DE10337962B4

DE10337962B4 - Method for hardening the groove surfaces, in particular the groove flanks of the annular grooves of a steel piston

Info

Publication number: DE10337962B4
Application number: DE2003137962
Authority: DE
Inventors: Jürgen Lehmann; Karl Pfeil; Reinhold Meyer
Original assignee: Mahle GmbH; C Stiefelmayer GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle GmbH; C Stiefelmayer GmbH and Co KG
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: DE10337962A1

Abstract

Verfahren zum Härten der Nutflächen, insb. der Nut1) mittels eines Laserstrahles (6), – der bezogen auf die Zylindermantelflächen des Kolbens (1) etwa in tangentialer Richtung auf die Nutflanken (2) gerichtet wird, und – der bezogen auf die Nutflankenebene mit einem bestimmten Winkel α auf die Nutflanken (2) gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Laserstrahl (6) mit einer Wellenlänge von weniger als 5 μm verwendet wird, und – dass der Winkel α so groß gewählt wird, dass unter Berücksichtigung der vorliegenden Nutgeometrie ein für geforderte Härteeigenschaften optimaler Absorptionsgrad der Laserstrahlenergie erreicht wird.Method for hardening the groove surfaces, in particular the groove1) by means of a laser beam (6), - which is directed approximately in a tangential direction to the groove flanks (2) in relation to the cylinder jacket surfaces of the piston (1), and - which in relation to the groove flank plane with A certain angle α is directed onto the groove flanks (2), characterized in that - that a laser beam (6) with a wavelength of less than 5 μm is used, and - that the angle α is chosen so large that, taking into account the present Groove geometry an optimal degree of absorption of the laser beam energy is achieved for the required hardness properties.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten der Nutflächen, insb. der Nutflanken der Ringnuten eines Stahlkolbens nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a method for hardening the groove surfaces, esp. The groove flanks of the annular grooves of a steel piston according to the preamble of claim 1.

Aus der Offenlegungsschrift DE 199 18 808 A1 ist ein Verfahren zum Härten der Ringnuten eines Kolbenbodens, insb. der Nutflanken, eines Stahlkolbens mittels Laserstrahlen bekannt, bei dem auf eine dunkelfarbige Oberflächenbeschichtung zur Verbesserung der Absorption der Wärmeenergie des Laserstrahles verzichtet wird. Allgemein ist bekannt, dass auf diese Maßnahme zur Erhöhung der Wärmeabsorption nur dann verzichtet werden kann, wenn eine hierzu alternative Maßnahme ergriffen wird, um sicherzustellen, dass die zu härtende Oberfläche vom Laserstrahl auf eine ausreichend hohe Temperatur von ca. 800°C bis 850°C erhitzt wird, denn nur dann ergibt sich die den Härteprozess bewirkende Umwandlung der austhenitischen in die martensitische Gefügestruktur der zu härtenden Stahloberfläche.From the publication DE 199 18 808 A1 a method for hardening the annular grooves of a piston crown, esp. The groove flanks, a steel piston by means of laser beams is known in which dispenses with a dark colored surface coating to improve the absorption of the heat energy of the laser beam. It is generally known that this measure for increasing the heat absorption can be dispensed with only if an alternative measure is taken to ensure that the surface to be hardened by the laser beam to a sufficiently high temperature of about 800 ° C to 850 ° C is heated, because only then does the transformation of the austenitic into the martensitic microstructure of the hardened steel surface results in the hardening process.

