Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie einen Kolben für
einen Verbrennungsmotor.
Kolben von Verbrennungsmotoren sind allgemein während des
Betriebes hohen Belastungen, insbesondere thermischen
Belastungen ausgesetzt. Hierbei sind unterschiedliche
Bereiche des Kolbens in erheblichem Ausmaß unterschiedlichen
Beanspruchungen und Temperaturen ausgesetzt. Beispielsweise
variieren die an einem Kolben, insbesondere eines
Dieselmotors, auftretenden Temperaturen in einem
umfangreichen Bereich. Hinzukommen unterschiedliche Arten
mechanischer Beanspruchung, die an unterschiedlichen Stellen
des Kolbens auftreten und das Temperaturfeld überlagern. Ein
Bereich eines Kolbens, insbesondere eines Dieselkolbens, der
bekanntermaßen in besonderer Weise beansprucht ist, ist der
Rand der Brennraummulde.
Stand der Technik
Zur Verstärkung der besonders beanspruchten Bereiche eines
Kolbens ist es bekannt, diese Bereiche lokal zu verstärken.
Beispielsweise wurden in der Vergangenheit häufig Einsätze
aus Materialien mit besonders günstigen
Hochtemperatureigenschaften an den besonders beanspruchten
Bereichen vorgesehen. Diese Einsätze können mit dem Kolben
durch Schweißen verbunden werden. Hierbei bleibt die Struktur
des Verstärkungseinsatzes in den besonders beanspruchten
Bereichen erhalten. Dementsprechend sind die Anforderungen an
die Eigenschaften und die Struktur der verwendeten Einsätze
sehr hoch. Insbesondere können die erforderlichen
Eigenschaften häufig nur durch besonders aufwändige Verfahren
erreicht werden, wodurch derartige Einsätze nur mit
erheblichen Kosten herzustellen sind.
Ferner ist es bekannt, durch Schweißverfahren das Gefüge in
den besonders beanspruchten Zonen des Kolbens zu verändern,
und gegebenenfalls durch Zugabe eines Zusatzwerkstoffes die
lokale Werkstoffzusammensetzung zu verändern. Ein derartiges
Verfahren ist beispielsweise in der DE 102 34 669 und der
EP 03 003 199 der Anmelderin beschrieben. Eine Einschränkung
besteht hierbei jedoch dadurch, dass als Zusatzwerkstoff im
Wesentlichen der Kolbenwerkstoff als Basiswerkstoff
eingebracht werden muss, und andere Elemente nur in
begrenztem Umfang zugefügt werden können.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Herstellung eines Kolbens zu schaffen, der im Hinblick auf
die Hochtemperaturbeständigkeit und Belastbarkeit besonders
kritischer Bereiche verbessert ist. Ferner soll ein Kolben
mit diesen Merkmalen zur Verfügung gestellt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das im
Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
Demzufolge wird im Rahmen des Verfahrens der Herstellung
eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor ein Einsatz
vorbereitet. Dieser wird in geeigneter Weise in einen
Kolbengrundkörper eingesetzt und bevorzugt mit diesem
verbunden. Abschließend wird der Einsatz zumindest teilweise
umgeschmolzen. Ferner erfolgt ein Umschmelzen zumindest der
unmittelbaren Umgebung des Einsatzes in dem
Kolbengrundkörper.
Der Erfindung liegt der Grundgedanke zugrunde, die
Eigenschaften der besonders beanspruchten Bereiche eines
Kolbens zum einen dadurch zu verbessern, dass.ein Einsatz mit
besonders günstigen Eigenschaften eingebracht wird. Dieser
Einsatz kann jedoch äußerst einfach gestaltet sein und stellt
im Wesentlichen lediglich einen Vorrat an bestimmten
Elementen dar, die für eine Verbesserung der Eigenschaften
sorgen. Diese entfalten dadurch ihre Wirkung, dass der
Einsatz im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
umgeschmolzen wird. Hierdurch stellt sich ein besonders
feines Gefüge des Einsatzes ein. Ein derartiges Gefüge weist
erheblich verbesserte Hochtemperatureigenschaften auf und
erhöht, wie Versuche zeigen, die Belastbarkeit der besonders
kritischen Bereiche eines Kolbens. In besonders vorteilhafter
Weise erfolgt im Rahmen des Umschmelzens des Einsatzes auch
ein Verschmelzen mit dem Kolbengrundkörper. Hierbei wird eine
besonders innige Verbindung mit dem Kolbengrundkörper
erreicht. Hierdurch findet in dem Übergangsbereich zwischen
Einsatz und Kolbengrundkörper ein fließender und allmählicher
und keinesfalls abrupter Wechsel der Eigenschaften statt.
