DE102004018921A1

DE102004018921A1 - Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange sowie eines Kolbenbolzens

Info

Publication number: DE102004018921A1
Application number: DE102004018921A
Authority: DE
Inventors: Clemens Luchner; Franz Bonauer; Helmut PÖLLATH; Thomas Hüttner; Kurt Kunz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2005-11-17

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange für einen eine Kurbelwelle und Kolben umfassenden Hubkolbenmotor mit einem einem Kolben zugeordneten ersten und einem der Kurbelwelle zugeordneten zweiten Pleuelauge, wobei im ersten Pleuelauge eine durch Vergütung und im zweiten Pleuelauge eine durch Beschichtung der Innenfläche des Pleuelauges Funktionsauflage gebildet ist, die Vergütung und die Beschichtung in aufeinander folgenden Schritten erfolgt und die im ersten Schritt eingebrachte Wärme zur Vorwärmung im zweiten Schritt genutzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange für einen eine Kurbelwelle und Kolben umfassenden Hubkolbenmotor mit einem einem Kolben zugeordneten ersten und einem der Kurbelwelle zugeordneten zweiten Pleuelauge, wobei im ersten Pleuelauge eine Funktionsauflage durch Vergütung und im zweiten Pleuelauge eine Funktionsauflage durch Beschichtung der Innenfläche des Pleuelauges gebildet ist.

Pleuelstangen werden in Hubkolbenmotoren zur Übertragung der Kolbenkraft und -bewegung auf die Kurbelwelle verwendet. Gegebenenfalls sind sie mit Bohrungen zur Schmierölversorgung des Kolbens versehen. Die Pleuelstange wird durch Gas- und Massenkräfte beansprucht, sodass sie eine ausreichende mechanische Festigkeit, eine hohe Tragfähigkeit an den Lagerstellen, eine möglichst kleine Masse sowie eine optimale Länge aufweisen soll. Pleuelstangen weisen an ihren Enden Lageraugen auf, mittels welchen sie einerseits an den Kolben und andererseits an der Kurbelwelle angelenkt sind. Dabei sind üblicherweise in den Lageraugen Gleitlager bzw. Wälzlager vorgesehen.

Pleuelstangen ohne gesonderte Gleitlager oder Wälzlager, sog. Integralpleuel, sind bekannt. Eine derartige Pleuelstange, bei welcher zumindest eines der Pleuelaugen ein durch Vergütung und/oder Beschichtung der Innenfläche des Pleuelauges gebildetes Lager umfasst, beschreibt sehr allgemein die WO 96/04485 A1. Die WO 96/04485 A1 weist zwar darauf hin, dass eine gute Haftung der Beschichtung auf der Innenfläche des Pleuelauges erforderlich ist und die Beschichtung eine geringe Eigenspannung aufweisen soll, sie gibt jedoch keinen Hinweis darauf, wie dies zu bewerkstelligen ist.

Näher beschrieben ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lagerschicht durch thermisches Spritzen eines Lagerwerkstoffes direkt auf die Innenfläche insbesondere des großen, der Kurbelwelle zugeordneten Pleuelauges in der DE 197 31 625 A1 , welche zwar eine optionale Beschichtung auch des kleinen Pleuelauges offenbart, eine differenzierte Behandlung des kleinen Pleuelauges jedoch nicht beschreibt.

Mit der DE 43 07 560 A1 ist eine pulvermetallurgisch hergestellte Pleuelstange mit einer induktionsgehärteten Lagerbohrung bekannt geworden, wobei bei hoher, gleichbleibender Qualität der Härtung eine gewünschte Tragfähigkeit am fertiggesinterten Pleuel erreicht ist. Es ist eine gehärtete Laufbahn im großen, kurbelwellenseitigen Pleuelauge beschrieben, auf eine Behandlung des kolbenseitigen Pleuelauges wird nicht eingegangen. Bei einem Bruchtrennen des kolbenseitigen Pleuelauges werden die durch das Induktionshärten eingebrachten Spannungen frei, aufgrund unterschiedlicher Struktursteifigkeit ergeben sich voneinander abweichende Maßänderungen bei Pleuelfuß und Pleuellagerdeckel.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und günstiges Verfahren zur Herstellung einer eingangs genannten Pleuelstange bereitzustellen, wobei die Funktionsauflagen besonders hochwertig ausgebildet sind. Insbesondere soll die Herstellungsdauer verkürzt und die Neigung zur Rissbildung verringert werden. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines zur Verwendung mit der erfindungsgemäßen Pleuelstange besonders geeigneten Kolbenbolzens aufgezeigt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei der zugrundeliegende Gedanke die Bildung einer Funktionsauflage im ersten Pleuelauge mittels Vergütung und die Bildung einer Funktionsauflage im zweiten Pleuelauge mittels Beschichtung in aufeinander folgenden Schritten umfasst, wobei die im ersten Schritt eingebrachte Wärme zur Vorwärmung im zweiten Schritt genutzt wird.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Als sehr vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Vergütung des ersten Pleuelauges eine Wärmebehandlung umfasst und die Beschichtung des zweiten Pleuelauges lasergestützt erfolgt.

