EP3377748A1 - Kolben für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Kolben für eine brennkraftmaschine

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Publication number
EP3377748A1
EP3377748A1 EP16797847.7A EP16797847A EP3377748A1 EP 3377748 A1 EP3377748 A1 EP 3377748A1 EP 16797847 A EP16797847 A EP 16797847A EP 3377748 A1 EP3377748 A1 EP 3377748A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
joining
temperature
joining surface
area
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16797847.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert KÜHNEL
Holger Germann
Edward Werninghaus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KS Kolbenschmidt GmbH
Original Assignee
KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KS Kolbenschmidt GmbH filed Critical KS Kolbenschmidt GmbH
Publication of EP3377748A1 publication Critical patent/EP3377748A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02F2003/0053—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping by soldering

Definitions

  • the invention relates to a piston for internal combustion engines and a plurality of methods for producing a Koibens according to the features of the respective preamble of the independent claims.
  • the piston in question is formed by cohesive joining a lower part with an upper part to a piston blank and subsequent processing of the piston blank to the piston.
  • WO 2011/006469 A1 shows a multi-part piston for an internal combustion engine and a method for producing such a piston.
  • the method for producing a multi-part piston for an internal combustion engine comprises the following method steps: producing a piston upper part and a piston lower part, each with an inner support element with joining surfaces and an outer support element with joining surfaces, applying a high-temperature solder material in the region of at least one joining surface, assembly of piston upper part and Piston bottom to a piston body by making contact between the joining surfaces, placing the Kofben stressess in a vacuum oven and evacuating the vacuum furnace, heating the piston body at a pressure of at most 10 ⁇ 2 mbar to a brazing temperature of at most 1300 ° C, and cooling the brazed piston at a pressure of at most 10 2 mbar until complete solidification of the high-temperature soldering material.
  • WO 2011/006469 A1 further relates to a multi-part piston producible by this method for an internal combustion engine, in which annular inner support elements are provided which delimit an outer circumferential cooling channel and an inner cooling space.
  • DE 10 2008 038 325 A1 proposes a method for fastening a ring element on a piston for an internal combustion engine, in which the ring element is screwed onto the piston base body via a thread mounted on the radial outer surface of a part of the piston head, into the piston crown in the region the thread is formed an upwardly open, circumferential groove, the groove is filled with solder, the piston is heated until the solder liquefies and flows between the threads of the thread, and then the piston is cooled. This results in a screw connection between the piston main body and the ring element. A screw connection requires additional parts and is time-consuming to manufacture.
  • the formation of the cohesive connection between the lower part and upper part of a Koibenrohlings or piston, in particular as a solder joint in one step.
  • the heat treatment is carried out to form the intended ferritic-carbide microstructure, the tempering. This requires a double heat input into the piston structure and is time consuming.
  • the object of the invention is therefore to provide a piston blank and a piston made therefrom, which does not have the disadvantages mentioned above, as well as a plurality of methods for producing a corresponding piston blank or piston.
  • a piston blank for producing a piston for internal combustion engines which consists of a lower part and an upper part, wherein between the parts at least one upper joining plane is formed, which passes through the outer periphery of the piston blank, wherein in the region of the upper joining plane opposite an upper lower part and an upper Oberteilhege compounds are formed and / or formed between the parts at least one lower joining plane, which does not penetrate the outer periphery of the piston blank, wherein in the region of the lower joining plane opposite a lower Unterteilüge measurements and a lower Oberteil circage Chemistry are formed at least in a portion of at least a joining plane between the joining surfaces at least one soldering gap is arranged, wherein a centering for the correct arrangement of lower part and upper part is provided in at least one soldering gap.
  • the latter preferably lies on the outer edge of the ring field or even outside the ring field in the pin bores of the opposite direction.
  • the formed in the joint surface soldering gap is thus easily accessible from the periphery of the piston blank.
  • the at least one joining surface is located in an area which is removed from the piston blank in the creation of the combustion bowl. Also, thus, it is possible that trough neck and trough edge of the combustion trough are formed integrally. In this at least one soldering solder can be introduced to form a cohesive connection between the lower part and the upper part of the piston blank.
  • the term "upper” describes elements or regions that are related to the upper joining plane of the piston blank or the piston
  • the upper lower part, the upper upper part and the upper Lötspalt the top joining level to assign the term "lower” describes accordingly Elements or areas which are related to the lower joining plane of the piston blank or of the piston.
  • the bottom lower part surface, the lower upper part surface and the lower solder gap are assigned to the lower joining level.
  • the Spaitance between the lower part and upper part of the at least one Lötspalts between 0.05 mm and 0.5 mm, preferably between 0.1 mm and 0.4 mm.
  • the amount of solder used can be varied.
  • the Lotmenge can be adjusted. Under stress different loads by the use of the internal combustion engine having a corresponding piston in different vehicles such as trucks, passenger cars, traction vehicles, locomotives or ships understood.
  • the invention provides that the centering has the gap.
  • the gap for the at least one soldering gap is generated by the centering.
  • the centering is preferably located in a region of the at least one joining surface, which is removed in the creation of the combustion bowl of the piston. By centering a positive connection between the corresponding diameters of the lower part and the upper part of the piston blank takes place.
  • the invention provides that a pressure compensation element is provided on the upper part of the piston blank, which opens into at least one soldering gap.
  • the Druckausgieichselement supports the solder flow in the at least one soldering gap. This ensures that there are no air pockets in the region of the integral connection between the lower part and upper part of the piston blank or of the piston resulting therefrom.
  • Superfluous solder is removed together with the pressure compensation element when creating the combustion chamber recess.
  • a secure, high-strength connection between the lower part and the upper part of the piston is created.
  • a pressure compensation element is provided on the lower part of the piston blank, which permanently remains in the lower part and preferably opens into a cooling channel.
  • the pressure compensation element is arranged diagonally with respect to the Koibenhubachse.
  • the lower part is preferably arranged above the upper part.
  • the diagonal arrangement of the pressure compensation element assists the flow of the solder. In addition to capillary effects, the solder flows thus supported by gravity.
  • a piston for internal combustion engines, which consists of a lower part and an upper part, wherein between the parts at least one upper joining plane is formed, which passes through the outer periphery of the piston, wherein in the region of the upper joining plane opposite an upper Unterteii colge compounds and an upper Oberteilhege Structure are formed and / or between the parts at least one lower joining plane is formed, which does not pass the outer periphery of the piston, wherein in the region of the lower joining plane opposite a lower Unterteilhege materials and a lower Oberteil circage Structure are formed wherein at least in a partial region of the at least one joining plane between At least one soldering gap is arranged at the joining surfaces, iron-containing solder being introduced between the lower part and the upper part in the region of the at least one joining plane.
  • Ferrous solder for example Fe solder, allows the soldering process and the tempering process to be carried out in one work step.
  • the invention provides that the lower part and / or the upper part made of tempered steel and / or micro-alloyed steel and / or AFP steel and / or bainitic steel.
  • the steel types mentioned above are accessible to processes for changing the microstructure.
  • a suitable type of steel can be selected and thermally treated in accordance with the intended use of the piston in an internal combustion engine.
  • a suitable grade of steel may be selected.
  • a description of the steel grades and their suitability for use in the manufacture of pistons for internal combustion engines is given in downstream text passages.
  • preferred solder materials are given, which are composed of different alloying elements.
  • brazing materials have particularly advantageous effects in connection with the materials tempering steel and / or micro-alloyed steel and / or AFP steel and / or bainitic steel, as a simple joining process is given by them and the two joined parts remain permanently assembled in operation under high stress ,
  • the invention provides a method for producing a piston for an internal combustion engine using a microalloyed and / or bainitic steel, which consists of a lower part and an upper part, wherein between the parts at least one upper joint plane is formed, which passes through the outer circumference of the piston , wherein in the region of the upper joint plane opposite an upper lower part and a Oberubsterteil Strukturge Structure Oberteilhege Structure are formed between the parts at least one lower joining plane, which does not pass the outer periphery of the piston, wherein in the region of the lower joining plane opposite a lower lower part and a lower upper part joining surface are formed, wherein at least in a partial region of the at least one joining plane between the joining surfaces at least one soldering gap is arranged, with the following method steps: a) producing a lower part ils and a top with at least one
  • the invention provides a method for producing a piston for an internal combustion engine using a microalloyed and / or bainitic steel, which consists of a lower part and an upper part, wherein between the parts at least one upper joint plane is formed, which passes through the outer circumference of the piston , wherein in the region of the upper joint plane opposite an upper Unterteilüfer materials and an upper Oberteilhege Structure are formed and / or formed between the parts at least one lower joining plane, which does not pass the outer periphery of the piston, wherein in the region of the lower joining plane opposite a lower Unterteü colge Structure and at least in a partial region of the at least one joining plane between the joining surfaces at least one soldering gap is arranged, with the following method steps: a) producing a Untertei ls and a top with at least one
  • Bainite or ferrite-perlite region Bainite or ferrite-perlite region
  • the cooling process is completed when Koibenrohiing has a temperature of less than 200 ° C and preferably a ferritic-pearlitic and / or bainitic structure.
  • a method for producing a piston for an internal combustion engine using a microalloyed and / or bainitic steel which consists of a lower part and a top part, wherein between the parts at least one upper joint plane is formed, which passes through the outer circumference of the piston, wherein in the region of the upper joining plane an upper lower part joining surface and an upper upper part joining surface are formed and / or between the parts at least one lower joining plane is formed, which does not pass the outer periphery of the piston, wherein in the region of the lower joining plane opposite a lower lower part and a joining surface at least in a partial region of the at least one joining plane between the joining surfaces at least one soldering gap is arranged, with the following method steps:
  • the cooling process is completed when the piston blank has a temperature of less than 200 ° C and preferably a ferritic-pearlitic and / or bainitic microstructure.
  • a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine using a precipitation-hardening ferritic-pearlitic steel (AFP steel) which consists of a lower part and a top part, wherein between the parts at least one upper joint plane is formed which the outer periphery of the piston passes, wherein in the region of the upper joining plane opposite an upper Unterteilhege Structure and upper Oberteilhegefikiee are formed and / or between the parts at least one lower joining plane is formed, which does not pass the outer periphery of the piston, wherein in the region of the lower joining plane opposite one at least in a partial region of the at least one joining plane between the joining surfaces is arranged at least one soldering gap, with the following method steps: a) producing a U nterteils and a shell with at least one
  • AFP steel precipitation-hardening ferritic-pearlitic steel
  • a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine using a precipitation hardening ferritic-periitic steel which consists of a lower part and a top part, wherein between the parts at least one upper joint plane is formed, which the outer periphery passes through the piston, wherein in the region of the upper joining plane opposite an upper bottom part and an upper Oberheeilhege Structure are formed and / or between the parts at least one lower joint plane is formed, which does not pass the outer periphery of the piston, wherein in the region of the lower joining plane opposite one at least in a partial region of the at least one joining plane between the joining surfaces is arranged at least one soldering gap, with the following method steps: a) producing a U nterteils and a shell with at least one
  • AFP steel precipitation hardening ferritic-periitic steel
  • Bainite or ferrite-perlite region Bainite or ferrite-perlite region
  • the cooling process is completed when the piston blank has a temperature of less than 200 ° C and preferably a ferritic-pearlitic and / or bainitic microstructure is set.
