DE102006030699B4

DE102006030699B4 - Gegossener Stahlkolben für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102006030699B4
Application number: DE102006030699.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. rer. nat. Haug Tilmann; Dr.-Ing. Rehm Wolfgang; Dr. Weißkopf Karl
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2014-10-02
Anticipated expiration: 2026-07-01
Also published as: DE502007005685D1; JP2013014845A; EP2035170A2; US8528513B2; US20090178640A1; WO2008000347A2; WO2008000347A3; EP2184120A1; EP2184120B1; EP2035170B1; DE502007006278D1; DE102006030699A1; JP2009541590A

Abstract

Stahlkolben für Verbrennungsmotoren, der zumindest ein Kolbenoberteil (12) mit Verbrennungsmulde (11) und Ringwand (5) sowie ein Kolbenunterteil (13) mit Pleuellager (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlkoben aus einer dichtereduzierten Stahllegierung der Zusammensetzung in Gew.-% Mn: 12–35 Al: 6–16 Si: 0,3–3 C: 0,8–1,1 Ti: bis 0,03 Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente, oder aus einer Edelstahllegierung der Zusammensetzung in Gew.-% Mn: 3–9 Si: 0,3–1 C: 0,01–0,03 Cr: 15–27 Ni: 1–3 Cu: 0,2–1 N: 0,05–0,17 Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente einstückig und materialeinheitlich gegossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen gegossenen Stahlkolben für Verbrennungsmotoren, aus einer dichtereduzierten Stahllegierung oder einer Edelstahllegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder einen teilweise aus ADI oder GJV gegossenen und teilweise aus einer dichtereduzierten Stahllegierung oder einer Edelstahllegierung gebildeten Stahlkolben mit den Merkmalen des Anspruchs 11, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen und materialeinheiltlichen Stahlkolbens mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
Aufgrund der zunehmenden Anforderungen möglichst hoher Spitzendrücke in Hubkolben-Verbrennungsmotoren die bei bis zu 25 MPa liegen, sind die Leichtbau-Aluminiumkolben zunehmend an ihre Leistungsgrenze gestoßen. Daher werden für den LKW- aber auch den PKW-Bereich zunehmend wieder Stahlkolben gefordert. Die hohen Anforderungen an Lebensdauer und Zuverlässigkeit machen dabei insbesondere vollständig aus Stahl gefertigte Kolben erforderlich, welche die derzeit noch häufig eingesetzten Kolben aus Stahl und Aluminium ersetzen sollen.
Gegenüber den Aluminium-Kolben haben die Stahlkolben aber den Nachteil eines höheren Gewichts. Die Herstellung von vollständig aus Stahl gefertigten Kolben ist aufgrund der schwierigen Verarbeitbarkeit von Stahl für filigrane Bauteile häufig aufwändig und kostspielig.
So ist es beispielsweise üblich, die Herstellung des Kolbens durch Verschweißung zweier Schmiedeteile vorzunehmen. Hierdurch ist auch den Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe für Ober- und Unterteil möglich.
Die DE 102 44 513 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen gekühlten Kolbens. Das Kolbenoberteil ist aus warmfestem Stahl und das Kolbenunterteil aus geschmiedetem AFP-Stahl gefertigt. Das nachfolgende Fügen bzw. Verbinden der Ringrippe des Kolbenoberteils mit der Tragrippe des Kolbenunterteils erfolgt mittels eines Schweiß- oder Lötverfahrens. Die Vorbereitung der Teile zum Fügen und das Fügeverfahren selbst stellen kostenintensive Verfahrensschritte dar.
In der EP 1612 395 A1 wird vorgeschlagen, den gesamten Kolben aus Stahl zu gießen. Es wird vorgeschlagen eine der beiden folgenden Stahlzusammensetzungen (in Massenprozent) als Gusslegierung zu verwenden:
C ≤ 0.8%, Si ≤ 3%, Mn ≤ 3%, S ≤ 0.2%, Ni ≤ 3%, Cr ≤ 6%, Cu ≤ 6%, Nb 0.01–3%, Rest Fe mit unvermeidbaren Verunreinigungen
oder C ≤ 0.1–0.8%, S ≤ 3%, Si ≤ 3%, Mn ≤ 3%, S ≤ 0.2%, Ni ≤ 10%, Cr ≤ 30%, Cu ≤ 6%, Nb ≤ 0.05–8% und Rest Fe mit unvermeidbaren Verunreinigungen. Dabei spielen insbesondere die gute Raumtemperatur Streckgrenze sowie eine hohe Hochtemperatur-Zugfestigkeit und Bruchfestigkeit einer Rolle.