Eine solche Maßnahme kann bspw. in der Polarisierung des verwendeten Laserlichtes bestehen, sodass der ”Brewster-Effekt” ausgenutzt werden kann, wobei eine besonders hohe Absorption der Laserstrahlung erreicht wird, wenn der polarisierte Laserstrahl unter einem bestimmten Einstrahlwinkel, dem ”Brewster-Winkel”, auf die zu härtende Oberfläche gerichtet wird, der von der Art des zu härtenden Materials und von der Wellenlänge des Laserlichtes abhängt. In einer weiteren Maßnahme kann von dem Naturgesetz Gebrauch gemacht werden, dass insb. bei Stahl die Absorption der Laserenergie von Laserstrahlen bei abnehmender Wellenlänge stark zunimmt. In dem vorliegenden Patentdokument zum Stand der Technik sind aber weder Aussagen zum Polarisationszustand des verwendeten Laserlichtes noch über dessen Wellenlänge enthalten.Such a measure may, for example, consist in the polarization of the laser light used, so that the "Brewster effect" can be exploited, a particularly high absorption of the laser radiation being achieved if the polarized laser beam passes under a certain angle of incidence, the "Brewster angle". , is directed to the surface to be cured, which depends on the type of material to be cured and on the wavelength of the laser light. In a further measure, use can be made of the law of nature that, especially in the case of steel, the absorption of the laser energy of laser beams increases greatly as the wavelength decreases. In the present patent document, however, neither statements on the polarization state of the laser light used nor on its wavelength are included.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Härten der Nutflächen, insb. der Nutflanken der Ringnuten eines Stahlkolbens anzugeben, bei dem auf eine Oberflächenbeschichtung der zu härtenden Nutbereiche zur Erhöhung der Absorption verzichtet wird, und bei dem angegeben wird, mit welcher hierzu alternativen Maßnahme eine zum Härten der Nutbereiche ausreichende Oberflächentemperatur erzielbar ist.It is therefore an object of the present invention to provide a method for hardening the groove surfaces, esp. The groove flanks of the annular grooves of a steel piston, is waived in a surface coating of the groove regions to be cured to increase the absorption, and is specified in which this alternative measure a sufficient for curing the groove areas surface temperature can be achieved.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen.This problem is solved with the features in the characterizing part of the main claim.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Hierbei wird von letzterem Naturgesetz Gebrauch gemacht, wonach bei Stahl die Absorption der Laserenergie bei abnehmender Wellenlänge der Laserstrahlen so stark zunimmt, dass sich hierbei die Verwendung einer strahlungsabsorbierenden Oberflächenbeschichtung erübrigt. Gerade bei Laserstrahlen mit einer Wellenlänge von weniger als 5 μm ist die Zunahme des Absorptionsgrades besonders stark und erreicht bei Diodenlasern mit einer Wellenlänge von 0,8 bis 0,98 μm einen Spitzenwert. Aber auch der Einfallswinkel α beeinflusst den Absorptionsgrad des Laserlichtes dahingehend, dass im Allgemeinen mit dem Einfallswinkel der Absorptionsgrad steigt.In this case, use is made of the latter natural law, according to which the absorption of the laser energy increases so much with decreasing wavelength of the laser beams in steel, that in this case the use of a radiation-absorbing surface coating is unnecessary. Especially with laser beams with a wavelength of less than 5 microns, the increase in the absorption coefficient is particularly strong and reaches a peak value for diode lasers with a wavelength of 0.8 to 0.98 microns. However, the angle of incidence α also influences the degree of absorption of the laser light in that the degree of absorption generally increases with the angle of incidence.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigenThe invention will be described below with reference to the drawings. Show it

1 einen Schnitt durch einen Kolben mit einer Draufsicht einer zu härtenden Nutflanke, 1 a section through a piston with a plan view of a groove to be hardened edge,

2 eine Seitenansicht des Kolbens und eines Diodenlasers und 2 a side view of the piston and a diode laser and

3 eine einzelne Nut mit gehärteten Nutflanken im Querschnitt. 3 a single groove with hardened groove flanks in cross section.