Zweckmäßigerweise wird die zur Vergütung des ersten Pleuelauges eingebrachte Wärme zur Vorwärmung des zweiten, zu beschichtenden Pleuelauges genutzt, wobei die Laser- oder induktive Härtung zur Vergütung ein besonders günstiges und daher zu bevorzugendes Verfahren darstellt. Gemäß eines ebenfalls sehr zweckmäßigen Verfahrens wird die bei der Beschichtung des zweiten Pleuelauges eingebrachte Wärme zur Vorwärmung des ersten, zu vergütenden Pleuelauges genutzt.

Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Vergütung des ersten Pleuelauges durch Glattwalzen oder mittels eines Festschmierstoffs, wobei, falls ein Festschmierstoff zur Anwendung kommt, die Feststoffschmierschicht zweckmäßigerweise einen Gleitlack wahlweise mit Graphit-, PTFE- und/oder Keramikpartikeln oder einem Gemisch daraus umfasst und eine Dicke von 5-30 μm, insbesondere von 10-20 μm, aufweist.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Beschichtung des zweiten Pleuelauges mittels eines Laser-Pulver-, Laser-Draht- oder Laser-Schmelze-Verfahrens durchzuführen. Mittels der lasergestützten Beschichtung wird ein stoffschlüssiger Verbund zwischen Pleuelstangengrundwerkstoff und einem die Funktionsauflage bildenden Zusatzwerkstoff gebildet.

Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere bei auf der Kurbelwelle gleitgelagerten Pleueln Vorteile mit einer kupferbasierten Funktionsauflage erreicht werden. Insbesondere umfasst die Funktionsauflage zweckmäßigerweise eine Kupfer-Zink- (CuZn), Kupfer-Zinn- (CuSn), Kupfer-Bismut- (CuBi) oder Kupfer-Silber-Legierung (CuAg). Zweckmäßigerweise kann zusätzlich eine weitere Beschichtung der Funktionsauflage mittels einer Feststoffschmierschicht, wie Gleitlack mit Graphit-, PTFE- und/oder Keramikpartikeln, erfolgen. Gemäß einer ebenfalls sehr vorteilhaften Weiterbildung ist die Funktionsauflage, insbesondere bei auf der Kurbelwelle wälzgelagerten Pleueln, durch eine Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Wolfram (W), Vanadium (V), Rest Eisen (Fe) oder Cobalt-Basislegierung wie Stellit umfassende Hartstoffschicht gebildet.

Einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verfahrens zufolge ist das zweite Pleuelauge bruchtrennbar, wobei in einem auf die Beschichtung folgenden Schritt an diametral gegenüberliegenden Seiten der beschichteten Innenfläche des Pleuelauges Schwächungslinien ausgebildet werden und die Schwächungslinien durch oberflächennah und mittels in Reihe über Stege gegenseitig beabstandet angeordnete, sacklochartige Vertiefungen gebildet und zur bruchkraftabhängigen Rissauslösung in einem spröden Werkstoffbereich angeordnet sind.

Zweckmäßigerweise wird der spröde Werkstoffbereich bei einer thermisch stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Pleuelstangengrundwerkstoff und dem die Funktionsauflage bildenden Zusatzwerkstoff als eine spröde Mischphase erzeugt.

Als sehr günstig hat es sich erwiesen, wenn die Schwächungslinien, insbesondere bei auf der Kurbelwelle wälzgelagerten Pleueln, gegenüber einer zur Achse des Pleuelauges parallelen Ebene geneigt sind, sodass ein möglichst stoßarmes Überrollen der Trennfuge ermöglicht ist.

Vorteilhaft ist es, wenn in einem auf das Bruchtrennen des zweiten Pleuelauges folgenden Schritt eine mechanische Feinbearbeitung, wie Honen oder Planschleifen, erfolgt.

