhöhte Zugspannungen aufweist (in Bolzenrichtung), lokal eine HCF-beständigere Legierungszusammensetzung und/oder ein Bereich der Brennraummulde, der im Betrieb des Kolbens vergleichsweise erhöhte thermomechanische, druckspannungsdominierte Belastungen erfährt (in Laufrichtung), lokal eine temperaturbeständigere Legierungszusammensetzung jeweils im Vergleich mit einer Kolbenbasislegierung auf. Auch bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich um eine Verkörperung des erfindungsgemäßen Konzepts mit den diesbezüglichen Vorteilen. Demnach werden Bereiche einer Brennraummulde eines Kolbens, die im Betrieb Ermüdungserscheinungen bei hoher Lastspielzahl (HCF) unterliegen derart umgeschmolzen, dass dort lokal eine ermüdungsbeständigere Legierungszusammensetzung erzeugt wird. Der sich entlang der Brennraummulde erstreckende Umschmelzbereich mit TMF („thermo-mechanical fatigue“) dominierter Belastung weist dann eine wiederum andere chemische Zusammensetzung in Muldenbereichen auf, die vergleichsweise hohen thermomechanischen Belastungen unterliegen. Damit ergeben sich ein lokal belastungsoptimierter Brennraumuldenbereich eines Kolbens und damit ein insgesamt verbesserter Kolben.
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Abschließend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung noch darin, einen Motor, insbesondere einen Verbrennungsmotor vorzusehen, der einen Kolben aufweist, welcher in besonders vorteilhafter Weise an die lokal unterschiedlichen Beanspruchungen und Belastungszustände am Kolben im Betrieb davon angepasst ist.
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Diese Aufgabe wird durch den Motor nach Anspruch 11 gelöst, der einen erfindungsgemäßen Kolben gemäß der vorangegangenen Beschreibung aufweist und insgesamt alle damit verbundenen Vorteile realisiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1386687 A1 [0004]
- DE 102012212791 A1 [0004, 0013]