1 zeigt einen aus Stahl bestehenden Kolben 1, der in der Nutebene aufgeschnitten ist, sodass eine zu härtende Nutflanke 2 in Draufsicht zu sehen ist. Das Härten der Nutflanke 2 erfolgt im Anschluss an das Fertigdrehen des Kolbens und das Eindrehen der Nuten auf einer separaten Maschine, von der mittels einer in der 1 shows a piston made of steel 1 , which is cut open in the groove plane, so that a groove flank to be hardened 2 can be seen in plan view. Hardening the groove flank 2 is carried out after the finish of the piston and the screwing of the grooves on a separate machine, by means of a in the

1 nicht dargestellten Spannvorrichtung der Kolben 1 drehbar gehalten wird. Der Vorteil hiervon besteht darin, dass das Fertigdrehen der Kolben und das Härten deren Nuten auf zwei verschiedenen Maschinen erfolgen kann, wodurch der Ausstoß fertig produzierter Kolben erhöht wird. 1 not shown tensioning device of the piston 1 is held rotatably. The advantage of this is that the finishing of the pistons and the hardening of their grooves can be done on two different machines, thereby increasing the output of finished pistons.

Ein Diodenlaser 3 mit einer Leistung von 2 KW, der unpolarisiertes, diffuses Laserlicht ausstrahlt, ist hierbei derart angeordnet, dass der vom Diodenlaser 3 erzeugte Brennfleck 4 mit einer Größe von ca. 11 × 4 mm² den zum Härten vorgesehenen Bereich der Nutflanke 2 überstreicht, wobei insb. der Abstand 5 der Achse 6' des Laserstrahles 6 vom Kolbenmittelpunkt 7 und die Brennweite 8 des Diodenlasers 3 entsprechend einzustellen sind. Theoretisch kann hierbei 60% bis 90% der Nutflanke ausgehend vom äußeren Kolbenumfang in Richtung Nutgrund (radiale Einhärtetiefe von 0,6 bis 0,9 × Nuttiefe) gehärtet werden. Die radiale Einhärtetiefe beträgt beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ca. 0,75 × Nuttiefe.A diode laser 3 with a power of 2 KW, which emits unpolarized, diffused laser light, in this case is arranged such that of the diode laser 3 generated focal spot 4 with a size of about 11 × 4 mm ² intended for curing area of the groove flank 2 swept, esp. The distance 5 the axis 6 ' of the laser beam 6 from the piston center 7 and the focal length 8th of the diode laser 3 are set accordingly. Theoretically, in this case, 60% to 90% of the groove flank can be hardened, starting from the outer piston circumference in the direction of the groove bottom (radial hardening depth of 0.6 to 0.9 × groove depth). The radial hardening depth in the present embodiment is about 0.75 × groove depth.

2 zeigt den Kolben 1 und den Diodenlaser 3 in Seitenansicht, wobei der Winkel α, den die Achse 6 des Laserstrahles 6 mit der Nutflanke 2 einschließt, so gewählt werden muss, dass der Laserstrahl 6 tief genug in die Ringnut 9 einstrahlt, um die geforderte radiale Einhärtetiefe zu erreichen, dass er aber dabei nicht die Kante 10 der darüberliegenden Nutflanke 11 streift, um diese nicht unzulässigerweise zu härten. Bei der Verwendung eines Diodenlasers ist dieser Winkel α frei wählbar, darf aber nicht zu klein bemessen werden, damit nicht ein zu großer Teil des Laserlichtes reflektiert wird, ohne zum Zweck des Härtens der Nutflankenoberfläche absorbiert zu werden. Allgemein ist hierbei der Absorptionsgrad umso größer, je größer dieser Winkel α gewählt wird, wobei die Größe dieses Winkels ausschließlich von der Nutgeometrie begrenzt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bringt ein Winkel von α = 20° diesbezüglich die meisten Vorteile. Anzustreben ist hierbei ein möglichst großer Winkel α, wobei ein für die geforderten Härteeigenschaften optimaler Absorptionsgrad bei einem Winkel α zwischen 20° und 26° erreicht wird. 2 shows the piston 1 and the diode laser 3 in side view, where the angle α, the axis 6 of the laser beam 6 with the groove flank 2 includes, must be chosen so that the laser beam 6 deep enough in the ring groove 9 radiates in order to achieve the required radial hardening depth, but that he is not the edge 10 the overlying groove edge 11 touches in order not to unduly harden them. When using a diode laser, this angle α is arbitrary, but must not be too small, so that not too much of the laser light is reflected, without being absorbed for the purpose of curing the groove flank surface. In general, in this case the degree of absorption is greater, the greater this angle α is selected, wherein the size of this angle is limited exclusively by the groove geometry. In the present embodiment, an angle of α = 20 ° brings the most advantages in this regard. The aim here is the largest possible angle α, with an optimum for the required hardness properties absorption at an angle α between 20 ° and 26 ° is achieved.

