EP2035170B1 - Gegossener stahlkolben für verbrennungsmotoren - Google Patents

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EP2035170B1
EP2035170B1 EP07725968A EP07725968A EP2035170B1 EP 2035170 B1 EP2035170 B1 EP 2035170B1 EP 07725968 A EP07725968 A EP 07725968A EP 07725968 A EP07725968 A EP 07725968A EP 2035170 B1 EP2035170 B1 EP 2035170B1
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EP
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piston
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casting
annular wall
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    • F05C2253/12—Coating
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10T29/00—Metal working
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    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49249—Piston making

Definitions

  • the invention relates to a cast steel piston for internal combustion engines, from a density-reduced steel alloy having the features of claim 1 or a partially formed from a reduced density steel alloy steel piston having the features of claim 11, and a method for producing a one-piece and material einheililtlichen steel piston with the features of the claim 14th
  • the DE 102 44 513 A1 discloses a method of making a multi-piece cooled piston.
  • the piston top is made of heat-resistant steel and the piston base is made of forged AFP steel.
  • the subsequent joining or joining of the annular rib of the upper piston part with the support rib of the piston lower part takes place by means of a welding or soldering process.
  • the preparation of the parts for joining and the joining process itself represent costly process steps.
  • the WO 2006/014741 A1 discloses a piston which is integrally cast from steel.
  • the steel used is an SAE 4140H steel of composition C: 0.38-0.43; Cr: 0.8-1.1; Mg: 0.75-1; Mo: 0.15 - 0.25; Si: 0.15 - 0.35.
  • WO 02/101109 A is a lightweight steel, especially for body parts, from the WO 03/029504 A2 a duplex / triplex lightweight steel, especially for body components and from the WO 91/03579 A1 an aluminum-manganese-iron steel, preferably for further processing known as rolled steel.
  • a steel piston for internal combustion engines comprising at least one piston upper part with combustion recess and an annular wall and a piston base with connecting rod bearing, which is cast from a density-reduced steel alloy, with the features of claim 1 and by a steel piston of only partially a density-reduced steel alloy
  • a further solution according to the invention is given by a method for producing a one-piece and material einheiltlichen steel piston by a low-pressure casting method with the features of claim 14.
  • the steel piston is thus cast in one piece and of the same material.
  • a substantial simplification of the manufacturing process is achieved.
  • This alloy is characterized by a good flowability.
  • the density of the material is comparatively low at about 6.8 g / cc.
  • Another advantage of this alloy is due to the high high temperature corrosion resistance.
  • the high Al content contributes especially to this corrosion resistance.
  • Such alloys are also able to cope with the high mechanical requirements.
  • the content of Mn and Al is in the range of Mn 18-32% and Al 8-12%.
  • steel pistons which contain other attachments or built-in parts, which may differ with respect to the material from the cast piston, or which are not formed during the casting process of the piston.
  • these other parts are, for example, to understand inserts that are poured or poured.
  • the attachment or insertion parts of the steel piston can no longer be distinguished, so that steel pistons and inserts or inserts appear to be cast in one piece and of the same material.
  • the piston in the piston upper part (12) on one or more cooling channels (4) can be continuous, or divided into several segments. In the latter case can also be spoken by several cooling channels.
  • the at least one cooling channel has openings or openings (7, 7 ') to the piston interior and / or to the annular wall (5).
  • the openings or openings to the piston interior (7) are used to replace coolant or oil. Typically, these are round holes or holes. However, other geometries can be realized as required. This is easy to accomplish, in particular, by the casting method of manufacture selected according to the invention, for example by using suitably shaped casting cores or inserts. In this case, the drilling of openings can be saved.
  • the cooling channel (4) can also be interrupted towards the annular wall, so that an opening (7 ') is created. So that the cooling channel (4) with openings to the annular wall (5) does not remain open to the outside, it is closed by at least one closure part (6) to the outside.
  • the cooling pipe system is thus constructed in several parts.
  • the closure part (6) is preferably formed by a sheet metal or closure plate or a steel ring. For clamping, the closure part can protrude into the cooling channel.
  • the closure member is typically welded or soldered. Breakthrough or opening (7 ') and Closure part (6) are preferably arranged in the region or within an annular groove (10).
  • the at least one cooling channel (4) is formed by a cast-in steel tube (3).
  • the steel pipe can still be identified in the cast steel piston due to the irregularities of the structure prevailing in the border area or gate area. If the steel pipe is coated before being poured for better joining, for example with Sn, then a mixed alloy boundary region forms around the cooling channel (4).
  • cooling channels (4) are completely formed by cast-in steel tubes (3) and the cooling channels (4) have no opening (7 ') towards the ring wall. They are closed to the outside and do not require a closure part (6). Preferably, openings (7) are also present here inwards.
