DE4028479C2 - Verfahren zum partiellen oberflächennahen Wärmebehandeln von Aluminiumteilen einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum partiellen oberflächennahen Wärmebehandeln von Aluminiumteilen einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der offengelegten internationalen Patentan­ meldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 82/03 813 als be­ kannt hervorgeht.

In dieser Druckschrift sollen Kolben aus Aluminium oder Alumi­ niumlegierungen oberflächennah wärmebehandelt werden, wobei als Wärmequelle Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen angegeben sind. Die Kolbenpartien, die mit dem Energiestrahl behandelt werden sollen, sind beispielsweise die Kolbenringnuten, das Kolbenbolzen-Auge oder insbesondere der Rand der Kolbenmulde im Kolbenboden. Mit dem energiereichen Strahl läßt sich nach den Angaben der erwähnten Druckschrift das Gefügekorn verfeinern, der Grundwerkstoff oberflächennah umlegieren oder dispersions­ härten. Die solcherart durchgeführte Wärmebehandlung kann vor oder auch nach der spanabhebenden Bearbeitung durchgeführt werden. Für die Wärmebehandlung sind solche Partien des Kolbens vorgesehen, die einer besonderen mechanischen und/oder thermi­ schen Beanspruchung unterliegen und aus diesem Grunde rißgefährdet sind.

Das SAE-Paper 891 989 zeigt ein oberflächennahes Umschmelzen des Stegbereiches zwischen Ventilöffnungen an gegossenen Zylinderköpfen aus Aluminiumlegierung. Auch dieser Stegbereich ist sowohl thermisch als auch mechanisch besonders hoch bean­ sprucht und stark rißgefährdet. Das oberflächennahe Umschmelzen dieses Stegbereiches wird gemäß dieser Druckschrift durch einen Lichtbogen-Schweißbrenner vorgenommen. Dadurch ergibt sich eine relativ tiefe Umschmelzung, so daß aufgrund der freien Ober­ flächenspannung des schmelzflüssig gewordenen Metalles die Oberflächenkontur sich selbständig verändert gegenüber einer vom Konstrukteur vorgegebenen Kontur. Aus diesem Grunde kann das oberflächennahe Umschmelzen mittels Lichtbogen nur vor ei­ ner mechanischen Bearbeitung vorgenommen werden; die vom Kon­ strukteur vorgegebene Kontur muß nach dem Umschmelzen spanab­ hebend hergestellt werden. Im übrigen ist die Festigkeit des solcherart behandelten Aluminiums noch nicht optimal.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundegelegte Verfahren dahingehend auszugestalten, daß die durch ein rand­ nahes Umschmelzen erzielbare Festigkeitssteigerung des Alumi­ nium-Werkstoffes gegenüber herkömmlichen Verfahren gesteigert wird und eine Anwendung des Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst. Dank des mehrmaligen kurzzeitigen Umschmelzens wird eine extrem feine Körnung der Korn­ struktur des Aluminiums im umgeschmolzenen Bereich erzeugt, was eine besonders hohe Materialfestigkeit ergibt. Zwar wird mit zunehmender Anzahl der Kurzzeit-Erwärmungen die Homogenität des Werkstoffgefüges gesteigert, jedoch geht bei hoher Anzahl von Kurzzeit-Erwärmungen aufgrund nachlassender Abschreckwirkung auch die erzielte Härte zurück. Optimal ist ein drei- bis sechsmaliges Umschmelzen. Bei zehn Umschmelzvorgängen geht die Festigkeit bereits wieder deutlich zurück.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden. Im übrigen ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigt

Fig. 1 den Ausschnitt einer Ansicht auf die Unterseite eines Zylinderkopfes in den Brennraum hinein,

Fig. 2 bis 4 drei Fotografien von metallographischen Schlif­ fen durch eine erfindungsgemäß behandelte Ober­ flächenzone in unterschiedlichen Vergrößerungs­ maßstäben,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm für die aufeinanderfolgenden Kurzzeiterwärmungen und

Fig. 6 eine stark vergrößerte Ansicht auf den Ventilsteg nach Fig. 1 mit einem Punkteraster zum Wärme­ eintrag beim Oberflächen-Umschmelzen.

