DE10353474A1 - Bauteil einer Brennkraftmaschine und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
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Abstract
Ein Bauteil (1) einer Brennkraftmaschine, welches aus einer Aluminiumlegierung besteht, weist wenigstens einen während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch hoch belasteten Bereich (2) auf. Der thermisch hoch belastete Bereich (2) ist im Vergleich mit dem gesamten Bauteil (1) klein. Der thermisch hoch belastete Bereich (2) weist eine gegenüber dem gesamten Bauteil (1) derart veränderte Legierungszusammensetzung auf, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) eine höhere Bruchdehnung aufweist als das gesamte Bauteil (1).
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.
- Aus der
DE 199 02 864 A1 ist ein Kolben für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, bei welchem der Kragen des Muldenrands aufgeschmolzen und dem Schmelzbad ein Zusatzwerkstoff zugeführt wird. Das Ziel dieser Zuführung des Zusatzwerkstoffs besteht darin, die Festigkeit und Temperaturbeständigkeit des Kolbens in diesem sowohl thermisch als auch mechanisch hoch belasteten Bereich zu erhöhen, um den Kolben im Einsatz mit höheren Drücken und Temperaturen beaufschlagen zu können. - Ähnliche Vorgehensweisen zur Erzeugung einer größeren Festigkeit in einem hoch belasteten Bereich sind in der
DE 1 122 325 A1 , derDE 2 124 595 A1 , derDE 28 35 332 C2 oder derDE 2 136 594 A1 beschrieben. - Aus der
EP 0 092 683 B1 oder derDE 199 12 889 A1 sind Verfahren zur Herstellung von Ventilsitzen bekannt, bei denen ebenfalls ein oder mehrere festigkeitserhöhende Zusatzmaterialien zu einem aufgeschmolzenen Bereich hinzugegeben werden, um eine hohe Festigkeit dieses Bereichs zu erreichen. - Problematisch bei sämtlichen dieser Bauteile sowie den zur Herstellung derselben eingesetzten Verfahren ist jedoch, dass mit einer Erhöhung der Festigkeit aufgrund der zunehmenden Sprödigkeit des Materials bei thermischen Belastungen oder einer Überlagerung von thermischen und rein mechanischen Belastungen Rissbildungen aufgrund von Materialermüdung auftreten können. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein thermisch hoch belasteter Bereich zusätzlich zu dieser thermischen Belastung auch noch stärkeren Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, beispielsweise in Folge einer Flüssigkeitskühlung.
- Bei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Lösungen wird versucht, über eine Verbesserung der Gießtechnik und eine nachfolgende Wärmebehandlung ein möglichst feines und stabiles Gefüge einzustellen. Diese Maßnahmen wirken sich jedoch jeweils auf das gesamte Bauteil aus, so dass die oben angesprochenen Probleme hierdurch nicht beseitigt werden können.
- Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein aus einer Aluminiumlegierung bestehendes Bauteil einer Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, bei welchen auch bei thermisch hohen Belastungen ein Versagen des Bauteils vermieden wird.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
- Durch die erfindungsgemäß veränderte Legierungszusammensetzung des Bauteils wird der thermisch hoch belasteten Bereich derart verändert, dass dieser thermisch hoch belastete Bereich eine höhere Bruchdehnung aufweist als das restliche Bauteil. Dadurch kann das Bauteil in dem thermisch hoch belasteten Bereich stärkere Dehnungen schadensfrei tollerieren. Aufgrund der erhöhten Bruchdehnung und der verbesserten Zähigkeit bei Raumtemperatur und bei höheren Temperaturen kann das Eintreten einer eventuellen Materialermüdung bzw. Rissbildung zu einem späteren Zeitpunkt bzw. zu höheren Belastun gen verschoben werden. Dadurch ist es möglich, Brennkraftmaschinen mit höheren Leistungen und/oder einer verlängerten Lebensdauer zu realisieren.
- Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Festigkeit des Bauteils nur so weit verändert, dass rein mechanische Belastungen keinen negativen Einfluss auf das Bauteil haben können, da die Gesamtheit des Bauteils mit der für die zu erwartenden mechanischen Belastungen erforderlichen Festigkeit ausgebildet sein kann und lediglich in dem thermisch hoch belasteten Bereich eine erhöhte Bruchdehnung benötigt wird. Dies ist beispielsweise bei der Einleitung von Schraubenkräften sehr wichtig. Bei bekannten Lösungen führt eine Erhöhung der Festigkeit stets zu einer Verringerung der Bruchdehnung, wodurch sich beim Auftreten höherer Spannungen unweigerlich Materialrisse oder dergleichen ergeben können. Im Gegensatz dazu stellt die erfindungsgemäße Lösung einen optimalen Kompromiss aus ausreichender Festigkeit und hoher Bruchdehnung dar.
- Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn der thermisch hoch belastete Bereich einen größeren Aluminiumgehalt aufweist als das gesamte Bauteil.
- Bei einem Bauteil, bei dem die erfindungsgemäße Lösung in besonders vorteilhafter Weise eingesetzt werden kann, handelt es sich um einen Zylinderkopf. Bei einem Zylinderkopf ist der thermisch hoch belastete Bereich vorzugsweise der sich zwischen jeweiligen Ventilbohrungen befindliche Stegbereich.
- Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils ist in Anspruch 7 angegeben.
- Durch das dort beschriebene Aufschmelzen des Grundmaterials des Bauteils und das Hinzufügen des Zusatzmaterials kann die Legierungszusammensetzung in diesem hoch belasteten Bereich besonders genau kontrolliert werden. Bei dem erfindungsgemä ßen Verfahren handelt es sich im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren eher um ein "Ablegieren" als um ein "Auflegieren".
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.
- Dabei zeigen:
-
1 eine Ansicht der Trennfläche eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine; -
2 einen Schnitt durch einen Stegbereich des Zylinderkopfes nach der Linie II-II aus1 in einem ersten Zustand; -
3 den Stegbereich des Zylinderkopfes aus2 in einem zweiten Zustand; -
4 den Stegbereich des Zylinderkopfes aus2 in einem dritten Zustand; und -
5 den Stegbereich des Zylinderkopfes aus2 in einem vierten Zustand. -
1 zeigt ein Bauteil1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Bei dem Bauteil1 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen Zylinderkopf1a , der aus einem Aluminiumwerkstoff, vorzugsweise einer Aluminium-Silizium-Legierung, besteht. Das Bauteil1 weist mehrere thermisch hoch belastete Bereiche2 auf. Hierbei handelt es sich im vorliegenden Fall um zwischen jeweiligen Ventilbohrungen3 sich befindliche Stegbereiche2a . Da die zu dem Zylinderkopf1a gehörende Brennkraftmaschine drei bzw. sechs Zylinder aufweist, sind insgesamt drei Stegbereiche2a vorge sehen. Die Stegbereiche2a sind, da für jeden Zylinder vier Ventilbohrungen3 vorgesehen sind, im wesentlichen kreuzförmig ausgebildet. Wenn pro Zylinder lediglich zwei Ventilbohrungen3 vorgesehen wären, könnten die Stegbereiche2a auch linienförmig ausgebildet sein. In jedem Fall ist der thermisch hoch belastete Bereich2 im Vergleich mit dem gesamten Bauteil1 relativ klein. - Um in diesen während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch hoch belasteten Bereichen
2 eine Rissbildung aufgrund von Materialermüdung zu verhindern, werden dieselben dem nachfolgend beschriebenen Verfahren unterzogen. - In
2 ist das Bauteil1 mit dem thermisch hoch belasteten Bereich2 bzw. dem Stegbereich2a in seinem unbehandelten Zustand dargestellt. Vorzugsweise wird das Bauteil1 durch Gießen hergestellt. - Gemäß dem Verfahrensschritt von
3 wird der thermisch hoch belastete Bereich2 mittels eines Strahlverfahrens erwärmt, wozu in diesem Fall ein Laserstrahl4 eingesetzt wird. Hierdurch entsteht in dem thermisch hoch belasteten Bereich2 ein Schmelzbad5 . Alternativ zum Einsatz des Laserstrahls4 könnte auch ein Elektronenstrahl oder dergleichen eingesetzt werden. Des weiteren wäre es auch möglich, das Schmelzbad5 mittels eines WIG-Verfahrens, Plasma-Verfahrens oder auf eine andere geeignete Art und Weise herzustellen. Bereits durch das Erzeugen des Schmelzbades5 würde sich in dem thermisch hoch belasteten Bereich2 nach einer schnellen Abkühlung ein feinkörniges Gefüge einstellen, welches zu besseren Materialeigenschaften, insbesondere bezüglich einer Erhöhung der Zähigkeit bzw. der Bruchdehnung, führt. - Zusätzlich wird, wie in
4 dargestellt, ein Zusatzmaterial6 in das Schmelzbad5 eingebracht. Dieses Zusatzmaterial6 , welches vorzugsweise einen größeren Aluminiumgehalt als das gesamte Bauteil2 aufweist, kann in Form eines Pulvers o der auch in Form eines festen Materials in das Schmelzbad5 eingebracht werden. Um einen besonders guten Kompromiss zwischen ausreichender Festigkeit und erhöhter Bruchdehnung zu erzielen, weist das Zusatzmaterial6 einen Siliziumanteil von 1 bis 5 Gewichts-%, einen Magnesiumanteil von weniger als 0,25 Gewichts-% und einen Eisenanteil von weniger als 0,1 Gewichts-% auf. Grundsätzlich kann das Zusatzmaterial auch aus reinem oder annähernd reinem Aluminium bestehen. - Nach der Abkühlung des thermisch hoch belasteten Bereichs
