DE3040572A1

DE3040572A1 - Kolben aus leichtmetall fuer brennkraftmaschinen mit einer im kolbenboden angeordneten brennraummulde und verfahren zur herstellung eines derartigen kolbens

Info

Publication number: DE3040572A1
Application number: DE19803040572
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl.-Ing. 8540 Schwabach Rösch
Original assignee: Alcan Aluminiumwerk Nuernberg GmbH; Alcan Aluminiumwerke GmbH
Current assignee: Novelis Deutschland GmbH
Priority date: 1980-10-28
Filing date: 1980-10-28
Publication date: 1982-05-13
Also published as: DE3040572C2

Description

Kolben aus Leichtmetall für Brennkraftmaschinen mit einer
im Kolbenboden angeordneten Brennrauemulde und Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens Die Erfindung betrifft einen Kolben aus Leichtmetall für Brennkraftmaschinen mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraummulde, dessen Werkstoff in oder nahe der Begrenzungszone der Brennraummulde thermisch veredelt ist, und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Kolben.
In der DE-PS 2 124 595 ist ein Verfahren zum Herstellen von Leichtmetallkolben mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraununulde beschrieben, das darin besteht, daß, ausgehend von einem Vorwerkstück, dessen Brennraummulde um eine Bearbeitungszugabe in radialer Richtung verkl.einert ist, der Bereich des späteren Brennraummuldenrandes durch Umschmelzen mittels eines Ladungsträgerstrahles veredelt wird, in dem 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 danach der Brennraummuldenrand durch Entfernen der Bearbeitungszugabe freigelegt wird.
Ziel dieser bekannten Umschmelzbehandlung ist es, einen für das Beanspruchungsniveau an der Brennraummuldenbegrenzung besser geeigneten Werkstoffzustand zu erreichen, d.h. den Werkstoff in der Begrenzungszone der Brennraummulde dadurch zu veredeln, daß dem Werkstoff ein anderes, insbesondere feinkörnigeres Gefüge, eine höhere Festigkeit und eine größere Dehnfähigkeit verliehen wird. Beim Umschmelzverfahren entstehen jedoch im umgeschmolzenen Werkstoff Eigenspannungszustände, die sich nachteilig auf die Rißneigung des umgeschmolzenen Werkstoffs in der Begrenzungszone der Brennraummulde auswirken. Der Kolbenboden und damit auch die Begrenzungszone der Brennraummulde unterliegen nämlich während des Betriebes ungleichmäßigen, sich überlagernden mechanischen und thermischen Belastungen. So verformt sich der Kolbenboden unter dem Zünddruck im Bereich der Mittelebene senkrecht zur Kolbenbolzenachse konkav mit der Folge des Entstehens von Druckspannungen und im Bereich der Mittelebene durch die Kolbenbolzenachse konvex mit der Folge des Auftretens von Zugspannungen. Im Bereich des Brennraumrandes der mit heißen Gasen unmittelbar beaufschlagt wird, entstehen zusätzlich höhere thermische Belastungen als im übrigen Bereich des Kolbenbodens (vgl. zu -dieser Problematik z.B. DE-OS 28 33 873).
Nachdem bei dem bekannten Verfahren der Werkstoff in der gesamten Begrenzungszone der Brennraummulde gleichmäßig umgeschmolzen wird, wirken sich in dem Fall, in dem aufgrund des Umschmelzvorgangs Zugeigenspannungen im Werkstoff erzeugt werden, diese Zugeigenspannungen in den Bereichen der Begrenzungszone der Brennraummulde, in denen betriebsbedingte Zugspannungen auftreten, negativ aus, während in dem Fall, in dem das Schmelzverfahren im Werkstoff Druckeigenspannungen hervorruft, diese Druckeigenspannungen in denjenigen Bereichen schädliche Folgen haben können, die unter Betriebsbedingungen Druckspannungen unterworfen sind. Die gleichgerichteten Eigen spannungen addieren sich dann nämlich zu den betriebsbedingten thermischen und mechanischen Spannungen mit der Wirkung einer noch höheren Belastung des Materials und damit einer erhöhten Gefahr der Rißbildung in der Begrenzungszone der Brennraummulde.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kolben der vorausgesetzten Art zu schaffen, bei dem die Gefahr der Rißbildung über die gesamte Begrenzungszone der Brennraummulde verringert ist, und darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird bei einem Kolben der vorausgesetzten Art dadurch gelöst, daß der Werkstoff im wesentlichen nur in den Bereichen der Begrenzungszone der Brennraummulde, in denen unter Betriebsbedingungen Druckspannungen entstehen Zugeigenspannungen aufweist und/oder der Werkstoff im wesentlichen nur in den Bereichen, in denen unter Betriebsbedingungen Zugspannungen auftreten, Druckeigenspannungen besitzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens besteht darin, daß der Werkstoff in der Begrenzungszone der Brennraummulde einer Umschmelzbehandlung derart unterzogen wird, daß eine Ums-chmelzbehandlung, die Zugeigenspannungen erzeugt, nur in Bereichen angewendet wird, in denen unter Betriebsbelastungen Druckspannungen entstehen (Fig. 1 bis 3) und/oder eine Umschmelzbehandlung, die Druckeigenspannungen erzeugt, nur in Bereichen angewandt wird, in.denen unter Betriebsbelastung Zugspannungen entstehen (Fig. 4).