  • the cooling pipe system is thus constructed in one piece.
  • the steel of the piston and the steel of the cast steel pipe (3) have a different composition.
  • an intermediate layer may be formed between the piston and the cast-in steel tube, which has a different composition from the steel of the piston.
  • the steel tubes are preferably formed from refractory steels or high-temperature steels. The use of good castable steels is not required.
  • the material of the cast-in steel tube can also be the proven steels from the group MoCr4, 42CrMo4, CrMo4 or 31CrMoV6.
  • the connecting rod bearing wall (9) has a bearing shell, or the connecting rod bearing wall (9) is at least partially formed by a bearing shell, which consists of a cast-in part.
  • the casting, or the bearing shell formed thereby preferably consists of a highly wear-resistant steel.
  • a particularly suitable material for a bearing shell can be introduced in a simple manner by casting.
  • a material of the bearing shell in particular a steel from the group MoCr4, 42CrMo4, CrMo4 or 31CrMoV6 is selected. If necessary, the bearing shell can also carry special sliding coatings.
  • a piston for internal combustion engines which comprises at least one piston upper part (12) with combustion bowl (11) and annular wall (5) and a piston lower part (13) with connecting rod bearing (8), wherein the piston lower part (13) consists of a density-reduced steel alloy of the composition Mn: 18-35, Al: 8-12, Si: 0.3-3, C: 0.8-1.1, Ti: to 0.03, remainder Fe and unavoidable steel accompanying elements is molded in one piece and of uniform material and with the Piston top (12) made of steel is connected by welding.
  • the piston upper part can be manufactured in a conventional manner.
  • the piston upper part (13) is a forged part.
  • the material of the upper piston part is not limited to the steels of the lower part. Rather, the already proven Steels are used. Suitable steels include MoCr4, 42CrMo4, CrMo4 or 31CrMoV6.
  • upper piston part (12) and lower piston part (13) takes place according to the invention by welding. Friction welding is particularly preferred.
  • the dividing line between upper and lower part can run at different heights of the piston.
  • the dividing line is approximately at the lower end of the annular wall (5) (see Fig. 3 ) arranged.
  • Another aspect of the invention relates to a particularly suitable method for the production of a casting by casting a steel piston.
  • the inventive method for producing a one-piece and material einheiltlichen steel piston of at least one piston upper part (12) with combustion bowl (11) and annular wall (5) and a piston lower part (13) with connecting rod bearing (8) provides that a low-pressure casting process is used.
  • the molten steel is controlled by means of a riser controlled from below into the mold cavity of the attached mold, with an overpressure of 0.3 to 5 bar, wherein the sprue of the piston takes place from below over the region of the piston recess (11).
  • Fig. 1 schematically shows the inflow (2) of the melt from below into the region of the piston recess (11).
  • a casting arrangement is selected in which the molten metal is pressed by means of a riser controlled from below, ie against gravity, into the mold cavity of the attached casting mold.
  • a mold a mold or sand molds can be used.
  • the pressure used in low-pressure casting is usually relatively low and varies between 0.02 and 0.1 MPa, depending on the necessary height of rise and the density of the cast material.
  • the casting pressure according to the invention is at an overpressure of about 0.3 to 5 bar. Precise control of the casting pressure as well as the pressure curve (pressure build-up, holding phase and holding pressure) is required for even and void-free mold filling. Preferably 0.5 to 1.5 bar are used.
  • the casting furnace and the mold form a chill casting unit, which are connected by the riser.
  • the casting furnace is complete pressure-tight.
  • the furnace is used in the preferred only to keep warm and not to melt the metal.
  • the molten metal is poured over the pressurization of the holding furnace with controlled casting pressure and controlled casting speed low turbulence from below into the mold.
  • an inert gas can also be used. Preference is given to working with nitrogen.
  • the resulting piston is fed via the pending casting pressure until the end of its solidification. As a result, a denser structure than in chill casting or gravity casting is achieved.
  • a feeder is almost completely dispensed with, since the feed is made through the riser.
  • the process is designed in such a way that solidification from above takes place directly above the riser pipe up to a defined point and remains liquid in the riser pipe. This can for example be achieved by the riser is heated or receives a special heat insulation. Furthermore, it is possible alone or in addition to the heated riser to cool the mold at specific locations. This is particularly effective if it is a mold of metal or graphite.
  • Another variant provides for the use of sand molds and to take advantage of the increasing mold filling, but to dispense with the feed through the riser.
  • the gate of the mold is closed. Then the pressure in the low-pressure casting furnace is lowered and the melt returns from the riser pipe into the furnace. This can shorten the process time.
  • the low-pressure casting process also has the advantage that the temperature of the melt can be accurately adjusted. As a result, the casting process, or the exact mold filling is well calculated.
