DE102011112244A1

DE102011112244A1 - Leichtbau-Kolben für Verbrennungsmotoren und Halbzeug sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102011112244A1
Application number: DE201110112244
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Marco (FH) Fandel; Dr.rer.nat. Haug Tilmann; Manfred Kurbjuhn; Dr.-Ing. Weißkopf Karl
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2031-09-02
Also published as: DE102011112244B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Leichtbau-Kolben für Verbrennungsmotoren bereit, der ein Kolbenoberteil mit einem Kolbenboden und ein Kolbenunterteil mit einem Kolbenhemd aufweist. Der Leichtbau-Kolben ist zumindest zweiteilig ausgeführt. Das Kolbenoberteil besteht aus einem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl und das Kolbenunterteil aus einem Stahl mit hoher Wärmeausdehnung. Das Kolbenoberteil ist mit dem Kolbenunterteil gefügt. Die vorliegende Erfindung beschreibt ferner Halbzeuge zur Fertigung des Leichtbau-Kolbens und ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtbau-Kolben für Verbrennungsmotoren, der zumindest ein Kolbenoberteil mit einem Kolbenboden und ein Kolbenunterteil mit einem Kolbenhemd aufweist.
Herkömmlicherweise werden zur Herstellung von Bauteilen für Verbrennungsmotoren wie Kolben klassische Stahlwerkstoffe, also schwere Werkstoffe verwendet. Die Verwendung solcher Stahlwerkstoffe wirkt sich nicht nur gewichtserhöhend auf die Verbrennungsmotoren allgemein aus, sondern beeinflusst auch die in den Motoren zu bewegenden Massen. Der Einsatz von ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustählen (Ultra High Carbon Steel), kurz UHC-Stählen, ist daher für die Herstellung von Verbrennungsmotor-Bauteilen und Kraftfahrzeug-Getriebekomponenten etabliert worden.
So beschreibt die DE 10 2006 041 902 A1 einen UHC-Stahl mit verbesserter Zunderbeständigkeit, ohne sich jedoch auf spezielle Bauteile zu beziehen. Ferner ist in der DE 10 2008 032 024 A1 ein dichtereduzierter UHC-Leichtbaustahl offenbart, der aus Gewichtsersparnisgründen zur Fertigung von Fahrwerksbauteilen, Getriebeteilen, Zahnrädern oder Kraftfahrzeug-Motorkomponenten vorgeschlagen ist. Die Fertigung von Kolben aus Leichtbaustahl ist hingegen nicht bekannt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich daher die Aufgabe, einen Leichtbau-Kolben zu schaffen, der durch die Verringerung seiner Masse verbesserte Eigenschaften hat sowie zu einer gesteigerten Agilität des Motors führt.
Diese Aufgabe wird durch einen Leichtbau-Kolben für Verbrennungsmotoren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Halbzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelost.
Die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für einen Leichtbau-Kolben bereitzustellen, wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Weiterbildungen der Vorrichtungen und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Ein Leichtbau-Kolben für Verbrennungsmotoren weist ein Kolbenoberteil mit einem Kolbenboden und ein Kolbenunterteil mit einem Kolbenhemd auf und ist erfindungsgemäß zumindest zweiteilig aufgebaut. Dabei besteht das Kolbenoberteil aus einem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl (UHC-Stahl) und das Kolbenunterteil besteht aus einem Stahl mit hoher Wärmeausdehnung, wobei das Kolbenoberteil mit dem Kolbenunterteil mittels einer Fügeverbindung verbunden ist. Der Stahl mit hoher Wärmeausdehnung ist vorzugsweise ein austenitischer Stahl.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von UHC-Stahl als Material für das Kolbenoberteil kann das Gesamtgewicht eines Kolbens um ca. 11% verringert werden. Neben Vorteilen im Kraftstoffverbrauch durch das geringere Gewicht erzeugt der erfindungsgemäße Leichtbau-Kolben zudem weniger Reibung. Dies hat neben einem geringeren Verschleiß den weiteren Vorteil, dass der Motor schneller hochdreht, was für den Fahrer in einer verbesserten Agilität des Kraftfahrzeugs spürbar wird.
Es hat sich für die mechanischen Eigenschaften des Leichtbau-Kolbens als vorteilhaft herausgestellt, wenn sowohl das Kolbenoberteil als auch das Kolbenunterteil geschmiedete Teile sind, da in geschmiedeten Teilen geringere mechanische Spannungen auftreten. Geschmiedete Kolben oder Kolbenteile sind dadurch belastbarer und weisen zudem eine bessere thermische Leitfähigkeit auf. Alternativ kann auch nur eines der Teile geschmiedet sein.
Die Fügeverbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil kann durch Schweißen, insbesondere Reibschweißen, Laserschweißen oder Induktionsschweißen, hergestellt sein.
In einer bevorzugten Zusammensetzung weist der UHC-Leichtbaustahl 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, 0,0 bis 5,0 Gew.-% Mn, unvermeidliche Stahlbegleiter in Spuren und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Fe auf.
Zum Zweck der Unterdrückung der Graphitbildung kann das Zulegieren eines auf die Anteile an Al, Si und Mn abgestimmten Cr-Anteils sinnvoll sein. In bevorzugter Zusammensetzung des UHC-Leichtbaustahls liegt der Chrom-Gehalt bei 0,5 bis 2,0 Gew.-% Cr.
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 12 Gew.-% verringert beziehungsweise seine Duktilität erhöht. Hierdurch entstehen während eines Warmumformens wie Schmieden oder Walzen kaum noch Oberflächenrisse. Der Mangan-Gehalt wird bevorzugt auf 0,5 bis 5,0 Gew.-%, insbesondere auf 2 bis 3 Gew.-% Mn eingestellt.
Ein erstes Halbzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Herstellung eines Oberteils für den vorstehend beschriebenen Leichtbau-Kolben geeignet. Dabei besteht das erste Halbzeug erfindungsgemäß aus einem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl.
Ferner ist ein zweites Halbzeug gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines Unterteils für den vorstehend beschriebenen Leichtbau-Kolben geeignet und besteht aus einem Stahl mit hoher Wärmeausdehnung.
Die beiden Halbzeuge sind vorteilhaft mittels einer Fügeverbindung verbindbar, so dass der klassische Stahl, wie er ansonsten für derartige Kolben verwendet wird, substituiert werden kann.
Des erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines wie vorstehend beschriebenen Leichtbau-Kolbens weist die Schritte auf:

– Bereitstellen eines Halbzeugs für das Kolbenoberteil, das aus einem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl besteht,
– Bereitstellen eines Halbzeugs für das Kolbenunterteil, das aus einem Stahl mit hoher Wärmeausdehnung besteht, und
– Fügen des Halbzeugs für das Kolbenoberteil mit dem Halbzeug für das Kolbenunterteil.

Vorteilhafter Weise werden die Halbzeuge zur Herstellung des Kolbenoberteils und des Kolbenunterteils vor dem Fügen geschmiedet, um mechanische Spannungen in den Werkstücken abzubauen. Das Fügen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil kann durch Schweißen, insbesondere Reibschweißen, Laserschweißen oder Induktionsschweißen erfolgen.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung dargelegt.
Obwohl die erfindungsgemäßen Leichtbau-Kolben im Folgenden in Bezug auf einen Kraftfahrzeug-Motor beschrieben werden, sind sie auch in Brennkraftmaschinen allgemein sowie in Nutzfahrzeugen einsetzbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Leichtbau-Kolben zweiteilig aufgebaut und besteht zumindest aus einem Kolbenoberteil mit Kolbenboden und eifern Kolbenunterteil mit Kolbenhemd. Sowohl das Kolbenoberteil als auch das Kolbenunterteil haben einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass sich der Leichtbau-Kolben im Betriebszustand entsprechend dem Zylindergehäuse ausdehnt, wodurch er sich spaltfrei im Zylinder bewegt und geringeren mechanischen Belastungen unterliegt.
Dabei besteht das Kolbenoberteil aus einem UHC-Leichtbaustahl mit einer Zusammensetzung aus 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, 0,0 bis 5,0 Gew.-% Mn und unvermeidlichen Stahlbegleitern in Spuren, wobei Fe den Rest auf 100 Gew.-% ausmacht. Starker bevorzugt wird ein UHC-Stahl mit 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, 0,0 bis 3,0 Gew.-% Mn und Fe als Rest auf 100 Gew.-% verwendet.
Das Kolbenunterteil besteht aus einem austenitischen Stahl, beispielsweise einem Fe-Cr-Ni-Austenit, insbesondere einer Zusammensetzung aus 0,2 bis 0,4 Gew.-% C, 8 bis 18 Gew.-% Ni, 15 bis 26 Gew.-% Cr, 0,5 bis 2 Gew.-% Si, bis zu 12 Gew.-% Mn, bis zu 2 Gew.-% W, bis zu 2 Gew.-% Nb, bis zu 2 Gew.-% Al, 0,05 bis 0,3 Gew.-% N und Fe als Rest auf 100 Gew.-%. Austenitische Stähle haben die Vorteile, dass sie eine hohe Warmfestigkeit sowie gute Korrosions- und Zunderbeständigkeit aufweisen, was für den Einsatz als Kolbenmaterial wichtig ist.
Geeignete Halbzeuge in Form von Rohlingen für das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil werden für die Herstellung des Leichtbau-Kolbens bereitgestellt. Zweckmäßig sind die jeweiligen Halbzeuge entsprechend dem Ober- oder Unterteil vorgeformt. Für das Kolbenoberteil hat sich das Schmieden als vorteilhaft erwiesen, da dies gegenüber dem Gießen einfacher und kostengünstiger durchzuführen ist, insbesondere wenn das Kolbenoberteil über weitere Strukturen wie Kühlkanäle verfügt. Zudem können durch das Schmieden die erforderlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften im Bereich des Kolbenbodens sichergestellt werden.
Zusätzlich kann auch das Kolbenunterteil aus dem austenitischen Stahl vorteilhafterweise geschmiedet sein. Das Kolbenunterteil hat bevorzugt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 16 bis 21 × 10^–6 pro Kelvin (Bezugstemperatur 20°C), um im Betrieb bei hohen Temperaturen den Spalt zwischen dem Kolbenhemd und der Zylinderinnenseite (Zylinderlaufbahn) möglichst klein zu halten. Dies trägt dazu bei, ein Kippen und/oder Schlagen des Kolbens im Zylinder zu vermeiden und damit die mechanische Belastung sowie das Motorgeräusch klein zu halten. Insbesondere kann durch den austenitischen Stahl der Wärmeausdehnungskoeffizient auf das Material des Zylinders bzw. der Zylinderlaufbahn angepasst werden.
Die Angabe des Wärmeausdehnungskoeffizienten bezieht sich auf eine Temperatur von 20°C.
Vorteilhaft ist der austenitische Stahl ein Fe-Cr-Ni-Austenit, insbesondere mit einer Zusammensetzung die 0,2 bis 0,4 Gew.-% C, 8 bis 18 Gew.-% Ni, 15 bis 26 Gew.-% Cr, 0,5 bis 2 Gew.-% Si, bis zu 12 Gew.-% Mn, bis zu 2 Gew.-% W, bis zu 2 Gew.-% Nb, bis zu 2 Gew.-% Al, 0,05 bis 0,3 Gew.-% N, Spuren und Fe mit einem Anteil, der einem Differenzanteil zum Erhalt von 100 Gew.-% der Stahllegierung entspricht, enthält.
Die Halbzeuge für das Kolbenober- und unterteil werden zu einem erfindungsgemäßen Leichtbau-Kolben gefügt, wobei es bevorzugt ist, beide Teile miteinander zu verschweißen, beispielsweise durch Reibschweißen, Laserschweißen oder Induktionsschweißen. Alternativ dazu können die beiden Teile auch miteinander verlötet werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Halbzeuge für das Kolbenober- und unterteil zunächst miteinander zu einem Kolben-Rohling gefügt werden, um diesen anschließend durch Schmiedes in die Endform des Leichtbau-Kolbens zu bringen.
Mit dem erfindungsgemäßen Leichtbau-Kolben werden die klassischen Stähle für Kolben durch UHC-Stähle substituiert. In Bezug auf einen V6-Diesel, der seitens des Herstellers auch als OM642 bezeichnet wird, können beispielsweise durch die Substitution klassischer Stahlkolben mit den erfindungsgemäßen UHC-Leichtbau-Kolben ca. 350 g an Gewicht eingespart werden. Das heißt zum einen, dass beim Motor alleine durch die Substitution des Kolbenwerkstoffs ein Gewicht von 350 g eingespart wird, zum anderen, dass 350 g Masse weniger bewegt werden müssen, die wiederum weniger Reibung erzeugen. Eine vorteilhaft größere Agilität des Motors ist die Folge.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006041902 A1 [0003]
DE 102008032024 A1 [0003]