  • the previously described methods make it possible to carry out the joining step for lower part and upper part of the piston blank or of the piston in one method.
  • the amount of heat applied to the solder joint also serves to form the desired microstructure in the bulb. This saves handling time, energy and process time in relation to the entire manufacturing process. This leads to a significant reduction in manufacturing costs for the respective piston.
  • the isothermal hold takes place between 5 and 30 minutes, preferably between 10 and 20 minutes. This ensures that the desired structure is formed in the piston.
  • the invention provides that at least the process steps e, f and g are carried out in a vacuum oven. This supports the flow of solder within the at least one solder gap. This supports the production of a connection between lower part and upper part of the piston or piston blank without air inclusions. This in turn increases the reliability of the internal combustion engine with such a piston.
  • the invention provides that during the implementation of the method, the lower part is arranged above the upper part. This arrangement supports the positioning of the lower part to the upper part, since the greater mass of the lower part in the direction of gravity acts. Furthermore, the invention provides that draws the solder under the action of capillary effect and / or atmospheric pressure in the at least one soldering gap by a pressure compensation element.
  • the pressure compensation element effectively aids in the flow of the solder within the solder joint and prevents or at least prevents the formation of air voids in the solder joint.
  • the invention provides that the positioning of lower part to upper part is done by a centering. This allows a precise joining of lower part and upper part.
  • the joining method according to the invention provides a more cost-efficient joining technology to the existing friction welding method and method with separate joining step and heat treatment step. There is no need for a separate heat treatment after joining, since the soldering and the heat treatment takes place in one process step.
  • Scope of process control and control of the cooling parameters during forging, for example at the raw parts supplier, is simplified or reduced. There is a reduction in the cycle time and the resulting reduction in component costs.
  • a joining surface is located in a ring field and in a combustion chamber and comprises no or at least one annular groove and no or a proportionate hollow neck of this combustion chamber trough.
  • the setting of a defined soldering batch is carried out by means of a centering located on the upper part. The centering sets an inner and outer solder gap, for example, 0.3 mm.
  • Lower part and upper part are soldered "over head, so that the mass or the dead weight of the lower part (main part) can act on the upper part (ring element).
  • the upper part has after the finish division of the piston on the ring field and is therefore also referred to as a ring element.
  • the upper part regularly has a lower mass than the lower part, therefore the lower part is arranged above the upper part for joining, as seen along the piston stroke axis.
  • the larger mass of the lower part supports the formation of a jointed solder joint between the lower part and the upper part of the piston.
  • an iron-containing dacagnettel in particular a Fe solder is provided.
  • the upper and / or lower part of tempered steel and / or micro-alloyed steel and / or AFP steel and / or bainitic steel consists.
  • the heat treatment after completion of the soldering process, in particular using a microalloyed and / or baint steel, is carried out under the following procedure:
  • Piston material for microalloyed and baint steel
  • Piston material can be made in 2 variations:
  • the piston has a ferritic-pearlitic and / or bainitic microstructure
  • the piston has a compensation structure and a hardness of> 310 HB
  • the 42CrMo4 tempered steel is considered to be a very good compromise in terms of formability, strength properties, scale resistance, machinability, and cost for higher specific power applications in internal combustion engine pistons.
  • Heat-treatable steels are steels which, by means of a tempering treatment (tempering followed by tempering), assume a relatively high strength combined with good toughness. This group starts with simple low carbon steels. For small cross sections, these materials can be brought to a higher hardness by tempering. at For larger cross-sections, however, the hardenability of unalloyed carbon steels is not sufficient for hardening right down to the core. In order to achieve the generally desired martensitic structure formation in the core at larger cross-sections, the steel must be alloyed with hardenability-enhancing elements such as chromium, molybdenum or nickel.
  • microalloyed steels provide advantages for internal combustion engine pistons.
  • microalloyed steels are referred to which 0.01 to 0.1 mass percent of aluminum, niobium, vanadium and / or titanium were alloyed in order to achieve a high strength, for example, by formation of carbides and nitrides and grain refining.
  • Micro-alloyed cold-forming steels are steels with high yield strength or high strength.
  • HSLA steels High Strength Low Alloy
  • the high strength values are achieved by precipitation hardening and refinement while minimizing the proportion of alloying elements.
  • Low-alloyed HSLA steels are particularly suitable for the production of pistons for internal combustion engines. Depending on the yield strength, all grades of these steels have excellent cold-formability and excellent brittle fracture resistance at low temperatures. All HSLA steels are characterized by good fatigue strength and high impact resistance. Due to these good mechanical properties, HSLA steels are suitable for producing pistons for internal combustion engines.
  • Bainite is an intermediate structure, it can arise during the heat treatment of carbon steel.
  • the term "interstitial structure” is used synonymously with bainite in German-speaking countries. Bainite forms at temperatures intermediate to those for perlite or martensite formation.
  • Umkiappvor Cyprus are coupled in the crystal lattice and diffusion processes, thereby various conversion mechanisms are possible. Due to the dependence on cooling rate, carbon content, alloying elements and the resulting formation temperature, the bainite has no characteristic structure.
  • Bainite like perlite, consists of the phases ferrite and cementite (Fe3C) but differs from the periite in shape, size and distribution. Basically, a distinction is made between two main structural forms, the upper bainite (also granular bainite) and the lower bainite. Bainitization or isothermal conversion in the bainite stage is austenitization followed by quenching to temperatures above the arsenite start temperature M s . The cooling rate for the piston is chosen so that no conversion can take place in the Periitcut. When held at the temperature above Ms, the austenite in the flask converts to bainite as completely as possible.
  • the upper bainite is formed in the upper temperature range of bainite formation, it has a needle-shaped structure that is very reminiscent of martensite. Due to the favorable conditions for the diffusion, the carbon in the flask diffuses to the grain boundaries of the ferrite nadein. In the piston arise here irregular and broken cementite crystals. Because of the random distribution, the structure in the piston often has a grainy appearance. In case of insufficient metallographic analysis, the microstructure can easily be confused with perlite or the Widmanmaschinen microstructure.
  • the lower bainite is formed in the flask only with continuous cooling in the lower temperature range of bainite formation. Due to the formation of ferrite, the austenite accumulates in carbon. Upon further cooling, the austenite areas in the piston are transformed into ferrite, cementite, needle-like bainite and martensite. Bainitizing reduces inherent stresses in the piston and increases toughness, making it suitable for crack-sensitive steels and intricately shaped pistons.
  • Isothermal bainite transformation offers a number of advantages. In the lower bainite range, in addition to high strengths, very good toughness properties are achieved in the piston, as shown for steels with a carbon content of 0.1 to 1%. The chromium content was varied from 0 to 1% and the silicon content from 0.1 to 0.6%. At transformation temperatures of 400 to 600 ° C, a yield ratio of 0.6 to 0.8 was determined. For tensile strengths above 850 N / mm 2 , the steels converted to bainite showed superior ductility over normally tempered steels. These very good mechanical properties of the bainite are retained up to the lowest temperatures. In addition, the elongation at break, fracture necking and impact strength are higher than comparable strength after normal tempering. The creep rupture strength, fatigue strength and time fatigue strength are also favorably influenced by this heat treatment process.
  • the conversion in the Batnitrun is not only interesting because of the good mechanical properties for pistons, but also in the aspect of low distortion and virtually free from heat treatment. Due to the relatively high transition temperatures, both quenching and transformation stresses are much lower than in conventional curing. In addition, the transformation in the bainite step is associated with significantly smaller volume changes than the martensitic transformation.
  • the microstructural definition of bainite here is considered to be a non-lamellar product of eutectoid disintegration of ferrite and carbide in iron-based materials bainite. The two product phases form diffusion-controlled time sequentially, with the carbides precipitating either in the first formed ferrite or at its interface.
  • Martensite is a metastable structure of solids, which diffusely and athermically created by a cooperative shearing motion from the initial structure. Cooperative movement means that the martensite lattice arises only from ordered angles and positional changes from the initial lattice. The individual atoms move only by fractions of the atomic distance. The midrib of each resulting martensite plate, called the invariant habitat plane, does not participate in the folding. For steels, martensitic transformation is a commonly used possibility of property control.
  • martensite is formed by a diffusion-free folding process from the face-centered cubic lattice of austenite to a hdP (hexadiagonal closest packing) lattice, during rapid cooling to a temperature below the martensite start temperature. The conversion stops, though the cooling is stopped. Once the arsenite finish temperature has been reached, the volume fraction of martensite does not increase further with further cooling.
  • hdP hexadiagonal closest packing
  • AFP steels also offer advantages for applications with pistons for medium-duty internal combustion engines for economic reasons.
  • Precipitation-hardening ferritic-perlitic steels are essentially carbon steels, which are additionally alloyed with about 0.1-0.4% vanadium. If the flask is hot forged, its structure is austenitic at about 1250 ° C during hot forging and the vanadium is completely dissolved in the austenite lattice. After the forging process of the piston, the austenite is transformed by a controlled cooling in air only partially into the ferritic and further falling temperature then additionally into the pearlitic microstructure. This corresponds to the processes that occur even with simple carbon steels during cooling.
  • the vanadium has a significantly lower solubility, resulting in a considerable precipitation pressure. Since the element can still diffuse sufficiently even at lower temperatures, precipitates are formed: the vanadium combines with carbon and optionally with nitrogen to form vanadium carbides or carbonitrides. These precipitates responsible for increasing the strength are distributed uniformly throughout the structure and have dimensions in the one or two-digit nanometer range. Thus, they can effectively inhibit the movement of dislocations (precipitation strengthening). As a result, yield strength and tensile strength of these steels increase significantly over comparable non-vanadium alloys.
  • Austenite is the metallographic term for the cubic-face-centered modification (phase) of pure iron and its mixed crystals.
  • the austenitic phase (defined by the cubic face-centered lattice structure) occurs between temperatures of 1392 ° C and 911 ° C as ⁇ -iron in pure iron. Upon cooling, it forms from the ⁇ -ferrite through a polymorphic transformation. If carbon is added as an alloying element, the austenite is present as a storage mixed crystal.
  • the cubic face-centered austenitic lattice has octahedron gaps with a radius of 0.41 R. Despite the greater packing density, austenite can therefore dissolve significantly more carbon atoms than the krz ferrite lattice.