Die erfindungsgemäße Lösung ist danach dadurch gekennzeichnet, die Eigen spannungen des Werkstoffes in der Begrenzungszone der Brennraummulde des Kolbens so einzustellen, daß diese den unter Betriebsbedingungen in den jeweiligen Bereichen auftretenden mechanischen und/oder thermischen Spannungen entgegenwirken, so daß die Gesamtbelastung des Werkstoffs in der Begrenzungszone der Brennraummulde erniedrigt wird mit der Folge einer weitgehenden Vermeidung der Gefahr der Rißbildung im Bereich der Begrenzungszone der Brennraummulde.
Entsprechend der Erfindung wird in der Begrenzungszone der Brennraummulde der Umschmelzvorgang so vorgenommen, daß die dadurch entstehenden Eigenspannungen den betriebsbedingten Spannungen entgegenwirken,oder die Umschmelzbehandlung nur in Bereichen durchgeSErt wird,indenen die dadurch auftretenden Eigenspannungen im Werkstoff nicht gleichsinnig zu den unter Betriebsbelastungen auftretenden thermischen und mechanischen Spannungen wirken. So dürfen z.B. im Bereich der Mittelebene durch die Kolbenbolzenachse keine Zugeigenspannungen ergebende Umschmelzbehandlungen durchgeführt werden, weil in diesem Bereich gerade betriebsbedingte Zugspannungen auftreten.
Andererseits liegt das Gebiet im Uberströmbereich der Verbrennungsgase aus der Wirbelkammer bei Motoren mit indirekter Einspritzung in der Mittelebene des Kolbens senkrecht zur Kolbenbolzenachse in einer Zone mit Druckspannungen. In dieser Zone sind durch den Umschmelzvorgang entstehende Zugeigenspannungen geeignet, die Rißneigung des Kolbens zu vermindern.
Um den Betriebsspannungen durch die durch den Umschmelzvorgang erzeugten Eigenspannungen des Werkstoffs besonders gut entgegenzuwirken, können Größe und Verlauf der Eigenspannungen diametral zu Größe und Verlauf der Betriebsspannungen gewählt und eingestellt werden.
Zweckmäßige Ausbildungen bzw. Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. von derartig hergestellten Kolben ergeben jsich aus den übrigen Patentansprüchen und im Zusammenhang mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Es ist von Vorteil, wenn im betriebsbedingten Druckspannungsbereich des Kolbenbodens die Umschmelzbehandlung auf einer oder beiden Seiten der Kolbenbolzenachse im Bereich von 200 bis 1600, vorzugsweise von 400 bis 1400 zur Kolbenbolzenachse, bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung heranreicht (Fig. 5).
Für den betriebsbedingt mit Druckspannungen beaufschlagten Bereich des Kolbenbolzens ist es hingegen von Vorteil, daß die Umschmelzbehandlung oberhalb eines oder beider Bolzenaugen auf einer oder beiden Seiten der Kolbenbolzenachse im Bereich von O bis 600, vorzugsweise von O0 bis 450 zur Bolzenachse, innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung durchgeführt wird (Fig. 6). Bei dieser Vorgehensweise erzeugen die im umgeschmolzenen Werkstoffbereich erzeugten Zugeigenspannungen in dem die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung darstellenden Werkstoffbereich DruckeiYenspar.nungen, die in gewünschtem Maße den betriebsbedingten Zugspannungen entgegenwirken.
Um sowohl den betriebsbedingten Zug- als auch lAruckspannungen in vorteilhafter Weise entgegenzuwirken, empfiehit es sich, daß die Umschmelzbehandlung in einem, in zwei, in drei oder in alle vier Sektoren der Brennraummuldenbegrenzung so ausgeführt wird, daß in dem Bereich zwi.schen 200 und 900, vorzugsweise zwischen 450 und 900 zur Kolbenbolzenachse, die Umschmelzzone bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung heranreicht, und in dem Bereich zwischen 00 und 600, vorzugsweise zwischen Oo und 450 zur Kolbenbolzenachse, die Umschmelzzone innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegt (Fig. 7).
Zur Erzielung der angesprochenen Verteilung von Zugeigenspannungen und Druckeigenspannungen ist es ferner von Vorteil, daß die Umschmelzbehandlung in einem, in zwei, in drei oder in allen vier Sektoren der Brennraummuldenbegrenzung so ausgeführt wird, daß die Umschmelzzone in dem Bereich zwischen 450 und 900, vorzugsweise zwischen 500 und 900 zur Kolbenbolzenachse, bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung reicht und in dem Bereich zwischen 00 und 450, vorzugsweise zwischen Oo und 400 zur Kolbenbolzenachse, die Umschmelzzone innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegt, wobei im Zwischenbereich die beiden Umschmelzzonen in kurvenförmigem oder geradem Verlauf ineinander übergehen (Fig. 8).