  • Another advantage of low pressure casting is that casting defects, such as gas inclusions through turbulent mold filling or cold running due to too slow mold filling, can be prevented by a precisely controlled mold filling, in particular precisely controlled filling speed.
  • a casting is formed, which is one piece and of uniform material. If the steel piston has further special components, such as, for example, cooling channels, there is the possibility that these are integral with the casting in the finished piston and are of the same material.
  • one or more inserts are inserted into the mold to form special components of the piston.
  • Inlay parts in contrast to the sand cores that can likewise be used for casting, are parts that remain in the cast piston.
  • the inserts are expediently made of steel, since there is good material compatibility with the steel of the piston.
  • the inserts are particularly preferably at least one cooling channel (4) and / or a connecting rod bearing wall (9) formed.
  • steel tubes (3) or steel shells are inserted into the casting mold.
  • the inserts are part of sand core packages.
  • the steel pipe can also be a sand-filled pipe.
  • a uniform preforming of the tube is possible.
  • pouring the sand filling prevents accidental breakage of the melt by partial melting of the tube.
  • the steel pipe is then filled with foundry sand, if it has an opening (7 ') to the annular wall (5) or large openings (7) to the piston interior.
  • the openings (7) for the interior of the piston can be introduced by casting technology and / or by subsequent machining of the casting.
  • the opening (7 ') to the annular wall (5) is advantageously formed during casting, since the large opening allows easy and complete removal of core sand contained in the steel pipe.

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Abstract

Stahlkolben für Verbrennungsmotoren, der zumindest ein Kolbenoberteil (12) mit Verbrennungsmulde (11) und Ringwand (5) sowie ein Kolbenunterteil (13) mit Pleuellager (8) umfasst, wobei der Stahlkoben aus einer dichtereduzierten Stahllegierung oder einer Edelstahllegierung einstückig und materialeinheitlich über ein Niederdruckgussverfahren gegossen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen gegossenen Stahlkolben für Verbrennungsmotoren, aus einer dichtereduzierten Stahllegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder einen teilweise aus einer dichtereduzierten Stahllegierung gebildeten Stahlkolben mit den Merkmalen des Anspruchs 11, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen und materialeinheiltlichen Stahlkolbens mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
  • Aufgrund der zunehmenden Anforderungen möglichst hoher Spitzendrücke in Hubkolben-Verbrennungsmotoren die bei bis zu 250 bar liegen, sind die Leichtbau-Aluminiumkolben zunehmend an ihre Leistungsgrenze gestoßen. Daher werden für den LKWaber auch den PKW-Bereich zunehmend wieder Stahlkolben gefordert. Die hohen Anforderungen an Lebensdauer und Zuverlässigkeit machen dabei insbesondere vollständig aus Stahl gefertigte Kolben erforderlich, welche die derzeit noch häufig eingesetzten Kolben aus Stahl und Aluminium ersetzen sollen.
  • Gegenüber den Aluminium-Kolben haben die Stahlkolben aber den Nachteil eines höheren Gewichts.
  • Die Herstellung von vollständig aus Stahl gefertigten Kolben ist aufgrund der schwierigen Verarbeitbarkeit von Stahl für filigrane Bauteile häufig aufwändig und kostspielig.
  • So ist es beispielsweise üblich, die Herstellung des Kolbens durch Verschweißung zweier Schmiedeteile vorzunehmen. Hierdurch ist auch den Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe für Ober- und Unterteil möglich.
  • Die DE 102 44 513 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen gekühlten Kolbens. Das Kolbenoberteil ist aus warmfestem Stahl und das Kolbenunterteil aus geschmiedetem AFP-Stahl gefertigt. Das nachfolgende Fügen bzw. Verbinden der Ringrippe des Kolbenoberteils mit der Tragrippe des Kolbenunterteils erfolgt mittels eines Schweiß- oder Lötverfahrens. Die Vorbereitung der Teile zum Fügen und das Fügeverfahren selbst stellen kostenintensive Verfahrensschritte dar.
  • In der EP 1612 395 A1 wird vorgeschlagen, den gesamten Kolben aus Stahl zu gießen. Es wird vorgeschlagen eine der beiden folgenden Stahlzusammensetzungen (in Massenprozent) als Gusslegierung zu verwenden:
    • 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.
  • Die WO 2006/014741 A1 offenbart einen Kolben, der einstückig aus Stahl gegossen wird. Der verwendete Stahl ist ein SAE 4140H-Stahl einer Zusammensetzung mit C: 0,38 - 0,43; Cr: 0.8 -1.1; Mg: 0.75 -1; Mo: 0.15 - 0.25; Si: 0.15 - 0.35.
