DE10353474B4

DE10353474B4 - Bauteil einer Brennkraftmaschine und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10353474B4
Application number: DE10353474A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. Claus; Robert Dipl.-Ing. De Zolt; Reiner Dipl.-Ing. Heigl (FH); Wolf Dr. Sältzer
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-11-15
Filing date: 2003-11-15
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2023-11-16
Also published as: JP2007519821A; US7770291B2; US20070044304A1; DE10353474A1; WO2005046925A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Aluminiumlegierung einer Brennkraftmaschine,
– bei dem ein während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch hoch belasteter Bereich (2) des Bauteils (1) aufgeschmolzen wird,
– in ein durch das Aufschmelzen entstehendes Schmelzbad (5) ein Zusatzmaterial (6) eingebracht wird und
– so dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) einen größeren Aluminiumgehalt aufweist als das gesamte Bauteil (1),
dadurch gekennzeichnet,
dass Art und Menge des Zusatzmaterials so ausgewählt werden, dass sich im thermisch hochbelasteten Bereich eine Aluminiumlegierung mit einem Anteil von 1 bis 5 Gew.-% Silizium, von weniger als 0,25 Gew.-% Magnesium und von weniger als 0,1 Gew.-% Eisen ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Aluminiumlegierung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

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 2 124 595 A1 , der DE 28 35 332 C2 oder der DE 2 136 594 A1 beschrieben.

Aus der nachveröffentlichten EP 1 386 687 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem der Kolben zumindest bereichsweise mittels eines Lichtbogen-Schweißverfahrens einer Schmelzbehandlung unterzogen und nachfolgend mit einer Abkühlrate von 100-1000 K/s abgekühlt wird. Ein erfindungsgemäßer Kolben weist zumindest bereichsweise eine verglichen mit anderen Bereichen feinere Struktur und Partikel auf, die kleiner als 10^–6 m sind. Als Zusatzwerkstoff wird vorzugsweise das Hauptlegierungselement der Legierung des Kolbens eingebracht, z.B. Aluminium oder Eisen.

Aus der DE 1 122 325 A1 ist ein Leichtmetallkolben für Brannkraftmaschinen mit einem im Kolbenboden vorgesehenen Brennraum bekannt, dessen Mündungsrand eine aus einem andersgearteten Werkstoff als dem Kolbenwerkstoff bestehende Bewehrung, insbesondere aus Reinaluminium aufweist.

Aus der DE 39 28 579 C2 ist ebenfalls ein Verfahren bekannt, um Bauteile von Brennkraftmaschinen zu beschichten. Zur Herstellung der Beschichtung wird insbesondere Metallpulver auf sich drehende Ventilsitzflächen aufgebracht und auf das Metallpulver eine Hochenergiequelle, zum Beispiel ein Laserstrahl, zur Einwirkung gebracht. Das Metallpulver besteht aus den Zylinderkopf bildender Aluminiumlegierung oder aus Pulver auf Kupferbasis, z.B. 15 Gew.% Nickel, 3 Gew.% Eisen, 1 Gew.% Phosphor und der Rest Kupfer.