Ein Kolbenbolzen zur Verwendung mit einer erfindungsgemäßen Pleuelstange besteht bevorzugterweise aus einem Nitrierstahl und ist zweckmäßigerweise plasmanitriert und gegebenenfalls anschließend oxidiert oder mit einer Physical-Vapor-Deposition-Beschichtung oder mit einer Diamond-Like-Carbon-Beschichtung versehen.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben, dabei zeigen schematisch und beispielhaft
1a eine Pleuelstange mit einer durch Vergütung der Innenfläche des ersten Pleuelauges und einer durch Beschichtung der Innenfläche des zweiten Pleuelauges gebildeten Funktionsschicht in Draufsicht,
1b eine Pleuelstange mit einer durch Vergütung der Innenfläche des ersten Pleuelauges und einer durch Beschichtung der Innenfläche des zweiten Pleuelauges gebildeten Funktionsschicht im Längsschnitt,
2a einen Beschichtungsprozess mittels pulver- oder drahtförmigem Beschichtungsgut in Draufsicht,
2b einen Beschichtungsprozess mittels pulver- oder drahtförmigem Beschichtungsgut im Schnitt,
3a einen Beschichtungsprozess mittels schmelzförmigem Beschichtungsgut in Draufsicht,
3b einen Beschichtungsprozess mittels schmelzförmigem Beschichtungsgut im Schnitt,
4 eine Schwächungslinie mit einer spröden Mischphase zwischen einem Eisenwerkstoff als Grundmaterial und einer Kupferlegierung als Funktionsauflage für ein Gleitlager und
5 in perspektivischer Ansicht eine Schwächungslinie im großen Pleuelauge eines wälzgelagerten Pleuels für eine Hubkolbenmaschine
1a zeigt eine Pleuelstange 100 mit einer durch Vergütung der Innenfläche 102 des ersten Pleuelauges 104 und einer durch Beschichtung der Innenfläche 106 des zweiten Pleuelauges 108 gebildeten Funktionsauflage 110, 112 in Draufsicht, ein Längsschnitt der Pleuelstange 100 ist in 1 b dargestellt.
Vorliegend ist die Pleuelstange 100 im Schmiede-, Sinter- oder Sinter-Schmiede-Verfahren hergestellt und besteht aus einem Eisenwerkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt von wenigstens 0,3 %, insbesondere von 0,3 bis 0,8 %, beispielsweise aus C 70 Maßgeblich ist, dass die zu beschichtenden oder zu vergütenden Bereiche den genannten Kohlenstoffgehalt aufweisen, sodass gegebenenfalls die Pleuelstange 100 auch Bereiche umfassen kann, welche einen abweichenden Kohlenstoffgehalt aufweisen.
Das kleine Pleuelauge 104 ist mit einer durch Vergütung zumindest seiner Innenfläche 102 gebildeten Funktionsauflage 110 versehen, wobei die Vergütung eine Randschichthärtung mittels Wärmebehandlung umfasst. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Vergütung insbesondere im Rahmen einer Großserienfertigung kostengünstig bei hoher, gleichbleibender Qualität durch Laser- oder Induktionshärten und anschließendes Anlassen. Es wird eine harte Randschicht mit einer Härte von wenigstens 50 HRC, insbesondere von ca. 54–58 HRC erzeugt.
Das große Pleuelauge 108 ist mit einer durch Beschichtung seiner Innenfläche 106 gebildeten Funktionsauflage 112 versehen, wobei die Beschichtung lasergestützt, beispielsweise mittels eines Laser-Pulver-, Laser-Draht- oder Laser-Schmelze-Verfahrens, aufgebracht wird. Zwischen dem Pleuelstangengrundwerkstoff und einem die Funktionsauflage 112 bildenden Zusatzwerkstoff wird dabei ein stoffschlüssiger Verbund gebildet. Die Funktionsauflage 112 ist kupferbasiert und umfasst, insbesondere bei auf der Kurbelwelle gleitgelagerten Pleueln, beispielsweise eine Kupfer-Zink- (CuZn), Kupfer-Zinn- (CuSn), Kupfer-Bismut- (CuBi) oder Kupfer-Silber-Legierung (CuAg), gegebenenfalls mit Beimengung weiterer Legierungselement sowie üblichen Verunreinigungen. Vorliegend ist eine CuZn31Si1-Beschichtung aufgebracht. Gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels kann die Funktionsauflage 112 auch eine zinn- oder aluminiumbasierte Legierung umfassen. Die erzeugte Schichtdicke beträgt ca. 0,5–2 mm, welche im Rahmen einer nachfolgenden Fertigbearbeitung auf ca. 0,15–0,3 mm reduziert wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel, insbesondere bei auf der Kurbelwelle wälzgelagerten Pleueln, ist die Funktionsauflage 112 eine Hartstoffschicht mit einer Härte von wenigstens 55 HRC, deren Zusammensetzung 1,2 Gew.-% Kohlenstoff (C), 4,5 Gew.-% Chrom (Cr), 5,5 Gew.-% Wolfram (W), 4 Gew.-% Vanadium (V), Rest Eisen (Fe) oder Cobalt-Basislegierung wie Stellit umfasst. Die erzeugte Schichtdicke beträgt ca. 1,5–3 mm, welche im Rahmen einer nachfolgenden Fertigbearbeitung auf ca. 0,7–1,5 mm reduziert wird.