Die GB 2220674 A beschreibt eine Stahl-Legierung zur Anwendung bei hohen Temperaturen, welche neben Eisen 20–35 Gew.-% Mn, 5–13 Gew.-% Al, bis zu 5 Gew.-% Cr, bis zu 2,5 Gew.-% Si und 0,5–1,4 Gew.-% Kohlenstoff enthält. Die DE 1262613 offenbart die Verwendung einer Stahllegierung mit hoher Festigkeit, Verschleißfestigkeit und verhältnismäßig geringem spezifischem Gewicht, bestehend aus 0,15 bis 2,00% Kohlenstoff, 4 bis 20% Aluminium, 18 bis 40% Mangan, 0 bis 1% Stickstoff, 0 bis 4% Niob, 0 bis 3% Silizium, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen, als Werkstoff für Bauteile insbesondere im Flugwesen. In der EP 0414949 A1 wird ein austenitischer Stahl offenbart, der neben Eisen 6–13% Al, 20–34% Mn, 0,2–1,4% C und 0,4–1,3% Si enthält. Der Ferritgehalt wird dabei auf 1 bis 8 Vol.-% eingestellt.
Aufgrund der filigranen Bauweise eines Kolbens werden besonders hohe Ansprüche an die Fließfähigkeit des Gießmetalls, sowie an das Gießverfahren gestellt. Das Gießverfahren und die Fließfähigkeit des Metalls sind von entscheidender Bedeutung für die Erzielung eines geeigneten und fehlerfreien Gefüges, welches für die hohen Festigkeitsanforderungen der gegossenen Bauteile unerlässlich ist. Bereits kleinste Gefügefehler und Lunker im Gussteil können in den dünnen Wandungen des Kolbens zu einem katastrophalen Werkstoffversagen führen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Kolben aus mechanisch hochbelastbaren, kostengünstig zu formenden und leichtgewichtigen Stählen bereit zu stellen. Eine weitere erfindungsgemäße Aufgabe ist es, kostengünstiges und einfaches Verfahren zur Herstellung dieser Stahlkolben aufzuzeigen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch einen Stahlkolben für Verbrennungsmotoren, der zumindest ein Kolbenoberteil mit Verbrennungsmulde und eine Ringwand sowie ein Kolbenunterteil mit Pleuellager umfasst, welcher aus einer dichtereduzierten Stahllegierung oder aus einer Edelstahllegierung gegossen ist, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen Stahlkolben der nur teilweise aus einer dichtereduzierten Stahllegierung, einer Edelstahllegierung, Vermikulargraphit (GJV) oder bainitischem Gusseisen mit Kugelgraphit (ADI) gegossen ist, mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Eine weitere erfindungsgemäße Lösung ist durch ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen und materialeinheiltlichen Stahlkolbens durch ein Niederdruckgießverfahren mit den Merkmalen Anspruchs 14 gegeben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird der Stahlkolben somit einstückig und materialeinheitlich gegossen. Hierdurch wird eine wesentliche Vereinfachung des Herstellungsverfahrens erreicht. Für die Erfindung ist es damit von wesentlicher Bedeutung, Stahllegierungen zu verwenden, die gießtechnisch gut verarbeitbar sind, eine hohe Festigkeit, beziehungsweise Streckgrenze bei den hohen Einsatztemperaturen aufzuweisen und eine möglichst geringe Materialdichte zu besitzen.
Die erste erfindungsgemäß eingesetzte Stahllegierung ist eine dichtereduzierte Stahllegierung der folgenden Zusammensetzung (folgende Angaben in Gew.-%, soweit nicht anders beschrieben)
Mn: 12–35
Al: 6–16
Si: 0,3–3
C: 0,8–1,1
Ti: bis 0,03
Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente.
