DE102011118297A1

DE102011118297A1 - Kolben für Verbrennungsmotoren und Halbzeug sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102011118297A1
Application number: DE102011118297A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Marco (FH) Fandel; Dr.rer.nat. Haug Tilmann; Manfred Kurbjuhn; Karl Weisskopf
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-05-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Kolben für Verbrennungsmotoren bereit, der ein Kolbenunterteil mit einem Kolbenhemd und ein Kolbenoberteil mit einem Kolbenboden aufweist. Der Kolben ist zumindest zweiteilig ausgeführt. Das Kolbenunterteil besteht aus einem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl und das Kolbenoberteil aus einem Stahl. Das Kolbenunterteil ist mit dem Kolbenoberteil gefügt. Die vorliegende Erfindung beschreibt ferner Halbzeuge zur Fertigung des Kolbens und ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungsmotoren, der zumindest ein Kolbenunterteil mit einem Kolbenhemd und ein Kolbenoberteil mit einem Kolbenboden aufweist.
Herkömmlicherweise werden zur Herstellung von Bauteilen für Verbrennungsmotoren wie Kolben klassische Stahlwerkstoffe, also schwere Werkstoffe verwendet. Die Verwendung solcher Stahlwerkstoffe wirkt sich nicht nur gewichtserhöhend auf die Verbrennungsmotoren allgemein aus, sondern beeinflusst auch die in den Motoren zu bewegenden Massen. Der Einsatz von ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustählen (Ultra High Carbon Steel), kurz UHC-Stählen, und anderen Leichtmetalllegierungen ist daher für die Herstellung von Verbrennungsmotor-Bauteilen und Kraftfahrzeug-Getriebekomponenten etabliert worden.
So beschreibt die DE 10 2009 048 124 A1 einen Stahlkolben aus Leichtmetalllegierungen für Verbrennungsmotoren mit Zylinderkurbelgehäusen, der ein Kolbenoberteil mit Verbrennungsmulde und Ringwand sowie ein Kolbenunterteil mit Pleuellager aufweist. Zumindest das Kolbenunterteil besteht dabei aus einer Stahllegierung, die einen definierten thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 13 bis 20·10^–6 K^–1 aufweist. Weiter offenbart die DE 10 2006 041 902 A1 einen UHC-Stahl mit verbesserter Zunderbeständigkeit, ohne sich jedoch auf spezielle Bauteile zu beziehen. Ein dichtereduzierter UHC-Leichtbaustahl wird in der DE 10 2008 032 024 A1 beschrieben, der aus Gewichtsersparnisgründen zur Fertigung von Fahrwerksbauteilen, Getriebeteilen, Zahnrädern oder Kraftfahrzeug-Motorkomponenten vorgeschlagen ist. Die Fertigung von Kolben aus Leichtbaustahl ist hingegen nicht bekannt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich daher die Aufgabe, einen Kolben zu schaffen, der durch die Verringerung seiner Masse verbesserte Eigenschaften hat sowie zu einer gesteigerten Agilität des Motors führt.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben für Verbrennungsmotoren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und Halbzeuge mit den Merkmalen der Ansprüche 6 und 7 gelöst.
Die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für einen Kolben bereitzustellen, wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Weiterbildungen des Kolbens und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
Ein Kolben für Verbrennungsmotoren weist ein Kolbenunterteil mit einem Kolbenhemd und ein Kolbenoberteil mit einem Kolbenboden auf und ist erfindungsgemäß zumindest zweiteilig aufgebaut. Dabei besteht das Kolbenunterteil aus einem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl (UHC-Stahl) und das Kolbenoberteil aus einem Stahl, wobei das Kolbenunterteil mit dem Kolbenoberteil mittels einer Fügeverbindung verbunden ist. In einer bevorzugten Zusammensetzung weist der Leichtbaustahl 0,7 bis 2,0 Gew.-%, insbesondere 0,8 bis 1,4 Gew.-% C, 5,0 bis 12,0 Gew.-%, insbesondere 5,5 bis 7,0 Gew.-% Al, 0,01 bis 2,8 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 0,6 Gew.-% Si, 0 bis 2,0 Gew.-%, insbesondere 0 bis 0,2 Gew.-% Cr, 0 bis 5,0 Gew.-%, insbesondere 0 bis 3,0 Gew.-% Mn, unvermeidliche Stahlbegleiter in Spuren und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Fe auf.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von UHC-Stahl als Material für das Kolbenunterteil kann das Gesamtgewicht eines erfindungsgemäßen Kolbens deutlich verringert werden. Neben Vorteilen im Kraftstoffverbrauch durch das geringere Gewicht erzeugt der erfindungsgemäße Kolben zudem weniger Reibung. Dies hat neben einem geringeren Verschleiß den weiteren Vorteil, dass der Motor schneller hochdreht, was für den Fahrer in einer verbesserten Agilität des Kraftfahrzeugs spürbar wird.
