DE10059903B4 - Kolben mit Verschleißschutzschicht - Google Patents

Abstract

Kolben aus einer nitridbildenden Basislegierung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kolbenschaft und Ringnuten der mittels eines Laserstrahles zumindest in Teilbereichen eine Härtung erfahren hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtung durch Umsetzung eines Werkstoffes der Basislegierung in einer Stickstoffatmosphäre oder an der Luft erzeugt ist mit einer Härte von bis zu 1230 HV und einer Dicke von bis zu 100 μm , so dass in den Teilbereichen fein verteiltes AlN-Dispersoid vorliegt und die Dispersoide in einer Ausdehnung von bis zu 100 nm homogen verteilt vorliegen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben aus einer nitridbildenden Basislegierung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kolbenschaft und Ringnuten der mittels eines Laserstrahles zumindest in Teilbereichen eine Härtung erfahren hat.
• Die DE 42 05 307 C1 offenbart eine oberflächennahe Wärmebehandlung von Aluminiumteilen mittels eines energiereichen Strahles. Bei diesem Verfahren werden die zu behandelnden Oberflächen sukzessiv und punktuell aufgeschmolzen, es werden flächendeckend Aufschmelzpunkte angeordnet, wobei die Aufschmelzung mittels eines energiereichen Strahles erfolgt. Durch dieses punktuelle, kleinflächige Aufschmelzen des Werkstoffes wird örtlich eine trichterförmige oder trompetenförmige Aufschmelzzone erzeugt, die sehr rasch nach allen Seiten in das kalte Grundgefüge erstarrt. Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist, dass sich durch die punktuelle Erwärmung und das schnelle Erstarren des Grundwerkstoffes eine diskontinuierliche Obeflächengüte einstellt. Ein stetiges und durchgängig gleichmäßiges Gefüge durch die fehlende Energie für das Kornwachstum beim Umschmelzen kann nicht gewährleistet werden. So kann die durch dieses Verfahren erzeugte Oberfläche vielleicht den Ansprüchen an eine Zylinderkopfbodenplatte genügen, aber sie kann mit ihren spezifischen Eigenschaften nicht den Anforderungen, wie sie an ein tribologisch und dynamisch belastetes Bauteil, wie dem Kolben einer Verbrennungskraftmaschine gestellt werden entsprechen.
• Eine weitere technische Lehre zur Behandlung von Oberflächen ist in der internationalen Patentanmeldung WO 82/03 813 A1 veröffentlicht, hierbei sollen Kolben aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen oberflächennah wärmebehandelt werden, wobei als Wärmequellen ebenfalls Laserstahlen angegeben sind. Die Kolbenpartien, die mit dem Energiestrahl behandelt werden sollen, sind beispielsweise die Kolbenringnuten, die Nabenbohrung oder insbesondere der Rand der Kolbenmulde im Kolbenboden. Mit dem energiereichen Strahl läßt sich nach den Angaben der erwähnten Druckschrift das Gefüge verfeinern, der Grundwerkstoff oberflächennah umlegieren oder härten. Die solcherart durchgeführte Wärmebehandlung kann vor auch oder nach der spanabhebenden Bearbeitung stattfinden. Für die Wärmebehandlung sind solche Partien des Kolbens vorgesehen, die einer besonderen mechanischen und/oder thermischen Beanspruchung unterliegen und aus diesem Grunde rißgefährdet sind. Durch dieses Verfahren wird aber lediglich ein Umschmelzen der oberflächennahen Schichten hervorgerufen ein diffusives Einbringen oder die gezielte Erzeugung spezifischer Werkstoffeigenschaften, wie ein Dispersionsgefüge, wird nicht aufgezeigt.
• Eine das Einbringen von Legierungsbesteilen in den Grundwerkstoff aufzeigende Handlungsweise ist in der DE 28 35 332 C2 offenbart. Die in dieser Patentschrift offenbarte Erfindung ist das Härten von Kolbenringnuten durch das Aufbringen eines Legierungselements in Form eines Bandes oder eines Drahtes mittels einer Energiestrahl-Umschmelzbehandlung. Nachteilig wirkt sich der Einsatz eines festen, in Form eines Drahtes oder Bandes eingebrachten Zusatzwerkstoffes aus, da hierfür immer aufwendige, interpolierte Positionierungen zwischen Grundwerkstoff, Draht und Energiestrahl notwendig sind. Folglich muß mit sehr kostspieligen Vorrichtungen gearbeitet werden.
• Ein Verfahren zur Bearbeitung von Alwniniumlegierungen, insbesondere von Zylinderlaufflächen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen, mittels eines Lasers, wird in der EP 0 745 450 A2 aufgezeigt. Hierbei wird die Energie impulsförmig eingebracht und es wird eine korrosionsbeständige Aluminiumnitritschicht erzeugt. Das die Maßnahmen auf einen Kolben anzuwenden sind kann der Schrift nicht entnommen werden.
• Die JP 03-264755 AA offenbart ein Verfahren bei demmittels eines Abscheideprozesses eine Beschichtung auf der Oberfläche einer Kolbenringnut erzeugt wird. Es handelt sich hierbei um eine aufgetragenen Beschichtung und nicht um eine Umsetzung eines Werkstoffes bei dem sich Dispersionsschichten bilden.
• Die DE 195 19 535 A1 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung einer Aluminiumnitridschicht auf einer Zylinderlauffläche. Auch hier wird eine Beschichtung aufgetragen.
