DE102020210036B4

DE102020210036B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor und Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102020210036B4
Application number: DE102020210036.5A
Authority: DE
Inventors: Rainer Weiss; Wolfram Cromme; Klaus Lades; Jayaram Ramamoorthi
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2040-08-08
Also published as: DE102020210036A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dassein Kolbenrohling bereitgestellt wird,ein Bereich des Kolbenrohlings mittels Wolfram-Inertgas-Schweißen umgeschmolzen wird undanschließend die erste Ringnut in den umgeschmolzenen Bereich eingearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des umgeschmolzenen Bereichs in Umfangsrichtung des Kolbenrohlings variiert wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie einen derartig hergestellten Kolben.
STAND DER TECHNIK
Aufgrund steigender Belastungen in Verbrennungsmotoren, insbesondere durch hohe Zünddrücke und geänderte Verbrennungsstrategien, die das Auftreten von Vorentflammung mit lokal begrenzten Zünddruck-Belastungen begünstigen, müssen moderne Ottomotorkolben in der ersten Ringnut verstärkt werden. Hierdurch können Kolbenschäden, wie beispielsweise Ringstegbrüche, ausgehend vom Nutgrund der ersten Ringnut, weitgehend verhindert werden.
Als Vorbenutzungsgegenstände sind insbesondere Dieselmotorkolben bekannt, bei denen die erste Ringnut durch das Eingießen eines sogenannten Ringträgers aus einem Eisenwerkstoff (Niresist) verstärkt wird. In jüngerer Zeit wird dieses Prinzip auch auf Ottomotorkolben angewendet. Diese Vorgehensweise ist jedoch durch die Notwendigkeit eines Ringträgers als Zukaufteil, den erhöhten Prozessaufwand beim Gießen, den erhöhten Aufwand bei der spanenden Bearbeitung des Kolbens und ein erhöhtes Ausschussrisiko aufgrund von mangelhafter stoffschlüssiger Verbindung zwischen Grundmaterial und Ringträger mit zusätzlichen Kosten verbunden. Darüber hinaus wird in nachteiliger Weise das Gewicht des Kolbens erhöht.
Aus der US 2005 / 0 132 569 A1 ist die Verstärkung einer Ringnut durch Aufbringen eines Beschichtungsmaterials und nachfolgendes Erwärmen mittels Laserstrahl bekannt.
Die US 2008 / 0 053 384 A1 betrifft eine Härtung der Nutflanken mittels eines ähnlichen Verfahrens.
Gemäß der DE 28 35 332 C2 wird eine Ringnut mittels eines Energie-, insbesondere Elektronenstrahls umgeschmolzen.
Die DE 10 2008 048 978 A1 betrifft ein Verfahren zur Armierung zumindest einer Ringnut eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, wobei ein inhomogenes Gefüge im Bereich der einzubringenden Ringnut nach der Herstellung eines Kolbenrohlings durch einen Umschmelzvorgang homogenisiert wird und bei diesem ersten Verarbeitungsschritt des Umschmelzvorganges Legierungszusätze unter Zuhilfenahme einer Wärmequelle aufgeschmolzen und damit im zu armierenden Bereich zugesetzt werden, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass das schon teilweise homogenisierte Gefüge in einem weiteren Verarbeitungsschritt, jetzt allerdings ohne Zugabe von Legierungszusätzen, unter Zuhilfenahme der Wärmequelle erneut oberflächlich aufgeschmolzen wird.
In der EP 0 284 118 A2 ist ein Verfahren zum Verringern des Verschleißes zwischen den radialen Flächen eines Kolbenrings und den radialen Flächen der zusammenwirkenden Kolbenringnut in einem Kolben aus einer Aluminiumlegierung offenbart, wobei das Verfahren den Schritt des lokalen Legierens zumindest eines Bereichs umfasst.
Die DE 29 26 699 A1 betrifft ein Verfahren zur Verfestigung einer Ringnut in einem Kolben aus einer Aluminiumlegierung, bei dem im Kolben eine ringförmige verschleißfeste Schweißnaht ausgeführt und danach in dieser die Ringnut ausgedreht wird, wobei die Schweißnaht durch Durchschmelzen einer vorbestimmten Ringzone des Kolbens mit gleichzeitigem Zusetzen eines Legierungswerkstoffs zur schmelzflüssigen Aluminiumlegierung des Kolbens erzeugt wird.
