DE10337962B4

DE10337962B4 - Verfahren zum Härten der Nutflächen, insbesondere der Nutflanken der Ringnuten eines Stahlkolbens

Info

Publication number: DE10337962B4
Application number: DE2003137962
Authority: DE
Inventors: Jürgen Lehmann; Karl Pfeil; Reinhold Meyer
Original assignee: Mahle GmbH; C Stiefelmayer GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle GmbH; C Stiefelmayer GmbH and Co KG
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: DE10337962A1

Abstract

Verfahren zum Härten der Nutflächen, insb. der Nut1) mittels eines Laserstrahles (6), – der bezogen auf die Zylindermantelflächen des Kolbens (1) etwa in tangentialer Richtung auf die Nutflanken (2) gerichtet wird, und – der bezogen auf die Nutflankenebene mit einem bestimmten Winkel α auf die Nutflanken (2) gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Laserstrahl (6) mit einer Wellenlänge von weniger als 5 μm verwendet wird, und – dass der Winkel α so groß gewählt wird, dass unter Berücksichtigung der vorliegenden Nutgeometrie ein für geforderte Härteeigenschaften optimaler Absorptionsgrad der Laserstrahlenergie erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten der Nutflächen, insb. der Nutflanken der Ringnuten eines Stahlkolbens nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der Offenlegungsschrift DE 199 18 808 A1 ist ein Verfahren zum Härten der Ringnuten eines Kolbenbodens, insb. der Nutflanken, eines Stahlkolbens mittels Laserstrahlen bekannt, bei dem auf eine dunkelfarbige Oberflächenbeschichtung zur Verbesserung der Absorption der Wärmeenergie des Laserstrahles verzichtet wird. Allgemein ist bekannt, dass auf diese Maßnahme zur Erhöhung der Wärmeabsorption nur dann verzichtet werden kann, wenn eine hierzu alternative Maßnahme ergriffen wird, um sicherzustellen, dass die zu härtende Oberfläche vom Laserstrahl auf eine ausreichend hohe Temperatur von ca. 800°C bis 850°C erhitzt wird, denn nur dann ergibt sich die den Härteprozess bewirkende Umwandlung der austhenitischen in die martensitische Gefügestruktur der zu härtenden Stahloberfläche.
Eine solche Maßnahme kann bspw. in der Polarisierung des verwendeten Laserlichtes bestehen, sodass der ”Brewster-Effekt” ausgenutzt werden kann, wobei eine besonders hohe Absorption der Laserstrahlung erreicht wird, wenn der polarisierte Laserstrahl unter einem bestimmten Einstrahlwinkel, dem ”Brewster-Winkel”, auf die zu härtende Oberfläche gerichtet wird, der von der Art des zu härtenden Materials und von der Wellenlänge des Laserlichtes abhängt. In einer weiteren Maßnahme kann von dem Naturgesetz Gebrauch gemacht werden, dass insb. bei Stahl die Absorption der Laserenergie von Laserstrahlen bei abnehmender Wellenlänge stark zunimmt. In dem vorliegenden Patentdokument zum Stand der Technik sind aber weder Aussagen zum Polarisationszustand des verwendeten Laserlichtes noch über dessen Wellenlänge enthalten.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Härten der Nutflächen, insb. der Nutflanken der Ringnuten eines Stahlkolbens anzugeben, bei dem auf eine Oberflächenbeschichtung der zu härtenden Nutbereiche zur Erhöhung der Absorption verzichtet wird, und bei dem angegeben wird, mit welcher hierzu alternativen Maßnahme eine zum Härten der Nutbereiche ausreichende Oberflächentemperatur erzielbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Hierbei wird von letzterem Naturgesetz Gebrauch gemacht, wonach bei Stahl die Absorption der Laserenergie bei abnehmender Wellenlänge der Laserstrahlen so stark zunimmt, dass sich hierbei die Verwendung einer strahlungsabsorbierenden Oberflächenbeschichtung erübrigt. Gerade bei Laserstrahlen mit einer Wellenlänge von weniger als 5 μm ist die Zunahme des Absorptionsgrades besonders stark und erreicht bei Diodenlasern mit einer Wellenlänge von 0,8 bis 0,98 μm einen Spitzenwert. Aber auch der Einfallswinkel α beeinflusst den Absorptionsgrad des Laserlichtes dahingehend, dass im Allgemeinen mit dem Einfallswinkel der Absorptionsgrad steigt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
1 einen Schnitt durch einen Kolben mit einer Draufsicht einer zu härtenden Nutflanke,
2 eine Seitenansicht des Kolbens und eines Diodenlasers und
3 eine einzelne Nut mit gehärteten Nutflanken im Querschnitt.
1 zeigt einen aus Stahl bestehenden Kolben 1, der in der Nutebene aufgeschnitten ist, sodass eine zu härtende Nutflanke 2 in Draufsicht zu sehen ist. Das Härten der Nutflanke 2 erfolgt im Anschluss an das Fertigdrehen des Kolbens und das Eindrehen der Nuten auf einer separaten Maschine, von der mittels einer in der
1 nicht dargestellten Spannvorrichtung der Kolben 1 drehbar gehalten wird. Der Vorteil hiervon besteht darin, dass das Fertigdrehen der Kolben und das Härten deren Nuten auf zwei verschiedenen Maschinen erfolgen kann, wodurch der Ausstoß fertig produzierter Kolben erhöht wird.
