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Title:
INTERNAL COMBUSTION ENGINE COMPONENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/046925
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed is an internal combustion engine component (1) which is made of an aluminum alloy and comprises at least one area (2) that is subjected to a great thermal load during operation of the internal combustion engine. Said area (2) that is subjected to a great thermal load is small compared to the entire component (1) and is provided with an alloy composition which is modified in relation to the entire component (1) in such a way that the area (2) that is subjected to a great thermal load has a greater breaking elongation than the entire component (1).

Inventors:
Claus, Jürgen (Lussackerweg 28, Weinstadt, 71384, DE)
De Zolt, Roberto (Wernerstrasse 14, Fellbach, 70736, DE)
Heigl, Reiner (Hohenstaufenstr. 51, Remseck, 71686, DE)
Sältzer, Wolf (Brunsenstrasse 38, Böblingen, 71032, DE)
Application Number:
PCT/EP2004/012412
Publication Date:
May 26, 2005
Filing Date:
November 03, 2004
Export Citation:
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Assignee:
DAIMLERCHRYSLER AG (Epplestrasse 225, Stuttgart, 70567, DE)
Claus, Jürgen (Lussackerweg 28, Weinstadt, 71384, DE)
De Zolt, Roberto (Wernerstrasse 14, Fellbach, 70736, DE)
Heigl, Reiner (Hohenstaufenstr. 51, Remseck, 71686, DE)
Sältzer, Wolf (Brunsenstrasse 38, Böblingen, 71032, DE)
International Classes:
B23K9/04; B23K10/02; C22F3/00; C23C24/10; C23C26/02; F02F1/24; (IPC1-7): B23K9/04; B23K10/02; C22F3/00; C23C26/02; F02F1/24
Foreign References:
DE1122325B1962-01-18
DE4141437C11992-12-03
EP0445818A11991-09-11
DE718437C1942-03-12
EP1386687A12004-02-04
EP1464821A12004-10-06
DE3605519A11986-09-18
Attorney, Agent or Firm:
DAIMLERCHRYSLER AG (Intellectual Property Management, HPC U800 Wilhelm-Runge-Str. 11, Ulm, 89081, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Bauteil einer Brennkraftmaschine, welches aus einer Alu miniumlegierung besteht und wenigstens einen während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch hoch belasteten Bereich aufweist, wobei der thermisch hoch belastete Be reich im Vergleich mit dem gesamten Bauteil klein ist, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) eine gegen über dem gesamten Bauteil (1) derart veränderte Legie rungszusammensetzuhg aufweist, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) eine höhere Bruchdehnung aufweist als das gesamte Bauteil (1).
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) einen grö ßeren Aluminiumgehalt aufweist als das gesamte Bauteil (1).
3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungszusammensetzung des thermisch hoch be lasteten Bereichs (2) einen Anteil von 1 bis 5 Gewichts% Silizium, einen Anteil von weniger als 0,25 Gewichts% Magnesium und einen Anteil von weniger als 0,1 Gewichts% Eisen aufweist.
4. Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Zylinderkopf (la) ist.
5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) ein sich zwischen jeweiligen Ventilbohrungen (3) befindlicher Stegbereich (2a) ist.
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) mit der veränderten Legierungszusammensetzung eine Tiefe von 0,2 mm bis 5 mm aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Brenn kraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch hoch belasteter Bereich (2) des Bauteils (1) aufgeschmolzen wird, und dass in ein durch das Aufschmel zen entstehendes Schmelzbad (5) ein Zusatzmaterial (6) eingebracht wird, durch welches der thermisch hoch be lastete Bereich (2) eine gegenüber dem gesamten Bauteil (1) derart veränderte Legierungszusammensetzung erhält, dass der thermisch hoch belastete Bereich (2) eine höhere Bruchdehnung aufweist als das gesamte Bauteil (1).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen mittels eines Strahlverfahrens durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Strahlverfahrens ein Laser strahl (4), ein Plasmastrahl oder ein WIGVerfahren ein gesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7,8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzmaterial eine Aluminiumlegierung mit einem Anteil von 1 bis 5 Gewichts% Silizium, einem Anteil von weniger als 0,25 Gewichts% Magnesium und einem Anteil von weniger als 0,1 Gewichts% Eisen verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 7,8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzmaterial unlegiertes Aluminium verwendet wird.
Description:
Bauteil einer Brennkraftmaschine und Verfahren zu dessen Herstellung Die Erfindung betrifft ein Bauteil einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Her- stellung eines Bauteils einer Brennkraftmaschine.