Claims

Leichtbau-Kolben für Verbrennungsmotoren, der ein Kolbenoberteil mit einem Kolbenboden und ein Kolbenunterteil mit einem Kolbenhemd aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtbau-Kolben zumindest zweiteilig ist, wobei das Kolbenoberteil aus einem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl und das Kolbenunterteil aus einem Stahl mit hoher Wärmeausdehnung besteht, und wobei das Kolbenoberteil mit dem Kolbenunterteil gefügt ist.
Leichtbau-Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl mit hoher Wärmeausdehnung ein austenitischer Stahl ist.
Leichtbau-Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil und/oder das Kolbenunterteil geschmiedete Teile sind.
Leichtbau-Kolben nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung durch Schweißen, insbesondere Reibschweißen, Laserschweißen oder Induktionsschweißen, hergestellt ist.
Leichtbau-Kolben nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ultrahochkohlenstoffhaltige 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, – 0,0 bis 5,0 Gew.-% Mn – Spurenelemente und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Fe enthält.
Halbzeug zur Herstellung eines Oberteils für eilen Leichtbau-Kolben nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug für das Kolbenoberteil aus einem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl besteht.
Halbzeug zur Herstellung eines Unterteils für einen Leichtbau-Kolben nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug für das Kolbenunterteil aus einem Stahl mit hoher Wärmeausdehnung besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Kolbens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, aus einem Kolbenoberteil mit einem Kolbenboden und einem Kolbenunterteil mit einem Kolbenhemd umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Halbzeugs für das Kolbenoberteil, das aus einem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl besteht, – Bereitstellen eines Halbzeugs für das Kolbenunterteil, das aus einem Stahl mit hoher Wärmeausdehnung besteht, und – Fügen des Halbzeugs für das Kolbenoberteil mit dem Halbzeug für das Kolbenunterteil.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Halbzeuge zur Herstellung des Kolbenoberteils und des Kolbenunterteils geschmiedete Halbzeuge sind.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Fügen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil durch Schweißen, insbesondere Reibschweißen, Laserschweißen oder Induktionsschweißen erfolgt.