WO2009062486A1 - Verfahren zum härten von nutflanken der ringnut eines stahlkolbens mittels eines laserstrahls - Google Patents

Verfahren zum härten von nutflanken der ringnut eines stahlkolbens mittels eines laserstrahls Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for hardening groove flanks of the annular groove of a steel piston according to the preamble of claim 1.
  • German Offenlegungsschrift DE 103 37 962 A1 discloses a method for laser hardening groove flanks of the annular grooves of a steel piston, in which a laser beam having a wavelength of less than 5 ⁇ m is used in order to achieve a degree of laser beam energy suitable for hardening. which must also be directed at a sufficiently large angle of incidence on the groove to be hardened.
  • the disadvantage here is that the selection of laser sources that generate laser radiation with a wavelength of less than 5 microns, is low.
  • the choice of a sufficiently large angle of incidence, depending on the position of the laser source relative to the steel piston is limited by the geometry of the annular groove, i.e. by the groove flank opposite the groove flank to be hardened.
  • the hardened groove flank surface of the steel piston is colored by means of iron oxide, their batheinkopplungsgrad so far and also reduces their reflectivity so much that the laser light are blasted regardless of its wavelength at an arbitrary angle of incidence on the groove flank surface to be hardened can.
  • FIG. 1 shows a device for laser hardening the flank of a groove for a piston ring
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the piston ring groove, whose lower flank is hardened by means of a laser.
  • Fig. 1 shows a fixed to a holding device 1 laser source 2, which, as shown in Fig. 2 is enlarged, a laser beam 3 directed to the lower edge 10 of the upper annular groove 11 of a piston 5 made of steel for an internal combustion engine, wherein the annular groove 11 is provided for a compression ring, not shown in the figures.
  • the Stahikolben 5 is rotatably mounted about a piston holder 13 on a turntable 6 about its piston axis 13, wherein the turntable 6 is mounted on a foundation 7 with an electric drive device, not shown in the figure, of which the turntable is electrically controlled in rotation ,
  • a gas line 8 is fixed to the holding device 1 and to a stand 9, from which via a gas nozzle 4 process gas in the direction of the upper annular groove 11 is passed, which surrounds in particular the region of the lower edge 10 to be laser hardened, with the process gas ,
  • the laser source 2 for example, a diode laser or an Nd: YAG laser can be used.
  • the lower edge 10 of the annular groove 11 is hardened for the compression ring, because this edge is exposed in engine operation by the compression ring an increased load.
  • any surface of the piston 5 subjected to high mechanical stress can be hardened.
  • the process gas is passed via the gas nozzle 4 to the lower groove flank 10, which can consist of a mixture of argon and oxygen, of nitrogen and oxygen or of argon, nitrogen and oxygen. In the course of extensive experiments, good results were achieved with a process gas mixture consisting of 1% oxygen and 99% nitrogen.
  • the process gas causes the groove flank surface hit by the laser beam 3 to become colored due to oxide formation, with iron oxide (F 2 O 3 ) forming.
  • iron oxide F 2 O 3
  • the coloring of the groove flank surface by means of iron oxide reduces the reflectivity of this surface, whereby the strength of the laser beam 3 'reflected by the groove flank 10 and dotted in FIG. 2 is reduced to such an extent that the groove base 14 hit by it is no longer heated sufficiently to be hardened. It is undesirable to harden the groove base 14 or the edge between groove flank 10 and groove base 14 because hardening of these regions reduces the basic toughness of the piston material in these regions to the extent that cracks may form during engine operation.
  • the method according to the invention for hardening the groove flank 10 has the further advantage that the angle of incidence ⁇ formed by the groove flank 10 and the laser beam 3 can be selected as desired and is chosen such that the size of the hardness penetration zone is optimally adjusted for the best possible hardness result.

