EP1907684A1 - Verfahren zur herstellung eines kolbens für einen verbrennungsmotor sowie kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines kolbens für einen verbrennungsmotor sowie kolben für einen verbrennungsmotor

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EP1907684A1
EP1907684A1 EP06754607A EP06754607A EP1907684A1 EP 1907684 A1 EP1907684 A1 EP 1907684A1 EP 06754607 A EP06754607 A EP 06754607A EP 06754607 A EP06754607 A EP 06754607A EP 1907684 A1 EP1907684 A1 EP 1907684A1
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EP
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piston
melt
internal combustion
combustion engine
treated
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Ceased
Application number
EP06754607A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Simon Reichstein
Lothar Hofmann
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Nuernberg GmbH
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Publication date
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Publication of EP1907684A1 publication Critical patent/EP1907684A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
    • F02F3/12—Pistons  having surface coverings on piston heads
    • F02F3/14—Pistons  having surface coverings on piston heads within combustion chambers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/26—Pistons  having combustion chamber in piston head
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49249—Piston making

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a piston with a combustion bowl for an internal combustion engine and such a piston for an internal combustion engine.
  • Pistons are constantly subjected to changes in operating conditions in internal combustion engines. Every start and / or AbsehaltVorgang and every change of a load case leads to a strong change in the temperature distribution in the piston. These changes in the temperature distributions cause internal stresses which can lead to plastic deformation and ultimately failure of the piston.
  • the invention has for its object to provide a method for producing an engine piston and an engine piston, by means of which the life and reliability of an engine piston is further increased.
  • a region of the combustion bowl comprising at least one depression base is melt-treated, such that a structure of the material in the melt-treated region is changed in a layer having a definable depth.
  • the material is "remelted" in the melt-treated area.
  • the material has an altered structure, for example a changed particle size, relative to the underlying material of the piston. so that sets a finer microstructure.
  • the finer structure better withstands changing loads.
  • the depth of the layer is determined appropriately. It can range from a few to a few mm. The depth is determined so that a structure of the material is changed.
  • the remelting counteracts a failure of the piston in the trough bottom, for example due to changes in the temperature distribution, so that the service life of the piston is prolonged.
  • tools used for the melting treatment are appropriately adapted to the geometry of the trough base.
  • the area is heated by arc welding process, laser and / or electron beam and / or remelted by an inductive heating.
  • arc welding process laser and / or electron beam and / or remelted by an inductive heating.
  • other forms of energy input are also conceivable.
  • the area is heated by an energy input with a power between 2 and 8kW.
  • a depth of the melt-treated layer can be influenced.
  • the melt-treated area is subsequently cooled at a cooling rate or rate of 100-1000 K / s.
  • a cooling rate or rate of 100-1000 K / s In technical remelting processes, solidification rates are possible within a very wide range, namely between 10 3 and 10 " 10 K / s the higher the cooling rate, the finer the particles crystallize in the melt.
  • the cooling rate of 100-1000 K / s for pistons with silicon content has proven to be particularly favorable. However, the rate can be exceeded or undershot, at least for pistons without silicon content.
  • the preferred cooling rate of 100-1000 K / s was determined as follows. It has been determined by experiments that the cooling rate must be at least 100 K / s, so that a sufficient proportion of the primary silicon, which may be present in the piston to be produced, is sufficiently fine, so that dispersion hardening of the material occurs. A slower solidification would lead to a coarser structure, which does not have the desired properties. Thus, as a minimum cooling rate, 100 K / s can be given for certain piston materials.
  • a piston which consists of an alloy is preferably machined by the method according to the invention.
  • the alloy has a main alloying element and at least one further alloying element.
  • the resistance to thermal fatigue can be improved by introducing the main alloying element.
  • this embodiment differs from the hitherto conventionally chosen approaches.
  • strength-increasing elements such as silicon, nickel, copper or magnesium, introduced.
  • Such alloying elements for example, locally increase the strength of an aluminum alloy piston. It was always assumed that by increasing the strength-increasing alloying element, the properties with regard to thermal shock resistance can also be improved.
  • the effect according to the invention can be achieved by introducing the main alloying element in pure form as an additional material.