Diese Legierung zeichnet sich durch ein gutes Fließvermögen aus. Darüber hinaus ist die Dichte des Materials mit ca. 6,8 g/ccm vergleichsweise niedrig. Ein weiterer Vorteil dieser Legierung liegt in der hohen Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit begründet. Der hohe Al-Gehalt trägt dabei besonders zu dieser Korrosionsbeständigkeit bei. Derartige Legierungen sind auch den hohen mechanischen Anforderungen gewachsen.
Besonders bevorzugt liegt der Anteil von Mn und Al im Bereich von Mn 18–32% und Al 8–12%.
Die weitere erfindungsgemäß eingesetzte Stahllegierung ist eine Edelstahllegierung sehr guter Fließfähigkeit mit der folgenden Zusammensetzung in Gew.-%:
Mn: 3–9
Si: 0,3–1
C: 0,01–0,03
Cr: 15–27
Ni: 1–3
Cu: 0,2–1
N: 0,05–0,17
Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente.
Bevorzugt liegt der Anteil von Mn und Cr im Bereich von Mn 4–6% und Cr 19–22%.
Ein weiterer Vorteil dieser Legierung ist eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bei den hohen im Brennraum von Verbrennungsmotoren herrschenden Temperaturen. Aufgrund der hohen Festigkeit und guten Fließfähigkeit sind besonders dünne beziehungsweise filigrane Strukturen des Kolbens möglich.
Es ist vorgesehen, den Stahlkolben einstückig und materialeinheitlich zu gießen. Darunter ist zu verstehen, dass Kolbenoberteil mit Verbrennungsmulde und Ringwand sowie ein Kolbenunterteil mit Pleuellager aus einem Guss hervorgehen und aus dem gleichen Material bestehen. Hierunter sind aber auch Stahlkolben zu verstehen die weitere An- oder Einbauteile enthalten, die sich hinsichtlich des Materials vom gegossenen Kolben unterscheiden können, oder die nicht während des Gussvorgangs des Kolbens gebildet werden. Unter diesen weiteren Teilen sind beispielsweise Einlegeteile zu verstehen, die an- oder eingegossen werden. Je nach Material und Qualität des Ein- oder Angusses können die An- oder Einlegeteile vom Stahlkolben nicht mehr unterschieden werden, so dass auch Stahlkolben und An- oder Einlegeteile als einstückig und materialeinheitlich gegossen erscheinen.
Zur Erläuterung der Erfindung werden schematische Zeichnungen herangezogen.
Dabei zeigen:
1 einen Kolben (1) im Querschnitt, mit Schmelzezufluss (2), eingegossenem Stahlrohr (3), Kühlkanal (4), Ringwand (5), Öffnungen des Kühlkanals zur Ringwand (7') und Ringnuten (10),
2 einen Kolben (1) im Querschnitt, mit Oberteil (12) und Unterteil (13), Ringwand (5), Kühlkanal (4), Öffnung des Kühlkanals (7), Pleuellager (8), Pleuellagerwand (9) und Verbrennungsmulde (11)
3 einen Kolben (1) im Schnitt, mit Oberteil (12) und Unterteil (13), Ringwand (5), Kühlkanal (4), Verschlussteil (6), Pleuellager (8), Pleuellagerwand (9) und Verbrennungsmulde (11)
In einer bevorzugten Ausführung weist der Kolben im Kolbenoberteil (12) einen oder mehrere Kühlkanäle (4) auf. Der Kühlkanal kann dabei durchgängig, oder in mehrere Segmente aufgeteilt sein. Im Letzteren Fall kann auch von mehreren Kühlkanälen gesprochen werden. Der zumindest eine Kühlkanal weist Durchbrüche oder Öffnungen (7, 7') zum Kolbeninneren und/oder zur Ringwand (5) aufweisen.
Die Durchbrüche oder Öffnungen zum Kolbeninneren (7) dienen zum Austausch von Kühlmittel bzw. Öl. Typischerweise handelt es sich hierbei um runde Öffnungen oder um Bohrungen. Es können aber je nach Erfordernis auch andere Geometrien realisiert werden. Dies ist insbesondere durch das erfindungsgemäß gewählte Herstellungsverfahren des Gießens einfach zu bewerkstelligen, beispielsweise indem geeignet geformte Gießkerne oder Einlegeteile verwendet werden. In diesem Fall kann das Bohren von Öffnungen eingespart werden.