Durch Bruchtrennen entlang der Ebene A ist vom Pleuelfuß 114 ein Pleuellagerdeckel 116 trennbar. Der abgetrennte Pleuellagerdeckel 116 ist mittels Schrauben 118 fest mit dem Pleuelfuß 114 verschraubbar, wobei zur Aufnahme von Schrauben 118 Schraubenbohrungen vorgesehen sind. Zumindest die Kernbohrungen der Schraubenbohrung werden vor der lasergestützten Beschichtung gefertigt, da die Schraubenbohrungen aus Leichtbau- und Betriebsfestigkeitsgründen möglichst dicht an der Bohrung des Pleuelauges 108 positioniert werden und beim stoffschlüssigen Laserbeschichten direkt unter der Lagerwerkstoffschicht durch schroffe Eigenabschreckwirkung eine Martensitzone entsteht, sodass eine Schraubenbohrungsbearbeitung nach dem lasergestützten Beschichten nur noch eingeschränkt möglich ist.
Besondere Vorteile ergeben sich dadurch, dass zuerst die Vergütung des kleinen Pleuelauges 104 mittels Wärmebehandlung und in einem folgenden Schritt die Beschichtung des großen Pleuelauges 108 erfolgt. Auf diese Weise wird die bei der Vergütung des kleinen Pleuelauges 104 eingebrachte Wärme zur Vorwärmung des großen, zu beschichtenden Pleuelauges 108 genutzt, sodass die Beschichtung schneller und verbessert abläuft, insbesondere wird die Neigung zur Rissbildung in der Funktionsauflage 112 verringert.
Im Folgenden wird die Beschichtung der großen Pleuelauges 108 an sich beschrieben. Sie erfolgt – wie in 2a dargestellt – mittels einer Beschichtungseinrichtung, welche eine Zuführung 208 für den pulver- oder drahtförmigen Beschichtungswerkstoff sowie einen Laserstrahl 206 umfasst. Die Zuführung des Beschichtungswerkstoffs erfolgt wie dargestellt lateral oder alternativ koaxial. Als Laserquelle kommt ein Diodenlaser oder ein Festkörperlaser wie Nd:YAG-Laser mit einer Leistung von ca. 1,5-3,5 kW zur Anwendung. Der Beschichtungswerkstoff wird durch die Zuführung 208 zugeführt und tritt, falls es sich um ein Pulver handelt, strahlartig aus; der Laserstrahl 206 wird mittels optischer Elemente fokussiert.
Die Beschichtungseinrichtung ist relativ zur Pleuelstange 200 drehbar und/oder verschiebbar, ggf. sind der Fokus des Laserstrahls 206 und/oder die Zuführung 208 verstellbar, so dass das Beschichtungsmaterial zur Innenbeschichtung des Pleuelauges 210 durch Drehung und gleichzeitige Verschiebung der Beschichtungseinrichtung – oder alternativ der Pleuelstange 200 – raupenförmig, spiralartig umlaufend aufgebracht wird, wobei jede Beschichtungslage sich überlappend an der vorhergehenden anlegt. In den 2 ist dabei mit a die Rotation und mit b die Vorschubrichtung verdeutlicht.
Um die Herstellung der Beschichtung noch sicherer, kostengünstiger und einfacher vornehmen zu können, umfasst die zur Innenbeschichtung eines Pleuelauges 210 vorbereitete Pleuelstange 200 einen durch einen Bereich geringeren Durchmessers gebildeten Stauring 202. Der Durchmesser des Pleuelauges ist in der 2b mit D bezeichnet, d bezeichnet den Durchmesser des Staurings 202.
Der Übergang vom Durchmesser D zum Durchmesser d verläuft radienförmig, wobei sowohl der Übergangsradius als auch die Breite des Staurings 202 der Beschichtungsraupe 204 angepasst sind. Mit den überlappend aneinanderliegenden Beschichtungsraupen 204 wird die Innenbeschichtung des Pleuelauges 210 mit einer Schichtdicke s gebildet.
