DE102010051682B4

DE102010051682B4 - Leichtbau-Kurbeltrieb und Herstellungsverfahren desselben

Info

Publication number: DE102010051682B4
Application number: DE102010051682A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing.(FH) Fandel Marco; Dr. rer. nat. Haug Tilmann; Dipl.-Ing.(FH) Kurbjuhn Manfred; Dr.-Ing. Weißkopf Karl
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2030-11-18
Also published as: WO2012065674A1; DE102010051682A1

Abstract

Leichtbau-Kurbeltrieb mit Komponenten aus ultrahochkohlenstoffhaltigem Leichtbaustahl (UHC-Leichtbaustahl),
umfassend eine Kurbelwelle, ein Pleuel mit einem großen und einem kleinen Pleuelauge und einen Kolbenbolzen, wobei die Kurbelwelle in dem großen Pleuelauge und der Kolbenbolzen in dem kleinen Pleuelauge gelagert sind,
wobei alle der Komponenten Kurbelwelle, Pleuel und Kolbenbolzen aus dem UHC-Leichtbaustahl bestehen und wobei der Kolbenbolzen eine Hartstoff-Beschichtung aufweist.
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kurbelwellenlager in dem großen Pleuelauge aus zumindest zwei thermischen Spritzschichten gebildet wird, die aus unterschiedlichen Lager-Metalllegierungen bestehen und
dass eine die Oberfläche des großen Pleuelauges bildende Spritzschicht durch eine Aluminium-Wismut-Legierung
und die unter der Aluminium-Wismut-Legierungs-Spritzschicht liegende Schicht aus einer Lager-Metalllegierung aus Bronze, Messing, einer Aluminiumbronze oder einer Aluminium-Wismut-Legierung gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtbau-Kurbeltrieb mit Komponenten aus ultrahochkohlenstoffhaltigem Leichtbaustahl für einen Verbrennungsmotor, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Das Gewicht von Verbrennungsmotoren hängt generell auch vom Hubvolumen ab. Abhängig von Motorkonzept und Zylinderanordnung besteht bei gleichem Hubraum allerdings eine große Streubreite des Motorgewichts, abhängig von der konstruktiven und materiellen Beschaffenheit der Komponenten. Herkömmlicherweise werden zur Fertigung der Kurbeltriebkomponenten Kurbelwelle, Pleuel und Kolbenbolzen etwa klassische Stahlwerkstoffe verwendet, beispielsweise der Stahl C70 für die Kurbelwelle, und damit schwere Werkstoffe. Der Einsatz eines ultrahochkohlenstoffhaltigen (Ultra High Carbon) Leichtbaustahls, kurz UHC-Leichtbaustahls, ist für die Herstellung von Bauteilen allgemein für Verbrennungsmotoren und Getriebekomponenten von Kraftfahrzeugen bekannt.
So beschreibt DE 10 2006 041 902 A1 einen UHC-Leichtbaustahl mit verbesserter Zunderbeständigkeit, dessen Zusammensetzung durch 1 bis 1,6 Gew.-% C, 5 bis 10 Gew.-% Al, 0,5 bis 3 Gew.-% Cr und 0,1 bis 2,8 Gew.-% Si sowie dem Rest Eisen und üblichen stahlbegleitenden Verunreinigungen gekennzeichnet ist. Die dort offenbarte Stahlzusammensetzung bezieht sich nicht auf spezielle Bauteile.
Auch in DE 10 2008 032 024 A1 ist ein dichtereduzierter UHC-Leichtbaustahl offenbart, dessen Zusammensetzung 0,7 bis 1,6 Gew.-% C, 5 bis 12 Gew.-% Al, 0 bis 0,4 Gew.-% Cr und 0,01 bis 2,8 Gew.-% Si sowie stabilisierende Legierungselemente unterhalb 1 Gew.-% und dem Rest Eisen und übliche stahlbegleitende Verunreinigungen aufweist. Dort wird aus Gewichtsersparnisgründen vorgeschlagen, Fahrwerksbauteile, Getriebeteile, Zahnräder oder Motorkomponenten für Kraftfahrzeuge aus UHC-Leichtbaustahl zu fertigen..
Die DE 10 2006 041 902 A1 und die DE 10 2005 027 258 A1 offenbaren weitere dichtereduzierte UHC-Stähle, die sich für Bauteile für Kraftfahrzeuge eignen.
