DE19829584A1 - Verfahren zur Herstellung einer Verengung in einer Zylinderbohrung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer Verengung in einer ZylinderbohrungInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Verengung in einer Zylinderbohrung zur Vermeidung von Poliereffekten an einer aus Gußeisen hergestellten Zylinderlauffläche für Kolben von Brennkraftmaschinen wird in dem Bereich der Zylinderlauffläche, den ein Feuersteg des Kolbens im oberen Totpunkt einnimmt, gehärtet. Der Bereich wird derart gehärtet, daß die Zylinderbohrung in diesem Bereich durch die Umwandlung von Austenit in Martensit verengt wird. Die Verengung und Härtung der Zylinderlauffläche wird durch induktive Randschichtenhärtung durchgeführt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
einer Verengung in einer Zylinderbohrung einer aus
Gußeisen hergestellten Zylinderlauffläche für Kolben
von Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff von An
spruch 1.
Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE 42 29 092 C1
bekannt.
Im Bereich der Zylinderlaufflächen, den ein Feuersteg
des Kolbens im oberen Totpunkt einnimmt, kommt es wäh
rend des Befeuerungsbetriebs der Brennkraftmaschine zu
einer Adhäsion von Verbrennungsrückständen. Die aus
Ölkohle bestehenden Verbrennungsrückstände führen in
Verbindung mit der Hubbewegung des Kolbens zu einer
Polierung der Zylinderlauffläche. Durch diesen Polier
effekt auf der Zylinderlauffläche können Bereiche
extrem starker Glättung entstehen, in denen sich ver
schlechterte Bedingungen für Schmierölhaftung und für
die Abdichtung ergeben. Dadurch wird das Reibsystem
zwischen Kolben, Öl und Zylinderlauffläche beeinträch
tigt.
Es hat sich gezeigt, daß durch eine Verengung der Zy
linderbohrung in dem Bereich, der dem Feuersteg des
Kolbens im oberen Totpunkt gegenübersteht, diese Be
schädigungen auf der Zylinderlauffläche vermieden wer
den.
Zur Bildung einer Verengung in dem exponierten Bereich
sind verschiedene Lösungsansätze bekannt.
Eine Verengung der Zylinderbohrung kann beispielsweise
durch Ringeinsätze, Spritzschichten oder Auftrags
schweißung erfolgen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß
die Kolbenkrone relativ schnell die so hergestellte
Verengung wegreibt. Der Verschleißwiderstand einer
solchen Stufe ist gegenüber der harten Ölkohle am Feu
ersteg des Kolbens zu gering.
Eine Erzeugung einer Verengung durch Umwandlung von
Austenit in Martensit ist aus der eingangs erwähnten
DE 42 29 092 C1 bekannt. Dabei wird innerhalb der Zy
linderbohrung mit einem festgelegten und ausgedrehten
Enddurchmesser eine Absorptionsschicht auf die Zylin
derlauffläche in dem Bereich, der dem Feuersteg des
Kolbens im oberen Totpunkt gegenübersteht, zur Senkung
der Reflexion von Laserlicht gebracht. Dieser Bereich
wird dann mit Laserstrahlen derart gehärtet, daß die
Zylinderbohrung im gehärteten Bereich durch die mit
der Umwandlung des Austenites in Martensit verbundenen
Volumenvergrößerung im gewünschten Naß verengt wird.
Die Laserhärtung wird dabei über die Parameter Strah
lenenergie und Strahlbewegungsgeschwindigkeit über die
speziellen Eigenschaften des zu behandelnden Materials
und über die Absorptionsschicht gesteuert. Die thermi
sche Energie des Laserstrahls wird an der Metallober
fläche absorbiert, wobei das Material lokal erhitzt
wird. Eine dünne Oberflächenschicht wird damit sekun
denschnell auf eine Temperatur im Austenit-Gebiet er
wärmt. Aufgrund der kurzzeitigen Austenitisierung und
der bei Weiterführung des Laserstrahls raschen Abküh
lung entsteht Martensit mit den bekannten günstigen
mechanischen Eigenschaften.
Nachteilig bei dem in der DE 42 29 092 C1 beschriebe
nen Verfahren sind die hierfür notwendigen hohen Inve
stitionskosten für die notwendige Einrichtung. Darüber
hinaus ist die prozesstechnische Beherrschung des Ver
fahrens sehr aufwendig.
Aus der Praxis ist außerdem ein Verfahren zum Plasma-
Aufspritzen eines Wulstes oder einer Abstreifschicht
auf den für die Verengung vorgesehenen Bereich der
Zylinderbohrung bekannt. Dabei muß allerdings der von
den Kolbenringen bestrichene Bereich maskiert werden.