Aus der DE 199 02 864 AI ist ein Kolben für Brennkraftmaschi- nen mit Direkteinspritzung sowie ein Verfahren zu dessen Her- stellung bekannt, bei welchem der Kragen des Muldenrands auf- geschmolzen und dem Schmelzbad ein Zusatzwerkstoff zugeführt wird. Das Ziel dieser Zuführung des Zusatzwerkstoffs besteht darin, die Festigkeit und Temperaturbeständigkeit des Kolbens in diesem sowohl thermisch als auch mechanisch hoch belaste- ten Bereich zu erhöhen, um den Kolben im Einsatz mit höheren Drücken und Temperaturen beaufschlagen zu können.

Ähnliche Vorgehensweisen zur Erzeugung einer größeren Festig- keit in einem hoch belasteten Bereich sind in der DE 1 122 325 A1, der DE 2 124 595 A1, der DE 28 35 332 C2 oder der DE 2 136 594 A1 beschrieben.

Aus der EP 0 092 683 B1 oder der DE 199 12 889 A1 sind Ver- fahren zur Herstellung von Ventilsitzen bekannt, bei denen e- benfalls ein oder mehrere festigkeitserhöhende Zusatzmateria- lien zu einem aufgeschmolzenen Bereich hinzugegeben werden, um eine hohe Festigkeit dieses Bereichs zu erreichen.

Problematisch bei sämtlichen dieser Bauteile sowie den zur Herstellung derselben eingesetzten Verfahren ist jedoch, dass mit einer Erhöhung der Festigkeit aufgrund der zunehmenden Sprödigkeit des Materials bei thermischen Belastungen oder einer Überlagerung von thermischen und rein mechanischen Be- lastungen Rissbildungen aufgrund von Materialermüdung auftre- ten können. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein thermisch hoch belasteter Bereich zusätzlich zu'dieser thermischen Be- lastung auch noch stärkeren Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, beispielsweise in Folge einer Flüssigkeitskühlung.

Bei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Lösungen wird versucht, über eine Verbesserung der Gießtechnik und ei- ne nachfolgende Wärmebehandlung ein möglichst feines und sta- biles Gefüge einzustellen. Diese Maßnahmen wirken sich jedoch jeweils auf das gesamte Bauteil aus, so dass die oben ange- sprochenen Probleme hierdurch nicht beseitigt werden können.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein aus ei- ner Aluminiumlegierung bestehendes Bauteil einer Brennkraft- maschine sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaf- fen, bei welchen auch bei thermisch hohen Belastungen ein Versagen des Bauteils vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäß veränderte Legierungszusammenset- zung des Bauteils wird der thermisch hoch belasteten Bereich derart verändert, dass dieser thermisch hoch belastete Be- reich eine höhere Bruchdehnung aufweist als das restliche Bauteil. Dadurch kann das Bauteil in dem thermisch hoch be- lasteten Bereich stärkere Dehnungen schadensfrei tollerieren.

Aufgrund der erhöhten Bruchdehnung und der verbesserten Zä- higkeit bei Raumtemperatur und bei höheren Temperaturen kann das Eintreten einer eventuellen Materialermüdung bzw. Riss- bildung zu einem späteren Zeitpunkt bzw. zu höheren Belastun- gen verschoben werden. Dadurch ist es möglich, Brennkraftma- schinen mit höheren Leistungen und/oder einer verlängerten Lebensdauer zu realisieren.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Festigkeit des Bauteils nur so weit verändert, dass rein mechanische Belas- tungen keinen negativen Einfluss auf das Bauteil haben kön- nen, da die Gesamtheit des Bauteils mit der für die zu erwar- tenden mechanischen Belastungen erforderlichen Festigkeit ausgebildet sein kann und lediglich in dem thermisch hoch be- lasteten Bereich eine erhöhte Bruchdehnung benötigt wird.

