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Verfahren zur Verfestigung einer Kolbenringnut
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in einem Kolben aus Aluminiumlegierung Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Verfestigung der Ringnut in einem Kolben aus einer Aluminiumlegierung,
bei dem im Kolben eine ringförmige verschleißfeste Schweißnaht ausgeführt und danach
in dieser die Ringnut ausgedreht wird.
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Die Erfindung kann bei der Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen,
Verdichter und Kolbenpumpen angewandt werden.
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Es ist bekannt, daß beim Betrieb von Brennkraftmaschinen mit hoher
spezifischer Belastung, in denen Kolben aus einer Aluminiumlegierung verwendet werden,
die Wandungen der im Kolbenoberteil eingearbeiteten Kolbenringnuten dem
stärksten
Verschleiß und der stärksten Verformung ausgesetzt sind, wodurch eine Leistungsminderung
des Zylinders bzw. der Ausfall des Kolbens herbeigeführt werden kann.
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Infolgedessen entsteht die Notwendigkeit einer Verfestigung der Kolbenringnuten.
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Zur Zeit wird große Aufmerksamkeit der Verfestigung der Kolbenringnuten
durch Aufstäuben eines verschleißfesten Metalls in einer im Kolben vorher ausgeführten
Ausdrehung geschenkt, deren Abmessungen größer als die Abmessungen der Kolbenringnut
sind.
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Ein derartiges Verfahren zur Verfestigung der Kolbenringnut eines
Aluminiumkolbens ist z. B. in der FR-PS 212 224 beschrieben.Die dem stärksten Verschleiß
ausgesetzte Ringnut für den oberen Kolbenring wird im Kolbenkörper im voraus in
Form einer Ringausdrehung ausgeführt. Die Abmessungen dieser Ringausdrehung sind
größer als die Abmessungen der fertigen Kolbenringnut. Der Kolbenkörper wird auf
eine Temperatur von 165 bis 200 oC erwärmt und bei dieser Temperatur des Kolbenkörpers
wird eine Bindmittelschicht aus Nickelaluminat auf die Oberfläche der Ringausdrehung
und anschließend eine Schicht des verschleißfesten Werkstoffs aus nicht rostendem
Stahl aufgestäubt, bis dieser Werkstoff die Ringnut vollständig ausfüllt. Hierbei
wird die Temperatur des Kolbenkörpers im angeführten Temperatürbereich aufrechterhalten.
Somit ist die Schicht des verschleiß festen Werkstoffs über die Bindmittelschicht
mit der Aluminiumlegierung des Kolbenkörpers verbunden. Nach dem Abkühlen des Kolbenkörpers
wird in der verschleißfesten Stahlschicht die Ringnut für den oberen Kompressionsring
mit Sollmaßen ausgeführt.
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Dieses Verfahren führt zu einer erheblichen Verfestigung der Nutwände
für den oberen Kolbenring. Es verlangt jedoch einen großen Arbeitsaufwand, der auf
das Herstellen der Hingausdrehung und auf das mit hoher Sorgfalt durchzuführende
Aufstäuben der Bindmittelschicht zurückzuführen ist.
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Außerdem gewährleistet die Bindmittelschicht keine ausreichende Festigkeit
der Verbindung zwischen dem verschleißfesten Werkstoff und der Aluminiumlegierung
des Kolbens, da Rißbildungen an der Bindmittelschicht unter Einwirkung der mechanischen
und thermischen Belastungen beim Betrieb des Kolbens auftreten, welche zum Ausbröckeln
und Abschichten des aufgestäubten verschleißfesten Metalls führen können.
