DE2124595A1 - Verfahren zum Herstellen von Leichtmetallkolben mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraummulde - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von Leichtmetallkolben mit einer im Kolbenboden angeordneten BrennraummuldeInfo
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Description
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MAHLE KOMM.- GES., 7 Stuttgart - 50, Pragstrasse
Verfahren zum Herstellen von Leichtmetallkolben mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraummulde.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Leichtmetallkolben mit.einer im Kolbenboden angeordneten
Brennraummulde.
Bei solchen Kolben ist die den Muldenrand bildende Zone des
Kolbenbodens im Betrieb thermisch besonders hoch und wechselnd beansprucht und neigt daher zur Rißbildung.
Es ist bekannt, diese Zone vor Rißbildung dadurch zu schützen, daß man sie als Einsatzkörper aus einem hitzebeständigen Stahl
oder aus metallkeramischen Werkstoffen ausbildet. Derartige Einsatzkörper erhöhen jedoch das Gewicht des Leichtmetallkolbens
und werden im Betrieb wegen ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit sehr heiß, so daß sie das umgebende Leichtmetall
auf eine Temperatur aufheizen können, bei der seine Festigkeit nur noch gering ist oder bei der es zum Schmelzen kommt.
Durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen beider Metalle ergeben sich außerdem wiederum Spannungen. Ferner bereitet
es auch Schwierigkeiten, eine einwandfrei haltbare Verbindung zwischen dem Einsatzkörper und dem Kolbenkörper zu schaffen.
Weiter ist es bekannt, Werkstoffe durch Umschmelzen mittels Ladungsträgerstrahlen zu veredeln. Dieses Umschmelzveredelungsverfahren
beruht darauf, daß ein in den Werkstoff eindringenden Ladungsträgerstrahl jeweils nur eine sehr kleine, unmittelbar
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• a
in seinem Bereich liegende Werkstoffmenge aufschmilzt,
während die Umgebung der Schmelzzone kalt"bleibt und das aufgeschmolzene Material daher unmittelbar nach dem Entfernen
bzw. Fortschreiten des Ladungsträgerstrahles stark abkühlt
und sofort wieder" erstarrt, weshalb der umgeschmolzene Werkstoff ein sehr feinkörniges Gefüge, eine hohe Festigkeit
und eine große Dehnfähigkeit erhält. Da das umgeschmolzene Material ein etwas kleineres Volumen einnimmt als das nicht
umgeschmolzene, zieht sich das durch Umschmelzveredeln behandelte Werkstück etwas zusammen, was man in der Regel in
Kauf nehmen kann. Falls jedoch die geometrische Form des Werkstückes einen völligen Abbau der Spannungen durch Gestaltänderung
nicht zuläßt, können hohe Eigenspannungen auftreten.
Eine solche der Anwendung des Umschmelzveredelungsverfahrens ungünstige geometrische Form weist aber gerade die im Bereich
des Muldenrandes liegende Zone des Kolbenbodens auf. Diese Zone hat eine geschlossene Form, welche den beim Umschraelzveredeln
auftretenden radialen und tangentialen Spannungen keine Möglichkeit zum Abbau bietet. Deshalb war zu befürchten,
daß sich hohe Eigenspannungen ergeben, wenn man die um1 den
Muldenrand liegende Zone durch zum Brennraummuldenrand parallele oder spiralförmig um diesen verlaufende Umschmelznähte
veredelt. Versuche haben ergeben, daß bereits durch vier zueinander parallele Nähte die Eigenspannungen so hoch
werden, daß die um den Muldenrand liegende Zone aufreißt. Wenn man,wie üblich, mit einem Ladungsträgerstrahl arbeitet,
der in sich parallel lediglich in der Nahtrichtung verschoben wird, sind aber weit mehr als drei nebeneinander liegende
Nähte nötig; um die um den Muldenrand liegende Zone auf einer für"eineh wirksamen Schutz notwendigen Breite, die
erfahrungsgemäß etwa 4 mm beträgt, vollkommen umzuschmelzen.
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Wohl könnte man die Spannung^adurch mildern, daß man den Kolben während der Umschmelzbehandlung auf höhererTemperatur hält, dadurch würde aber die erwünschte Wirkung, nämlich die durch starke Abkühlung verursachte feinkörnige Ausbildung
Wohl könnte man die Spannung^adurch mildern, daß man den Kolben während der Umschmelzbehandlung auf höhererTemperatur hält, dadurch würde aber die erwünschte Wirkung, nämlich die durch starke Abkühlung verursachte feinkörnige Ausbildung
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des umgeschmolzenen Werkstoffes, nur teilweise eintreten. Außerdem ist ein Anwärmen der Kolben aufwendig und teuer.
