DE102008054007B4

DE102008054007B4 - Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zum Herstellen von Pleueln und Kolbenbolzen für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102008054007B4
Application number: DE102008054007.2A
Authority: DE
Inventors: Zacharias Georgeou; Dr. Kiese Jürgen; Prof. Dr. Heilmaier Martin
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2028-10-31
Also published as: DE102008054007A1

Abstract

Verbrennungskraftmaschine (20) mit wenigstens einem Pleuel (14), einem Kolbenbolzen (12) und einem Kolben (3), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Kolbenbolzen (12) und/oder das Pleuel (14) aus einer (Eisen-Aluminium) FeAl-Legierung hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen, ein Verfahren zur Herstellung der Pleuel und/oder Kolbenbolzen mit den im Oberbegriff des Anspruchs 12 genannten Merkmalen sowie einen Pleuel und einen Kolbenbolzen mit den im Oberbegriff des Anspruchs 21 und 22 genannten Merkmalen.
Es ist bekannt, dass in Verbrennungskraftmaschinen verwendete, Kraft umsetzende Mechanismen im Wesentlichen Pleuel, Kolben, Kurbelwellen und Kolbenbolzen aufweisen, die Dreh- und Translationsbewegungen ausführen, um die Expansionsenergie des Brenngases in eine Rotationsenergie umzusetzen. Alle daran beteiligten beweglichen Teile weisen eine Masse auf, die durch ihre Trägheit zum Entstehen von Schwingungen, Vibrationen und Reibung beitragen. Diese wirken entgegen einer Beschleunigung oder einer Verlangsamung der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und beeinflussen dadurch die dynamischen Eigenschaften, erhöhen den Kraftstoffverbrauch und begrenzen die pro Gewichtseinheit und Volumeneinheit erreichbare Leistung.
Um diesen Massenträgheitseffekten entgegen zu wirken, ist bekannt, das Gewicht aller beteiligten bewegten Teile zu reduzieren, was jedoch durch die Materialeigenschaften verfügbarer und geeigneter Werkstoffe eingeschränkt ist. Die Kolben beispielsweise sind seit geraumer Zeit aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Die durch sehr hohe auftretende Übertragungskräfte stark beanspruchten Pleuel und Kolbenbolzen, die der drehbaren Verbindung zwischen Kolben und Pleuel dienen, bestehen in der Regel aus Vergütungsstählen, die im Allgemeinen eine relativ hohe Dichte aufweisen.
US 6 074 501 A offenbart ein thermisches Verfahren zum Herstellen von Aluminium-Silizium-Magnesium-Legierungen, mit denen eine erhöhte Warmfestigkeit bis 300 °C erreicht wird. Diese Legierungen sind zum Herstellen von Pleuel und Kolbenbolzen nicht geeignet.
DE 10 2004 050 484 A1 offenbart eine Legierung auf Basis von Aluminium, die zum Herstellen von Pleuelstangen verwendet werden kann. Die Legierung weist zwischen 15 und 30 Gewichts-% Silizium auf, mindestens 1 Gewichts-% Nickel, zumindest einen der beiden Bestandteile, Eisen oder Titan, wobei die Summe der Anteile von Nickel, Eisen und Titan mindestens 3 Gewichts-% beträgt. Diese Legierung weist zwar ein sehr niedriges spezifisches Gewicht auf, ihre mechanische Festigkeit ist jedoch gering. Ferner ist es nicht möglich, Kolbenbolzen aus dieser Legierung zu fertigen, da die Festigkeit und die Verschleißfestigkeit nicht ausreichen.
Die EP 0 203 198 A1 zeigt und beschreibt ein Pleuel, welches aus einer Aluminiumlegierung besteht, in welche ein Inlay aus einem Stahldraht zur Erhöhung der Festigkeit eingegossen ist.