  • Aus der WO 02/101109 A ist ein Leichtbaustahl, insbesondere für Karosseriebauteile, aus der WO 03/029504 A2 ein Duplex/Triplex-Leichtbaustahl, insbesondere für Karosseriekomponenten und aus der WO 91/03579 A1 ein Aluminium-Mangan-Eisen Stahl, bevorzugt für die Weiterbearbeitung als Walzstahl bekannt.
  • Aufgrund der filigranen Bauweise eines Kolbens werden besonders hohe Ansprüche an die Fließfähigkeit des Gießmetalls, sowie an das Gießverfahren gestellt. Das Gießverfahren und die Fließfähigkeit des Metalls sind von entscheidender Bedeutung für die Erzielung eines geeigneten und fehlerfreien Gefüges, welches für die hohen Festigkeitsanforderungen der gegossenen Bauteile unerlässlich ist. Bereits kleinste Gefügefehler und Lunker im Gussteil können in den dünnen Wandungen des Kolbens zu einem katastrophalen Werkstoffversagen führen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Kolben aus mechanisch hochbelastbaren, kostengünstig zu formenden und leichtgewichtigen Stählen bereit zu stellen. Eine weitere erfindungsgemäße Aufgabe ist es, kostengünstiges und einfaches Verfahren zur Herstellung dieser Stahlkolben aufzuzeigen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch einen Stahlkolben für Verbrennungsmotoren, der zumindest ein Kolbenoberteil mit Verbrennungsmulde und eine Ringwand sowie ein Kolbenunterteil mit Pleuellager umfasst, welcher aus einer dichtereduzierten Stahllegierung gegossen ist, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen Stahlkolben der nur teilweise aus einer dichtereduzierten Stahllegierung gegossen ist, mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Eine weitere erfindungsgemäße Lösung ist durch ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen und materialeinheiltlichen Stahlkolbens durch ein Niederdruckgießverfahren mit den Merkmalen Anspruchs 14 gegeben.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß wird der Stahlkolben somit einstückig und materialeinheitlich gegossen. Hierdurch wird eine wesentliche Vereinfachung des Herstellungsverfahrens erreicht. Für die Erfindung ist es damit von wesentlicher Bedeutung, Stahllegierungen zu verwenden, die gießtechnisch gut verarbeitbar sind, eine hohe Festigkeit, beziehungsweise Streckgrenze bei den hohen Einsatztemperaturen aufzuweisen und eine möglichst geringe Materialdichte zu besitzen.
  • Die erste erfindungsgemäß eingesetzte Stahllegierung ist eine dichtereduzierte Stahllegierung der folgenden Zusammensetzung (folgende Angaben in Gew. %, soweit nicht anders beschrieben)
    • Mn: 12-35
    • Al: 6-16
    • Si: 0,3-3
    • C: 0,8-1,1
    • Ti: bis 0,03
    Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente.
  • Diese Legierung zeichnet sich durch ein gutes Fließvermögen aus. Darüber hinaus ist die Dichte des Materials mit ca. 6,8 g/ccm vergleichsweise niedrig. Ein weiterer Vorteil dieser Legierung liegt in der hohen Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit begründet. Der hohe Al-Gehalt trägt dabei besonders zu dieser Korrosionsbeständigkeit bei. Derartige Legierungen sind auch den hohen mechanischen Anforderungen gewachsen.
  • Besonders bevorzugt liegt der Anteil von Mn und Al im Bereich von Mn 18-32% und Al 8-12%.
  • Es ist vorgesehen, den Stahlkolben einstückig und materialeinheitlich zu gießen. Darunter ist zu verstehen, dass Kolbenoberteil mit Verbrennungsmulde und Ringwand sowie ein Kolbenunterteil mit Pleuellager aus einem Guss hervorgehen und aus dem gleichen Material bestehen. Hierunter sind aber auch Stahlkolben zu verstehen die weitere An- oder Einbauteile enthalten, die sich hinsichtlich des Materials vom gegossenen Kolben unterscheiden können, oder die nicht während des Gussvorgangs des Kolbens gebildet werden. Unter diesen weiteren Teilen sind beispielsweise Einlegeteile zu verstehen, die an- oder eingegossen werden. Je nach Material und Qualität des Ein- oder Angusses können die An- oder Einlegeteile vom Stahlkolben nicht mehr unterschieden werden, so dass auch Stahlkolben und An- oder Einlegeteile als einstückig und materialeinheitlich gegossen erscheinen.
  • Zur Erläuterung der Erfindung werden schematische Zeichnungen herangezogen.
