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Die
Erfindung betrifft allgemein einen Kolben und ein Verfahren zur
Herstellung des Kolbens. Insbesondere, aber nicht ausschliesslich,
ist die Erfindung auf einen temperaturbeständigen Kolbenkopf, der aus
einem hochtemperaturbeständigen
Material hergestellt ist, und auf ein Verfahren zur Herstellung des
temperaturbeständigen
Kolbenkopfes gerichtet.
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Übliche Kolbenköpfe bestehen
aus einem einzigen Material, das so gewählt ist, dass es bei den Temperaturen,
die normalerweise in Verbrennungsmotoren vorherrschen, die erforderliche
mechanische Festigkeit aufweist. Diese Materialien sind üblicherweise
geschmiedete oder gegossene Stahllegierungen, die anschliessend
wärmebehandelt
werden um ihre Hochtemperaturbeständigkeit und ihre Anlassbeständigkeit
zu verbessern.
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Ein
aus dem Stand der Technik bekannter Kolbenkopf umfasst einen Kolbenkranzabschnitt
und einen Pleuelabschnitt. Eine Reibschweissnaht verbindet die beiden
Abschnitte zu einem zusammengesetzten Kolbenkopf. Die beiden Abschnitte
sind aus demselben geschmiedeten oder gegossenen Stahllegierungsmaterial
geformt, um das Reibschweissen und die anschliessende Wärmebehandlung
zu erleichtern.
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Aus
der
EP 0 469 666 A1 ist
ein Kolben für einen
Verbrennungsmotor bekannt, der einen oberen Bodenabschnitt aus einem
9 Gew.-% Chrom und 1 Gew.-% Molybdän enthaltenden Stahl und einen
unteren Bodenabschnitt aus einem 1 Gew.-% Chrom und 0.2 Gew.-% Molybdän enthaltenden
Stahl umfasst. Ferner beschreibt das
US Patent Nr. 4,581,983 A einen mit Kühlkanälen versehenen
Kolben, der aus einem Ober- und
einem Untereil besteht, wobei das Oberteil aus einem Schmiedestahl
besteht und mit dem aus einem Eisenkohlenstoff-Gusswerkstoff bestehenden
Unterteil über
eine Zwischenschicht aus Nickel verschweißt ist. Des Weiteren offenbart
das
US Patent Nr. 4,847,964
A einen gelenkigen Kolben mit einem Boden- und Kopfteil
aus einem Chrom-Molybdän-Stahl.
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Um
ihre Leistung zu verbessern, ist es zunehmend erwünscht, Verbrennungsmotoren
bei höheren
Temperaturen zu betreiben. Dieser Wunsch ist besonders vordringlich
bei grösseren
Dieselmotoren, die bei der Stromerzeugung eingesetzt werden. Unglücklicherweise
neigen vorhandene Kolben, insbesondere am Rand der Verbrennungsmulde,
der üblicherweise
der höchsten
Betriebstemperatur ausgesetzt ist, dazu schneller zu oxydieren.
Bei höheren Temperaturen
kann der Rand der Verbrennungsmulde sowie der Kolbenkopf allgemein
einen Härteverlust
erleiden. Dies kann dazu führen,
dass der Kolbenkopf häufiger
ausfällt.