Aus der EP 0 092 683 B1 oder der DE 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 aus 1 in einem ersten Zustand;
3 den Stegbereich des Zylinderkopfes aus 2 in einem zweiten Zustand;
4 den Stegbereich des Zylinderkopfes aus 2 in einem dritten Zustand; und
5 den Stegbereich des Zylinderkopfes aus 2 in einem vierten Zustand.
1 zeigt ein Bauteil 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Bei dem Bauteil 1 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen Zylinderkopf 1a, der aus einem Aluminiumwerkstoff, vorzugsweise einer Aluminium-Silizium-Legierung, besteht. Das Bauteil 1 weist mehrere thermisch hoch belastete Bereiche 2 auf. Hierbei handelt es sich im vorliegenden Fall um zwischen jeweiligen Ventilbohrungen 3 sich befindliche Stegbereiche 2a. Da die zu dem Zylinderkopf 1a gehörende Brennkraftmaschine drei bzw. sechs Zylinder aufweist, sind insgesamt drei Stegbereiche 2a vorge sehen. Die Stegbereiche 2a 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. In jedem Fall ist der thermisch hoch belastete Bereich 2 im Vergleich mit dem gesamten Bauteil 1 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 Bauteil 1 mit dem thermisch hoch belasteten Bereich 2 bzw. dem Stegbereich 2a in seinem unbehandelten Zustand dargestellt. Vorzugsweise wird das Bauteil 1 durch Gießen hergestellt.
Gemäß dem Verfahrensschritt von 3 wird der thermisch hoch belastete Bereich 2 mittels eines Strahlverfahrens erwärmt, wozu in diesem Fall ein Laserstrahl 4 eingesetzt wird. Hierdurch entsteht in dem thermisch hoch belasteten Bereich 2 ein Schmelzbad 5. Alternativ zum Einsatz des Laserstrahls 4 könnte auch ein Elektronenstrahl oder dergleichen eingesetzt werden. Des weiteren wäre es auch möglich, das Schmelzbad 5 mittels eines WIG-Verfahrens, Plasma-Verfahrens oder auf eine andere geeignete Art und Weise herzustellen. Bereits durch das Erzeugen des Schmelzbades 5 würde sich in dem thermisch hoch belasteten Bereich 2 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 Zusatzmaterial 6 in das Schmelzbad 5 eingebracht. Dieses Zusatzmaterial 6, welches vorzugsweise einen größeren Aluminiumgehalt als das gesamte Bauteil 2 aufweist, kann in Form eines Pulvers o der auch in Form eines festen Materials in das Schmelzbad 5 eingebracht werden. Um einen besonders guten Kompromiss zwischen ausreichender Festigkeit und erhöhter Bruchdehnung zu erzielen, weist das Zusatzmaterial 6 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 Bauteil 1, 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 Bereich 2 weist das Bauteil 1 jedoch eine veränderte Legierungszusammensetzung auf, die dazu führt, dass der thermisch hoch belastete Bereich 2 eine größere Bruchdehnung als das gesamte Bauteil 1 aufweist. Bedingt durch die erhöhte Bruchdehnung ergibt sich auch eine verbesserte Zähigkeit innerhalb des thermisch hoch belasteten Bereichs 2, dessen sehr gute thermo-mechanischen Eigenschaften dadurch verbessert werden.
Nach dem beschriebenen Verändern der Legierungszusammensetzung des thermisch hoch belasteten Bereichs 2 kann das Bauteil 1 selbstverständlich in bekannter Weise mechanisch bearbeitet werden. Die Tiefe des Bereichs 2 mit der veränderten Legierungszusammensetzung beträgt vorzugsweise 0,2 mm bis 5 mm. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, mehrere Schmelzbäder 5 mit unterschiedlicher Tiefe zu erzeugen und damit auch mehrere Lagen des Zusatzmaterials 6 einzubringen. Dabei könnte die Zusammensetzung des Zusatzmaterials 6 stufenweise so verändert werden, dass sich eine schrittweise Erhöhung der Bruchdehnung in Richtung der Oberfläche des Bauteils 1 ergibt. Die Größe des erzeugten Schmelzbades 5 ergibt sich dabei jeweils aus der Menge der in das Bauteil 1 einge brachten Energie. Ebenfalls kann ein bezüglich des Ausdehnungskoeffizienten gradientenförmiger Übergang von Bereich 1 auf den Bereich 2 zweckmäßig sein. Hierbei ändert sich der Ausdehnungskoeffizienten kontinuierlich.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Aluminiumlegierung einer Brennkraftmaschine, – bei dem ein während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch hoch belasteter Bereich (2) des Bauteils (1) aufgeschmolzen wird, – in ein durch das Aufschmelzen entstehendes Schmelzbad (5) ein Zusatzmaterial (6) eingebracht wird und – so dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) einen größeren Aluminiumgehalt aufweist als das gesamte Bauteil (1), dadurch gekennzeichnet, dass Art und Menge des Zusatzmaterials so ausgewählt werden, dass sich im thermisch hochbelasteten Bereich eine Aluminiumlegierung mit einem Anteil von 1 bis 5 Gew.-% Silizium, von weniger als 0,25 Gew.-% Magnesium und von weniger als 0,1 Gew.-% Eisen ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen mittels eines Strahlverfahrens durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Strahlverfahrens ein Laserstrahl (4), ein Plasmastrahl oder ein WIG-Verfahren eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzmaterial unlegiertes Aluminium oder eine Aluminiumlegierung mit einem Anteil von 1 bis 5 Gew.-% Silizium, von weniger als 0,25 Gew.-% Magnesium und von weniger als 0,1 Gew.-% Eisen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil ein Zylinderkopf (1a) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisch hoch belastete Bereich (2) ein sich zwischen jeweiligen Ventilbohrungen (3) befindlicher Stegbereich (2a) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Tiefe des thermisch hoch belasteten Bereichs (2) mit der veränderten Legierungszusammensetzung eine Tiefe von 0,2 mm bis 5 mm eingestellt wird.