Aus der AT 001151 U1 ist eine Pleuelstange bekannt, welche an ihren beiden Enden mit Augen versehen ist, in welchen Lager für die Kurbelwelle bzw. zur Anlenkung des Kolbenbolzens wobei zumindest eines der beiden Lager ausschließlich durch eine eine Beschichtung der Innenfläche des Lagerauges gebildet ist und aus der DE 102008025681 A1 ein Kolbenbolzen für einen Verbrennungsmotor mit einer DLC-Schicht.
Aus dem genannten Stand der Technik ist bekannt, dass UHC-Stähle aufgrund ihres relativ hohen Kohlenstoffgehalts nach geeigneter thermischer und mechanischer Vorbehandlung superplastische Eigenschaften aufweisen können. Bei einer Umformung in dem superplastischen Bereich, der bei etwa 600°C beginnt und gerade unterhalb der A₁-Temperatur des perlitischen Eutektikums, also bei 723°C (bei unlegiertem Stahl) endet, können Dehnwerte von einigen 100 bis 1000% in Bezug auf Dehnwerte nicht superplastischer Materialien erreicht werden. Werden dabei jedoch die optimale Temperatur und/oder Umformgeschwindigkeit überschritten, so findet eine Zerstörung des Gefüges statt, es kann zu Verzunderungen und unerwünschter Graphitbildung kommen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, einen Leichtbau-Kurbeitrieb zu schaffen, der ein verbessertes Reibverhalten und dadurch auch eine gesteigerte Agilität des Motors bereitstellt.
Diese Aufgabe wird durch einen Leichtbau-Kurbeltrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Entsprechend ergibt sich die Aufgabe der Schaffung eines geeigneten Fertigungsverfahrens für einen derartigen Leichtbau-Kurbeltrieb.
Das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 löst diese Aufgabe.
Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den entsprechenden Unteransprüchen ausgeführt.
Die Komponenten des erfindungsgemäßen Leichtbau-Kurbeltriebs sind aus dichtereduziertem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl beschaffen, was vorteilhaft zur Reduzierung des Gewichtes des Kurbeltriebes ist. Der Leichtbau-Kurbeltrieb besteht aus Kurbelwelle, Pleuel mit großem und kleinem Pleuelauge und Kolbenbolzen, wobei die Kurbelwelle in dem großen Pleuelauge und der Kolbenbolzen in dem kleinen Pleuelauge gelagert ist. Zudem wird das Kurbelwellenlager im großen Pleuelauge durch eine oder mehrere thermische Spritzschichten gebildet, so dass der Verzicht auf eine Lagerschale zusätzlich zur Gewichtsersparnis beiträgt.
Ferner ist der Kolbenbolzen des erfindungsgemäßen Leichtbau-Kurbeltriebs mit einer Hartstoff-Beschichtung ausgestattet, so dass auch im kleinen Pleuelauge gewichtsmindernd auf eine Lagerschale verzichtet werden kann.
Das Gewicht des Kurbeltriebs kann dadurch bei einem V6-Ottomotor um ca. 11% verringert werden, so dass an diesem Motortyp beispielsweise bis zu 3,8 kg eingespart werden können. Neben Kraftstoff-Verbrauchsvorteilen führt die Reduktion der bewegten Massen des Kurbeltriebs zu weniger Reibung, was sich in einer Steigerung der Agilität des Motors bemerkbar macht.
Eine geeignete Zusammensetzung eines dichtereduzierten UHC-Leichtbaustahls, aus dem die Kurbeltriebkomponenten Kurbelwelle, Pleuel und Kolbenbolzen erfindungsgemäß bestehen, umfasst von 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; 1,0 bis 5,0 Gew.-% Mn sowie Fe bis zum Ausgleich der 100 Gew.-%. Ferner können stahltypische Verunreinigungsspuren enthalten sein.
Der hohe Anteil an Aluminium (Al) trägt zur Dichtereduktion bei, so dass der erfindungsgemäße Leichtbaustahl vorteilhaft gerade zur Herstellung von Leichtbaukomponenten im Kraftfahrzeugbau eingesetzt werden kann. Durch den hohen Al-Anteil werden die A₁-Umwandlungstemperatur und damit die maximale superplastische Verarbeitungstemperatur erhöht. Dies wird durch eine geringe Erhöhung des Silizium (Si-)-Anteils noch verstärkt, wobei Silizium zusätzlich zur Dichteverringerung beiträgt, hier jedoch die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften durch Zulegieren von Si berücksichtigt werden muss. So kann über die zulegierten Si- und Al-Anteile eine optimale A₁-Umformtemperatur, die hohe Umformgeschwindigkeiten ohne Änderungen bzw. Schädigungen des Gefüges erlaubt, eingestellt werden. Ferner wird durch den hohen Al-Anteil die Zunderbildung bei den erhöhten Temperaturen der Warmumformung verringert, was auch durch den Si-Anteil unterstützt wird.