Der Stauring 202 und die an ihm anliegende erste Beschichtungsraupe, welche häufig sehr dünn ist und Fehlerstellen, Anbindungsfehler und/oder Poren aufweisen kann, liegt in einem in der 2b mit einer gepunkteten Linie abgetrennten Bereich, welcher bei der folgenden Fertigbearbeitung der Pleuelstange 200 entfernt wird, beispielsweise zur Ausbildung einer Fase am Endbereich des Pleuelauges 210.
Das aus der Zuführung 208 austretende Beschichtungsmaterial wird in Richtung des zu beschichtenden Bauteiles versprüht bzw. wird drahtförmig zugeführt, wobei es zumindest teilweise durch die Hitze des Laserstrahles aufgeschmolzen wird. Das Beschichtungsmaterial wird dabei in die Nähe des Laserstrahles 206 oder durch diesen hindurch geführt. Falls pulverförmiges Beschichtungsmaterial verwendet wird, tritt dieses strahlartig derart aus der Zuführung 208 aus, dass beim Auftreffen auf die zu beschichtende Oberfläche der Pleuelstange 200 der erforderliche Bereich mit der gewünschten Menge Beschichtungsmaterial beaufschlagt wird; Bei einer drahtförmigen Zuführung wird die Beschichtungsmaterialmenge abhängig vom Drahtdurchmesser vorschubgeregelt. Der Fokus des Laserstrahles 206 wird dabei so eingestellt, dass er genau auf der Bauteiloberfläche liegt; Je nach Zusatzwerkstoff und Prozessführung kann es auch vorteilhaft sein, die Beschichtungseinrichtung derart zu führen, dass die Bauteiloberfläche oberhalb oder unterhalb des Fokus zu liegen kommt. Die Energiedichte im Brennfleck des Laserstahles beträgt dabei ca. 10⁴-10⁵ W/cm2.
Es erfolgt auf der Innenfläche des Pleuelauges 210 ein kombiniertes Auf-/Einbringen des Beschichtungsmaterials. Abhängig von Zusatzwerkstoff und Prozessführung erfolgt entweder ein Einlegieren im 1/10 mm-Bereich verbunden mit einem Aufbringen einer einige Millimeter, ca. 0,2-3 mm, dicke Schicht. Die Beschichtung kann nicht nur, wie beschrieben, bohrungsinnenseitig, sondern auch an den seitlichen Anlaufflächen aufgebracht werden.
Während des Beschichtungsvorganges wird das Bauteil – das Pleuel – zweckmäßigerweise gekühlt. Dabei wird ein Kompromiss zwischen einer schnellen Wärmeabfuhr zur Verhinderung eines zu weiten Aufschmelzens bzw. einer zu großen Erhitzung des Grundwerkstoffes und zwischen einem langsamen Abkühlen und geringen Temperaturdifferenzen zur Vermeidung von Rissen in dem Lagerwerkstoff angestrebt.
Um die Bildung unerwünschter Oxide zu vermeiden, erfolgt der gesamte Beschichtungsvorgang unter Schutzgasatmosphäre wie beispielsweise unter Argon oder Stickstoff. Ein pulvriger Beschichtungswerkstoff wird mit inertem Trägergas in der Zuführung 208 gefördert, zusätzliches Schutzgas kann in einer separaten Leitung zugeführt werden.
Alternativ zur beschriebenen Aufbringung kann das Beschichtungsmaterial auch beispielsweise als schmelzförmiges Beschichtungsgut aufgebracht werden. Diese Weiterbildung des Verfahrens ist mit 3a in Draufsicht und mit 3b im Schnitt dargestellt. Die Beschichtungseinrichtung umfasst einen keramischen, gegebenenfalls beheizten Beschichtungskopf 305 mit einer Schmelzenaustrittsbohrung 308. Das schmelzförmige Beschichtungsgut tritt entsprechend der punktierten Darstellung aus, wobei der Austrittskegel 307 vorzugsweise leicht in Drehrichtung c geneigt liegt. Der Beschichtungskopf 305 weist einen vorzugsweise abgeflacht ausgestalteten Bereich 309 auf, so dass einen ungehinderter Zugang des Laserstrahls 306 ermöglicht ist.
In der Schnittdarstellung mit 3b ist analog zur Weiterbildung nach 2a/2b die Pleuelstange 300 mit Stauring 302 gezeigt, d kennzeichnet die Vorschubrichtung der Beschichtungseinrichtung während dem Beschichtungsprozess, die Zuführung des schmelzförmigen Beschichtungsguts erfolgt entsprechend der Pfeilrichtung e. Der Keramikadapter 305 dient der Schmelzenführung und Schmelzenformung bis zu ihrem Erstarren.
In einem auf die Beschichtung des großen Pleuelauges 108, 210 folgenden Schritt wird durch Bruchtrennen – Cracken – der Pleuellagerdeckel 116 vom Pleuelfuß 114 getrennt, wobei zuvor pleuelaugeninnenseitig, entlang der Ebene A, eine Schwächungslinie ausgebildet wird.