Um an der brennraumseitigen Fläche des Kolbens eine gute Wärmeleitfähigkeit zu gewähren, ist der Stahl des Kolbenoberteils vorzugsweise ein verschleißfester, legierter Stahl aus der Gruppe umfassend 42CrMo4-, MoCr4-, CrMo4-, 31CrMoV6- und 25MoCr4-Stähle, wobei ein 42CrMo4-Stahl besonders bevorzugt ist. Dieser Stahl hat ferner den Vorteil, dass er einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, so dass er sich im Betriebszustand entsprechend dem Zylinderwerkstoff verhält.
Es hat sich für die mechanischen Eigenschaften des Leichtbau-Kolbens als vorteilhaft herausgestellt, wenn sowohl das Kolbenoberteil als auch das Kolbenunterteil geschmiedete Teile sind, da in geschmiedeten Teilen geringere mechanische Spannungen auftreten. Geschmiedete Kolben oder Kolbenteile sind dadurch belastbarer und weisen zudem eine bessere thermische Leitfähigkeit auf. Alternativ kann auch nur eines der Teile geschmiedet sein.
Die Fügeverbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil kann durch Schweißen, insbesondere Reibschweißen, Laserschweißen oder Induktionsschweißen, hergestellt sein.
Ein erstes Halbzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Herstellung eines Unterteils für den vorstehend beschriebenen Kolben geeignet und besteht aus einem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl.
Ferner ist ein zweites Halbzeug gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines Oberteils für den vorstehend beschriebenen Kolben geeignet. Dabei besteht das zweite Halbzeug erfindungsgemäß aus einem Stahl, insbesondere einem verschleißfesten, legierten Stahl.
Die beiden Halbzeuge sind vorteilhaft mittels einer Fügeverbindung verbindbar, so dass der klassische Stahl, wie er ansonsten für derartige Kolben verwendet wird, zumindest teilweise substituiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines wie vorstehend offenbarten beschriebenen Kolbens weist die Schritte auf:

– Bereitstellen eines Halbzeugs für das Kolbenunterteil, das aus einem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl besteht,
– Bereitstellen eines Halbzeugs für das Kolbenoberteil, das aus einem Stahl besteht, und
– Fügen des Halbzeugs für das Kolbenunterteil mit dem Halbzeug für das Kolbenoberteil.

Vorteilhafter Weise werden die Halbzeuge zur Herstellung des Kolbenunterteils und des Kolbenoberteils vor dem Fügen geschmiedet, um mechanische Spannungen in den Werkstücken abzubauen. Das Fügen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil kann durch Schweißen, insbesondere Reibschweißen, Laserschweißen oder Induktionsschweißen erfolgen.
In dem Halbzeug kann für das Kolbenunterteil zunächst durch thermomechanische Behandlung ein Gefüge mit feinen sphäroiden Karbiden mit mittleren Querschnittsflächen unterhalb 10 μm² eingestellt werden, worauf eine Halbwarm-Umformung zum Halbzeug bei einer Temperatur von 800°C bis 1100°C und bei Formänderungsgeschwindigkeiten (ε') oberhalb 0,1/s erfolgt.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung dargelegt.
Obwohl die erfindungsgemäßen Leichtbau-Kolben im Folgenden in Bezug auf einen Kraftfahrzeug-Motor beschrieben werden, sind sie auch in Brennkraftmaschinen allgemein sowie in Nutzfahrzeugen einsetzbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Kolben zweiteilig aufgebaut und besteht zumindest aus einem Kolbenunterteil mit Kolbenhemd und einem Kolbenoberteil mit Kolbenboden. Sowohl das Kolbenunterteil als auch das Kolbenoberteil haben einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass sich der Kolben im Betriebszustand entsprechend dem Zylindergehäuse ausdehnt, wodurch er sich spaltfrei im Zylinder bewegt und geringeren mechanischen Belastungen unterliegt.