  • the same effect can be produced by incorporating an alloy containing the main alloying element and at least one alloying element of the bulb alloy, but which is present in the filler material at a lower concentration than in the piston to be treated. This also partially reduces the concentration of the alloying element and increases the thermal stability of the piston, at least in this area.
  • this process step is basically independent of other features of the invention, in particular the specified cooling rate.
  • the heat resistance can be improved by melting the piston at least in regions by means of a welding process, and introducing the main alloy element as a filler, so that the concentration of the main alloy element is increased at least in some regions.
  • all other features mentioned above and below can be advantageously used.
  • the piston according to the invention which may have a finer structure and an increased concentration of the main alloy element at least in some areas compared to other areas, without particles of the size specified below for the piston according to the invention.
  • the features of the piston according to the invention can also be combined with one another in a manner described herein.
  • the piston is remelted in a layer having a depth greater than 200 microns, especially at least 300 microns. This achieves a change in the structure of the material.
  • the piston is additionally treated and / or processed on the surface.
  • the remelting process is thus not always the last processing step. Further processing steps, for example, for a smoothing of the surface can connect.
  • an area adjacent thereto is melt-treated in addition to the trough base.
  • a remelting treatment it is conceivable to subject the entire combustion bowl to a remelting treatment.
  • low solidification rates are achieved, inter alia, by the fact that a melt-treated area is spatially limited. If a larger area to be remelted, a treatment in several steps is preferable.
  • a piston for an internal combustion engine wherein the piston has a combustion bowl, the combustion bowl is melt-treated in a region comprising at least the well base and a material in the melt-treated area is remelted, so that a structure of the material in the melt-treated Range is changed compared to the untreated areas of the remaining piston in a layer with a definable depth.
  • An expected life of a piston with remelted trough bottom is considerably higher than that of conventional pistons.
  • the material structure in the melt-treated area is preferably modified in a layer having a depth of more than 200 ⁇ m, in particular more than 300 ⁇ m.
  • the piston has a finer structure in the melt-treated area compared to untreated areas of the piston, preferably with particles smaller than 10 ⁇ 6 m .
  • the piston is preferably provided as a diesel piston. Diesel pistons, in particular truck pistons, are exposed to special thermal loads. A reinforcement of the trough bottom by remelting is particularly advantageous.
  • the figure shows schematically a piston 1 of an internal combustion engine with a combustion chamber trough 2.
  • the transition between the piston head 3 and the combustion chamber trough 2 is referred to as trough edge.
  • the bottom of the combustion bowl 2 is referred to as a trough base 20.
  • the trough base 20 is at least partially remelted.
  • the remelting is preferably carried out by an arc welding process.
  • the surface of the piston 1 is melted by the arc in the region of the trough base 20.
  • a subsequent solidification speed is many times higher than in a casting of the piston 1. As a result, a finer microstructure arises in the remelted region of the hollow bottom 20 than in the remaining piston 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) mit einer Brennraummulde (2) für einen Verbrennungsmotor, bei dem zumindest ein Bereich der Brennraummulde (2) umfassend mindestens einen Muldengrund (20) schmelzbehandelt wird, um einen Werkstoff im schmelzbehandelten Bereich umzuschmelzen, so dass ein Aufbau des Werkstoffs im schmelzbehandelten Bereich in einer Schicht mit einer festlegbaren Tiefe verändert wird, sowie einen derartigen Kolben (1).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie Kolben für einen Verbrennungsmotor
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit einer Brennraummulde für einen Verbrennungsmotor sowie einen derartigen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
Kolben sind im Betrieb in Verbrennungsmotoren ständig Veränderungen der Betriebsbedingungen unterworfen. Jeder Start und/oder AbsehaltVorgang sowie jeder Wechsel eines Lastfalls führt zu einer starken Veränderung der Temperaturverteilung im Kolben. Diese Veränderungen der Temperaturverteilungen verursachen innere Spannungen, die zu einer plastischen Verformung und schließlich zu einem Versagen des Kolbens führen können.
Stand der Technik
Es ist bekannt, die Lebensdauer eines Kolbens mittels einer Materialbearbeitung zu verlängern.
Aus der DE-OS 20 27 649 ist es bekannt, auf die besonderen thermischen und/oder mechanischen Belastungen ausgesetzten Kolbenteile eine Leichtmetallbewehrung durch Auftragsschweißung unter Bildung einer Mischzone aufzubringen. Der Kolben wird dabei insbesondere im Bereich eines Muldenrands mit einer unter Bildung einer Mischzone aufgeschweißten Reinaluminiumschicht überzogen.