In der DE 24 25 358 A1 wird ein Verfahren zum Auftragen einer verschleißfesten Verstärkungsauflage auf Kupferbasis auf einen oder mehrere Bereiche eines aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolbens durch Vorwärmen und Lichtbogenspritzen beschrieben, wobei der Kolben auf 75 bis 125 °C vorgewärmt wird und das Aufspritzen der Legierungspartikel anfänglich mit einem Gasdruck von 3,10 bar und nachfolgend mit einem Gasdruck von 4,80 bar sowie bei einer Bogenspannung von 27 oder 28 Volt während des gesamten Spritzens oder anfänglich mit einem Gasdruck von 2,80 bar und einer Bogenspannung von 42 Volt sowie nachfolgend mit einem Gasdruck von 4,50 bar und einer Bogenspannung von 30 Volt durchgeführt wird.
Die DE 10 2015 222 862 A1 betrifft ein Verfahren zum Beschichten wenigstens einer an einem Kolben vorgesehenen Kolbennut mit einer Schutzbeschichtung, umfassend die folgenden Schritte:

a) Anordnen des Kolbens mit der zu beschichtenden Kolbennut in einer Beschichtungseinrichtung,
b) Fluiddichtes Abdichten eines Zwischenraums, der im Bereich der zu beschichtenden Kolbennut zwischen dem Kolben und der Beschichtungseinrichtung ausgebildet wird, mittels eines mit einem Fluid befüllbaren und expandierbaren Dichtungselements,
c) Aufbringen der Schutzbeschichtung durch Einbringen eines Beschichtungsmaterials in den Zwischenraum, so dass eine Oberfläche der Kolbennut mit dem Beschichtungsmaterial beschichtet wird.

In der DE 10 37 201 B wird ein für Brennkraftmaschinen bestimmter Leichtmetallkolben mit teilweiser Bewehrung der Ringnutenflanken durch eingegossene flache Einlagen aus einem Werkstoff, der einen kleineren Wärmedehnungsbeiwert und eine größere Härte als der Kolbenwerkstoff aufweist, beschrieben, bei welchem die Einlagen im Bereich der Ringnutenflanken voneinander getrennte Segmentteile darstellen und bei welchem der einzelne Segmentteil jeweils nur einer der beiden Flanken der gleichen Ringnut als Bewehrungselement zugeordnet ist.
Die DE 24 05 389 A1 beschreibt Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen mit im Ringfeld, vorzugsweise im Bereich der obersten Ringnute, eingegossenen in radialer Richtung mäanderförmig aufgelösten, aus gewöhnlichem Grauguss bestehenden Ringträgern, in die die Ringnuten eingearbeitet sind.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, bei dem die Rissanfälligkeit im Bereich der Kolbenringnuten reduziert ist. Ferner soll ein derartig hergestellter Kolben bereitgestellt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren. Demzufolge wird im Rahmen der Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zunächst ein Kolbenrohling bereitgestellt, anschließend ein Bereich des Kolbenrohlings mittels Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG/TIG) umgeschmolzen und anschließend die erste Ringnut in den umgeschmolzenen Bereich eingearbeitet. Die erste Ringnut ist dabei die am nächsten zum Brennraum liegende Ringnut. Mit anderen Worten wird das Kolbenmaterial selbst umgeschmolzen, und es ist kein Eingießteil mit den damit einhergehenden Nachteilen erforderlich.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass auf das lokale Aufschmelzen mittels Wolfram-Inertgas-Schweißen eine schnelle Erstarrung erfolgt, die zu einem gegenüber dem ursprünglichen Gussgefüge sehr stark gefeinten Erstarrungsgefüge führt. Diese deutlich feineren Phasen haben einen signifikanten positiven Einfluss auf die Festigkeit, Duktilität und Rissempfindlichkeit. Insbesondere haben die Erfinder festgestellt, dass Risse häufig von dem vergleichsweise kleinen Krümmungsradius zwischen Nutengrund und -flanke ausgehen. Diese Bereiche werden auch als Nutgrundradien bezeichnet und profitieren in besonderem Maße von dem extrem feinen Gefüge, da die Initiierung von Rissen in diesem Bereich deutlich reduziert werden kann. Entsprechend wird die erste Ringnut erfindungsgemäß in den umgeschmolzenen Bereich eingearbeitet.