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Es
werden daher Kolben benötigt,
die in der Lage sind, den extremen thermischen und mechanischen
Belastungen, wie sie voraussichtlich in neuen Motoren mit höherer Leistung
auftreten werden, standzuhalten. Die vorliegende Erfindung ist auf
diese Bedürfnisse
gerichtet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein einzigartiger Kolben bereitgestellt,
der in der Lage ist, den thermischen Beanspruchungen und mechanischen
Belastungen von Hochleistungsmotoren standzuhalten.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
umfaßt der
Kolbenkopf ein erstes Teilstück
und ein zweites Teilstück,
die durch eine Reibschweißnaht
verbunden sind. Das erste Teilstück
ist aus hochtemperaturoxidationsbeständigem Material geformt. Bei
einer Ausführungsform
enthält
das erste Teilstück,
in Gewichtsprozent, ungefähr
0,1 bis 0,5% Kohlenstoff, ungefähr
bis zu 0,6% Mangan, ungefähr
4 bis 6% Chrom, ungefähr
0,45 bis 0,65% Molybdän,
ungefähr bis
zu 0,5% Nickel, den Rest Eisen und zufällige Verunreinigungen. Das
zweite Teilstück
des Kolbenkopfes ist vorzugsweise aus einer Stahllegierung hergestellt,
die in der Lage ist, den mechanischen Kräften, die bei der Verbrennung
von Kraftstoff erzeugt werden, standzuhalten. Die Stahllegierung
des zweiten Teilstücks
kann, in Gewichtsprozent, ungefähr
0,3 bis 0,55% Kohlenstoff, ungefähr
0,4 bis 1,10% Magnesium, ungefähr
0,4 bis 1,25% Chrom, ungefähr
0,15 bis 0,45% Molybdän,
ungefähr
bis zu 0,4% Silizium, ungefähr
bis zu 2% Gew.-% Nickel und mehr als 90% Eisen enthalten. Jedoch
kann das zweite Teilstück
alternativ auch aus einem anderen Material bestehen.
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Darüber hinaus
ist gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenkopfes
bereitgestellt. Das Verfahren umfaßt das Bereitstellen eines
ersten Teilstücks,
das eine hochtemperaturbeständige
Stahllegierung enthält,
und eines zweiten Teilstücks,
das ein zweites Material aus einer Stahllegierung enthält, sowie
das Reibschweißen
des ersten Teilstücks
an das zweiten Teilstück.
Das erste und zweite Teilstück
kann maschinell bearbeitet werden, so daß eine breite Vielfalt von
Konstruktionsformen für
einen Kolbenkranz bzw. ein Pleuelelement bereitgestellt werden kann.
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Weitere
Aufgaben, Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen, Vorteile und
Nutzen sind aus der Beschreibung und den darin zugehörigen Zeichnungen
ersichtlich.
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1 zeigt
eine perspektivische Explosionsansicht eines Kolbenkopfes und eines
Kolbenmantels eines geteilten Kolbens gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
einen Querschnitt des Kolbenkopfes entlang der Schnittlinie 2-2
aus 1.
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Allgemein
betrifft die Erfindung einen Kolbenkopf, vorzugsweise für einen
geteilten Kolbenaufbau. Der Kolbenkopf umfaßt ein erstes Teilstück und ein
zweites Teilstück,
die durch eine Reibschweißnaht
verbunden sind. Das erste Teilstück,
das einen Kolbenkranz definiert, besteht aus einer hochtemperaturbeständigen Stahllegierung
und kann in verschiedenen Konstruktionsformen bereitgestellt werden.
Der Kolbenkranz ist während
des Betriebs des Motors extremen thermischen Bedingungen und Druckkräften ausgesetzt.
Die hochtemperaturbeständige
Stahllegierung ist so gewählt,
daß sie
in der Lage ist, diesen extremen Bedingungen in Hochleistungsmotoren
standzuhalten. Der sich daraus ergebende Kolbenkranz zeigt eine
verringerte Hochtemperaturoxidation und eine erhöhte Anlaßbeständigkeit. Das zweite Teilstück besteht
aus einer Stahllegierung und ist vorzugsweise als ein Kolbenstangenanschlußteil ausgestaltet.