Deshalb können bislang auftretende Probleme, beispielsweise
Risse an der Verbindung zwischen einem hochfesten Einsatz und
dem Kolbengrundkörper vermieden werden. Es ist darüber hinaus
zu betonen, dass in wirtschaftlich vorteilhafter Art und
Weise durch einen einzigen Verfahrensschritt, nämlich das
Umschmelzen des Einsatzes, sowohl die Gefügeveränderung des
Einsatzes als auch dessen feste Verbindung und das
Verschmelzen mit dem Kolbengrundkörper bewirkt werden kann.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen somit
zum einen darin, dass der Einsatz kostengünstig herstellbar
ist. Insbesondere sind hierbei keine aufwändigen Verfahren
zur Erreichung von günstigen Hochtemperatureigenschaften
erforderlich. Vielmehr dient der Einsatz dazu, bestimmte, für
die Hochtemperatureigenschaften günstige Elemente
einzubringen. Die gewünschten Eigenschaften werden darüber
hinaus insbesondere durch das Umschmelzen des Einsatzes und
das dadurch erreichte, besonders feine Gefüge gewährleistet.
Zum anderen kann das zunächst erfolgende Einsetzen wie auch
gegebenenfalls die Verbindung des Einsatzes mit dem
Kolbengrundkörper vergleichsweise lose ausgeführt werden. Es
muss nicht notwendigerweise eine ausreichende Festigkeit für
diese zunächst erfolgende Verbindung erreicht werden, da die
erforderliche feste Verbindung beim Umschmelzen des Einsatzes
gewissermaßen automatisch aufgrund des Verschmelzens mit dem
umgebenden Kolbenwerkstoff erfolgt.
Da der Einsatz zwar mit dem Kolbenwerkstoff an seinem Rand
verschmilzt, jedoch weiterhin einen von dem Kolbengrundkörper
abgegrenzten Gegenstand darstellt, bestehen keine
nennenswerten Beschränkungen im Hinblick auf das Material des
Einsatzes. Während bei dem bislang bekannten Einbringen von
Zusatzwerkstoffen nur in begrenztem Umfang weitere
Legierungselemente hinzugefügt werden konnten, kann der
Einsatz eine für die Verbesserung der Eigenschaften günstige,
grundsätzlich beliebige Menge anderer Elemente enthalten, und
in dem letztendlich hergestellten Kolben können diese
Elemente ihre Vorteile voll entfalten. Durch die Auswahl
geeigneter Parameter bei dem Umschmelzen des Einsatzes kann
der Übergang zwischen dem Einsatz und dem Kolbenwerkstoff in
geeigneter Weise gestaltet werden. Beispielsweise kann, so
zeigen Versuche, im Bereich dieses Übergangs eine Vermischung
des eigentlichen Kolbenwerkstoffs mit dem Material des
Einsatzes zugelassen werden. Hierdurch wird dieser Übergang
besonders weich gestaltet, und die Gefahr von Rissen und
dergleichen infolge eines abrupten Übergangs kann umfangreich
eingegrenzt werden.
