WO2005047660A1 - Bauteil einer brennkraftmaschine und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Bauteil einer brennkraftmaschine und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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Jürgen Claus
Roberto De Zolt
Reiner Heigl
Wolf SÄLTZER
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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
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    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/06—Casting

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 region of the component which is subjected to higher thermal stresses has a lower coefficient of thermal expansion than the region which is less thermally loaded, which means that the entire component can expand evenly when the temperature rises.
  • the fact that all areas of the component according to the invention expand uniformly means that there is no impediment to expansion and thus no entry into the plastic deformation area, so that when heated with subsequent cooling, essentially no or only very low stresses occur in the component. Ultimately, there is no other risk of cracking due to the permissible stresses being exceeded.
  • the base material of the component is melted and an additional material is added, which leads to the changed coefficient of thermal expansion in the thermally more highly stressed area. This procedure enables a particularly precise control of the alloy composition in the area subjected to higher thermal loads.
  • FIG. 1 shows a view of a component according to the invention in a first state
  • 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 a view of the component from FIG. 1 in a second state
  • FIG. 6 shows a view of the component from FIG. 1 in a third state
  • 7 shows a view of a component according to the prior art in a first state
  • FIG. 8 shows a view of the component from FIG. 7 in a second state
  • FIG. 9 shows a view of the component from FIG. 7 in a third state.
  • FIGS. 7, 8 and 9 show a component 1 of an internal combustion engine, not shown in its entirety, as is known from the prior art.
  • component 1 is a cylinder head 1 a
  • FIGS. 1, 5 and 6 showing a view of a separating surface 2 of the cylinder head 1 a.
  • the component 1 could also be a piston or another component of an internal combustion engine that is subject to very high thermal loads.
  • the cylinder head 1 a has a plurality of valve bores 3, between which there is a region 4 that is subjected to a higher thermal load, which in the present case is referred to as the web region 4 a.
  • This web portion 4a during operation of the internal combustion engine, 'a higher thermal load than the rest of the component 1 or than another area 5 of the component 1. Since the belonging to the cylinder head la internal combustion engine or having .Three six cylinders, a total of three web portions 4a provided. Since four valve bores 3 are provided for each cylinder, the web regions 4a are essentially cruciform. If only two valve bores 3 were provided per cylinder, the web areas 2a could also be linear.
  • Component 1 as a whole consists of a uniform material, preferably an aluminum material, in particular an aluminum-silicon alloy, and thus has a constant coefficient of thermal expansion ofi.
  • the temperature of the component 1 in the unheated state of FIG. 7 is also at a constant level T 0 .
  • FIGS. 1 and 2 show the component 1 according to the present invention.
  • the thermally more highly stressed area 4 has a lower thermal expansion coefficient a 2 than the less thermally stressed area 5, which also continues to have the thermal expansion coefficient ci .
  • the untreated state of component 1 is shown in FIGS. 1 and 2.
  • the region 4 which is subjected to higher loads is melted, so that a weld pool 6 is formed, as shown in FIG. 3.
  • This melting is preferably carried out by means of a beam method and in particular by means of a laser beam 7.
  • an electron beam or the like could also be used.
  • an additional material 8 is introduced, which leads to the described reduction in the coefficient of thermal expansion c ⁇ x of the component 1 to the value ct 2 of the more highly stressed area 4.
  • a ceramic material in the form of powders or short fibers; e.g. A1203 is preferably used as additional material 8.
  • the additional material can also be based on silicon or can be designed in the form of intermetallic dispersoids, for example based on Al-Fe-Zr / Ce.

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Abstract

Ein Bauteil (1) einer Brennkraftmaschine weist wenigstens ei­nen Bereich (4) auf, welcher während des Betriebs der Brenn­kraftmaschine thermisch höher belastet ist als ein anderer Bereich (5). Der thermisch höher belastete Bereich (4) weist einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (α2) auf als der thermisch weniger belastete Bereich (5).