  • the carbon solubility of the aüstenits is at a temperature of 723 ° C at 0.8%.
  • the maximum solubility is 1147 ° C with 2.06% carbon.
  • the rate of diffusion in austenite is smaller than in ferrite.
  • the austenitic phase has paramagnetic properties, it is not magnetizable.
  • Ferrite is the metallographic term for the cubic-body-centered modification (phase) of pure iron and its mixed crystals.
  • Cementite is a compound of iron and carbon of composition Fe3C (iron carbide) and occurs as a metastable phase in steel.
  • the perlite is a lameliar arranged, eutektoider structural component of the steel. It is a phase mixture of ferrite and cementite, which occurs by coupled crystallization in iron-carbon alloys at carbon contents between 0.02% and 6.67%.
  • the eutectoid point (100% conversion to perlite) is 723 ° C and 0.83% carbon.
  • Perlite is up to 2.06% carbon as a separate structural component, above 2.06% carbon it is part of the Ledeburit II (elekticians structure). Embodiments of the invention are shown in the figures and described below.
  • FIG. 2 shows a detail according to II in FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a section of a piston blank in the joining position
  • FIG. 4 shows a diagram referred to as a time-temperature conversion diagram (ZTU).
  • ZTU time-temperature conversion diagram
  • FIG 1 the detail of a piston blank 1, comprising a lower part 2 and an upper part 3, is shown.
  • an upper joining plane 6 is arranged between lower part 2 and upper part 3.
  • This upper joint plane 6 is arranged in the outer circumference of a cooling channel 14 or outside of the cooling channel 14.
  • an upper lower part-joining surface 16 on the lower part 2 and an upper upper-part joining surface 17 on the upper part 3 are formed opposite one another.
  • an upper soldering gap 4 is formed between the upper lower part surface 16 and the upper upper part surface.
  • a lower joining plane 15 is arranged between the lower part 2 and Oberteii 3. This joining plane is arranged in the inner circumference of the cooling channel 14 or outside of the cooling channel 14.
  • a lower soldering gap 5 is formed between the lower lower part surface 18 and the lower upper part surface 19.
  • the lower soldering gap 5 has a gap dimension x, which is shown in FIG.
  • the gap x is, for example, 0.1 mm.
  • FIG. 2 shows the detail marked II in FIG. 1 in the region of the soldering gap 5.
  • a stop 7 is formed in the region of the lower joining plane 15 between lower part 2 and upper part 3.
  • a pressure compensation element 9 is arranged in the form of a bore. In the joining position of the piston blank, shown in Figure 3, this pressure compensation element 9 with respect to the Koibenhubachse diagonally down, so that the force of gravity can act on the solder.
  • the force F is shown in FIG.
  • FIGS. 1, 2 and 3 a finished contour 10 is shown as a dashed line.
  • This finished contour 10 describes the course of the boundary line of Mozusden from the piston blank 1, shown here only by its contour piston 50 for an internal combustion engine.
  • the area with the stop 7, the centering 8 and the pressure compensation element is provided only for joining the lower part 2 and upper part 3 and is removed in a later step to form a combustion bowl.
  • FIG. 1 shows a later tray neck 11 and a later tray edge 12 of this combustion chamber trough. Also not worked out from the Koibenrohling 1 ring field 13 is located.
  • a time-temperature conversion (ZTU) diagram is therefore chosen as a diagram (FIG. 4).
  • ZTU diagram the microstructure development can be tracked at different temperature gradients and cooling routes during the heat treatment of a piston for internal combustion engines.
  • isothermal the continuous ZTU diagram.
  • a continuous ZTU diagram is shown in FIG. After austenitizing, the flask is cooled to room temperature with various cooling rates. The conversion points are recorded. In addition, the achievable hardness is usually noted at the end of the cooling curve.
  • the cooling rate to be aimed at quenching an austenitized steel can be evaluated by continuous time-temperature conversion graphs.
  • Figure 4 shows one, the structural states occurring along certain cooling curves are noted within the piston as a function of temperature and time.
  • an austenite region 110, a ferrite region 111, a pearlite region 112, a bainite or interstage region 113 and martensite region 114 occur.
  • a high cooling rate 121, an increased cooling rate 122, and a slow cooling rate 123 are shown in FIG.
  • Cooling routes 101, 102 are shown in FIG.
  • the cooling route 101 represents a continuous cooling.
  • the target area in the time-temperature conversion (ZTU) diagram is controlled in order to set the intended structure.
  • the cooling process takes place in a vacuum oven.
  • the bainite target for bainitic steels is targeted at a cooling rate of 0.25 to 5 K / s (Kelvin per second).
  • the resulting mixed structure has portions of lower and upper bainite.
  • the target area ferrite perlite for precipitation-hardening ferritic-perlitic steels (AFP steels) is controlled at cooling rates of 5 to 45 K / min.
  • the Abkühlroute 102 is a cooling to the isothermal transition temperature between 350 and 650 ° C and subsequent holding is.
  • the cooling to isothermal transition temperature is carried out at cooling rates of 250 - 10 K / s with an isothermal Haitezeit of at least 15 minutes.
  • the mixed structure of lower and upper bainite can be adjusted specifically. The cooling process takes place in a vacuum oven.
  • cooling route 101 is traced to the intersection point 150 of the Abkühirouten 101 and 102 and from the crossing point 150, the Abkühlroute 102 followed up.
  • the temperature is kept isothermal for at least 15 minutes. If the limit 140 is exceeded, the microstructure transformation is completed. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (50) für Brennkraftmaschinen, welcher aus einem Unterteil (2) und einem Oberteil (3) besteht, wobei zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine obere Fügeebene (6) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene (6) gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche (16) und eine obere Oberteilfügefläche (17) ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine untere Fügeebene (15) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene (15) gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche (18) und eine untere Oberteilfügefläche (19) ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene (6, 15) zwischen den Fügeflächen (16, 17; 18, 19) mindestens ein Lötspalt (4, 5) angeordnet ist, wobei im Bereich der mindestens einen Fügeebene (6, 15) zwischen dem Unterteil (2) und dem Oberteil (3) eisenhaltiges Lot eingebracht ist, sowie mehrere Verfahren zu seiner Herstellung.

Description

Kolben für eine Brennkraftmaschine
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen sowie mehrere Verfahren zur Herstellung eines Koibens gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.
Der in Rede stehende Kolben entsteht durch stoffschlüssiges Fügen eines Unterteils mit einem Oberteil zu einem Kolbenrohling und späterer Bearbeitung des Kolben rohlings zu dem Kolben.
Die WO 2011/006469 A1 zeigt einen mehrteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens. Das Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens für einen Verbrennungsmotor umfasst die folgenden Verfahrensschritten: Herstellen eines Kolbenoberteils und eines Kolbenunterteils mit jeweils einem inneren Stützelement mit Fügeflächen und einem äußeren Stützelement mit Fügeflächen, Aufbringen eines Hochtemperatur-Lotwerkstoffs im Bereich mindestens einer Fügefläche, Zusammensetzen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil zu einem Kolbenkörper durch Herstellen eines Kontakts zwischen den Fügeflächen, Verbringen des Kofbenkörpers in einen Vakuumofen und Evakuieren des Vakuumofens, Erwärmen des Kolbenkörpers bei einem Druck von höchstens 10~2 mbar auf eine Löttemperatur von höchstens 1300 °C, und Abkühlen des gelöteten Kolbens bei einem Druck von höchstens 102 mbar bis zur vollständigen Erstarrung des Hochtemperatur- Lotwerkstoffs. Die WO 2011/006469 A1 betrifft ferner einen mit diesem Verfahren herstellbaren mehrteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor, bei welchem ringförmige innere Stützelemente vorgesehen sind, die einen äußeren umlaufenden Kühlkanal und einen inneren Kühlraum begrenzen. In der DE 10 2008 038 325 A1 wird ein Verfahren zur Befestigung eines Ringeiementes auf einem Kolben für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen, bei dem das Ringelement über ein auf der radialen Außenfläche eines Teils des Kolbenbodens angebrachtes Gewinde auf den Kolbengrundkörper aufgeschraubt wird, in den Kolbenboden im Bereich des Gewindes eine nach oben offene, umlaufende Nut eingeformt wird, die Nut mit Lötmaterial gefüllt wird, der Kolben erhitzt wird, bis sich das Lötmaterial verflüssigt und zwischen die Gewindegänge des Gewindes fließt, und anschließend der Kolben abgekühlt wird. Dadurch ergibt sich eine Schraubverbindung zwischen dem Kolbengrundkörper und dem Ringelement. Eine Schraubverbindung erfordert zusätzliche Teile und ist zeitaufwändig in der Herstellung.
Schweißen (Laserschweißen, Reibschweißen) zum Fügen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolben inklusiv Spannungsarmglühen mit anschließender, zusätzlicher Wärmebehandlung (Vergüten) ist Zeit- und Kosten-intensiv.
Im Stand der Technik erfolgt in einem Arbeitsschritt die Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil eines Koibenrohlings bzw. Kolbens, insbesondere als Lötverbindung. In mindestens einem weiteren Arbeitsschritt erfolgt die Wärmebehandlung zur Ausbildung des vorgesehen ferritisch- karbidischen Gefüges, das Vergüten. Dies erfordert einen doppelten Wärmeeintrag in die Kolbenstruktur und ist zeitaufwändig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kolbenrohling sowie einen daraus gefertigten Kolben, welcher die zuvor genannten Nachteile nicht aufweist, sowie mehrere Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Kolbenrohlings bzw. Kolbens bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolbenrohling, einen Kolben und mehrere Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Erfindungsgemäß ist ein Kolbenrohling zur Herstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbenrohlings durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche und eine obere Oberteilfügefläche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbenrohlings nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche und eine untere Oberteilfügefläche ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügeflächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, wobei eine Zentrierung zur lagerichtigen Anordnung von Unterteil und Oberteil in mindestens einem Lötspalt vorgesehen ist. Durch diese Anordnung der mindestens einen Fügefläche liegt diese bevorzugt am äußeren Rand des Ringfeldes oder sogar außerhalb des Ringfeldes in den Bolzenbohrungen entgegengesetzter Richtung. Der in der Fügefläche ausgebildete Lötspalt ist somit vom Umfang des Kolben rohlings aus leicht zugänglich. Weiterhin befindet sich die mindestens eine Fügefläche in einem Bereich der bei der Schaffung der Brennraummulde aus dem Kolbenrohling entfernt wird. Auch wird somit ermöglicht, dass Muldenhals und Muldenrand der Brenn räum mulde integral ausgeführt sind. In diesen mindestens einen Lötspalt kann Lot zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil des Kolbenrohlings eingebracht werden.
