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

In Bauteilen von Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise Zy- linderköpfen oder Kolben, tritt bei einer zyklischen thermi- schen Belastung häufig das Problem auf, dass durch eine Be- hinderung der thermischen Ausdehnung von höher belasteten Be- reichen in diesen Bereichen so hohe induzierte mechanische Spannungen auftreten, dass in diesen Bereichen aufgrund der starken Plastifizierung und der damit einhergehenden Materi- alermüdung eine Rissbildung auftritt. Diese Behinderung der thermischen Ausdehnung kommt dadurch zustande, dass das ther- misch höher belastete Material dazu tendiert, sich stärker auszudehnen als das thermisch weniger stark belastete Materi- al. Da sich die thermisch höher belasteten Bereiche meist in der Mitte des Bauteils befinden, ist eine solche Ausdehnung nach außen nicht möglich und es kommt zu den genannten Span- nungen, insbesondere zu Druckspannungen, die sich beim Ab- kühlprozess in Zugspannungen umwandeln, die die Materialfes- tigkeit überschreiten können.

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 durch diese Maßnahmen nicht beseitigt werden können.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zu dessen Herstel- lung zu schaffen, bei welchen auch bei unterschiedlich hohen thermischen Belastungen über verschiedene Bereiche des Bau- teils die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme bezüg- lich des Versagens der Bauteile vermieden werden.

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

Erfindungsgemäß weist der thermisch höher belastete Bereich des Bauteils einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der thermisch weniger belastete Bereich auf, was dazu führt, dass sich das gesamte Bauteil bei einer Temperaturer- höhung gleichmäßig ausdehnen kann. Dadurch, dass sich sämtli- che Bereiche des erfindungsgemäßen Bauteils gleichmäßig aus- dehnen, kommt es zu keiner Dehnungsbehinderung und somit zu keinem Eintreten in den plastischen Verformungsbereich, so- dass bei einer Erwärmung mit anschließender Abkühlung im we- sentlichen keine bzw. nur sehr geringe Spannungen in dem Bau- teil entstehen, wodurch letztendlich die ansonsten vorhandene Gefahr der Rissbildung aufgrund des Überschreitens der zuläs- sigen Spannungen nicht gegeben ist.

Durch die erfindungsgemäße Adaptierung des thermischen Aus- dehnungskoeffizienten an die thermischen Gegebenheiten inner- halb des Bauteils kann somit das Eintreten einer Materialer- müdung und/oder einer Rissbildung zu einem späteren Zeitpunkt bzw. zu höheren Belastungen verschoben werden, so dass das erfindungsgemäße Bauteil bei Brennkraftmaschinen mit höheren Leistungen und/oder einer verlängerten Lebensdauer eingesetzt werden kann.

Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bau- teils ergibt sich aus den Merkmalen von Anspruch 9.

Dabei wird das Grundmaterial des Bauteils aufgeschmolzen und es. wird ein Zusatzmaterial hinzugefügt, welches zu dem verän- derten Wärmeausdehnungskoeffizienten in dem thermisch höher belasteten Bereich führt. Diese Vorgehensweise ermöglicht ei- ne besonders. genaue Kontrolle der Legierungszusammensetzung in dem thermisch höher belasteten Bereich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter- ansprüchen angegeben. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.

Dabei zeigen : Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Bauteils in ei- nem ersten Zustand ; 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 eine Ansicht des Bauteils aus Fig. 1 in einem zweiten Zustand ; Fig. 6 eine Ansicht des Bauteils aus Fig. 1 in einem dritten Zustand ; Fig. 7 eine Ansicht eines Bauteils gemäß dem Stand der Tech- nik in einem ersten Zustand ; Fig. 8 eine Ansicht des Bauteils aus Fig. 7 in einem zweiten Zustand ; und Fig. 9 eine Ansicht des Bauteils aus Fig. 7 in einem dritten Zustand.

Die Figuren 7, 8 und 9 zeigen ein Bauteil 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschine, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Bei dem Bauteil 1 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen Zylinderkopf la, wobei die Figuren 1/5 und 6 eine Ansicht auf eine Trennfläche 2 des Zylinderkopfes la zeigen. Statt um den Zylinderkopf la könnte es sich bei dem Bauteil 1 auch um einen Kolben oder um ein anderes, thermisch sehr stark belastetes Bauteil einer Brennkraftmaschine handeln.

