DE102009048124A1

DE102009048124A1 - Stahlkolben für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102009048124A1
Application number: DE200910048124
Authority: DE
Inventors: Tilmann Dr.Rer.Nat. Haug
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2011-04-07
Also published as: EP2483547A1; JP2013506085A; WO2011038823A1; US9051896B2; US20120174899A1; JP5859440B2

Abstract

Stahlkolben mit einem Kolbenoberteil (12) mit Verbrennungsmulde (11) und Ringwand (5) sowie mit einem Kolbenunterteil (13) mit Pleuellager (8) für Verbrennungsmotoren mit Zylinderkurbelgehäusen aus Leichtmetalllegierungen, wobei zumindest das Kolbenunterteil aus einer Stahllegierung besteht, welche einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 13 bis 20101/K aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft Stahlkolben für Verbrennungsmotoren und Verbrennungsmotoren mit Stahlkolben und Verbrennungsmotoren mit Stahlkolben und einem Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall.
Aufgrund der zunehmenden Anforderungen möglichst hoher Spitzendrücke in Hubkolben-Verbrennungsmotoren die bei bis zu 250 bar liegen, sind die häufig verwendeten Leichtbau-Aluminiumkolben zunehmend an ihre Leistungsgrenze gestoßen. Dies trifft insbesondere für Dieselmotoren zu. Daher werden für den LKW- aber auch den PKW-Bereich zunehmend wieder Stahlkolben gefordert. Dabei wird die grundsätzlich höhere Festigkeit von Stählen genutzt.
Die Verwendung von Stahlkolben ist im Prinzip bekannt, wobei unterschiedliche Stahlzusammensetzungen und Fertigungsverfahren beschrieben werden. Aus der DE 102 44 513 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen gekühlten Kolbens bekannt. Das Kolbenoberteil ist aus warmfestem Stahl und das Kolbenunterteil aus geschmiedetem AFP-Stahl (ausscheidungshärtender ferritischperlitischer Stahl) gefertigt. Das nachfolgende Fügen bzw. Verbinden der Ringrippe des Kolbenoberteils mit der Tragrippe des Kolbenunterteils erfolgt mittels eines Schweiß- oder Lötverfahrens.
In der EP 1612 395 A1 wird vorgeschlagen, den gesamten Kolben aus Stahl zu gießen. Es sind insbesondere die folgenden Stahlzusammensetzungen (in Massenprozent) als Gusslegierung geeignet: 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.
Aus der DE 10 2006 030 699 A1 ist ebenfalls ein Stahlkolben für Verbrennungsmotoren bekannt, welcher 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 besteht. ist.
Beim Einsatz der bekannten Stahlkolben in Zylinderkurbelgehäusen aus Leichtmetallen führt der Unterschied der thermischen Ausdehnungen von Stahl und Leichtmetallen aber zu besonderen Problemen. Da die für Zylinderkurbelgehäuse geeigneten Leichtmetalllegierungen, insbesondere Al-Legierungen, einen bedeutend höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK oder α) als Stähle aufweisen, gibt es beim Betrieb der Verbrennungsmotoren deutliche Unterschiede in der thermischen Ausdehnung. Dabei treten Probleme der Abdichtung und der Kolbenführung auf, was sich unter anderem durch Druckverlust und Geräuschbildung, wie Klappern bemerkbar machen kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung geeignete Stahlkolben für Verbrennungsmotoren mit Leichtmetallzylinderkurbelgehäuse bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Stahlkolben mit einem Kolbenoberteil sowie mit einem Kolbenunterteil für Verbrennungsmotoren mit Zylinderkurbelgehäusen aus Leichtmetalllegierungen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und mit einem Verbrennungsmotor mit einem Stahlkolben mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Für die Erfindung ist es somit von besonderer Bedeutung, dass für den Kolben Edelstähle zum Einsatz kommen, welche einen besonders hohen Wärmeausdehnungskoeffezienten (WAK) besitzen, beziehungsweise einen WAK, der möglichst nahe an denjenigen von Aluminiumlegierungen oder Leichtmetalllegierungen für Zylinderkurbelgehäuse heranreicht. Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass zumindest das Kolbenunterteil aus einer Stahllegierung besteht, welche einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (WAK) im Bereich von 13 bis 20·10^–6/K aufweist. Soweit nicht anders angegeben, ist dabei immer der WAK bei 20°C beziehungsweise der WAK bei Raumtemperatur zu verstehen.