2 , dessen Legierungszusammensetzung auf die beschriebene Art und Weise verändert wurde, entsteht ein Bauteil1 , das in seiner Gesamtheit aus einer Aluminiumlegierung besteht, welche an die mechanischen Anforderungen bezüglich der Festigkeit, beispielsweise was nicht dargestellte Schraubenbohrungen angeht, angepasst werden kann. In dem thermisch hoch belasteten Bereich2 weist das Bauteil1 jedoch eine veränderte Legierungszusammensetzung auf, die dazu führt, dass der thermisch hoch belastete Bereich2 eine größere Bruchdehnung als das gesamte Bauteil1 aufweist. Bedingt durch die erhöhte Bruchdehnung ergibt sich auch eine verbesserte Zähigkeit innerhalb des thermisch hoch belasteten Bereichs2 , dessen sehr gute thermo-mechanischen Eigenschaften dadurch verbessert werden. - Nach dem beschriebenen Verändern der Legierungszusammensetzung des thermisch hoch belasteten Bereichs
2 kann das Bauteil1 selbstverständlich in bekannter Weise mechanisch bearbeitet werden. Die Tiefe des Bereichs2 mit der veränderten Legierungszusammensetzung beträgt vorzugsweise 0,2 mm bis 5 mm. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, mehrere Schmelzbäder5 mit unterschiedlicher Tiefe zu erzeugen und damit auch mehrere Lagen des Zusatzmaterials6 einzubringen. Dabei könnte die Zusammensetzung des Zusatzmaterials6 stufenweise so verändert werden, dass sich eine schrittweise Erhöhung der Bruchdehnung in Richtung der Oberfläche des Bauteils1 ergibt. Die Größe des erzeugten Schmelzbades5 ergibt sich dabei jeweils aus der Menge der in das Bauteil1 einge brachten Energie. Ebenfalls kann ein bezüglich des Ausdehnungskoeffizienten gradientenförmiger Übergang von Bereich1 auf den Bereich2 zweckmäßig sein. Hierbei ändert sich der Ausdehnungskoeffizienten kontinuierlich.
Claims (11)
- Bauteil einer Brennkraftmaschine, welches aus einer Aluminiumlegierung besteht und wenigstens einen während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch hoch belasteten Bereich aufweist, wobei der thermisch hoch belastete Bereich im Vergleich mit dem gesamten Bauteil klein ist, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch hoch belastete Bereich (
2 ) eine gegenüber dem gesamten Bauteil (1 ) derart veränderte Legierungszusammensetzung aufweist, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2 ) eine höhere Bruchdehnung aufweist als das gesamte Bauteil (1 ). - Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch hoch belastete Bereich (
2 ) einen größeren Aluminiumgehalt aufweist als das gesamte Bauteil (1 ). - Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungszusammensetzung des thermisch hoch belasteten Bereichs (
2 ) einen Anteil von 1 bis 5 Gewichts-% Silizium, einen Anteil von weniger als 0,25 Gewichts-% Magnesium und einen Anteil von weniger als 0,1 Gewichts-% Eisen aufweist. - Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Zylinderkopf (
1a ) ist. - Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch hoch belastete Bereich (
2 ) ein sich zwischen jeweiligen Ventilbohrungen (3 ) befindlicher Stegbereich (2a ) ist. - Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch hoch belastete Bereich (
2 ) mit der veränderten Legierungszusammensetzung eine Tiefe von 0,2 mm bis 5 mm aufweist. - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch hoch belasteter Bereich (
2 ) des Bauteils (1 ) aufgeschmolzen wird, und dass in ein durch das Aufschmelzen entstehendes Schmelzbad (5 ) ein Zusatzmaterial (6 ) eingebracht wird, durch welches der thermisch hoch belastete Bereich (2 ) eine gegenüber dem gesamten Bauteil (1 ) derart veränderte Legierungszusammensetzung erhält, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2 ) eine höhere Bruchdehnung aufweist als das gesamte Bauteil (1 ). - Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen mittels eines Strahlverfahrens durchgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Strahlverfahrens ein Laser strahl (
4 ), ein Plasmastrahl oder ein WIG-Verfahren eingesetzt wird. - Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzmaterial eine Aluminiumlegierung mit einem Anteil von 1 bis 5 Gewichts-% Silizium, einem Anteil von weniger als 0,25 Gewichts-% Magnesium und einem Anteil von weniger als 0,1 Gewichts-% Eisen verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzmaterial unlegiertes Aluminium verwendet wird.
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