Dies ist beispielsweise bei der Einleitung von Schraubenkräf- ten sehr wichtig. Bei bekannten Lösungen führt eine Erhöhung der Festigkeit stets zu einer Verringerung der Bruchdehnung, wodurch sich beim Auftreten höherer Spannungen unweigerlich Materialrisse oder dergleichen ergeben können. Im Gegensatz dazu stellt die erfindungsgemäße Lösung einen optimalen Kom- promiss aus ausreichender Festigkeit und hoher Bruchdehnung dar.

Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn der thermisch hoch belastete Bereich einen größeren Aluminiumge- halt aufweist als das gesamte Bauteil.

Bei einem Bauteil, bei dem die erfindungsgemäße Lösung in be- sonders vorteilhafter Weise eingesetzt werden kann, handelt es sich um einen Zylinderkopf. Bei einem Zylinderkopf ist der thermisch hoch belastete Bereich vorzugsweise der sich zwi- schen jeweiligen Ventilbohrungen befindliche Stegbereich.

Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils ist in Anspruch 7 angegeben.

Durch das dort beschriebene Aufschmelzen des Grundmaterials des Bauteils und das Hinzufügen des Zusatzmaterials kann die Legierungszusammensetzung in diesem hoch belasteten Bereich besonders genau kontrolliert werden. Bei dem erfindungsgemä- ßen Verfahren handelt es sich im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren eher um ein"Ablegie- ren"als um ein"Auflegieren".

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Nachfolgend ist ein Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.

Dabei zeigen : Fig. 1 eine Ansicht der Trennfläche eines Zylinderkopfes ei- ner Brennkraftmaschine ; Fig. 2 einen Schnitt durch einen Stegbereich des Zylinder- kopfes nach der Linie II-II aus Fig. 1 in einem ers- ten Zustand ; Fig. 3 den Stegbereich des Zylinderkopfes aus Fig. 2 in ei- nem zweiten Zustand ; Fig. 4 den Stegbereich des Zylinderkopfes aus Fig. 2 in ei- nem dritten Zustand ; und Fig. 5 den Stegbereich des Zylinderkopfes aus Fig. 2 in ei- nem vierten Zustand.

Fig. 1 zeigt ein Bauteil 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Bei dem Bauteil 1 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen Zylinderkopf la, der aus einem Aluminiumwerkstoff, vorzugsweise einer Aluminium- Silizium-Legierung, besteht. Das Bauteil 1 weist mehrere thermisch hoch belastete Bereiche 2 auf. Hierbei handelt es sich im vorliegenden Fall um zwischen jeweiligen Ventilboh- rungen 3 sich befindliche Stegbereiche 2a. Da die zu dem Zy- linderkopf la gehörende Brennkraftmaschine drei bzw. sechs Zylinder aufweist, sind insgesamt drei Stegbereiche 2a vorge- sehen. Die Stegbereiche 2a sind, da für jeden Zylinder vier Ventilbohrungen 3 vorgesehen sind, im wesentlichen kreuzför- mig ausgebildet. Wenn pro Zylinder lediglich zwei Ventilboh- rungen 3 vorgesehen wären, könnten die Stegbereiche 2a auch linienförmig ausgebildet sein. In jedem Fall ist der ther- misch hoch belastete Bereich 2 im Vergleich mit dem gesamten Bauteil 1 relativ klein.

Um in diesen während des Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch hoch belasteten Bereichen 2 eine Rissbildung auf- grund von Materialermüdung zu verhindern, werden dieselben dem nachfolgend beschriebenen Verfahren unterzogen.

In Fig. 2 ist das Bauteil 1 mit dem thermisch hoch belasteten Bereich 2 bzw. dem Stegbereich 2a in seinem unbehandelten Zu- stand dargestellt. Vorzugsweise wird das Bauteil 1 durch Gie- ßen hergestellt.

