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DE102020211246A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor, Verbrennungsmotor mit einem Kolben und Verwendung einer eisenbasierten Legierung - Google Patents

Kolben für einen Verbrennungsmotor, Verbrennungsmotor mit einem Kolben und Verwendung einer eisenbasierten Legierung Download PDF

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DE102020211246A1
DE102020211246A1 DE102020211246.0A DE102020211246A DE102020211246A1 DE 102020211246 A1 DE102020211246 A1 DE 102020211246A1 DE 102020211246 A DE102020211246 A DE 102020211246A DE 102020211246 A1 DE102020211246 A1 DE 102020211246A1
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Germany
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iron
based alloy
internal combustion
combustion engine
piston
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DE102020211246.0A
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English (en)
Inventor
Thomas Kirste
Roman Morgenstern
Robert Willard
Martin Popp
Thomas Hutzler
Andreas Hörauf
Philipp Koch
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Nuernberg GmbH
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Publication date
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Abstract

Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Dieselmotor, besteht aus einer eisenbasierten Legierung, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent (Gew.-%):Kohlenstoff (C):0,07 bis 0,24;Chrom (Cr):> 7, 0 bis 12,5;Molybdän (Mo):0,3 bis 1,2;Mangan (Mn):0,3 bis 0,9;Silizium (Si):< 0,5;Kupfer (Cu):< 0, 3;Nickel (Ni):< 0, 8;Vanadium (V):0,15 bis 0,35;Schwefel (S):< 0,015;Phosphor (P):< 0, 025;Niob (Nb):< 0,1;Stickstoff (N):< 0, 07;Aluminium (Al):< 0, 04;Wolfram (W):< 2,5und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist. Ferner umfasst ist die Verwendung einer solchen eisenbasierten Legierung für Kolben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Kolben und die Verwendung einer eisenbasierten Legierung für Kolben eines Verbrennungsmotors.
  • Stand der Technik und Hintergrund der Erfindung
  • Getrieben von der ökonomischen und ökologischen Forderung nach verbrauchs- und emissionsoptimierten Transportmitteln ist in den letzten 20 Jahren eine rasante Entwicklung immer leistungsfähigerer und emissionsärmerer Verbrennungsmotoren gelungen. Ein entscheidender Schlüssel für diesen kontinuierlichen Fortschritt sind Motorkolben, die bei immer höheren Verbrennungstemperaturen und -drücken eingesetzt werden können, aber trotzdem ein geringes Gewicht bzw. Gesamtgewicht der Kolbengruppe (Kolben, Ringe, Bolzen und ggf. Pleuel) aufweisen. Dies wird im Wesentlichen durch die Entwicklung leistungsfähigerer Kolbenwerkstoffe ermöglicht.
  • Ein weiterer sehr wichtiger Veränderungsschritt ist dabei der Wechsel vom Aluminium- zum Stahlmotorkolben, insbesondere bei Dieselmotorkolben. Trotz der höheren Dichte und der schlechteren Wärmeleitfähigkeit des Stahlwerkstoffes können dessen Vorteile wie höhere Festigkeit und höhere maximale Einsatztemperatur vorteilhaft eingesetzt werden. Bisher werden überwiegend niedriglegierte und sehr preiswerte Stähle des Typs 42CrMo4 und 38MnVS6 für Stahlkolben verwendet. Deren Einsatzbereich ist jedoch limitiert und stößt bereits bei aktuellen Entwicklungen an Grenzen. Hierbei spielt vor allem die vergleichsweise niedrige Oxidationsbeständigkeit (Oxidation = Verzunderung bzw. Hochtemperaturkorrosion) eine entscheidende Rolle.
