DE102017202247A1

DE102017202247A1 - Kolben für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017202247A1
Application number: DE102017202247.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Spangenberg
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2018-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine. Der Kolben (1) umfasst ein Kolbenoberteil (2a) und ein Kolbenunterteil (2b), die stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Zwischen dem Kolbenoberteil (2a) und dem Kolbenunterteil (2b) ist ein Kühlkanal (4) zur Aufnahme eines Kühlmittels ausgebildet. Das Kolbenmaterial des Kolbenoberteils (2a) ist ein Stahl. Das Kolbenmaterial des Kolbenunterteils (2b) ist ein bainitischer Stahl, der weniger als 0,25 Gew.-% Kohlenstoff enthält.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Kolben.
Moderne Kolben für Brennkraftmaschinen sind typischerweise zweitteilig ausgebildet und umfassen hierzu ein Kolbenoberteil und ein Kolbenunterteil, die im Zuge der Herstellung des Kolbens miteinander verschweißt oder verlötet werden.
Im Betrieb des Kolbens in einer Brennkraftmaschine treten im Kolbenoberteil, insbesondere im Bereich des Muldenrandes, des Feuerstegs oder des Kühlkanals, aufgrund der im Brennraum stattfindenden Verbrennung besonders hohe Temperaturen auf, weshalb Materialien mit hohen Wärme- und Dauerfestigkeiten verwendet werden müssen. In Betracht kommen hierfür ausscheidungshärtende ferritisch-perlitische Stähle - sogenannte AFP-Stähle - sowie Vergütungsstähle, wie z.B. 42CrMo4-Stahl.
Als nachteilig bei den genannten Materialien erweist sich allerdings, dass diese zur Fertigung des Kolbenoberteils oder Kolbenunterteils nur mit Hilfe eines relativ aufwändigen und somit kostenintensiven Schmiedeprozesses bei sehr hohen Temperaturen verformbar sind.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, eine verbesserte Ausführungsform für einen Kolben zu schaffen, welcher sich insbesondere durch eine vereinfachte und somit besonders kostengünstige Herstellung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, als Kolbenmaterial für das Kolbenoberteil des Kolbens einen herkömmlichen Stahl wie etwa einen bereits eingangs genannten AFP-Stahl oder 42CrMo4 zu verwenden, für das Kolbenunterteil hingegen einen bainitischen Stahl, der weniger als 0,25 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
Eine derartige, Materialwahl basiert auf der Idee, dass das Kolbenunterteil im Betrieb in einer Brennkraftmaschine erheblich geringeren thermischen Belastungen ausgesetzt wird als das Kolbenoberteil. So werden im Material des Kolbenunterteils - im Gegensatz zum Kolbenoberteil - selten Temperaturen über 300°C erreicht. Dementsprechend geringer sind die im Kolbenunterteil auftretenden Belastungen. Daher wird vorgeschlagen, als Material für das Kolbenunterteil einen bainitischen Stahl zu verwenden, der zwar eine geringere thermische Belastbarkeit als der für das