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Zur Zeit wird ebenfalls große Aufmerksamkeit der Verfestigung der
Kolbenringnuten bei Kolben aus Aluminiumlegierung durch Ringträger geschenkt, die
in Form von ringförmigen verschleißfesten Schweißnähten ausgeführt werden, die man
im Kolbenkörper aufschmilzt. Ein derartiges Verfahren zur Verfestigung der Kolbenringnut
bei Kolben aus Aluminiumlegierung durch Aufschweißen ist z. B. in der US-PS 7 014
771 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird im Kolben aus einer Aluminiumlegierung
an der Stelle des oberen Kolbenrings im voraus eine Ringausdrehung ausgeführt, deren
Abmessungen größer als diejenigen der Kolbenringnut für den oberen Kolbenring sind.
Im Inneren der Ringausdrehung wird eine ringförmige verschleißfeste Schweißnaht
aufgeschmolzen, die den Ringträger ergibt, der Teilchen des verschleißfesten Werkstoffs
enthält.
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Diese Schweißnaht kann in der Ringausdrehung durch Gasschweißen bzw.
durch Lichtbogenschweißen mit Zusatzdraht aufgeschmolzen werden. Die Grundlage des
Materials des Zusatzdrahtes bildet eine Metallegierung, die sich zuverlässig mit
dem Kolbenwerkstoff verbindet. Da der Kolben aus einer Aluminiumlegierung besteht,
ist die Grundlage des Drahtmaterials eine der Kolbenlegierung verwandte Aluminiumlegierung,
in der außerdem Teilchen eines schweren festen Werkstoffs, beispielsweise einer
Eisenlegierung, gleichmäßig verteilt sind. Somit verbindet sich das Naterial der
Schweißnaht in der Ringausdrehung zuverlässig mit der Aluminiumlegierung des Kolbens,
wobei die schweren festen Werkstoffteilchen der Naht die gewünschte Verschleißfestigkeit
verleihen. In der Schweißnaht wird anschließend mit konventionellen Mitteln die
Kolbenringnut für den oberen Kolbenring ausgeführt.
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Im Vergleich mit dem eingangs beschriebenen Verfahren gewährleistet
dieses Verfahren eine höhere Festigkeit der Verbindung des Schweißnahtwerkstoffs
mit der Aluminiumlegierung des Kolbens, was auf die Verwandtschaft des Kolbenwerkstoffs
mit dem Material der Schweißnaht zurückzuführen ist. Auch dieses Verfahren ist jedoch
technisch außerordentlich aufwendig, weil insbesondere im Kolbenkörper im voraus
eine, RingausdrehuJlg auszuführen ist.
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Außerdem treten beim Auischmelzen der Schweißnaht in der Zone, in
welcher der Schweißnahtwerkstoff mit der Kolbenlegierung zusammenschmilzt, Schweißfehler
auf, die beim Schweißen von Aluminiumlegierungen unvermeidlich sind. Das sind Poren,
mangelhaftes Durchschweißen, Oxydeinschlüsse, die als Spannungskonzentratoren wirken
und die Risse im
Verbindungsbereich unter Einwirkung der mechanischen
und thermischen Spannungen bedingen. Hierdurch wird die Festigkeit der Verbindung
des Schweißnahtwerkstoffs mit der Aluminiumlegierung des Kolbens stark beeinträchtigt,
wodurch der Ausfall des Kolbens herbeigeführt werden kann.
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Der Erfindung liegt zur Vermeidung der aufgezeigten Mängel bekannter
Verfahren die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfestigung der Kolbenringnut
im Kolben aus einer Aluminiumlegierung zu schaffen, durch das bei vereinfachter
Technologie die Festigkeit der Verbindung des Schweißnahtwerkstoffs mit der Kolbenlegierung
erhöht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schweißnaht
durch Durchschmelzen einer vorbestimmten Ringzone des Kolbens mit gleichzeitigem
Zusetzen eines Begierungswerkstoffs zur schmelzflüssigen Aluminiumlegierung des
Kolbens erzeugt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Aufschmelzen der verschleißfesten
ringförmigen Schweißnaht im Kolben, ohne daß zuvor eine Ringausdrehung ausgeführt
wird, wodurch sich die Kolbenherstellung erheblich vereinfacht.
