DE2124595C3 - Verfahren zum Herstellen von Leicht metallkolben mit einer im Kolbenboden an geordneten Brennraummulde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Leichtmetallkolben mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraummulde.

Bei solchen Kolben ist die den Muldenrand bildende Zone des Kolbenbodens im Betrieb thermisch besonders hoch und wechselnd beansprucht und neigt daher zur Rißbildung.

Es ist bekannt, diese Zone vor Rißbildung dadurch zu schützen, daß man sie als Einsatzkörper aus einem hitzebeständigen metallischen oder metallkeramischen Werkstoff ausbildet (deutsche Offenlegungsschrift 1933 520 bzw. britische Patentschrift 588 322). Derartige Einsatzkörper erhöhen jedoch das Gewicht des Leichtmetallkolbens bzw. werden im Betrieb wegen ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit sehr heiß, so daß sie das umgebende Leichtmetall auf eine Temperatur aufheizen können, bei der seine Festigkeit nur noch gering ist oder bei der es zum Schmelzen kommt. Außerdem bereitet es Schwierigkeiten, eine einwandfrei haltbare Verbindung /wischen dem Einsatzkörper und dem Kolbenkörper zu schaffen. Ferner ergeben sich durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen beider Metalle wiederum Spannungen. Eine Lösung zur Vermeidung dieser Spannungen besteht nach der Lehre der deutschen Auslegeschrift 1 294 098 in der Einfügung eines zum Muldenrand konzentrischen zylindrischen Ringes in den Kolbenboden, wodurch eine ausgleichende Gegenspannung aufgebracht werden soll. Diese Maßnahme ist jedoch recht aufwendig.

Weiter ist es bekannt, Werkstoffe durch Umschmelzen mittels Ladungsträgerstrahlen zu veredeln (»Elektronik« Nr. 5, Mai 1961, Seiten 146 bis 148). Dieses Umschmelzveredlungsverfahren beruht darauf, daß ein in den Werkstoff eindringender Ladungsträgerstrahl jeweils nur eine sehr kleine, unmittelbar in seinem Bereich liegende Wcrkstoffmenge aufschmilzt, während die Umgebung der Schmelzzone kalt bleibt und das aufgeschmolzene Material daher unmittelbar nach dem Entfernen bzw. Fortschreiten des Ladungsträgerstrahles stark abkühlt und sofort wieder erstarrt, weshalb der umgeschmolzene Werkstoff ein sehr feinkörniges Gefüge, eine hohe Festigkeit und eine große Dehnfähigkeit erhält. Da das umgeschmolzene Material ein etwas kleineres Volumen einmimmt als das nicht umgeschmolzene, zieht sich das durch Umschmelzveredeln behandelte Werkstück etwas zusammen, was man in der Regel in Kauf nehmen kann. Falls jedoch die geometrische Form des Werkstückes einen völligen Abbau der Spannungen durch Gestaltänderung nicht zuläßt, können hohe Eigenspannungen auftreten.

ίο Eine solche für die Anwendung des Umschmelzveredelungsverfahrens ungünstige geometrische Form weist aber gerade die im Bereich des Muldenrandes liegende Zone des Kolbenbodens auf. Diese Zone hat eine geschlossene Gestalt, welche den beim

Umschmelzveredeln auftretenden radialen und tangentialen Spannungen keine Möglichkeit zum Abbau bietet. Deshalb war zu befürchten, daß sich hohe Eigenspannungen ergeben, wenn man die um den Muldenrand liegende Zone durch zum Brennraum-

muldenrand parallele oder spiralförmig um diesen verlaufende Umschmelznähte veredelt. Versuche haben ergeben, daß bereits durch vier zueinander parallele Nähte die Eigenspannungen so hoch werden, daß der Muldenrand aufreißt. Wenn man, wie üblich.

mit einem Ladungsträgerstrahl arbeitet, der in sich parallel lediglich in der Nahtrichtung verschoben wird, sind aber weit mehr als drei nebeneinanderliegende Nähte nötig, um die um den Muldenrand liegende Zone auf einer für einen wirksamen Schutz notwendigen Breite, die erfahrungsgemäß etwa 4 mm beträgt, vollkommen umzuschmelzen.

Wohl könnte man die Spannungen dadurch mildern, daß man den Kolben während der Umschmelzbehandlung auf höherer Temperatur hält, dadurch würde aber die erwünschte Wirkung, nämlich die durch starke Abkühlung verursachte feinkörnige Ausbildung des umgeschmolzenen Werkstoffes, nur teilweise eintreten. Außerdem ist ein Anwärmen der Kolben aufwendig und teuer.

Der Anwendung des Umschmelzveredelns mittels Ladungsträgerstrahles auf die um den Muldenrand liegende Zone von Kolben stand außerdem die Überlegung entgegen, daß insbesondere die unmittelbar am Brenn laumrand liegende Zone einer Veredelung bedarf, daß aber dort auftreffende oder austretende Strahlen den Muldenrand kraterartig zerklüften würden.