Schließlich kann es zur Erreichung der angesprochenen Wirkungsweise zweckmäßig sein, daß die Brennraummuldenbegrenzung einer Umschmelzbehandlung unterzogen wird, bei der die Umschmelzone entlang einer Kurvenform verläuft, so daß im Bereich quer zur Kolbenbolzenachse die Umschmelzzone bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung reicht, während sie im Bereich über den Bolzenaugen innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegt (Fig. 9).
Es kann sich, wie allgemein üblich, empfehlen, die Brennraummulde des zu bearbeitenden Kolben-Rohlings um eine Bearbeitungszugabe in radialer Richtung zu verkleinern und nach der Umschmelzbehandlung die Bearbeitungszugabe entsprechend, z. B.
durch Fräsen, zu entfernen, und zwar u.U. in dem Fall, in dem der umgeschlolzene Werkstoff die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung bilden soll.
Nach den erfindungsgemäßen Verfahrensmöglichkeiten hergestellte Kolben werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
In sämtlichen Figuren ist der Kolben insgesamt mit 1, die Brennraummulde mit 2 und die Kolbenbolzenachse mit A bezeichnet.
Die umgeschmolzenen Werkstoffbereiche, in denen Zugeigenspannungen entstehen, sind mit ZE markiert, während die Werkstoffbereiche, in denen Druckeigenspannungen erzeugt werden, mit DE bezeichnet sind.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Kolben, bei dem in der Begrenzungszone der Brennraummulde 2 in den Bereichen, in denen betriebsbedingt Druckspannungen entstehen, d. h. in der Mittelebene senkrecht zur Kolbenbolzenachse A, eine Zugeigenspannungen erzeugende Umschmelzbehandlung vorgenommen worden ist.
Ein gleiches gilt für den Kolben nach Fiy. 3, der lediglich eine anders gestaltete Brennraummulde besitzt.
In Fig. 4 ist ein Kolben dargestellt, bei dem eine Umschmelzbehandlung in Bereichen der Begrenzungszone der Brennraummulde 2 vorgenommen worden ist, in denen unter Betriebsbelastung Zugspannungen entstehen. Diese Bereiche liegen oberhalb der Kolbenbolzenachse A.
Fig. 5 zeigt die Draufsicht auf den Kolbenboden eines Kolbens, bei dem in von betriebsbedingten Druckspannungen beaufschlagten Bereichen der Begrenzungszone der Brennraummulde 2 eine Umschm.elzung des Werkstoffes unter Erzielung von Zugeigenspannungen vorgenommen worden ist. Dabei bilden die umgeschmolzenen Werkstoffzonen nach der Fertigbearbeitung unmittelbar die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung. Es sind ferner in Fig. 5 die bevorzugten Dimensionierungen der umgeschmolzenen Werkstoff zonen eingetragen.
Fig. 6 stellt die Draufsicht auf den Kolbenboden eines Kolbens dar, bei dem in den Bereichen, die betriebsbedingt Zugspannungen unterliegen, d.h. in etwa in der Mittelebene durch die Kolben bolzenachse A,Druckeigenspannungen erzeugt werden. Dies erfolgt dadurch, daß in den angegebenen Bereichen Werkstoff zonen umgeschmolzen werden, die im Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegen. Auf diese Weise erzeugen die in den umgeschmolzenen Werkstoffzonen hervorgerufenen Zugeigenspannungen in den die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung bildenden Werkstoff zonen Druckeigenspannungen, die im Betrieb den betriebsbedingten Zugspannungen entgegenwirken.
Fig. 7 zeigt die Draufsicht auf den Kolbenboden eines Kolbens, bei dem die Umschmelzbehandlung in einem Sektor der Brennraummuldenbegrenzung so ausgeführt worden ist, daß in dem Bereich zwischen 200 und 900, vorzugsweise zwischen 450 und 900 zur Kolbenbolzenachse A, die Zugeigenspannungen aufweisende umgeschmolzene Werkstoff zone ZE bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung heranreicht und in dem Bereich zwischen 00 und 600, vorzugsweise zwischen 00 und 450 zur Kolbenbolzenachse, die umgeschmolzene Werkstoffzone im Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegt mit der Folge, daß die Zugeigenspannungen in der angesprochenen umgeschmolzenen Werkstoffzone in der daran angrenzenden Werkstoffzone, die zumindest teilweise die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung darstellt, Druckeigenspannungen hervorrufen.
Die Fig. 8 stellt die Draufsicht auf den Kolbenboden eines Kolbens dar, bei dem die angesprochenen Umschmelzbereiche in einem Zwischenbereich entweder kurvenförmig oder geradlinig ineinander übergehen. Darüber hinaus sind bevorzugte Bereichsgrenzen angegeben.
Schließlich zeigt die Fig. 9 die Draufsicht auf den Kolbenboden eines Kolbens, bei der die Umschmelzzone entlang der Brennraummuldenbegrenzung in einer Kurvenform derart verläuft, daß im Bereich quer zur Kolbenbolzenachse die Umschmelzzone bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung reicht, während sie im Bereich der Kolbenbolzenachse innerhalb des Werkstoffs des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegt.