Der in Fig. 1 ausschnittsweise in Bodenansicht gezeigte Zy­ linderkopf 1 mit einer Bodenplatte 2 weist innerhalb der kreisrunden Brennraumkontur 3 eine Ventilöffnung 4 für das Auslaßventil und eine Ventilöffnung 5 für das Einlaßventil auf. Nachdem es sich bei dem Zylinderkopf 1 um einen solchen für einen Dieselmotor handelt, enthält er auch noch eine Öffnung 6 für eine Vorkammer. Der Bereich der Bodenplatte 2 zwischen den beiden Ventilöffnungen 4 und 5, der sog. Ventilsteg 7 ist re­ lativ schmal, so daß der Wassermantel des Zylinderkopfes nicht bis in den unmittelbaren Bereich des Ventilsteges 7 hineinver­ legt werden kann. Ähnlich ist es mit dem Vorkammersteg 8 im Bereich zwischen der Vorkammeröffnung 6 und den beiden Ventil- Öffnungen 4 und 5. Wegen fehlender Wasserkühlung dieser schmalen Stegpartien sind diese thermisch besonders hoch belastet; es kommt hinzu, daß diese schmalen metallischen Querschnitte der Brennraumwärme besonders stark ausgesetzt sind und aufgrund ihrer relativ großen Oberfläche diese vermehrt aufnehmen. Aufgrund des Aufschlagens der Ventile auf dem Sitz und durch die explosionsartig ansteigenden Brennraumdrücke sind die schmalen Wandungspartien außerdem mechanisch stark bean­ sprucht.

Durch eine thermische Oberflächenbehandlung dieser rißgefähr­ deten Partien können diese in ihrer Festigkeit gesteigert wer­ den, so daß sie den auftretenden Belastungen besser Stand hal­ ten können. Und zwar läßt man kurzzeitig einen energiereichen Strahl, vorzugsweise einen Elektronenstrahl auf die betreffen­ den Oberflächenpartien einwirken, so daß der Aluminiumwerkstoff oberflächennah aufgeschmolzen wird. Nach einer Zwischenabküh­ lung, bei der der geschmolzene Werkstoff wieder seine Erstar­ rungstemperatur angenommen hat, wird der Werkstoff erneut kurzzeitig bis zum Erreichen der Schmelztemperatur angewärmt. Auf diese Weise wird der Aluminiumwerkstoff oberflächennah mehrmals hintereinander umgeschmolzen. Und zwar sollten minde­ stens drei Umschmelzvorgänge nacheinander durchgeführt werden; optimal wären etwa sechs Umschmelzvorgänge. Wichtig dabei ist, daß der Werkstoff nur in einer relativ dünnen Schicht aufge­ schmolzen wird und das darunterliegende Grundgefüge sich nicht nennenswert erwärmt, so daß der randnahe Werkstoff durch Wär­ meleitung in den tieferliegenden, noch kalten Werkstoff abge­ kühlt werden kann. Außerdem verhindert das kurzzeitige Erwärmen eine unzulässig starke Verformung der Oberfläche in Kugelka­ lottenform durch Oberflächenspannung, weil die dazu erforder­ liche Zeit zu kurz ist. Aufgrund dieser wiederholten, kurzzei­ tigen Umschmelzvorgänge kommt es zu einer sehr feinen Kornaus­ bildung, die dem Werkstoff in der feinkörnigen Randzone eine sehr hohe Festigkeit in thermischer und/oder mechanischer Hin­ sicht verleiht. Die in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Fotografien von metallographischen Schliffen der ungeschmolzenen Randzone zeigen, daß die Umschmelzzone etwa 0,2 bis 0,3 mm stark ist. Außerdem ist deutlich erkennbar, daß in der Randzone das Gefügekorn wesentlich feiner als im Grund­ werkstoff ist. Fig. 4 zeigt eine sehr gute Bindung der Rand­ schicht mit dem vergleichsweise grobkörnigen Grundgefüge. Bei dem behandelten Werkstoff handelt es sich um eine Aluminiumle­ gierung mit der Bezeichnung GK-AlSi9Mg wa. Der unbehandelte Grundwerkstoff weist Alpha-Mischkristalle im veredelten Eutektikum sowie einige Mikrolunker auf. Die nach Vickers ge­ messene Härte des Grundwerkstoffes betrug 68. Demgegenüber war die Vickershärte des umgeschmolzenen Randgefüges 82. Der umge­ schmolzene Bereich ist sehr feinkristallin und nahezu porenfrei. Die mechanischen Eigenschaften sind gut; die Bindung zum Grundwerkstoff ebenfalls.

