WO2005046925A1 - Bauteil einer brennkraftmaschine und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a component of an internal combustion engine according to the kind defined in the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for producing a component of an internal combustion engine.
  • the thermally highly stressed area is changed in such a way that this thermally highly stressed area has a higher elongation at break than the rest of the component.
  • the component can tolerate greater strains without damage in the region which is subject to high thermal stress. Due to the increased elongation at break and the improved toughness at room temperature and at higher temperatures, the eventual occurrence of material fatigue or crack formation can occur at a later point in time or at higher loads. be moved. This makes it possible to implement internal combustion engines with higher outputs and / or a longer service life.
  • the strength of the component is changed only to such an extent by the solution according to the invention that purely mechanical loads cannot have a negative influence on the component, since the entirety of the component can be designed with the strength required for the mechanical loads to be expected and only thermally highly stressed area an increased elongation at break is required. This is very important, for example, when introducing screw forces.
  • an increase in strength always leads to a reduction in the elongation at break, which inevitably results in material cracks or the like when higher stresses occur.
  • the solution according to the invention represents an optimal compromise of sufficient strength and high elongation at break.
  • the thermally highly stressed area has a greater aluminum content than the entire component.
  • a component in which the solution according to the invention can be used in a particularly advantageous manner is a cylinder head.
  • the thermally highly stressed area is preferably the land area located between the respective valve bores.
  • the alloy composition in this highly stressed area can be controlled particularly precisely. In the case of the In contrast to the methods known from the prior art, these methods are more of an “alloying” than an “alloying”.
  • Figure 1 is a view of the interface of a cylinder head of an internal combustion engine.
  • FIG. 2 shows a section through a web area of the cylinder head according to line II-II from FIG. 1 in a first state
  • FIG. 3 shows the land area of the cylinder head from FIG. 2 in a second state
  • FIG. 5 shows the land area of the cylinder head from FIG. 2 in a fourth state.
  • Fig. 1 shows a component 1 of an internal combustion engine, not shown in its entirety.
  • component 1 is a cylinder head 1 a, which consists of an aluminum material, preferably an aluminum-silicon alloy.
  • the component 1 has a plurality of regions 2 which are subjected to high thermal loads. In the present case, these are web areas 2a located between respective valve bores 3. Since the internal combustion engine belonging to the cylinder head la has three or six cylinders, a total of three land areas 2a are provided. see.
  • the web areas 2a are essentially cruciform, since four valve bores 3 are provided for each cylinder. If only two valve bores 3 were provided per cylinder, the web areas 2a could also be linear. In any case, the thermally highly stressed area 2 is relatively small in comparison with the entire component 1.
  • the component 2 shows the component 1 with the thermally highly stressed area 2 or the web area 2a in its untreated state.
  • the component 1 is preferably produced by casting.
  • the region 2, which is subjected to high thermal loads is heated by means of a blasting method, for which purpose a laser beam 4 is used.
  • a melt pool 5 is created in the region 2, which is subject to high thermal stress.
  • an electron beam or the like could also be used.
  • a fine-grained structure would result in the thermally highly stressed area 2 after rapid cooling, which leads to better material properties, in particular with regard to an increase in toughness or elongation at break.
  • an additional material 6 is introduced into the molten bath 5.
  • This additional material 6, which preferably has a larger aluminum content than the entire component 2 can be in the form of a powder or which can also be introduced into the molten bath 5 in the form of a solid material.
  • the additional material 6 has a silicon content of 1 to 5% by weight, a magnesium content of less than 0.25% by weight and an iron content of less than 0.1% by weight. % on.
  • the additional material can also consist of pure or approximately pure aluminum.
  • a component 1 is formed which in its entirety consists of an aluminum alloy which meets the mechanical requirements with regard to strength, for example screw holes which are not shown , can be adjusted.
  • the component 1 has a changed alloy composition, which leads to the region 2 which is subject to high thermal stress having a greater elongation at break than the entire component 1.
  • there is also an improved toughness within the region 2 which is subject to high thermal stress the very good thermo-mechanical properties of which are thereby improved.
  • the component 1 can of course be machined in a known manner.
  • the depth of the area 2 with the changed alloy composition is preferably 0.2 mm to 5 mm.
  • the composition of the additional material 6 could be changed in stages so that there is a gradual increase in the elongation at break in the direction of the surface of the component 1.
  • the size of the molten bath 5 produced results in each case from the amount of the brought energy.
  • a transition from region 1 to region 2 which is gradient-shaped with respect to the coefficient of expansion can also be expedient. The coefficient of expansion changes continuously.