  • Dabei zeigen:
    • Fig. 1
    einen Kolben (1) im Querschnitt, mit Schmelzezufluss (2), eingegossenem Stahlrohr (3), Kühlkanal (4), Ringwand (5), Öffnungen des Kühlkanals zur Ringwand (7') und Ringnuten (10),
    Fig. 2
    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)
    Fig. 3
    einen Kolben (1) im Schnitt, mit Oberteil (12) und Unterteil (13), Ringwand (5), Kühlkanal (4), Verschlussteil (6), Pleuellager (8), Pleuellagerwand (9) und Verbrennungsmulde (11)
  • In einer bevorzugten Ausführung weist der Kolben im Kolbenoberteil (12) einen oder mehrere Kühlkanäle (4) auf. Der Kühlkanal kann dabei durchgängig, oder in mehrere Segmente aufgeteilt sein. Im Letzteren Fall kann auch von mehreren Kühlkanälen gesprochen werden. Der zumindest eine Kühlkanal weist Durchbrüche oder Öffnungen (7, 7') zum Kolbeninneren und/oder zur Ringwand (5) aufweisen.
  • Die Durchbrüche oder Öffnungen zum Kolbeninneren (7) dienen zum Austausch von Kühlmittel bzw. Öl. Typischerweise handelt es sich hierbei um runde Öffnungen oder um Bohrungen. Es können aber je nach Erfordernis auch andere Geometrien realisiert werden. Dies ist insbesondere durch das erfindungsgemäß gewählte Herstellungsverfahren des Gießens einfach zu bewerkstelligen, beispielsweise indem geeignet geformte Gießkerne oder Einlegeteile verwendet werden. In diesem Fall kann das Bohren von Öffnungen eingespart werden.
  • Des Weiteren kann der Kühlkanal (4) auch zur Ringwand hin unterbrochen sein, so dass eine Öffnung (7') entsteht. Damit der Kühlkanal (4) mit Öffnungen zur Ringwand (5) nicht nach außen geöffnet bleibt, ist er durch mindestens ein Verschlussteil (6) nach außen abgeschlossen. Das Kühlrohrsystem ist somit mehrteilig aufgebaut. Das Verschlussteil (6) ist bevorzugt durch einen Blech oder Verschlussblech oder einen Stahlring gebildet. Zur Verklammerung kann das Verschlussteil dabei in den Kühlkanal hineinragen. Das Verschlussteil ist typischerweise angeschweißt oder angelötet. Durchbruch bzw. Öffnung (7') und Verschlussteil (6) sind bevorzugt im Bereich oder innerhalb einer Ringnut (10) angeordnet.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Kühlkanal (4) durch ein eingegossenes Stahlrohr (3) ausgebildet. In der Regel ist das Stahlrohr auch im gegossenen Stahlkolben aufgrund der im Grenzbereich bzw. Angussbereich herrschenden Unregelmäßigkeiten des Gefüges noch identifizierbar. Ist das Stahlrohr vor dem Eingießen zum Besseren Verbinden beschichtet, beispielsweise mit Sn, so bildet sich ein Grenzbereich aus Mischlegierung um den Kühlkanal (4) herum aus.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Variante ist der, beziehungsweise sind die Kühlkanäle (4) vollständig durch eingegossene Stahlrohre (3) gebildet und die Kühlkanäle (4) weisen keine Öffnung (7') zur Ringwand hin auf. Sie sind nach außen geschlossen und erfordern kein Verschlussteil (6). Bevorzugt sind auch hier Öffnungen (7) nach innen vorhanden. Das Kühlrohrsystem ist somit einteilig aufgebaut.
  • Es ist möglich, dass der Stahl des Kolbens und der Stahl des eingegossenen Stahlrohrs (3) eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Ebenso kann zwischen Kolben und eingegossenem Stahlrohr eine Zwischenschicht gebildet sein, die eine vom Stahl des Kolbens unterschiedliche Zusammensetzung aufweist. Bevorzugt werden die Stahlrohre aus hochschmelzenden Stählen oder hochwarmfesten Stählen gebildet. Die Verwendung der gut gießfähigen Stähle ist nicht erforderlich.
  • Bei dem Material des eingegossenen Stahlrohrs kann es sich auch um die bewährten Stähle aus der Gruppe MoCr4, 42CrMo4, CrMo4 oder 31CrMoV6 handeln.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Pleuellagerwand (9) eine Lagerschale auf, beziehungsweise ist die Pleuellagerwand (9) zumindest teilweise durch eine Lagerschale gebildet, die aus einem Eingussteil besteht. Das Eingussteil, beziehungsweise die hierdurch gebildete Lagerschale besteht bevorzugt aus einem hochverschleißfesten Stahl. Durch das erfindungsgemäß gewählte Gießen des Stahlkolbens kann in einfacher Weise durch Anguss ein besonders geeignetes Material für eine Lagerschale eingebracht werden. Als Material der Lagerschale wird insbesondere ein Stahl aus der Gruppe MoCr4, 42CrMo4, CrMo4 oder 31CrMoV6 gewählt. Die Lagerschale kann gegebenenfalls auch spezielle Gleitbeschichtungen tragen.