Eine Schwächungslinie 401 mit einer spröden Mischphase zwischen einem Eisenwerkstoff als Grundmaterial 405 und einer Kupferlegierung als Funktionsauflage 406 für ein Gleitlager ist in 4 dargestellt. Die Schwächungslinie 401 wird durch oberflächennahe und mittels in Reihe über Stege 403 gegenseitig beabstandet angeordnete Vertiefungen 404 ausgebildet und zwar in einem spröden Werkstoffbereich zur Erzielung einer bruchkraftabhängigen Rissauslösung in den Stegen 403. Da die Gesamtheit der Stege 403 eine kürzere Länge ergibt als die Länge bzw. Breite der jeweiligen Lageranordnung 402 bzw. des Bauteiles, ergibt sich bei einer Brucheinleitung der Umstand, dass die eingebrachte Bruchtrennkraft in der durch die Stege 403 verkürzten Schwächungslinie 401 zunächst Starterrisse erzeugt werden, die für die weitere Bruchtrennung ausschlaggebend sind.
Zur Vereinfachung des Bruchtrennverfahrens wird der spröde Werkstoffbereich bei einer thermisch stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Grundwerkstoff 405 des Bauteiles bzw. der Lageranordnung 402 und einem als Funktionsauflage 406 dienen den Zusatzwerkstoff 407 als eine spröde Mischphase 408 erzeugt, wobei die Erkenntnis zugrunde liegt, dass die spröde Mischphase 408 mittels eines energiereichen Strahles, wie z. B. eines Lasers, beim Schmelzen des Bauteil-Grundwerkstoffes 405 und gleichzeitigem Aufschmelzen des als Funktionsauflage 406 dienenden Zusatzwerkstoffes 407 erzeugt wird.
Zur Erzielung kurzer Stege 403 zur Ausbildung von Starterrissen bei Aufbringung einer Bruchtrennkraft werden mittels eines energiereichen Strahles sacklochartige Vertiefungen 404 ausgebildet und zwar derart, dass diese die spröde Mischphase 408 durchsetzen.
Das Verfahren findet bevorzugt Anwendung zur Anordnung einer Gleitlagerschicht 406 als Funktionsauflage in einer Lageranordnung 402 eines Pleuels, wobei mit der Bruchtrennung einer als Pleuelauge gestalteten Lageranordnung 402 die Gleitlagerschicht 406 ebenfalls bruchgetrennt ist. Der Gleitlagerwerkstoff bildet mit dem Eisenwerkstoff die genutzte spröde Mischphase 408.
In einer Lageranordnung 402 aus einem Eisenwerkstoff bildet sich während der thermisch stoffschlüssigen Verbindung des als Funktionsauflage 406 dienenden Zusatzwerkstoffes 407 und des Grundwerkstoffes 405 bzw. des Eisenwerkstoffes unterhalb der spröden Mischphase 408 eine wärmeabhängig duktil gewordene Martensit-Schicht 409 aus, die einer zügigen Rissfortleitung entgegenwirkt. Um diese ohne zusätzliche Maßnahmen zu überwinden wird vorgeschlagen, dass mittels eines Strahles, insbesondere Laserstrahles, zur Ausbildung der Schwächungslinie 401 erzeugte sacklochartige Vertiefungen 404 die Gleitlagerschicht 406 sowie die spröde Mischphase 408 durchsetzend in die anschließende, wärmeabhängig duktil gewordene Martensit-Schicht 409 verlängert sind, wobei der Energieeintrag durch den jeweiligen Strahl so gewählt ist, dass die Abschnitte 412 der Vertiefungen 404 im duktilen Martensit 409 von einer mit der spröden Mischphase 408 in Verbindung stehenden versprödeten Martensit-Schicht 410 begrenzt sind. Diese die Abschnitte 412 der sacklochartigen Vertiefungen 404 begrenzenden versprödeten Martensit-Schichten 410 dienen in Verbindung mit den in der spröden Mischphase 408 ausgebildeten Stegen 403 der Ausbildung von Starterrissen einerseits und der Fortleitung derartiger Starterrisse andererseits in der duktilen Martensit-Schicht 409.
Der jeweiligen Lager-Legierung mit einem Hauptanteil an Kupfer können Beimengungen an Eisen oder Mangan oder Silizium zugesetzt sein, die die Versprödung zusätzlich unterstützen. Die vorbeschriebene Auswahl an Gleitlager-Werkstoffen ist so getroffen, dass zumindest eine Legierungskomponente die Bildung der spröden Mischphase 408 in allen vorgenannten Lageranordnungen 402 unterstützt ist, was gegebenenfalls durch eine entsprechende Gasatmosphäre beim Aufschmelzen des jeweiligen Lagerwerkstoffes eine zusätzliche Unterstützung finden kann.