Schließlich kann sich das Material des Einsatzes von dem
sonstigen Kolbenwerkstoff unterscheiden. Hierdurch ist eine
besonders gute Anpassung des jeweils verwendeten Werkstoffs
an die Anforderungen möglich, die an bestimmte Bereiche des
Kolbens gestellt werden. Insbesondere kann das Material des
Einsatzes für die auftretenden Belastungen in den besonders
kritischen Bereichen, beispielsweise dem Muldenrand,
angepasst werden. Gleichzeit kann der Kolbenwerkstoff im
Übrigen, der bislang auch für die Anforderungen in den
besonders belasteten Bereichen ausgelegt werden musste,
weitgehend ausschließlich nach den Anforderungen in anderen,
gegebenenfalls in anderer Hinsicht kritischen Bereichen
ausgelegt werden. Hierbei handelt es sich beispielsweise um
diejenigen Bereiche, in denen ein Kühlkanal oder die
Kolbenbolzenbohrung auszubilden ist. Nachdem sich hier etwas
andere Notwendigkeiten ergeben, als in dem Bereich des
Muldenrandes, kann der Kolbenwerkstoff besonders für
diejenigen Bereiche ausgelegt werden, an denen der
Kolbenwerkstoff an dem fertigen Kolben verbleibt und nicht
durch den Einsatz ersetzt wird. Ferner kann der Einsatz
besonders gezielt für die Anforderungen im Hinblick auf die
Hochtemperaturfestigkeit ausgelegt werden. Folglich können
die Eigenschaften des Kolbens in sämtlichen kritischen
Bereichen verbessert werden.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Für den Werkstoff des Kolbengrundkörpers wird eine
Aluminiumlegierung, insbesondere eine Aluminiumgusslegierung
bevorzugt. Bei diesen Werkstoffen entfaltet das
erfindungsgemäße Verfahren in besonderer Weise seine
Vorteile. Es ist jedoch zu erwähnen, dass dieses
grundsätzlich auch auf einen Kolben aus Stahl anwendbar ist.
Im Hinblick auf das Material des Einsatzes besteht, wie oben
ausgeführt, eine besondere Flexibilität, da nur in geringem
Umfang auf eine Verträglichkeit mit dem Werkstoff des
Kolbengrundkörpers geachtet werden muss. Gleichwohl wird für
das Material des Einsatzes ebenfalls eine Aluminiumlegierung
bevorzugt.
Besonders umfangreich können die Eigenschaften eines durch
das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Kolbens
verbessert werden, wenn das Material des Einsatzes,
insbesondere die Aluminiumlegierung, einen höheren Anteil von
Legierungselementen enthält, welche die
Hochtemperaturfestigkeit erhöhen, als das Material des
Kolbengrundkörpers, insbesondere die dabei verwendete
Aluminiumlegierung. Beispielsweise kann die für den Einsatz
verwendete Legierung einen höheren Anteil eines oder mehrerer
der folgenden Legierungselemente aufweisen: Silizium, Kupfer,
Nickel, Magnesium, Eisen.
Für die zunächst hergestellte Verbindung des Einsatzes mit
dem Kolbengrundkörper wird derzeit ein Eingießen bevorzugt.
Mit anderen Worten wird der Einsatz in einer Gießform
angeordnet und wird im Rahmen des Gießvorganges durch den
Kolbenwerkstoff umgeben. Gleichwohl kann der Einsatz auch auf
andere Weise zunächst mit dem Kolbengrundkörper verbunden
oder lediglich in diesen eingesetzt werden. Beispielsweise
ist ein Einpressen, ein Einschrumpfen sowie ein Verschweißen
des Einsatzes mit dem Kolbengrundkörper möglich.
Das Umschmelzen des Einsatzes, bei dem der Einsatz
vorzugsweise zumindest bereichsweise vollständig flüssig
wird, erfolgt bevorzugt durch ein Tiefschweißverfahren.
Hierbei kann beispielsweise ein Elektronenstrahlschweißen,
ein Lichtbogenschweißen, ein Plasmaschweißen, ein WIG-Schweißen
oder ein Laserschweißen vorgenommen werden. Im
Wesentlichen sind jegliche Verfahren geeignet, bei denen der
Einsatz zumindest in denjenigen Zonen, die nach einer
möglichen Nachbearbeitung an besonders belasteten Bereichen
verbleiben, sowie an den Schnittstellen zu dem
Kolbenwerkstoff umgeschmolzen werden kann.
