DE102020211247A1

DE102020211247A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor, Verbrennungsmotor mit einem Kolben und Verwendung einer eisenbasierten Legierung

Info

Publication number: DE102020211247A1
Application number: DE102020211247.9A
Authority: DE
Inventors: Roman Morgenstern; Thomas Kirste; Andreas Hörauf; Martin Popp; Philipp Koch; Robert Willard; Thomas Hutzler; Thomas Egerer; Eduardo Matsuo
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2022-03-10
Also published as: WO2022053483A1; EP4211285A1

Abstract

Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Dieselmotor, besteht aus einer eisenbasierten Legierung, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent (Gew.-%):und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Kolben und die Verwendung einer eisenbasierten Legierung für Kolben eines Verbrennungsmotors.
Stand der Technik und Hintergrund der Erfindung
Getrieben von der ökonomischen und ökologischen Forderung nach verbrauchs- und emissionsoptimierten Transportmitteln ist in den letzten 20 Jahren eine rasante Entwicklung immer leistungsfähigerer und emissionsärmerer Verbrennungsmotoren gelungen. Ein entscheidender Schlüssel für diesen kontinuierlichen Fortschritt sind Motorkolben, die bei immer höheren Verbrennungstemperaturen und -drücken eingesetzt werden können, aber trotzdem ein geringes Gewicht bzw. Gesamtgewicht der Kolbengruppe (Kolben, Ringe, Bolzen und ggf. Pleuel) aufweisen. Dies wird im Wesentlichen durch die Entwicklung leistungsfähigerer Kolbenwerkstoffe ermöglicht.
Ein weiterer sehr wichtiger Veränderungsschritt ist dabei der Wechsel vom Aluminium- zum Stahlmotorkolben, insbesondere bei Dieselmotorkolben. Trotz der höheren Dichte und der schlechteren Wärmeleitfähigkeit des Stahlwerkstoffes können dessen Vorteile wie höhere Festigkeit und höhere maximale Einsatztemperatur vorteilhaft eingesetzt werden. Bisher werden überwiegend niedriglegierte und sehr preiswerte Stähle des Typs 42CrMo4 und 38MnVS6 für Stahlkolben verwendet. Deren Einsatzbereich ist jedoch limitiert und stößt bereits bei aktuellen Entwicklungen an Grenzen. Hierbei spielt vor allem die vergleichsweise niedrige Oxidationsbeständigkeit (Oxidation = Verzunderung bzw. Hochtemperaturkorrosion) eine entscheidende Rolle.
Es ist bekannt, dass Legierungselemente im Stahl entscheidend für die Ausbildung der Eigenschaften sind und dies wird bei den oben benannten konventionellen Stählen genutzt. Die Zugabe von Chrom bewirkt eine Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit, eine Festigkeitssteigerung, eine Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit aber auch eine Steigerung der Materialkosten. Die Zugabe von Molybdän bewirkt eine Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit, eine (Warm-)Festigkeitssteigerung aber auch eine Steigerung der Materialkosten. Die Zugabe von Vanadium bewirkt eine (Warm-)Festigkeitssteigerung jedoch aber ebenfalls eine Steigerung der Materialkosten.
Der hier beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor vorzusehen, der aus einer eisenbasierten bzw. einer Stahllegierung besteht, die idealerweise das Folgende in sich vereint und in positiver Weise auf den Kolben überträgt:

■ eine höhere Oxidationsbeständigkeit verglichen mit dem bisher eingesetzten Stahlwerkstoffen;
■ eine für den Verwendungszweck ausreichende Festigkeit bei hohen Temperaturen unter TMF-Beanspruchung („Thermo Mechanical Fatigue“ = „TMF“) d.h. eine ausreichende thermomechanische Ermüdungsfestigkeit;
■ eine für den Verwendungszweck ausreichende isotherme Schwingfestigkeit („High Cycle Fatigue“ = „HCF“);
■ eine gute Schweißbarkeit insbesondere für induktives Schweißen und Reibschweißen und generell eine gute zerspanende Bearbeitbarkeit;
■ eine für den Verwendungszweck ausreichende Wärmeleitfähigkeit; und
■ einen begrenzten Anstieg in den Werkstoff- und Bearbeitungskosten.

Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird durch die beigefügten unabhängigen und nebengeordneten Patentansprüche definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren optionale Merkmale und spezielle Ausführungsformen.
Die obige Aufgabe wird insbesondere durch den Kolben nach Anspruch 1 gelöst, der ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, bevorzugt einen Dieselmotor, ist, der eine eisenbasierte Legierung aufweist bzw. aus dieser besteht, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent (Gew.-% bzw. wt.-%):

Kohlenstoff (C):
- einschließlich 0,04 bis einschließlich 0,43; Chrom (Cr):
- einschließlich 2,0 bis einschließlich 7,0; Molybdän (Mo):
- einschließlich 0,4 bis einschließlich 3,2; Mangan (Mn):
- einschließlich 0,2 bis einschließlich 1,2; Silizium (Si):
- einschließlich 0,1 bis einschließlich 1,2; Kupfer (Cu):
  - < 0,4;
- Nickel (Ni):
  - < 0,5;
- Vanadium (V):
  - einschließlich 0,2 bis einschließlich 0,6;
- Schwefel (S):
  - < 0,04;
- Phosphor (P):
  - < 0,03

Die eisenbasierte Legierung des erfindungsgemäßen Kolbens kann bevorzugt als hochlegierter Stahl und weiter bevorzugt als Vergütungsstahl charakterisiert bzw. bezeichnet werden. Die wichtigsten Legierungselemente des Kolbenmaterials der vorliegenden Erfindung sind Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Vanadium (V). Im Vergleich zu den bisherigen Serienlegierungen 42CrMo4 und 38MnVS6, sind deren Gehalte deutlich höher angesetzt, um eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit und ausreichende Hochtemperatur(wechsel-)festigkeit zu erreichen. Obwohl in Stählen allgemein noch deutlich höhere Anteile und Gehalte an diesen Elementen möglich wären, wurden diese gezielt eingeschränkt, um die Schweißbarkeit, Bearbeitbarkeit, Kosten und Wärmeleitfähigkeit für die Herstellung und Anwendung als Kolbenmaterial zu optimieren. Mithin erfüllt der erfindungsgemäße Kolben, insbesondere dessen Kolbenwerkstoff in Summe die oben aufgelisteten Erfordernisse.
Mit Vorteil kann die eisenbasierte Legierung des erfindungsgemäßen Kolbens in Gewichtsprozent (Gew.-%):

Kohlenstoff (C):
- einschließlich 0,33 bis einschließlich 0,41;
Chrom (Cr):
- einschließlich 3,7 bis einschließlich 5,5 und bevorzugt einschließlich 4,0 bis einschließlich 5,0;
- Molybdän (Mo):
  - einschließlich 1,1 bis einschließlich 3,2;
- Mangan (Mn):
  - einschließlich 0,2 bis einschließlich 0,5 und/oder Silizium (Si):
    - einschließlich 0,1 bis einschließlich 0,5