Wie in 5 in perspektivischer Ansicht dargestellt, liegen die Schwächungslinien 501 im großen Pleuelauge 502 und somit die Trennebene in einer gegenüber der Achse des Pleuelauges 502 um den Winkel α geneigten Ebene 504, sodass ein weitgehend stoßfreies bzw. stoßarmes Überrollen der Trennfuge 506 ermöglich ist. Vorliegend beträgt der Winkel α wenigstens 3°. Mit der zur Pleuelaugenachse geneigten Trennfuge 506 wird kostengünstig und auf einfache Weise eine wesentliche Verbesserung der Dauerhaltbarkeit erreicht.
Im Folgenden wird wieder auf 1a, 1b Bezug genommen. In einem auf das Bruchtrennen folgenden Schritt erfolgt die Fertigbearbeitung der Pleuelstange 100, umfassend eine gründliche Reinigung der Bruchtrennfläche bzw. -fuge sowie ein Planschleifen und/oder Honen der Funktionsauflagen 110, 112 Pleuelaugen 104, 108. Dabei ist der Pleuellagerdeckel 116 fest mit dem Pleuelfuß 114 verschraubt, die Schrauben 118 werden gegebenenfalls wiederholt angezogen und gelöst, sodass Füge- bzw. Setzmomente aufgebracht werden.
Das kleine Pleuelauge 104 wird zur Verbesserung der Laufeigenschaften nach der mechanischen Fertigarbeitung gegebenenfalls mit einer Graphit-, PTFE und/oder Keramikpartikel aufweisenden Feststoffschmierschicht, beispielsweise einem Gleitlack, versehen, wobei die Schichtdicke 5–30 μm, insbesondere ca. 10–20 μm, beträgt. Die Vergütung der Innenfläche 102 des ersten Pleuelauges 104 kann auch ein Glattwalzen umfassen, gegebenenfalls kann die Innenfläche 102 unbehandelt bleiben. Handelt es sich um ein auf der Kurbelwelle gleitgelagertes Pleuel, kann selbstverständlich auch das kurbelwellenseitige, beschichtete Pleuelauge zur Verbesserung der Laufeigenschaften nach der mechanischen Fertigbearbeitung mit einer beispielsweise ca. 10–20 μm dicken Festschmierstoffschicht, wie Gleitlack, versehen werden.
In Verbindung mit der erfindungsgemäß hergestellten Pleuelstange 100 bietet es sich an, einen Kolbenbolzen aus einem Nitrierstahl zu verwenden, welcher plasmanitriert und gegebenenfalls anschließend oxidiert, PVD-Beschichtet oder DLC-Beschichtet ist. Das Plasmanitrieren ist ein Oberflächenhärteverfahren. Es nutzt die Eigenschaften eines Gasplasmas, also eines ionisierten Gases, zur gezielten Veränderung der Werkstückoberfläche. Wichtigste Parameter zur Verfahrensdurchführung sind Druck, Temperatur, Zeit und die Zusammensetzung des Behandlungsgases. Das Physical-Vapor-Deposition-Verfahren umfasst eine Zerstäubung des Beschichtungsmaterials, einen Transport zum sowie eine Abscheidung am Substrat. In einem Vakuum-Prozess, bei dem Metalle mittels eines ionisierten Plasmas kondensieren, wird eine sehr harte, dünne keramische Schicht aufgetragen welche einen sehr hohen Verschleißwiderstand aufweist. Auch bei einer Diamond-Like-Carbon-Beschichtung handelt es sich um ein Beschichtungsverfahren, bei dem plasmagestützt eine Abscheidung auf dem Substrat erfolgt. Es wird eine amorphe Kohlenstoffschicht mit sehr hoher Härte und niedrigem Reibkoeffizient erzeugt.
In Verbindung mit einer durch Induktionshärten der Innenfläche 102 des Pleuelauges 104 gebildeten Funktionsauflage 110 bietet es sich insbesondere an, einen plasmanitrierten und anschließend oxidierten Kolbenbolzen einzusetzen. Ein PVD- oder DLC-beschichteter Kolbebolzen wird bevorzugt in Verbindung mit einer durch Glattwalzen vergüteten oder unbehandelten Innenfläche 102 verwendet, während eine mit einem Festschmierstoff vergütete Innenfläche 102 gut mit einem plasmanitrierten Kolbenbolzen zusammenwirkt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange für einen eine Kurbelwelle und Kolben umfassenden Hubkolbenmotor mit einem einem Kolben zugeordneten ersten und einem der Kurbelwelle zugeordneten zweiten