DE10242261A1

DE10242261A1 - Kolbenmuldenrandverstärkung

Info

Publication number: DE10242261A1
Application number: DE2002142261
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. Claus; Heinz Huber; Ulrike Dipl.-Phys. Huber; Dirk Dipl.-Ing. Pistelok; Johannes Vlcek; Heinz Dr.-Ing. Voggenreiter
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-03-25

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen im Bereich einer Kolbenmulde 7 beschichteten Kolben 1. Durch kinetisches Kaltgas und Kompaktieren wird der Rand der Kolbenmulde 7 beschichtet oder ein Teil des Kolbens 1 durch die Beschichtung gebildet. Die notwendige Duktilität der Beschichtung 4 wird durch die geringe Wärmezufuhr beim Beschichten und entsprechende Stoffauswahl für die Beschichtung 4 gewährleistet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben einer Brennkraftmaschine, der im Bereich einer Kolbenmulde beschichtet oder im Bereich der Kolbenmulde durch eine Beschichtung teilweise gebildet ist.

Aus der EP 0 240 306 B1 ist ein teilweise verstärkter Kolben bekannt. Hierfür wird eine sogenannte Füllung an einem oder mehreren Abschnitten des Kolbens durch Schweißen aufgebracht, wobei das Füllmaterial Verstärkungsmaterial enthält. Die Werkstoffeigenschaften und Schweißparameter sind dabei so gewählt, dass das Verstärkungsmaterial beim Schweißen nicht aufschmilzt und unverändert im Füllmaterial eingebettet wird. Lediglich das Füllmaterial schmilzt auf und verbindet sich mit dem Kolben.

Ferner ist es bekannt, Hartstoffschichten gegen Verschleiß durch Reibung und Korrosionsschutzschichten durch Kompaktieren einer pulverförmigen Legierung zu erzeugen.

In der DE 100 41 974 A1 wird ein entsprechendes Verfahren zum Beschichten von Zylinderköpfen, insbesondere Ventilsitzen von Brennkraftmaschinen beschrieben. Hier werden Pulverpartikel zu einer Funktionsschicht oder lokalen Verstärkung auf thermisch und mechanisch belastete Bereiche aufgetragen. Als Pulverpartikel wird eine Mischung aus mindestens drei Pulverkomponenten verwendet. Die erste Pulverkomponente besteht aus einer Basislegierung, die zweite Pulverkomponente weist gute Festschmierstoffeigenschaften auf. Die dritte Pulverkomponente ist durch gute Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet. Die einzelnen Pulverkomponenten werden beim Beschichten nicht miteinander auflegiert. Solche Hartstoff- oder Korrosionsschichten sind zum Schutz von Kolben nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben einer Brennkraftmaschine derart auszubilden und anzuordnen, dass die Rissbildung in der Kolbenoberfläche verhindert und die Lebensdauer des Kolbens erhöht wird.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Beschichtung und/oder die durch die Beschichtung gebildeten Teile des Kolbens aus einer Legierung bestehen, die durch Kompaktieren auf den Kolben aufbringbar ist und die Duktilität der Beschichtung größer als die des Kolbenmaterials ist.

Durch das Kompaktieren und die entsprechend kalte Verarbeitung der Partikel wird erreicht, dass die Legierungsbestandteile trotz eventueller geringerer Schmelztemperaturen nicht aufschmelzen und die Beschichtung dadurch keine kristallinen Eigenschaften beim Abkühlen bildet. Somit bleibt die Duktilität der Beschichtung erhalten und es kann der Verbrennungsdruckbelastung und der daraus resultierenden Rissbildung am Kolben ideal entgegen gewirkt werden. Neben der vorteilhaften Duktilität sind erfindungsgemäß auch höhere Druckeigenspannungen in der Beschichtung einstellbar.

Neben einer reinen Beschichtung des Kolbens wird der Kolben teilweise durch die Beschichtung gebildet. Hierzu wird der Kolbenrohling zum Aufbauen der verschiedenen Abschnitte oder Teile durch die Beschichtung einer Zwischenbearbeitung unterzogen, mit der eine entsprechende Kontur oder Kante am Kolben gebildet wird. Auf diese Kontur oder Kante wird die Beschichtung aufgebracht.