Der Begriff „obere" beschreibt Elemente bzw. Bereiche, die im Bezug zur oberen Fügeebene des Kolbenrohlings bzw. des Kolbens stehen. Somit sind die obere Unterteilfügefläche, die obere Oberteilfügefläche und der obere Lötspalt der oberen Fügeebene zuzuordnen. Der Begriff „untere" beschreibt dementsprechend Elemente bzw. Bereiche, die im Bezug zur unteren Fügeebene des Kolbenrohlings bzw. des Kolbens stehen. Daraus folgend sind die untere Unterteilfügefläche, die untere Oberteilfügefläche und der untere Lötspalt der unteren Fügeebene zuzuordnen. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Spaitmaß zwischen Unterteil und Oberteil des mindestens einen Lötspalts zwischen 0,05 mm und 0,5 mm, bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,4 mm beträgt. Hierdurch kann die Menge des eingesetzten Lots variiert werden. Abhängig von der späteren Beanspruchung des Kolbens in der jeweiligen Brennkraftmaschine kann die Lotmenge eingestellt werden. Unter Beanspruchung werden unterschiedliche Belastungen durch die Verwendung der Brennkraftmaschine aufweisend einen entsprechenden Kolben in verschieden Fahrzeugen wie beispielsweise Lastkraftwagen, Personenkraftwagen, Triebfahrzeuge, Lokomotiven oder Schiffen verstanden.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zentrierung das Spaltmaß aufweist. Vorteilhaft wird durch die Zentrierung das Spaltmaß für den mindestens einen Lötspalt erzeugt. Die Zentrierung befindet sich bevorzugt in einem Bereich der mindestens einen Fügefläche, welcher bei der Schaffung der Brennraummulde des Kolbens entfernt wird. Durch die Zentrierung erfolgt ein Formschluss zwischen den korrespondierenden Durchmessern des Unterteils und des Oberteils des Kolbenrohlings.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass am Oberteil des Kolbenrohlings ein Druckausgleichselement vorgesehen ist, welches in mindestens einem Lötspalt mündet. Das Druckausgieichselement unterstützt den Lotfluss in den mindestens einen Lötspalt. Hierdurch wird gewährleistet, dass keine Lufteinschlüsse im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil des Kolbenrohlings bzw. des daraus entstehenden Kolbens vorliegen. Überflüssiges Lot wird bei der Erstellung der Brennraummulde mit dem Druckausgleichselement zusammen entfernt. Somit wird eine sichere, hochfeste Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil des Kolbens geschaffen.
Alternativ oder ergänzend ist vorgesehen, dass an dem Unterteil des Kolbenrohlings ein Druckausgleichselement vorgesehen ist, welches dauerhaft in dem Unterteil verbleibt und vorzugsweise in einen Kühlkanal mündet. Auch hierdurch ergeben sich die vorstehend beschriebenen Vorteile insbesondere hinsichtlich des Lotflusses. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Druckausgleichselement diagonal im Bezug auf die Koibenhubachse angeordnet ist. Bei der Durchführung des Fügeprozesses ist das Unterteil bevorzugt über dem Oberteil angeordnet. Somit unterstützt die diagonale Anordnung des Druckausgleichselements den Fluss des Lots. Neben Kapillareffekten fließt das Lot somit Schwerkraft unterstützt.
Erfindungsgemäß ist ein Kolben für Brennkraftmaschinen vorgesehen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteiifügefläche und eine obere Oberteilfügefläche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche und eine untere Oberteilfügefläche ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügefiächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, wobei im Bereich der mindestens einen Fügeebene zwischen dem Unterteil und dem Oberteil eisenhaltiges Lot eingebracht ist. Eisenhaltiges Lot, beispielsweise Fe-Lot, ermöglicht die Durchführung des Lötprozesses und des Vergütungsprozesses in einem Arbeitsschritt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Unterteil und/oder das Oberteil aus Vergütungsstahl und/oder mikrolegiertem Stahl und/oder AFP-Stahl und/oder bainitischem Stahl besteht. Die zuvor genannten Stahlsorten sind Prozessen zur Änderung der Gefügestruktur zugänglich. Hierdurch kann entsprechend dem Einsatzzweck des Kolbens in einer Brennkraftmaschine eine geeignete Stahlsorte ausgewählt und thermisch behandelt werden. Abhängig von der Leistung und der Belastung des Kolbens während des Betriebs der Brennkraftmaschine kann eine geeignete Stahlsorte ausgewählt werden. Eine Beschreibung der Stahlsorten und ihrer Eignung zur Verwendung zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen erfolgt in nachgelagerten Textpassagen. Weiterhin sind bevorzugte Lotmaterialen angegeben, die sich aus verschiedenen Legierungselementen zusammensetzen. Diese Lotmaterialien haben besonders vorteilhafte Wirkungen im Zusammenhang mit den Materialien Vergütungsstahl und/oder mikroiegiertem Stahl und/oder AFP-Stahl und/oder bainitischem Stahl, da durch sie ein einfacher Fügeprozess gegeben ist und die beiden gefügten Teile dauerhaft im Betrieb unter hohen Beanspruchungen zusammengefügt bleiben.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines Vergütungsstahls vorgesehen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche und eine obere Oberteilfügefläche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche und eine untere Oberteilfügefläche ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügeflächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils und eines Oberteils mit mindestens einer
Fügefläche,
b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche,
c) Zusammensetzen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolbenrohling durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche, wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts keine Berührung vorliegt, d) Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis
1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,
e) Erwärmen des Kolbenrohlings auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung,
f) Abkühlen des Kolben rohlings auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, g) Durchführung eines Vergütungsprozesses für den Kolbenrohling, durch
Abschrecken und anschließend Anlassen,
h) Der Vergütungsprozess ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohiing eine
Temperatur von unter 200 °C und bevorzugt ein Vergütungsgefüge und eine Härte von > 310 HB aufweist.
Alternativ ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines mikrolegierten und/oder bainitischem Stahls vorgesehen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche und eine obere Oberteilfügefläche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche und eine untere Oberteilfügefläche ausgebildet sind, wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügeflächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils und eines Oberteils mit mindestens einer
Fügefläche,
b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche,
c) Zusammensetzen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolbenrohling durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche, wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts keine Berührung vorliegt, d) Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis
1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,
e) Erwärmen des Kolbenrohlings auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschiüssigen Lötverbindung,
f) Abkühlen des Kolbenrohlings auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings mit Abkühlraten zwischen 0,25 und 5 K/s zum Durchschreiten des Bainitgebietes bzw. Ferrit-Perlit-Gebiets, Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohling eine Temperatur von weniger als 200 °C aufweist und bevorzugt eine ferritisch- perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur vorliegt.
Alternativ ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines mikrolegierten und/oder bainitischem Stahls vorgesehen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche und eine obere Oberteilfügefläche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, weiche den äußeren Umfang des Kolbens nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteüfügefläche und eine untere Oberteilfügefläche ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügeflächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils und eines Oberteils mit mindestens einer
Fügefläche,
b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche,
c) Zusammensetzen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolbenrohling durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche, wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts keine Berührung vorliegt, d) Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis
1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,
e) Erwärmen des Kolbenrohiings auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung,
f) Abkühlen des Kolbenrohlings auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings mit Abkühiraten zwischen 0,25 und 5 K/s auf eine isotherme Umwandlungstemperatur zwischen 350 und 650 °C mit nachfolgendem isothermen Halten zum Durchschreiten des
Bainitgebietes bzw. Ferrit-Perlit-Gebiets,
Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Koibenrohiing eine Temperatur von unter 200 °C und bevorzugt eine ferritisch-perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur aufweist.
Alternativ ist ein Verfahren zur Hersteilung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines mikrolegierten und/oder bainitischem Stahls vorgesehen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche und eine obere Oberteilfügefläche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche und eine untere Oberteilfügefläche ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügeflächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten:
Herstellen eines Unterteils und eines Oberteils mit mindestens einer
Fügefläche,
Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche,
Zusammensetzen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolbenrohling durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefiäche, wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts keine Berührung vorliegt,
Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis 1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,
Erwärmen des Kolbenrohiings auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung, f) Abkühlen des Koibenrohlings auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, g) Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings mit Abkühlgradienten zwischen 250 und 10 K/s auf eine isotherme Umwandlungstemperatur zwischen 350 und 650 °C mit nachfolgendem isothermen Halten,
h) Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohling eine Temperatur von unter 200 °C und bevorzugt eine ferritisch-perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur aufweist.
Alternativ ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stahls (AFP- Stahls) vorgesehen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche und eine obere Oberteilfügefiäche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche und eine untere Oberteilfügefiäche ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügeflächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils und eines Oberteils mit mindestens einer
Fügefläche,
b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche,
c) Zusammensetzen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolbenrohling durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche, wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts keine Berührung vorliegt, d) Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis
1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,
e) Erwärmen des Kolbenrohlings auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung, f) Abkühlen des Kolbenrohlings auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, g) Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings mit Abkühiraten zwischen 5 und 45 K/min zum Durchschreiten des Bainitgebietes bzw. Ferrit-Perlit-Gebiets, h) Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohling eine Temperatur von unter 200 °C aufweist und bevorzugt eine ferritisch-perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur eingestellt ist.
Alternativ ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines ausscheidungshärtenden ferritisch-periitischen Stahls (AFP- Stahls) vorgesehen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche und eine obere Oberteilfügefläche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche und eine untere Oberteilfügefläche ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügeflächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils und eines Oberteils mit mindestens einer
Fügefläche,
b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche,
c) Zusammensetzen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolbenrohling durch Hersteilen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche, wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts keine Berührung vorliegt, d) Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis
1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,
e) Erwärmen des Kolbenrohlings auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung, Abkühlen des Koibenrohlings auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings mit Abkühlraten zwischen 5 und 45 K/min auf eine isotherme Umwandlungstemperatur zwischen 350 und 650 °C mit nachfolgendem isothermen Halten zum Durchschreiten des
Bainitgebietes bzw. Ferrit-Perlit-Gebiets,
Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohling eine Temperatur von unter 200 °C aufweist und bevorzugt eine ferritisch-perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur eingestellt ist. Die zuvor geschilderten Verfahren ermöglichen den Fügeschritt für Unterteil und Oberteil des Kolbenrohlings bzw. des Kolbens in einem Verfahren durchzuführen. Die für die Lötverbindung aufgebrachte Wärmemenge dient auch zur Bildung der gewünschten Gefügestruktur im Kolben. Es wird somit Handlingzeit, Energie und Prozesszeit bezogen auf den gesamten Herstellprozess eingespart. Dies führt zu einer deutlichen Senkung der Herstellkosten für den jeweiligen Kolben.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das isotherme Halten zwischen 5 und 30 Minuten, bevorzugt zwischen 10 und 20 Minuten erfolgt. Hierdurch wird sichergestellt, dass das gewünschte Gefüge im Kolben ausgebildet ist.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest die Verfahrensschritte e, f und g in einem Vakuumofen durchgeführt werden. Hierdurch wird der Fluss des Lots innerhalb des mindestens einen Lötspalts unterstützt. Dies unterstützt die Herstellung einer Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil des Kolbens bzw. Kolbenrohlings ohne Lufteinschlüsse. Dies wiederum erhöht die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine mit einem solchen Kolben.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass während der Durchführung des Verfahrens das Unterteil über dem Oberteil angeordnet ist. Diese Anordnung unterstützt die Positionierung des Unterteils zum Oberteil, da die größere Masse des Unterteils in Schwerkraftrichtung wirkt. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass durch ein Druckausgleichselement das Lot unter Wirkung des Kapillareffekts und/oder Atmosphärendruck in den mindestens einen Lötspalt zieht. Das Druckausgleichselement unterstützt wirksam den Fluss des Lots innerhalb der Lötverbindung und verhindert oder vermeidet zumindest die Bildung von Lufteinschiüssen in der Lötverbindung.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Positionierung von Unterteil zu Oberteil durch eine Zentrierung erfolgt. Hierdurch wird ein präzises Fügen von Unterteil und Oberteil ermöglicht.