Des Weiteren kann der Kühlkanal (4) auch zur Ringwand hin unterbrochen sein, so dass eine Öffnung (7') entsteht. Damit der Kühlkanal (4) mit Öffnungen zur Ringwand (5) nicht nach außen geöffnet bleibt, ist er durch mindestens ein Verschlussteil (6) nach außen abgeschlossen. Das Kühlrohrsystem ist somit mehrteilig aufgebaut. Das Verschlussteil (6) ist bevorzugt durch einen Blech oder Verschlussblech oder einen Stahlring gebildet. Zur Verklammerung kann das Verschlussteil dabei in den Kühlkanal hineinragen. Das Verschlussteil ist typischerweise angeschweißt oder angelötet. Durchbruch bzw. Öffnung (7') und Verschlussteil (6) sind bevorzugt im Bereich oder innerhalb einer Ringnut (10) angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Kühlkanal (4) durch ein eingegossenes Stahlrohr (3) ausgebildet. In der Regel ist das Stahlrohr auch im gegossenen Stahlkolben aufgrund der im Grenzbereich bzw. Angussbereich herrschenden Unregelmäßigkeiten des Gefüges noch identifizierbar. Ist das Stahlrohr vor dem Eingießen zum Besseren Verbinden beschichtet, beispielsweise mit Sn, so bildet sich ein Grenzbereich aus Mischlegierung um den Kühlkanal (4) herum aus.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Variante ist der, beziehungsweise sind die Kühlkanäle (4) vollständig durch eingegossene Stahlrohre (3) gebildet und die Kühlkanäle (4) weisen keine Öffnung (7') zur Ringwand hin auf. Sie sind nach außen geschlossen und erfordern kein Verschlussteil (6). Bevorzugt sind auch hier Öffnungen (7) nach innen vorhanden. Das Kühlrohrsystem ist somit einteilig aufgebaut.
Es ist möglich, dass der Stahl des Kolbens und der Stahl des eingegossenen Stahlrohrs (3) eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Ebenso kann zwischen Kolben und eingegossenem Stahlrohr eine Zwischenschicht gebildet sein, die eine vom Stahl des Kolbens unterschiedliche Zusammensetzung aufweist. Bevorzugt werden die Stahlrohre aus hochschmelzenden Stählen oder hochwarmfesten Stählen gebildet. Die Verwendung der gut gießfähigen Stähle ist nicht erforderlich. Bei dem Material des eingegossenen Stahlrohrs kann es sich auch um die bewährten Stähle aus der Gruppe MoCr4, 42CrMo4, CrMo4 oder 31CrMoV6 handeln.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Pleuellagerwand (9) eine Lagerschale auf, beziehungsweise ist die Pleuellagerwand (9) zumindest teilweise durch eine Lagerschale gebildet, die aus einem Eingussteil besteht. Das Eingussteil, beziehungsweise die hierdurch gebildete Lagerschale besteht bevorzugt aus einem hochverschleißfesten Stahl. Durch das erfindungsgemäß gewählte Gießen des Stahlkolbens kann in einfacher Weise durch Anguss ein besonders geeignetes Material für eine Lagerschale eingebracht werden. Als Material der Lagerschale wird insbesondere ein Stahl aus der Gruppe MoCr4, 42CrMo4, CrMo4 oder 31CrMoV6 gewählt. Die Lagerschale kann gegebenenfalls auch spezielle Gleitbeschichtungen tragen.
In einer weiteren Variante der Erfindung wird nicht der gesamte Kolben einstückig und Material einheitlich gegossen, sondern nur das Kolbenoberteil. Erfindungsgemäß ist ein Kolben für Verbrennungsmotoren vorgesehen, der zumindest ein Kolbenoberteil (12) mit Verbrennungsmulde (11) und Ringwand (5) sowie ein Kolbenunterteil (13) mit Pleuellager (8) umfasst, wobei das Kolbenunterteil (13) aus einer dichtereduzierten Stahllegierung der Zusammensetzung Mn: 18–35, Al: 8–12, Si: 0,3–3, C: 0,8–1,1, Ti: bis 0,03, Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente, oder aus einer Edelstahllegierung der Zusammensetzung Mn: 4–6, Si: 0,3–1, C: 0,01–0,03, Cr: 19–22, Ni: 1–3, Cu: 0,2–1, N: 0,05–0,17, Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente, oder aus bainitischem Gusseisen mit Kugelgraphit (austempered ductile iron), aus Gusseisen mit Vermikulargraphit (GJV) oder aus Austenitisches beziehungsweise legiertem Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) einstückig und materialeinheitlich gegossen ist und mit dem Kolbenoberteil (12) aus Stahl durch Schweißen verbunden ist.
