WO2009043537A1 - Armierung einer ringnut eines kolbens für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for reinforcing at least one annular groove of a piston for an internal combustion engine, wherein an inhomogeneous microstructure in the region of the introduced annular groove after the production of a piston blank is homogenized by a remelting and melted in this first processing step of the remelting alloy additives with the aid of a heat source and thus be added in the area to be reinforced, according to the features of the preamble of claim 1.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for Ringnutarmtechnik with which a homogeneous, very low-pore structure can be achieved.
  • This object is achieved according to the invention by homogenizing the structure, which is known to be inhomogeneous, after the production of a piston blank (eg by casting or forging) by a remelting process, as is known, for example, from EP 0 820 831 B1.
  • a remelting process as is known, for example, from EP 0 820 831 B1.
  • alloy additives in wire or powder form are produced with the aid of, for example, a plasma / wig arc or with the aid of a laser beam.
  • the already partially homogenized microstructure is again superficially remelted in a further processing step, but now without the addition of the abovementioned alloying additives, with the aid of a plasma / Wig arc or with the aid of a laser beam, so that this additional remelting process Sets the desired homogeneous structure in the region of the annular groove (or the plurality of annular grooves).
  • the invention relates to an improvement of a machining process with regard to increasing the wear resistance of annular grooves of piston alloys, preferably piston alloys of light metal materials, more preferably of aluminum-containing piston alloys.
  • the described local reinforcement of the ring field by means of melting alloying can take place both with and without seam preparation.
  • the piston alloy very similar welding filler AISi 12 omitted.
  • the gas pores which are primarily due to the high silicon content, can be advantageously minimized by using a silicon-free filler as the main alloying element.
  • this filler metal is alloyed with magnesium in order to achieve a further increase in hardness of the microstructure.
  • only low-alloyed iron-based welding consumables and welding consumables with a high manganese content based on copper are used as reinforcement additives.
  • the abovementioned welding consumables can also be adapted in a corresponding manner from the material, so that the abovementioned welding consumables are particularly advantageous in connection with aluminum-containing piston alloys, although the enumeration is not exhaustive and other welding consumables may also be considered ,

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Armierung zumindest einer Ringnut eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, wobei ein inhomogenes Gefüge im Bereich der einzubringenden Ringnut nach der Herstellung eines Kolbenrohlings durch einen Umschmelzvorgang homogenisiert wird und bei diesem ersten Verarbeitungsschritt des Umschmelzvorganges Legierungszusätze unter Zuhilfenahme einer Wärmequelle aufgeschmolzen und damit im zu armierenden Bereich zugesetzt werden, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass das schon teilweise homogenisierte Gefüge in einem weiteren Verarbeitungsschritt, jetzt allerdings ohne Zugabe von Legierungszusätzen, unter Zuhilfenahme der Wärmequelle erneut oberflächlich aufgeschmolzen wird.