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.
In Bauteilen von Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise Zy- linderkδpfen oder Kolben, tritt bei einer zyklischen thermischen Belastung häufig das Problem auf, dass durch eine Behinderung der thermischen Ausdehnung von höher belasteten Bereichen in diesen Bereichen so hohe induzierte mechanische Spannungen auftreten, dass in diesen Bereichen aufgrund der starken Plastifizierung und der damit einhergehenden Materialermüdung eine Rissbildung auftritt . Diese Behinderung der thermischen Ausdehnung kommt dadurch zustande, dass das thermisch höher belastete Material dazu tendiert, sich stärker auszudehnen als das thermisch weniger stark belastete Material . Da sich die thermisch höher belasteten Bereiche meist in der Mitte des Bauteils befinden, ist eine solche Ausdehnung nach außen nicht möglich und es kommt zu den genannten Spannungen, insbesondere zu Druckspannungen, die sich beim Ab- kühlprozess in Zugspannungen umwandeln, die die Materialfestigkeit überschreiten können.
Bei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Lösungen wird versucht, über eine Verbesserung der- Gießtechnik und eine nachfolgende Wärmebehandlung ein möglichst feines und sta- biles Gefüge einzustellen. Diese Maßnahmen wirken sich jedoch jeweils auf das gesamte Bauteil aus, so dass die oben angesprochenen Probleme durch diese Maßnahmen nicht beseitigt werden können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, bei welchen auch bei unterschiedlich hohen thermischen Belastungen über verschiedene Bereiche des Bauteils die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme bezüglich des Versagens der Bauteile vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst .
Erfindungsgemäß weist der thermisch höher belastete Bereich des Bauteils einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der thermisch weniger belastete Bereich auf, was dazu führt, dass sich das gesamte Bauteil bei einer Temperaturerhöhung gleichmäßig ausdehnen kann. Dadurch, dass sich sämtliche Bereiche des erfindungsgemäßen Bauteils gleichmäßig ausdehnen, kommt es zu keiner Dehnungsbehinderung und somit zu keinem Eintreten in den plastischen Verformungsbereich, so- dass bei einer Erwärmung mit anschließender Abkühlung im wesentlichen keine bzw. nur sehr geringe Spannungen in dem Bauteil entstehen, wodurch letztendlich die ansonsten vorhandene Gefahr der Rissbildung aufgrund des Überschreitens der zulässigen Spannungen nicht gegeben ist.
Durch die erfindungsgemäße Adaptierung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die thermischen Gegebenheiten innerhalb des Bauteils kann somit das Eintreten einer Materialermüdung und/oder einer Rissbildung zu einem späteren Zeitpunkt bzw. zu höheren Belastungen verschoben werden, so dass das erfindungsgemäße Bauteil bei Brennkraftmaschinen mit höheren Leistungen und/oder einer verlängerten Lebensdauer eingesetzt werden kann. Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils ergibt sich aus den Merkmalen von Anspruch 9.
Dabei wird das Grundmaterial des Bauteils aufgeschmolzen und es wird ein Zusatzmaterial hinzugefügt, welches zu dem veränderten Wärmeausdehnungskoeffizienten in dem thermisch höher belasteten Bereich ührt. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine besonders genaue Kontrolle der LegierungsZusammensetzung in dem thermisch höher belasteten Bereich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines erfihdungsgemäßen Bauteils in einem ersten Zustand;
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 Zylinderköpfes aus Fig. 2 in einem zweiten Zustand;
Fig. 4 den Stegbereich des Zylinderkopfes aus Fig. 2 in einem dritten Zustand; und
Fig. 5 eine Ansicht des Bauteils aus Fig. 1 in einem zweiten Zustand;
Fig. 6 eine Ansicht des Bauteils aus Fig. 1 in einem dritten Zustand; Fig. 7 eine Ansicht eines Bauteils gemäß dem Stand der Technik in einem ersten Zustand;
Fig. 8 eine Ansicht des Bauteils aus Fig. 7 in einem zweiten Zustand; und
Fig. 9 eine Ansicht des Bauteils aus Fig. 7 in einem dritten Zustand.
Die Figuren 7, 8 und 9 zeigen ein Bauteil 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschine, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist . Bei dem Bauteil 1 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen Zylinderkopf la, wobei die Figuren 1, 5 und 6 eine Ansicht auf eine Trennfläche 2 des Zylinderkopfes la zeigen. Statt um den Zylinderkopf la könnte es sich bei dem Bauteil 1 auch um einen Kolben oder um ein anderes, thermisch sehr stark belastetes Bauteil einer Brennkraftmaschine handeln.
Der Zylinderkopf la weist mehrere Ventilbohrungen 3 auf, zwischen denen sich ein thermisch höher belasteter Bereich 4 befindet, der im vorliegenden Fall als Stegbereich 4a bezeichnet wird. Dieser Stegbereich 4a ist während des Betriebs der Brennkraftmaschine' thermisch höher belastet als der Rest des Bauteils 1 bzw. als ein anderer Bereich 5 des Bauteils 1. Da die zu dem Zylinderkopf la gehörende Brennkraftmaschine .drei bzw. sechs Zylinder aufweist, sind insgesamt drei Stegbereiche 4a vorgesehen. Die Stegbereiche 4a 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. Im Falle eines Kolbens wäre der thermisch höher belasteter Bereich 4 vorzugsweise die Kolbenmulde. Selbstverständlich kann die Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine beliebig variieren. Das Bauteil 1 besteht in seiner Gesamtheit aus einem einheitlichen Material, vorzugsweise aus einem Aluminiumwerkstoff, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Legierung, und weist somit einen konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten ofi auf. Die Temperatur des Bauteils 1 befindet sich in dem nicht erhitzten Zustand von Fig. 7 ebenfalls auf einem konstanten Niveau T0.
Fig. 8 zeigt das Bauteil 1 in seinem erhitzten Zustand. Dabei herrscht im Inneren des Bauteils 1, nämlich in dem thermisch höher belasteten Bereich 4, eine erhöhte Temperatur T2 im Vergleich zu der niedrigeren Temperatur TT. in dem Bereich 5. Da die Ausdehnung des thermisch höher belasteten Bereichs 4 jedoch durch die geringere Ausdehnung des Bereichs 5 behindert ist, ergibt sich eine Plastifizierung des Bereichs 4 in diesem erhitzten Zustand.
Wenn, wie in Fig. 9 dargestellt, das Bauteil 1 wieder auf die Temperatur T0 abgekühlt wird, so führt dies zu Zugspannungen im Inneren des Bauteils 1, insbesondere in dem thermisch höher belasteten Bereich 4, was letztlich eine mittels gestrichelter Linien angedeutete Rissbildung nach sich zieht. Eine Rissbildung kann auch an einer, hier nicht dargestellten Glühstiftbohrung beziehungsweise an einer ebenfalls nicht dargestellten • Inj ektionsbohrung erfolgen.
Die Figuren 1 bis 6 zeigen das Bauteil 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Um im Gegensatz zu der oben erläuterten Problematik eine gleichmäßige Ausdehnung des Bauteils 1 während des Betriebs der Brennkraftmaschine zu erreichen, weist der thermisch höher belastete Bereich 4 einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten a2 auf als der thermisch weniger belastete Bereich 5, der auch weiterhin den Wärmeausdehnungskoeffizienten ci aufweist. Der unbehandelte Zustand des Bauteils 1 ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Um das Bauteil 1 herzustellen, wird der höher belastete Bereich 4 aufgeschmolzen, so dass ein Schmelzbad 6 entsteht, wie in Fig. 3 dargestellt. Dieses Aufschmelzen wird vorzugsweise mittels eines Strahlverfahrens und insbesondere mittels eines Laserstrahls 7 durchgeführt. Alternativ zum Einsatz des Laserstrahls 7 könnte auch ein Elektronenstrahl oder dergleichen eingesetzt werden. Des weiteren wäre es auch möglich, das Schmelzbad 6 mittels eines WIG-Verfahrens oder auf eine andere geeignete Art und Weise herzustellen.
In das Schmelzbad 6 wird, wie in Fig. 4 dargestellt, ein Zusatzmaterial 8 eingebracht, welches zu der beschriebenen Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten cιx des Bauteils 1 auf den Wert ct2 des höher belasteten Bereichs 4 führt . Vorzugsweise wird als Zusatzmaterial 8 ein keramisches Material (in Form von Pulvern oder Kurzfasern ; z. B. A1203) eingesetzt. Ferner kann das Zusatzmaterial auch auf Silizium-Basis bestehen oder in Form von intermetallischen Dispersoiden bspw. auf der Basis von Al-Fe-Zr/Ce ausgestaltet sein.
Aus der Darstellung gemäß Fig. 5 ist erkennbar, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine, also bei einer entsprechenden Erhitzung des Bauteils 1, über die beiden Bereiche 4 und 5 trotz der erhöhten Temperatur T2 des thermisch höher belasteten Bereichs 4 eine gleichmäßige Ausdehnung gegeben ist, da sich das Material des thermisch höher belasteten Bereichs 4 weniger stark ausdehnt als das Material des thermisch weniger stark belasteten Bereichs 5 und somit von diesem bei seiner Ausdehnung nicht behindert wird.
Fig. 6 zeigt schließlich den Zustand nach dem Abkühlen des Bauteils 1 und es ist erkennbar, dass keinerlei Rissbildung zu verzeichnen ist .

