DE102004005799A1

DE102004005799A1 - Verfahren zur Herstellung einer lokalen Verstärkung für ein Bauteil einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004005799A1
Application number: DE200410005799
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. Claus; Reiner Dipl.-Ing. Heigl (FH); Harald Dipl.-Ing. Pfeffinger
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2005-09-01
Also published as: WO2005075704A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer lokalen Verstärkung für ein Bauteil (1) einer Brennkraftmaschine wird die Oberfläche des Bauteils (1) in dem zu verstärkenden Bereich partiell aufgeschmolzen. Auf den zu verstärkenden Bereich des Bauteils (1) wird ein mit Poren (3) versehener Verstärkungskörper (2) aufgebracht. Das geschmolzene Material des Bauteils (1) dringt in die Poren (3) des Verstärkungskörpers (2) ein und verbindet nach seiner Erstarrung den Verstärkungskörper (2) mit dem Bauteil (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer lokalen Verstärkung für ein Bauteil einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Gattungsgemäße Verfahren sind beispielsweise aus der EP 0 092 683 B1 oder der DE 199 12 889 A1 bekannt. Dabei wird ein Zusatzmaterial durch einen Laserstrahl mit dem Basismaterial eines Zylinderkopfes verschmolzen, um einen Ventilsitz zu bilden. Problematisch bei diesem Verfahren ist jedoch, dass sich an der Grenzfläche zwischen dem Zusatzmaterial und dem Basismaterial oftmals intermetallische Phasen bilden, die sehr spröde sind und damit negative Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils haben. Des weiteren führt der dabei erforderliche Einsatz von Pulvern zu einem erhöhten Aufwand.

Bei herkömmlichen eingepressten Ventilsitzringen muss zur Bildung der Ventilsitznut eine verhältnismäßig große Aussparung in dem Material des Zylinderkopfes geschaffen werden, was aufgrund der erforderlichen Festigkeit und des notwendigen Abstands zum Wassermantel des Zylinderkopfes zu einem sehr großen Bauraumbedarf führt. Ein weiteres Problem der eingepressten Ventilsitzringe sind die durch dieselben in den Zylinderkopf induzierten Spannungen.

Bei dem aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten und teilweise zur Herstellung von Verstärkungen, beispielsweise im Bereich von Kolbenringen, angewandten Eingießen kommt es aufgrund der unterschiedlichen Schrumpfungen des jeweiligen Materials, beispielsweise Stahl und Aluminium, häufig zu einer unerwünschten Spaltbildung.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer lokalen Verstärkung für ein Bauteil einer Brennkraftmaschine zu schaffen, mit welchem die bestehenden Probleme bezüglich intermetallischer Phasen, auftretender Spannungen und erhöhtem Bauraumbedarf vermieden werden, wobei das Verfahren mit möglichst geringem Aufwand durchführbar sein soll, um eine Anwendung desselben in der Serienfertigung zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß weist der auf das Bauteil aufgebrachte Verstärkungskörper Poren auf, in welche das geschmolzene Material des Bauteils aufgrund von Kapillarwirkung eindringt und beim Erstarren eine metallurgische und mechanische Verbindung mit dem Verstärkungskörper herstellt. Gegenüber bekannten Lösungen wie dem mechanischen Einpressen werden durch das erfindungsgemäße Verfahren sehr viel geringere bzw. gar keine mechanischen Spannungen in das Bauteil indiziert, so dass eine geringere Belastung desselben gegeben ist. Dadurch, dass die Geometrie des Verstärkungskörpers annähernd frei gewählt werden kann, benötigt derselbe einen weitaus geringeren Bauraum, so dass sich erweiterte konstruktive Freiheitsgrade ergeben, die beispielsweise zur Kühlung oder Verstärkung des Bauteils der Brennkraftmaschine eingesetzt werden können.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich darüber hinaus eine sehr gute und dauerhafte Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Verstärkungskörper, so dass nicht mit Spalten oder dergleichen zu rechnen ist, wie dies beispielsweise beim Eingießen der Fall ist. Erfindungsgemäß wird das Material des Verstärkungskörpers nicht aufgeschmolzen, sodass vorteilhafterweise nicht mit störenden intermetallischen Phasen zu rechnen ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich somit ein Brennkraftmaschinenbauteil mit einer verbesserten Funktionalität und einer gegenüber bekannten Lösungen erheblich erhöhten Lebensdauer.