/ Der Zylinderkopf la weist mehrere Ventilbohrungen 3 auf, zwi- schen denen sich ein thermisch höher belasteter Bereich 4 be- findet, der im vorliegenden Fall als Stegbereich 4a bezeich- net wird. Dieser Stegbereich 4a ist während des, Betriebs der Brennkraftmaschine thermisch höher belastet als der Rest des Bauteils 1 bzw. als ein anderer Bereich 5 des Bauteils 1. Da die zu dem Zylinderkopf la gehörende Brennkraftmaschine. drei bzw. sechs Zylinder aufweist, sind insgesamt drei Stegberei- che 4a vorgesehen. Die Stegbereiche 4a sind, da für jeden Zy- linder vier Ventilbohrungen 3 vorgesehen sind, im wesentli- chen kreuzförmig ausgebildet. Wenn pro Zylinder lediglich zwei Ventilbohrungen 3 vorgesehen wären, könnten die Stegbe- reiche 2a auch linienförmig ausgebildet sein. Im Falle eines Kolbens wäre der thermisch höher belasteter Bereich 4 vor- zugsweise die Kolbenmulde. Selbstverständlich kann die Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine beliebig variieren.

Das Bauteil 1 besteht in seiner Gesamtheit aus einem einheit- lichen Material, vorzugsweise aus einem Aluminiumwerkstoff, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Legierung, und weist somit einen konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten a1 auf.

Die Temperatur des Bauteils 1 befindet sich in dem nicht er- hitzten Zustand von Fig. 7 ebenfalls auf einem konstanten Ni- veau To.

Fig. 8 zeigt das Bauteil 1 in seinem erhitzten Zustand. Dabei herrscht im Inneren des Bauteils 1, nämlich in dem thermisch höher belasteten Bereich 4, eine erhöhte Temperatur T2 im Vergleich zu der niedrigeren Temperatur T1 in dem Bereich 5.

Da die Ausdehnung des thermisch höher belasteten Bereichs 4 jedoch durch die geringere Ausdehnung des Bereichs 5 behin- dert ist, ergibt sich eine Plastifizierung des Bereichs 4 in diesem erhitzten Zustand.

Wenn, wie in Fig. 9 dargestellt, das Bauteil 1 wieder auf die Temperatur To abgekühlt wird, so führt dies zu Zugspannungen im Inneren des Bauteils 1, insbesondere in dem thermisch hö- her belasteten Bereich 4, was letztlich eine mittels gestri- chelter Linien angedeutete Rissbildung nach sich zieht. Eine Rissbildung kann auch an einer, hier nicht dargestellten Glühstiftbohrung beziehungsweise an einer ebenfalls nicht dargestellten Injektionsbohrung erfolgen.

Die Figuren 1 bis 6 zeigen das Bauteil 1 gemäß der vorliegen- den Erfindung. Um im Gegensatz zu der oben erläuterten Prob- lematik eine gleichmäßige Ausdehnung des Bauteils 1 während des Betriebs der Brennkraftmaschine zu erreichen, weist der thermisch höher belastete Bereich 4 einen geringeren Wärme- ausdehnungskoeffizienten a2 auf als der thermisch weniger be- lastete Bereich 5, der auch weiterhin den Wärmeausdehnungsko- effizienten al aufweist. Der unbehandelte Zustand des Bau- teils 1 ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt.

Um das Bauteil 1 herzustellen, wird der höher belastete Be- reich 4 aufgeschmolzen, so dass ein Schmelzbad 6 entsteht, wie in Fig. 3 dargestellt. Dieses Aufschmelzen wird vorzugs- weise mittels eines Strahlverfahrens und insbesondere mittels eines Laserstrahls 7 durchgeführt. Alternativ zum Einsatz des Laserstrahls 7 könnte auch ein Elektronenstrahl oder derglei- chen eingesetzt werden. Des weiteren wäre es auch möglich, das Schmelzbad 6 mittels eines WIG-Verfahrens oder auf eine andere geeignete Art und Weise herzustellen.

In das Schmelzbad 6 wird, wie in Fig. 4 dargestellt, ein Zu- satzmaterial 8 eingebracht, welches zu der beschriebenen Ver- ringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten cl des Bauteils 1 auf den Wert 2 des höher belasteten Bereichs 4 führt. Vor- zugsweise wird als Zusatzmaterial 8 ein keramisches Material (in Form von Pulvern oder Kurzfasern ; z. B. A1203) einge- setzt. Ferner kann das Zusatzmaterial auch auf Silizium-Basis bestehen oder in Form von intermetallischen Dispersoiden bspw. auf der Basis von Al-Fe-Zr/Ce ausgestaltet sein.

Aus der Darstellung gemäß Fig. 5 ist erkennbar, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine, also bei einer entspre- chenden Erhitzung des Bauteils 1/über die beiden Bereiche 4 und 5 trotz der erhöhten Temperatur T2 des thermisch höher belasteten Bereichs 4 eine gleichmäßige Ausdehnung gegeben ist, da sich das Material des thermisch höher belasteten Be- reichs 4 weniger stark ausdehnt als das Material des ther- misch weniger stark belasteten Bereichs 5 und somit von die- sem bei seiner Ausdehnung nicht behindert wird.

Fig. 6 zeigt schließlich den Zustand nach dem Abkühlen des Bauteils 1 und es ist erkennbar, dass keinerlei Rissbildung zu verzeichnen ist.