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil einer Brennkraftmaschine, welches wenigstens einen Bereich aufweist, welcher während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch höher belastet ist als ein anderer Bereich, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch höher belastete Bereich (4) einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten [oι2) aufweist als der thermisch weniger belastete Bereich (5) .
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der thermisch höher belastete Bereich (4) eine gegenüber dem thermisch weniger belasteten Bereich (5) eine veränderte LegierungsZusammensetzung aufweist.
3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , der thermisch höher belastete Bereich (4) ein keramisches Material oder eine intermetallische Verbindung aufweist.
4. Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Aluminiumwerkstoff besteht.
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Zylinderkopf (la) ist.
6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch höher belastete Bereich (4) ein sich zwischen jeweiligen Ventilbohrungen (3) befindlicher Stegbereich (4a) ist.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) ein Kolben ist.
8. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch höher belastete Bereich (4) eine Kolbenmulde und oder ein Muldenrand ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch höher belasteter Bereich (4) als ein anderer Bereich des Bauteils (1) aufgeschmolzen wird, und dass in ein durch das Aufschmelzen entstehendes Schmelzbad (6) ein Zusatzmaterial (8) eingebracht wird, durch welches der thermisch höher belastete Bereich (4) einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (a2) erhält als der thermisch weniger belastete Bereich (5) .
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen mittels eines Strahlverfahrens durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Strahlverfahrens ein Laserstrahl (7) eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzmaterial (8) ein keramisches Material verwendet wird.
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