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Außerdem bildet die Aluminiumlegierung des Kolbens selbst den Grundstoff
der Schweißnaht, wodurch die Festigkeit der Verbindung der Schweißnaht mit der Aluminiumlegierung
des Kolbens beachtlich wächst, ohne daß Risse oder andere Schweißfehler auftreten
können.
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Es ist zweckmäßig, den Kolben bis in eine Tiefe von ca.
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0,3 -: 1,3 der Solltiefe der Kolbenringnut durchzuschmelzen.
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Es wurde festgestellt, daß dem stärksten Verschleiß derjenige Teil
der Kolbenringnutflanke ausgesetzt ist, der sich über 0,3-0,5 der Tiefe der Nut
erstreckt. Aus diesem Grunde muß eine Mindesttiefe der Schweißnaht von mindestens
0,3 des Sollwerts der Kolbenringnuttiefe gewährleistet werden. Ferner ist es bei
der Ausführung der Ringnut für einen vollständig in der Schweißnaht angeordneten
Kolbenring zweckmäßig, die Tiefe der Schweißnaht auf das 1,3-fache der Solltiefe
der Kolbenringnut zu begrenzen, da ein weiteres Durchschmelzen des Kolbens die Verschleißfestigkeit
der Ringnut für den Kolbenring in der Schweißnaht nicht erhöhen wird.
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Es ist zweckmäßig, als Legierungswerkstoff Nickel zu verwenden. Infolge
der Reaktion zwischen Nickel und der Aluminiumlegierung des Kolbens bilden sich
Nickelaluminide, die eine hohe Härte von 600 bis 1000 kp/mm2 besitzen und die in
Form von feindispersen Teilchen gleichmäßig in der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung
des Kolbens verteilt sind, wodurch die Erzielung eines verschleißfesten Gefüges
des Schweißnahtwerkstoffs gewährleistet wird.
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Es ist ebenfalls zweckmäßig, als Legierungsmittel eine Nickel-Chrom-Le
gi erung zu verwenden. In diesem Falle entstehen infolge der Reaktion zwischen der
Nickel-Chrom-Legierung und der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung des Kolbens Chrom-
und Nickelaluminide, die dem Werkstoff der erzeugten Schweißnaht eine hohe Verschleißfestigkeit
verleihen. Außerdem erhöht der Chromgehalt in der Aluminiumlegierung des Kolbens
die Wärmefestigkeit des Schweißnahtwerkstoffs.
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Es ist ebenfalls zweckmäßig, den Kolben vor dem Durchschmelzen bis
auf eine vorgegebene Temperatur im Bereich von 100 bis 300 °C zu erwärmen und auch
während des Durchschmelzens diesen Temperaturbereich des Kolbens durch Abkühlen
mit Druckluft aufrechtzuerhalten. Die Vorerwärmung des Kolbens auf die vorgegebene
Temperatur und die Aufrechterhaltung dieser Temperatur während des Durchschmelzens
gewährleistet eine gleichmäßige Durchschmelztiefe und eine gleichmäßige Verteilung
des Legierungswerkstoffs über die gesamte Länge der Schweißnaht. Die Vorerwärmung
bewirkt ebenfalls einen Ausgleich und eine Herabsetzung der bleibenden Spannungen
in der Schweißnaht beim Abkühlen des Kolbens nach dem Durchschmelzen und dem Einarbeiten
der Kolbenrngnut in der Schweißnaht wodurch die Festigkeit der Verbindung der Schweißnaht
mit der Aluminiumlegierung des Kolbens erhöht wird.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Verfestigung
der Kolbenringnut bei Kolben aus Aluminiumlegierungen. Hierzu wird im Kolben eine
verschleißfeste ringförmige Schweißnaht durch Durchschmelzen des Kolbens in vorbestimmten
Ringzonen mit gleichzeitigem Zusetzen eines Legierungswerkstoffs zur schmelzflüssigen
Aluminiumlegierung des Kolbens erzeugt. In der erzeugten Schweißnaht wird eine Nut
für den oberen Kolbenring ausgedreht.