Das Kolbenstangenanschlußteil
ist in der Lage, einer mechanischen Last standzuhalten, die sich
bei der Verbrennung von Kraftstoff ergibt, so daß diese Last in Verbrennungsmotoren,
beispielsweise Dieselmotoren mit hohen PS-Zahlen, zuverlässig auf
das Pleuel und schließlich
auf die Kurbelwelle übertragen
wird. Das erste sowie das zweite Teilstück kann vor dem Verbinden durch
Reibschweißen
einzeln maschinell bearbeitet werden. Das maschinelle Bearbeiten
der zwei Teilstücke
als Einzelteile ermöglicht
eine größere Flexibilität in der
Konstruktion, um bevorzugte Merkmale und Eigenschaften des hochtemperaturbeständigen Kolbenkranzes
und ein Kolbenstangenanschlußteil mit
hoher Strukturfestigkeit zu erhalten. Das einzelne maschinelle Bearbeiten
der beiden Teilstücke
des Kolbenkopfes führt
oft zu einer deutlichen Senkung der Herstellungskosten von Kolbenköpfen im
Vergleich zu ähnlich
ausgestalteten Köpfen,
die als einteiliges Element geschmiedet werden.
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Bei
einer Ausführungsform
ist der erfindungsgemäß hergestellte,
zusammengesetzte Kolbenkopf leichter und/oder fester als aus dem
Stand der Technik bekannte Kolbenköpfe, wodurch ein besonders
effizienter Betrieb des zugehörigen
Verbrennungsmotors ermöglicht
wird. Die sich daraus ergebenden, zusammengesetzten Kolben werden
insbesondere vorteilhafterweise in Hochleistungsmotoren verwendet,
besonders erwähnenswert
sind hierbei Generatormaschinensätze
(Gensets), Schiffsdieselmotoren und Dieselmotoren für Schwerlastkraftwagen.
Folglich erzeugen diese Dieselmotoren, die die erfindungsgemäßen, zusammengesetzten
Kolbenköpfe
enthalten, effizienter und zu reduzierten Kosten höhere PS-Zahlen.
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In 1 ist
eine perspektivische Explosionsansicht einer Ausführungsform
eines geteilten Kolbens 10 dargestellt. Der geteilte Kolben 10 umfaßt einen
Kolbenkopf 12 und einen Kolbenmantel 14.
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Der
Kolbenkopf 12 umfaßt
ein erstes Teilstück 15,
das einen Kolbenkranz 16 definiert, und ein zweites Teilstück 18,
das ein Kolbenstangenanschlußteil 17 definiert.
Um den Rand des Kolbenkranzes 16 herum ist wenigstens eine
und vorzugsweise eine Vielzahl von Nuten 24 zur Aufnahme
von Kolbenringen (nicht gezeigt) in bekannter Art und Weise angeordnet.
Das zweite Teilstück 18 enthält die Durchführungen 26a und 26b zur
Aufnahme eines Kolbenbolzens zur gelagerten, drehbaren Verbindung
mit einem Pleuel in üblicher
Art und Weise (nicht gezeigt).
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Der
Kolbenkopf 12 kann mit dem Kolbenmantel 14 zu
einem geteilten Kolbenaufbau zusammengefügt werden. Der Kolbenmantel 14 umgibt
das zweite Teilstück 18 des
Kolbenkopfes 12. Üblicherweise
ist der Mantel 14 im Betrieb weder den extremen Temperaturunterschieden
noch den mechanische Beanspruchungen ausgesetzt, die der Kolbenkopf 12 bei
normaler Benutzung erfährt.
Daher kann der Kolbenmantel 14 aus einem leichteren Material hergestellt
werden, im allgemeinen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
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In 2 ist
darüber
hinaus das erste Teilstück 15 und
das zweite Teilstück 18 dargestellt.
Obwohl nicht erforderlich, kann das erste Teilstück 15 eine breite
Vielfalt von strukturellen Merkmalen zur Steigerung der Effizienz,
zur Verbesserung der Wärmeableitungseigenschaften,
der Haltbarkeit und/oder Festigkeit des Kolbenkopfes 12 aufweisen.
Solche strukturellen Merkmale sind beispielsweise der Feuersteg 20 und
die Verbrennungsmulde 22, die im Kolbenkranz 16 ausgeformt
sind sowie die Hohlräume 32 und 34,
die sich nach unten und konzentrisch um eine Mittelachse 36 des
Kolbenkranzes 16 öffnen. Zusätzliche
Merkmale zur Verbesserung der Kühleigenschaften
des Kolbens, zur Verringerung des Gewichts und zur Erhöhung der
Druckfestigkeit können ebenso
bereitgestellt werden. Solche Merkmale sind dem Fachmann bekannt.