Zum Zweck des Härtens wird bei entsprechender Bestrahlung der Nutflanken mit Laserlicht der Kolben 1 in der Spannvorrichtung mit einer geeigneten Geschwindigkeit gedreht, sodass sich beispielsweise eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Brennfleck 4 und der Nutflankenoberfläche von ca. 420 mm/Min. ergibt, wobei die Nutflankenoberfläche von dem Laserlicht auf eine Temperatur ca. 850°C erwärmt wird. Hierbei können mit einem Diodenlaser Temperaturen von über 1000°C erreicht werden. Eine Temperatur von mindestens 800°C ist für die Umwandlung der austhenitischen in die martensitische Gefügestruktur und damit für das Härten von Stahl erforderlich. Gemessen wird diese Temperatur mittels eines Pyrometers. Die beim Härten der Nutflanken 11 ermittelten Temperaturmesswerte werden dazu genutzt, die Strahlungsintensität des Diodenlasers 3 derart zu steuern, dass die zum Härten erforderliche Temperatur erreicht wird. Die für einen erfolgreichen Härteprozess zudem erforderliche, ausreichend schnelle Abkühlung der Nutflankenoberfläche ist wegen des mittels Laserstrahlung erreichbaren großen Temperaturgradienten und wegen des dadurch bedingten schnellen Wärmeabflusses durch den Kolbenkörper gewährleistet. Ziel hiervon ist, eine Oberflächenhärte von 50 bis 65 HRC (Härte nach Rockwell C) zu erreichen.For the purpose of hardening, with appropriate irradiation of the groove flanks with laser light, the flask is used 1 rotated in the jig at a suitable speed, so that, for example, a relative speed between the focal spot 4 and the groove flank surface of about 420 mm / min. results, wherein the groove flank surface is heated by the laser light to a temperature about 850 ° C. In this case, temperatures of over 1000 ° C can be achieved with a diode laser. A temperature of at least 800 ° C is required for the transformation of the austenitic into the martensitic microstructure and thus for the hardening of steel. This temperature is measured by means of a pyrometer. The hardening of the groove flanks 11 The measured temperature values are used to determine the radiation intensity of the diode laser 3 to control such that the temperature required for curing is reached. The necessary for a successful hardening process, sufficiently rapid cooling of the groove flank surface is ensured because of the achievable by laser radiation large temperature gradient and because of the resulting rapid heat dissipation through the piston body. The aim of this is to achieve a surface hardness of 50 to 65 HRC (Rockwell C hardness).

3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der gehärteten Nut 9 mit gehärteten Nutflanken 11 und 11', bei der die gehärteten Bereiche der Nutflanken 11 und 11 eng schraffiert dargestellt sind, und bei der eine bestimmte Konstellation der sich aus der axialen Einhärtetiefe 12 und der radialen Einhärtetiefe 13 zusammensetzenden Härteeigenschaften angestrebt wurde. Das gezeigte Beispiel weist eine radiale Einhärtetiefe 13 von 0,75 × Nuttiefe 14 und eine axiale Einhärtetiefe 12 von 0,5 mm auf. 3 shows an enlarged view of the hardened groove 9 with hardened groove flanks 11 and 11 ' in which the hardened areas of the groove flanks 11 and 11 are shown hatched in a narrow hatch, and in which a certain constellation arising from the axial hardening depth 12 and the radial hardening depth 13 composite hardness properties was sought. The example shown has a radial hardening depth 13 of 0.75 × groove depth 14 and an axial hardening depth 12 of 0.5 mm.