Mit anderen Worten wird durch das erfindungsgemäße Fügeverfahren eine kosteneffizientere Fügetechnologie zum bestehenden Reibschweißverfahren und Verfahren mit getrennten Fügeschritt und Wärmebehandlungsschritt bereitgestellt. Es ist keine separate Wärmebehandlung nach dem Fügen notwendig, da das Löten und die Wärmebehandlung in einem Prozessschritt erfolgt.
Umfang der Prozessführung und Kontrolle der Abkühlparameter beim Schmieden, beispielsweise beim Rohteillieferant wird vereinfacht bzw. reduziert. Es erfolgt eine Reduzierung der Taktzeit sowie daraus resultierend eine Reduzierung Bauteilkosten.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Kolbens erfolgt in einem Arbeitsschritt die Herstellung der Lötverbindung und die Wärmebehandlung zum Vergüten des gefügten Kolbens. Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende geometrische Maßnahmen am Kolben vorgesehen. Eine Fügefläche befindet sich in einem Ringfeld und in einer Brennraummuide und umfasst keine oder mindestens eine Ringnut sowie keinen oder einen anteiligen Muldenhals dieser Brennraummulde. Die Einstellung eines definierten Lötspaits erfolgt mit Hilfe einer am Oberteil befindlichen Zentrierung. Die Zentrierung stellt einen inneren und äußeren Lötspalt von beispielsweise 0,3 mm ein. Am Oberteil befindliche Druckausgieichselemente sorgen dafür, dass das Lot unter Wirkung des Kapillareffekts und Atmosphärendruck in den Lotspalt ziehen kann. Unterteil und Oberteil werden „über Kopf gelötet, damit die Masse bzw. das Eigengewicht des Unterteils (Hauptteils) auf das Oberteil (Ringelement) wirken kann. Das Oberteil weist nach der Fertigsteilung des Kolbens das Ringfeld auf und wird daher auch ais Ringelement bezeichnet. Das Oberteil hat regelmäßig eine geringere Masse als das Unterteil, daher wird zum Fügen das Unterteil über dem Oberteil angeordnet, gesehen entlang der Kolbenhubachse. Die größere Masse des Unterteils unterstützt die Ausbildung einer iagerichtigen Lotverbindung zwischen Unterteil und Oberteil des Kolbens. Nachfolgende prozesstechnische Maßnahmen sind zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen. Zur Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil des Kolbens ist ein eisenhaltiges Verbindungsmättel, insbesondere ein Fe-Lot vorgesehen. Das Ober- und/oder Unterteil aus Vergütungsstahl und/oder mikrolegiertem Stahl und/oder AFP-Stahl und/oder bainitischem Stahl besteht.
- Die Wärmebehandlung nach Abschluss des Lötprozesses, insbesondere unter Verwendung eines mikrolegierten und/oder baintischem Stahls, erfolgt unter folgender Verfahrensweise:
o Kontinuierliches Abkühlen oder Abschrecken auf Temperatur zwischen
350 - 600 °C mit anschließendem isothermen Halten
- Prozessführung Löten (für Vergütungsstahl, mikrolegierten und bainitischen Stahl):
o Löten bei ca. 1100 - 1200 °C mit anschließender Abkühlung auf ca. 900 - 1000 °C
- Prozessführung für Wärmebehandlung Kolbenmateriai (für mikrolegierten und baintischen Stahl) kann in 2 Variationen erfolgen:
o 1.) Kontinuierliches Abkühlen mit Abkühlgradienten zum Durchschreiten des Bainit- bzw. Ferrit-Perlit-Gebiets
o 2.) Kontinuierliches Abkühlen mit Abkühlgradienten zwischen 250 und
10K/s auf isotherme Umwandlungstemperatur zwischen 350 und 650 °C mit nachfolgendem isothermen Halten - Der Kolben weist eine ferritisch-perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur auf
- Die Wärmebehandlung nach Abschluss des Lötprozesses, insbesondere unter Verwendung eines Vergütungsstahls, erfolgte unter folgender Verfahrensweise:
o Vergütungsprozess, d.h. Abschrecken und anschließend Anlassen
- Der Kolben weist eine Vergütungsgefüge und eine Härte von > 310 HB auf
Die Einführung der Common-Rail-Dieseltechnologie steigerte den Absatz von Fahrzeugen mit Dieselantrieb beträchtlich. Zu Beginn dieser Entwicklung betrug der Druck in den Common-Rail-Diesel-Brennkraftmaschinen ca. 1200 bar. Die fortlaufende Verbesserung dieser Technologie führte zur Entwicklung von Common- Rail-Diesel-Brennkraftmaschinen mit Drücken zwischen 2200 und 2400 bar. Die ständig zunehmenden Umweltauflagen hinsichtlich der Einschränkung und Reduktion von Emissionen, wie Stickoxide (NOx) und Kohlendioxid (CO2), als auch Rußpartikeln, erfordert eine immer sauberere Verbrennung des Dieselkraftstoffes im Zylinder. Dies kann erreicht werden, indem die Effizienz der Common-Rail-Diesei- Brennkraftmaschinen durch Verbesserung der Einspritztechnologie gesteigert wird. Hierzu ist es notwendig, den Einspritzdruck in der Brennkraftmaschine zu erhöhen. Die folgenden Textpassagen befassen sich mit der Eignung der Stahlsorten für die Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen, sowie den im Vergütungsprozess entstehenden Gefügen. Beispielsweise der Vergütungsstahl 42CrMo4 gilt für Anwendungen höherer spezifischer Leistungen bei Kolben für Brennkraftmaschinen als ein sehr guter Kompromiss in Bezug auf seine Umformbarkeit, seine Festigkeitseigenschaften, Zunderbeständigkeit, Bearbeitbarkeit und Kosten. Vergütungsstähle sind solche Stähle, die durch eine Vergütungsbehandlung (Härtevorgang mit nachfolgendem Anlassen) eine relativ hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Zähigkeit annehmen. Diese Gruppe beginnt bei den einfachen niedriglegierten Kohlenstoffstählen. Bei kleinen Querschnitten können diese Werkstoffe durch das Vergüten auf eine höhere Härte gebracht werden. Bei größeren Querschnitten reicht jedoch die Härtbarkeit der unlegierten Kohlenstoffstähle für eine Durchhärtung bis in den Kern nicht aus. Um bei größeren Querschnitten die in der Regel gewünschte martensitische Gefügeausbiidung auch im Kern zu erzielen, muss der Stahl mit härtbarkeitssteigernden Elementen wie beispielsweise Chrom, Molybdän oder Nickel legiert werden.
Für Anwendungen mittlerer Belastung bieten aus wirtschaftlichen Gründen mikrolegierte Stähle bei Kolben für Brennkraftmaschinen Vorteile. Als mikrolegiert werden Stähle bezeichnet, denen 0,01 bis 0,1 Massenprozent an Aluminium, Niob, Vanadium und/oder Titan zulegiert wurden, um beispielsweise über Bildung von Karbiden und Nitriden und Kornfeinung eine hohe Festigkeit zu erzielen. Mikrolegierte Kaltumformstähle sind Stähle mit hoher Streckgrenze oder hoher Festigkeit. Bei HSLA-Stählen (High Strength Low Alloy) werden die hohen Festigkeitswerte durch Ausscheidungshärtung und Korrngrößenverfeinerung bei gleichzeitiger Minimierung des Anteils an Legierungselementen erreicht. Dies wirkt sich nicht nur positiv auf die Lötbarkeit aus, sondern sorgt auch dafür, dass in den Lötzonen weder eine Aufweichung des Metalls noch eine Kornvergröberung eintritt. Niedriglegierte HSLA- Stähle eignen sich besonders für die Fertigung von Kolben für Brennkraftmaschinen. Je nach Streckgrenze weisen alle Güten dieser Stähle eine ausgezeichnete Kaltfumformeignung und eine hervorragende Sprödbruchfestigkeit bei niedrigen Temperaturen auf. Sämtliche HSLA-Stähie zeichnen sich durch eine gute Ermüdungsfestigkeit und eine hohe Stoßfestigkeit aus. Aufgrund dieser guten mechanischen Eigenschaften eignen sich HSLA-Stähle zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen.
Als Beispiel für einen bainitischen Stahl sei der Stahl 20MnCrMo7 (1.7911) genannt. Bei Abkühlung aus der Umformhitze bildet er stabil ein Gefüge im unteren Bainitbereich mit Martensitanteilen aus. Dieser Stahl hält Arbeitsdrücken bis zu 3000 bar in der Brennkraftmaschine stand. Es ist überraschend, dass Stähle mit einer höheren Festigkeit auch bessere Zähigkeiten aufweisen. Dies wird möglich durch die Feinkörnigkeit des bainitisch-martensitischen Gefüges im Vergleich zum Ferrit-Perlit- Gefüge der AFP-Stähle. Bainit ist ein Zwischenstufengefüge, es kann bei der Wärmebehandlung von kohlenstoffhaltigem Stahl entstehen. Synonym zu Bainit wird im deutschen Sprachraum auch der Begriff Zwischenstufengefüge verwendet. Bainit bildet sich bei Temperaturen, die zwischen denen für die Perlit- bzw. Martensitbildung liegen. Anders als bei der Bildung von Martensit sind hier Umkiappvorgänge im Kristallgitter und Diffusionsvorgänge gekoppelt, dadurch werden verschiedene Umwandlungsmechanismen möglich. Aufgrund der Abhängigkeit von Abkühlungsgeschwindigkeit, Kohlenstoffgehalt, Legierungselementen und der daraus resultierenden Bildungstemperatur, besitzt der Bainit kein charakteristisches Gefüge. Bainit besteht, ebenso wie Perlit, aus den Phasen Ferrit und Zementit (Fe3C) unterscheidet sich aber vom Periit in Form, Größe und Verteilung. Grundsätzlich wird in zwei Hauptgefügeformen unterschieden, dem oberen Bainit (auch körniger Bainit) und dem unteren Bainit. Bainitisieren oder auch isothermisches Umwandeln in der Bainitstufe ist ein Austenitisieren mit anschließendem Abschrecken auf Temperaturen oberhalb artensitstarttemperatur Ms. Die Abkühlgeschwindigkeit für den Kolben wird dabei so gewählt, dass keine Umwandlung in der Periitstufe stattfinden kann. Beim Halten auf der Temperatur oberhalb Ms wandelt sich derAustenit im Kolben möglichst vollständig zu Bainit um.
