DE10353473A1 - Component of an internal combustion engine and method for its production - Google Patents

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Abstract

Ein Bauteil (1) einer Brennkraftmaschine weist wenigstens einen Bereich (4) auf, welcher während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch höher belastet ist als ein anderer Bereich (5). Der thermisch höher belastete Bereich (4) weist einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (alpha¶2¶) auf als der thermisch weniger belastete Bereich (5).A component (1) of an internal combustion engine has at least one region (4) which is subjected to a higher thermal load during operation of the internal combustion engine than another region (5). The thermally higher loaded area (4) has a lower coefficient of thermal expansion (α¶2¶) than the thermally less loaded area (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Brennkraftmaschine.The The invention relates to a component of an internal combustion engine according to in the preamble of claim 1 closer Furthermore, the invention relates to a method for producing a component of an internal combustion engine.

In Bauteilen von Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise Zylinderköpfen oder Kolben, tritt bei einer zyklischen thermischen Belastung häufig das Problem auf, dass durch eine Behinderung der thermischen Ausdehnung von höher belasteten Bereichen in diesen Bereichen so hohe induzierte mechanische Spannungen auftreten, dass in diesen Bereichen aufgrund der starken Plastifizierung und der damit einhergehenden Materialermüdung eine Rissbildung auftritt. Diese Behinderung der thermischen Ausdehnung kommt dadurch zustande, dass das thermisch höher belastete Material dazu tendiert, sich stärker auszudehnen als das thermisch weniger stark belastete Material. Da sich die thermisch höher belasteten Bereiche meist in der Mitte des Bauteils befinden, ist eine solche Ausdehnung nach außen nicht möglich und es kommt zu den genannten Spannungen, insbesondere zu Druckspannungen, die sich beim Abkühlprozess in Zugspannungen umwandeln, die die Materialfestigkeit überschreiten können.In Components of internal combustion engines, such as cylinder heads or Piston, often occurs at a cyclic thermal load the problem on that by hindering the thermal expansion of charged higher Areas in these areas so high induced mechanical stresses occur in these areas due to the strong plasticization and the associated fatigue occurs cracking. This hindrance of thermal expansion comes about as a result of that the thermally higher loaded material tends to expand more than thermally less heavily loaded material. As the thermally charged higher Areas mostly located in the middle of the component is one such Extension to the outside not possible and it comes to the said voltages, in particular to compressive stresses, during the cooling process into tensile stresses that exceed the material strength can.

Bei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Lösungen wird versucht, über eine Verbesserung der Gießtechnik und eine nachfolgende Wärmebehandlung ein möglichst feines und sta biles Gefüge einzustellen. Diese Maßnahmen wirken sich jedoch jeweils auf das gesamte Bauteil aus, so dass die oben angesprochenen Probleme durch diese Maßnahmen nicht beseitigt werden können.at Become known from the general state of the art solutions tried over an improvement of the casting technique and a subsequent heat treatment one possible fine and stable structure adjust. These measures However, each affect the entire component, so that the above-mentioned problems are not eliminated by these measures can.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, bei welchen auch bei unterschiedlich hohen thermischen Belastungen über verschiedene Bereiche des Bauteils die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme bezüglich des Versagens der Bauteile vermieden werden.It is therefore an object of the present invention, a component of a Internal combustion engine and a method for its production, in which also at different levels of thermal loads on different Areas of the component known from the prior art problems in terms of the failure of the components are avoided.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.According to the invention this Problem solved by the features mentioned in claim 1.