Dabei besteht das Kolbenunterteil aus einem UHC-Stahl mit einer Zusammensetzung aus 0,7 bis 2,0 Gew.-% C, 5,0 bis 12,0 Gew.-% Al, 0,01 bis 2,8 Gew.-% Si, 0 bis 2,0 Gew.-% Cr, 0 bis 5,0 Gew.-% Mn und unvermeidlichen Stahlbegleitern in Spuren, wobei Fe den Rest auf 100 Gew.-% ausmacht. Stärker bevorzugt wird ein UHC-Stahl mit 0,8 bis 1,4 Gew.-% C, 5,5 bis 7,0 Gew.-% Al, 0,01 bis 0,6 Gew.-% Si, 0 bis 0,2 Gew.-% Cr, 0 bis 3,0 Gew.-% Mn und Fe als Rest auf 100 Gew.-% verwendet.
Das Kolbenoberteil besteht aus einem verschleißfesten, legierten Stahl, der aus der Gruppe umfassend 42CrMo4-, MoCr4-, CrMo4-, 31CrMoV6- und 25MoCr4-Stähle ausgewählt wird. Dabei ist ein 42CrMo4-Stahl besonders bevorzugt, der eine Zusammensetzung aus 0,38 bis 0,45 Gew.-% C, 0 bis 0,4 Gew.-% Si, 0,6 bis 0,9 Gew.-% Mn, 0 bis 0,025 Gew.-% P, 0 bis 0,035 Gew.-% S, 0,9 bis 1,2 Gew.-% Cr, 0,15 bis 0,3 Gew.-% Mo und unvermeidlichen Stahlbegleitern in Spuren hat, wobei Fe den Rest auf 100 Gew.-% ausmacht.
Alternativ dazu kann ein 42CrMo4-Stahl verwendet werden, der eine Zusammensetzung aus 0,38 bis 0,45 Gew.-% C, 0 bis 0,4 Gew.-% Si, 0,5 bis 0,8 Gew.-% Mn, 0 bis 0,035 Gew.-% P, 0 bis 0,035 Gew.-% S, 0,9 bis 1,2 Gew.-% Cr, 0,15 bis 0,3 Gew.-% Mo, 0 bis 0,6 Gew.-% Ni und unvermeidlichen Stahlbegleitern in Spuren hat, wobei Fe den Rest auf 100 Gew.-% ausmacht.
Geeignete Halbzeuge in Form von Rohlingen für das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil werden für die Herstellung des Leichtbau-Kolbens bereitgestellt. Zweckmäßig sind die jeweiligen Halbzeuge entsprechend dem Unter- oder Oberteil vorgeformt. Dabei ist es bevorzugt, in dem Halbzeug für das Kolbenunterteil zunächst durch thermomechanische Behandlung ein Gefüge mit feinen sphäroiden Karbiden mit mittleren Querschnittsflächen unterhalb 10 μm² einzustellen. Anschließend erfolgt eine Halbwarm-Umformung zum Bauteil bei einer Temperatur von 800°C bis 1.100°C und bei Formänderungsgeschwindigkeiten (ε') oberhalb 0,1/s.
Der für das Kolbenoberteil verwendete Stahl hat bevorzugt einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der es im Betrieb bei hohen Temperaturen ermöglicht, den Spalt zur Zylinderinnenseite (Zylinderlaufbahn) möglichst klein zu halten. Dies trägt dazu bei, ein Kippen und/oder Schlagen des Kolbens im Zylinder zu vermeiden und damit die mechanische Belastung sowie das Motorgeräusch klein zu halten. Insbesondere kann der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kolbenmaterialien auf das Material des Zylinders bzw. der Zylinderlaufbahn angepasst werden. Stähle mit austenitischem Gefüge sind für das Kolbenoberteil insbesondere bevorzugt.
Für das Kolbenoberteil hat sich das Schmieden ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, da dies gegenüber dem Gießen einfacher und kostengünstiger durchzuführen ist, insbesondere wenn das Kolbenoberteil über weitere Strukturen wie Kühlkanäle verfügt. Zudem können durch das Schmieden die erforderlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften im Bereich des Kolbenbodens sichergestellt werden.