Durch das Zulegieren von Mn von bis zu 5 Gew.-% wird die Sprödigkeit des dichtereduzierten UHC-Leichtbaustahls mit dem hohen Al-Anteil von bis zu 10 Gew.-% verringert beziehungsweise seine Duktilität erhöht, so dass während eines Warmumformens wie Schmieden oder Walzen kaum Oberflächenrisse entstehen und ein so hergestellter Stahlrohling bei Raumtemperatur zur Behebung von entstandenen Verzügen gerichtet werden kann. Diese dichtereduzierte UHC-Leichtbaustahl-Zusammensetzung weist ein stabiles superplastisches Gefüge auf, mit hinsichtlich der Duktilität für eine gute Warm- und Kaltumformbarkeit verbesserten mechanischen Eigenschaften, und weist dabei nur einen geringen oder gar keinen Anteil an teuren Legierungselementen wie Ni, Mo, V und/oder Sn auf. Auch der geringe Anteil an Cr – unter Umständen kann auf Chrom auch verzichtet werden – wirkt sich Kosten verringernd aus.
Der erhöhte Mangan (Mn)-Anteil verhindert die bzw. wirkt der durch Zulegieren von Si normalerweise bedingte Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur entgegen, die sich in einer stark versprödenden Wirkung zeigen. Der Mangan-Anteil trägt ferner dazu bei, die unerwünschte Graphitbildung zu hemmen, die aufgrund des hohen Anteils an Al und Si begünstigt ist. Zum Zweck der Unterdrückung der Graphitbildung kann das Zulegieren eines auf die Anteile an Al, Si und Mn abgestimmten Cr-Anteils sinnvoll sein.
Der Gefügezustand eines UHC-Stahls nach seiner metallurgischen Herstellung ermöglicht in der Regel keine hohe Umformgeschwindigkeit bei der Warmumformung. Dazu ist ein Gefüge mit superplastischen Eigenschaften erforderlich. Superplastische Umformungen sind im Vergleich mit Warmumformungsprozessen jedoch weniger wirtschaftlich, eine Abweichung von dem optimalen superplastischen Gefüge ist akzeptabel, wenn eine homogene, feinkörnige, sphäroide Karbidverteilung in einer ebenfalls feinkörnigen Ferritmatrix vorliegt, wobei sowohl Karbid- als auch Ferritphasen gegenüber Kornwachstum und Graphitbildung stabil sind. Beispielhafte Korngrößen der Gefüge liegen unter 10 μm, etwa mit einer mittleren Korngröße von weniger als 1,5 μm. Ein überwiegender Kornanteil ist sphäroid, ein geringer lamellarer Karbid-Anteil wirkt sich nicht nachteilig auf die Eigenschaften des UHC-Stahls aus.
Al und Si stabilisieren die gebildeten, gleichmäßig verteilten Phasen, die Hauptphase α-Ferrit und Nebenphasen aus κ-Carbiden, und verhindern Kornwachstum während des Warmumformens. Die gewünschte Phasenbildung des Gefüges mit feinen Kristalliten, bzw. Körnern kann mittels einer geeigneten thermo-mechanischen Behandlung erreicht werden. Der UHC-Leichtbaustahl weist auch bei Raumtemperatur gute Bruchdehnungs- und Festigkeitswerte auf, das Gefüge mit den überwiegend sphäroiden Phasen zeigt bei Kaltumformung kaum oder keine Rissbildung.
Zur Herstellung eines superplastischen Gefüges kann nach einer Austenitisierung bei einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur, die je nach C-, Si-, Al- und Cr-Anteil variiert und bei der eine homogene Verteilung des Kohlenstoffs und der Begleitelemente in der groben γ-Phase stattfindet, die Abkühlung während einer Heißumformung bis unter die A₁-Temperatur durchgeführt werden, an die sich ein Warmumformen oberhalb A₁-Temperatur mit nachfolgendem Abkühlen anschließt. Dadurch werden die sphäroiden κ-Karbide erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs aus UHC-Stahlkomponenten besteht eine weitere geeignete Zusammensetzung des UHC-Leichtbaustahls aus 1,0 bis 1,6 Gew.-% C; 7,0 bis 10,0 Gew.-% Al; 0,01 bis 0,6 Gew.-% Si; 0 bis 1,5 Gew.-% Cr; 2,0 bis 3,0 Gew.-% Mn und dem zu 100 Gew.-% ausgleichenden Anteil Fe sowie gegebenenfalls mit den stahltypischen Verunreinigungsspuren.
