DE60022845T2

DE60022845T2 - Verfahren zur Verstärkung eines Brennkraftmaschinenkolbens und verstärkter Kolben nach dem Verfahren

Info

Publication number: DE60022845T2
Application number: DE60022845T
Authority: DE
Inventors: Bernard Engler; Martine Monin
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 2000-11-15
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2020-11-16
Also published as: EP1104846B1; ES2245297T3; FR2801935B1; DE60022845D1; EP1104846A1; FR2801935A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstärkung eines Brennkraftmaschinekolbens und einen nach dem Verfahren verstärkten Kolben.
Bei Dieselmotoren und insbesondere Dieselmotoren mit Direkteinspritzung weisen die Kolben vorzugsweise eine Aushöhlung oder Vorkammer, auch Schale genannt, auf. Die Schale ist an der Oberseite des Kolbens ausgebildet, die zum Zylinderkopf zeigt. Die Schale und der Zylinderkopf legen eine Brennkammer innerhalb des Zylinders fest, in die die Einspritzdüse und die Einlass- und Auslassleitungen münden.
Bei dieser Kolbengeometrie wird die Lippe der Schale, das heißt der Rand, der die Vorkammer festlegt, leicht überhitzt und rissig. Die thermomechanische Ermüdung in diesem Bereich kann das Versagen des Kolbens durch eine Verkettung von Schäden nach sich ziehen. Insbesondere kann der Kolben nach und nach Risse bekommen, was eine Mikrofusion und die Zerstörung des Kolbens nach sich ziehen kann.
Die FR 2 237 064 beschreibt einen Brennkraftmaschinekolben, in dem eine dünnwandige Abschirmung aus hitzebeständigem Metall an einem Teil der Oberfläche der Schale angeordnet wird. Die Metallabschirmung wird beim Gießen des Kolbens eingesetzt, indem sie vor dem Gießen auf einen Kern mit mehreren Elementen montiert wird.
Dennoch ist der Vorgang des Anbringens der Abschirmung lästig. Außerdem besitzt diese Art von Abschirmung aus rostfreiem Stahl ein unsicheres Haftungsvermögen. Darüber hinaus verhindert sie eine zufrieden stellende Übertragung der Wärme zum Kolben, was einen Temperaturanstieg in den Brennkammern des Zylinderkopfes und den Bereichen zwischen den Zylindern des Zylinderblocks nach sich zieht. Dieser Temperaturanstieg bewirkt zwangsläufig eine thermodynamische Veränderung in den Brennkammern des Zylinderkopfes und der Bereiche zwischen den Zylindern des Zylinderblocks, insbesondere bei Turbo-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung.
Die DE 19901770A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, das darin besteht, einen kreisförmigen Hals an der Oberseite des Kolbens herzustellen und dann im Hals ein erstes Paar an Drahtstücken aus einer Aluminiumlegierung mit Kupfer und Nickel diametral gegenüberliegend und ein zweites Paar an Drahtstücken ebenfalls diametral gegenüberliegend anzuordnen. Die Drahtstücke werden dann geschmolzen und der Kolben so bearbeitet, dass sich an der Kante einer Schale ein Verstärkungsüberzug bildet. Die DE-A-2 136 594 beschreibt ebenfalls die Verstärkung der Schale eines Kolbens mithilfe einer Aluminiumlegierung mit Kupfer und Nickel. Diese Art der Verstärkung löst jedoch die Probleme der Wärmefestigkeit des Kolbens nicht vollständig.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verstärkung eines Brennkraftmaschinekolbens mit einer Aushöhlung oder Schale vorzuschlagen, wobei das Verfahren einen Schritt des Aufbringens einer Legierung mit Kupfer und Nickel durch Schmelzen auf mindestens einem Abschnitt der Kante der Schale aufweist, entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, das die oben erwähnten Nachteile des Stands der Technik ganz oder teilweise behebt.
Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass das Verfahren zur Verstärkung eines Brennkraftmaschinekolbens dadurch gekennzeichnet ist, dass der Überzug aus einer Legierung mit 45 bis 90 Massenprozent Kupfer, 1 bis 30 Massenprozent Nickel und 1 bis 10 Massenprozent Kobalt besteht.
Außerdem kann die Erfindung eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:

– Der Überzug wird mittels eines Strahls mit hoher Energie durch Spritzen oder Schmelzen der pulverförmigen Legierung hergestellt.
– Der Überzug wird in mindestens einem Hals in der Oberseite des rohen Kolbens hergestellt.