Kolbenoberteil verwendete herkömmliche Stahl aufweist, jedoch deutlich einfacher zu verformen ist als ein im Kolbenoberteil verwendeter, nicht-bainitischer herkömmlicher Stahl. Insbesondere eignen sich bainitische Stähle besonders gut zum Umformen mittels Kaltfließpressens. Dies bedeutet, dass das Kolbenunterteil aus einem bainitischen Stahl bei Raumtemperatur auf Endform gepresst werden kann. Ein anschließendes Schmieden bei hohen Temperaturen ist hingegen nicht erforderlich. Hierdurch lassen sich enorme Kostenvorteile gegenüber einem geschmiedeten Kolbenunterteil erzielen, da der Energieaufwand beim Kaltfließpressen einem Bruchteil des Energieaufwands beim Schmieden entspricht.
Des Weiteren sind bainitische Stähle sehr gut zerspanbar, wodurch sich weitere ökonomische Vorteile sowie reduzierte Bearbeitungszeiten ergeben. Darüber hinaus ist es nicht nötig, das Kolbenunterteil vor dem Kaltfließpressen einer Wärmebehandlung vor dem Kaltfließpressen zu unterziehen. Schließlich zeichnen sich bainitische Stähle durch eine sehr gute Schweißbarkeit aus, was die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Kolbenoberteil unter Ausbildung eines Kühlkanals erleichtert.
Die Verwendung eines Kolbenoberteils aus einem herkömmlichen Stahl und einem Kolbenunterteil aus einem bainitischen Stahl ermöglicht also im Ergebnis eine gegenüber herkömmlichen Kolben vereinfachte und somit besonders kostengünstige Fertigung eines Kolbens, der im Betrieb dennoch sehr hohen thermischen Belastungen ausgesetzt werden kann.
Ein erfindungsgemäßer Kolben für eine Brennkraftmaschine umfasst ein Kolbenoberteil und ein Kolbenunterteil, die beide stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil ein Kühlkanal ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist das Kolbenmaterial des Kolbenoberteils ein Stahl. Das Kolbenmaterial des Kolbenunterteils ist ein bainitischer Stahl, der weniger als 0,25 Gew.-% Kohlenstoff enthält. Bevorzugt enthält der bainitischer Stahl zwischen 0,06 Gew.-% und 0,09 Gew.-% Kohlenstoff.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist auch der Stahl des Kolbenoberteils ein bainitischer Stahl. Bei dieser Ausführungsform übertragen sich die oben Erläuterten Vorteile für das Kolbenunterteils auf das Kolbenoberteil.
Besonders geeignet als Material für das Kolbenoberteil ist ein dem einschlägigen Fachmann unter der Bezeichnung „42CrMo4“ bekannter Stahl. Bei diesem Stahl handelt es sich um einen legierten Vergütungsstahl nach DIN-Norm EN 10083-3. In gleicher Weise ist ein ausscheidungshärtender ferritisch-perlitischer Stahl, ein sog. „AFP-Stahl“, insbesondere gemäß DIN-Norm EN 10267, geeignet.
Zweckmäßig kann der bainitische Stahl des Kolbenunterteils Bor und/oder Aluminium, jeweils mit einem Anteil von bis zu 0,2 Gew.-%, enthalten.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist der bainitische Stahl des Kolbenunterteils eine oder mehrere der folgenden Komponenten auf:

- zwischen 0,15 Gew.-% und 0,25 Gew.-% Silizium (Si),
- zwischen 1,85 Gew.-% und 1,95 Gew.-% Mangan (Mn),
- zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,015 Gew.-% Phosphor (P).
- zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,015 Gew.-% Schwefel (S),
- zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,2 Gew.-% Chrom (Cr),
- zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,05 Gew.-% Molybdän (Mo),
- zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,025 Gew.-% Nickel (Ni).
- zwischen 0,03 Gew.-% und 0,05 Gew.-% Vanadium (V),
- zwischen 0,06 Gew.-% und 0,10 Gew.-% Titan (Ti),
- zwischen 0,02 Gew.-% und 0,04 Gew.-% Aluminium (Al),
- zwischen 0,0015 Gew.-% und 0,0030 Gew.-% Bor (B).

Bevorzugt ist das Kolbenunterteil mittels Kaltfließpressens hergestellt. Somit kann das Kolbenunterteil bei Raumtemperatur auf die gewünschte Endform gepresst werden, ohne dass ein anschließendes Schmieden bei hohen Temperaturen nötig wäre. Insbesondere kann auf diese Weise besonders einfach die Ausbildung des Kühlkanals zwischen den beiden Kolbenteilen erfolgen oder zumindest vorbereitet werden. Dadurch lassen sich enorme Kostenvorteile gegenüber geschmiedeten Kolbenteilen erzielen.
Besonders bevorzugt wird als bainitischer Stahl für das Kolbenunterteil ein Werkstoff mit der Bezeichnung „7MnB8“ verwendet. Der Werkstoff „7MnB8“ besitzt eine Dehngrenze Rp_0,2 von 500-650MPa, wodurch er sich ideal für Kolbenanwendungen eignet. Gegenüber anderen Kaltfließpressstählen wie beispielsweise 25CrMo4 besitzt der Werkstoff 7MnB8 darüber hinaus - trotz besserer Umformbarkeit - auch eine höhere Härte.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens, insbesondere des vorangehend vorgestellten Kolbens. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen ersten Schritt a), gemäß welchem ein Kolbenoberteil aus einem Stahl und ein Kolbenunterteil aus einem bainitischen Stahl bereitgestellt werden. Bevorzugt ist der Stahl des Kolbenoberteils ein nicht-bainitischer Stahl. In einem zweiten Verfahrensschritt b) wird das Kolbenoberteil zur Ausbildung des Kolbens mit dem Kolbenunterteil stoffschlüssig verbunden. Dies kann mittels Schweißens, vorzugsweise mittels Reibschweißens oder Laserschweißens, oder mittels Lötens, geschehen. Dabei wird das Kolbenoberteil derart relativ zum Kolbenunterteil angeordnet, dass nach dem stoffschlüssigen Verbinden zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil ein Kühlkanal zur Aufnahme eines Kühlmittels ausgebildet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Kolbenunterteil in einem dem Verfahrensschritt a) vorausgehenden Verfahrensschritt a0) mittels Kaltfließpressens hergestellt. Dabei ist es nicht erforderlich, das Kolbenunterteil vor dem Kaltfließpressen einer Wärmebehandlung zu unterziehen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann im Zuge des Kaltfließpressens gemäß Verfahrensschritt a0) im Kolbenunterteil wenigstens eine Kühlmittelpfad für ein Kühlmittel, insbesondere ein Kühlmitteleinlass und/oder ein Kühlmittelauslass, erzeugt werden.
Die Erfindung betrifft ferner einen Kolben für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Kolben.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 illustriert den Aufbau eines erfindungsgemäßen Kolbens 1 für eine Brennkraftmaschine. Der Kolben 1 umfasst ein Kolbenoberteil 2a und ein Kolbenunterteil 2b, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die stoffschlüssige Verbindung 4 zwischen Kolbenoberteil 2a und Kolbenunterteil 2b kann eine Schweißverbindung oder Lötverbindung sein. Im Falle einer Schweißverbindung kann diese mittels Reibschweißens oder Laserschweißens erzeugt sein. Wie 1 erkennen lässt, ist zwischen dem Kolbenoberteil 2a und dem Kolbenunterteil 2b ein Kühlkanal 3 ausgebildet, in welchem ein Kühlmittel aufgenommen sein kann.
Das für das Kolbenunterteil 2b verwendete Kolbenmaterial ist ein bainitischer Stahl, der weniger als 0,25 Gew.-% Kohlenstoff enthält. Bevorzugt enthält der bainitische Stahl zwischen 0,06 Gew.-% und 0,09 Gew.-% Kohlenstoff. Der bainitische Stahl des Kolbenunterteils 2b kann Bor und/oder Aluminium, jeweils mit einem Anteil von bis zu 0,2 Gew.-%, enthalten. Bevorzugt weist der bainitische Stahl des Kolbenunterteils 2b dabei eine oder mehrere der folgenden Komponenten bzw. Elemente auf:

- zwischen 0,15 Gew.-% und 0,25 Gew.-% Silizium (Si),
- zwischen 1,85 Gew.-% und 1,95 Gew.-% Mangan (Mn),
- zwischen 1,85 Gew.-% und 1,295 Gew.-% Mangan (Mn),
- zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,015 Gew.-% Phosphor (P).
- zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,015 Gew.-% Schwefel (S),
- zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,2 Gew.-% Chrom (Cr),
- zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,05 Gew.-% Molybdän (Mo),
- zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,025 Gew.-% Nickel (Ni).
- zwischen 0,03 Gew.-% und 0,05 Gew.-% Vanadium (V),
- zwischen 0,06 Gew.-% und 0,10 Gew.-% Titan (Ti),
- zwischen 0,02 Gew.-% und 0,04 Gew.-% Aluminium (Al),
- zwischen 0,0015 Gew.-% und 0,0030 Gew.-% Bor (B).

