DE102006007148A1

DE102006007148A1 - Kolben für Verbrennungsmotoren und Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102006007148A1
Application number: DE200610007148
Authority: DE
Inventors: Wieland Walz; Jürgen Dr. Kiese; Georg Prof. Dr. Frommeyer; Udo BRÜX; Zacharias Georgeou
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2007-08-30
Also published as: EP1820952A2; EP1820952B1; EP1820952A3

Abstract

Kolben für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mindestens teilweise aus einer Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung mit folgender Zusammensetzung besteht: 70-95 Masse-% Fe; 5-20 Masse-% Al; 1-10 Masse-% Cr; C, Ti, Si, V, Nb, Zr, B mit einem Gehalt von bis zu 10 Masse-% in der Summe.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungsmotoren sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren.
Üblicherweise werden zur Herstellung von Kolben für Verbrennungsmotoren Stähle eingesetzt, die einen deutlichen Festigkeitsabfall bei Temperaturen von mehr als 500°C aufweisen. Beispiele für derartige Stähle sind so genannte Vergütungsstähle (z. B. 42CrMo4) oder AFP-Stähle (z. B. 38MnVS6).

Aus der DE 100 29 810 A1 ist ein Kolben für Dieselmotoren bekannt, der eine durch thermisches Spritzen aufgebrachte Beschichtung aus einer FeAlCr-Legierung mit nicht näher spezifizierter Zusammensetzung aufweist. Da der in dieser Druckschrift beschriebene Kolben lediglich auf einer dem Zylinderkopf zugewandten Oberfläche und/oder in einer Verbrennungsmulde eine Beschichtung aus der FeAlCr-Legierung aufweist, können die oben beschriebenen Nachteile hinsichtlich des Festigkeitsabfalls bei höheren Temperaturen auch bei diesem Kolben auftreten.

Hier setzt die vorliegende Erfindung an.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für Verbrennungsmotoren anzugeben, der besonders vorteilhafte rheologische Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf die Festigkeit bei höheren Temperaturen aufweist. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens anzugeben.

Hinsichtlich des Kolbens wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch einen Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 6 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Kolben mindestens teilweise aus einer Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung mit folgender Zusammensetzung besteht:
70–95 Masse-% Fe;
5–20 Masse-% Al;
1–10 Masse-% Cr;
C, Ti, Si, V, Nb, Zr, B mit einem Gehalt von bis zu 10 Masse-% in der Summe.

Weiterhin kann die Legierung bis zu 5 Masse-%, insbesondere bei 3 Masse-% und besonders vorteilhaft nur bei 1,5 Masse-% Verunreinigungen enthalten. Es hat sich gezeigt, dass ein derartiger Kolben eine besonders hohe Festigkeit bei Temperaturen von mehr als 500°C aufweist und damit erheblich bessere Hochtemperatureigenschaften als herkömmliche Stähle besitzt, die üblicherweise zur Herstellung von Kolben für Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Kolben kann zum Beispiel ein Kolben für einen Dieselmotor, insbesondere für einen direkt einspritzenden Dieselmotor, sein. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung des erfindungsgemäßen Kolbens bei direkt einspritzenden Dieselmotoren besonders vorteilhaft ist, da der Kolben insbesondere im Temperaturbereche von ca. 500–600°C besonders vorteilhafte Festigkeitseigenschaften besitzt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung eine Dichte zwischen etwa 6 g/cm³ und etwa 7,5 g/cm³ aufweist. Dadurch ergibt sich eine wesentliche Reduzierung der Masse des Kolbens im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Kolben, die aus konventionellen Stählen hergestellt sind. Die - konventionellen Stähle weisen eine Dichte in einer Größenordnung von etwa 7,8 g/cm³ auf.

In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Kolben aus mindestens zwei Teilen bestehen.

Es besteht die Möglichkeit, dass ein erstes der mindestens zwei Teile des Kolbens aus Aluminium besteht und dass ein zweites der mindestens zwei Teile des Kolbens aus der Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung besteht. Dabei kann das dem Brennraum zugewandte Teil des Kolbens auf Grund der vorteilhaften Hochtemperatureigenschaften insbesondere das zweite, aus der Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung bestehende Teil des Kolbens sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung einen Aluminiumgehalt von 15–17 Masse-%, vorzugsweise einen Aluminiumgehalt von etwa 16 Masse-% aufweist. Vorzugsweise weist die Aluminium-Chrom-Legierung einen Chromgehalt von etwa 4 bis etwa 6 Masse-%, vorzugsweise einen Chromgehalt von etwa 5,5 Masse-%, auf. Dadurch kann erreicht werden, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung im Wesentlichen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium entspricht. Bei der oben bereits beschriebenen zweiteiligen Ausführung des Kolbens, bei dem das erste Teil des Kolbens aus Aluminium und das zweite Teil des Kolbens aus der Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung, kann somit erreicht werden, dass beide Teile des Kolbens identische oder zumindest im Wesentlichen identische thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass thermische Spannungen weitgehend vermieden werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren zeichnet sich dadurch aus, dass der Kolben mindestens teilweise aus einer Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung mit der Zusammensetzung:
70–95 Masse-% Fe;
5–20 Masse-% Al;
1–10 Masse-% Cr;
C, Ti, Si, V, Nb, Zr, B mit einem Gehalt von bis zu 10 Masse-% in der Summe hergestellt wird. Dadurch wird ein Kolben, der insbesondere in Dieselmotoren eingesetzt werden kann, mit besonders vorteilhaften Festigkeitseigenschaften bei hohen Temperaturen und hohen Drücken erhalten werden.