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Im folgenden wird als Beispiel ein Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Teil des Kolbens mit mehreren
Kolbenringnuten im Längsschnitt, wobei die oberste Kolbenringnut
in
einer Schweißnaht ausgeführt ist, Fig. 2 schematisch das Durchschmelzen des Kolbens
an der Stelle der oberen Kolbenringnut, Fig. 3 einen Teil des Kolbens mit einer
verschleißfesten ringförmigen Schweißnaht nach dem Durchschmelzvorgang, Fig. 4 einen
Teil des Kolbens mit der verschleißfsten Schweißnaht nach der mechanischen BeasDeitung
des Kolbenmantels auf den Kolbenaußendurchmesser, Fig. 5 einen Teil des Kolbenkörpers
mit einer in die Schweißnaht eingearbeiteten Kolbenringnut, Fig. 6 einen Teil des
Kolbens, bei dem die ringförmige Schweißnaht um das 1,3-fache tiefer als die Ringnut
ist, Fig. 7 einen Teil des Kolbens, bei dem die Tiefe der Schweißnaht nur das 0,3-fache
der Ringnuttiefe beträgt, Fig. 8 im Schnitt einen Teil des Kolbenkörpers mit mehreren
in je einer Schweißnaht ausgeführten Kolb enringnut en.
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Nach Fig. 1 weist der Kolben 1 aus einer Aluminiumlegierung für eine
Brennkraftmaschine zwei einfache Ringnuten 2 und eine erfindungsgemäß verfestigte
Kolbenringnut 3 für
den oberen Kolbenring auf. Zur Herstellung
dieser verfestigten Ringnut 3 wird der Kolben 1 im voraus bis auf eine Temperatur
von 100 bis 300 0C erwärmt. Gemäß Fig. 2 wird eine Ringzone im Kolben 1 im Bereich
der späteren Ringnut mit Hilfe eines Wärmeerzeugers 4 aufgeschmolzen. Dabei wird
der Kolben 1 um seine Achse in bezug auf den ortsfesten I?iärmeereuger 4 gedreht.
Die Schmelztiefe beträgt dabei ca. 0,3 - 1,3 der vorgegebenen Tiefe der Nut 3.
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Gleichzeitig mit dem Durchschmelzen des Kolbens 1 wird der schmelz
flüssigen Aluminiumlegierung 5 des Kolbens ein Legierungswerkstoff 6 zugesetzt,
der ein nickelhaltiger oder ein chrom-nickel-haltiger Draht sein kann.
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nährend des Durchachmelzens wird die Temperatur der Kolben 1 im angeführten
Temperaturbereich von 100 bis 300 0C durch Abkühlen mit Druckluft (in der Figur
nicht veranschaulicht) konstant gehalten.
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Nach Abschluß des Durchschmelzens des Kolbens 1 ist in der Ringzone
eine verschleiß feste ringförmige Schweißnaht 7 gebildet, die einen sogenannten
Ringträger darstellt (Fig.
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3). Den Grundstoff der Schweißnaht bildet die Aluminiumlegierung des
Kolbens selbst, in der gleichmäßig verteilte Nickelaluminide oder gleichmäßig verteilte
Nickel und Chromaluminide enthalten sind. Diese Schweißnaht 7 weist eine. lulebene
Außenfläche 8 auf, die über die Mantelfläche 9 des Kolbens 1 hinausragt. Abschließend
wird die Mantelfläche 9 des Kolbens 1 gemeinsam mit der Außenfläche 8 der Schweißnaht
7 abgedreht (Fig. 4), um das überschüssige verschleißfeste Metall der besagten Schweißnaht
7 zu entfernen und dem Körper 1 des Kolbens die erforderlichen
Abmessungen
zu geben.