Bekannt ist außerdem das Einstechen einer Ringnut in
die Zylinderlauffläche. In diese Ringnut wird an
schließend ein Abstreifring ähnlich einem Ölabstreif
ring am Kolben eingelegt.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Verengung der
Zylinderbohrung besteht aus einer Auftragsschweißung
durch Auftragen einer dünnen Metalllage wie z. B. eine
Metallfolie oder Metallpulverpaste. Die Metalllage
wird anschließend mittels Laserstrahl eingeschmolzen.
Alle bisher aus dem Stand der Technik bekannten Ver
fahren sind allerdings verfahrensmäßig und/oder bau
lich aufwendig.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Her
stellung einer Verengung in der Zylinderbohrung durch
Umwandlung von Austenit in Martensit zu schaffen, wo
bei dies prozesstechnisch einfach durchzuführen und
nur geringe Investitionskosten erfordern soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im kenn
zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannte Verfahren und
die in Anspruch 7 beschriebene Vorrichtung gelöst.
Dadurch, daß die Umwandlung von Austenit in Martensit
durch induktive Randschichtenhärtung durchgeführt
wird, ist es möglich, die Verengung und Härtung der
Zylinderlauffläche prozesstechnisch einfach zu beherr
schen. Die für die Durchführung des Verfahrens notwen
digen Investitionskosten sind darüber hinaus gering.
Durch die verfahrensmäßige induktive Randschichtenhär
tung wird die zu härtende Zylinderlauffläche schnell
auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt. Dadurch
wird lediglich die Randschicht der Zylinderlauffläche
vor dem herkömmlichen Abschrecken auf die notwendige
Härtetemperatur erhitzt. Die Zylinderlaufbuchse bzw.
das Kurbelgehäuse behält damit seine ursprünglichen
Eigenschaften bei. Die kurzzeitige Austenitisierung
und die rasche Abkühlung läßt einen äußerst feinen
Martensit mit günstigen mechanischen Eigenschaften
entstehen. Durch das im Vergleich zum Ausgangsgefüge
größere Volumen des martensitischen Gefüges erfolgt
eine lokal begrenzte Reduzierung des Innendurchmessers
der Zylinderbohrung im wärmebeeinflußten Bereich, ohne
daß die Buchse spanend nachbearbeitet werden muß.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus
dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig be
schriebenen Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Ausschnitt einer Zylinderlauffläche mit
einer Teildarstellung eines Kolbens im Längs
schnitt mit einer erfindungsgemäß hergestell
ten Verengung;
Fig. 2 eine Darstellung eines Induktors mit Abstands
haltern und einer Ringbrause, und
Fig. 3 eine vergrößerte Teildarstellung eines Induk
tors mit Abstandshalter.
Fig. 1 zeigt eine Zylinderlaufbuchse 1, die einstückig
mit dem Kurbelgehäuse oder als Einzelbauteil ausgebil
det sein kann. Die Zylinderlaufbuchse 1 weist eine
Zylinderbohrung 2 mit einem festgelegten, ausgedrehten
bzw. gehonten Enddurchmesser und eine Zylinderlaufflä
che 3 für Kolben 4 von Brennkraftmaschinen auf. An dem
Kolben 4 sind in herkömmlicher Weise Kolbenringe 5
angeordnet.
Der Kolben 4 ist im oberen Totpunkt dargestellt. Ge
genüber einem Feuersteg 6 des Kolbens 4 befindet sich
ein Bereich 7 der Zylinderlauffläche 3, der durch das
erfindungsgemäße Verfahren gehärtet wird. Durch das
erfindungsgemäße Verfahren hat sich im Bereich 7 eine
Verengung 8 der Zylinderbohrung 2 gebildet. Durch die
Verengung 8 der Zylinderbohrung 2 wird eine Polierung
der Zylinderlauffläche 3 vermieden.
Fig. 2 zeigt einen Induktor 9 und eine damit verbunde
ne Ringbrause 10, die zur Härtung und zur Bildung der
Verengung 8 in die Zylinderbohrung 2 eingeführt und im
Bereich 7 positioniert werden. Der Induktor 9 ist mit
Abstandshaltern 11 aus Keramik, die über den Umfang
des Induktors 9 radial überstehen, versehen. Durch die
Abstandshalter 11 wird ein konstanter Koppelabstand
zwischen der Zylinderlauffläche 3 und dem Induktor 9
bzw. der Ringbrause 10 erzielt. Der Induktor 9 weist
außerdem Transformatorenbleche 12 zur Konzentration
eines Magnetfeldes auf.
Nach der Positionierung des Induktors 9 im Bereich 7
wird mit einer Hochfrequenzspannung ein Magnetfeld
erzeugt, das in der Zylinderlauffläche 3 im Bereich 7
einen Strom induziert, der zu einer schnellen Erwär
mung der Zylinderlauffläche 3 führt. Nach ausreichen
der Temperaturhaltezeit kann der erhitzte Bereich 7
durch die Ringbrause 10 beispielsweise mit einer Was
ser-Polymer-Lösung abgeschreckt werden. Dadurch wird
aus dem Austenit Martensit gebildet. Somit entsteht
die Härtung und die Verengung 8 der Zylinderbohrung 2.