Es ist vorteilhaft, dass die auf den Kolben aufgebrachte Beschichtung eine Stärke zwischen 5 und 100 μm, im Besonderen zwischen 10 und 40 μm aufweist. Eine solche Beschichtung kann aufgrund ihrer geringen Abmessungen direkt ohne Zwischenbearbeitung auf den Kolben aufgetragen werden.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, dass der durch die Beschichtung gebildete Teilbereich des Kolbens eine Dicke von 0,1 bis 10 mm, im Besonderen zwischen 0,5 und 5 mm aufweist. Beim Aufbau des Kolbens durch die Beschichtung ist die vorstehend erwähnte Zwischenbearbeitung vorteilhaft.

Je nach Anwendungsbereich wird der Kolben aber schon im Herstellungsprozess mit der entsprechenden Kontur oder Kante versehen, sodass dann die Zwischenbearbeitung entfällt.

Ferner ist es vorteilhaft, dass die Beschichtung aus einer warmfesten Aluminiumlegierung wie beispielsweise AlFeVSi oder A1FeZr gebildet ist. Alternativ dazu besteht die Beschichtung aus einer Übergangsmetall-Legierung auf Fe-, Cu- oder Ni-Basis wie beispielsweise Niresist, 316L oder CuNi3Si. Solche Legierungszusammensetzungen gewährleisten die notwendige Duktilität und ermöglichen das Einbringen von Druckeigenspannungen.

Vorteilhaft ist es hinsichtlich der Duktilität der Beschichtung auch, dass die Kolbenstirnfläche ganz oder zumindest teilweise und die Oberfläche der Kolbenmulde zumindest teilweise beschichtet ist. Diese Bereiche werden nicht durch Reibung beansprucht, sind aber trotzdem durch ein vielseitiges Beanspruchungskollektiv belastet. Dies umfasst eine durch extrem hohe Verbrennungsdrücke hervorgerufene Biegung quer zur Kolbenachse, thermisches Zyklieren und eine durch behinderte thermische Ausdehnung induzierte lokale Plastifizierung. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Kolbens wird die sogenannte thermomechanische Ermüdung durch Rissbildung verhindert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, dass die Kolbenmulde eine Hinterschneidung aufweist und zumindest der die Hinterschneidung bildende Teil des Kolbens durch die Beschichtung gebildet ist. Kolben mit hinterschnittenen Kolbenmulden sind wesentlich verschleißanfälliger als Kolben ohne eine solche Hinterschneidung. Die erfindungsgemäße Beschichtung ermöglicht das Anformen einer solchen Hinterschneidung und gleichzeitig eine Erhöhung der Lebensdauer des Kolbens.

Von besonderer Bedeutung für die vorliegende Erfindung ist die Anwendung eines Verfahrens für die Beschichtung von thermisch und mechanisch belasteten Bereichen einer Brennkraftmaschine zum Beschichten einer Oberfläche eines Kolbens. Dieses als kinetisches Kaltgas Kompaktieren bezeichnete Verfahren eignet sich erfindungsgemäß unter Verwendung geeigneter Partikel als Legierung sehr gut für diesen pulvermetallurgischen Prozess zum Aufbau eines Kolbens.

Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es von Vorteil, dass ein Teil des Kolbens durch die kompaktierte Beschichtung gebildet oder aufgebaut wird. Die Beschichtung wird nach der Herstellung des Kolbens oder nach dessen Zwischenbearbeitung schichtweise aufgebracht. Nach dem Aufbringen der Beschichtung wird der Kolben nochmals bearbeitet. Mit einem massiven Schichtaufbau ist das Einbringen von Druckeigenspannungen möglich und das Abplatzen der Beschichtung wird verhindert. Die in die Beschichtung eingebrachten Druckeigenspannungen wirken den thermisch induzierten Zugspannungen entgegen.

Hierzu ist es vorteilhaft, dass die Beschichtung durch kinetisches Kaltgas Kompaktieren aufgebracht wird, weil dadurch eine geringe thermische Ausdehnung in der Beschichtung und damit ein lokal herabgesetztes Zugspannungsniveau erzielbar ist.

Dieses Verfahren ist auch insoweit vorteilhaft, als dass durch Einbringen von Druckeigenspannungen eine hohe thermische Beständigkeit der Beschichtung erreicht wird. Diese thermische Beständigkeit erlaubt es, die Oberfläche einer Kolbenmulde und die Kolbenstirnfläche zu beschichten, obwohl diese während des Betriebs der Brennkraftmaschine extremen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt sind.

