VERFAHREN ZUM HäRTEN VON NUTFLANKEN DER RINGNUT EINES STAHLKOLBENS MITTELS EINES LASERSTRAHLS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Nutflanken der Ringnut eines Stahlkolbens nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der Offenlegungsschrift, DE 103 37 962 A1 , ist ein Verfahren zum Laserhärten von Nutflanken der Ringnuten eines Stahlkolbens bekannt, bei dem, um einen zum Härten geeigneten Absorptionsgrad der Laserstrahlenergie zu erreichen, ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von weniger als 5 μm verwendet wird, der zudem unter einem ausreichend großen Einfallswinkel auf die zu härtende Nut gerichtet werden muss. Nachteilig ist hierbei, das die Auswahl der Laserquellen, die Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 5 μm erzeugen, gering ist. Zudem wird die Wahl eines ausreichend großen Einfallswinkels je nach Stellung der Laserquelle gegenüber dem Stahlkolben durch die Geometrie der Ringnut, d.h., durch die der zu härtenden Nutflanke gegenüber liegende Nutflanke begrenzt.

Diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dadurch, dass gemäß der Erfindung die zu härtende Nutflankenfläche des Stahlkolbens mittels Eisenoxid eingefärbt wird, erhöht sich deren Wärmeeinkopplungsgrad so weit und reduziert sich zudem deren Reflektivität so sehr, dass das Laserlicht unabhängig von dessen Wellenlänge unter einem beliebigen Einfallswinkel auf die zu härtende Nutflankenfläche gestrahlt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Einrichtung zum Laserhärten der Flanke einer Nut für einen Kolbenring und Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Kolbenringnut, deren untere Flanke mittels eines Lasers gehärtet wird.

Fig. 1 zeigt eine an einer Haltevorrichtung 1 befestigte Laserquelle 2, die, wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist, einen Laserstrahl 3 auf die untere Flanke 10 der oberen Ringnut 11 eines Kolbens 5 aus Stahl für einen Verbrennungsmotor richtet, wobei die Ringnut 11 für einen in den Figuren nicht dargestellten Kompressionsring vorgesehen ist. Der Stahikolben 5 ist über eine Klemmhalterung 12 auf einem Drehteller 6 um seine Kolbenachse 13 drehbar gelagert, wobei der Drehteller 6 auf einem Fundament 7 mit einer in der Figur nicht dargestellten, elektrischen Antriebvorrichtung befestigt ist, von der der Drehteller elektrisch gesteuert in Drehung versetzt wird.

Weiterhin ist an der Haltevorrichtung 1 und an einem Stativ 9 eine Gasleitung 8 befestigt, von der über eine Gasdüse 4 Prozessgas in Richtung der oberen Ringnut 11 geleitet wird, das insbesondere den Bereich der unteren Flanke 10, der lasergehärtet werden soll, mit dem Prozessgas umgibt.

Als Laserquelle 2 kann beispielsweise ein Diodenlaser oder ein Nd:YAG-Laser verwendet werden. Hiermit wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung die untere Flanke 10 der Ringnut 11 für den Kompressionsring gehärtet, weil diese Flanke im Motorbetrieb durch den Kompressionsring einer erhöhten Belastung ausgesetzt ist. Auf die erfindungsgemäße Weise kann aber jede mechanisch hochbelastete Fläche des Kolbens 5 gehärtet werden.

Hierbei wird von dem kleinen Brennfleck des Laserstrahls 3 die untere Fläche 10 der Ringnut 11 des mittels des Drehtellers 6 in Drehung versetzten Kolbens 5 spurweise erhitzt. Ein Kühlmedium, um das für den Härteprozess erforderliche Abkühlen der erhitzten Spur zu bewirken, ist hierbei nicht erforderlich, da sich ein sehr schneller Temperaturausgleich zwischen der erhitzten Spur und dem angrenzenden Kolbenmaterial, Stahl, ergibt, der eine Selbstabschreckung mit sich bringt, die ein gutes Aushärten der unteren Nutflanke 10 verursacht.

Während dieses Härteprozesses wird über die Gasdüse 4 das Prozessgas auf die untere Nutflanke 10 geleitet, das aus einer Mischung aus Argon und Sauerstoff, aus Stickstoff und Sauerstoff oder aus Argon, Stickstoff und Sauerstoff bestehen kann. Im Rahmen umfangreicher Versuche wurden gute Ergebnisse mit einer aus 1 % Sauerstoff und 99 % Stickstoff bestehenden Prozessgasmischung erzielt.

Das Prozessgas bewirkt hierbei, dass sich die vom Laserstrahl 3 getroffene Nutflankenfläche aufgrund einer Oxidbildung einfärbt, wobei sich Eisenoxid (Fβ ₂ θ ₃ ) bildet. Hierdurch ergibt sich zum einen eine Verbesserung des Wärmeeinkopplungsgrades der per Laser bestrahlten Fläche, wodurch das Erhitzen dieser Fläche beschleunigt und damit der Wirkungsgrad des Lasers verbessert wird. Zum anderen reduziert die Einfärbung der Nutflankenfläche mittels Eisenoxid die Reflektivität dieser Fläche, wodurch die Stärke des von der Nutflanke 10 reflektierten und in Fig. 2 gepunktet gezeichneten Laserstrahles 3' insoweit verringert wird, dass der hiervon getroffene Nutgrund 14 nicht mehr ausreichend erhitzt wird, um gehärtet zu werden. Den Nutgrund 14 beziehungsweise die Kante zwischen Nutflanke 10 und Nutgrund 14 zu härten, ist unerwünscht, weil ein Härten dieser Bereiche die Grundzähigkeit des Kolbenmaterials in diesen Bereichen insoweit reduziert, dass sich im Motorbetrieb hier Risse bilden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren, die Nutflanke 10 zu härten, hat den weiteren Vorteil, dass der von der Nutflanke 10 und dem Laserstrahl 3 gebildete Einfallswinkel α beliebig wählbar ist und so gewählt wird, dass die Größe der Härteeindringzone für ein bestmögliches Härteergebnis optimal eingestellt wird.

- A -

Bezugszeichenliste

α Einfallswinkel

1 Haltvorrichtung

2 Laserquelle

3, 3' Laserstrahl

4 Gasdüse

5 Kolben, Stahlkolben

6 Drehteller

7 Fundament

8 Gasleitung

9 Stativ

10 untere Flanke, Nutflanke

11 obere Ringnut

12 Klemmhalterung

13 Kolbenachse

14 Nutgrund