Description

Armierung einer Ringnut eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Armierung zumindest einer Ringnut eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, wobei ein inhomogenes Gefüge im Bereich der einzubringenden Ringnut nach der Herstellung eines Kolbenrohlings durch einen Umschmelzvorgang homogenisiert wird und bei diesem ersten Verarbeitungsschritt des Umschmelzvorganges Legierungszusätze unter Zuhilfenahme einer Wärmequelle aufgeschmolzen und damit im zu armierenden Bereich zugesetzt werden, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Ein Schweißprozess zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Ringnuten ist anhand von einem Tandemschweißen in der EP 0 820 831 B1 beschrieben. Dieses Tandemschweißen läßt sich heutzutage nicht mehr auf die Kolben und deren Zusatzwerkstoffe übertragen, da diese Kolben nicht mehr den Anforderungen an die heutigen Brennkraftmaschinen, insbesondere im Hinblick auf die Emissionen und den Verbrauch, genügen. In Verbindung mit Eisen als Armierungswerkstoff bleiben aufgrund der höheren Schmelztemperatur sowie des höheren spezifischen Gewichtes dieses Eisenwerkstoffes ungelöste Eisenpartikel sowie eine sehr hohe Anzahl von Gasporen in der Schmelze übrig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ringnutarmierung bereitzustellen, mit dem sich ein homogenes, sehr porenarmes Gefüge erzielen läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das an sich bekannt inhomogene Gefüge nach der Herstellung eines Kolbenrohlings (z. B. durch Gießen oder Schmieden) durch einen Umschmelzvorgang, wie er beispielsweise aus der EP 0 820 831 B1 bekannt ist, homogenisiert wird. Bei diesem ersten Schritt des Umschmelzvorganges werden Legierungszusätze in Draht- oder Pulverform unter Zuhilfenahme beispielsweise eines Plas- ma/Wig-Lichtbogens oder mit Hilfe eines Laserstrahls realisiert. Dieser erste Umschmelzvorgang führt zwar schon zu einer Verbesserung der Ringnutarmierung, die aber den Anforderungen an heutige Kolben von Brennkraftmaschinen dauerhaft noch nicht genügt.
Deshalb ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass das schon teilweise homogenisierte Gefüge in einem weiteren Verarbeitungsschritt, jetzt allerdings ohne Zugabe von den genannten Legierungszusätzen, unter Zuhilfenahme eines Plasma/Wig-Lichtbogens oder mit Hilfe eines Laserstrahles erneut oberflächlich aufgeschmolzen wird, so dass durch diesen zusätzlichen Umschmelzvorgang sich das gewünschte homogene Gefüge im Bereich der Ringnut (oder der mehreren Ringnuten) einstellt.
Bei der Erfindung handelt es sich um eine Verbesserung eines Bearbeitungsprozesses in Bezug auf die Erhöhung der Verschleißbeständigkeit von Ringnuten von Kolbenlegierungen, vorzugsweise Kolbenlegierungen aus Leichtmetallwerkstoffen, weiter vorzugsweise von alu- miniumhaltigen Kolbenlegierungen.
Die beschriebene lokale Verstärkung des Ringfeldes mittels Aufschmelzlegieren kann sowohl mit als auch ohne Nahtvorbereitung erfolgen.
Zur Verminderung der Gasporen wird auf dem laut EP 0 820 831 B1 zu verwendenden, der Kolbenlegierung sehr ähnlich Schweißzusatzwerkstoff AISi 12 verzichtet. Die Gasporen, die primär auf den hohen Siliziumgehalt zurückzuführen sind, lassen sich in vorteilhafter Weise dadurch minimieren, wenn als Hauptlegierungselement ein siliziumfreier Schweißzusatz verwendet wird. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn dieser Schweißzusatz mit Magnesium legiert ist, um eine weitere Härtesteigerung des Gefüges zu erreichen. Ebenso werden als Armierungszusätze ausschließlich niedrig legierte Schweißzusätze auf Eisenbasis sowie Schweißzusätze mit hohem Mangananteil auf Kupferbasis verwendet.
Je nach Grundstoff der Kolbenlegierung können die oben genannten Schweißzusätze auch in entsprechender Weise vom Material her angepasst werden, so dass die oben genannten Schweißzusätze besonders vorteilhaft sind im Zusammenhang mit aluminiumhaltigen Kolbenlegierungen, wobei die Aufzählung allerdings nicht abschließend ist und auch andere Schweißzusätze in Betracht kommen können.
Bei der Durchführung des Aufschmelzens der Kolbenlegierung im ersten Verarbeitungsschritt kann wahlweise ein Tandem- oder ein Laserschweißprozess zum Einsatz kommen. Andere Aufschmelzverfahren sind ebenfalls denkbar. Eine Vorbereitung der Schweißnaht ist sinnvoll, jedoch je nach dem verwendeten Schweißprozess nicht zwangsweise notwendig.
Durch die Durchführung des erfindungsgemässen zweistufigen Verfahrens wird somit ein homogenes, sehr porenarmes Gefüge im Bereich der Ringnut zu deren Armierung geschaffen. Da die ungelösten Partikel aufgrund der Homogenisierung nicht mehr vorhanden sind, stellt die Zerspanung dieses Bereiches zur Einbringung der Ringnuten keinerlei Probleme dar. Weiterhin wird die Rißgefahr in diesem Bereich deutlich reduziert, da Spannungen innerhalb der Gefügestruktur aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der ungelösten Metallpartikel nicht mehr auftreten. Durch die ungelösten Metallpartikel (und somit einer partiell unterschiedlichen Wärmeausdehnung) konnte in der Vergangenheit keine gleichmäßige Flächenpressung zwischen der Ringnutunterflanke und dem Kolbenring erreicht werden, so dass jetzt durch die Erfindung aufgrund der weiter verbesserten Homogenisierung dieser Effekt zusätzlich noch eliminiert ist.

Claims

P A T E N T A N S P R U C H EArmierung einer Ringnut eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine
1. Verfahren zur Armierung zumindest einer Ringnut eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, wobei ein inhomogenes Gefüge im Bereich der einzubringenden Ringnut nach der Herstellung eines Kolbenrohlings durch einen Umschmelzvorgang homogenisiert wird und bei diesem ersten Verarbeitungsschritt des Umschmelzvor- ganges Legierungszusätze unter Zuhilfenahme einer Wärmequelle aufgeschmolzen und damit im zu armierenden Bereich zugesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das schon teilweise homogenisierte Gefüge in einem weiteren Verarbeitungsschritt, jetzt allerdings ohne Zugabe von Legierungszusätzen, unter Zuhilfenahme der Wärmequelle erneut oberflächlich aufgeschmolzen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle durch einen Plasma/Wig-Lichtbogen realisiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle durch einen Laserstrahl realisiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptlegierungselement ein siliziumfreier Schweißzusatz verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Schweißzusatz mit Magnesium legiert ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Armierungszusätze ausschließlich niedrig legierte Schweißzusätze auf Eisenbasis sowie Schweißzusätze mit hohem Mangananteil auf Kupferbasis verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung des Aufschmelzens der Kolbenlegierung im ersten und/oder im weiteren Verarbeitungsschritt ein Tandem- oder ein Laserschweißpro- zess zum Einsatz kommt.
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