Die EP 0 602 904 A1 , die EP 1 469 963 B1 und die EP 0 351 056 A2 befassen sich mit FeAl-Legierungen. Während die erstgenannte Veröffentlichung ein Einlassventil aus einer FeAl-Legierung offenbart, zeigen die anderen Veröffentlichungen Herstellungsverfahren für Bauteile aus einer FeAl-Legierung.
Im Vergleich mit konventionellen Materialien wie Vergütungsstahl nimmt die zyklische Festigkeit der Eisen-Aluminium-Legierungen im Temperaturbereich zwischen 150 und 300 °C und die statische Festigkeit mit steigender Temperatur bis 600 °C zu.
Die Dichte beispielsweise einer Fe-Al-Cr-Legierung liegt zwischen 6,3 und 6,5 g/ccm, während die Dichte der Vergütungsstähle 7,8 g/ccm beträgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Pleuel und/oder Kolbenbolzen einer Verbrennungskraftmaschine im Gewicht zu reduzieren und hierbei vergleichbare oder verbesserte thermische, mechanische und dynamische Eigenschaften zu erreichen, die den oben beschriebenen Nachteilen entgegen wirken.
Dadurch, dass bei einer Verbrennungskraftmaschine, die wenigstens ein Pleuel, einen Kolbenbolzen und einen Kolben aufweist, wenigstens der Kolbenbolzen und/oder das Pleuel aus einer FeAl-Legierung hergestellt ist, wird vorteilhaft erreicht, dass bei Gewichtsreduzierung gleichzeitig gute thermische, dynamische und mechanische Eigenschaften erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die FeAl-Legierung eine intermetallische FeAl-Legierung.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beträgt der Anteil des Eisens der FeAl-Legierung zwischen 72 und 92 Gewichts-%.
Vorzugsweise beträgt der Anteil des Aluminiums der FeAI-Legierung zwischen 8 und 23 Gewichts-%, wobei die Eisen- und Aluminiumanteile zueinander in einem im Wesentlichen komplementären Verhältnis stehen und bei Zusammensetzungen mit einem von 100 % abweichenden Verhältnis wenigstens ein weiteres Element und/oder Verbindung zum Auffüllen des fehlenden Anteils verwendet ist.
Der Anteil von vor allem einer besseren Verschleißfestigkeit dienendem Chroms in der FeAl-Legierung beträgt in einer der weiteren bevorzugten Ausgestaltungen 1 bis 8 Gewichts-% und der Anteil von Niob zwischen 0 und 10 Gewichts-%. Das Element Niob bildet hierbei Mischkristalle, die der Legierung zu einem höheren Elastizitäts-Modul verhelfen.
Gemäß einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beträgt der Anteil von Bor an der FeAI-Legierung zwischen 0 und 1000 ppm in Gewichtsprozent.
Zusätzlich weist die FeAl-Legierung in weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wenigstens eines von den Elementen Kohlenstoff, Titan, Zirkonium, Silizium und/oder Vanadium bis zu einem aufsummierten Volumenanteil von maximal 1 Gewichts-% auf.
Vorzugsweise bildet das Zirkonium mit dem Kohlenstoff Zirkoniumcarbid, um dadurch den freien Kohlenstoff, der die Legierung nachteilig spröde macht, zu binden und zugleich die Verschleißfestigkeit zu erhöhen.
Die FeAl-Legierung weist erfindungsgemäß vorzugsweise eine geordnete intermetallische Kristallstruktur auf.
In bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ist das Eisen in der FeAl-Legierung geordnet und intermetallisch kristallisiert. Bei einem Aluminiumgehalt bis 8 Gewichts-% liegt beispielsweise eine überwiegend ferritische Kristallstruktur vor und bei einem Aluminiumgehalt von 8 bis 20 Gewichts-% eine geordnete und intermetallische Kristallstruktur vor.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zum Herstellen eines Pleuels und/oder eines Kolbenbolzens für eine Verbrennungskraftmaschine dadurch gelöst, dass