  • Es ist bekannt, dass Legierungselemente im Stahl entscheidend für die Ausbildung der Eigenschaften sind und dies wird bei den oben benannten konventionellen Stählen genutzt. Die Zugabe von Chrom bewirkt eine Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit, eine Festigkeitssteigerung, eine Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit aber auch eine Steigerung der Materialkosten. Die Zugabe von Molybdän bewirkt eine Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit, eine (Warm-)Festigkeitssteigerung aber auch eine Steigerung der Materialkosten. Die Zugabe von Vanadium bewirkt eine (Warm-)Festigkeitssteigerung jedoch aber ebenfalls eine Steigerung der Materialkosten. Die Zugabe von Niob bewirkt eine Kornfeinung, die Bildung von Karbiden und Nitriden und eine Reduzierung der Zähigkeit und wiederum eine Steigerung der Materialkosten. So ist es auch bei der Zugabe von Wolfram, die zudem zu einer (Warm-)Festigkeitssteigerung führt.
  • Der hier beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor vorzusehen, der aus einer eisenbasierten bzw. einer Stahllegierung besteht, die idealerweise das Folgende in sich vereint und in positiver Weise auf den Kolben überträgt:
    • ▪ eine höhere Oxidationsbeständigkeit verglichen mit dem bisher eingesetzten Stahlwerkstoffen;
    • ▪ eine für den Verwendungszweck ausreichende Festigkeit bei hohen Temperaturen unter TMF-Beanspruchung („Thermo Mechanical Fatigue“ = „TMF“) d.h. eine ausreichende thermomechanische Ermüdungsfestigkeit;
    • ▪ eine für den Verwendungszweck ausreichende isotherme Schwingfestigkeit („High Cycle Fatigue“ = „HCF“);
    • ▪ eine gute Schweißbarkeit insbesondere für induktives Schweißen und Reibschweißen und generell eine gute zerspanende Bearbeitbarkeit;
    • ▪ eine für den Verwendungszweck ausreichende Wärmeleitfähigkeit; und
    • ▪ einen begrenzten Anstieg in den Werkstoff- und Bearbeitungskosten.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wird durch die beigefügten unabhängigen und nebengeordneten Patentansprüche definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren optionale Merkmale und spezielle Ausführungsformen.
  • Die obige Aufgabe wird insbesondere durch den Kolben nach Anspruch 1 gelöst. Der Kolben gemäß Anspruch 1 ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, bevorzugt einen Dieselmotor, der eine eisenbasierte Legierung aufweist bzw. als Kolbenmaterial aus dieser besteht, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent (Gew.-% bzw. „wt.-%“):
    • Kohlenstoff (C):
      • einschließlich 0,07 bis einschließlich 0,24;
    • Chrom (Cr):
      • > 7,0 bis einschließlich 12,5;
    • Molybdän (Mo):
      • einschließlich 0,3 bis einschließlich 1,2;
    • Mangan (Mn):
      • einschließlich 0,3 bis einschließlich 0,9;
    • Silizium (Si):
      • < 0,5;
    • Kupfer (Cu):
      • < 0,3;
    • Nickel (Ni):
      • < 0,8;
    • Vanadium (V):
      • einschließlich 0,15 bis einschließlich 0,35;
    • Schwefel (S):
      • < 0,015;
    • Phosphor (P):
      • < 0, 025;
    • Niob (Nb):
      • < 0,1;
    • Stickstoff (N):
      • < 0, 07;
    • Aluminium (Al):
      • < 0, 04;
    • Wolfram (W):
      • < 2,5
    und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist, wobei optional alle weiteren enthaltenen Elemente jeweils < 0,01 Gew.-% betragen.
  • Die erfindungsgemäße eisenbasierte Legierung kann bevorzugt als hochlegierter Stahl und weiter bevorzugt als Vergütungsstahl charakterisiert bzw. bezeichnet werden. Zur Steigerung und Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften wurden die Gehalte relevanter Legierungselemente weiter erhöht, insbesondere zeichnet sich die eisenbasierte Legierung des Kolbens durch die Legierungselemente Chrom, Molybdän, Wolfram, Niob und Vanadium aus, die im Vergleich zu den bisherigen Serienlegierungen 42CrMo4 und 38MnVS6 stark erhöht eingesetzt werden, um eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit und ausreichende Hochtemperatur(wechsel-)festigkeit zu erreichen. Insbesondere ist der Chrom-Gehalt mit Vorteil vergleichsweise hoch gewählt.