– Mindestens ein Abschnitt des Halses oder der Hälse verläuft im Wesentlichen parallel zur Längssymmetrieachse des Kolbens.
– Mindestens ein Abschnitt des Halses oder der Hälse ist gegenüber der Längssymmetrieachse des Kolbens geneigt.
– Die obere Endfläche des an den Endmaßen bearbeiteten Kolbens umfasst mindestens einen ebenen und leicht verstärkten Bereich, der an die Schale angrenzt, wobei der Überzug an dem oder den Randabschnitten der Schale hergestellt wird, die an die verstärkten Bereichen angrenzen.
– Der ganze kreisförmige Rand der Schale wird überzogen.
– Der Überzug enthält Bor.
– Der Überzug enthält Vanadium und/oder Nobium.
– Der Überzug enthält 0,01 bis 1 Massenprozent Bor.
– Der Überzug enthält 0,1 bis 3 Massenprozent Vanadium und 0,1 bis 2 Massenprozent Nobium.
– Der Überzug besteht aus einer Legierung mit mindestens einem der folgenden Bestandteile, dessen Massenanteil in Bezug auf die Gesamtmasse des Überzugs ausgedrückt sind: 1 bis 10% Eisen, 0,1 bis 12% Aluminium; 0,5 bis 10% Chrom und 0,5 bis 10% Silizium.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verstärkten Kolben nach dem obigen Verfahren vorzuschlagen.
Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass der Kolben mit einem Überzug aus einer Legierung versehen wird, der durch das Verfahren zur Verstärkung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale erhalten wurde.
Gemäß einer weiteren Besonderheit besteht der Kolben aus einer Aluminiumlegierung.
Weitere Besonderheiten und Vorteile werden bei der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung deutlich, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt.
1 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Motorkolbens nach dem Stand der Technik.
2 zeigt schematisch im Längsschnitt einen Teil eines erfindungsgemäßen Kolbens und veranschaulicht einen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verstärkung.
3 zeigt schematisch im Längsschnitt einen Teil eines erfindungsgemäßen Kolbens und veranschaulicht einen Schritt des Verfahrens zur Verstärkung nach einer zweiten Ausführungsart der Erfindung.
4 zeigt einen erfindungsgemäß verstärkten Kolben im Längsschnitt.
Die 5 und 6 zeigen schematische Draufsichten auf zwei Ausführungsarten eines erfindungsgemäß verstärkten Kolbens.
1 zeigt eine Draufsicht auf einen herkömmlichen Kolben 1. Die Oberseite des Kolbens 1 umfasst eine Schale 2, das heißt eine Aushöhlung, die von einer kreisförmigen Kante oder Rand 4 festgelegt ist. Die Oberseite des Kolbens 1 umfasst weiter zwei im Wesentlichen ebene und leicht verstärkte Bereiche 6, die an die Schale 2 angrenzen. Herkömmlicherweise ist jeder der verstärkten Bereiche 6 dazu vorgesehen, mit einem (nicht dargestellten) Ventil zusammenzuwirken, wenn das Ventil das Ende des Hubs erreicht. Die verstärkten Bereiche 6 befinden sich in einer Ebene, die zur Ebene der Oberseite des Kolbens parallel und gegenüber dieser Oberseite leicht vertieft sind. Vorzugsweise sind die verstärkten Bereiche 6 im Wesentlichen kreisförmig. Darüber hinaus sind die verstärkten Bereiche 6 um ungefähr 120 Grad gegeneinander versetzt um die Längssymmetrieachse des Kolbens 1 angeordnet.
Jeder der verstärkten Bereiche 6 grenzt an den Rand der Schale 2 an, das heißt ein Teil jedes verstärkten Bereichs 6 wird von diesem Rand 4 festgelegt.
Erfindungsgemäß ist mindestens ein Abschnitt des Rands 4 der Schale 2 von einer Legierung 3 überzogen. Der Überzug 3 wird durch Schmelzen der Legierung hergestellt. Vorzugsweise ist die Legierung eine Nichteisenlegierung, das heißt mit einem Eisenanteil unter 50 %.
Beispielsweise ist der Überzug 3 aus Nichteisenlegierung durch Übertragung im flüssigen Zustand oder Auftragsschweißen und vorzugsweise durch Laserauftragsschweißen hergestellt. Das heißt der Überzug 3 wird durch Schmelzen eines Zusatzmaterials, beispielsweise mittels eines Laserstrahls mit hoher Energie oder eines Elektronenstrahls geschaffen, normalerweise als Elektronenbeschuss bezeich net. Beispielsweise wird das Nichteisenmaterial in Form von Pulver auf der Höhe der zu bedeckenden Oberfläche des Kolbens 1 in den Laserstrahl gespritzt.