Da die Verbindung insbesondere in der Grenzfläche zwischen dem Bauteil und dem Verstärkungskörper erfolgen soll, ist es vorteilhaft, wenn sich in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Größe der Poren des Verstärkungskörpers in Richtung von dem Bauteil weg verringert, da hierdurch das Material des Bauteils nicht zu weit in den Verstärkungskörper eindringt.

Als Bauteil kann beispielsweise ein Zylinderkopf und als Verstärkungskörper ein Ventilsitzring verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass als Bauteil ein Kolben und als Verstärkungskörper eine Kolbenringaufnahme verwendet wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Ansprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung prinzipmäßig anhand der Zeichnungen dargestellt.
Dabei zeigen:
1 Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei als Bauteil ein Zylinderkopf und als Verstärkungskörper ein Ventilsitzring verwendet wird; und
2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei als Bauteil ein Kolben und als Ver stärkungskörper eine Kolbenringaufnahme verwendet wird;
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Bauteil 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Das Bauteil 1 ist als Zylinderkopf 1a ausgebildet und soll mit einer lokalen Verstärkung versehen werden. Hierzu wird, wie nachfolgend beschrieben, ein Verstärkungskörper 2 mit dem Bauteil 1 verbunden. Bei dem Verstärkungskörper 2 handelt es sich um einen Ventilsitzring 2a, an dem ein nicht dargestelltes Gaswechselventil der Brennkraftmaschine in seinem geschlossenen Zustand anliegt.
Wie in 1 zu erkennen ist, weist der Verstärkungskörper 2 eine Vielzahl von Poren 3 auf, wobei sich im vorliegenden Fall die Größe der Poren 3 des Verstärkungskörpers 2 in Richtung von dem Bauteil 1 weg verringert. Alternativ wäre auch eine gleichmäßige Verteilung der Poren 3 innerhalb des Verstärkungskörpers 2 möglich. Um eine Verbindung des Bauteils 1 mit dem Verstärkungskörper 2 zu erreichen, wird die Oberfläche des Bauteils 1 in dem zu verstärkenden Bereich partiell aufgeschmolzen, woraufhin das geschmolzene Material des Bauteils 1 aufgrund von Kapillarwirkung gemäß den mit „A" bezeichneten Pfeilen in die Poren 3 des Verstärkungskörpers 2 eindringt und nach seiner Erstarrung den Verstärkungskörper 2 mit dem Bauteil 1 verbindet. Durch die Verringerung der Porengröße dringt das Material des Bauteils 1 weniger tief in den Verstärkungskörper 2 ein und führt somit zu einer sehr guten Verbindung insbesondere in der Grenzfläche zwischen dem Bauteil 1 und dem Verstärkungskörper 2.
Die Oberfläche des Bauteils 1 wird durch Wärmezufuhr aufgeschmolzen, wozu beispielsweise ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl, ein Plasma, eine Flamme oder auch die Wirkung der elektromagnetischen Induktion verwendet werden können. Der Verstärkungskörper 2 kann sowohl vor als auch nach dem Aufschmelzen des zu verstärkenden Bereichs auf das Bauteil 1 aufgebracht werden. Des weiteren ist es auch möglich, den Verstärkungskörper 2 zum Zwecke des Aufschmelzens des zu verstärkenden Bereichs auf das Bauteil 1 aufzubringen. In diesem Fall kann gegebenenfalls auf die oben angegebenen Möglichkeiten zur Wärmezufuhr verzichtet werden. Um die oben beschriebene Wirkung der Erstarrung des Bauteils 1 zu erreichen, ist es selbstverständlich erforderlich, die Erwärmung des Bauteils zu einem gewissen Zeitpunkt einzustellen.
Die Einbringung von Wärme sollte so gesteuert werden, dass die Temperatur an der Grenzfläche zwischen dem Bauteil 1 und dem Verstärkungskörper 2 ausreicht, das Material des Bauteils 1 lokal an der Grenzfläche aufzuschmelzen, während der Verstärkungskörper 2 nicht aufgeschmolzen wird. Hierbei ist der Schmelzpunkt des Verstärkungskörpers 2 höher als der Schmelzpunkt des Bauteils 1. Die Benetzung des Verstärkungskörpers 2 sowie das Einbringen des Materials des Bauteils 1 in die Poren 3 kann dadurch verbessert werden, dass der Verstärkungskörper 1 insbesondere an der dem Bauteil 1 zugewandten Fläche mit einem Benetzungsmittel 4, beispielsweise einem Lotwerkstoff, versehen wird. Des weiteren kann die Filtration des Materials des Bauteils 1 in den Verstärkungskörper 2 durch leichtes Anpressen des Verstärkungskörpers 2 in Richtung des Bauteils 1 während des lokalen Aufschmelzens verbessert werden. Das Bauteil 1 besteht vorzugsweise aus einer Aluminium- oder einer Graugusslegierung.