Erfindungsgemäß weist der thermisch höher belastete Bereich des Bauteils einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der thermisch weniger belastete Bereich auf, was dazu führt, dass sich das gesamte Bauteil bei einer Temperaturerhöhung gleichmäßig ausdehnen kann. Dadurch, dass sich sämtliche Bereiche des erfindungsgemäßen Bauteils gleichmäßig ausdehnen, kommt es zu keiner Dehnungsbehinderung und somit zu keinem Eintreten in den plastischen Verformungsbereich, sodass bei einer Erwärmung mit anschließender Abkühlung im wesentlichen keine bzw. nur sehr geringe Spannungen in dem Bauteil entstehen, wodurch letztendlich die ansonsten vorhandene Gefahr der Rissbildung aufgrund des Überschreitens der zulässigen Spannungen nicht gegeben ist.According to the invention the thermally charged higher Area of the component has a lower coefficient of thermal expansion as the thermally less loaded area, which leads to that evenly expand the entire component with a temperature increase can. In that all Areas of the component according to the invention stretch evenly, there is no stretch inhibition and thus no occurrence in the plastic deformation area, so when heated with followed by Cooling essentially no or only very low voltages in the component arise, which ultimately creates the otherwise existing danger cracking due to exceeding the permissible Tension is not given.

Durch die erfindungsgemäße Adaptierung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die thermischen Gegebenheiten innerhalb des Bauteils kann somit das Eintreten einer Materialermüdung und/oder einer Rissbildung zu einem späteren Zeitpunkt bzw. zu höheren Belastungen verschoben werden, so dass das erfindungsgemäße Bauteil bei Brennkraftmaschinen mit höheren Leistungen und/oder einer verlängerten Lebensdauer eingesetzt werden kann.By the adaptation of the invention thermal expansion coefficient to the thermal conditions within the component can thus be the occurrence of a material fatigue and / or cracking at a later time Time or higher Loads are moved so that the component of the invention in internal combustion engines with higher Benefits and / or extended Life can be used.

Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils ergibt sich aus den Merkmalen von Anspruch 9.One Method for producing a component according to the invention results from the features of claim 9.

Dabei wird das Grundmaterial des Bauteils aufgeschmolzen und es wird ein Zusatzmaterial hinzugefügt, welches zu dem veränderten Wärmeausdehnungskoeffizienten in dem thermisch höher belasteten Bereich führt. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine besonders genaue Kontrolle der Legierungszusammensetzung in dem thermisch höher belasteten Bereich.there the base material of the component is melted and it becomes a Additional material added, which changed to that CTE in the thermally higher burdened area leads. This procedure allows a particularly precise control of the alloy composition in the thermally higher charged area.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.advantageous Embodiments of the invention are specified in the subclaims. Below is an embodiment the invention described in principle with reference to the drawing.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Bauteils in einem ersten Zustand; 1 a view of a component according to the invention in a first state;

2 einen Schnitt durch einen Stegbereich des Zylinderkopfes nach der Linie II-II aus 1 in einem ersten Zustand; 2 a section through a web portion of the cylinder head along the line II-II 1 in a first state;

3 den Stegbereich des Zylinderkopfes aus 2 in einem zweiten Zustand; 3 the web area of the cylinder head 2 in a second state;

4 den Stegbereich des Zylinderkopfes aus 2 in einem dritten Zustand; und 4 the web area of the cylinder head 2 in a third state; and

5 eine Ansicht des Bauteils aus 1 in einem zweiten Zustand; 5 a view of the component 1 in a second state;

6 eine Ansicht des Bauteils aus 1 in einem dritten Zustand; 6 a view of the component 1 in a third state;

7 eine Ansicht eines Bauteils gemäß dem Stand der Technik in einem ersten Zustand; 7 a view of a component according to the prior art in a first state;

8 eine Ansicht des Bauteils aus 7 in einem zweiten Zustand; und 8th a view of the component 7 in a second state; and

9 eine Ansicht des Bauteils aus 7 in einem dritten Zustand. 9 a view of the component 7 in a third state.

Die 7, 8 und 9 zeigen ein Bauteil 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschine, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Bei dem Bauteil 1 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen Zylinderkopf 1a, wobei die 1, 5 und 6 eine Ansicht auf eine Trennfläche 2 des Zylinderkopfes 1a zeigen. Statt um den Zylinderkopf 1a könnte es sich bei dem Bauteil 1 auch um einen Kolben oder um ein anderes, thermisch sehr stark belastetes Bauteil einer Brennkraftmaschine handeln.The 7 . 8th and 9 show a component 1 an internal combustion engine, not shown in its entirety, as known from the prior art. In the component 1 this is a cylinder head in the present case 1a , where the 1 . 5 and 6 a view on a separation surface 2 of the cylinder head 1a demonstrate. Instead of the cylinder head 1a it could be the component 1 also be a piston or another, thermally very heavily loaded component of an internal combustion engine.