Wie das in Fig. 5 dargestellte Zeitdiagramm zeigt, wurden sechs Kurzzeiterwärmungen bei dem Randumschmelzen des Werk­ stoffes vorgenommen, bei denen die Einwirkungszeit des Ener­ giestrahles innerhalb einer Kurzzeiterwärmung etwa 200 ms (Zeitspanne 9) betrug. Die Pausenzeit 10 zwischen zwei aufein­ anderfolgenden Kurzzeiterwärmungen ist dabei weniger wichtig,; es muß lediglich sichergestellt werden, daß der kurzzeitig aufgeschmolzene Werkstoff wieder durch Wärmeableitung in das nicht erwärmte Grundgefüge erstarrt ist. Dies kann u. U. rascher gehen als die Erwärmung. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Aus­ führungsbeispiel waren die Pausenzeiten 10 länger als die Er­ wärmungszeit 9, was jedoch - wie gesagt - mehr zufällig ist und apparativ bedingt war. Die Strahlleistung innerhalb aufeinander folgender Kurzzeiterwärmungen nimmt gemäß der Darstellung nach Fig. 5 ab. Eine solche abnehmende Strahlleistung in aufeinan­ der folgenden Kurzzeiterwärmungen ist mit Rücksicht auf den Umstand sinnvoll, daß durch die erste Kurzzeiterwärmung nach der Abkühlungspause 10 bereits ein angehobenes Temperaturniveau vorliegt, aus dem heraus beim zweiten Aufschmelzvorgang die Schmelztemperatur bei geringerer Energiezufuhr erreicht wird als beim ersten Aufschmelzvorgang. Aus diesem Grunde kommt man bei fortgeschrittener Anzahl von Aufschmelzungen mit geringerer Strahlleistung beim Kurzzeit-Aufschmelzen aus.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird der zu behandelnden Oberfläche die Energie über eine Vielzahl ein­ zelner, rasterartig verteilt angeordneter Punkte 12 zugeführt, die untereinander einen Abstand aufweisen. Die Punkte 12 sind in einem flächendeckendem Punkteraster 13 angeordnet. Bei der Kurzzeiterwärmung springt der Strahl von Punkt zu Punkt und verweilt bei jedem Punkt jeweils eine sich nach Mikrosekunden bemessende Zeitspanne lang. Auf diese Weise wird das Punktera­ ster 13 vollständig zeilenweise abgearbeitet, wobei für ein vollständiges Abarbeiten des Punkterasters einige wenige Mil­ lisekunden benötigt werden. Innerhalb einer Kurzzeiterwärmung wird ein solches Abarbeiten des Punkterasters 13 mindestens zehn mal wiederholt; erprobt wurde das Verfahren mit Wiederho­ lungszahlen von etwa 20 .... 30mal. Der Vorteil der Erwärmung der Oberfläche über einzelne Rasterpunkte besteht darin, daß zum einen über die Dichteverteilung der Punkte auf einfache Weise die Energiedichte bei geringem steuerungstechnischem Aufwand beeinflußt werden kann; in diesem Zusammenhang sei insbesondere auf eine höhere Energiedichte in Randnähe des zu behandelnden Oberflächenbereiches hingewiesen, wodurch ein seitlicher Energieabfluß kompensiert werden kann. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der gerasterten Energiezufuhr besteht darin, daß durch die Erwärmung keine Zeilenorientierung in die Gefügeausbildung eingeschleppt wird. Das Feinkorngefüge kann sich völlig isotrop ausbilden.