• Die DE 198 33 827 C1 offenbart einen Kolben bei dem die Ringnutflanken mittels eines Hochgeschwindigkeits-Spritzverfahren beschichtet werden. Auf die Nutoberflächen wird ein Chrom-Keramisches Material aufgetragen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben dahingehend zu optimieren, dass seine Verschleißeigenschaften wesentlich verbessert werden.
• Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Patentanspruches 1 sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 angeführt.
• Bei dem erfindungsgemäßen Kolben wird die Oberfläche in der Weise umgewandelt, dass eine harte, verschleißbeständige Randschicht entsteht. Dazu wird der Kolbenrohling über alle Fertigungsschritte hin bearbeitet, so dass er in seiner endgültigen Oberflächenrauheit vorliegt, anschließend erfolgt das Lasernitrieren. Eine Nachbehandlung des lasernitrierten Kolbens ist möglich aber nicht notwendig. Während der Belichtung mittels des Lasers wird das Grundmaterial umgeschmolzen und es entsteht eine feine, homogene Mikrostruktur in der sehr feine Dispersoide aus AlN eingelagert sind. Die Größe der Dispersoide liegt in der Regel bei 20 bis 40 nm und es kann als charakteristisch für die erzeugten Oberflächenschichten angegeben werden, dass Dispersoide von unter 100 nm entstehen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch den schnellen Umschmelzprozess auch alle anderen Legierungsbestandteile sehr viel feiner verteilt werden. So weisen zum Beispiel Si-Partikel nach dem Lasernitrieren nur noch eine Kristallitgröße von unter einem Nanometer auf und der Zell- bzw. Dentritenarmabstand sinkt von vielen Mikrometern auf unter 200 nm.
• Insbesondere in den stark beanspruchten Nuten der Kolbenringe kann der Verschleiß hierdurch stark minimiert werden. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass auf das kostspielige Eingießen des Ringträgers oder das Aufbringen einer galvanischen Hartschicht verzichtet werden kann. Gleichzeitig wird die Vorbearbeitung des Kolbens vereinfacht, da der Kolbengrundwerkstoff nun einheitlich ausfällt. Neben dem minimierten Verschleiß in der Ringnut nach einer patentgemäßen Behandlung wird auch das Aufplattieren des Kolbengrundwerkstoffes auf den Kolbenring und die daraus resultierende Verschweißung des Ringes mit der Kolbenringnut verhindert.
• Der erfindungsgemäße Kolben sowie das entsprechende Laserbelichtungsverfahren sind anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und werden im weiteren näher erläutert. Es zeigen:
• 1 Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen, unbehandelten Kolben; und
• 2 Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen, behandelten Kolbens mit lasernitrierten Nutenflanken
• 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben 1 mit Brennraummulde 2, Feuersteg 3 und zwei Ringnuten 4 mit parallelen Ringnutflanken 5 im unbehandelten Zustand. In 2 trifft ein Laserstrahl 6 auf die Flanke 7 der Ringnut 8 des Kolbens 9. Der Laserstahl 6 bewirkt ein Umschmelzen des Kolbenwerkstoffes 9 im Bereich der Nutflanke 7. Durch das erfindungsgemäße Lasernitrieren der Ringnuten 4, 8 werden diese gehärtet und es kann auf etwaige Ringnutträger verzichtet werden. Mit Hilfe des Lasernitrieren ist es nun möglich auch lediglich die Ringnutflanken 7 und nicht den Nutgrund 10 zu härten. Gleichzeitig können mit diesem Verfahren auch sämtliche, entsprechend belastete Oberflächen, wie zum Beispiel der Feuersteg 3, oder die Brennraummulde 2 gehärtet werden.

Claims (8)

1. Kolben aus einer nitridbildenden Basislegierung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kolbenschaft und Ringnuten der mittels eines Laserstrahles zumindest in Teilbereichen eine Härtung erfahren hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtung durch Umsetzung eines Werkstoffes der Basislegierung in einer Stickstoffatmosphäre oder an der Luft erzeugt ist mit einer Härte von bis zu 1230 HV und einer Dicke von bis zu 100 μm , so dass in den Teilbereichen fein verteiltes AlN-Dispersoid vorliegt und die Dispersoide in einer Ausdehnung von bis zu 100 nm homogen verteilt vorliegen.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnuten ausschließlich an den Flanken durch den Laserstrahl nitriert sind.
3. Kolben nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenschaft durch den Laserstrahl nitriert ist.
4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nitridbildende Basislegierung eine Aluminium-Legierung ist.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nitridbildende Basislegierung eine Titan-Legierung ist.
6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nitridbildende Basislegierung eine Eisen-Legierung ist.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrierschicht vorzugsweise eine Dicke 30 μm bildet.
8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersoide vorzugsweise in einer Ausdehnung von 20 bis 40 nm homogen verteilt vorliegen.