Abstract

Ein Bauteil (1) einer Brennkraftmaschine, welches aus einer Aluminiumlegierung besteht, weist wenigstens einen während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch hoch belasteten I Bereich (2) auf. Der thermisch hoch belastete Bereich (2) ist im Vergleich mit dem gesamten Bauteil (1) klein. Der thermisch hoch belastete Bereich (2) weist eine gegenüber dem gesamten Bauteil (1) derart veränderte Legierungszusammensetzung auf, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) eine höhere Bruchdehnung aufweist als das gesamte Bauteil (1).

Description

Bauteil einer Brennkraftmaschine und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Bauteil einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art . Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Brennkraftmaschine.
Aus der DE 199 02 864 AI 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 1 122 325 AI, der DE 2 124 595 AI, der DE 28 35 332 C2 oder der DE 2 136 594 AI beschrieben.
Aus der EP 0 092 683 Bl oder der DE 199 12 889 AI sind Verfahren zur Herstellung von Ventilsitzen bekannt, bei denen e- benfalls 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 z '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 Kom- promiss 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 ünteransprüchen angegeben. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht der Trennfläche eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine;
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Stegbereich des Zylinderkopfes nach der Linie II-II aus Fig. 1 in einem ersten Zustand;
Fig. 3 den Stegbereich des Zylinderkopfes aus Fig. 2 in einem zweiten Zustand;
Fig. 4 den Stegbereich des Zylinderkopfes aus Fig. 2 in einem dritten Zustand; und
Fig. 5 den Stegbereich des Zylinderköpfes aus Fig. 2 in einem vierten Zustand.
Fig. 1 zeigt ein Bauteil 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraf maschine. Bei dem Bauteil 1 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen Zylinderkopf la, 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 la 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 gradientenformiger Übergang von Bereich 1 auf den Bereich 2 zweckmäßig sein. Hierbei ändert sich der Ausdehnungskoeffizienten kontinuierlich.

Claims

Patentansprüche
Bauteil einer Brennkraftmaschine, welches aus einer Aluminiumlegierung besteht und wenigstens einen während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch hoch belasteten Bereich aufweist, wobei der thermisch hoch belastete Bereich im Vergleich mit dem gesamten Bauteil klein ist, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) eine gegenüber dem gesamten Bauteil (1) derart veränderte Legierungszusammensetzung aufweist, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) eine höhere Bruchdehnung aufweist als das gesamte Bauteil (1) .
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) einen größeren Aluminiumgehalt aufweist als das gesamte Bauteil (1) ■
Bauteil nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die LegierungsZusammensetzung des thermisch hoch belasteten Bereichs (2) einen Anteil von 1 bis 5 Gewichts-% Silizium, einen Anteil von weniger als 0,25 Gewichts-% Magnesium und einen Anteil von weniger als 0,1 Gewichts-% Eisen aufweist .
4. Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Zylinderkopf (la) ist.
5. Bauteil nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) ein sich zwischen jeweiligen Ventilbohrungen (3) befindlicher Stegbereich (2a) ist.
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) mit der veränderten LegierungsZusammensetzung eine Tiefe von 0,2 mm bis 5 mm aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch hoch belasteter Bereich (2) des Bauteils (1) aufgeschmolzen wird, und dass in ein durch das Aufschmelzen entstehendes Schmelzbad (5) ein Zusatzmaterial (6) eingebracht wird, durch welches der thermisch hoch belastete Bereich (2) eine gegenüber dem gesamten Bauteil (1) derart veränderte Legierungszusammensetzung erhält, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) eine höhere Bruchdehnung aufweist als das gesamte Bauteil (1) .
8. Verfahren nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet , dass das Aufschmelzen mittels eines Strahlverfahrens durchgeführt wird. . Verfahren nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Strahlverfahrens ein Laser- strahl (4) , ein Plasmastrahl oder ein WIG-Verfahren eingesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , dass als Zusatzmaterial eine Aluminiumlegierung mit einem Anteil von 1 bis 5 Gewichts-% Silizium, einem Anteil von weniger als 0,25 Gewichts-% Magnesium und einem Anteil von weniger als 0,1 Gewichts-% Eisen verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzmaterial unlegiertes Aluminium verwendet wird.
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