Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor
sowie einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
[0002] 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
[0003] 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.
[0004] 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
[0005] 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.
[0006] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Anspruch 1 beschriebene
Verfahren.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren
Ansprüchen beschrieben.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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
[0023] 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
[0024] 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.
[0025] 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.
[0026] 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.
1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit folgenden
Schritten:
- Vorbereiten zumindest eines Einsatzes (12),
- Einsetzen, insbesondere Verbinden des Einsatzes (12) in einen bzw. mit einem Kolbengrundkörper,
und
- zumindest teilweises Umschmelzen des Einsatzes (12) und zumindest der unmittelbaren
Umgebung des Einsatzes (12) in dem Kolbengrundkörper.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Material des Kolbengrundkörpers eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Aluminiumgusslegierung
ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Material des Einsatzes (12) eine Aluminiumlegierung ist.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Material des Einsatzes einen höheren'Anteil von Legierungselementen, welche die
Hochtemperaturfestigkeit erhöhen, wie z.B. Silizium, Kupfer, Nickel, Magnesium, Eisen,
aufweist als das Material des Kolbengrundkörpers.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Einsatz in den Kolbengrundkörper eingegossen wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Umschmelzen durch ein Tiefschweißverfahren durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kolben insbesondere im Bereich des Einsatzes nachbearbeitet, insbesondere eine
Brennraummulde herausgearbeitet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest der nach der Nachbearbeitung verbleibende Teil des Einsatzes umgeschmolzen
wird.
9. Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbengrundkörper und zumindest einem
Einsatz (12), der mit dem Kolbengrundkörper fest verbunden ist, wobei der Einsatz
(12) sowie zumindest die unmittelbare Umgebung des Einsatzes in dem Kolbengrundkörper
zumindest teilweise umgeschmolzen sind.
10. Kolben nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kolbengrundkörper aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere einer Aluminiumgusslegierung
besteht.
11. Kolben nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Einsatz (12) aus einer Aluminiumlegierung besteht.
12. Kolben nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Material des Einsatzes (12) einen höheren Anteil an Legierungselementen, welche
die Hochtemperaturfestigkeit erhöhen, wie z.B. Silizium, Kupfer, Nickel, Magnesium,
Eisen, aufweist als das Material des Kolbengrundkörpers.
13. Kolben nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
dieser eine Brennraummulde (18) aufweist.