Hierbei kann das Kolbenoberteil auf konventionelle Weise gefertigt sein. Bevorzugt ist das Kolbenoberteil (13) ein Schmiedeteil.
Das Material des Kolbenoberteils ist nicht auf die Stähle des Unterteils beschränkt. Vielmehr kann auf die bereits bewährte Stähle zurückgegriffen werden. Zu den geeigneten Stählen zählen unter anderem MoCr4, 42CrMo4, CrMo4 oder 31CrMoV6.
Das Fügen von Kolbenoberteil (12) und Kolbenunterteil (13) erfolgt erfindungsgemäß durch Schweißen. Besonders bevorzugt ist das Reibschweißen. Die Trennlinie zwischen Ober- und Unterteil kann je nach Ausgestaltung des Kolbens in unterschiedlicher Höhe des Kolbens verlaufen. Bevorzugt ist die Trennlinie in etwa am unteren Ende der Ringwand (5) (vergleiche 3) angeordnet.
Das bainitische Gusseisen mit Kugelgraphit des Kolbenunterteils wird auch als Austempered Ductile Iron (ADI) oder bainitisch-ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit bezeichnet. ADI ist ein verzugsarm isotherm vergütetes Gusseisen mit Kugelgraphit. Es zeichnet sich aus durch eine sehr günstige Kombination von Festigkeit und Dehnung sowie hohe Wechselfestigkeit und günstiges Verschleißverhalten. Die Grundmasse des ADI ist ein Bainit-ähnliches Gefüge, bestehend aus nadligem karbidfreiem Ferrit und kohlenstoffangereichertem stabilisierten Restaustenit ohne Carbide.
Beim Gusseisen mit Vermikulargraphit (auch GJV oder GGV genannt) liegt der Graphit weder in Lamellenform noch als Kugelform vor, sondern als Vermikeln. Die mechanischen Eigenschaften dieses Werkstoffes liegen zwischen dem Gusseisen mit Lamellengraphit und denen des Gusseisens mit Kugelgraphit. Seine Herstellung ist jedoch schwieriger und erfordert eine in engen Toleranzen geführte Schmelzbehandlung.
Sowohl das ADI-Material als auch das GJV-oder GJS-Material sind gießtechnisch einfacher zu beherrschen als die oben aufgeführten Stähle weisen aber nicht deren hohe mechanische Belastbarkeit auf. Daher werden diese Materialien erfindungsgemäß nur im Kolbenunterteil eingesetzt, wo die mechanischen und thermischen Belastungen nicht so hoch sind, wie beispielsweise in der Verbrennungsmulde (11) des Oberteils (12).
Diese zusammengesetzte Konstruktionsweise hat den Vorteil, dass die gegenüber den Stählen kostengünstigeren ADI- oder GJV- oder GJS-Werkstoffe eingesetzt werden können.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein besonders geeignetes Verfahren zur gießtechnischen Herstellung eines Stahlkolbens.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines einstückigen und materialeinheiltlichen Stahlkolbens der zumindest ein Kolbenoberteil (12) mit Verbrennungsmulde (11) und Ringwand (5) sowie ein Kolbenunterteil (13) mit Pleuellager (8) umfasst, sieht vor, dass ein Niederdruckgießverfahren angewendet wird. Dabei wird die Stahlschmelze mittels eines Steigrohrs kontrolliert von unten her in den Formhohlraum der aufgesetzten Gießform, mit einem Überdruck von 0,03 bis 0,5 MPa gedrückt, wobei der Anguss des Kolbens von unten über den Bereich der Kolbenmulde (11) erfolgt. 1 zeigt schematisch den Zufluss (2) der Schmelze von unten in den Bereich der Kolbenmulde (11).