Aus all diesen Gründen hat die Fachwelt bisher geglaubt, auf die Anwendung des Umschmelzveredelungsverfahrens auf die im Bereich des Muldenrandes liegende Zone des Kolbenbodens verzichten zu »müssen, obwohl seit langem ein dringendes Bedürfnis bestand, diese Zone vor Rißbildung zu schützen und die Verwendung eines veredelten Werkstoffes hierfür besonders geeignet erscheinen mußte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Herstellen von Leichtmetallkolben mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraummulde die Anwendung des bekannten Umschmelzveredelns mittels Ladungsträgerstrahlen trotz der erwähnten Hindernisse zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß, ausgehend von einem Vorwerkstück, dessen Brennraummulde um eine Bearbeitungszugabe in radialer Richtung verkleinert ist, der Bereich des späteren Brennraummuldenrandes durch an sich bekanntes Umschmelzen mittels eines Ladungsträgcrstrahles veredelt wird, indem zwei oder drei untereinander

und zum Brennraummuldenrand parallel verlaufende, sich teilweise überdeckende Umschmelznähte in an sich bekannter Weise mittels eines quer zu deren Verlauf bzw. kreisförmig oder elliptisch schwingenden Ladungsträgerstrahles erzeugt werden, und daß danach der Brennraummuldenrand durch Ent-• fernen der Bearbeitungszugabe freigelegt wird.

Die Wirkung der damit beanspruchten Maßnahmen besteht darin, daß die unmittelbar am Brennraumrand auftretenden Strahlen in die Bearbeitungszugabe hinein verlaufen, so daß der Brennraumrand nach dem Entfernen der Bearbeitungszugabe, etwa durch Drehen, keinerlei Zerklüftung aufweist.

Da die üblichen Geräte zur Erzeugung von Ladungsträgerstrahlen, z.B. Elektronenstrahl-Schweißmaschinen, mit Einrichtungen zur periodischen Ablenkung des Ladungsträgerstrahles ausgerüstet sind, wie in »Werkstattstechnik«, Heft 9, 1961, Seiten 448 bis 454, dargelegt ist, bedeutet die Anwendung der beschriebenen, an sich bekannten Strahlführung^-keinen zusätzlichen Aufwand.

Ein nach der Erfindung gefertigter Kolben weist eine um den Brennraummuldenrand liegende veredelte Zone auf, die sehr gute Dehnungs- und Festigkeitseigenschaften bei sehr feinkörnigem Gefüge aufweist, in der aber die Eigenspannungen weit unter dem kritischen Wert liegen, bei dem die Zone aufreißen würde, was darin begründet sein mag, daß, indem der Ladungsträgerstrahl quer zum Verlauf der Umschmelznaht schwingt, sich ein größerer Bereich des Werkstoffes im geschmolzenen Zustand befindet, als dies bei der Verwendung eines nichtschwingenden Strahles der Fall ist. Den bei der Schrumpfung entstehenden Spannungen steht damit ein größerer Querschnitt zum Ausgleich zur Verfügung, außerdem kühlt sich das umgeschmolzene Material zwar auf dieselbe Temperatur wie bei der Verwendung eines nichtschwingenden Strahles, aber nicht ganz so schlagartig ab.

Die für einen wirksamen Schutz notwendige Breite der veredelten Umschmelzzone von etwa 4 mm wird dank dem größeren Umschmelzbereich des schwingenden Strahles bereits mit zwei bis drei Nahten erreicht, so daß die kritische Nahtzahl nicht erreicht

wird. .

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den fertigen KoI-ben, wobei die Form, welche das zu seiner Herstellung benützte Vorwerkstück im Bereich der Brennraummulde aufwies, durch unterbrochene Linien angedeutet ist,

Fig.2 eine Draufsicht auf den Kolben nach

Fig.3 in vergrößertem Maßstab und in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch Umschmelznähte, die durch einen nichtschwingenden Ladungsträgerstrahl hergestellt wurden,

F i g. 4 ebenfalls schematisch und in vergrößertem Maßstab einen Längsschnitt durch Umschmeknahte. die durch einen quer zu diesen schwingenden Ladungsträgerstrahl erzeugt wurden.

Der Kolben 1 weist eine Brennraummulde 2 auf.

um deren Rand 3 die veredelte Umschmelzzone 4 an geordnet ist. Mit 5 ist die Bearbeitungszugabe des Vorwerkstücks bezeichnet. Wie aus Fig.4 zu ersehen ist, ist die Umschmelzzone 4 aus drei zueinander und zum Muldenrand 3 parallelen Umschmelznäh-

ten 6 gebildet, die zusammen eine ausreichende Breite/) ergeben. Hätte man das Umschmelzen mittels eines nicht quer zur Vorschubrichtung schwingenden Ladungsträgerstrahles vorgenommen, so hätte man, wie das die Fig. 3 zeigt, nur sehr schmale, spitze

Nähte 7 erzielt; zwei oder drei derartige Nähte hätten auf keinen F all ausgereicht, um eine genügend breite Zone aufzuschmelzen und zu veredeln, während mehr als drei Nähte zum Aufreißen des Muldenrandes geführt hätten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Herstellen von Leichtmetallkolben mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraummulde, dadurch gekennzeichnet, daß, ausgehend von einem Vorwerkstück, dessen Brennraummulde (2) um eine Bearbeitungszugabe (5) in radialer Richtung verkleinert ist, der Bereich (4) des späteren Brennraummuldenrandes (3) durch an sich bekanntes Umschmelzen mittels eines Ladungsträgerstrahles veredelt wird, indem zwei oder drei untereinander und zum Brennraummulaenrand (3) parallel verlaufende, sich teilweise überdeckende Umschmelznähte (6) in an sich bekannter Weise mittels eines quer zu deren Verlauf bzw. kreisförmig oder elliptisch schwingenden Ladungsträgerstrahles erzeugt werden, und daß danach der Brennraummuldenrand (3) durch Entfernen der Bearbeitungszugabe (5) freigelegt wird.