Pleuelauge, wobei im ersten Pleuelauge eine Funktionsauflage durch Vergütung und im zweiten Pleuelauge eine Funktionsauflage durch Beschichtung der Innenfläche des Pleuelauges gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergütung und die Beschichtung in aufeinander folgenden Schritten erfolgen und die im ersten Schritt eingebrachte Wärme zur Vorwärmung im zweiten Schritt genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergütung des ersten Pleuelauges (104) eine Wärmebehandlung umfasst und die Beschichtung des zweiten Pleuelauges (108) lasergestützt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Vergütung des ersten Pleuelauges (104) eingebrachte Wärme zur Vorwärmung des zweiten, zu beschichtenden Pleuelauges (108) genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Beschichtung des zweiten Pleuelauges (108) eingebrachte Wärme zur Vorwärmung des ersten, zu vergütenden Pleuelauges (104) genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergütung mittels Laser- oder induktiver Härtung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergütung durch Glattwalzen oder mittels einer Feststoffschmierschicht erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffschmierschicht einen Gleitlack mit Graphit-, PTFE- und/oder Keramikpartikeln umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels eines Laser-Pulver-, Laser-Draht- oder Laser-Schmelze-Verfahrens erfolgt
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der lasergestützten Beschichtung ein stoffschlüssiger Verbund zwischen Pleuelstangengrundwerkstoff (405) und einem die Funktionsauflage (112, 406) bildenden Zusatzwerkstoff (407) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsauflage (112, 406) kupferbasiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsauflage (112, 406) eine Kupfer-Zink- (CuZn), Kupfer-Zinn- (CuSn), Kupfer-Bismut- (CuBi) oder Kupfer-Silber-Legierung (CuAg) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsauflage (112, 406) durch eine Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Wolfram (W), Vanadium (V), Rest Eisen (Fe) oder Cobalt-Basislegierung wie Stellit umfassende Hartstoffschicht gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine weitere Beschichtung der Funktionsauflage (112, 406) mittels einer Feststoffschmierschicht, wie Gleitlack mit Graphit-, PTFE- und/oder Keramikpartikeln.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Pleuelauge bruchtrennbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem auf die Beschichtung folgenden Schritt an diametral gegenüberliegenden Seiten der beschichteten Innenfläche (106) des Pleuelauges (108) Schwächungslinien (401) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwächungslinien (501) gegenüber einer zur Achse des Pleuelauges (502) parallelen Ebene geneigt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwächungslinien (401) durch oberflächennah und mittels in Reihe über Stege (403) gegenseitig beabstandet angeordnete, sacklochartige Vertiefungen (404) gebildet und zur bruchkraftabhängigen Rissauslösung in einem spröden Werkstoffbereich angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spröde Werkstoffbereich bei einer thermisch stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Pleuelstangengrundwerkstoff (405) und dem die Funktionsauflage (112, 406) bildenden Zusatzwerkstoff (407) als eine spröde Mischphase (408) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem auf das Bruchtrennen des zweiten Pleuelauges (108) folgenden Schritt eine mechanische Feinbearbeitung erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbenbolzens zur Verwendung mit einer Pleuelstange nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenbolzen aus einem Nitrierstahl besteht.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenbolzen plasmanitriert und gegebenenfalls anschließend oxidiert, PVD-Beschichtet oder DLC-Beschichtet ist.