Bei diesen Verunreinigungsspuren kann es sich beispielsweise um Ni, Mo, Nb, V und/oder Cu handeln. In der Regel liegen deren Anteile unter 1 Gew.-%.
Der Kurbeltrieb mit den aus UHC-Stahl gefertigten Komponenten Kurbelwelle, Pleuel und Kolbenbolzen genügt hohen thermischen und mechanischen Ansprüchen und trägt zur Leichtbauweise zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bei.
Generell können zur Bildung des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs mit thermisch gespritztem Kurbelwellenlager und Hartstoff beschichtetem Kolbenbolzen auch UHC-Leichtbaustähle als Werkstoff für die Komponenten verwendet werden, wie sie im Stand der Technik beschrieben sind.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leichtbau-Kurbeltriebs bezieht sich auf die Hartstoff-Beschichtung des Kolbenbolzens. Der Kolbenbolzen, der den Kolben mit dem Pleuel verbindet, kann mit sehr geringem Spiel schwimmend im kleinen Pleuelauge gelagert sein. Um dort auf eine Lagerschale verzichten zu können, ist der Kolbenbolzen von der Hartstoff-Beschichtung umgeben. Bei der Hartstoff-Beschichtung kann es sich um gängige Hartschicht-Materialien wie Hartmetall, Metallcarbid, Keramik oder insbesondere amorphen, diamantähnlichen Kohlenstoff (Diamond Like Carbon, DLC) handeln.
Die als Ersatz für eine Lagerschale im großen Pleuelauge eingesetzte thermische Spritzschicht, die das Kurbelwellenlager bildet, kann eine mittels Lichtbogendrahtspritzen, Plasmaspritzen oder Flammspritzen aufgebrachte Spritzschicht sein.
Als Werkstoff zur Bildung der thermischen Spritzschicht kommen typische Lager-Metalllegierungen in Frage, darunter insbesondere Bronze, Messing, eine Aluminiumbronze oder eine Aluminium-Wismut-Legierung.
In einer Variante kann vorgesehen sein, dass das thermisch gespritzte Kurbelwellenlager aus mehreren thermisch gespritzten Schichten gebildet wird. Dabei können unterschiedliche Lager-Metalllegierungen zum Einsatz kommen. So kann etwa die letzte oder auch oberste Spritzschicht aus einer Aluminium-Wismut-Legierung bestehen, während die darunter liegende, zuvor gespritzte Schicht aus einer Lagerlegierung wie Bronze oder Messing gebildet wird.
Die Komponenten Kurbelwelle, Pleuel und Kolbenbolzen des Leichtbau-Kurbeltriebs aus dem UHC-Leichtbaustahl können durch eine Warmumformung im Temperaturbereich von 850 bis 1250°C unter Luft hergestellt werden.
Die Warmumformung kann unter Luft generell im Bereich von 800 bis 1250°C stattfinden, da durch die verringerte Verzunderungsneigung aufgrund des Al- und Si-Anteils des UHC-Stahls keine besondere Schutzgasatmosphäre erforderlich ist. Der Temperaturbereich von 920 bis 1250°C ist allerdings bevorzugt: Der Mn-Anteil erhöht die Duktilität, hebt dadurch die versprödende Wirkung des Si auf und wirkt somit der Rissbildung an der Oberfläche während der Warmumformung entgegen. Zudem wird im Anschluss an die Warmumformung ein Richten bei Raumtemperatur ermöglicht.
Mit dem UHC-Leichtbaustahl als Werkstoff zur Bildung der Kurbeltriebkomponenten lassen sich durch das superplastische Gefüge auch bei einer Warmumformung, die nicht unter superplastischen Bedingungen erfolgt, sehr hohe Umformgrade von 50 bis zu 300% erreichen.
Kurz gefasst, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Kurbeltriebs wie er vorstehend beschrieben ist, die Schritte des Warmumformens von UHC-Leichtbaustahl-Ausgangsmaterialien in einem Temperaturbereich von 850 bis 1250°C unter Luft, um die Kurbelwelle, den Pleuel und den Kolbenbolzen zu fertigen. Dann wird wenigstens das große Pleuelauge mit einer oder mehreren Lagerschichten versehen: Dies geschieht durch thermisches Spritzbeschichten. Parallel hierzu wird der Kolbenbolzen beschichtet.
Nun wird die Kurbelwelle in dem großen Pleuelauge des Pleuels und der Kolbenbolzen in dem kleinen Pleuelauge angeordnet. So wird dank der Beschichtungen trotz der erreichten materialwahlbasierten Reduktion der bewegten Massen ein verbessertes Reibverhalten und dadurch auch eine gesteigerte Agilität des Motors erreicht.