Wie erwähnt, kann der Einsatz zunächst als bloßes "Paket"
oder "Vorrat" an Elementen vorgesehen werden, welche für die
besonders belasteten Bereiche die Hochtemperaturfestigkeit
erhöhen. Deshalb kann der Einsatz anfangs eine möglichst
einfache Form aufweisen. Im Rahmen des erfindüngsgemäßen
Verfahrens wird jedoch bevorzugt, dass der Kolben,
insbesondere im Bereich des Einsatzes, nachbearbeitet wird.
Beispielsweise kann hierbei eine Brennraummulde
herausgearbeitet werden.
In diesem Fall kann eine Optimierung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dadurch erfolgen, dass zumindest diejenigen Teile
des Einsatzes, die nach der Nachbearbeitung verbleiben,
umgeschmolzen werden. Demgegenüber kann das Schmelzen in
denjenigen Bereichen, die bei der Nachbearbeitung,
beispielsweise zur Ausbildung einer Brennraummulde, entfernt
werden, unterbleiben.
Die Lösung der obengenannten Aufgabe erfolgt ferner durch
einen Kolben gemäß dem Anspruch 9. Dieser weist einen
Kolbengrundkörper und zumindest einen Einsatz auf, der fest
mit dem Kolbengrundkörper verbunden ist, wobei der Einsatz
und zumindest die Bereiche des Kolbengrundkörpers, die sich
in unmittelbarer Umgebung des Einsatzes befinden, zumindest
teilweise umgeschmolzen sind. Die Tatsache, dass hier ein
Umschmelzen vorgenommen wurde, ist erkennbar an dem äußerst
feinen Gefüge der umgeschmolzenen Bereiche. Der
erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich somit dadurch aus, dass
im Bereich des Einsatzes, der an besonders
temperaturbelasteten Bereichen vorgesehen ist, zum einen eine
vorteilhafte, feinere Struktur vorhanden ist, und zum anderen
das verwendete Material durch geeignete, vorangehend bereits
erwähnte Legierungselemente an die in diesen Bereichen
auftretenden Anforderungen angepasst ist. Der Übergang
zwischen dem Einsatz und dem Kolbenwerkstoff ist durch das
Umschmelzen insbesondere auch an dieser Schnittstelle
fließend. Mit anderen Worten kann sich in dieser Zone das
Material des Einsatzes mit demjenigen des Kolbenwerkstoffes
vermischen. Aufgrund des Umschmelzens in diesem Bereich tritt
auch hier ein sehr feines Gefüge auf. Schließlich ist der
Einsatz gewissermaßen mit dem Kolbenwerkstoff verschmolzen
und hierdurch besonders gut mit diesem verbunden. Durch den
stetigen und nicht diskreten Übergang zwischen dem Einsatz
und dem Kolbenwerkstoff kann die Gefahr von Rissbildungen in
diesem Bereich erheblich vermindert werden.
Insbesondere kann der erfindungsgemäße Kolben deshalb auch
dadurch beschrieben werden, dass er einen Einsatz aus einem
anderen Material als dem Kolbenwerkstoff aufweist, der mit
dem Kolbenwerkstoff verschmolzen ist. Vorzugsweise ändert
sich die Materialzusammensetzung zwischen dem Einsatz und dem
Kolbenwerkstoff allmählich, und vorzugsweise weisen zumindest
Teile des Einsatzes und Bereiche des Kolbengrundkörpers
zumindest in der Umgebung des Einsatzes eine feinere Struktur
auf als übrige Bereiche des Kolbenwerkstoffes.