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In der bearbeiteten verschleißfesten ringförmigen Schweißnaht 7 wird
die Ringnut 3 mit vorgegebenen Maßen für den oberen Kolbenring ausgedreht (Fig.
5).
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In Fig. 6 ist die Herstellung einer verschleißfesten ringförmigen
Schweißnaht 7 im Körper 1 des Kolbens veranschaulicht, deren Tiefe das 1,3-fache
der Nuttiefe beträgt, so daß die gesamte Oberfläche der Kolbenringnut verfestigt
ist. Dagegen ist die Ringnut gemäß Fig. 7 nur bis zu einer Tiefe von 0,3 der Nuttiefe
durch die Schweißnaht 7 verfestigt, d. h. nur der am stärksten beanspruchte Flankenbereich
ist verschleißfest.
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Wie in Fig. 8 gezeigt, können auch die unteren Ringnuten 2 im Kolben
1 durch gesonderte Schweißnähte der oben angegebenen Art verfestigt werden.
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Zur Herstellung eines Aluminiumkolbens von 210 mm Außendurchmesser
für eine Brennkraftmaschine wurde der Kolben bis auf die Temperatur von ca. 200
0 vorgewärmt. Hiernach wurde im Bereich der späteren Nut für den oberen Kolbenring
die Aluminiumlegierung des Kolbens mit Hilfe eines Plasmabrenners durchgeschmolzen,
wobei der Kolben in Dezug auf den ortsfest angeordneten Brenner gedreht wurde. Das
Durchschmelzen des Kolbenkörpers erfolgte auf die Tiefe von 6,5 mm. Diese Tiefe
entspricht dem 0,8-fachen der Solltiefe der Nut für den oberen Kolbenring.
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Gleichzeitig wurde der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung der Legierungswerkstoff
in Form eines aus Nickel
gefertigten Drahts zugesetzt.
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Iährend des Durchschmelzens wurde der Kolbenkörper mit Druckluft gekühlt,
die eine Temperatur von 20 bis 30 °C besaß. Hierdurch war gewährleistet, daß der
Kolben während des Durchschmelzens die Temperatur von 200 Or beibehielt.
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Nach den Durchschmelzen wurde vor dem Ausdrehen der KolbenringnuF
eine metallographische Gefügeuntersuchung dieser erzeugten verschleißfesten ringförmigen
Schweißnaht durchgeführt. Die merallographische Untersuchung ergab, daß sich beim
Zusetzen von Nickel während des Durchschmelzens zur schmelzflüssigen Aluminiumlegierung
des Kolbens ein feinkörniges heterogenes Gefüge der verschleißfesten ringförmigen
Schweißnaht ausbildet.
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Das heterogene Gefüge des Schweißnahtwerkstoffs stellt die mit feindispersen
Nickelaluminidteilchen gesättigte Aluminiumlegierung des Kolbens dar. Diese fickelaluminidteilchen
verleihen der Schweißnaht eine hohe Verschleißfestigkeit.
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Außerdem war der Schweißnahtwerkstoff frei von mangelhaft durchschweißten
Stellen und das Volumen der Poren war nicht größer als 0,2 , des Volumens des durchgeschmolzenen
metalls in der Schweißnaht.
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Anhand der meta'lographischen Untersuchung wurde auch nachgewiesen,
daß eine scharf ausgeprägte Grenze zwischen dem Metall in der Schweißnaht und der
Aluminiumlegierung des Kolbens fehlt. Dies gewährleistet die Festigkeit der Verbindung
der Schweißnaht mit der Aluminiumlegierung des Kolbens.
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Das vorliegende Verfahren zur Verfestigung der Kolbenringnuten ermöglicht
bei der Herstellung von Ringträgerkolben im Vergleich zu den bekannten Verfahren
eine Herabsetzung der Arbeitsaufwände um das 1,5- bis S-falAhe.
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