Ferner ist es vorteilhaft, dass zum Beschichten eine warmfeste Aluminiumlegierung wie beispielsweise AlFeVSi oder AlFeZr zum Einsatz kommt. Alternativ dazu wird zum Beschichten eine Übergangsmetall-Legierung auf Eisen-, Kupfer- oder Nickel-Basis wie beispielsweise Niresist, 316L oder CuNi3Si eingesetzt.

Um die notwendige Duktilität der Beschichtung zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, dass die einzelnen Partikel beim Kompaktieren nicht schmelzen und auch nicht miteinander legieren. Grundvoraussetzung dafür ist das Kaltgas Kompaktieren. Um eine Bindung zwischen den Partikeln zu bilden, werden diese für die Beschichtung mit einer Geschwindigkeit zwischen 500 und 2000 m/s, im Besonderen zwischen 800 und 1200 m/s aufgetragen. Bei diesen Geschwindigkeiten plastifizieren beim Auftreffen die Partikel und die Oberfläche des Kolbens. Ausschließlich die eingebrachte Impulsenergie sorgt für die notwendige Verbindung zwischen dem Kolbenmaterial und den Partikeln sowie zwischen den Partikeln selbst.

Die Geschwindigkeit der Partikel steht in Relation zum Abstand zwischen der Mündung der Spritzvorrichtung und der zu beschichtenden Oberfläche. Der Abstand beträgt in vorteilhafter Weise zwischen 2 und 55 mm, im Besonderen zwischen 25 und 35 mm.

Ferner ist es vorteilhaft, dass die auf den Kolben aufgebrachte Beschichtung nach dem Beschichten mechanisch oder spanabhebend bearbeitet wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt.

Dabei zeigen:
1 eine Schnittansicht einer Hälfte eines teilweise beschichteten Kolbens während der Beschichtung;
2 eine Schnittansicht einer Hälfte eines teilweise beschichteten Kolbens;
3 eine Schnittansicht einer Hälfte eines im Bereich der Kolbenmulde teilweise durch die Beschichtung gebildeten Kolbens;
4 eine Schnittansicht einer Hälfte eines im Bereich der Kolbenmulde und auf der Kolbenstirnfläche teilweise durch die Beschichtung gebildeten Kolbens.
Die in den 1 bis 4 dargestellten Schnittansichten zeigen jeweils eine Hälfte eines oberen Bereiches eines Kolbens 1 einer Brennkraftmaschine. Zur Mitte des Kolbens 1 hin ist die Darstellung durch die Symmetrieachse 1.1 des Kolbens 1 begrenzt. Nach unten hin ist die Darstellung frei geschnitten.
Der Kolben 1 weist eine Kolbenmulde 7 auf, die sich von der Symmetrieachse 1.1 aus radial nach außen erstreckt. Die Kolbenmulde 7 ist derart gestaltet, dass der Rand der Kolbenmulde 7 eine Hinterschneidung 7.2 bildet. Dabei ist die Kolbenmulde 7 im Bereich der Hinterschneidung 7.2 halbkreisförmig ausgebildet. Zur Symmetrieachse 1.1 hin steigt die Oberfläche 7.1 der Kolbenmulde 7 kegelförmig an.
Der Kolben 1 wird nach außen hin durch die Kolbenfläche 2 begrenzt. Im oberen Teil des dargestellten Kolbens 1 sind in Form von Nuten zwei Kolbenringlager 2.1 vorgesehen.
Gemäß 1 wird die Beschichtung 4 durch eine Spritzvorrichtung 6 aufgebracht. Ein Teil der Spritzvorrichtung 6 ist als Düse ausgebildet, über die das Beschichtungsmaterial 5 der Beschichtung 4 und ein Trägergas austreten. Das Beschichtungsmaterial 5 trifft mit hoher Geschwindigkeit auf und plastifiziert dabei.
Das Beschichtungsmaterial 5 wird teilweise auf die Oberfläche 7.1 der Kolbenmulde 7 und teilweise auf die Kolbenstirnfläche 3 aufgetragen. Nach dem Auftragen der Beschichtung 4 wird diese nicht mehr bearbeitet.
Gemäß 2 ist vorgesehen, in Bereichen der Kolbenmulde 7 Kolbenmaterial abzutragen um das abgetragene Material durch die Beschichtung 4 zu ersetzen. Nach dem Auftragen der Beschichtung 4 auf die Kolbenfläche 2 und die Oberfläche 7.1 der Kolbenmulde 7 wird die Beschichtung 4 in einem spanenden Formgebungsverfahren bearbeitet.
In den 3 und 4 werden größere Teile des Kolbens 1 durch die Beschichtung 4 gebildet. Hierzu werden die entsprechenden Bereiche entweder nicht hergestellt oder nach der Herstellung des Kolbens wieder abgetragen. Gemäß 3 wird die Hinterschneidung 7.2 des Kolbens 1 durch die Beschichtung 4 ersetzt. Gemäß 4 wird die Hinterschneidung 7.2 und die gesamte Kolbenstirnfläche 3 durch die Beschichtung 4 ersetzt. Hierzu wird die Beschichtung 4 auf die Kolbenstirnfläche 3 und auf die Oberfläche 7.1 der Kolbenmulde 7 aufgespritzt. Nach dem Beschichten wird die Beschichtung 4 in einem spanenden Formgebungsverfahren bearbeitet.