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Das
erste Teilstück 15 besteht
aus einer hochtemperaturbeständigen
Stahllegierung. Vorzugsweise enthält die hochtemperaturbeständige Stahllegierung
ungefähr
zwischen 0,1 und 0,5 Gewichtsprozent (Gew.-%) Kohlenstoff, ungefähr bis zu 0,6
Gew.-% Mangan, ungefähr
zwischen 4,0 und 6,0 Gew.-% Chrom, ungefähr zwischen 0,45 und ungefähr 0,65
Gew.-% Molybdän,
ungefähr
bis zu 0,5 Gew.-% Nickel, den Rest Eisen und zufällige Verunreinigungen oder
sogenannte Begleitmetalle. Um die maschinelle Bearbeitbarkeit zu
verbessern, kann die hochtemperaturbeständige Stahllegierung auch ungefähr bis zu
0,04 Gew.-% Phosphor und ungefähr bis
zu 0,04 Gew.-% Schwefel enthalten.
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Die
hochtemperaturbeständige
Stahllegierung ist so gewählt,
daß sie
bei Temperaturen über 500°C beständig ist,
eine deutlich verringerte Hochtemperaturoxidation zeigt und eine
erhöhte
Anlaßbeständigkeit
aufweist. Ein Beispiel für
eine kommerziell erhältliche,
temperaturbeständige
Stahllegierung zur Verwendung mit der Erfindung wird unter der ASTM
Bezeichnung F5A hergestellt. Ein weiteres kommerziell erhältliches
Beispiel ist AISI Typ H11.
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An
der Unterseite 26 des Kolbenkranzes 16 ist das
zweite Teilstück 18 angebracht.
Das zweite Teilstück 18 definiert
ein Kolbenstangenanschlußteil 17.
Das Kolbenstangenanschlußteil 17 umfaßt zwei Bolzenaufnahmevorsprünge 24a und 24b.
Das zweite Teilstück 18 umfaßt auch
eine Durchführung
für die Aufnahme
eines Kolbenbolzens und umfaßt
vorzugsweise zwei Durchführungen 26a und 26b durch
die Bolzenaufnahmevorsprünge 24a bzw. 24b.
Die Durchführungen 26a und 26b sind
zur Aufnahme eines Kolbenbolzens bestimmt, der den Kolbenkopf 12 an
einem Pleuel anlenkt (nicht gezeigt).
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Das
zweite Teilstück 18 besteht
vorzugsweise aus einem Stahlmaterial. In einer Ausführungsform
ist das bevorzugte Stahlmaterial eine Stahllegierung, die ungefähr zwischen
0,3 und 0,55 Gew.-% Kohlenstoff, ungefähr zwischen 0,4 und 1,10 Gew.-% Mangan,
ungefähr
zwischen 0,40 und 1,25 Gew.-% Chrom, ungefähr zwischen 0,15 und 0,45 Gew.-% Molybdän, ungefähr bis zu
0,4 Gew.-% Silizium, ungefähr
bis zu 2 Gew.-% Nickel und den Rest Eisen enthält. Die Stahllegierung kann
darüber
hinaus ein aus der Gruppe von Metallen, die ungefähr bis zu 0,040
Gew.-% Phosphor, ungefähr
bis zu 0,040 Gew.-% Schwefel, ungefähr bis zu 0,002 Gew.-% Blei und
zufällige
Verunreinigung wie Wismut, Arsen und Zinn enthält, ausgewähltes Material sein.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
besteht das Teilstück 18 aus
einer Stahllegierung, die ungefähr
zwischen 0,30 und 0,55 Gew.-% Kohlenstoff, ungefähr zwischen 0,4 und 1,10 Gew.-%
Mangan, ungefähr
zwischen 0,40 und 1,25 Gew.-% Chrom, ungefähr zwischen 0,15 und 0,45 Gew.-%
Molybdän, ungefähr bis zu
0,4 Gew.-% Silizium und ungefähr
bis zu 2 Gew.-% Nickel und mehr als 90 Gew.-% Eisen enthält. Zusätzlich zu
den oben aufgeführten
Materialien kann die Stahllegierung für diese Ausführungsform
auch Material aus der Gruppe der Metalle umfassen, die ungefähr bis zu
0,040 Gew.-% Phosphor, ungefähr
bis zu 0,040 Gew.-% Schwefel, ungefähr bis zu 0,002 Gew.-% Blei,
ungefähr
bis zu 0,002 Gew.-% Wismut, ungefähr bis zu 0,04 Gew.-% Arsen, ungefähr bis zu
0,025 Gew.-% Zinn und andere zufällige
Verunreinigungen enthält.