Das thermische Spritzbeschichten erfolgt mittels Lichtbogendrahtspritzen, Plasmaspritzen oder Flammspritzen, wobei zumindest eine Lager-Metalllegierung, insbesondere eine Bronze, Messing, eine Aluminiumbronze oder eine Aluminium-Wismut-Legierung aufgebracht wird.
Es ist zu beachten, dass bei der Spritzschichtung des großen Pleuelauges mit mehr als zwei Schichten zunächst die Lager-Metalllegierung, insbesondere die Bronze oder das Messing aufgebracht wird, und dann die Oberfläche des großen Pleuelauges bildende Spritzschicht aus einer Aluminium-Wismut-Legierung.

Claims

Leichtbau-Kurbeltrieb mit Komponenten aus ultrahochkohlenstoffhaltigem Leichtbaustahl (UHC-Leichtbaustahl), umfassend eine Kurbelwelle, ein Pleuel mit einem großen und einem kleinen Pleuelauge und einen Kolbenbolzen, wobei die Kurbelwelle in dem großen Pleuelauge und der Kolbenbolzen in dem kleinen Pleuelauge gelagert sind, wobei alle der Komponenten Kurbelwelle, Pleuel und Kolbenbolzen aus dem UHC-Leichtbaustahl bestehen und wobei der Kolbenbolzen eine Hartstoff-Beschichtung aufweist. dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelwellenlager in dem großen Pleuelauge aus zumindest zwei thermischen Spritzschichten gebildet wird, die aus unterschiedlichen Lager-Metalllegierungen bestehen und dass eine die Oberfläche des großen Pleuelauges bildende Spritzschicht durch eine Aluminium-Wismut-Legierung und die unter der Aluminium-Wismut-Legierungs-Spritzschicht liegende Schicht aus einer Lager-Metalllegierung aus Bronze, Messing, einer Aluminiumbronze oder einer Aluminium-Wismut-Legierung gebildet ist.
Leichtbau-Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der UHC-Leichtbaustahl eine Zusammensetzung aufweist, die – 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, – 1,0 bis 5,0 Gew.-% Mn – unvermeidliche Stahlbegleiter in Spuren und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Fe enthält.
Leichtbau-Kurbeltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des UHC-Leichtbaustahls – 1,0 bis 1,6 Gew.-% C, – 7,0 bis 10,0 Gew.-% Al, – 0,01 bis 0,6 Gew.-% Si, – 0 bis 1,5 Gew.-% Cr, – 2,0 bis 3,0 Gew.-% Mn – unvermeidliche Stahlbegleiter in Spuren und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Fe enthält.
Leichtbau-Kurbeltrieb nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoff-Beschichtung des Kolbenbolzens aus Diamant, Hartmetall, Metallcarbid, Keramik, amorphem, diamantähnlichem Kohlenstoff oder einer Kombination der vorgenannten beschaffen ist.
Leichtbau-Kurbeltrieb nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht, die das Kurbelwellenlager bildet, eine mittels Lichtbogendrahtspritzen, Plasmaspritzen oder Flammspritzen aufgebrachte Spritzschicht ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Kurbeltriebs nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die Schritte – Warmumformen von UHC-Leichtbaustahl-Ausgangsmaterialien in einem Temperaturbereich von 850 bis 1250°C unter Luft und Fertigen der Kurbelwelle, des Pleuels und des Kolbenbolzens, – thermisch Spritzbeschichten des großen Pleuelauges mit zumindest einer thermischen Spritzschicht aus einer Lager-Metalllegierung aus Bronze, Messing, einer Aluminiumbronze oder einer Aluminium-Wismut-Legierung, – thermisch Spritzbeschichten der Oberfläche des großen Pleuelauges mit einer Aluminium-Wismut-Legierung. – Beschichten des Kolbenbolzens mit der Hartstoff-Beschichtung, – dann Anordnen der Kurbelwelle in dem großen Pleuelauge des Pleuels und Anordnen des Kolbenbolzens in dem kleinen Pleuelauge.
Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Kurbeltriebs nach Anspruch 6, wobei das thermische Spritzbeschichten mittels Lichtbogendrahtspritzen, Plasmaspritzen oder Flammspritzen erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Kurbeltriebs nach zumindest einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei zwei Spritzschichten thermisch auf das große Pleuelauge aufgebracht werden, und wobei zuerst die Lager-Metalllegierung, und dann die Oberfläche des großen Pleuelauges bildende Spritzschicht aus einer Aluminium-Wismut-Legierung aufgebracht werden.