Von wesentlicher Bedeutung ist dabei die erfindungsgemäße Anwendung des Nierdruckgussverfahrens auf Stahlschmelzen.
Bei dem Niederdruckgießverfahren wird eine Gießanordnung gewählt, bei der die Metallschmelze mittels eines Steigrohrs kontrolliert von unten her, also entgegen der Schwerkraft, in den Formhohlraum der aufgesetzten Gießform eingedrückt wird. Als Gießform kann eine Kokille oder auch Sandformen verwendet werden. Der komplexen Form des abzugießenden Kolbens gemäß ist es zweckmäßig, die Kokille mit Sandkernen zu kombinieren, beziehungsweise Sandkerne oder Kernpakete in die Gießform einzulegen.
Der beim Niederdruckgießen angewandte Druck ist üblicherweise relativ niedrig und bewegt sich je nach notwendiger Steighöhe und der Dichte des Gusswerkstoffes zwischen 0,02 und 0,1 MPa.
Der Gießdruck liegt erfindungsgemäß bei einem Überdruck von ca. 0,03 bis 0,5 MPa. Eine präzise Regelung des Gießdrucks, sowie des Druckverlaufs (Druckaufbau, Haltephase und Nachdruck) ist für eine gleichmäßige und lunkerfreie Formfüllung erforderlich. Bevorzugt werden 0,05 bis 0,15 MPa angewendet.
Der Gießofen und die Kokille bilden eine Kokillenguss-Einheit, welche durch das Steigrohr verbunden sind. Der Gießofen ist insgesamt druckdicht abgeschlossen. Der Ofen dient bevorzugt nur zum Warmhalten und nicht zum Erschmelzen des Metalls. Dabei wird die Metallschmelze über die Druckbeaufschlagung des Warmhalteofens mit geregeltem Gießdruck und gesteuerter Gießgeschwindigkeit turbulenzarm von unten in die Gießform eingegossen. Anstelle von Druckluft kann auch ein inertes Gas verwendet werden. Bevorzugt wird mit Stickstoff gearbeitet. Der entstehende Kolben wird über den anstehenden Gießdruck bis zum Ende seiner Erstarrung nachgespeist. Hierdurch wird ein dichteres Gefüge als beim Kokillenguss oder Schwerkraftguss erreicht wird.
Aufgrund der filigranen Form des Kolbens, insbesondere der dünnen Wände, ist ein möglichst lunkerfreier Guss von entscheidender Bedeutung.
In einer ersten Ausgestaltung wird auf einen Speiser fast vollständig verzichtet, da die Speisung durch das Steigrohr erfolgt. Um diesen Vorteil nutzen zu können, wird das Verfahren so ausgelegt, dass die Erstarrung von oben her bis zu einer definierten Stelle direkt über dem Steigrohr erfolgt und im Steigrohr flüssig bleibt. Das kann beispielsweise erreicht werden, indem das Steigrohr beheizt wird oder eine besondere Wärmeisolierung erhält. Des weiteren ist es möglich alleine oder zusätzlich zum beheizten Steigrohr die Form an speziellen Stellen zu kühlen. Dies ist besonders effektiv, wenn es sich um eine Kokille aus Metall oder Graphit handelt.
Eine weitere Variante sieht die Verwendung von Sandformen vor und die Vorteile der steigenden Formfüllung zu nutzen, aber auf die Speisung durch das Steigrohr zu verzichten. Bevor der gegossene Kolben vollständig erstarrt ist, wird der Anschnitt der Form verschlossen. Hierauf wird der Druck im Niederdruckgussofen gesenkt und die Schmelze läuft aus dem Steigrohr in den Ofen zurück. Hierdurch lässt sich die Prozesszeit verkürzen.
Gegenüber den konventionellen Gießverfahren hat das Niederdruckgussverfahren auch den Vorteil, dass die Temperatur der Schmelze kann genau eingestellt werden kann. Hierdurch ist der Gießverlauf, beziehungsweise die exakte Formfüllung gut berechenbar.