Denkbar wäre es auch, die Energie durch zeilenweises Oszillieren des energiereichen Strahls in einem üblichen Scanning-Verfahren, zweckmäßig mit einer Zeilenwechselfrequenz von über 100 kHz, in die zu behandelnde Oberfläche des Werkstückes einzutragen, wobei jedoch ein erhöhter steuerungstechnischer Aufwand zur ortsabhängigen Beeinflussung der Energiedichte bei der Werkstückerwärmung erforderlich ist. Um trotz dieses erhöhten Aufwandes die Ausbildung eines iso­ tropen Feinkorngefüges innerhalb der randnahen Umschmelzzone zu begünstigen, wäre es in einem solchen Fall zweckmäßig, die Zeilenrichtung bei dem sich an ein Kurzzeiterwärmen anschlie­ ßendes folgendes Kurzzeiterwärmen um mindestens 45° bis 60°, vorzugsweise jedoch um 90° gegenüber der Zeilenrichtung während des jeweils vorangegangenen Kurzzeiterwärmens zu verändern. Eine durch das zeilenweise Erwärmen möglicherweise einge­ schleppte beginnende Anisotropie innerhalb des sich ausbilden­ den Feinkorngefüges wird durch den Richtungswechsel der Zeilen bei dem nächstfolgenden Kurzzeiterwärmen wieder beseitigt. Aufgrund des ständigen Richtungswechsels der Zeilen von dem einen zum nächstfolgenden Kurzzeiterwärmen bildet sich also ebenfalls ein isotropes Feinkorngefüge ohne Zeilenstruktur aus.

Claims (5)

1. Verfahren zum partiellen oberflächennahen Wärmebehandeln von Aluminiumteilen einer Brennkraftmaschine durch sogenanntes flächendeckendes Kurzzeit-Aufschmelzen, bei dem der zu behandelnde Oberflächenbereich durch die kurzzeitige Einwirkung eines energiereichen Strahls flächendeckend vorübergehend bis oberhalb der Schmelztemperatur erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das flächendeckende Kurzzeit-Aufschmelzen jeweils nach einer Abkühlung auf Erstarrungstemperatur etwa drei bis sechs mal nacheinander wiederholt wird und sich jeweils über eine Zeitspanne (9) von etwa 50 bis 300 ms erstreckt, und die Zeitspannen (9) und/oder die Leistung des energiereichen Stahls während aufeinander folgender Kurzzeit-Aufschmelzungen abnehmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß während eines flächendeckenden Kurzzeit-Aufschmelzens der zu behandelnde Oberflächenbereich über eine Vielzahl einzelner, rasterartig verteilt angeordneter, koordinatenmäßig definierter, untereinander beabstandeter Punkte (12) erwärmt wird, indem zur vollständigen Abarbeitung des Punktrasters (13) der energiereiche Strahl von Punkt zu Punkt springt und bei jedem einzelnen Punkt jeweils eine sich nach Mikrosekunden bemessende Zeitspanne lang verharrt und
daß das vollständige Abarbeiten des Punktrasters (13) durch den energiereichen Strahl innerhalb der Zeitspanne (9) einer flächendeckenden Kurzzeit-Aufschmelzung mindestens zehn mal wiederholt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß während eines flächendeckenden Kurzzeit-Aufschmelzens der zu behandelnde Oberflächenbereich zur vollständigen Abarbeitung durch zeilenweises Oszillieren des energiereichen Strahls im Scanning-Verfahren mit einer Zeilenwechselfrequenz von über 100 kHz erwärmt wird,
daß das vollständige Abarbeiten der zu behandelnden Oberfläche durch den energiereichen Strahl innerhalb der Zeitspanne (9) einer flächendeckenden Kurzzeit-Aufschmelzung mindestens zehn mal wiederholt wird und
daß die Zeilenrichtung bei der nächstfolgenden Kurzzeit- Aufschmelzung um mindestens 45° bis 60°, vorzugsweise um 90°, gegenüber der Zeilenrichtung während der voraufgegangenen flächendeckenden Kurzzeit-Aufschmelzung verändert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als energiereicher Strahl ein Elektrodenstrahl eingesetzt wird.

5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, auf Zylinderköpfe (1) im Stegbereich (7, 8) zwischen Ventilöffnungen (4, 5) oder zwischen einer Ventilöffnung (4) und einer anderen Öffnung (6) in der Zylinderkopfbodenplatte (2) im Brennraumbereich (3).