Durch eine langsame Umklappung des Austenits entstehen, von den Korngrenzen oder Störstellen ausgehend, stark an Kohlenstoff übersättigte Ferrit-Kristalle mit kubischraumzentriertem Kristallgitter (krz-Gitter) im Kolben. Der Kohlenstoff scheidet sich aufgrund der höheren Diffusionsgeschwindigkeit im krz-Gitter in Form kugeliger oder ellipsoider Zementitkristalle innerhalb des Ferritkorn aus. Ebenso kann der Kohlenstoff in den Austenitbereich des Kolbens eindiffundieren und Carbide bilden.
Der obere Bainit entsteht im oberen Temperaturbereich der Bainitbildung, er hat ein nadeiförmiges Gefüge, das sehr stark an Martensit erinnert. Durch die günstigen Bedingungen für die Diffusion diffundiert der Kohlenstoff im Kolben an die Korngrenzen der Ferritnadein. Im Kolben entstehen hier unregelmäßige und unterbrochene Zementitkristalle. Wegen der regellosen Verteilung hat das Gefüge im Kolben oft ein körniges aussehen. Bei nicht ausreichender metallografischer Analyse kann das Gefüge leicht mit Perlit oder auch dem Widmanstätten-Gefüge verwechselt werden.
Der untere Bainit entsteht im Kolben nur bei kontinuierlicher Abkühlung im unteren Temperaturbereich der Bainitbildung. Durch die Ferritbildung reichert sich der Austenit an Kohlenstoff an, bei weiterer Abkühlung wandeln sich die Austenitbereiche im Kolben in Ferrit, Zementit, nadeligen Bainit und Martensit um. Durch das Bainitisieren werden Eigenspannungen im Kolben vermindert und die Zähigkeit erhöht, so dass sich dieses Verfahren für rissempfindliche Stähle und kompliziert geformte Kolben anbietet.
Das Verformungs- und Festigkeitsverhalten eines Kolbens wird nachfolgend näher betrachtet. Die isotherme Bainitumwandlung bietet eine Reihe von Vorteilen. Im Gebiet des unteren Bainits werden neben hohen Festigkeiten sehr gute Zähigkeitseigenschaften im Kolben erreicht, wie es sich für Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 1 % zeigt. Dabei wurde der Chromgehalt von 0 bis 1% und der Siliziumgehalt von 0,1 bis 0,6 % variiert. Bei Umwandlungstemperaturen von 400 bis 600 °C wurde ein Streckgrenzenverhältnis von 0,6 bis 0,8 ermittelt. Für Zugfestigkeiten über 850 N/mm2 zeigten die in der Bainitstufe umgewandelten Stähle eine überlegene Duktilität gegenüber normal vergüteten Stählen. Diese sehr guten mechanischen Eigenschaften des Bainits bleiben bis zu tiefsten Temperaturen erhalten. Ferner sind die Bruchdehnung, Brucheinschnürung und Kerbschlagzähigkeit höher als bei vergleichbarer Festigkeit nach normaler Vergütung. Auch die Zeitstandfestigkeit, Dauerschwingfestigkeit und Zeitschwingfestigkeit werden durch dieses Wärmebehandlungsverfahren günstig beeinflusst.
Werkstoffe für Kolben mit bainitischen Gefügezuständen bringen Vorteile in der Dauerfestigkeit und Zeitfestigkeit. Es kann gezeigt werden, dass die Dauerfestigkeit bainitisch umgewandelter Proben über der von vergüteten Proben mit vergleichbarer Zugfestigkeit liegt. Es ist dabei auf eine möglichst vollständige bainitische Umwandlung zu achten. Dabei zeichnet sich das bainitische Gefüge dadurch aus, dass es durch innere oder äußere Kerben sowie von Rissen erzeugte Spannungsspitzen wirksam abbauen kann.
Die Umwandlung in der Batnitstufe ist jedoch nicht nur aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften für Kolben interessant, sondern auch unter dem Aspekt einer verzugsarmen und praktisch härteriss freien Wärmebehandlung. Infolge der relativ hohen Umwandlungstemperaturen sind sowohl die Abschreck- als auch die Umwandlungsspannungen sehr viel geringer als bei der üblichen Härtung. Zudem ist die Umwandlung in der Bainitstufe mit erheblich kleineren Volumenänderungen verbunden als die martensitische Umwandlung. Die mikrostrukturelle Definition des Bainits hierbei wird bei Eisenbasiswerkstoffen Bainit als nichtlamellares Produkt des eutektoiden Zerfalls aus Ferrit und Carbid bestehend angesehen. Die beiden Produktphasen bilden sich diffusionskontrolliert zeitlich nacheinander, wobei die Carbide sich entweder im zuerst gebildeten Ferrit oder an dessen Grenzfläche ausscheiden.
Martensit ist ein metastabiles Gefüge von Festkörpern, das diffusionslos und athermisch durch eine kooperative Scherbewegung aus dem Ausgangsgefüge entsteht. Kooperative Bewegung meint, dass das Martensitgitter nur durch geordnete Winkel und Lageänderungen aus dem Ausgangsgitter entsteht. Die einzelnen Atome bewegen sich dabei nur um Bruchteile des Atomabstands. Die als invariante Habitusebene bezeichnete Mittelrippe jeder entstandenen Martensitplatte nimmt am Umklappen nicht teil. Für Stähle ist die martensitische Umwandlung eine häufig genutzte Möglichkeit der Eigenschaftsbeeinfiussung. im Stahl des Kolbens entsteht Martensit durch einen diffusionslosen Umklappvorgang aus dem kubisch-flächenzentrierten Gitter des Austenits in ein hdP (hexadiagonal dichteste Packung) Gitter, während der raschen Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der Martensitstarttemperatur. Die Umwandlung hört auf, wenn die Abkühlung gestoppt wird. Ist die artensitfinishtemperatur erreicht, dann vergrößert sich mit weiterer Abkühlung der Volumenanteil des Martensits nicht weiter.
Auch AFP-Stähle bieten für Anwendungen bei Kolben für Brennkraftmaschinen mit mittlerer Belastung aus wirtschaftlichen Gründen Vorteile. Ausscheidungshärtende ferritisch-perlitische Stähle (AFP-Stähle) sind im Wesentlichen Kohlenstoffstähle, die zusätzlich mit ca. 0,1 - 0,4 % Vanadium legiert sind. Sofern der Kolben warm geschmiedet wird, ist während des Warmschmiedevorgangs bei ca. 1250 °C ihre Gefügestruktur austenitisch und das Vanadium ist vollständig im Austenitgitter gelöst. Nach dem Schmiedevorgang des Kolbens wandelt der Austenit durch eine kontrollierte Abkühlung an Luft erst teilweise in die ferritische und bei weiter fallender Temperatur dann zusätzlich in die perlitische Gefügestruktur um. Dies entspricht den Vorgängen, die auch bei einfachen Kohlenstoffstählen bei der Abkühlung ablaufen. Die mikrolegierten AFP-Stähle zeigen aber in der Folge einen zusätzlichen Effekt: Im Ferrit/Ferrit-Perlit-Gefüge hat das Vanadium eine deutlich niedrigere Löslichkeit, sodass ein erheblicher Ausscheidungsdruck entsteht. Da das Element auch bei niedrigeren Temperaturen noch ausreichend diffundieren kann, kommt es zur Bildung von Ausscheidungen: Das Vanadium verbindet sich mit Kohlenstoff und ggf. Stickstoff zu Vanadiumcarbiden oder -carbonitriden. Diese für die Festigkeitssteigerung verantwortlichen Ausscheidungen sind gleichmäßig im ganzen Gefüge verteilt und haben Abmessungen im ein- oder zweistelligen Nanometerbereich. Damit können sie effektiv die Bewegung von Versetzungen behindern (Ausscheidungsverfestigung). Infolgedessen steigen Streckgrenze und Zugfestigkeit dieser Stähle gegenüber vergleichbaren Legierungen ohne Vanadium deutlich an. Im Lichtmikroskop sind lediglich ferritische und perlitische Bereiche erkennbar. Erst im Transmissionselektronenmikroskop können die festigkeitssteigernden Ausscheidungen sichtbar gemacht werden. Damit können mit dieser Stahigruppe Festigkeitswerte für Kolben erzielt werden, die in den Bereich der Vergütungsstähle reichen, ohne dass ein Härte- und Anlassvorgang durchgeführt werden muss, jedoch vorteilhafterweise durchgeführt werden kann. Da der im Rahmen einer Wärmebehandlung übliche Abschreckvorgang entfällt, können auch keine Härterisse entstehen, sodass die Kolben auch nicht rissgeprüft werden müssen. Das Zusammenwirken von kostengünstigerer Legierungslage und dem Entfall einer Vergütungsbehandlung sowie auch der Rissprüfung resultiert in signifikanten Kosteneinsparungen gegenüber den Vergütungsstählen.
Austenit ist die metallographische Bezeichnung für die kubisch-flächenzentrierte Modifikation (Phase) des reinen Eisens und seiner Mischkristalle. Die austenitische Phase (definiert durch die kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur) kommt zwischen den Temperaturen 1392 °C und 911 °C als γ-Eisen bei reinem Eisen vor. Bei der Abkühlung bildet sie sich aus dem δ-Ferrit durch eine polymorphe Umwandlung. Kommt Kohlenstoff als Legierungselement hinzu, liegt der Austenit als Einlagerungsmischkristall vor. Das kubisch-flächenzentrierte Austenitgitter verfügt über Oktaederlücken mit einem Radius von 0,41 R. Trotz der größeren Packungsdichte vermag Austenit daher deutlich mehr Kohlenstoffatome zu lösen als das krz-Ferritgitter. Die Kohlenstoffiöslichkeit des Aüstenits liegt bei einer Temperatur von 723 °C bei 0,8 %. Die maximale Löslichkeit liegt bei 1147 °C mit 2,06 % Kohlenstoff. Die Diffusionsgeschwindigkeit im Austenit ist kleiner als im Ferrit. Die austenitische Phase hat paramagnetische Eigenschaften, sie ist nicht magnetisierbar. Ferrit ist die metallographische Bezeichnung für die kubisch-raumzentrierte Modifikation (Phase) des reinen Eisens und seiner Mischkristalle.