- ein Rohling hergestellt wird,
- der Rohling vorzugsweise wenigstens einem formgebenden und/oder spanenden Bearbeitungsschritt unterzogen wird, und
- der Rohling aus einer Eisen-Aluminium-Legierung erhalten wird.

Der Rohling kann vorzugsweise als Gussteil oder pulvermetallurgisch hergestellt werden.
In bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens beträgt der Anteil des Eisens der FeAl-Legierung zwischen 72 und 92 Gewichts-%. Der Anteil des Aluminiums liegt vorzugsweise zwischen 8 und 23 Gewichts-%, wobei die Eisen- und Aluminiumanteile zueinander in einem im Wesentlichen komplementären Verhältnis stehen und bei Zusammensetzungen mit einem von 100 Gewichts-% abweichenden Verhältnis wenigstens ein weiteres Element und/oder Verbindung zum Auffüllen des fehlenden Anteils verwendet ist.
Der Chrom-Anteil der FeAl-Legierung beträgt vorzugsweise zwischen 1 und 8 Gewichts-%, der Niob-Anteil zwischen 0 und 10 Gewichts-% und der Bor-Anteil der FeAI-Legierung zwischen 0 und 1000 ppm in Gewichtsprozent.
Die Beschichtung des Pleuels und/oder Kolbenbolzens kommt gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung durch eine selbstbildende Aluminiumoxidschicht Al₂O₃ zustande, die einen Korrosionsschutz und zugleich eine verschleißfeste Schicht ausbildet. Die verschleißfeste Schicht ist beispielsweise zum Ausbilden der zylindrischen Gleitoberfläche des Kolbenbolzens von großem Nutzen.
Ferner wird in weiteren bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens nach vorliegender Erfindung die Beschichtung des Pleuels und/oder Kolbenbolzens als eine Chrombeschichtung zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit ausgeführt. Vorzugsweise werden in der FeAl-Legierung und/oder der Oberfläche des Pleuels und Kolbenbolzens Mischkristalle aus Fe-Al-Cr ausgebildet, die eine erhöhte Verschleißfestigkeit bewirken.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird außerdem mit einem Pleuel und/oder einem Kolbenbolzen gelöst, der jeweils nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die eine Querschnittsansicht einer Verbrennungskraftmaschine zeigt, näher erläutert.
1 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Zylindergruppe einer Verbrennungskraftmaschine 20, die einen in einem Zylinderblock 13 eingebauten Zylinder 4, einen im Zylinder 4 bewegbar angeordneten Kolben 3, einen mit dem Kolben 3 drehbar über ein oberes Pleuelauge und einen Kolbenbolzen 12 verbundenes Pleuel 14, das mit einem unteren Pleuelauge mit einem Pleuelschaft 15 einer drehbar gelagerten Kurbelwelle drehbar verbunden ist, ein Gegengewicht 16 der Kurbelwelle, ein Einlass- 5 und ein Auslassventil 10, je eine Nockenwelle 7 und 9, eine Zündkerze 8, einen Ansaug- 6 und einen Abgaskanal 11 aufweist.
Der Kolbenbolzen 12 und/oder das Pleuel 14 ist aus einer Eisen-Aluminium-Legierung hergestellt, die einen Eisenanteil zwischen 72 und 92 Gewichts-% aufweist. Der Anteil des Aluminiums (Al) der FeAl-Legierung beträgt hierbei zwischen 8 und 23 Gewichts-%, wobei die Eisen- und Aluminiumanteile zueinander in einem im Wesentlichen komplementären Verhältnis stehen und bei Zusammensetzungen mit einem von 100 Gewichts-% abweichenden Verhältnis wenigstens ein weiteres Element und/oder Verbindung zum Auffüllen des fehlenden Anteils verwendet ist.
So kann der Chrom-Anteil (Cr) an der FeAl-Legierung zwischen 1 und 8 Gewichts-% betragen und vor allem die Verschleißfestigkeit der Legierung steigern.
Der Niob-Anteil (Nb) an der FeAl-Legierung kann zwischen 0 und 10 Gewichts-% betragen. Der Bor-Anteil (B) an der FeAl-Legierung kann zwischen 0 und 1000 ppm betragen.
Zusätzlich kann die FeAl-Legierung wenigstens eines von den Elementen Kohlenstoff (C), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Silizium (Si) und/oder Vanadium (V) bis zu einem aufsummierten Volumenanteil von maximal 1 Gewichts-% aufweisen.
Hierbei bildet das Zirkonium (Zr) mit dem Kohlenstoff (C) Zirkoniumcarbid, um dadurch den freien Kohlenstoff zu binden und die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Die FeAl-Legierung kann eine Mischkristallstruktur aufweisen.
Das Eisen in der FeAl-Legierung kann ferritisch oder intermetallisch kristallisiert sein.
Ein Pleuel oder ein Kolbenbolzen wird als ein Rohling beispielsweise im Gussverfahren hergestellt. Der Rohling kann auch aus einem Stangenhalbzeug oder pulvermetallurgisch hergestellt werden. Dann wird dieser Rohling gegebenenfalls einem Schmiedeverfahren oder dergleichen unterzogen, um ein endgültig ausgeformtes Formteil zu bilden und/oder durch Verdichten der oberen Schichten höhere mechanische Festigkeitseigenschaften zu erreichen.
Zum Herstellen einer Maßfläche wie zum Beispiel der zylindrischen Gleitlagerfläche des Kolbenbolzens oder der Innenaufnahmefläche des oberen und unteren Pleuelauges wird wenigstens ein spanhebender Bearbeitungsschritt ausgeführt.
Optional kann eine thermische Härtung, ein Walzen und/oder eine Beschichtung des Rohlings oder eine Kombination davon ausgeführt werden, wobei als Guss die Eisen-Aluminium-Legierung verwendet wird.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Werkstoff kann gegenüber einem dispersionsgehärteten Aluminium-Werkstoff eine deutlich höhere Steifigkeit aufweisen. Diese Steifigkeit lässt sich durch den E-Modul oder auch durch die wesentlich höhere Dauerschwingfestigkeit ausdrücken, die um den Faktor 2 bis 3 gesteigert ist. Ferner weist der erfindungsgemäße Werkstoff eine höhere maximal mögliche Einsatztemperatur auf, die bei dispersionsgehärtetem Aluminium-Werkstoff etwa 150°C beträgt.
Bezugszeichenliste