Als Variante kann die Legierung in Form von vorlegiertem Pulver in der Aushöhlung aufgebracht werden, wobei das vorlegierte Pulver dann durch Abtasten mit Laserstrahl geschmolzen wird.
Der Überzug besteht aus einer Legierung, die Kupfer und Nickel enthält.
Der Überzug enthält 45 bis 90 Massenprozent Kupfer und 1 bis 30 Massenprozent Nickel und 1 bis 10% Kobalt. Außerdem kann der Überzug 3 einen oder mehrere der folgenden Bestandteile enthalten, deren Massenanteil in Bezug auf die Gesamtmasse des Überzugs ausgedrückt ist: 1 bis 10% Eisen, 0,1 bis 12% Aluminium, 0,5 bis 10% Chrom und 0,5 bis 10% Silizium.
Vorteilhafterweise kann der Überzug 0,01 bis 1 Massenprozent Bor enthalten.
Bei einer Ausführungsart der Erfindung besteht der Überzug aus einer Kupferbasis mit 15 bis 20% Nickel, 6 bis 8% Kobalt, 2 bis 3% Eisen, 1 bis 3% Chrom und 2 bis 4% Silizium. Beispielsweise enthält der Überzug 60 bis 65% Kupfer.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsart der Erfindung besteht der Überzug 3 aus einer Legierung, die in Bezug auf die Gesamtmasse des Überzugs enthält: 18 bis 25% Nickel, 4 bis 6% Molybdän, 6 bis 6% Kobalt, 2,5 bis 4% Eisen, 0,8 bis 1,5% Chrom und 0,3 bis 0,8% Silizium und Rest an Kupfer.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verstärkung eines Kolbens. Eine durchgehende Linie 7 zeigt das Profil des rohen Kolbens 1, das heißt vor seiner Bearbeitung an den Endmaßen. Das Profil des bearbeiteten Kolbens 1 ist mit einer unterbrochenen Linie 8 dargestellt.
Zum lokalen Aufbringen des Überzugs werden ein oder mehrere Hälse 5 an der Oberseite des rohen Kolbens hergestellt. Der Hals 5 wird im Wesentlichen parallel zur Längssymmetrieachse des Kolbens 1 an der Stelle hergestellt, die dem Rand 4 der an den Endmaßen bearbeiteten Schale entspricht.
Das Laserauftragsschweißen der Legierung findet im Hals 5 statt. Der rohe Kolben 1 wird dann an den Endmaßen, das heißt mit der Schale 2 bearbeitet. Die Kante 4 der Schale 2 wird so vom Überzug 3 geschützt.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Der Hals oder die Hälse 5 können, wie in 3 dargestellt, gegenüber der Längssymmetrieachse des Kolbens 1 geneigt ist. Insbesondere können die Hälse 5 von oben nach unten zur Innenseite des Kolbens hin geneigt sein. Auf diese Weise wird der Überzug bevorzugt am oberen Abschnitt des Rands der Schale 2 aufgebracht. Ebenso können die Hälse von oben nach unten zur Außenseite des Kolbens 1 geneigt sein, damit der Überzug bevorzugt am unteren Abschnitt des Rands der Schale 2 hergestellt wird.
4 zeigt einen fertigen Kolben 1 mit einem solchen Überzug 3. Vorzugsweise besitzt der Überzug in einer im Wesentlichen senkrecht zur Achse des Kolbens verlaufenden Richtung eine Breite L zwischen ungefähr 3 und 5 Millimeter. Ebenso kann die Höhe H des Überzugs 3 in einer im Wesentlichen parallel zur Achse des Kolbens verlaufenden Richtung zwischen ungefähr 3 und 5 Millimeter betragen.
Wie in 5 dargestellt, kann der Überzug 3 nur an den Abschnitten des Rands 4 der Schale 2 hergestellt sein, die an die verstärkten Bereiche 6 angrenzen
Bei einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung, die in 6 dargestellt ist, wird der gesamte kreisförmige Rand der Schale 2 überzogen.