Ein Diodenlaser 3 mit einer Leistung von 2 KW, der unpolarisiertes, diffuses Laserlicht ausstrahlt, ist hierbei derart angeordnet, dass der vom Diodenlaser 3 erzeugte Brennfleck 4 mit einer Größe von ca. 11 × 4 mm² den zum Härten vorgesehenen Bereich der Nutflanke 2 überstreicht, wobei insb. der Abstand 5 der Achse 6' des Laserstrahles 6 vom Kolbenmittelpunkt 7 und die Brennweite 8 des Diodenlasers 3 entsprechend einzustellen sind. Theoretisch kann hierbei 60% bis 90% der Nutflanke ausgehend vom äußeren Kolbenumfang in Richtung Nutgrund (radiale Einhärtetiefe von 0,6 bis 0,9 × Nuttiefe) gehärtet werden. Die radiale Einhärtetiefe beträgt beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ca. 0,75 × Nuttiefe.
2 zeigt den Kolben 1 und den Diodenlaser 3 in Seitenansicht, wobei der Winkel α, den die Achse 6 des Laserstrahles 6 mit der Nutflanke 2 einschließt, so gewählt werden muss, dass der Laserstrahl 6 tief genug in die Ringnut 9 einstrahlt, um die geforderte radiale Einhärtetiefe zu erreichen, dass er aber dabei nicht die Kante 10 der darüberliegenden Nutflanke 11 streift, um diese nicht unzulässigerweise zu härten. Bei der Verwendung eines Diodenlasers ist dieser Winkel α frei wählbar, darf aber nicht zu klein bemessen werden, damit nicht ein zu großer Teil des Laserlichtes reflektiert wird, ohne zum Zweck des Härtens der Nutflankenoberfläche absorbiert zu werden. Allgemein ist hierbei der Absorptionsgrad umso größer, je größer dieser Winkel α gewählt wird, wobei die Größe dieses Winkels ausschließlich von der Nutgeometrie begrenzt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bringt ein Winkel von α = 20° diesbezüglich die meisten Vorteile. Anzustreben ist hierbei ein möglichst großer Winkel α, wobei ein für die geforderten Härteeigenschaften optimaler Absorptionsgrad bei einem Winkel α zwischen 20° und 26° erreicht wird.
Zum Zweck des Härtens wird bei entsprechender Bestrahlung der Nutflanken mit Laserlicht der Kolben 1 in der Spannvorrichtung mit einer geeigneten Geschwindigkeit gedreht, sodass sich beispielsweise eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Brennfleck 4 und der Nutflankenoberfläche von ca. 420 mm/Min. ergibt, wobei die Nutflankenoberfläche von dem Laserlicht auf eine Temperatur ca. 850°C erwärmt wird. Hierbei können mit einem Diodenlaser Temperaturen von über 1000°C erreicht werden. Eine Temperatur von mindestens 800°C ist für die Umwandlung der austhenitischen in die martensitische Gefügestruktur und damit für das Härten von Stahl erforderlich. Gemessen wird diese Temperatur mittels eines Pyrometers. Die beim Härten der Nutflanken 11 ermittelten Temperaturmesswerte werden dazu genutzt, die Strahlungsintensität des Diodenlasers 3 derart zu steuern, dass die zum Härten erforderliche Temperatur erreicht wird. Die für einen erfolgreichen Härteprozess zudem erforderliche, ausreichend schnelle Abkühlung der Nutflankenoberfläche ist wegen des mittels Laserstrahlung erreichbaren großen Temperaturgradienten und wegen des dadurch bedingten schnellen Wärmeabflusses durch den Kolbenkörper gewährleistet. Ziel hiervon ist, eine Oberflächenhärte von 50 bis 65 HRC (Härte nach Rockwell C) zu erreichen.
3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der gehärteten Nut 9 mit gehärteten Nutflanken 11 und 11', bei der die gehärteten Bereiche der Nutflanken 11 und 11 eng schraffiert dargestellt sind, und bei der eine bestimmte Konstellation der sich aus der axialen Einhärtetiefe 12 und der radialen Einhärtetiefe 13 zusammensetzenden Härteeigenschaften angestrebt wurde. Das gezeigte Beispiel weist eine radiale Einhärtetiefe 13 von 0,75 × Nuttiefe 14 und eine axiale Einhärtetiefe 12 von 0,5 mm auf.
Die Verwendung des Diodenlasers 3 zum Härten der Nutflanken des Kolbens 1 hat die Vorteile, dass wegen der Wellenlänge des Diodenlaserlichtes von 0,8 μm bis 0,98 μm der Absorptionsgrad der Wärmeenergie des Laserlichtes bei Stahl so groß ist, dass auf eine weitere Erhöhung des Absorptionsgrades dadurch, dass das Laserlicht polarisiert und unter dem Brewsterwinkel eingestrahlt wird, oder dass die zu bestrahlende und zu härtende Fläche mit einer dunklen, wärmeabsorbierenden Paste, wie bspw. Graphit, belegt wird, verzichtet werden kann. Durch die sich hierbei ergebende weitgehend freie Wahl des Einstrahlwinkels des Laserlichtes wird erreicht, dass die zu härtenden Flächen sicher und mit dem geeigneten Winkel α getroffen werden, und dass ein versehentliches Bestrahlen der der gerade bestrahlten Nutflanke 2 gegenüberliegenden Nutkante 10 vermieden wird. Zudem sind Diodenlaser sehr kompakt aufgebaut, sodass sie im Rahmen der Kolbenbearbeitung problemlos handhabbar sind. Ein weiterer Vorteil des Diodenlasers besteht in seinem guten Wirkungsgrad, definiert als Verhältnis aus Eingangsenergie zu erzeugter Lichtleistung.
Bezugszeichenliste