Die erfindungsgemäße induktive Randschichtenhärtung
kann über die Parameter des Induktors, z. B. die Strom
frequenz, die Leistung und die Heizzeit, gesteuert
werden. Durch diese Parameter und die gezielte Ab
schreckung durch die Ringbrause 10 läßt sich im Zusam
menhang mit den speziellen Materialeigenschaften der
Zylinderlaufbuchse 1 bzw. der Zylinderlauffläche 3 die
Dicke der zu härtenden Randschicht der Zylinderlauf
fläche 3 bestimmen. Dadurch läßt sich die Zylinderboh
rung 2 im Bereich 7 um beispielsweise 60 µm verrin
gern.
Das Verfahren zur Herstellung einer Verengung 8 kann
durch die verschiedenen Parameter so eingestellt wer
den, daß zur Bildung der Verengung 8 ein entsprechend
großes Materialvolumen ohne Anschmelzung der Zylinder
lauffläche 3 kurzzeitig umgewandelt wird.
Wie in Fig. 2 erkennbar, ist der Induktor 9 ringförmig
ausgebildet und mit der Ringbrause 10 verbunden. Der
Induktor 9 weist außerdem eine ringförmige Heizschlei
fe 13 auf, die an ihrer Ober- und Unterseite und an
ihrer auf die vertikale Achse der Zylinderbohrung ge
richteten Seite von den Transformatorblechen 12 umge
ben ist. Die Heizschleife 13 ist mit einer Zuleitung
14 zur Stromzuführung verbunden.
Die Ringbrause 10 weist an ihrer Oberseite einen mit
tig angeordneten Zulauf 15 zur Zuführung der Wasser-
Polymer-Lösung auf. Der Zulauf 15 ist über ein Befe
stigungsglied 16 mit der Zuleitung 14 verbunden. Da
durch erhalten die Zuleitung 14 und der Zulauf 15 eine
entsprechende Stabilität und darüber hinaus wird der
Induktor 9 auf einfache Weise mit der Ringbrause 10
verbunden.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Abstandshalter 11
durch jeweils eine Schraubverbindung 17 in einer Hal
tevorrichtung 18 fixiert. Die Haltevorrichtung 18 ist
dabei auf der Heizschleife 13 angeordnet. Hierfür ist
eine Aussparung in den Transformatorblechen 12 vorge
sehen. Durch die Schraubverbindung 17 können die Ab
standhalter 11 in einfacher Weise ausgetauscht bzw.
erneuert und eingestellt werden.
Die Stromfrequenz des Induktors 9 kann beispielsweise
auf eine Hochfrequenzspannung zwischen 42 bis 48 kHz
eingestellt werden.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung einer Verengung in einer
Zylinderbohrung zur Vermeidung von Poliereffekten
an einer aus Gußeisen hergestellten Zylinderlauf
fläche für Kolben von Brennkraftmaschinen in dem
Bereich der Zylinderlauffläche, den ein Feuersteg
des Kolbens im oberen Totpunkt einnimmt, wobei der
Bereich derart gehärtet wird, daß die Zylinderboh
rung in diesem Bereich durch die Umwandlung von
Austenit in Martensit verengt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verengung (8) und Härtung der Zylinderlaufflä
che (3) durch induktive Randschichtenhärtung
durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Induktor (9) in die Zylinderbohrung (2) einge
bracht und in dem zu härtenden Bereich (7) Posi
tioniert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die induktive Randschichtenhärtung über die Para
meter des Induktors (9), die Stromfrequenz, die
Leistung und die Heizzeit, über die Abschreckung
und über die speziellen Materialeigenschaften der
Zylinderlauffläche (3) gesteuert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Stromfrequenz eine Hochfrequenzspannung zwi
schen 42-48 kHz eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Abschreckung eine Ringbrause (10) verwendet
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
durch die Ringbrause (10) eine Wasser-Polymer-
Lösung auf den erhitzten Bereich (7) aufgebracht
wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 2 bis 6 mit einem Induktor und
einer Ringbrause,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Induktor (9) an die Zylinderbohrung (2) ange
paßt und mit der Ringbrause (10) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Induktor (9) eine Heizschleife (13) aufweist,
die ringförmig angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Induktor (9) mit Transformatorenblechen (12)
zur Konzentration eines Magnetfeldes ausgebildet
ist, wobei die Transformatorenblechen (12) ober
halb, unterhalb und auf der in Richtung der verti
kalen Achse der Zylinderbohrung (2) gerichteten
Seite der Heizschleife (13) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Induktor (9) mit Abstandshaltern (11) versehen
ist, die über den Umfang des Induktors (9) radial
überstehen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Abstandshalter (11) aus Keramik gebildet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Abstandshalter (11) jeweils mittels einer
Schraubverbindung (17) in einer Haltevorrichtung
(18), die an der Heizschleife (13) angeordnet ist,
fixierbar und einstellbar sind.
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