Zementit ist eine Verbindung von Eisen und Kohlenstoff der Zusammensetzung Fe3C (Eisencarbid) und tritt als metastabile Phase in Stahl auf.
Der Perlit ist ein lameliar angeordneter, eutektoider Gefügebestandteil des Stahles. Er ist ein Phasengemisch aus Ferrit und Zementit, das durch gekoppelte Kristallisation in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen bei Kohlenstoffgehalten zwischen 0,02 % und 6,67 % auftritt. Der eutektoide Punkt (100%ige Umwandlung zu Perlit) liegt bei 723 °C und 0,83 % Kohlenstoff. Bis 2,06 % Kohlenstoff liegt der Perlit als separater Gefügebestandteil vor, oberhalb von 2,06 % Kohlenstoff ist er Bestandteil des Ledeburits II (elektisches Gefüge). Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren gezeigt und nachfolgend beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Kolbenrohlings,
Fig. 2 zeigt ein Detail gemäß II in Figur 1 ,
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Kolbenrohlings in Fügeposition und Fig. 4 zeigt ein als Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild (ZTU) bezeichnetes Diagramm.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, oberhalb, unterhalb, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Vorrichtung und anderer Elemente. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, das heißt durch verschiedene Positionen und/oder spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern. Gleiche Elemente erhalten in allen Figuren gleiche Bezugszeichen.
In der Figur 1 ist der Ausschnitt eines Kolbenrohlings 1 , aufweisend ein Unterteil 2 und ein Oberteil 3, gezeigt. Zwischen Unterteil 2 und Oberteil 3 ist eine obere Fügeebene 6 angeordnet. Diese obere Fügeebene 6 ist im äußeren Umfang eines Kühlkanals 14 oder außerhalb des Kühlkanals 14 angeordnet ist. Im Bereich der oberen Fügeebene 6 sind gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche 16 am Unterteil 2 und eine obere Oberteilfügefläche 17 am Oberteil 3 ausgebildet. Zumindest teilweise ist zwischen der oberen Unterteilfügefläche 16 und der oberen Oberteilfügefläche ein oberer Lötspalt 4 ausgebildet. Weiterhin ist zwischen Unterteil 2 und Oberteii 3 eine untere Fügeebene 15 angeordnet. Diese Fügeebene ist im inneren Umfang des Kühlkanals 14 oder außerhalb des Kühlkanals 14 angeordnet. Im Bereich der unteren Fügeebene 15 sind gegenüberliegend eine untere Unterteiifügefläche 18 am Unterteil 2 und eine untere Oberteilfügefläche 19 am Oberteil 3 ausgebildet. Zumindest teilweise ist zwischen der unteren Unterteilfügefläche 18 und der unteren Oberteilfügefläche 19 ein unterer Lötspalt 5 ausgebildet.
Unterteil 2 und Oberteil 3 werden stoffschlüssig zu dem Kolbenrohling 1 gefügt, hierzu ist der obere Lötspalt 4 und der untere Lötspait 5 zwischen den beiden Teilen 2, 3 vorgesehen. Der untere Lötspalt 5 weist ein Spaltmaß x auf, welches in Figur 2 dargestellt ist. Das Spaltmaß x beträgt beispielsweise 0,1 mm.
Figur 2 zeigt das mit II in Figur 1 gekennzeichnete Detail im Bereich des Lötspalts 5. Im Bereich der unteren Fügeebene 15 zwischen Unterteil 2 und Oberteil 3 ist ein Anschlag 7 ausgebildet. Eine Zentrierung 8 der Teile 2, 3 zueinander erfolgt durch Formschluss der korrespondierenden Durchmesser von Unterteil 2 und Oberteil 3. Im Bereich des unteren Lötspalts 5 ist ein Druckausgleichselement 9 in Form einer Bohrung angeordnet. In der Fügeposition des Kolbenrohlings , dargestellt in Figur 3, weist dieses Druckausgleichselement 9 im Bezug auf die Koibenhubachse nach diagonal unten, sodass die Schwerkraft auf das Lot einwirken kann. Die Krafteinwirkung F ist in der Figur 3 eingezeichnet.
In den Figuren 1 , 2 und 3 ist eine Fertigkontur 10 als gestrichelte Linie eingezeichnet. Diese Fertigkontur 10 beschreibt den Verlauf der Begrenzungslinie des aus dem Kolbenrohling 1 herauszuarbeitenden, hier nur durch seine Kontur dargestellten Kolben 50 für eine Brennkraftmaschine. Insbesondere in der Figur 2 ist ersichtlich, dass der Bereich mit dem Anschlag 7, der Zentrierung 8 und dem Druckausgleichselement lediglich zum Fügen von Unterteil 2 und Oberteil 3 vorgesehen ist und in einem späteren Schritt zur Bildung einer Brennraummulde entfernt wird. In der Figur 1 ist ein späterer Muldenhals 11 und ein späterer Muldenrand 12 dieser Brennraummulde eingezeichnet. Auch ist das noch nicht aus dem Koibenrohling 1 herausgearbeitete Ringfeld 13 eingezeichnet. Benachbart zu diesem zukünftigen Ringfeld 13 in Richtung der zentralen Koibenhubachse befindet sich ein ringförmig umlaufender Kühlkanal 14. Zustandsschaubilder beschreiben Gleichgewichtsverhältnisse in Legierungen, beispielsweise das Fe-Fe3C-Diagramm im System Eisen-Kohlenstoff, die sich nur bei sehr langsamen Temperaturänderungen einsteilen. Bei der technischen Wärmebehandlung treten allerdings rasche Temperaturänderungen bei der Prozessführung auf. Da die Diffusion der Elemente eine zeitabhängige Größe ist, hat die Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit einen erheblichen Einfluss auf den kristallinen Zustand des metallischen Werkstoffes. Dies bedeutet, dass Zustandsdiagramme nur teilweise auf die jeweiligen Wärmebehandlungsverfahren anwendbar sind, da sie Art und Zusammensetzung der Phasen während der Temperaturführung nicht immer widerspiegeln.
Es wird daher auf eine andere Darstellungsweise zurückgegriffen, welche die Zeitabhängigkeit der Umwandlungen berücksichtigt. Zur Darstellung der Zeitabhängigkeit der Phasenumwandlungen wird daher als Diagramm ein Zeit- Temperatur-Umwandlungs- (ZTU-) Schaubild gewählt (Figur 4). Im ZTU-Diagramm kann die Gefügeentwicklung bei unterschiedlichen Temperaturverläufen und Abkühlrouten während der Wärmebehandlung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen verfolgt werden. Prinzipiell werden das isotherme und das kontinuierliche ZTU- Diagramm unterschieden. Ein kontinuierliches ZTU-Diagramm ist in der Figur 4 dargestellt. Nach der Austenitisierung wird der Kolben mit verschiedenen Abkühlgeschwändigkeiten bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Dabei werden die Umwandlungspunkte festgehalten. Zusätzlich wird am Ende der Abkühlkurve meist noch die erreichbare Härte notiert. Die bei der Abschreckbehandiung eines austenitisierten Stahles anzustrebende Abkühlgeschwindigkeit lässt sich an Hand kontinuierlicher Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder beurteilen. In solch einem Diagramm, Figur 4 zeigt eines, sind die längs bestimmter Abkühlungskurven auftretenden Gefügezustände innerhalb des Kolbens als Funktion der Temperatur und der Zeit vermerkt. In Figur 4 tritt ein Austenitbereich 110, ein Ferritbereich 111 , ein Perlitbereich 112, ein Bainit- oder Zwischenstufenbereich 113 und Martensitbereich 114 auf. Weiterhin sind in der Figur 4 eine hohe Abkühlgeschwindigkeit 121 , eine erhöhte Abkühlgeschwindigkeit 122, sowie eine langsame Abkühlgeschwindigkeit 123 eingezeichnet. Auch ist ein erster Haltepunkt beim Erwärmen 131 (Ac 1 , c = chauffage) des Kolbenwerkstoffes und ein dritter Haltepunkt beim Erwärmen 133 (Ac 3, c = chauffage) des Koibenwerkstoffes dargestellt. Weiterhin ist eine Grenze 140 eingezeichnet, bei deren Unterschreitung die Gefügeumwandlung abgeschlossen ist.
In der Figur 4 sind Abkühlrouten 101 , 102 dargestellt. Die Abkühlroute 101 stellt ein kontinuierliches Abkühlen dar. Hierbei wird das Zielgebiet im Zeit-Temperatur- Umwandlung (ZTU) Schaubild kontrolliert durchschritten, um das beabsichtigte Gefüge einzustellen. Der Abkühlvorgang findet im Vakuumofen statt. Das Zielgebiet Bainit für bainitsche Stähle wird mit einer Abkühlrate von 0,25 bis 5 K/s (Kelvin pro Sekunde) anvisiert. Das so entstehende Mischgefüge weist Anteile von unteren und oberen Bainit auf. Das Zielgebiet Ferrit-Perlit für ausscheidungshärtende ferritisch- perlitische Stähle (AFP-Stähle) wird mit Abkühlraten von 5 bis 45 K/min angesteuert. Die Abkühlroute 102 stellt ein Abkühlen auf die isotherme Umwandlungstemperatur zwischen 350 und 650 °C und anschließendes Halten dar. Gegenüber der Abkühlroute 101 ergibt sich vorteilhafterweise ein homogenes Gefüge, da bei der Phasenumwandlung nur ein Temperaturbereich durchlaufen wird. Das Abkühlen auf isotherme Umwandlungstemperatur erfolgt mit Abkühlraten von 250 - 10 K/s bei einer isothermen Haitezeit von mindestens 15 Minuten. Bei der Abkühlroute 102 lässt sich das Mischgefüge aus unteren und oberen Bainit gezielt einstellen. Der Abkühlvorgang findet im Vakuumofen statt.