  • Obwohl in Stählen noch deutlich höhere Anteile an diesen Elementen möglich wären, wurden diese bewusst eingeschränkt, um die Schweißbarkeit, Bearbeitbarkeit, Kosten und Wärmeleitfähigkeit für die Herstellung und Anwendung zu optimieren. Das erfindungsgemäße Kolbenmaterial repräsentiert mithin eine eisenbasierte Legierung bzw. einen Stahl, die/der eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit und ausreichende Festigkeit bei hohen Temperaturen und unter TMF-Beanspruchung aufweist. Die Kolbenmaterial ist trotzdem weiterhin gut schweißbar (z.B. durch induktives Schweißen, Reibschweißen und/oder Laserschweißen) und zerspanend bearbeitbar. Zusätzlich ist die Wärmeleitfähigkeit noch nicht zu gering und im brauchbaren Rahmen. Die Materialkosten sind aber trotzdem in einem akzeptablen Rahmen. Der erfindungsgemäße Kolben stellt einen optimalen Kompromiss aus Materialeigenschaften und Materialkosten dar, insbesondere, wenn es um eine optimierte Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen geht.
  • Mit Vorteil kann die eisenbasierte Legierung des Kolbens ferner in Gewichtsprozent (Gew.-%):
    • Chrom (Cr):
      • einschließlich 9, 0 bis einschließlich 12,0 und/oder
    • Molybdän (Mo):
      • einschließlich 0,8 bis einschließlich 1,1
    aufweisen.
  • Diese Bereiche sind als bevorzugte Unterbereiche der oben definierten breiteren Gehaltsbereiche zu verstehen, in dem die technischen Effekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung besonders hervortreten. Die bevorzugten Unterbereiche sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung beliebig mit den breiteren Gehaltsbereichen und untereinander kombinierbar und aus den Gehaltsobergrenzen und Gehaltsuntergrenzen beliebige neue Gehaltsbereiche erstellbar.
  • Besonders bevorzugt ist es, dass die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs X10CrMoVNb9-1 oder X22CrMoV12-1 ist, d.h. aus diesen besteht. Diese Stähle sind gut verfügbar und können unmittelbar zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens mit dessen positiven Eigenschaften eingesetzt werden.
  • Mit Vorteil ist die eisenbasierte Legierung des erfindungsgemäßen Kolbens eine wärmebehandelte Legierung, die zumindest ein Vergütungsgefüge, bevorzugt angelassener Martensit und/oder ein Zwischenstufengefüge, bevorzugt Bainit aufweist oder daraus besteht und optional einen Ferritgehalt von ≤ 10 % im Gefüge aufweist. Bevorzugt ist, dass die Legierung eine oder mehrere der obigen Gefügearten aufweist bzw. daraus besteht. Ferner bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Legierung um einen Vergütungsstahl, welcher durch Vergüten d.h. einer Kombination aus Härten und nachfolgendem Anlassen bzw. optionalem Bainitisieren hergestellt wird. Die vorhandenen Carbidbildner Cr, Mo und V verändern den Bildungsmechanismus von beim Anlassen entstehenden Carbiden entscheidend. Bei Anlasstemperaturen bis etwa 400 °C entstehen auch bei legierten Vergütungsstählen überwiegend Fe3C-Ausscheidungen. Über 400 bis 450 °C wird die Diffusionsfähigkeit der Carbidbildner dann so groß, dass sich thermodynamisch wesentlich stabilere legierte Carbide (Sondercarbide) bilden können. Bereits vorhandenes Fe3C wird zugunsten der stabileren Sondercarbide gelöst. Vorgänge der Sondercarbidbildung beim Anlassen legierter Stähle werden häufig auch als 4. Anlassstufe bezeichnet. Die Vorteile anlassbeständiger legierter Vergütungsstähle sind demnach die deutlich geringere Diffusionsfähigkeit der Carbidbildner, welche die Sondercarbidbildung, d. h. den Festigkeitsabfall, zu höheren Temperaturen und längeren Zeiten verschiebt. Zudem sind die ausgeschiedenen Sondercarbide erheblich feiner als die Eisencarbide, wodurch sich eine zusätzliche Festigkeitssteigerung ergibt. Durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung (Vergüten) wird eine besonders wichtige Eigenschaftskombination erreicht, nämlich eine noch ausreichende Streckgrenze, verbunden mit einer für die Sprödbruchsicherheit wichtigen, hohen Duktilität, z.B. der Kerbschlagzähigkeit. Daher wird das Anlassen des Vergütungsgefüges bei mindestens 400°C durchgeführt.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein Dieselmotor, mit einem Kolben gemäß den bisher beschriebenen Ausgestaltungen. Der erfindungsgemäße Kolben überträgt alle seine technischen Vorteile auf den Verbrennungsmotor, welcher den Kolben als Bestandteil enthält.