Die DE 199 02 864 Al beschreibt einen Kolben, bei dem der Rand der Brennraummulde zumindest teilweise mittels Strahlbeschichtung aus einem Zusatzwerkstoff gebildet ist.
Aus der DE 103 35 843 Al ist es bekannt, die Lebensdauer des Kolbens mittels eines Umschmelzen des Muldenrands zu erhöhen.
Versuche zeigen jedoch, dass bestimmte Betriebsbedingungen dennoch zu einem Versagen des Kolbens führen können.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorkolbens sowie einen Motorkolben zu schaffen, mittels derer die Lebensdauer und Betriebssicherheit eines Motorkolbens weiter erhöht wird.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10.
Dabei wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit einer Brennraummulde für einen Verbrennungsmotor ein Bereich der Brennraummulde umfassend mindestens einen Muldengrund schmelzbehandelt, so dass ein Aufbau des Werkstoffs im schmelzbehandelten Bereich in einer Schicht mit einer festlegbaren Tiefe verändert wird. Der Werkstoff wird im schmelzbehandelten Bereich "umgeschmolzen" . Der Werkstoff weist somit in der schmelzbehandelten Schicht gegenüber dem darunterliegenden Werkstoff des Kolbens eine veränderte Struktur, beispielsweise eine veränderte Partikelgröße auf, so dass sich ein feineres Gefüge einstellt. Das feinere Gefüge hält einer wechselnden Belastung besser stand. Die Tiefe der Schicht wird dabei geeignet festgelegt. Sie kann von wenigen um bis zu einigen mm reichen. Die Tiefe wird derart festgelegt, dass ein Aufbau des Werkstoffs verändert wird.
Durch das Umschmelzen wird einem Versagen des Kolbens im Muldengrund beispielsweise auf Grund von Veränderungen der Temperaturverteilung entgegengewirkt, so dass die Lebensdauer des Kolbens verlängert wird.
Verwendete Werkzeuge für die Schmelzbehandlung werden gegebenenfalls in geeigneter Weise an die Geometrie des Muldengrunds angepasst.
Vorzugsweise wird der Bereich mittels Lichtbogen- Schweißverfahren, Laser- und/oder Elektronenstrahl erwärmt und/oder durch eine induktive Erwärmung umgeschmolzen. Es sind jedoch auch andere Formen einer Energieeinbringung denkbar .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Bereich durch eine Energieeinbringung mit einer Leistung zwischen 2 und 8kW erwärmt. Durch die Leistung des Energiestrahls und/oder die Einwirkzeit ist eine Tiefe der schmelzbehandelten Schicht beeinflussbar.
Vorzugsweise wird der schmelzbehandelte Bereich nachfolgend mit einer Abkühlrate oder Geschwindigkeit von 100-1000 K/s abgekühlt. Bei technischen Umschmelzprozessen sind Erstarrungsgeschwindigkeiten in einem äußerst umfangreichen Bereich, nämlich etwa zwischen 103 und 10"10 K/s möglich. Je höher die Abkühlrate ist, desto feiner kristallisieren die Partikel in der Schmelze. Innerhalb dieses umfangreichen Bereichs hat sich die Abkühlrate von 100-1000 K/s bei Kolben mit Silizium-Anteil als besonders günstig herausgestellt. Die Rate kann jedoch zumindest bei Kolben ohne Silizium-Anteil über- oder unterschritten werden.
Bei Versuchen für Kolben mit Silizium-Anteil hat sich ergeben, dass durch die Abkühlrate von 100-1000 K/s die folgenden Vorteile erreicht werden. Bei dem hergestellten Kolben können in den aufgeschmolzenen und nachfolgend abgekühlten Bereichen des Muldengrunds Partikel festgestellt werden, die kleiner, zumeist deutlich kleiner als 10 ~6 m sind. Für Partikel mit einer derartigen Größe hat sich ergeben, dass sie zu der erwünschten Dispersionshärtung und damit zu einer deutlichen Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit führen.