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Ein
Beispiel für
eine kommerziell erhältliche Stahllegierung
zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung ist der unter den
AISI/SAE Bezeichnungen 4140H, 4145H, 4340 verkaufte oder ein ähnlicher Baustahl.
Nichtsdestoweniger kann in weiteren Ausführungsformen das zweite Teilstück 18 aus
einem oder mehreren anderen Materialien bestehen, die sich für einen
Fachmann ergeben würden.
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Kolben
mit geringerem Gewicht sind erwünscht,
um die Effizienz und die Kraftstoffersparnis der betriebenen Verbrennungsmotoren
zu erhöhen. Erfindungsgemäße Kolben
können
durch eine Vielzahl von Konstruktionsvarianten, die das Bereitstellen
von strukturellen Merkmalen oder Druckoberflächen zur Beständigkeit
gegen Druckkräfte,
das Beseitigen von Material, das für die Abstützung der Druckoberflächen nicht
benötigt
wird, sowie das Bereitstellen von Hohlräumen oder Kammern zur Verbesserung
der Wärmeableitung
umfassen, leichter und fester gemacht werden.
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Das
erste und das zweite Teilstück
können vor
dem Zusammenbau einzeln zu einer gewünschten Form geschmiedet und
maschinell bearbeitet werden. Die einzelne maschinelle Bearbeitung
der Teilstücke
vor dem Zusammenbau ermöglicht
eine größere Flexibilität bei der
Gestaltung der Kolben. Beispielsweise kann das erste Teilstück 15 maschinell
so bearbeitet werden, daß es
die Hohlräume 32 und 34 umfaßt. Hohlräume können bereitgestellt
werden, um die Kühleigenschaften
des Kolbenkranzes zu verbessern und das Gewicht des Kolbens zu verringern,
wodurch die Effizienz der Hochleistungsdieselmotoren erhöht wird. Ähnlich kann
das zweite Teilstück 18 so
bearbeitet werden, daß es
einen Hohlraum 36 zwischen den Bolzenaufnahmeversprüngen 24a und 24b aufweist.
Somit kann das zweite Teilstück
so bearbeitet werden, daß der
Kolben ein minimales Gewicht aber dennoch eine ausreichende strukturelle
Festigkeit aufweist, um den Belastungen standzuhalten, die während des
Betriebs eines Hochleistungsdieselmotors auf ihn ausgeübt werden.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
bestehen andere Teilstücke
des Kolbens 10, wie das zweite Teilstück 18, im allgemeinen
aus derselben hochtemperaturbeständigen
Stahllegierung wie das erste Teilstück 15. Bei einer weiteren
Ausführungsform sind
das erste Teilstück 15 und
das zweite Teilstück 18 des
Kolbenkopfes 12 einstückig
aus der hochtemperaturbeständigen
Stahllegierung, wie sie im Zusammenhang mit dem ersten Teilstück 15 oben
beschrieben ist, gegossen, maschinell bearbeitet oder geschmiedet.