Zu den besonders geeigneten Edelstählen zählen insbesondere Stahllegierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 16 bis 19·10^–6/K.
Unter Berücksichtigung des WAK bei Raumtemperatur von in Zylinderkurbelgehäusen üblichen Al-Legierungen von ca. 19 bis 25·10^–6/K lässt sich mit den gewählten Edelstählen eine sehr gute Angleichung der thermischen Ausdehnung in Leichtmetallzylinderkurbelgehäusen erreichen. Der Spalt zwischen Zylinderlaufbahn und Kolben bei Betriebstemperatur kann hierdurch maßgeblich reduziert werden. Dies gilt insbesondere auch für Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse mit eingegossenen Zylinderlinern oder Laufflächen aus Spritzschichten, da der WAK des Zylinderkurbelgehäuses durch letztere nur unwesentlich ungünstig beeinflusst wird.
Mit den gewählten Edelstählen mit hohem WAK lässt sich auch eine sehr gute Angleichung an Zylinderkurbelgehäuse durchführen, welche aus Grauguss aufgebaut sind, oder welche Graugussbuchsen bzw. Graugusszylinderliner aufweisen. Eine Ausgestaltung der Erfindung umfasst somit die Kombination eines Stahlkolbens mit einem WAK im Bereich von 13 bis 16·10^–6/K und einem Zylinderkurbelgehäuse aus Grauguss oder einem ZKG mit Graugussbuchsen.
Die Edelstähle mit erfindungsgemäß hohem WAK (Wärmeausdehnungskoeffizienten) werden besonders bevorzugt aus Edelstählen mit einem Cr-Gehalt von 15–26% und einem Ni-Gehalt von 8–15% ausgewählt. Soweit nicht anders bezeichnet ist dabei immer der Gehalt in Gewichts-% oder Masse-% zu verstehen.
Besonders bevorzugt liegen der Cr-Gehalt bei 17 bis 20% und der Ni-Gehalt bei 9 bis 13%.
Besonders geeignet sind Ni-Gehalte nahe der angegebenen Obergrenze, insbesondere bei 11 bis 13%.
Neben den hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten wird von den geeigneten Edelstahllegierungen auch eine hohe Zugfestigkeit und Bruchdehnung gefordert. Bevorzugt werden daher Edelstähle gewählt, welche Zugfestigkeiten oberhalb 500 N/mm² und Bruchdehnungen oberhalb 35% aufweisen.
Zu den besonders geeigneten Edelstählen mit hohem WAK zählen Stähle mit den folgenden wesentlichen Legierungskomponenten (in Massen %):
C: 0,05 bis 0,15; Si: max 1,0; Mn: 1 bis 3; Cr: 15 bis 20; Mo: max. 4; Ni: 8 bis 13, N: max. 0,15 und Rest Fe. Insbesondere geeignet sind die Edelstähle der folgenden Bezeichnungen bzw. DIN-Namen: X5CrNi 18-10, DIN 1.14301, X2CrNi 19-11, DIN 1.4306, X2CrNi 18-9, DIN 1.4307, X2CrNiMo 17-12-2 oder DIN1.4404.
Ebenso sind auch die Edelstähle mit den folgenden wesentlichen Legierungskomponenten (in Massen %) besonders geeignet:
C: 0,2 bis 0,45; Si: 1,5 bis 1,75; Mn: 0,5 bis 1,0; Cr: 18 bis 22; Ni: 10,5 bis 14; Rest Fe. Insbesondere geeignet sind die Edelstähle der folgenden Bezeichnungen bzw. DIN-Namen: GX40CrNiSi 27-4, DIN 1.4832, GX40CrNiSi 22-10 oder DIN 1.4826.
In einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist der Stahlkolben einteilig aus einer einzigen Stahllegierung mit hohem WAK aufgebaut. Als Herstellungsverfahren wird insbesondere ein Gießverfahren, wie beispielsweise ein Niederdruckgussverfahren angewendet. Bevorzugt wird dabei durch geeignete Kernverfahren auch der Kühlkanal gegossen.
Ebenso ist es möglich den Kolben mehrteilig aus derselben oder auch aus unterschiedlichen Stahllegierungen mit hohem WAK aufzubauen. Dabei sind insbesondere diejenigen Herstellungsvarianten von Vorteil, bei denen das Kolbenoberteil geschmiedet ist. In der Regel Isst sich das Kolbenoberteil mit Kühlkanal durch Schmiedetechnik kostengünstiger herstellen als durch Gießtechnik. Daher sind zusammengefügte Kolben mit geschmiedetem Oberteil aus einer Stahllegierung mit hohem WAK und einem gegossenen Unterteil aus einer Stahllegierung mit hohem WAK besonders bevorzugt.
Je nach konstruktiver Ausgestaltung des Kolbens und Gieß- bzw. Schmiedefähigkeit der gewählten Stahllegierung mit hohem WAK können aber auch beide Teile geschmiedet oder beide Teile gegossen sein.
Zur Verbindung der beiden Teile können die üblichen Verfahren, insbesondere das Schweißen, Induktionsschweißen, Reibschweißen, oder Laserschweißen angewendet werden.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass der Auswahl eines Stahls mit angepasstem WAK beim Kolbenunterteil gegenüber dem Kolbenoberteil eine maßgebliche Rolle zukommt. Bei optimaler Ausgestaltung des Kolbenunterteils müssen an das Kolbenoberteil weniger hohe Ansprüche gestellt werden. Hierbei kann es eine Rolle spielen, dass das Kolbenunterteil typischerweise größer, bzw. länger ausgebildet ist als das Oberteil und in der Regel auch keine Dichtringe bzw. Kolbenringe oder dergleichen trägt. Bei den bekannten Kolbenkonstruktionen wird der Kolben im Allgemeinen im Bereich des Kolbenhemdes geführt. Es sind aber auch Kolben bekannt, die sowohl im Bereich des Kolbenhemdes als auch im Bereich des Kolbenoberteils geführt werden. Um das das Ziel zu erreichen, den Druckverlust zu verringern und eine Geräuschbildung zu unterbinden, ist es daher von besonderer Bedeutung, dass die Stahllegierung mit hohem WAK im Bereich der Kolbenführung eingesetzt wird.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist nur das Kolbenunterteil aus einer Stahllegierung mit hohem WAK ausgebildet. Da die vergleichsweise geringere Wärmeleitfähigkeit der Edelstähle einen Nachteil darstellen kann, da es zu Überhitzung der Verbrennungsmulde bzw. des ganzen Kolbens kommen kann, können auch mehrteilige Kolben mit an Ober- und Unterteil angepassten unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften hergestellt werden. Dabei besteht nur einer der beiden Teile aus einer Stahllegierung mit hohem WAK. Somit wird der Stahlkoben zwei oder mehrteilig aufgebaut. Hierbei sind Kolbenoberteil mit Verbrennungsmulde und Ringwand sowie Kolbenunterteil mit Kolbenhemd und Pleuellager zu unterscheiden.
In bevorzugter zwei- oder mehrteiliger Ausführung weist das Kolbenoberteil einen verschleißfesten legierten Vergütungsstahl auf. Da die gewählten Stahllegierungen für das Unterteil nur vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, sind für das Kolbenoberteil bevorzugt auch Stähle mit höherer Wärmeleitfähigkeit von Bedeutung. Zu den besonders geeigneten Stählen des Kolbenoberteils gehören insbesondere Stähle aus der Gruppe MoCr4, 42CrMo4, CrMo4, 31CrMoV6 oder 25MoCr4. Die Werkstoffwahl bei der zwei- oder mehrteiligen Ausführung ist für das Kolbenoberteil gleichwohl nicht auf Stähle beschränkt.