Es wurde deutlich, dass es das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt, einen Kolben auf einfache Weise zu verstärken. Der Kolben wird lokal durch Aufbringen einer auf dem Substrat integrierten Legierung durch Schmelzen in situ verstärkt. Die Erfindung eignet sich besonders für Kolben aus Leichtmetall, beispielsweise aus Aluminiumlegierung.
Insbesondere ist festzustellen, dass der erfindungsgemäß verstärkte Kolben eine Wärmefestigkeit aufweist, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Die feste Lösung des Ni-Cu-Überzugs erweist sich als gut mit dem Aluminiumsubstrat kompatibel. Außerdem bilden sich beim Schmelzen des Überzugs Zusammensetzungen vom Typ Al₂Cu, NiAl₃, Ni₂Al₃, NiAl und Ni₃Al im Bereich der Mischung mit dem Aluminium des Kolbens, die zu dieser Festigkeit beitragen.
So weist der erfindungsgemäße Verstärkungsüberzug eine gute Haftung am Kolben, eine gute Wärmefestigkeit, ein gutes Verhalten gegenüber den Motorölen und eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Außerdem weist der erfindungsgemäße Überzug eine zufrieden stellende Streckfähigkeit und einen Ausdehnungskoeffizient ähnlich dem von Aluminium auf.
Als Variante kann in Betracht gezogen werden, die oben beschriebene Legierung durch ein anderes Verfahren als Schweißen mit Strahlen hoher Energie, nämlich beispielsweise mit der so genannten Mikroplasma-Technologie aufzubringen.
Auch wenn sie in Verbindung mit besonderen Ausführungsarten beschrieben wurde, umfasst die Erfindung sämtliche beschriebenen Mittel, die in die vom Hauptanspruch festgelegte Reichweite fallen.

Claims

Verfahren zur Verstärkung eines Kolbens (1) einer Brennkraftmaschine, bei dem der Kolben (1) eine Aushöhlung oder Schale (2) aufweist, wobei das Verfahren einen Schritt des Aufbringens (3) einer Legierung mit Kupfer und Nickel durch Schmelzen an mindestens einem Abschnitt der Kante oder des Rands der Schale (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug (3) aus einer Legierung mit 45 bis 90 Massenprozent Kupfer, 1 bis 30 Massenprozent Nickel und 1 bis 10 Massenprozent Kobalt besteht.
Verfahren zur Verstärkung eines Kolbens (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug (3) mittels eines Strahls mit hoher Energie durch Spritzen oder Schmelzen der pulverförmigen Legierung hergestellt wird.
Verfahren zur Verstärkung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug (3) in mindestens einem Hals (5) in der Oberseite des rohen Kolbens (1) hergestellt wird.
Verfahren zur Verstärkung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abschnitt des Halses oder der Hälse (5) im Wesentlichen parallel zur Längssymmetrieachse des Kolbens (1) verläuft.
Verfahren zur Verstärkung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abschnitt des Halses oder der Hälse (5) gegenüber der Längssymmetrieachse des Kolbens (1) geneigt ist.
Verfahren zur Verstärkung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die obere Endfläche des an den Endmaßen bearbeiteten Kolbens (1) mindestens einen ebenen und leicht verstärkten Bereich (6) aufweist, der an die Schale (2) angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug (3) an dem oder den Abschnitten des Rands der Schale (2) hergestellt ist, die an die verstärkten Bereiche angrenzen.
Verfahren zur Verstärkung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug (3) am gesamten kreisförmigen Rand der Schale (2) hergestellt ist.
Verfahren zur Verstärkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug (3) Bor enthält.
Verfahren zur Verstärkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug (3) Vanadium und/oder Nobium enthält.
Verfahren zur Verstärkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug (3) 0,01 bis 1 Massenprozent Bor enthält.
Verfahren zur Verstärkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug (3) 0,1 bis 3 Massenprozent Vanadium und 0,1 bis 2 Prozent Nobium enthält.
Verfahren zur Verstärkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug (3) aus einer Legierung mit mindestens einem der folgenden Bestandteile besteht, deren Massenanteil in Bezug auf die Gesamtmasse des Überzugs ausgedrückt ist: 1 bis 10 Prozent Eisen, 0,1 bis 12 Prozent Aluminium; 0,5 bis 10 Prozent Chrom und 0,5 bis 10 Prozent Silizium.
Kolben (1) aus Leichtmetall, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einem Überzug (3) aus Legierung versehen ist, der durch das Verfahren zur Verstärkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche erhalten wurde.
Kolben (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass er aus Aluminiumlegierung besteht.