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Härten von Nutflanken der Ringnut (11) eines Stahlkolbens (5) mittels eines Laserstrahles (3), wobei zunächst sauerstoffhaltiges Prozessgas auf eine Nutflanke (10) des Stahlkolbens (5) geleitet und der Stahlkolbens (5) in Drehung versetzt wird. Hierbei wird die Nutflanke (1) mit dem Laserstrahl (3) bestrahlt, bis sich auf der Nutflanke eine Oxidschicht gebildet hat. Anschließend wird die Zuführung des Prozessgases abgeschaltet und die Nutflanke (10) spurweise erhitzt und gehärtet. Durch die Oxidschicht auf der Nutflanke wird zum einen der Wärmeeinkopplungsgrad der Nutflanke verbessert, was ein schnelleres Erhitzen und Härten der Nutflanke bewirkt. Zum anderen wird dadurch die Reflektivität der Nutflanke reduziert, sodass nur noch wenig Licht von der Nutflanke auf andere Bereiche der Nut reflektiert wird, sodass diese Bereiche nicht ungewollt erhitzt und gehärtet werden.

Description

VERFAHREN ZUM HÄRTEN VON NUTFLANKEN DER RINGNUT EINES STAHLKOLBENS MITTELS EINES LASERSTRAHLS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Nutflanken der Ringnut eines Stahlkolbens nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der Offenlegungsschrift, DE 103 37 962 A1 , ist ein Verfahren zum Laserhärten von Nutflanken der Ringnuten eines Stahlkolbens bekannt, bei dem, um einen zum Härten geeigneten Absorptionsgrad der Laserstrahlenergie zu erreichen, ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von weniger als 5 μm verwendet wird, der zudem unter einem ausreichend großen Einfallswinkel auf die zu härtende Nut gerichtet werden muss. Nachteilig ist hierbei, das die Auswahl der Laserquellen, die Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 5 μm erzeugen, gering ist. Zudem wird die Wahl eines ausreichend großen Einfallswinkels je nach Stellung der Laserquelle gegenüber dem Stahlkolben durch die Geometrie der Ringnut, d.h., durch die der zu härtenden Nutflanke gegenüber liegende Nutflanke begrenzt.
Diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Dadurch, dass gemäß der Erfindung die zu härtende Nutflankenfläche des Stahlkolbens mittels Eisenoxid eingefärbt wird, erhöht sich deren Wärmeeinkopplungsgrad so weit und reduziert sich zudem deren Reflektivität so sehr, dass das Laserlicht unabhängig von dessen Wellenlänge unter einem beliebigen Einfallswinkel auf die zu härtende Nutflankenfläche gestrahlt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine Einrichtung zum Laserhärten der Flanke einer Nut für einen Kolbenring und Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Kolbenringnut, deren untere Flanke mittels eines Lasers gehärtet wird.
Fig. 1 zeigt eine an einer Haltevorrichtung 1 befestigte Laserquelle 2, die, wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist, einen Laserstrahl 3 auf die untere Flanke 10 der oberen Ringnut 11 eines Kolbens 5 aus Stahl für einen Verbrennungsmotor richtet, wobei die Ringnut 11 für einen in den Figuren nicht dargestellten Kompressionsring vorgesehen ist. Der Stahikolben 5 ist über eine Klemmhalterung 12 auf einem Drehteller 6 um seine Kolbenachse 13 drehbar gelagert, wobei der Drehteller 6 auf einem Fundament 7 mit einer in der Figur nicht dargestellten, elektrischen Antriebvorrichtung befestigt ist, von der der Drehteller elektrisch gesteuert in Drehung versetzt wird.
Weiterhin ist an der Haltevorrichtung 1 und an einem Stativ 9 eine Gasleitung 8 befestigt, von der über eine Gasdüse 4 Prozessgas in Richtung der oberen Ringnut 11 geleitet wird, das insbesondere den Bereich der unteren Flanke 10, der lasergehärtet werden soll, mit dem Prozessgas umgibt.
Als Laserquelle 2 kann beispielsweise ein Diodenlaser oder ein Nd:YAG-Laser verwendet werden. Hiermit wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung die untere Flanke 10 der Ringnut 11 für den Kompressionsring gehärtet, weil diese Flanke im Motorbetrieb durch den Kompressionsring einer erhöhten Belastung ausgesetzt ist. Auf die erfindungsgemäße Weise kann aber jede mechanisch hochbelastete Fläche des Kolbens 5 gehärtet werden.