Die bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Kolbens entsprechen im Wesentlichen denjenigen Kolben, die
durch die bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens herstellbar sind. Hierbei kann es sich bei dem
erfindungsgemäßen Kolben insbesondere um einen Dieselkolben,
der vorzugsweise den hochbelasteten Dieselkolben zuzurechnen
ist, handeln. Ferner weist der Kolben bevorzugt eine
Brennraummulde auf, die im Bereich des Einsatzes ausgebildet
ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer beispielhaft in
den Figuren dargestellten Ausführungsform näher erläutert. Es
zeigen:
- Fig. 1
- schematisch einen in eine Gießform eingesetzten
Einsatz;
- Fig. 2
- schematisch den in den Kolbenwerkstoff
eingegossenen Einsatz;
- Fig. 3
- schematisch den mit dem Kolbenwerkstoff
verschmolzenen Einsatz; und
- Fig. 4
- den fertiggestellten Kolben mit einem
nachbearbeiteten Einsatz.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung
In Fig. 1 ist schematisch eine Gießform 10 und ein darin
eingesetzter Einsatz 12 gezeigt. Hierbei kann der Einsatz
insbesondere an einen Rand der Gießform anliegend vorgesehen
werden, da der Einsatz typischerweise im Endzustand des
Kolbens einen Randbereich des Kolbens bildet. Wie bereits in
Fig. 1 zu erkennen ist, kann der Einsatz beispielsweise in
Form einer dicken Scheibe oder einer großen Tablette in dem
Bereich vorgesehen sein, der später den Kolbenboden bildet.
Dieser Bereich befindet sich in Fig. 1 an der Unterseite. Der
Einsatz kann in diesem Bereich insbesondere den inneren
Bereich des Kolbenbodens bilden, während gewissermaßen
ringförmig an dem fertigen Kolben in der Umgebung 14 des
Einsatzes Kolbenwerkstoff vorgesehen wird.
Das Umgießen des Einsatzes 12 mit Kolbenwerkstoff 16 ist in
Fig. 2 gezeigt. Die mit dem eingesetzten Einsatz 12 versehene
Gießform 10 wird mit Kolbenwerkstoff 16 gefüllt, so dass der
Einsatz 12 nachfolgend in den Kolbenwerkstoff'16 eingegossen
ist. In Fig. 3 ist schematisch das Umschmelzen des Einsatzes
12 und das dadurch erfolgende Verschmelzen mit dem umgebenden
Kolbenwerkstoff 16 gezeigt. Durch das Umschmelzen des
Einsatzes 12 lösen sich die bislang festen und definierten
Grenzen zwischen dem Einsatz 12 und dem Kolbenwerkstoff 16
gewissermaßen auf. Das Material des Einsatzes 12 kann sich
zumindest in den Randbereichen des Einsatzes mit dem
Kolbenwerkstoff 16 vermischen. Somit liegt ausgehend von dem
Bereich im Inneren des Einsatzes, in dem der Einsatz
weiterhin vollständig aus dem ursprünglichen Material des
Einsatzes besteht, über einen Übergangsbereich an der
vormaligen Grenze zwischen dem Einsatz 12 und dem
Kolbenwerkstoff 16 zu denjenigen Zonen, in denen der
Kolbenwerkstoff 16 in Reinform vorhanden ist, ein fließender
Übergang vor. Hierdurch wird, wie erwähnt, zum einen ein sehr
feines Gefüge und zum anderen eine innige und gleichzeitig
harmonische Verbindung des Einsatzes mit dem Kolbenwerkstoff
16 erreicht.
Abschließend kann, wie in Fig. 4 gezeigt, eine weitere
Bearbeitung des fertigen Kolbens, insbesondere im Bereich des
Einsatzes 12 erfolgen, beispielsweise um in dem Bereich des
Einsatzes 12 eine Brennraummulde 18 auszubilden. Der Rand der
Brennraummulde wird somit durch den Einsatz gebildet, dessen
Materialzusammensetzung und Gefüge nach dem Umschmelzen in
besonderer Weise den Anforderungen in diesem Bereich,
insbesondere im Hinblick auf die Hochtemperaturfestigkeit,
Rechnung trägt. Hierbei kann der Muldenrand, der durch den
Werkstoff des Einsatzes 12 gebildet wird, als armiert
bezeichnet werden.