Die bevorzugte Abkühlrate von 100-1000 K/s wurde wie folgt ermittelt. Durch Versuche wurde herausgearbeitet, dass die Abkühlrate mindestens 100 K/s betragen muss, damit ein ausreichender Anteil des primären Siliziums, das gegebenenfalls in dem herzustellenden Kolben vorhanden ist, ausreichend fein ausgebildet wird, so dass es zu einer Dispersionshärtung des Werkstoffs kommt. Eine langsamere Erstarrung würde zu einem gröberen Gefüge führen, das die erwünschten Eigenschaften nicht aufweist. Somit kann als eine Mindest-Abkühlrate 100 K/s für bestimmte Kolbenmaterialien angegeben werden .
Im Hinblick auf die bevorzugte Obergrenze der Abkühlrate hat sich durch geeignete Versuche ein Wert von 1000 K/s ergeben. Bei einem noch schnelleren Abkühlen könnte es bei Kolben mit Silizium-Anteil zu einer Zwangslösung des Siliziums in einem übersättigten Aluminium- Mischkristall kommen. Hierdurch würden die erwünschten, feinen Dispersoide verloren gehen. Diese sind für die angestrebte Dispersionshärtung und Hochtemperaturfestigkeit erforderlich. Darüber hinaus ist es äußerst aufwendig, diejenigen Volumina des Muldengrunds, die bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens aufgeschmolzen werden, schneller abzukühlen als mit der erfindungsgemäßen Abkühlrate von 1000 K/s. Insgesamt ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren ein wirtschaftlich sinnvolles Herstellungsverfahren für Kolben, mit dem ein Kolben mit einer zumindest bereichsweise verbesserten Hochtemperaturfestigkeit hergestellt werden kann.
Bevorzugt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen seiner Herstellung ein Kolben bearbeitet, der aus einer Legierung besteht. Die Legierung weist ein Hauptlegierungselement und zumindest ein weiteres Legierungselement auf. Ferner wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass die Beständigkeit gegen thermische Ermüdung durch Einbringen des Hauptlegierungselements verbessert werden kann. In diesem Punkt unterscheidet sich diese Ausführungsform von den bislang üblicherweise gewählten Ansätzen. Bei üblichen Verfahren werden zumeist festigkeitserhöhende Elemente, wie z.B. Silizium, Nickel, Kupfer oder Magnesium, eingebracht. Derartige Legierungselemente erhöhen beispielsweise bei einem Kolben aus einer Aluminiumlegierung lokal die Festigkeit. Es wurde dabei stets angenommen, dass durch eine Erhöhung des festigkeitserhöhenden Legierungselements auch die Eigenschaften im Hinblick auf die Temperaturwechselbeständigkeit verbessert werden können. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch überraschend herausgestellt, dass nicht eine Erhöhung, sondern eine Verringerung der Konzentration dieser festigkeitserhöhenden Elemente vorteilhaft ist. Es kommt also zu einer "Verdünnung" der Legierung. Diese Maßnahme kann auch als Ablegieren bezeichnet werden. Dies wird dadurch erreicht, dass zumindest in geringem Umfang das Hauptlegierungselement eingebracht wird, so dass sich die Konzentration der Legierungselemente in den behandelten Bereichen verringert, zumindest jedoch nicht erhöht. Versuche haben gezeigt, dass dies zwar zu einer geringfügigen Erniedrigung der Festigkeit führen kann. Es ergibt sich jedoch auch eine verbesserte Beständigkeit gegen thermomechanische Ermüdung. Insbesondere dadurch, dass das erfindungsgemäße Verfahren lediglich in den thermisch besonders belasteten Bereichen angewendet wird, ergibt sich ein Kolben, der insgesamt eine nur geringfügig beeinträchtigte Festigkeit aufweist. An den besonders gefährdeten Stellen ist die thermische Belastbarkeit jedoch erhöht, so dass sich insgesamt eine deutlich verbesserte Lebensdauer des Kolbens ergibt .