1: Ölwanne
2: Öl
3: Kolben
4: Zylinder
5: Einlassventil
6: Ansaugkanal
7: Nockenwelle
8: Zündkerze
9: Nockenwelle
10: Auslassventil
11: Abgaskanal
12: Kolbenbolzen
13: Zylinderblock
14: Pleuel
15: Pleuelschaft der Kurbelwelle
16: Gegengewicht
20: Verbrennungskraftmaschine

Claims

Verbrennungskraftmaschine (20) mit wenigstens einem Pleuel (14), einem Kolbenbolzen (12) und einem Kolben (3), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Kolbenbolzen (12) und/oder das Pleuel (14) aus einer (Eisen-Aluminium) FeAl-Legierung hergestellt ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die FeAl-Legierung eine intermetallische FeAl-Legierung ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Eisens (Fe) der FeAl-Legierung zwischen 72 und 92 Gewichts-% beträgt.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Aluminiums (AI) der FeAI-Legierung zwischen 8 und 23 Gewichts-% beträgt, wobei die Eisen- und Aluminiumanteile zueinander in einem im Wesentlichen komplementären Verhältnis stehen und bei Zusammensetzungen mit einem von 100 Gewichts-% abweichenden Verhältnis wenigstens ein weiteres Element und/oder Verbindung zum Auffüllen des fehlenden Anteils verwendet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Chrom-Anteil (Cr) an der FeAI-Legierung zwischen 1 und 8 Gewichts-% beträgt.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Niob-Anteil (Nb) an der FeAI-Legierung zwischen 0 und 10 Gewichts-% beträgt.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bor-Anteil (B) an der FeAI-Legierung zwischen 0 und 1000 ppm in Gewichtsprozent beträgt.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die FeAl-Legierung zusätzlich wenigstens eines von den Elementen Kohlenstoff (C), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Silizium (Si) und/oder Vanadium (V) bis zu einem aufsummierten Volumenanteil von maximal 1 Gewichts-% aufweist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkonium (Zr) mit dem Kohlenstoff (C) Zirkoniumcarbid bildet, um dadurch den freien Kohlenstoff zu binden und die Verschleißfestigkeit zu erhöhen.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die FeAl-Legierung eine Mischkristallstruktur oder eine geordnete intermetallische Kristallstruktur aufweist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eisen in der FeAI-Legierung ferritisch oder intermetallisch kristallisiert ist.
Verfahren zum Herstellen eines Pleuels und/oder eines Kolbenbolzens, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohling hergestellt wird, der Rohling vorzugsweise wenigstens einem formgebenden und/oder einem spanenden Bearbeitungsschritt unterzogen wird, und der Rohling aus einer Eisen-Aluminium-Legierung erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Eisens (Fe) der FeAl-Legierung zwischen 72 und 92 Gewichts-% beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Aluminiums (AI) der FeAI-Legierung zwischen 8 und 23 Gewichts-% beträgt, wobei die Eisen- und Aluminiumanteile zueinander in einem im Wesentlichen komplementären Verhältnis stehen und bei Zusammensetzungen mit einem von 100 % abweichenden Verhältnis wenigstens ein weiteres Element und/oder Verbindung zum Auffüllen des fehlenden Anteils verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Chrom-Anteil (Cr) an der FeAI-Legierung zwischen 1 und 8 Gewichts-% beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Niob-Anteil (Nb) an der FeAI-Legierung zwischen 0 und 10 Gewichts-% beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Bor-Anteil (B) an der FeAI-Legierung zwischen 0 und 1000 ppm in Gewichtsprozent beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung des Pleuels (14) und/oder Kolbenbolzens (12) durch eine selbstbildende Aluminiumoxidschicht (Al₂O₃) zustande kommt, die einen Korrosionsschutz und eine verschleißfeste Schicht ausbildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung des Pleuels (14) und/oder Kolbenbolzens (12) als eine Chrombeschichtung zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 17 und 19 dadurch gekennzeichnet, dass in der FeAl-Legierung und/oder der Oberfläche des Pleuels (14) und Kolbenbolzens (12) Mischkristalle aus Fe-Al-Cr ausgebildet werden.
Pleuel, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 20.
Kolbenbolzen, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 20.