Die Halbzeuge für das Kolbenunter- und -oberteil werden zu einem erfindungsgemäßen Kolben gefügt, wobei die Teile miteinander verschweißt werden können, beispielsweise durch Reibschweißen, Laserschweißen oder Induktionsschweißen. Alternativ dazu können die beiden Teile auch miteinander verlötet werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Halbzeuge für das Kolbenunter- und -oberteil zunächst miteinander zu einem Kolben-Rohling gefügt werden, um diesen anschließend durch Schmieden in die Endform des erfindungsgemäßen Kolbens zu bringen.
Mit dem erfindungsgemäßen Kolben werden klassische Stahlwerkstoffe für Kolben zumindest teilweisen durch UHC-Stähle ersetzt. Hierdurch kann signifikant an Gewicht eingespart werden, so dass nicht nur der Motor selbst leichter wird, sondern im Betrieb auch deutlich weniger Masse bewegt werden muss.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009048124 A1 [0003]
DE 102006041902 A1 [0003]
DE 102008032024 A1 [0003]

Claims

Kolben für Verbrennungsmotoren, der ein Kolbenunterteil mit einem Kolbenhemd und ein Kolbenoberteil mit einem Kolbenboden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben zumindest zweiteilig ist, wobei das Kolbenunterteil aus einem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl und das Kolbenoberteil aus einem Stahl besteht, und wobei das Kolbenunterteil mit dem Kolbenoberteil gefügt ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ultrahochkohlenstoffhaltige Leichtbaustahl eine Zusammensetzung mit – 0,7 bis 2,0 Gew.-% C, insbesondere 0,8 bis 1,4 Gew.-% C, – 5,0 bis 12,0 Gew.-% Al, insbesondere 5,5 bis 7,0 Gew.-% Al, – 0,01 bis 2,8 Gew.-% Si, insbesondere 0,01 bis 0,6 Gew.-% Si, – 0 bis 2,0 Gew.-% Cr, insbesondere 0 bis 0,2 Gew.-% Cr, – 0 bis 5,0 Gew.-% Mn, insbesondere 0 bis 3,0 Gew.-% Mn, – Spurenelemente und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Fe aufweist.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl des Kolbenoberteils ein verschleißfester, legierter Stahl aus der Gruppe umfassend 42CrMo4-, MoCr4-, CrMo4-, 31CrMoV6- und 25MoCr4-Stähle ist.
Kolben nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil und/oder das Kolbenunterteil geschmiedete Teile sind.
Kolben nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung durch Schweißen, insbesondere Reibschweißen, Laserschweißen oder Induktionsschweißen, hergestellt ist.
Halbzeug zur Herstellung eines Unterteils für einen Kolben nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug für das Kolbenunterteil aus einem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl besteht.
Halbzeug zur Herstellung eines Oberteils für einen Kolben nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug für das Kolbenoberteil aus einem Stahl besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, aus einem Kolbenunterteil mit einem Kolbenhemd und einem Kolbenoberteil mit einem Kolbenboden, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Halbzeugs für das Kolbenunterteil, das aus einem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl besteht, – Bereitstellen eines Halbzeugs für das Kolbenoberteil, das aus einem Stahl besteht, und – Fügen des Halbzeugs für das Kolbenunterteil mit dem Halbzeug für das Kolbenoberteil.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Halbzeuge zur Herstellung des Kolbenunterteils und des Kolbenoberteils geschmiedete Halbzeuge sind, wobei in dem Halbzeug für das Kolbenunterteil vorzugsweise zunächst durch thermomechanische Behandlung ein Gefüge mit feinen sphäroiden Karbiden mit mittleren Querschnittsflächen unterhalb 10 μm² eingestellt wird, und hierauf eine Halbwarm-Umformung zum Bauteil bei einer Temperatur von 800°C bis 1.100°C und bei Formänderungsgeschwindigkeiten (ε') oberhalb 0,1/s erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Fügen von Kolbenunterteil und Kolbenoberteil durch Schweißen, insbesondere Reibschweißen, Laserschweißen oder Induktionsschweißen erfolgt.