Der Anwendung des Umschmelzveredelns mittels Ladungsträgerstrahles
auf die um den Muldenrand liegende Zone von Kolben stand außerdem die Überlegung entgegen, daß insbesondere die
unmittelbar am Brennraumrand liegende Zone einer Veredelung bedarf, daß aber dort auftreffende oder austretende Strahlen
den Muldenrand kraterartig zerklüften würden. Aus all diesen
Gründen hat die Fachwelt bisher geglaubt, auf die Anwendung des Umschmelzveredelungsverfahrens auf die im Bereich des
Muldenrandes liegenden Zone des Kolbenbodens verzichten zu müssen, obwohl seit langem ein dringendes Bedürfnis bestand,
diese Zone vor Rißbildung zu schützen und die Verwendung eines veredelten Werkstoffes hierfür besonders geeignet erscheinen
mußte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Leichtmetallkolben mit einer im Kolbenboden
angeordneten Brennraummulde zu schaffen, welches die Anwendung des Umschmelzveredelns mittels Ladungsträgerstrahlen
trotz der erwähnten Hindernisse erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst
ein Vorwerkstück mit einer im Bereich des Brennraummuldenrandes vorgesehenen Bearbeitungszugabe hergestellt wird,
daß dann eine außerhalb der Bearbeitungszugabe liegende Zone im Bereich des Brennraummuldenrandes durch Umschmelzen mittels
eines Ladungsträgerstrahles veredelt wird, indem zwei oder
drei untereinander und zum Brennraummuldenrand parallel verlaufende, sich teilweise überdeckende Umschmelznähte mittels
eines quer zu deren Verlauf bzw. kreisförmig oder elliptisch schwingenden Ladungsträgerstrahles erzeugt werden, und daß
daraufhin die veredelte Umschmelzzone mindestens in radialer
Richtung durch Entfernen der Bearbeitungszugabe freigelegt wird.
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Ein nach dieser Erfindung gefertigter Kolben weist eine um den Brennraummuldenrand liegende veredelte Zone auf, die
sehr gute Dehnungs- und Pestigkeitseigenschaften bei sehr
feinkörnigem Gefüge aufweist, in der aber die Eigenspannungen weit unter dem kritischen Wert liegen, bei dem die Zone
aufreißen würde. Die Anmelderin erklärt sich diese überraschende V/irkung folgendermaßen: Dadurch, daß der Ladungsträgerstrahl
quer zum Verlauf der Umschmelznaht schwingt, befindet sich ein größerer Bereich des Werkstoffes im geschmolzenen
Zustand als dies bei der Verwendung eines nieinschwingenden
Strahles der Fall ist. Den bei der Schrumpfung entstehenden Spannungen steht damit ein größerer Querschnitt zum Ausgleich
zur Verfügung, außerdem kühlt sich das ungeschmolzene Material
zwar auf dieselbe Temperatur wie bei der Verwendung eines nichtschwingenden Strahles, aber nicht ganz so schlagartig
ab.
Die für einen wirksamen Schutz notwendige Breite der veredelten Umsehmelzzone von etwa 4 mm wird dank dem größeren Umschmelzbereich
des schwingenden Strahles bereits mit zwei bis drei Nähten erreicht, so daß die kritische Nahtzahl
nicht erreicht wird.
Da die unmittelbar am Brennraumrand auftreffenden Strahlen
in die Bearbeitungszugabe hinein verlaufen, weist der Brennraumrand
nach dem Entfernen der Bearbeitungszugabe, etwa durch Drehen, keinerlei Zerklüftung auf.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kolbens dargestellt.
Es zeigen:
Fig.l einen Längsschnitt durch den fertigen Kolben, wobei
die Form, welche das zu seiner Herstellung benützte Vorwerkstück im Bereich der Brennraummulde aufwies,
durch unterbrochene Linien angedeutet ist.
Fig.2 eine Draufsicht auf den Kolben nach Fig.l.
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Pig.3 in vergrößertem Maßstab und in schematischer Darstellung
einen Längsschnitt durch Umschmelznähte, die durch einen nichtschwingenden Ladungsträgerstrahl
hergestellt wurden
Flg.4 ebenfalls schematisch und in vergrößertem Maßstab einen
Längsschnitt durch Umschmelznähte, die durch einen quer zu diesen schwingenden Ladungsträgerstrahl erzeugt
wurden.
Der Kolben 1 weist eine Brennraummulde 2 auf, um deren Rand die veredelte Umschmelzzone 4 angeordnet ist. Mit 5 ist die
Bearbeitungszugabe des Vorwerkstückes bezeichnet. Die Umschmelzzone 4 ist aus drei zueinander und zum Muldenrand 3
parallele Umschmelznähte 6 gebildet, deren Form am besten aus Fig.4 zu ersehen ist. Hätte man das Umschmelzen mittels
eines nicht quer zur Vorschubrichtung schwingenden Ladungsträgerstrahles vorgenommen, so hätte man, wie das die Fig.3
zeigt, nur sehr schmale, spitze Nähte 7 erzielt, die nur einen Bruchteil der Breite b der mittels eines schwingenden
Strahles veredelten Umschmelzzone ergeben, und von denen daher nur zwei oder drei auf keinen Fall ausgereicht hätten,
um eine genügend breite Zone aufzuschmelzen und zu veredeln.
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Claims (1)
- PatentanspruchVerfahren zum Herstellen von Leichtmetallkolben, mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraummulde, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Vorwerkstück mit einer im Bereich des Brennraummuldenrandes (^) vorgesehenen Bearbeitungszugabe (5) hergestellt wird, daß dann eine außerhalb der j Bearbeitungszugabe (5) liegende Zone (4) im Bereich des Brennraummuldenrandes (3) durch Umschmelzen mittels eines Ladungsträgerstrahles veredelt wird, indem zwei oder drei untereinander und zum Brennraummuldenrand (j5) parallel verlaufende, sich teilweise überdeckende Umschmelznähte (6) mittels eines quer zu deren Verlauf bzw. kreisförmig oder elliptisch schwingenden Ladungsträgerstrahles erzeugt werden, und daß daraufhin die veredelte Umschmelzzone (4) mindestens in radialer Richtung durch Entfernen der Bearbeitungszugabe (5) freigelegt wird.20984 9/03 38
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