Hierbei wird von dem kleinen Brennfleck des Laserstrahls 3 die untere Fläche 10 der Ringnut 11 des mittels des Drehtellers 6 in Drehung versetzten Kolbens 5 spurweise erhitzt. Ein Kühlmedium, um das für den Härteprozess erforderliche Abkühlen der erhitzten Spur zu bewirken, ist hierbei nicht erforderlich, da sich ein sehr schneller Temperaturausgleich zwischen der erhitzten Spur und dem angrenzenden Kolbenmaterial, Stahl, ergibt, der eine Selbstabschreckung mit sich bringt, die ein gutes Aushärten der unteren Nutflanke 10 verursacht. Während dieses Härteprozesses wird über die Gasdüse 4 das Prozessgas auf die untere Nutflanke 10 geleitet, das aus einer Mischung aus Argon und Sauerstoff, aus Stickstoff und Sauerstoff oder aus Argon, Stickstoff und Sauerstoff bestehen kann. Im Rahmen umfangreicher Versuche wurden gute Ergebnisse mit einer aus 1 % Sauerstoff und 99 % Stickstoff bestehenden Prozessgasmischung erzielt.
Das Prozessgas bewirkt hierbei, dass sich die vom Laserstrahl 3 getroffene Nutflankenfläche aufgrund einer Oxidbildung einfärbt, wobei sich Eisenoxid (Fβ2θ3) bildet. Hierdurch ergibt sich zum einen eine Verbesserung des Wärmeeinkopplungsgrades der per Laser bestrahlten Fläche, wodurch das Erhitzen dieser Fläche beschleunigt und damit der Wirkungsgrad des Lasers verbessert wird. Zum anderen reduziert die Einfärbung der Nutflankenfläche mittels Eisenoxid die Reflektivität dieser Fläche, wodurch die Stärke des von der Nutflanke 10 reflektierten und in Fig. 2 gepunktet gezeichneten Laserstrahles 3' insoweit verringert wird, dass der hiervon getroffene Nutgrund 14 nicht mehr ausreichend erhitzt wird, um gehärtet zu werden. Den Nutgrund 14 beziehungsweise die Kante zwischen Nutflanke 10 und Nutgrund 14 zu härten, ist unerwünscht, weil ein Härten dieser Bereiche die Grundzähigkeit des Kolbenmaterials in diesen Bereichen insoweit reduziert, dass sich im Motorbetrieb hier Risse bilden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren, die Nutflanke 10 zu härten, hat den weiteren Vorteil, dass der von der Nutflanke 10 und dem Laserstrahl 3 gebildete Einfallswinkel α beliebig wählbar ist und so gewählt wird, dass die Größe der Härteeindringzone für ein bestmögliches Härteergebnis optimal eingestellt wird.
- A -
Bezugszeichenliste
α Einfallswinkel
1 Haltvorrichtung
2 Laserquelle
3, 3' Laserstrahl
4 Gasdüse
5 Kolben, Stahlkolben
6 Drehteller
7 Fundament
8 Gasleitung
9 Stativ
10 untere Flanke, Nutflanke
11 obere Ringnut
12 Klemmhalterung
13 Kolbenachse
14 Nutgrund

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Härten von Nutflanken der Ringnut (11 ) eines um seine Kolbenachse (13) drehbar gelagerten Stahlkolbens (5) mittels eines Laserstrahles (3), wobei der Laserstrahl (3) auf eine Nutflanke (10) gerichtet und der Stahlkolben (5) um seine Kolbenachse (13) in Drehung versetzt werden, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Leiten von sauerstoffhaltigem Prozessgas auf die Nutflanke (10) des Stahlkolbens (5),
- Versetzen des Stahlkolbens (5) in Drehung,
- Bestrahlen der vom Prozessgas umgebenen Nutflanke (10) mit dem Laserstrahl (3), bis sich auf der Nutflanke (10) eine Oxidschicht gebildet hat,
- Abschalten der Zuführung des Prozessgases,
- spurweises Erhitzen und Härten der Nutflanke (10) mit dem Laserstrahl (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgas eine Mischung aus Argon und Sauerstoff verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgas eine Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgas eine Mischung aus Stickstoff, Argon und Sauerstoff verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Prozessgas zumindest näherungsweise 1 % Sauerstoff zugemischt wird.
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