Claims

Kolben aus Leichtmetall für Brennkraftmaschinen mit einer aim Kolbenboden angeordneten Brennraummulde und Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens Patentansprüche Kolben Kolben aus Leichtmetall für Brennkraftmaschinen mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraummulde, dessen Werkstoff in der Begrenzungszone der Brennraummulde thermisch veredelt ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Werkstoff im wesentlichen nur in den Bereichen der Begrenzungszone der Brennraummulde, in denen unter Betriebsbedingungen Druck spannungen entstehen, Zugeigenspannungen aufweist und/oder der Werkstoff im wesentlichen nur in den Bereichen, in denen unter Betriebsbedingungen Zugspannungen auftreten, Druckeigenspannungen besitzt.
2. Verfahren zur Herstellung des Kolbens nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Werkstoff in der Begrenzungszone der Brennraummulde einer Umschmelzbehandlung derart unterzogen wird, daß eine Umschmelzbehandlung, die Zugeigenspannungen erzeugt, nur in Bereichen angewendet wird, in denen unter Betriebsbelastungen Druckspannungen entstehen (Fig. 1 bis 3) und/oder eine Umschmelzbehandlung, die Druckeigenspannungen erzeugt, nur in Bereichen angewandt wird, in denen unter Betriebsbelastung Zugspannungen entstehen (Fig. 4).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Umschmelzbehandlung auf einer oder beiden Seiten der Kolbenbolzenachse im Bereich von 200 bis 1600, vorzugsweise von 400 bis 1400 zur Kolbenbolzenachse,bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung heranreicht (Fig. 5).
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Umschmelzbehandlung oberhalb eines oder beider Bolzenaugen auf einer oder beiden Seiten der Kolbenbolzenachse im Bereich von 0° bis 600, vorzugsweise von 0° bis 450 zur Bolzenachse, innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens-mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung durchgeführt wird (Fig. 6).
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Umschmelzbehandlung in einem, in zwei, in drei oder in allen vier Sektoren der Brennraummuldenbegrenzung so ausgeführt wird, daß in dem Bereich zwischen 200 und 900, vorzugsweise zwischen 450 und 900 zur Kolbenbolzenachse, die Umschmelzzone bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummulaenbegrenzung heranreicht, und in dem Bereich zwischen Oo und 600, vorzugsweise zwischen 00 und 450 zur Kolbenbolzenachse, die Umschmelzzone innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegt (Fig. 7).
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Umschmelzbehandlung in einem, in zwei, in drei oder in allen vier Sektoren der Brennraummuldenbegrenzung so ausgeführt 0 wird, daß die Umschmelzzone in dem Bereich zwischen 45 und 900, vorzugsweise zwischen 500 und 900 zur Kolhenbolzenachse, bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung reicht und in dem Bereich zwischen 00 und 450, vorzugsweise zwischen Oo und 400 zur Kolbenbolzenachse, die Umschmelzzone innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegt, wobei im Zwischenbereich die beiden Umschmelzzonen in kurvenförmigem oder geradem Verlauf ineinander übergehen (Fig. 8).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Brennraummuldenbegrenzung einer Umschmelzbehandlung unterzogen wird, bei der die Umschmelzzone entlang einer Kurvenform verläuft, so daß im Bereich quer zur Kolbenbolzenachse die Umschmelzzone bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung reicht, während sie im Bereich über den Bolzenaugen innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegt (Fig. 9).