In anderen Ausführungsformen
kann das zweite Teilstück 18 aus
anderen Materialien oder Legierungen als oben beschrieben gefertigt
werden. Die anderen Materialien oder Legierungen können andere
Arten und/oder Mengen von Legierungselementen zur Modifizierung
der Eigenschaften, wie zum Beispiel der strukturellen Festigkeit
des zweiten Teilstücks 18,
enthalten.
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Das
erste Teilstück 15 und
das zweite Teilstück 18 werden
vorzugsweise unter Verwendung von Reibschweißtechniken zusammengefügt. Üblicherweise
wird entweder das erste Teilstück 15 oder das
zweite Teilstück 18 in
ein Spannfutter eingespannt, das an einem Schwungrad befestigt ist.
Das andere Teilstück
wird in einem feststehenden Reitstock gehalten. Das Schwungrad,
das Spannfutter und das darin eingespannte Teilstück werden
mit ausreichender Geschwindigkeit rotiert. Wenn die vorbestimmte
Geschwindigkeit erreicht ist, wird der Schwungradantrieb unterbrochen.
Während
das in dem Spannfutter eingespannte Teilstück noch mit hoher Drehzahl
rotiert, werden die Werkstücke
zusammengedrückt, üblicherweise
durch einen hydraulischen Preßkolben.
Während
sich die Geschwindigkeit des Schwungrad-Spannfutters und des eingespannten
Teilstücks
verringert, wird die gespeicherte Energie des rotierenden Aufbaus
in Reibungswärme umgewandelt,
was zum Aufheizen und Erweichen der sich berührenden, einander gegenüberliegenden Endstücke 38 und 40 führt. Bevor
die Rotation beendet ist, werden die beiden Endstücke 38 und 40 unter Bildung
der Schweißzone 48 verbunden.
Die verbliebene, gespeicherte Energie des rotierenden Aufbaus führt zu einer
Warmumformung einer metallischen Grenzfläche in der Schweißzone 38,
die etwaige Verunreinigungen oder Einschlüsse entfernt und die Kornstruktur
verfeinert. Metall, das aus der Schweißzone 48 herausgetrieben
wird, bildet die Aufsätze 42 und 44.
Eine mit dieser Technik hergestellte Schweißnaht 46 stellt eine
mechanisch hochbelastbare Verbindung dar, in der das Metall gleich
oder besser ist als das der beiden Grundlegierungen. Ein geringes
Metallvolumen, das an die Schweißnaht 46 angrenzt,
wird durch den Reibschweißprozeß erhitzt, wobei
dieses geringe Metallvolumen als Kühlkörper wirkt und die Schweißnaht 46 abschreckt.
Weiterhin definiert die Schweißzone 48 einen
schmalen Materialstreifen, der ein feinkörniges Gefüge aufweist. Die Schweißzone 48 weist
gewöhnlich
eine deutlich geringere Anzahl von Defekten oder Einschlüssen auf als
dies bei anderen Arten von Schweißtechniken beobachtet wird.
Weiterhin ist die Schweißzone 48 deutlich
monolitisch.
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Vorzugsweise
liegen das erste Teilstück 15 und
das zweite Teilstück 18 vor
dem Schweißen
als geschmiedete Rohlinge vor, deren Maße so angepaßt sind,
daß der
Verlust an Material, das in die Aufsätze 44 bzw. 42 hinausgedrückt wird,
kompensiert wird. Es ist auch wünschenswert,
daß das
erste Material und das zweite Material so gewählt sind, daß sie während des
Reibschweißens
miteinander kompatibel sind. Gewöhnlich
beinhaltet dies, daß Materialien
gewählt
werden müssen,
die im wesentlichen dieselbe Aufsatzmenge oder dasselbe Metallvolumen
bereitstellen, die/das im Aufsatz die während des Reibschweißens gebildet
wird.
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Der
zusammengesetzte Kolbenkopf 12 wird in einem oder mehreren
Schritten oder Verfahren bearbeitet, um den zusammengesetzten Kolbenkopf 12 mit
den gewünschten
Dimensionstoleranzen zu erhalten. Üblicherweise werden während dieser
Schritte oder Verfahren die an die Schweißzone 48 angrenzenden
Aufsätze 42 und 44 entfernt.