Gemäß dem Verfahrensschritt von Fig. 3 wird der thermisch hoch belastete Bereich 2 mittels eines Strahlverfahrens er- wärmt, wozu in diesem Fall ein Laserstrahl 4 eingesetzt wird.

Hierdurch entsteht in dem thermisch hoch belasteten Bereich 2 ein Schmelzbad 5. Alternativ zum Einsatz des Laserstrahls 4 könnte auch ein Elektronenstrahl oder dergleichen eingesetzt werden. Des weiteren wäre es auch möglich, das Schmelzbad 5 mittels eines WIG-Verfahrens, Plasma-Verfahrens oder auf eine andere geeignete Art und Weise herzustellen. Bereits durch das Erzeugen des Schmelzbades 5 würde sich in dem thermisch hoch belasteten Bereich 2 nach einer schnellen Abkühlung ein feinkörniges Gefüge einstellen, welches zu besseren Material- eigenschaften, insbesondere bezüglich einer Erhöhung der Zä- higkeit bzw. der Bruchdehnung, führt.

Zusätzlich wird, wie in Fig. 4 dargestellt, ein Zusatzmateri- al 6 in das Schmelzbad 5 eingebracht. Dieses Zusatzmaterial 6, welches vorzugsweise einen größeren Aluminiumgehalt als das gesamte Bauteil 2 aufweist, kann in Form eines Pulvers o- der auch in Form eines festen Materials in das Schmelzbad 5 eingebracht werden. Um einen besonders guten Kompromiss zwi- schen ausreichender Festigkeit und erhöhter Bruchdehnung zu erzielen, weist das Zusatzmaterial 6 einen Siliziumanteil von 1 bis 5 Gewichts-%, einen Magnesiumanteil von weniger als 0,25 Gewichts-% und einen Eisenanteil von weniger als 0,1 Ge- wichts-% auf. Grundsätzlich kann das Zusatzmaterial auch aus reinem oder annähernd reinem Aluminium bestehen.

Nach der Abkühlung des thermisch hoch belasteten Bereichs 2, dessen Legierungszusammensetzung auf die beschriebene Art und Weise verändert wurde, entsteht ein Bauteil 1, das in seiner Gesamtheit aus einer Aluminiumlegierung besteht, welche an die mechanischen Anforderungen bezüglich der Festigkeit, bei- spielsweise was nicht dargestellte Schraubenbohrungen angeht, angepasst werden kann. In dem thermisch hoch belasteten Be- reich 2 weist das Bauteil 1 jedoch eine veränderte Legie- rungszusammensetzung auf, die dazu führt, dass der thermisch hoch belastete Bereich 2 eine größere Bruchdehnung als das gesamte Bauteil 1 aufweist. Bedingt durch die erhöhte Bruch- dehnung ergibt sich auch eine verbesserte Zähigkeit innerhalb des thermisch hoch belasteten Bereichs 2, dessen sehr gute thermo-mechanischen Eigenschaften dadurch verbessert werden.

Nach dem beschriebenen Verändern der Legierungszusammenset- zung des thermisch hoch belasteten Bereichs 2 kann das Bau- teil 1 selbstverständlich in bekannter Weise mechanisch bear- beitet werden. Die Tiefe des Bereichs 2 mit der veränderten Legierungszusammensetzung beträgt vorzugsweise 0,2 mm bis 5 mm. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, mehrere Schmelzbäder 5 mit unterschiedlicher Tiefe zu erzeugen und damit auch mehrere Lagen des Zusatzmaterials 6 einzubringen.

Dabei könnte die Zusammensetzung des Zusatzmaterials 6 stu- fenweise so verändert werden, dass sich eine schrittweise Er- höhung der Bruchdehnung in Richtung der Oberfläche des Bau- teils 1 ergibt. Die Größe des erzeugten Schmelzbades 5 ergibt sich dabei jeweils aus der Menge der in das Bauteil 1 einge- brachten Energie. Ebenfalls kann ein bezüglich des Ausdeh- nungskoeffizienten gradientenförmiger Übergang von Bereich 1 auf den Bereich 2 zweckmäßig sein. Hierbei ändert sich der Ausdehnungskoeffizienten kontinuierlich.