DE2124595A1

DE2124595A1 - Verfahren zum Herstellen von Leichtmetallkolben mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraummulde

Info

Publication number: DE2124595A1
Application number: DE19712124595
Authority: DE
Inventors: Hagen 7101 Weiler. P Hummel
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 1971-05-18
Filing date: 1971-05-18
Publication date: 1972-11-30
Also published as: DE2124595C3; DE2124595B2; US3807014A

Description

nidit geändert werden > 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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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

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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

Patentanspruch

Verfahren 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.

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