Kolbenoberteil und Kolbenunterteil können durch Schweiß- oder Lötverfahren aneinander gefügt werden. Besonders bevorzugt sind Reibschweißen, Induktionsschweißen oder Laserschweißen.
Die Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung des prinzipiellen Aufbaus eines Kolbens näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 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).
Eine mögliche Herstellungsvariante für mehrteilige Kolben ist dabei:

1) Herstellung des Kolbenoberteils (12) aus einem Schmiedestahl, wie bspw. 25MoCr4, durch Schmiedetechnik, wobei die erforderlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften im Bereich der Verbrennungsmulde (11) sichergestellt werden.
2) Herstellung des Kolbenunterteils (13) mit Pleuellager (8) und Kolbenhemd aus Edelstahl mit einem WAK von 13 bis 20·10^–6/K durch Gießtechnik, um im Warmbetrieb den Spalt zwischen Kolbenhemd und Zylinderlaufbahn möglichst klein zu halten.
3). Verbindung der beiden Kolbenteile über Schweißen, insbesondere Induktionsschweißen oder Reibschweißen.

Als Herstellungsverfahren für das Kolbenunterteil ist der Niederdruckguss besonders bevorzugt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor vorgesehen, welcher Stahlkolben aufweist und bei welchem das Zylinderkurbelgehäuse (ZKG) aus Leichtmetall gebildet ist. Dabei sind auch Zylinderkurbelgehäuse umfasst, deren Laufbahnen durch andere Werkstoffe, wie beispielsweise eingegossene Zylinderbuchsen oder Verschleißschutzschichten gebildet werden. Der Stahlkolben ist zumindest im Unterteil aus einem Edelstahl mit hohem WAK im Bereich von 14 bis 20·10^–6/K gebildet. Als Leichtmetalllegierung werden insbesondere Al-Legierungen verwendet.
Der Buchsenkörper besteht bevorzugt aus einer hochfesten Aluminiumlegierung oder aus einer durch Verstärkungsmittel verstärkten Aluminiumlegierung. Zu den besonders geeigneten Al-Legierungen zählen eutektische bis untereutektische Al-Si-Legierungen insbesondere aus der Reihe AlSi5 bis AlSi11. Besonders bevorzugt sind dabei Al-Legierungen mit höherem Si-Gehalt, wie bspw. AlSi11, AlSi10 oder AlSi9, da der WAK in der Regel mit steigendem Si-Gehalt leicht abnimmt.
Die Laufbahn des Zylinderkurbelgehäuses kann dabei in bekannter Weise durch eine lauffähige Al-Si-Legierung, Metall-Verbundmaterial, Verschleißschutzbeschichtung oder durch Grauguss gebildet werden. Diese können teils als gesonderter Zylinderliner oder Liner-Paket vorgefertigt und in den Buchsenkörper aus Leichtmetalllegierung eingegossen werden. Beispielsweise kann das Zylinderkurbelgehäuse aus einer Al-Legierung oder gegebenenfalls auch Mg-Legierung aufgebaut sein, während die Zylinderlauffläche durch einen eingegossenen Zylinderliner aus Al-Legierung, insbesondere Al-Si-Legierung oder Graugusslegierung gebildet ist. Unter den Metall-Verbundmaterialien sind Materialien aus Metallmatrix, insbesondere aus Al-Legierung, und aus disperser Phase aus harten oder verschleißfesten Stoffen, insbesondere aus Siliziumpartikeln, Keramikpartikeln oder Keramikfasern zu verstehen. Geeignete Metall-Verbundmaterialien sind beispielsweise unter den Namen Silitec^®, oder Lokasil^® bekannt.