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Der
zusammengesetzte Kolbenkopf kann wärmebehandelt werden. Beispielsweise
kann der zusammengesetzte Kolbenkopf durch dem Fachmann bekannte
Verfahren und/oder vom Fachmann üblicherweise
benutzten Verfahren wärmebehandelt werden,
um die gewünschte
mechanische Festigkeit, Härte
und Haltbarkeit zu erzielen. Ein Beispiel für eine geeignete Wärmebehandlung
zur Verwendung mit der Erfindung umfaßt die Austenitisierung und/oder
das Anlassen. Bei einer Ausführungsform wird
der zusammengesetzte Kolbenkopf 12 bei 843°C ± 28°C ungefähr ein bis
drei Stunden lang lösungsgeglüht. Der
aufgeheizte Kolbenkopf wird anschließend in Öl ungefähr auf 93°C bis ungefähr 107°C abgeschreckt. Anschließend wird
der Kolbenkopf bei ungefähr
593°C ± 11°C eine bis
drei Stunden lang angelassen und dann an Luft auf Raumtemperatur
abgekühlt.
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Wie
oben beschrieben, wird als erstes Material eine hochtemperaturbeständige Stahllegierung und
als zweites Material ein Stahl mit hoher struktureller Festigkeit
gewählt,
der eine ausreichende Festigkeit aufweist, um den mechanischen Belastungen in
einen Hochleistungsdieselmotor standzuhalten. Darüber hinaus
wird als erstes und als zweites Material ein hitzeverträgliches
Material gewählt.
Vorzugsweise besitzen das erste Material und das zweite Material
kompatible thermische Ausdehnungskoeffizienten, so daß beim Aufheizen
und Abkühlen
des zusammengesetzten Kolbenkopfes in der Reibschweißnaht 46 und
in der dazu benachbarten Schweißzone 46 minimale
Spannungen erzeugt werden.
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Vorzugsweise
werden das erste Material und das zweite Material so gewählt, daß sie in
demselben Wärmebehandlungvorgang
vollständig
wärmebehandelt
werden können.
Ein Wärmebehandlungsvorgang
kann einen oder mehrere Aufheiz- und Abkühlzyklen umfassen. Beispielsweise
können
beide Materialien durch Aufheizen des Kolbenkopfes 12 bis
zu einem kritischen Temperaturbereich austenitisiert und anschließend mit
einer Abkühlrate
abgekühlt werden,
die es ermöglicht,
eine Martensitphase in der Stahllegierung beider Materialien zu
bilden. Beide Materialien können
durch Wiederaufheizen bis zu einer zweiten Temperatur angelassen
werden, so daß ein
zusammengesetzter Kolbenkopf bereitgestellt werden kann, der vollständig wärmebehandelt
ist, ohne die Reibschweißnaht
zu schwächen.
Dennoch kann in anderen Ausführungsformen
auf eine Wärmebehandlung
verzichtet werden oder es können
andere Wärmebehandlungstechniken
und -verfahren eingesetzt werden.
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In
weiteren Ausführungsformen
können
das erste Teilstück 15 und
das zweite Teilstück 18 durch andere
Verfahren als durch Reibschweißen
miteinander verbunden werden. Beispiele für andere Verfahren zur Herstellung
eines zusammengesetzten Kolbenkopfes umfassen Schweißen, Verbinden
oder Löten.
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Darüber hinaus
ist für
den Fachmann klar erkennbar, daß die
Verfahren, Materialien und erfinderischen Konzepte, wie sie in dieser
Anmeldung beschrieben sind, eingesetzt werden können, um andere, für Hochtemperaturanwendungen
nützliche
Komponenten herzustellen und um solche Komponenten zu reparieren.
Beispiele für
solche Komponenten sind Einlaßventile,
Auslaßventile, Öl/Steinbohrer, Hubschrauberrotorblätter, Turbinenbauteile
und ähnliche
Komponenten.