Die Verwendung des Diodenlasers 3 zum Härten der Nutflanken des Kolbens 1 hat die Vorteile, dass wegen der Wellenlänge des Diodenlaserlichtes von 0,8 μm bis 0,98 μm der Absorptionsgrad der Wärmeenergie des Laserlichtes bei Stahl so groß ist, dass auf eine weitere Erhöhung des Absorptionsgrades dadurch, dass das Laserlicht polarisiert und unter dem Brewsterwinkel eingestrahlt wird, oder dass die zu bestrahlende und zu härtende Fläche mit einer dunklen, wärmeabsorbierenden Paste, wie bspw. Graphit, belegt wird, verzichtet werden kann. Durch die sich hierbei ergebende weitgehend freie Wahl des Einstrahlwinkels des Laserlichtes wird erreicht, dass die zu härtenden Flächen sicher und mit dem geeigneten Winkel α getroffen werden, und dass ein versehentliches Bestrahlen der der gerade bestrahlten Nutflanke 2 gegenüberliegenden Nutkante 10 vermieden wird. Zudem sind Diodenlaser sehr kompakt aufgebaut, sodass sie im Rahmen der Kolbenbearbeitung problemlos handhabbar sind. Ein weiterer Vorteil des Diodenlasers besteht in seinem guten Wirkungsgrad, definiert als Verhältnis aus Eingangsenergie zu erzeugter Lichtleistung.The use of the diode laser 3 for hardening the groove flanks of the piston 1 has the advantages that due to the wavelength of the diode laser light from 0.8 microns to 0.98 microns, the degree of absorption of the heat energy of the laser light in steel is so large that to a further increase in the absorptance characterized in that the laser light polarized and irradiated at the Brewster angle or that the surface to be irradiated and cured is coated with a dark, heat-absorbing paste, such as, for example, graphite. By this resulting largely free choice of the angle of incidence of the laser light is achieved that the surfaces to be hardened are taken safely and with the appropriate angle α, and that accidental irradiation of the just-irradiated groove flank 2 opposite groove edge 10 is avoided. In addition, diode lasers are very compact, so they are easy to handle in the context of piston processing. Another advantage of the diode laser is its good efficiency, defined as the ratio of input energy to generated light output.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Kolbenpiston
22: Nutflankeflank
33: Diodenlaserdiode laser
44: Brennfleckfocal spot
55: Abstanddistance
66: Laserstrahllaser beam
6'6 ': Achseaxis
77: KolbenmittelpunktPiston center
88th: Brennweitefocal length
99: Ringnutring groove
1010: Kanteedge
11, 11'11, 11 ': Nutflankeflank
1212: axiale Einhärtetiefeaxial hardening depth
1313: radiale Einhärtetieferadial hardening depth
1414: Nuttiefegroove depth

Claims

Method for hardening the groove surfaces, in particular the groove flanks ( 2 ) of the annular grooves ( 9 ) of a steel piston ( 1 ) by means of a laser beam ( 6 ), - relative to the cylinder jacket surfaces of the piston ( 1 ) approximately in the tangential direction on the groove flanks ( 2 ) is directed, and - with respect to the groove flank plane with a certain angle α on the groove flanks ( 2 ), characterized in that - a laser beam ( 6 ) is used with a wavelength of less than 5 microns, and - that the angle α is chosen so large that, taking into account the present groove geometry an optimum degree of absorption of the laser beam energy is achieved for required hardness properties.

Method for hardening the groove surfaces, in particular the groove flanks ( 2 ) of the annular grooves ( 9 ) of a steel piston ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the laser beam ( 6 ) of a diode laser ( 3 ) is generated and has a wavelength of 0.8 microns to 0.98 microns.

Method for hardening the groove surfaces, in particular the groove flanks ( 2 ) of the annular grooves ( 9 ) of a steel piston ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the diode laser ( 3 ) Laser beams ( 6 ) radiates with a power of at least 1 KW.

Method for hardening the groove surfaces, in particular the groove flanks ( 2 ) of the annular grooves ( 9 ) of a steel piston ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam ( 6 ) with an angle α of more than 13 ° with respect to the groove flank plane on the groove flank ( 2 ).