  • Ferner umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung der bisher definierten eisenbasierten Legierung in allen ihren Ausgestaltungen, bevorzugt in Form der obigen Stähle des Typs X10CrMoVNb9-1 oder X22CrMoV12-1, für Kolben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors.

Claims (8)

  1. Kolben für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, der aus einer eisenbasierten Legierung besteht, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent (Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,07 bis 0,24; Chrom (Cr): > 7, 0 bis 12,5; Molybdän (Mo): 0,3 bis 1,2; Mangan (Mn): 0,3 bis 0,9; Silizium (Si): < 0,5; Kupfer (Cu): < 0, 3; Nickel (Ni): < 0, 8; Vanadium (V): 0,15 bis 0,35; Schwefel (S): < 0,015; Phosphor (P): < 0, 025; Niob (Nb): < 0,1; Stickstoff (N): < 0, 07; Aluminium (Al): < 0, 04; Wolfram (W): < 2,5
    und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist.
  2. Kolben gemäß Anspruch 1, wobei die eisenbasierte Legierung in Gewichtsprozent (Gew.-%): Chrom (Cr): 9, 0 bis 12,0 und/oder Molybdän (Mo): 0,8 bis 1,1
    aufweist.
  3. Kolben gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs X10CrMoVNb9-1 oder X22CrMoV12-1 ist.
  4. Kolben gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei die eisenbasierte Legierung eine wärmebehandelte Legierung ist, die zumindest ein Vergütungsgefüge und/oder ein Zwischenstufengefüge aufweist und optional einen Ferritgehalt von ≤ 10 % im Gefüge aufweist.
  5. Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor, mit einem Kolben gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche.
  6. Verwendung einer eisenbasierten Legierung, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent (Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,07 bis 0,24; Chrom (Cr): > 7, 0 bis 12,5; Molybdän (Mo): 0,3 bis 1,2; Mangan (Mn): 0,3 bis 0,9; Silizium (Si): < 0,5; Kupfer (Cu): < 0, 3; Nickel (Ni): < 0, 8; Vanadium (V): 0,15 bis 0,35; Schwefel (S): < 0,015; Phosphor (P): < 0, 025; Niob (Nb): < 0,1; Stickstoff (N): < 0, 07; Aluminium (Al): < 0, 04; Wolfram (W): < 2,5
    und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist.
  7. Verwendung gemäß Anspruch 6, wobei die eisenbasierte Legierung in Gewichtsprozent (Gew.-%): Chrom (Cr): 9, 0 bis 12,0 und/oder Molybdän (Mo): 0,8 bis 1,1
    aufweist.
  8. Verwendung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs X10CrMoVNb9-1 oder X22CrMoV12-1 ist.
DE102020211246.0A 2020-09-08 2020-09-08 Kolben für einen Verbrennungsmotor, Verbrennungsmotor mit einem Kolben und Verwendung einer eisenbasierten Legierung Pending DE102020211246A1 (de)

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US18/044,508 US20230383708A1 (en) 2020-09-08 2021-09-08 Piston for an internal combustion engine, internal combustion engine having a piston
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