1: Kolben
2: Nutflanke
3: Diodenlaser
4: Brennfleck
5: Abstand
6: Laserstrahl
6': Achse
7: Kolbenmittelpunkt
8: Brennweite
9: Ringnut
10: Kante
11, 11': Nutflanke
12: axiale Einhärtetiefe
13: radiale Einhärtetiefe
14: Nuttiefe

Claims

Verfahren zum Härten der Nutflächen, insb. der Nutflanken (2) der Ringnuten (9) eines Stahlkolbens (1) mittels eines Laserstrahles (6), – der bezogen auf die Zylindermantelflächen des Kolbens (1) etwa in tangentialer Richtung auf die Nutflanken (2) gerichtet wird, und – der bezogen auf die Nutflankenebene mit einem bestimmten Winkel α auf die Nutflanken (2) gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Laserstrahl (6) mit einer Wellenlänge von weniger als 5 μm verwendet wird, und – dass der Winkel α so groß gewählt wird, dass unter Berücksichtigung der vorliegenden Nutgeometrie ein für geforderte Härteeigenschaften optimaler Absorptionsgrad der Laserstrahlenergie erreicht wird.
Verfahren zum Härten der Nutflächen, insb. der Nutflanken (2) der Ringnuten (9) eines Stahlkolbens (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (6) von einem Diodenlaser (3) erzeugt wird und eine Wellenlänge von 0,8 μm bis 0,98 μm aufweist.
Verfahren zum Härten der Nutflächen, insb. der Nutflanken (2) der Ringnuten (9) eines Stahlkolbens (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Diodenlaser (3) Laserstrahlen (6) mit eine Leistung von mindestens 1 KW abstrahlt.
Verfahren zum Härten der Nutflächen, insb. der Nutflanken (2) der Ringnuten (9) eines Stahlkolbens (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (6) mit einem Winkel α von mehr als 13° bezogen auf die Nutflankenebene auf die Nutflanke (2) gerichtet wird.