  • In einer weiteren Variante der Erfindung wird nicht der gesamte Kolben einstückig und Material einheitlich gegossen, sondern nur das Kolbenoberteil. Erfindungsgemäß ist ein Kolben für Verbrennungsmotoren vorgesehen, der zumindest ein Kolbenoberteil (12) mit Verbrennungsmulde (11) und Ringwand (5) sowie ein Kolbenunterteil (13) mit Pleuellager (8) umfasst, wobei das Kolbenunterteil (13) aus einer dichtereduzierten Stahllegierung der Zusammensetzung Mn: 18-35, Al: 8-12, Si: 0,3-3, C: 0,8-1,1, Ti: bis 0,03, Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente einstückig und materialeinheitlich gegossen ist und mit dem Kolbenoberteil (12) aus Stahl durch Schweißen verbunden ist.
  • Hierbei kann das Kolbenoberteil auf konventionelle Weise gefertigt sein. Bevorzugt ist das Kolbenoberteil (13) ein Schmiedeteil.
  • Das Material des Kolbenoberteils ist nicht auf die Stähle des Unterteils beschränkt. Vielmehr kann auf die bereits bewährte Stähle zurückgegriffen werden. Zu den geeigneten Stählen zählen unter anderem MoCr4, 42CrMo4, CrMo4 oder 31CrMoV6.
  • Das Fügen von Kolbenoberteil (12) und Kolbenunterteil (13) erfolgt erfindungsgemäß durch Schweißen. Besonders bevorzugt ist das Reibschweißen. Die Trennlinie zwischen Ober- und Unterteil kann je nach Ausgestaltung des Kolbens in unterschiedlicher Höhe des Kolbens verlaufen. Bevorzugt ist die Trennlinie in etwa am unteren Ende der Ringwand (5) (vergleiche Fig. 3) angeordnet.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein besonders geeignetes Verfahren zur gießtechnischen Herstellung eines Stahlkolbens.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines einstückigen und materialeinheiltlichen Stahlkolbens der zumindest ein Kolbenoberteil (12) mit Verbrennungsmulde (11) und Ringwand (5) sowie ein Kolbenunterteil (13) mit Pleuellager (8) umfasst,
    sieht vor, dass ein Niederdruckgießverfahren angewendet wird. Dabei wird die Stahlschmelze mittels eines Steigrohrs kontrolliert von unten her in den Formhohlraum der aufgesetzten Gießform, mit einem Überdruck von 0,3 bis 5 bar gedrückt wird, wobei der Anguss des Kolbens von unten über den Bereich der Kolbenmulde (11) erfolgt. Fig. 1 zeigt schematisch den Zufluss (2) der Schmelze von unten in den Bereich der Kolbenmulde (11).
  • Von wesentlicher Bedeutung ist dabei die erfindungsgemäße Anwendung des Nierdruckgussverfahrens auf Stahlschmelzen. Bei dem Niederdruckgießverfahren wird eine Gießanordnung, gewählt bei der die Metallschmelze mittels eines Steigrohrs kontrolliert von unten her, also entgegen der Schwerkraft, in den Formhohlraum der aufgesetzten Gießform eingedrückt wird. Als Gießform kann eine Kokille oder auch Sandformen verwendet werden. Der komplexen Form des abzugießenden Kolbens gemäß ist es zweckmäßig die Kokille mit Sandkernen zu kombinieren, beziehungsweise Sandkerne oder Kernpakete in die Gießform einzulegen.
  • Der beim Niederdruckgießen angewandte Druck ist üblicherweise relativ niedrig und bewegt sich je nach notwendiger Steighöhe und der Dichte des Gusswerkstoffes zwischen 0,02 und 0,1 MPa.
  • Der Gießdruck liegt erfindungsgemäß bei einem Überdruck von ca. 0,3 bis 5 bar. Eine präzise Regelung des Gießdrucks, sowie des Druckverlaufs (Druckaufbau, Haltephase und Nachdruck) ist für eine gleichmäßige und lunkerfreie Formfüllung erforderlich. Bevorzugt werden 0,5 bis 1,5 bar angewendet.
  • Der Gießofen und die Kokille bilden eine Kokillenguss-Einheit, welche durch das Steigrohr verbunden sind. Der Gießofen ist insgesamt druckdicht abgeschlossen. Der Ofen dient in der bevorzugt nur zum Warmhalten und nicht zum Erschmelzen des Metalls. Dabei wird die Metallschmelze über die Druckbeaufschlagung des Warmhalteofens mit geregeltem Gießdruck und gesteuerter Gießgeschwindigkeit turbulenzarm von unten in die Gießform eingegossen. Anstelle von Druckluft kann auch ein inertes Gas verwendet werden. Bevorzugt wird mit Stickstoff gearbeitet. Der entstehende Kolben wird über den anstehenden Gießdruck bis zum Ende seiner Erstarrung nachgespeist. Hierdurch wird ein dichteres Gefüge als beim Kokillenguss oder Schwerkraftguss erreicht wird.