Ein weiterer Vorteil des Niederdruckgusses ist es, dass Gießfehler, wie Gaseinschlüsse durch turbulente Formfüllung oder Kaltlauf durch zu langsame Formfüllung, durch eine genau gesteuerte Formfüllung, insbesondere genau gesteuerte Füllgeschwindigkeit verhindert werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Gussteil gebildet, das einstückig und materialeinheitlich ist. Weist der Stahlkolben weitere spezielle Bauteile auf, wie beispielsweise Kühlkanäle, besteht die Möglichkeit, dass diese im fertigen Kolben einstückig und materialeinheitlich mit dem Gussstück sind.
Besonders bevorzugt werden die hinsichtlich Materialeigenschaften und Gießfähigkeit besonders geeigneten folgenden Legierungen als Gießmetall eingesetzt:

– dichtereduzierte Stahllegierung der folgenden Zusammensetzung Mn: 18–35 Al: 8–12 Si: 0,3–3 C: 0,8–1,1 Ti: bis 0,03 Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente.
– Edelstahllegierung mit der folgenden Zusammensetzung: Mn: 4–6 Si: 0,3–1 C: 0,01–0,03 Cr: 19–22 Ni: 1–3 Cu: 0,2–1 N: 0,05–0,17 Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden in die Gießform eines oder mehrere Einlegeteile zur Bildung spezieller Bauteile des Kolbens eingelegt. Unter Einlegeteilen sind dabei im Gegensatz zu den ebenso beim Guss verwendbaren Sandkernen Teile zu verstehen, die im gegossenen Kolben verbleiben.
Die Einlegeteile sind dabei zweckmäßigerweise aus Stahl, da hier gute Materialkompatibilität zum Stahl des Kolbens besteht. Mit den Einlegeteilen werden besonders bevorzugt mindestens ein Kühlkanal (4) und/oder eine Pleuellagerwand (9) gebildet. Hierzu werden entsprechend Stahlrohre (3) oder Stahlschalen in die Gießform eingelegt. Bevorzugt sind die Einlegeteile Bestandteil von Sand-Kernpaketen.
Beim Stahlrohr kann sich auch um ein sandgefülltes Rohr handeln. Durch die Sandfüllung des Rohrs ist ein gleichmäßiges Vorformen des Rohrs möglich. Beim Gießen verhindert die Sandfüllung ein unbeabsichtigtes Durchbrechen der Schmelze durch partielles Aufschmelzen des Rohrs.
Besonders bevorzugt ist das Stahlrohr dann mit Formsand gefüllt, wenn es eine Öffnung (7') zur Ringwand (5) oder große Öffnungen (7) zum Kolbeninneren aufweist.
Die Öffnungen (7) zum Kolbeninneren können gießtechnisch und/oder durch spätere Bearbeitung des Gussteils eingebracht werden. Dagegen wird die Öffnung (7') zur Ringwand (5) zweckmäßigerweise beim Guss gebildet, da die große Öffnung ein leichtes und vollständiges Entfernen von im Stahlrohr enthaltenen Kernsand ermöglicht.

Claims

Stahlkolben für Verbrennungsmotoren, der zumindest ein Kolbenoberteil (12) mit Verbrennungsmulde (11) und Ringwand (5) sowie ein Kolbenunterteil (13) mit Pleuellager (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlkoben aus einer dichtereduzierten Stahllegierung der Zusammensetzung in Gew.-% Mn: 12–35 Al: 6–16 Si: 0,3–3 C: 0,8–1,1 Ti: bis 0,03 Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente, oder aus einer Edelstahllegierung der Zusammensetzung in Gew.-% Mn: 3–9 Si: 0,3–1 C: 0,01–0,03 Cr: 15–27 Ni: 1–3 Cu: 0,2–1 N: 0,05–0,17 Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente einstückig und materialeinheitlich gegossen ist.
Stahlkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben im Kolbenoberteil (12) einen oder mehrere Kühlkanäle (4) aufweist, die zumindest teilweise Durchbrüche oder Öffnungen (7, 7') zum Kolbeninneren und/oder zur Ringwand (5) aufweisen.
Stahlkolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens ein Kühlkanal (4) durch ein eingegossenes Stahlrohr (3) gebildet ist.
Stahlkolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl des Kolbens und der Stahl des eingegossenen Stahlrohrs (3) eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen und/oder zwischen Kolben und eingegossenem Stahlrohr eine Zwischenschicht gebildet ist, die eine vom Stahl des Kolbens unterschiedliche Zusammensetzung aufweist.
Stahlkolben nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (4) mit Öffnungen zur Ringwand (5) durch mindestens ein Verschlussteil (6) nach außen abgeschlossen sind.
Stahlkolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussteil (6) durch ein Blech oder Stahlring gebildet ist.
Stahlkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlkanäle (4) keine Öffnung (7') zur Ringwand hin aufweisen und vollständig durch eingegossene Stahlrohre (3) gebildet sind.
Stahlkolben nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuellagerwand (9) eine Lagerschale aufweist, die durch ein Eingussteil gebildet ist.
Stahlkolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingussteil der Lagerschale durch einen hochverschleißfesten Stahl gebildet ist.
Stahlkolben nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingussteil der Lagerschale oder das eingegossene Stahlrohr (3) aus einem Stahl der Gruppe MoCr4, 42CrMo4, CrMo4 oder 31CrMoV6 gebildet ist.
Stahlkolben für Verbrennungsmotoren, der zumindest ein Kolbenoberteil (12) mit Verbrennungsmulde (11) und Ringwand (5) sowie ein Kolbenunterteil (13) mit Pleuellager (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (13) aus einer dichtereduzierten Stahllegierung der Zusammensetzung in Gew.-% Mn: 18–35 Al: 8–12 Si: 0,3–3 C: 0,8–1,1 Ti: bis 0,03 Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente, oder aus einer Edelstahllegierung der Zusammensetzung in Gew.-% Mn: 4–6 Si: 0,3–1 C: 0,01–0,03 Cr: 19–22 Ni: 1–3 Cu: 0,2–1 N: 0,05–0,17 Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente, oder aus bainitischem Gusseisen mit Kugelgraphit (austempered ductile iron) oder aus Gusseisen mit Vermikulargraphit (GJV) oder aus GJS einstückig und materialeinheitlich gegossen ist und mit dem Kolbenoberteil (12) aus Stahl durch Schweißen verbunden ist.
Stahlkolben nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (13) ein Schmiedeteil ist.
Stahlkolben nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (13) und das Kolbenunterteil (13) durch Reibschweißen miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines einstückigen und materialeinheiltlichen Stahlkolbens der zumindest ein Kolbenoberteil (12) mit Verbrennungsmulde (11) und Ringwand (5) sowie ein Kolbenunterteil (13) mit Pleuellager (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Niederdruckgießverfahren angewendet wird, bei dem eine Stahlschmelze mittels eines Steigrohrs kontrolliert von unten her in den Formhohlraum der aufgesetzten Gießform, mit einem Überdruck von 0,03 bis 0,5 MPa gedrückt wird, wobei der Anguss des Kolbens von unten über den Bereich der Kolbenmulde (11) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl ausgewählt wird aus einer dichtereduzierten Stahllegierung der Zusammensetzung in Gew.-% Mn: 18–35 Al: 8–12 Si: 0,3–3 C: 0,8–1,1 Ti: bis 0,03 Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente, oder aus einer Edelstahllegierung der Zusammensetzung in Gew.-% Mn: 4–6 Si: 0,3–1 C: 0,01–0,03 Cr: 19–22 Ni: 1–3 Cu: 0,2–1 N: 0,05–0,17 Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gießform eines oder mehrere Einlegeteile aus Stahl zur Bildung von mindestens einem Kühlkanal und/oder der Pleuellagerwand (9) eingelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines Kühlkanals (4) ein geschlossenes Stahlrohr (3) oder ein mit Kernsand gefülltes teilweise geöffnetes Stahlrohr (3) eingelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gießform mindestens ein Gießkern oder ein Kernpaket zur Bildung von Kühlkanälen (4) eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernpaket Einlegeteile aus Stahl aufweist.
Verwendung von dichtereduzierten Stahllegierung der Zusammensetzung in Gew.-% Mn: 18–35 Al: 8–12 Si: 0,3–3 C: 0,8–1,1 Ti: bis 0,03 Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente, als Bestandteil von Kolben für Hubkolben-Verbrennungsmaschinen.