Der Zylinderkopf 1a weist mehrere Ventilbohrungen 3 auf, zwischen denen sich ein thermisch höher belasteter Bereich 4 befindet, der im vorliegenden Fall als Stegbereich 4a bezeichnet wird. Dieser Stegbereich 4a ist während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch höher belastet als der Rest des Bauteils 1 bzw. als ein anderer Bereich 5 des Bauteils 1. Da die zu dem Zylinderkopf 1a gehörende Brennkraftmaschine drei bzw. sechs Zylinder aufweist, sind insgesamt drei Stegbereiche 4a vorgesehen. Die Stegbereiche 4a sind, da für jeden Zylinder vier Ventilbohrungen 3 vorgesehen sind, im wesentlichen kreuzförmig ausgebildet. Wenn pro Zylinder lediglich zwei Ventilbohrungen 3 vorgesehen wären, könnten die Stegbereiche 2a auch linienförmig ausgebildet sein. Im Falle eines Kolbens wäre der thermisch höher belasteter Bereich 4 vorzugsweise die Kolbenmulde. Selbstverständlich kann die Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine beliebig variieren.The cylinder head 1a has several valve holes 3 on, between which there is a thermally higher loaded area 4 located in the present case as a bridge area 4a referred to as. This dock area 4a is thermally higher loaded during operation of the internal combustion engine than the rest of the component 1 or as another area 5 of the component 1 , Since that to the cylinder head 1a belonging internal combustion engine has three or six cylinders are a total of three land areas 4a intended. The bridge areas 4a are because for each cylinder four valve holes 3 are provided, formed substantially cross-shaped. If only two valve holes per cylinder 3 would be provided, could the web areas 2a also be formed linear. In the case of a piston would be the thermally higher loaded area 4 preferably the piston recess. Of course, the number of cylinders of the internal combustion engine can vary as desired.

Das Bauteil 1 besteht in seiner Gesamtheit aus einem einheitlichen Material, vorzugsweise aus einem Aluminiumwerkstoff, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Legierung, und weist somit einen konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten α1 auf. Die Temperatur des Bauteils 1 befindet sich in dem nicht erhitzten Zustand von 7 ebenfalls auf einem konstanten Niveau T0 .The component 1 consists in its entirety of a uniform material, preferably of an aluminum material, in particular an aluminum-silicon alloy, and thus has a constant coefficient of thermal expansion α 1 . The temperature of the component 1 is in the unheated state of 7 also at a constant level T 0 .

8 zeigt das Bauteil 1 in seinem erhitzten Zustand. Dabei herrscht im Inneren des Bauteils 1, nämlich in dem thermisch höher belasteten Bereich 4, eine erhöhte Temperatur T2 im Vergleich zu der niedrigeren Temperatur T1 in dem Bereich 5. Da die Ausdehnung des thermisch höher belasteten Bereichs 4 jedoch durch die geringere Ausdehnung des Bereichs 5 behindert ist, ergibt sich eine Plastifizierung des Bereichs 4 in diesem erhitzten Zustand. 8th shows the component 1 in his heated state. It prevails inside the component 1 , namely in the thermally higher loaded area 4 , an elevated temperature T 2 compared to the lower temperature T 1 in the range 5 , As the extent of the thermally higher loaded area 4 however, due to the smaller extent of the area 5 obstructed, there is a plastification of the area 4 in this heated state.