  • Aufgrund der filigranen Form des Kolbens, insbesondere der dünnen Wände, ist ein möglichst lunkerfreier Guss von entscheidender Bedeutung.
  • In einer ersten Ausgestaltung wird auf einen Speiser fast vollständig verzichtet, da die Speisung durch das Steigrohr erfolgt. Um diesen Vorteil nutzen zu können, wird in der das Verfahren so ausgelegt, dass die Erstarrung von oben her bis zu einer definierten Stelle direkt über dem Steigrohr erfolgt und im Steigrohr flüssig bleibt. Das kann beispielsweise erreicht werden, indem das Steigrohr beheizt wird oder eine besondere Wärmeisolierung erhält. Des Weiteren ist es möglich alleine oder zusätzlich zum beheizten Steigrohr die Form an speziellen Stellen zu kühlen. Dies ist besonders effektiv, wenn es sich um eine Kokille aus Metall oder Graphit handelt.
  • Eine weitere Variante sieht die Verwendung von Sandformen vor und die Vorteile der steigenden Formfüllung zu nutzen, aber auf die Speisung durch das Steigrohr zu verzichten. Bevor der gegossene Kolben vollständig erstarrt ist, wird der Anschnitt der Form verschlossen. Hierauf wird der Druck im Niederdruckgussofen gesenkt und die Schmelze läuft aus dem Steigrohr in den Ofen zurück. Hierdurch lässt sich die Prozesszeit verkürzen.
  • Gegenüber den konventionellen Gießverfahren hat das Niederdruckgussverfahren auch den Vorteil, dass die Temperatur der Schmelze kann genau eingestellt werden kann. Hierdurch ist der Gießverlauf, beziehungsweise die exakte Formfüllung gut berechenbar.
  • Ein weiterer Vorteil des Niederdruckgusses ist es, dass Gießfehler, wie Gaseinschlüsse durch turbulente Formfüllung oder Kaltlauf durch zu langsame Formfüllung, durch eine genau gesteuerte Formfüllung, insbesondere genau gesteuerte Füllgeschwindigkeit verhindert werden.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Gussteil gebildet, das einstückig und materialeinheitlich ist. Weist der Stahlkolben weitere spezielle Bauteile auf, wie beispielsweise Kühlkanäle, besteht die Möglichkeit, dass diese im fertigen Kolben einstückig und materialeinheitlich mit dem Gussstück sind.
  • Besonders bevorzugt wird die hinsichtlich Materialeigenschaften und Gießfähigkeit besonders geeignete dichtereduzierte Stahllegierung der folgenden Zusammensetzung eingesetzt:
    • Mn: 18-35
    • Al: 8-12
    • Si: 0,3-3
    • C: 0,8-1,1
    • Ti: bis 0,03
    Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden in die Gießform eines oder mehrere Einlegeteile zur Bildung spezieller Bauteile des Kolbens eingelegt. Unter Einlegeteilen sind dabei im Gegensatz zu den ebenso beim Guss verwendbaren Sandkernen Teile zu verstehen, die im gegossenen Kolben verbleiben.
  • Die Einlegeteile sind dabei zweckmäßigerweise aus Stahl, da hier gute Materialkompatibilität zum Stahl des Kolbens besteht. Mit den Einlegeteilen werden besonders bevorzugt mindestens ein Kühlkanal (4) und/oder eine Pleuellagerwand (9) gebildet. Hierzu werden entsprechend Stahlrohre (3) oder Stahlschalen in die Gießform eingelegt. Bevorzugt sind die Einlegeteile Bestandteil von Sand-Kernpaketen.
  • Beim Stahlrohr kann sich auch um ein sandgefülltes Rohr handeln. Durch die Sandfüllung des Rohrs ist ein gleichmäßiges Vorformen des Rohrs möglich. Beim Gießen verhindert die Sandfüllung ein unbeabsichtigtes Durchbrechen der Schmelze durch partielles Aufschmelzen des Rohrs.
  • Besonders bevorzugt ist das Stahlrohr dann mit Formsand gefüllt, wenn es eine Öffnung (7') zur Ringwand (5) oder große Öffnungen (7) zum Kolbeninneren aufweist.
  • Die Öffnungen (7) zum Kolbeninneren können gießtechnisch und/oder durch spätere Bearbeitung des Gussteils eingebracht werden. Dagegen wird die Öffnung (7') zur Ringwand (5) zweckmäßigerweise beim Guss gebildet, da die große Öffnung ein leichtes und vollständiges Entfernen von im Stahlrohr enthaltenen Kernsand ermöglicht.