Diese Bereiche sind als bevorzugte Unterbereiche der oben definierten breiten Gehaltsbereiche zu verstehen, in denen die technischen Effekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung besonders hervortreten. Die bevorzugten Unterbereiche sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung beliebig mit den breiten Gehaltsbereichen und untereinander kombinierbar, müssen nicht alle gleichzeitig realisiert sein und sämtliche in der vorliegenden Patentanmeldung genannten Ober- und Untergrenzen der Gehaltsbereiche sind frei kombinierbar und können zur Schaffung weiterer Unterbereiche verwendet werden.
Besonders bevorzugt ist es, dass die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs X38CrMoV5-3 oder DIN/EN-8CrMo16 ist, d.h. aus diesen besteht. Diese Stähle sind gut verfügbar und können unmittelbar zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens mit dessen positiven Eigenschaften eingesetzt werden.
Mit Vorteil ist die eisenbasierte Legierung eine wärmebehandelte Legierung, die zumindest ein Vergütungsgefüge und/oder ein Zwischenstufengefüge aufweist oder daraus besteht und optional einen Ferritgehalt von ≤ 10 % im Gefüge aufweist. Bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Legierung um einen Vergütungsstahl, welcher durch Vergüten d.h. einer Kombination aus Härten und nachfolgendem Anlassen bzw. optionalem Bainitisieren hergestellt wird. Die vorhandenen Carbidbildner Cr, Mo und V verändern den Bildungsmechanismus von beim Anlassen entstehenden Carbiden entscheidend. Bei Anlasstemperaturen bis etwa 400 °C entstehen auch bei legierten Vergütungsstählen überwiegend Fe₃C-Ausscheidungen. Über 400 bis 450 °C wird die Diffusionsfähigkeit der Carbidbildner dann so groß, dass sich thermodynamisch wesentlich stabilere legierte Carbide (Sondercarbide) bilden können. Bereits vorhandenes Fe₃C wird zugunsten der stabileren Sondercarbide gelöst. Vorgänge der Sondercarbidbildung beim Anlassen legierter Stähle werden häufig auch als 4. Anlassstufe bezeichnet. Die Vorteile anlassbeständiger legierter Vergütungsstähle sind demnach die deutlich geringere Diffusionsfähigkeit der Carbidbildner, welche die Sondercarbidbildung, d. h. den Festigkeitsabfall, zu höheren Temperaturen und längeren Zeiten verschiebt. Zudem sind die ausgeschiedenen Sondercarbide erheblich feiner als die Eisencarbide, wodurch sich eine zusätzliche Festigkeitssteigerung ergibt. Durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung (Vergüten) wird eine besonders wichtige Eigenschaftskombination erreicht, nämlich eine noch ausreichende Streckgrenze, verbunden mit einer für die Sprödbruchsicherheit wichtigen, hohen Duktilität, z.B. der Kerbschlagzähigkeit. Daher wird das Anlassen des Vergütungsgefüges bei mindestens 400°C durchgeführt.
Weitere Bestandteile der vorliegenden Erfindung ist ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein Dieselmotor, mit einem Kolben gemäß den bisher beschriebenen Ausgestaltungen. Der erfindungsgemäße Kolben überträgt alle seine technischen Vorteile auf den Motor, welcher den Kolben als Bestandteil enthält.
Ferner umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung der bisher definierten eisenbasierten Legierung in allen ihren Ausgestaltungen, bevorzugt in Form der obigen Stähle des Typs X38CrMoV5-3 oder DIN/EN-8CrMo16, für Kolben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors.

Claims

Kolben für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, der aus einer eisenbasierten Legierung besteht, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent (Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,04 bis 0,43; Chrom (Cr): 2,0 bis 7,0; Molybdän (Mo): 0,4 bis 3,2; Mangan (Mn): 0,2 bis 1,2; Silizium (Si): 0,1 bis 1,2; Kupfer (Cu): < 0,4; Nickel (Ni): < 0,5; Vanadium (V): 0,2 bis 0,6; Schwefel (S): < 0,04; Phosphor (P): < 0,03

und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist.
Kolben gemäß Anspruch 1, wobei die eisenbasierte Legierung in Gewichtsprozent (Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,33 bis 0,41; Chrom (Cr): 3,7 bis 5,5 bevorzugt 4,0 bis 5,0; Molybdän (Mo): 1,1 bis 3,2; Mangan (Mn): 0,2 bis 0,5 und/oder Silizium (Si): 0,1 bis 0,5

aufweist.
Kolben gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs X38CrMoV5-3 oder DIN/EN-8CrMo16 ist.
Kolben gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei die eisenbasierte Legierung eine wärmebehandelte Legierung ist, die zumindest ein Vergütungsgefüge und/oder ein Zwischenstufengefüge aufweist und optional einen Ferritgehalt von ≤ 10 % im Gefüge aufweist.
Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor, mit einem Kolben gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche.
Verwendung einer eisenbasierten Legierung, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent (Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,04 bis 0,43; Chrom (Cr): 2,0 bis 7,0; Molybdän (Mo): 0,4 bis 3,2; Mangan (Mn): 0,2 bis 1,2; Silizium (Si): 0,1 bis 1,2; Kupfer (Cu): < 0,4; Nickel (Ni): < 0,5; Vanadium (V): 0,2 bis 0,6; Schwefel (S): < 0,04; Phosphor (P): < 0,03

und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist, für Kolben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors.
Verwendung gemäß Anspruch 6, wobei die eisenbasierte Legierung in Gewichtsprozent (Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,33 bis 0,41; Chrom (Cr): 3,7 bis 5,5 bevorzugt 4,0 bis 5,0; Molybdän (Mo): 1,1 bis 3,2; Mangan (Mn): 0,2 bis 0,5 und/oder Silizium (Si): 0,1 bis 0,5

aufweist.
Verwendung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs X38CrMoV5-3 oder DIN/EN-8CrMo16 ist.