Nach dem Erstarren des Bauteils 1 kann der sehr nah an der Endkontur des fertigen Ventilsitzrings 2a ausgeführte Verstärkungskörper 2 beispielsweise durch Schleifen mechanisch bearbeitet werden, so dass eventuell durch das Verfahren eingebrachte Toleranzen beseitigt werden. In der dargestellten Ausführungsform als Ventilsitzring 2a könnte theoretisch auch eine Ventilführung für ein Gaswechselventil Teil des Verstärkungskörpers 2 sein. In jedem Fall kann der Ventilsitzring 2a gemeinsam mit der nicht dargestellten Ventilführung bearbeitet werden.
Um eine Verstärkung des Bauteils 1 zu erreichen, sollte der Verstärkungskörper 2 eine größere Härte und/oder eine höhere Festigkeit als das zu verstärkende Bauteil 1 aufweisen. Als Verstärkungskörper kommen beispielsweise ein Sintermetallteil, ein keramischer Presskörper, ein keramischer Grünling oder ein metallischer oder keramischer Schaum in Frage. Im Falle eines Grünlings kann das Verfahren, insbesondere die Zuführung von Wärme zu dem Bauteil 1, so gesteuert werden, dass der Grünling durch die Wärmezufuhr fertig gesintert wird.
In 2 ist eine weitere Möglichkeit zur Anwendung des beschriebenen Verfahrens dargestellt. Dort wird das Bauteil 1 durch einen Kolben 1b und der Verstärkungskörper 2 durch eine Kolbenringaufnahme 2b gebildet. Die Kolbenringaufnahme 2b weist mehrere Nuten 5 auf, in die zu einem späteren Zeitpunkt die hier nicht dargestellten Kolbenringe eingesetzt werden. Das Verfahren zum Verbinden der Kolbenringaufnahme 2b mit dem Kolben 1b erfolgt wie oben unter Bezugnahme auf den Ventilsitzring 2a und den Zylinderkopf 1a beschrieben.
Das beschriebene Verfahren könnte auch für weitere Bauteile von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, welche mit lokalen Verstärkungen versehen werden sollen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer lokalen Verstärkung für ein Bauteil einer Brennkraftmaschine, wobei die Oberfläche des Bauteils in dem zu verstärkenden Bereich partiell aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf den zu verstärkenden Bereich des Bauteils (1) ein mit Poren (3) versehener Verstärkungskörper (2) aufgebracht wird, wobei das geschmolzene Material des Bauteils (1) in die Poren (3) des Verstärkungskörpers (2) eindringt und nach seiner Erstarrung den Verstärkungskörper (2) mit dem Bauteil (1) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (2) vor dem Aufschmelzen des zu verstärkenden Bereichs auf das Bauteil (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (2) nach dem Aufschmelzen des zu verstärkenden Bereichs auf das Bauteil (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (2) zum Zwecke des Aufschmel zens des zu verstärkenden Bereichs auf das Bauteil (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Größe der Poren (3) des Verstärkungskörpers (2) in Richtung von dem Bauteil (1) weg verringert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungskörper (2) ein Sintermetallteil, ein keramischer Presskörper, ein keramischer Grünling oder ein metallischer oder keramischer Schaum verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (2) eine größere Härte als das zu verstärkende Bauteil (1) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (2) eine höhere Festigkeit als das zu verstärkende Bauteil (1) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Bauteils (1) durch Wärmezufuhr mittels eines Laserstrahls, mittels eines Elektronenstrahls, mittels einer Flamme, mittels Induktion oder mittels des Verstärkungskörpers (2) aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (2) vor dem Aufbringen auf das zu verstärkende Bauteil (1) mit einem Benetzungsmittel versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil (1) ein Zylinderkopf (1a) und als Verstärkungskörper (2) ein Ventilsitzring (2a) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil (1) ein Kolben (1b) und als Verstärkungskörper (2) eine Kolbenringaufnahme (2b) verwendet wird.