Wenn, wie in 9 dargestellt, das Bauteil 1 wieder auf die Temperatur T0 abgekühlt wird, so führt dies zu Zugspannungen im Inneren des Bauteils 1, insbesondere in dem thermisch höher belasteten Bereich 4, was letztlich eine mittels gestrichelter Linien angedeutete Rissbildung nach sich zieht. Eine Rissbildung kann auch an einer, hier nicht dargestellten Glühstiftbohrung beziehungsweise an einer ebenfalls nicht dargestellten Injektionsbohrung erfolgen.If, as in 9 represented, the component 1 is cooled back to the temperature T 0 , this leads to tensile stresses in the interior of the component 1 , Especially in the thermally higher loaded area 4 , which ultimately causes a cracking indicated by dashed lines. Cracking can also take place at a Glühstiftbohrung not shown here or at an injection well, also not shown.

Die 1 bis 6 zeigen das Bauteil 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Um im Gegensatz zu der oben erläuterten Problematik eine gleichmäßige Ausdehnung des Bauteils 1 während des Betriebs der Brennkraftmaschine zu erreichen, weist der thermisch höher belastete Bereich 4 einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten α2 auf als der thermisch weniger belastete Bereich 5, der auch weiterhin den Wärmeausdehnungskoeffizienten α1 aufweist. Der unbehandelte Zustand des Bauteils 1 ist in den 1 und 2 dargestellt.The 1 to 6 show the component 1 according to the present invention. In contrast to the problem explained above, a uniform expansion of the component 1 to reach during operation of the internal combustion engine, has the thermally higher loaded area 4 a lower thermal expansion coefficient α 2 than the thermally less loaded area 5 which also has the thermal expansion coefficient α 1 . The untreated condition of the component 1 is in the 1 and 2 shown.

Um das Bauteil 1 herzustellen, wird der höher belastete Bereich 4 aufgeschmolzen, so dass ein Schmelzbad 6 entsteht, wie in 3 dargestellt. Dieses Aufschmelzen wird vorzugsweise mittels eines Strahlverfahrens und insbesondere mittels eines Laserstrahls 7 durchgeführt. Alternativ zum Einsatz des Laserstrahls 7 könnte auch ein Elektronenstrahl oder dergleichen eingesetzt werden. Des weiteren wäre es auch möglich, das Schmelzbad 6 mittels eines WIG-Verfahrens oder auf eine andere geeignete Art und Weise herzustellen.To the component 1 produce, becomes the higher loaded area 4 melted, leaving a molten bath 6 arises, as in 3 shown. This melting is preferably carried out by means of a blasting method and in particular by means of a laser beam 7 carried out. Alternatively to the use of the laser beam 7 An electron beam or the like could also be used. Furthermore, it would also be possible to melt the bath 6 by means of a TIG process or in any other suitable manner.

In das Schmelzbad 6 wird, wie in 4 dargestellt, ein Zusatzmaterial 8 eingebracht, welches zu der beschriebenen Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten α1 des Bauteils 1 auf den Wert α2 des höher belasteten Bereichs 4 führt. Vorzugsweise wird als Zusatzmaterial 8 ein keramisches Material (in Form von Pulvern oder Kurzfasern ; z. B. Al2O3) eingesetzt. Ferner kann das Zusatzmaterial auch auf Silizium-Basis bestehen oder in Form von intermetallischen Dispersoiden bspw. auf der Basis von Al-Fe-Zr/Ce ausgestaltet sein.In the molten bath 6 will, as in 4 shown, a supplementary material 8th introduced, which leads to the described reduction of the thermal expansion coefficient α 1 of the component 1 to the value α 2 of the higher loaded area 4 leads. Preferably, as a filler material 8th a ceramic material (in the form of powders or short fibers, eg Al 2 O 3) is used. Furthermore, the additional material can also be based on silicon or be designed in the form of intermetallic dispersoids, for example, on the basis of Al-Fe-Zr / Ce.