Besonders bevorzugt wird die Laufbahn des ZKG durch eine Verschleißschutzbeschichtung aus thermischer Spritzschicht oder Sprühkompaktierschicht auf die Zylinderlaufbuchse oder direkt auf das Grundmaterial des Buchsenkörpers gebildet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn hierdurch konstruktiv die Herstellung eines gesonderten Zylinderliners entfällt. Bei dieser Vorgehensweise ist die Anpassung des WAK des Stahlkolbens an die Leichtmetalllegierung des Buchsenkörpers, bzw. des Zylinderkurbelgehäuses besonders wichtig, da dem Kolben als Gleitpartner nur eine dünne Verschleißschutzbeschichtung, bzw. Spritzschicht und nicht ein quasi massiver Zylinderliner gegenübersteht.
Als besonders geeignet sind hier thermische Spritzschichten nach dem LDS-Verfahren (Lichtbogendrahtspritzen) auf der Basis von Eisenlegierungen zu nennen. Diese sind bevorzugt unmittelbar auf die Innenwand der Zylinderbohrung aus einer Al-Si-Legierung aufgetragen.
Die ZKG in monolithischer Bauweise werden dabei beispielsweise aus einer übereutektischen AlSi-Legierung, wie bspw. AlSi17Cu4Mg hergstellt. Das gesamte Kurbelgehäuse wird bevorzugt im Niederdruck-Kokillengießprozess hergestellt. Aus wirtschaftlicher Sicht ist die Anwendung mit einem Kurbelgehäuse aus einer untereutektischen Legierung, insbesondere eine Al-Si-Legierung mit Si < 11%, hergestellt. Druckguss ist besonders vorteilhaft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10244513 A1 [0003]
EP 1612395 A1 [0004]
DE 102006030699 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

X5CrNi 18-10 [0017]
DIN 1.14301 [0017]
X2CrNi 19-11 [0017]
DIN 1.4306 [0017]
X2CrNi 18-9 [0017]
DIN 1.4307 [0017]
X2CrNiMo 17-12-2 [0017]
DIN1.4404 [0017]
GX40CrNiSi 27-4 [0018]
DIN 1.4832 [0018]
GX40CrNiSi 22-10 [0018]
DIN 1.4826 [0018]

Claims

Stahlkolben mit einem Kolbenoberteil (12) mit Verbrennungsmulde (11) und Ringwand (5) sowie mit einem Kolbenunterteil (13) mit Pleuellager (8) für Verbrennungsmotoren mit Zylinderkurbelgehäusen aus Leichtmetalllegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Kolbenunterteil aus einer Stahllegierung besteht, welche einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 13 bis 20·10^–6 1/K aufweist.
Stahlkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Stahllegierung des Kolbenunterteils einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 15 bis 19·10^–6 1/K aufweist.
Stahlkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Stahllegierung des Kolbenunterteils aus einem Edelstahl mit einem Cr-Gehalt von 15–26% und einem Ni-Gehalt von 8–15% besteht.
Stahlkolben nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlkolben aus einer einzigen Stahllegierung aufgebaut ist, insbesondere einteilig gegossen ist.
Stahlkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlkolben mehrteilig aufgebaut ist, wobei das Kolbenoberteil aus einem verschleißfesten legierten Vergütungsstahl besteht, insbesondere aus einem Stahl aus der Gruppe MoCr4, 42CrMo4, CrMo4, 31CrMoV6 oder 25MoCr4.
Stahlkolben nach einem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kolbenoberteil und Kolbenunterteil durch Reibschweißen, Laserschweißen oder Induktionsschweißen miteinander gefügt sind.
Verbrennungsmotor mit einem Stahlkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und einem Zylinderkurbelgehäuse, das im Wesentlichen aus Leichtmetall gebildet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderkurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung besteht und die Zylinderlauffläche durch eine thermisch gespritzte Schicht, einen Zylinderliner aus Grauguss oder aus einem Metall-Verbundmaterial gebildet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderkurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung besteht und die Zylinderlauffläche durch einen eingegossenen Zylinderliner aus Al-Legierung oder Graugusslegierung gebildet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen hohen Si-Gehalt im Bereich von 7 bis 12 Gew.-% aufweist.
Verwendung eines Stahlkobens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Verbrennungsmotor mit Kurbelgehäuse aus einer Al-Si-Legierung und Graugussbuchsen oder mit Kurbelgehäuse aus Grauguss.