Das Kolbenunterteil 2b kann vor dem stoffschlüssigen Verbinden mit dem Kolbenoberteil 2a mittels Kaltfließpressens hergestellt und hierzu umgeformt werden. Eine Wärmebehandlung des Kolbenunterteils 2b vor dem Kaltfließpressen ist dabei nicht zwingend erforderlich. Im Zuge des Kaltfließpressens können mehrere Kühlmittelpfade für ein Kühlmittel erzeugt werden. Außerdem kann ein Kühlmitteleinlass sowie ein Kühlmittelauslass hergestellt werden (in der 1 nicht gezeigt).
Das für das Kolbenoberteil 2a verwendete Kolbenmaterial kann in einer Variante des Beispiels ebenfalls ein bainitischer Stahl, insbesondere mit den vorangehend für das Kolbenunterteil 2b erläuterten Eigenschaften, sein. Für das Kolbenoberteil 2a kann aber auch ein anderer Stahl verwendet werden. Auch die Verwendung eines nicht-bainitischen Stahls ist beim Kolbenoberteil 2a grundsätzlich möglich. Beispielsweise kann dies ein ferritisch-perlitische Stahl, ein sog. AFP-Stahl, oder ein dem Fachmann unter der Bezeichnung „42CrMo4“ bekannter Stahl sein. Bei letzterem handelt es sich um einen legierten Vergütungsstahl nach DIN-Norm EN 10083-3.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN-Norm EN 10083-3 [0013]
DIN-Norm EN 10267 [0013]

Claims

Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, - mit einem Kolbenoberteil (2a) und mit einem Kolbenunterteil (2b), die stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei zwischen dem Kolbenoberteil (2a) und dem Kolbenunterteil (2b) ein Kühlkanal (3) zur Aufnahme eines Kühlmittels ausgebildet ist, - wobei das Kolbenmaterial des Kolbenoberteils (2a) ein Stahl ist, - wobei das Kolbenmaterial des Kolbenunterteils (2b) ein bainitischer Stahl ist, der weniger als 0,25 Gew.-% Kohlenstoff, vorzugsweise zwischen 0,06 Gew.-% und 0,09 Gew.-% Kohlenstoff, enthält.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Stahl des Kolbenoberteils (2a) ein bainitischer Stahl ist.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl des Kolbenoberteils (2a) 42CrMo4 oder ein AFP-Stahl ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der bainitische Stahl des Kolbenunterteils (2b) Bor und/oder Aluminium jeweils mit einem Anteil von bis zu 0,2 Gew.-%, enthält.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bainitische Stahl des Kolbenunterteils (2b) eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfasst: zwischen 0,15 Gew.-% und 0,25 Gew.-% Silizium (Si), zwischen 1,85 Gew.-% und 1,95 Gew.-% Mangan (Mn), zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,015 Gew.-% Phosphor (P).
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bainitische Stahl des Kolbenunterteils (2b) eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfasst: zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,015 Gew.-% Schwefel (S), zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,2 Gew.-% Chrom (Cr), zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,05 Gew.-% Molybdän (Mo), zwischen 0,0001 Gew.-% und 0,025 Gew.-% Nickel (Ni).
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bainitische Stahl des Kolbenunterteils(2b) eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfasst: zwischen 0,03 Gew.-% und 0,05 Gew.-% Vanadium (V), zwischen 0,06 Gew.-% und 0,10 Gew.-% Titan (Ti), zwischen 0,02 Gew.-% und 0,04 Gew.-% Aluminium (Al), zwischen 0,0015 Gew.-% und 0,0030 Gew.-% Bor (B).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als bainitischer Werkstoff für das Kolbenunterteil (2b) 7MnB8 verwendet wird.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (2b) mittels Kaltfließpressens hergestellt ist.
Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, in welchem ein Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Kolbenoberteils (2a) aus einem Stahl und eines Kolbenunterteils (2b) aus einem bainitischen Stahl, b) Stoffschlüssiges Verbinden des Kolbenoberteils (2a) mit dem Kolbenunterteil (2b) zur Ausbildung des Kolbens (1), vorzugsweise mittels Schweißens, höchst vorzugsweise mittels Reibschweißens oder Laserschweißens, oder mittels Lötens, wobei das Kolbenoberteil (2a) derart relativ zum Kolbenunterteil (2b) angeordnet wird, dass nach dem stoffschlüssigen Verbinden zwischen dem Kolbenoberteil (2a) und dem Kolbenunterteil (2b) ein Kühlkanal (3) zur Aufnahme eines Kühlmittels gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (2b) in einem dem Verfahrensschritt a) vorhergehenden Verfahrensschritt a0) mittels Kaltfließpressens hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge des Kaltfließpressens gemäß Verfahrensschritt a0) im Kolbenunterteil (2b) wenigstens ein Kühlmittelpfad für ein Kühlmittel, insbesondere ein Kühlmitteleinlass und/oder ein Kühlmittelauslass, ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (2b) vor dem Kaltfließpressen keiner Wärmebehandlung unterzogen wird.