Durch die bevorzugte Verwendung des Wolfram-Inertgas-Schweißverfahrens für die Umschmelzbehandlung wird vergleichsweise wenig Wärmeenergie eingetragen, so dass die Wärmeeinflusszone lokal äußerst begrenzt ist und keine thermische Schädigung des Kolbens, beispielweise durch Verzug und ähnliches, zu befürchten ist.
In vorteilhafter Weise wird die Umschmelztiefe über den Umfang des Kolbenrohlings verändert, so dass mit anderen Worten in verschiedenen Bereichen des Kolbenumfangs eine unterschiedliche Umschmelztiefe erzeugt wird. Dadurch kann einerseits die Prozesszeit optimiert werden und andererseits in einzelnen Bereichen die technische Wirksamkeit des Umschmelzens verbessert werden.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen positiven Eigenschaften ist ein Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Herstellung von Ottokolben sowie auch Dieselkolben geeignet.
Bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt die erste Ringnut vollständig im umgeschmolzenen Bereich. Bevorzugt umfasst der umgeschmolzene Bereich auch zumindest einen Teil des im resultierenden Kolben vorliegenden zweiten Ringstegs unterhalb der ersten Ringnut. Besonders bevorzugt liegen alle Ringnuten im umgeschmolzenen Bereich. Das gefeinte Gefüge führt in vorteilhafter Weise zu verbesserten Werkstoffeigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Duktilität und Rissempfindlichkeit in den betroffenen Abschnitten des Kolbens.
Mit Vorteil ist der umgeschmolzene Bereich tiefer als die nachfolgend eingearbeitete erste Ringnut, bevorzugt um 1 mm tiefer als die eingearbeitete erste Ringnut. Weiterhin wird bevorzugt, dass der umgeschmolzene Bereich bezogen auf den Nutgrund eine Tiefe von 0,5 mm bis 3 mm, bevorzugt eine Tiefe von 1 bis 2 mm aufweist. Derart kann sichergestellt werden, dass das gefeinte Gefüge im Nutengrund und in der Nutenflanke der ersten Ringnut vorliegt. In diesem Bereich hat das Gefüge einen besonders signifikanten positiven Effekt auf die Werkstoffeigenschaften.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Schweißparameter während des Wolfram-Inertgas-Schweißens in Umfangsrichtung variiert. Damit kann zum einen die im vorstehenden Absatz thematisierte unterschiedliche Umschmelztiefe in Umfangsrichtung gesteuert werden. Zum anderen ist es aber auch möglich, über eine Variierung der Schweißparameter eine konstante Umschmelztiefe in Umfangsrichtung zu erzeugen. Dies kann dann notwendig sein, wenn beispielsweise im Design des Kolbens begründete lokale Unterschiede in der Wärmeabfuhr während des Schweißens auftreten. In diesem Zusammenhang stellen Stromstärke, Spannung, Vorschubgeschwindigkeit, Anstellwinkel des Brenners, Elektrodenform, Schutzgasstrom und/oder Schutzgasmischverhältnis (beispielsweise He/Ar) besonders geeignete Schweißparameter des Wolfram-Inertgas-Schweißens dar. Durch eine geeignete Einstellung der vorgenannten Parameter können insbesondere unerwünschte Formänderungen des Kolbens und eine zu breite Wärmeeinflusszone, die einen unerwünschten Einfluss auf das Kolbengrundmaterial darstellt, vermieden werden. Die konkrete Einstellung der Parameter erfolgt dabei im Einklang mit für das Wolfram-Inertgas-Schweißen üblichen Wertebereichen.
Mit Vorteil wird auf einem Teil der Kolbenoberfläche, die zumindest einen Teil der ersten Ringnut umfasst, eine elektrolytisch aufgebrachte Oxidationsschicht oder eine chemisch oder galvanisch aufgebrachte Nickelbeschichtung aufgebracht. Derartige Schichten profitieren in synergistischer Art und Weise von dem vorangegangenen erfindungsgemäßen Umschmelzen: Insbesondere wachsen die genannten Schichten, die zum Zwecke des Verschleißschutzes aufgebracht werden, auf dem umgeschmolzenen Bereich feinkörniger, glatter, homogener und mit weniger Poren auf und hemmen somit den Rissentstehungsprozess im Nutgrundbereich bei Vorentflammungsereignissen.
Bevorzugt erfolgt das Wolfram-Inertgas-Schweißen einstufig. Derart kann das erwünschte feine Gefüge besonders effizient erzeugt werden.