Der erfindungsgemäße Effekt lässt sich dadurch erreichen, dass das Hauptlegierungselement in Reinform als Zusatzwerkstoff eingebracht wird. Der gleiche Effekt kann jedoch erzeugt werden, indem eine Legierung eingebracht wird, die das Hauptlegierungselement sowie zumindest ein Legierungselement der Kolbenlegierung enthält, welches jedoch in dem Zusatzwerkstoff in einer niedrigeren Konzentration vorliegt als in dem zu behandelnden Kolben. Auch hierdurch wird bereichsweise die Konzentration des Legierungselements verringert und die thermische Beständigkeit des Kolbens zumindest in diesem Bereich erhöht. Zu der zuletzt beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem im Rahmen des Aufschmelzens mittels eines Schweißverfahrens das Hauptlegierungselement als Zusatzwerkstoff eingebracht wird, ist zu betonen, dass dieser Verfahrensschritt grundsätzlich von übrigen Merkmalen der Erfindung, insbesondere der angegebenen Abkühlrate, unabhängig ist. Mit anderen Worten kann bei einem beliebigen Verfahren zur Herstellung eines Kolbens eine Verbesserung der Wärmebeständigkeit dadurch erfolgen, dass der Kolben mittels eines Schweißverfahrens zumindest bereichsweise aufgeschmolzen wird, und das Hauptlegierungselement als Zusatzwerkstoff eingebracht wird, sodass die Konzentration des Hauptlegierungselements somit zumindest bereichsweise erhöht wird. Bei einem derartigen Verfahren können alle übrigen, vorangehend und nachfolgend genannten Merkmale vorteilhaft eingesetzt werden. Dies gilt in gleicher Weise für den erfindungsgemäßen Kolben, der zumindest bereichsweise eine verglichen mit anderen Bereichen feinere Struktur und eine erhöhte Konzentration des Hauptlegierungselements aufweisen kann, ohne dass Partikel in derjenigen Größe vorhanden sind, die nachfolgend für den erfindungsgemäßen Kolben angegeben werden. Auch die Merkmale des erfindungsgemäßen Kolbens sind in hierin beschriebener Weise miteinander kombinierbar.
Vorzugsweise wird der Kolben in einer Schicht mit einer Tiefe von mehr als 200 um, insbesondere von mindestens 300 um, umgeschmolzen. Dadurch wird eine Veränderung der Struktur des Werkstoffs erzielt.
Bevorzugt wird der Kolben nach einem Umschmelzen zusätzlich an der Oberfläche behandelt und/oder bearbeitet. Der Umschmelzvorgang ist somit nicht immer der letzte Bearbeitungsschritt. Weitere Bearbeitungsschritte, beispielsweise für eine Glättung der Oberfläche können anschließen.
In einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich zu dem Muldengrund ein daran angrenzender Bereich schmelzbehandelt. Grundsätzlich ist es denkbar, die gesamte Brennraummulde einer Umschmelzbehandlung zu unterziehen. Geringe Erstarrungsgeschwindigkeiten werden jedoch unter anderem dadurch erzielt, dass ein schmelzbehandelter Bereich räumlich begrenzt ist. Soll ein größerer Bereich umgeschmolzen werden, so ist eine Behandlung in mehreren Schritten vorzuziehen.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt weiter durch einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben eine Brennraummulde aufweist, die Brennraummulde in einem Bereich umfassend zumindest den Muldengrund schmelzbehandelt ist und ein Werkstoff im schmelzbehandelten Bereich umgeschmolzen ist, so dass ein Aufbau des Werkstoffs im schmelzbehandelten Bereich verglichen mit den unbehandelten Bereichen des übrigen Kolbens in einer Schicht mit einer festlegbaren Tiefe verändert ist. Eine erwartete Lebensdauer eines Kolbens mit umgeschmolzenem Muldengrund liegt erheblich höher als die herkömmlicher Kolben.
Bevorzugt ist der Werkstoffaufbau im schmelzbehandelten Bereich in einer Schicht mit einer Tiefe von mehr als 200 um, insbesondere von mehr als 300 um, verändert.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Kolben im schmelzbehandelten Bereich verglichen mit unbehandelten Bereichen des Kolbens eine feinere Struktur auf, vorzugsweise mit Partikeln kleiner 10~6m. Der Kolben ist vorzugsweise als Dieselkolben vorgesehen. Dieselkolben, insbesondere Lkw-Kolben, sind besonderen thermischen Belastungen ausgesetzt. Eine Verstärkung des Muldengrunds durch Umschmelzen ist dabei besonders vorteilhaft .
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Die einzige Figur zeigt :
eine schematische Schnittdarstellung eines Kolbens mit verstärktem Muldengrund.
Ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
Die Figur zeigt schematisch einen Kolben 1 eines Verbrennungsmotors mit einer Brennraummulde 2. Der Übergang zwischen Kolbenboden 3 und Brennraummulde 2 wird als Muldenrand bezeichnet. Der Boden der Brennraummulde 2 wird als Muldengrund 20 bezeichnet.
Der Muldengrund 20 ist zumindest teilweise umgeschmolzen. Das Umschmelzen erfolgt vorzugsweise durch ein Lichtbogen- Schweißverfahren. Die Oberfläche des Kolbens 1 wird durch den Lichtbogen im Bereich des Muldengrunds 20 aufgeschmolzen. Eine anschließende Erstarrungsgeschwindigkeit liegt um ein Vielfaches höher als bei einem Guss des Kolbens 1. Dadurch stellt sich in dem umgeschmolzenen Bereich des Muldengrunds 20 ein feineres Gefüge als im übrigen Kolben 1 ein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) mit einer
Brennraummulde (2) für einen Verbrennungsmotor, bei dem zumindest ein Bereich der Brennraummulde (2) umfassend mindestens einen Muldengrund (20) schmelzbehandelt wird, so dass ein Aufbau des Werkstoffs im schmelzbehandelten Bereich in einer Schicht mit einer festlegbaren Tiefe verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Bereich mittels Lichtbogen, Laser- und/oder Elektronenstrahl erwärmt wird und/oder durch induktive Erwärmung umgeschmolzen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Bereich durch eine Energieeinbringung mit einer
Leistung zwischen 2 und 8kW erwärmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass nach der Schmelzbehandlung eine Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von 100-1000 K/s erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kolben (1) aus einer Legierung mit einem Hauptlegierungselement und zumindest einem Legierungselement besteht, und dass bei der Schmelzbehandlung das Hauptlegierungselement als Zusatzwerkstoff eingebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der schmelzbehandelte Bereich in einer Schicht mit einer Tiefe von mehr als 200μm umgeschmolzen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der schmelzbehandelte Bereich in einer Schicht mit einer
Tiefe von mindestens 300μm umgeschmolzen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass nach dem Umschmelzen der schmelzbehandelte Bereich zusätzlich an der Oberfläche behandelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der schmelzbehandelte Bereich zusätzlich den an den Grund (16) angrenzenden Bereich umfasst.
10. Kolben für einen Verbrennungsmotor, welcher Kolben (1) eine Brennraummulde (2) aufweist, die Brennraummulde (2) in einem Bereich umfassend zumindest den Muldengrund (20) schmelzbehandelt ist, so dass ein Aufbau des Werkstoffs im schmelzbehandelten Bereich verglichen mit dem Werkstoff unbehandelter Bereiche des Kolbens (1) in einer Schicht mit einer bestimmten Tiefe verändert ist.
11. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Werkstoffaufbau im schmelzbehandelten Bereich verglichen mit dem Werkstoff unbehandelter Bereiche des Kolbens (1) in einer Schicht mit einer Tiefe von mehr als 200μm verändert ist.
12. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Werkstoffaufbau im schmelzbehandelten Bereich verglichen mit dem Werkstoff unbehandelter Bereiche des Kolbens (1) in einer Schicht mit einer Tiefe von mindestens 300μm verändert ist.
13. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der schmelzbehandelte Bereich zusätzlich den an den
Muldengrund (20) angrenzenden Bereich umfasst.
14. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass in dem schmelzbehandelten Bereich verglichen mit den unbehandelten Bereichen des Kolbens (1) Partikel mit einer feineren Struktur, insbesondere einer Größe kleiner 10"^m, vorhanden sind.
15. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass dieser aus einer Legierung mit einem Hauptlegierungselement und zumindest einem Legierungselement besteht, und dass zumindest in dem schmelzbehandelten Bereich eine erhöhte Konzentration des Hauptlegierungselements vorliegt .
16. Kolben nach Anspruch 15, dadurch . g e k e n n z e i c h n e t , dass das Hauptlegierungselement Aluminium oder Eisen ist.
17. Kolben für einen Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass dieser als Dieselkolben vorgesehen ist.
EP06754607A 2005-07-26 2006-06-26 Verfahren zur herstellung eines kolbens für einen verbrennungsmotor sowie kolben für einen verbrennungsmotor Ceased EP1907684A1 (de)

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