Es besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass der Kolben aus mindestens zwei Teilen hergestellt wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass ein erstes der mindestens zwei Teile des Kolbens aus Aluminium hergestellt wird und dass ein zweites der mindestens zwei Teile des Kolbens aus der Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung hergestellt wird. Bei einem Aluminium-Gehalt von etwa 16 Masse-% und einem Chromgehalt von etwa 5,5 Masse-% entspricht der thermische Ausdehnungskoeffizient des zweiten Teils des Kolbens im Wesentlichen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Teils des Kolbens, der aus Aluminium besteht.

Es kann in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Kolben gießtechnisch hergestellt wird.

In einer vorteilhaften alternativen Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Kolben thermomechanisch hergestellt wird. Durch die gleichzeitige thermische Behandlung und plastische Umformung können die rheologischen Eigenschaften des Kolbens gezielt angepasst werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.
In 1 sind die Dehngrenzen verschiedener Legierungen in Abhängigkeit von der Temperatur schematisch dargestellt. Man erkennt die Dehngrenzen (angegeben in MPa) eines herkömmlichen Vergütungsstahls (42CrMo4), eines herkömmlichen AFP-Stahl (38MnVS6) sowie einer Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung mit der Zusammensetzung:
70–95 Masse-% Fe;
5–20 Masse-% Al;
1–10 Masse-% Cr;
C, Ti, Si, V, Nb, Zr, B mit einem Gehalt von bis zu 10 Masse-% in der Summe.
Zum Vergleich ist ferner die Dehngrenze von Aluminium in Abhängigkeit von der Temperatur gezeigt. Ein erfindungsgemäßer Kolben für Verbrennungsmotoren besteht mindestens teilweise aus der vorstehend genannten Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung. Der Kolben kann zum Beispiel gießtechnisch oder thermomechanisch hergestellt werden.
Man erkennt, dass die Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung bei geringen Temperaturen eine niedrigere Festigkeit als der Vergütungsstahl (42CrMo4) und der AFP-Stahl (38MnVS6) aufweist. Die Festigkeit der Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung verringert sich im Gegensatz zu den übrigen in 1 gezeigten Stählen über weite Temperaturbereiche nahezu kaum. Man sieht, dass in einem Temperaturbereich von etwa 500–600°C die Dehngrenzen der Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung erheblich größer sind als bei dem herkömmlichen Vergütungsstahl oder dem AFP-Stahl.
Im Temperaturbereich von etwa 500–600°C weist die Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung eine im Wesentlichen konstante Dehngrenze von mehr als 400 MPa auf, wohingegen die Dehngrenzen der übrigen Stähle in diesem Temperaturbereich drastisch abnehmen.
Es wird deutlich, dass der hier vorgestellte, zumindest teilweise aus einer Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung mit der oben beschriebenen Zusammensetzung bestehende Kolben gerade im Temperaturbereich von etwa 500–600°C erheblich bessere Festigkeitseigenschaften aufweist als herkömmliche Kolben. Der hier offenbarte Kolben eignet sich zum Beispiel für Dieselmotoren (insbesondere für direkt einspritzende Dieselmotoren).
Da die Dichte der Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung, aus dem der Kolben ganz oder teilweise hergestellt ist, im Bereich von etwa 6 g/cm³ bis etwa 7,5 g/cm³ liegt, können im Vergleich zu herkömmlichen Stahllegierungen, die eine Dichte in einer Größenordnung von 7,8/cm³ aufweisen, erhebliche Gewichtsreduzierungen erreicht werden.
Der Kolben kann einteilig oder zweiteilig ausgeführt sein, wobei bei der letztgenannten Ausführungsform beispielsweise ein erstes Teil des Kolbens aus Aluminium und ein zweites Teil des Kolbens aus der Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung mit einem Aluminiumgehalt von etwa 15 bis etwa 17 Masse-%, vorzugsweise mit einem Aluminiumgehalt von etwa 16 Masse-%, sowie mit einem Chromgehalt von etwa 4 bis etwa 6 Masse-%, vorzugsweise mit einem Chromgehalt von etwa 5,5 Masse-%, bestehen kann. Es hat sich gezeigt, dass bei diesem Aluminium- und Chromgehalt beide Teile des Kolbens im Wesentlichen identische thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass thermische Spannungen weitgehend vermieden werden können.

Claims

Kolben für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mindestens teilweise aus einer Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung mit folgender Zusammensetzung besteht: 70–95 Masse-% Fe; 5–20 Masse-% Al; 1–10 Masse-% Cr; C, Ti, Si, V, Nb, Zr, B mit einem Gehalt von bis zu 10 Masse-% in der Summe.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung eine Dichte zwischen etwa 6 g/cm³ und etwa 7,5 g/cm³ aufweist.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus mindestens zwei Teilen besteht.
Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes der mindestens zwei Teile des Kolbens aus Aluminium besteht und dass ein zweites der mindestens zwei Teile des Kolbens aus der Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung besteht.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung einen Aluminiumgehalt von 15–17 Masse-%, vorzugsweise einen Aluminiumgehalt von etwa 16 Masse-% aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mindestens teilweise aus einer Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung mit der Zusammensetzung: 70–95 Masse-% Fe; 5–20 Masse-% Al; 1–10 Masse-% Cr; C, Ti, Si, V, Nb, Zr, B mit einem Gehalt von bis zu 10 Masse-% in der Summe hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus mindestens zwei Teilen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes der mindestens zwei Teile des Kolbens aus Aluminium hergestellt wird und dass ein zweites der mindestens zwei Teile des Kolbens aus der Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben gießtechnisch hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben thermomechanisch hergestellt wird.