In vorteilhafter Weise kann beim Wolfram-Inertgas-Schweißen ein Schweißzusatz verwendet werden, der sich anschließend zumindest teilweise im umgeschmolzenen Bereich wiederfindet. Auf diese Art und Weise kann durch die Zugabe passender Legierungselemente lokal die Legierung des Kolbens an die individuellen Anforderungen in dem umgeschmolzenen Bereich, d.h. im Bereich der Ringnuten angepasst werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das WIG/TIG Umschmelzen an einem mit geringfügigem Aufmaß im Durchmesser vorbearbeiteten Kolbenrohling, bevor die Ringnuten gestochen und der Fertigdurchmesser und das Schaftprofil bearbeitet werden. Insbesondere weist der Kolbenrohling vor dem Wolfram-Inertgas-Schweißen zumindest in dem umzuschmelzenden Bereich ein Aufmaß von 0,5 mm bis 2,0 mm, bevorzugt mindestens 1,0 mm auf. Somit kann eine Schweißeinfallstelle, die über die Stärke des Aufmaßes hinausgeht, vermieden werden.
Bevorzugt wird der Kolbenrohling vor dem Wolfram-Inertgas-Schweißen auf eine Temperatur von mindestens 180 °C aufgewärmt. Dieser Verfahrensschritt kann insbesondere zur Vermeidung von Schweißrissen beim Wolfram-Inertgas-Schweißen eingesetzt werden.
Figurenliste

1 zeigt einen Kolbenrohling für einen Verbrennungsmotor nach dem Wolfram-Inertgas-Schweißen.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt des Kolbenrohlings nach dem Wolfram-Inertgas-Schweißen mit schematisch eingezeichnetem Verlauf der Ringstege und Ringnuten im fertigen Kolben.
3 zeigt ein Gefügeschliffbild des Kolbenrohlings nach dem Wolfram-Inertgas-Schweißen, das die Unterschiede in der Feinheit des Gefüges zwischen dem umgeschmolzenen Material („Remelted material“) und dem Grundmaterial („Base material“) verdeutlicht.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolbenrohling bereitgestellt wird, ein Bereich des Kolbenrohlings mittels Wolfram-Inertgas-Schweißen umgeschmolzen wird und anschließend die erste Ringnut in den umgeschmolzenen Bereich eingearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des umgeschmolzenen Bereichs in Umfangsrichtung des Kolbenrohlings variiert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, wobei die erste Ringnut vollständig im umgeschmolzenen Bereich liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der umgeschmolzene Bereich auch einen Teil des im resultierenden Kolben vorliegenden zweiten Ringstegs unterhalb der ersten Ringnut umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der umgeschmolzene Bereich tiefer als die nachfolgend eingearbeitete erste Ringnut ist, bevorzugt um 1 mm tiefer als die eingearbeitete erste Ringnut ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kolbenrohling zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht und/oder die erste Ringnut in den umgeschmolzenen Bereich gestochen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schweißparameter des Wolfram-Inertgas-Schweißens während des Schweißens in Umfangsrichtung variiert werden.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der umgeschmolzene Bereich bezogen auf den Nutgrund eine Tiefe von 0,5 mm bis 3 mm, bevorzugt eine Tiefe von 1 bis 2 mm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auf zumindest einen Teil der Kolbenoberfläche, die zumindest einen Teil der ersten Ringnut umfasst, eine elektrolytisch aufgebrachte Oxidationsschicht oder eine chemisch oder galvanisch aufgebrachte Nickelbeschichtung aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Wolfram-Inertgas-Schweißen einstufig erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Wolfram-Inertgas-Schweißen ein Schweißzusatz verwendet wird, der sich anschließend zumindest teilweise im umgeschmolzenen Bereich wiederfindet.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kolbenrohling vor dem Wolfram-Inertgas-Schweißen zumindest in dem umzuschmelzenden Bereich ein Aufmaß von mindestens 0,5 bis 2,0 mm, bevorzugt mindestens 1,0 mm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Wolfram-Inertgas-Schweißen und das Einarbeiten der Ringnuten derart erfolgt, dass alle Ringnuten im umgeschmolzenen Bereich liegen.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kolbenrohling vor dem Wolfram-Inertgas-Schweißen auf eine Temperatur von mindestens 180 °C aufgewärmt wird.
Kolben für einen Verbrennungsmotor, erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verwendung eines Kolbens gemäß Anspruch 14 für einen Ottomotor oder einen Dieselmotor.