Claims (18)

  1. Stahlkolben für Verbrennungsmotoren, der zumindest ein Kolbenoberteil (12) mit Verbrennungsmulde (11) und Ringwand (5) sowie ein Kolbenunterteil (13) mit Pleuellager (8) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Stahlkoben 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, einstückig und materialeinheitlich gegossen ist.
  2. Stahlkolben nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Kolben im Kolbenoberteil (12) einen oder mehrere Kühlkanäle (4) aufweist, die zumindest teilweise Durchbrüche oder Öffnungen (7, 7') zum Kolbeninneren und/oder zur Ringwand (5) aufweisen.
  3. Stahlkolben nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das mindestens ein Kühlkanal (4) durch ein eingegossenes Stahlrohr (3) gebildet ist.
  4. Stahlkolben nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Stahl des Kolbens und der Stahl des eingegossenen Stahlrohrs (3) eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen und/oder zwischen Kolben und eingegossenem Stahlrohr eine Zwischenschicht gebildet ist, die eine vom Stahl des Kolbens unterschiedliche Zusammensetzung aufweist.
  5. Stahlkolben einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kühlkanäle (4) mit Öffnungen zur Ringwand (5) durch mindestens ein Verschlussteil (6) nach außen abgeschlossen sind.
  6. Stahlkolben Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verschlussteil (6) durch ein Blech oder Stahlring gebildet ist.
  7. Stahlkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Kühlkanäle (4) keine Öffnung (7') zur Ringwand hin aufweisen und vollständig durch eingegossene Stahlrohre (3) gebildet sind.
  8. Stahlkolben nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Pleuellagerwand (9) eine Lagerschale aufweist, die durch ein Eingussteil gebildet ist.
  9. Stahlkolben nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Eingussteil der Lagerschale durch einen hochverschleißfesten Stahl gebildet ist.
  10. Stahlkolben nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Eingussteil der Lagerschale oder das eingegossene Stahlrohr (3) aus einem Stahl der Gruppe MoCr4, 42CrMo4, CrMo4 oder 31CrMoV6 gebildet ist.
  11. Stahlkolben für Verbrennungsmotoren, der zumindest ein Kolbenoberteil (12) mit Verbrennungsmulde (11) und Ringwand (5) sowie ein Kolbenunterteil (13) mit Pleuellager (8) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kolbenunterteil (13) aus einer dichtereduzierten Stahllegierung der Zusammensetzung in Gew. % Mn: 18-35
    Al: 8-12
    Si: 0,3-3
    C: 0,8-1,1
    Ti: bis 0,03
    Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente, einstückig und materialeinheitlich gegossen ist und mit dem Kolbenoberteil (12) aus Stahl durch Schweißen verbunden ist.
  12. Stahlkolben nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kolbenoberteil (13) ein Schmiedeteil ist.
  13. Stahlkolben nach Anspruch 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kolbenoberteil (13) und das Kolbenunterteil (13) durch Reibschweißen miteinander verbunden sind.
  14. Verfahren zur Herstellung eines einstückigen und materialeinheiltlichen Stahlkolbens der zumindest ein Kolbenoberteil (12) mit Verbrennungsmulde (11) und Ringwand (5) sowie ein Kolbenunterteil (13) mit Pleuellager (8) umfasst,
    wobei ein Niederdruckgießverfahren angewendet wird, bei dem eine Stahlschmelze mittels eines Steigrohrs kontrolliert von unten her in den Formhohlraum der aufgesetzten Gießform,
    mit einem Überdruck von 0,3 bis 5 bar gedrückt wird, wobei der Anguss des Kolbens von unten über den Bereich der Kolbenmulde (11) erfolgt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass .der Stahl ausgewählt wird aus einer dichtereduzierten Stahllegierung der Zusammensetzung in Gew. %
    Mn: 18-35
    Al: 8-12
    Si: 0,3-3
    C: 0,8-1,1
    Ti: bis 0,03
    Rest Fe sowie unvermeidliche Stahlbegleitelemente.
  15. Verfahren nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in die Gießform eines oder mehrere Einlegeteile aus Stahl zur Bildung von mindestens einem Kühlkanal und/oder der Pleuellagerwand (9) eingelegt werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Bildung eines Kühlkanals (4) ein geschlossenes Stahlrohr (3) oder ein mit Kernsand gefülltes teilweise geöffnetes Stahlrohr (3) eingelegt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in die Gießform mindestens ein Gießkern oder ein Kernpaket zur Bildung von Kühlkanälen (4) eingelegt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kernpaket Einlegeteile aus Stahl aufweist.
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