1: Kolben
1.1: Symmetrieachse
2: Kolbenfläche
2.1: Kolbenringlager
3: Kolbenstirnfläche
4: Beschichtung
5: Beschichtungsmaterial
6: Spritzvorrichtung
7: Kolbenmulde
7.1: Oberfläche
7.2: Hinterschneidung

Claims

Kolben (1) einer Brennkraftmaschine mit einem im Bereich einer Kolbenmulde (7) beschichteten oder im Bereich der Kolbenmulde (7) durch eine Beschichtung (4) teilweise gebildeten Kolben (1) dadurch gekennzeichnet , dass die Beschichtung (4) und/oder die durch die Beschichtung (4) gebildeten Teile des Kolbens (1) aus einer Legierung bestehen, die durch Kompaktieren auf den Kolben (1) aufbringbar ist und die Duktilität der Beschichtung (4) größer als die des Kolbenmaterials ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Kolben (1) aufgebrachte Beschichtung (4) eine Stärke zwischen 5 und 100 μm, im Besonderen zwischen 10 und 40 μm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Beschichtung gebildete Teilbereich (4) des Kolbens (1) eine Dicke von 0,1 bis 10 mm, im Besonderen zwischen 0,5 und 5 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) aus einer warmfesten Aluminiumlegierung wie beispielsweise AlFeVSi oder AlFeZr gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) aus einer Übergangsmetall-Legierung auf Fe-, Cu- oder Ni-Basis wie beispielsweise Niresist, 316L oder CuNi3Si gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstirnfläche (3) ganz oder zumindest teilweise und die Oberfläche (7.1) der Kolbenmulde (7) zumindest teilweise beschichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde (7) eine Hinterschneidung (7.2) aufweist und zumindest der die Hinterschneidung (7.2) bildende Teil des Kolbens (1) durch die Beschichtung (4) gebildet ist.
Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche von thermisch und/oder mechanisch belasteten Bereichen einer Brennkraftmaschine durch Kompaktieren, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Kompaktieren eine Oberfläche eines Kolbens (1) einer Brennkraftmaschine beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Kolbens (1) durch Kompaktieren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) durch kinetisches Kaltgas-Kompaktieren erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (7.1) einer Kolbenmulde (7) und/oder die Kolbenstirnfläche (3) beschichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beschichten eine warmfeste Aluminiumlegierung wie beispielsweise AlFeVSi oder AlFeZr zum Einsatz kommt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beschichten eine Übergangsmetall-Legierung auf Eisen-, Kupfer- und/oder Nickel-Basis wie beispielsweise Niresist, 316L oder CuNi3Si zum Einsatz kommt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beschichtung (4) mit einer Geschwindigkeit zwischen 500 und 2000 m/s, im Besonderen zwischen 800 und 1200 m/s aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung einer Spritzvorrichtung (6) zum Beschichten in einem Abstand zu der zu beschichtenden Oberfläche zwischen 2 und 55 mm, im Besonderen zwischen 25 und 35 mm positionierbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Kolben (1) aufgebrachte Beschichtung (4) nach dem Beschichten mechanisch oder spanabhebend bearbeitet wird.