Aus der Darstellung gemäß 5 ist erkennbar, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine, also bei einer entsprechenden Erhitzung des Bauteils 1, über die beiden Bereiche 4 und 5 trotz der erhöhten Temperatur T2 des thermisch höher belasteten Bereichs 4 eine gleichmäßige Ausdehnung gegeben ist, da sich das Material des thermisch höher belasteten Bereichs 4 weniger stark ausdehnt als das Material des thermisch weniger stark belasteten Bereichs 5 und somit von diesem bei seiner Ausdehnung nicht behindert wird.From the illustration according to 5 It can be seen that during operation of the internal combustion engine, so with a corresponding heating of the component 1 , about the two areas 4 and 5 despite the increased temperature T 2 of the thermally higher loaded area 4 a uniform expansion is given, as the material of the thermally higher loaded area 4 less expands than the material of the thermally less heavily loaded area 5 and thus of this in its extension not hindered.

6 zeigt schließlich den Zustand nach dem Abkühlen des Bauteils 1 und es ist erkennbar, dass keinerlei Rissbildung zu verzeichnen ist. 6 finally shows the state after cooling of the component 1 and it can be seen that there is no cracking.

Claims (12)

Bauteil einer Brennkraftmaschine, welches wenigstens einen Bereich aufweist, welcher während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch höher belastet ist als ein anderer Bereich, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch höher belastete Bereich (4) einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (α2) aufweist als der thermisch weniger belastete Bereich (5).Component of an internal combustion engine which has at least one region which is subjected to higher thermal load during operation of the internal combustion engine than another region, characterized in that the region subjected to higher thermal loads ( 4 ) has a lower thermal expansion coefficient (α 2 ) than the thermally less stressed region ( 5 ). Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der thermisch höher belastete Bereich (4) eine gegenüber dem thermisch weniger belasteten Bereich (5) eine veränderte Legierungszusammensetzung aufweist.Component according to claim 1, characterized in that the thermally higher loaded area ( 4 ) one compared to the thermally less loaded area ( 5 ) has a modified alloy composition. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, der thermisch höher belastete Bereich (4) ein keramisches Material oder eine intermetallische Verbindung aufweist.Component according to claim 2, characterized in that the thermally higher loaded area ( 4 ) comprises a ceramic material or an intermetallic compound. Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Aluminiumwerkstoff besteht.Component according to Claim 1, 2 or 3, characterized that it consists of an aluminum material. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Zylinderkopf (1a) ist.Component according to one of claims 1 to 4, characterized in that the component is a cylinder head ( 1a ). Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch höher belastete Bereich (4) ein sich zwischen jeweiligen Ventilbohrungen (3) befindlicher Stegbereich (4a) ist.Component according to Claim 5, characterized in that the area subjected to higher thermal loads ( 4 ) between respective valve bores ( 3 ) located bridge area ( 4a ). Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) ein Kolben ist.Component according to one of claims 1 to 4, characterized in that the component ( 1 ) is a piston. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch höher belastete Bereich (4) eine Kolbenmulde und oder ein Muldenrand ist.Component according to claim 7, characterized in that the area subjected to higher thermal loads ( 4 ) is a piston recess and or a trough edge. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch höher belasteter Bereich (4) als ein anderer Bereich des Bauteils (1) aufgeschmolzen wird, und dass in ein durch das Aufschmelzen entstehendes Schmelzbad (6) ein Zusatzmaterial (8) eingebracht wird, durch welches der thermisch höher belastete Bereich (4) einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (α2) erhält als der thermisch weniger belastete Bereich (5).Method for producing a component of an internal combustion engine, characterized in that a region which is subject to a higher thermal load during operation of the internal combustion engine (US Pat. 4 ) as another area of the component ( 1 ) is melted, and that in a melt formed by the melting ( 6 ) an additional material ( 8th ) is introduced, through which the thermally higher loaded area ( 4 ) receives a lower thermal expansion coefficient (α 2 ) than the thermally less stressed region ( 5 ). Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen mittels eines Strahlverfahrens durchgeführt wird.Method according to claim 9, characterized in that that the melting is carried out by means of a blasting method. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Strahlverfahrens ein Laserstrahl (7) eingesetzt wird.A method according to claim 10, characterized in that for carrying out the blasting method, a laser beam ( 7 ) is used. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzmaterial (8) ein keramisches Material verwendet wird.Method according to claim 9, 10 or 11, characterized in that as additional material ( 8th ) a ceramic material is used.
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