Alternativ ist auch eine Kombination der Abkühlrouten 101 und 102 denkbar, hierbei wird bis zum Kreuzungspunkt 150 der Abkühirouten 101 und 102 die Abkühlroute 101 verfolgt und ab dem Kreuzungspunkt 150 die Abkühlroute 102 weiterverfolgt. Hierbei wird ab dem Kreuzungspunkt 150 die Temperatur mindestens 15 Minuten isotherm gehalten. Wenn die Grenze 140 unterschritten wird, ist die Gefügeumwandlung abgeschlossen. Bezugszeichenliste
1 Kolbenrohling
2 Unterteil
3 Oberteil
4 oberer Lötspait
5 unterer Lötspalt
6 obere Fügeebene
7 Anschlag
8 Zentrierung
9 Druckausgleichselement
10 Fertigkontur
11 Muldenhals
12 Muldenrand
13 Ringfeld
14 Kühlkana!
15 untere Fügeebene
16 obere Unterteilfügefläche
17 obere Oberteilfügefläche
18 untere Unterteilfügefläche
19 untere Oberteilfügefläche
50 Kolben
101 Abkühlroute, kontinuierliches Abkühlen
102 Abkühlroute, Abkühlen auf isotherme Umwandlungstemperatur
110 Austenit
111 Ferrit
112 Perlit
113 Bainit (Zwischenstufengefüge)
114 Martensit
121 hohe Abkühlgeschwindigkeit
122 erhöhte Abkühlgeschwindigkeit
123 langsame Abkühlgeschwindigkeit
131 Ac 1 erster Haltepunkt beim Erwärmen (c = chauffage) 133 Ac 3 dritter Haltepunkt beim Erwärmen (c = chauffage)
140 Grenze
150 Kreuzungspunkt x Spaitmaß
F Krafteinwirkung

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1.
Kolbenrohling (1) zur Herstellung eines Kolbens (50) für Brennkraftmaschinen, welcher aus einem Unterteil (2) und einem Oberteil (3) besteht, wobei zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine obere Fügeebene (6) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbenrohlings (1) durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene (6) gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche (16) und eine obere Oberteilfügefläche (17) ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine untere Fügeebene (15) ausgebildet ist, weiche den äußeren Umfang des Kolbenrohlings (1) nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene (15) gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche (18) und eine untere Oberteilfügefläche (19) ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene (6, 15) zwischen den Fügeflächen (16, 17; 18, 19) mindestens ein Lötspalt (4, 5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zentrierung (8) zur lagerichtigen Anordnung von Unterteil (2) und Oberteil (3) in mindestens einem Lötspalt (4, 5) vorgesehen ist.
2.
Kolbenrohiing (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Spaltmaß (x) zwischen Unterteil (2) und Oberteil (3) des mindestens einen Lötspalts (4, 5) zwischen 0,05 mm und 0,5 mm, bevorzugt zwischen 0, 1 mm und 0,4 mm beträgt.
3.
Kolbenrohiing (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierung (8) das Spaltmaß (x) aufweist.
4.
Kolbenrohling (1) nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Oberteil (3) des Kolbenrohlings (1) ein Druckausgieichselement (9) vorgesehen ist, welches in mindestens einem Lötspalt (4, 5) mündet.
5.
Kolbenrohling (1) nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Unterteil (2) des Kolbenrohlings (1) ein Druckausgleichselement vorgesehen ist, welches dauerhaft in dem Unterteil (2) verbleibt und vorzugsweise in einen Kühlkanal (14) mündet.
6.
Kolbenrohiing (1) nach Patentanspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement (9) diagonal in Bezug auf die Kolbenhubachse angeordnet ist.
7.
Kolben (50) für Brennkraftmaschinen, welcher aus einem Unterteil (2) und einem Oberteil (3) besteht, wobei zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine obere Fügeebene (6) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene (6) gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche (16) und eine obere Oberteilfügefläche (17) ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine untere Fügeebene (15) ausgebildet ist, weiche den äußeren Umfang des Kolbens (50) nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene (15) gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche (18) und eine untere Oberteilfügefläche (19) ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene (6, 15) zwischen den Fügeflächen (16, 17; 18, 19) mindestens ein Lötspalt (4, 5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der mindestens einen Fügeebene (6, 15) zwischen dem Unterteil (2) und dem Oberteil (3) Lot, vorzugsweise eisenhaltiges Lot, eingebracht ist.
8.
Kolben (50) nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot, vorzugsweise das eisenhaltige Lot, folgende Legierungselemente aufweist:
- Cr-Gehalt zwischen 15-35 %
- Ni-Gehalt 15-35 %
- Si-Gehalt 2-10 %
- P-Gehalt 4-8 %
- Fe: Rest
9.
Kolben (50) nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot, vorzugsweise das eisenhaltige Lot, folgende Legierungselemente aufweist:
- Cr-Gehalt zwischen 25-30 %
- Ni-Gehalt 25-30 %
- Si-Gehalt 5-9 %
- P-Gehalt 4-9 %
- Fe: Rest
10.
Kolben (50) nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot, vorzugsweise das eisenhaltige Lot, folgende Legierungselemente aufweist:
- Cr-Gehalt zwischen 15-25 %
- Ni-Gehalt 15-25 %
- Si-Gehalt 2-6 %
- P-Gehalt 4-9 %
- Cu-Gehalt: 5-15 %
- Fe: Rest
11.
Kolben (50) nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteil (2) und/oder das Oberteil (3) aus Vergütungsstahl und/oder mikrolegiertem Stahl und/oder AFP-Stahl und/oder bainitischem Stahl besteht.
12.
Kolben (50) nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot vor einem Ofenlötprozess in Pastenform aufgetragen wird und sich das dafür vorgesehene Lotdepot außerhalb des eigentlichen Fügespaltes befindet.
13.
Verfahren zur Hersteilung eines Kolbens (50) für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines Vergütungsstahls, welcher aus einem Unterteil (2) und einem Oberteil (3) besteht, wobei zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine obere Fügeebene (6) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene (6) gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche (16) und eine obere Oberteilfügef lache (17) ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine untere Fügeebene (15) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene (15) gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche (18) und eine untere Oberteilfügefläche (19) ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene (6, 15) zwischen den Fügeflächen (16, 17; 18, 19) mindestens ein Lötspalt (4, 5) angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils (2) und eines Oberteils (3) mit mindestens einer Fügefläche (6),
b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche (6),
c) Zusammensetzen von Unterteil (2) und Oberteil (3) zu einem Kolbenrohling (1) durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche (6), wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts (4, 5) keine Berührung vorliegt,
d) Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis 1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,
e) Erwärmen des Kolbenrohlings (1) auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung, Abkühlen des Kolbenrohlings (1) auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, Durchführung eines Vergütungsprozesses für den Kolbenrohling (1), durch Abschrecken und anschließend Anlassen,
Der Vergütungsprozess ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohling (1) eine Temperatur von unter 200 °C und bevorzugt ein Vergütungsgefüge und eine Härte von > 310 HB aufweist.
14.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (50) für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines mikrolegierten und/oder bainitischem Stahls welcher aus einem Unterteil (2) und einem Oberteil (3) besteht, wobei zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine obere Fügeebene (6) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene (6) gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche (16) und eine obere Oberteilfügefläche (17) ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine untere Fügeebene (15) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene (15) gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche (18) und eine untere Oberteilfügefläche (19) ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene (6, 15) zwischen den Fügeflächen (16, 17; 18, 19) mindestens ein Lötspalt (4, 5) angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils (2) und eines Oberteils (3) mit mindestens einer Fügefläche (6),
b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche (6),
c) Zusammensetzen von Unterteil (2) und Oberteil (3) zu einem Kolbenrohling (1) durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche (6), wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts (4, 5) keine Berührung vorliegt,
d) Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis 1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur, e) Erwärmen des Kolbenrohlings (1) auf eine Temperatur von 1100 bis 200 °C zur Ausführung einer stoffschiüssigen Lötverbindung,
f) Abkühlen des Kolbenrohlings (1) auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, g) Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings (1) mit Abkühlraten zwischen 0,25 und 5 K/s zum Durchschreiten des Bainitgebietes (113), bzw. Ferrit-Perlit-
Gebiets (111 , 112),
h) Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohling (1) eine Temperatur von weniger als 200 °C aufweist und bevorzugt eine ferritisch- perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur vorliegt.
15.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (50) für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines mikrolegierten und/oder bainitischem Stahls welcher aus einem Unterteil (2) und einem Oberteil (3) besteht, wobei zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine obere Fügeebene (6) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene (6) gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefiäche (16) und eine obere Oberteilfügefläche (17) ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine untere Fügeebene (15) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene (15) gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche (18) und eine untere Oberteilfügefläche (19) ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene (6, 15) zwischen den Fügeflächen (16, 17; 18, 19) mindestens ein Lötspalt (4, 5) angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils (2) und eines Oberteils (3) mit mindestens einer Fügefläche (6),
b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche (6),
c) Zusammensetzen von Unterteil (2) und Oberteil (3) zu einem Kolbenrohling (1) durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche (6), wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts (4, 5) keine Berührung vorliegt, Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis 1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,
Erwärmen des Kolbenrohlings (1) auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung,
Abkühlen des Kolbenrohlings (1) auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C,
Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings (1) mit Abkühlraten zwischen
0,25 und 5 K/s auf eine isotherme Umwandlungstemperatur zwischen 350 und
650 °C mit nachfolgendem isothermen Halten zum Durchschreiten des
Bainitgebietes (113) bzw. Ferrit-Perlit-Gebiets (111 , 112),
Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohling (1) eine
Temperatur von unter 200 °C und bevorzugt eine ferritisch-perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur aufweist.
16.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (50) für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines mikrolegierten und/oder bainitischem Stahls welcher aus einem Unterteil (2) und einem Oberteil (3) besteht, wobei zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine obere Fügeebene (6) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene (6) gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche (16) und eine obere Oberteilfügefläche (17) ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine untere Fügeebene ( 5) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene (15) gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche (18) und eine untere Oberteilfügefläche (19) ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene (6, 15) zwischen den Fügeflächen (16, 17; 18, 19) mindestens ein Lötspalt (4, 5) angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils (2) und eines Oberteils (3) mit mindestens einer Fügefläche (6),
b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche (6), c) Zusammensetzen von Unterteil (2) und Oberteil (3) zu einem Kolbenrohiing (1) durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche (6), wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts (4, 5) keine Berührung vorliegt,
d) Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis 1000°C zur Homogenisierung der Teüetemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,
e) Erwärmen des Kolbenrohlings (1) auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung,
f) Abkühlen des Kolbenrohlings (1) auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, g) Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings (1) mit Abkühlgradienten zwischen 250 und 10 K/s auf eine isotherme Umwandlungstemperatur zwischen 350 und 650 °C mit nachfolgendem isothermen Halten,
h) Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohling (1) eine Temperatur von unter 200 °C und bevorzugt eine ferritisch-perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur aufweist.
17.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (50) für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stahls (AFP- Stahls) welcher aus einem Unterteil (2) und einem Oberteil (3) besteht, wobei zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine obere Fügeebene (6) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene (6) gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche (16) und eine obere Oberteilfügefläche (17) ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine untere Fügeebene (15) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene (15) gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche (18) und eine untere Oberteiifügefläche (19) ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilberetch der mindestens einen Fügeebene (6, 15) zwischen den Fügeflächen (16, 17; 18, 19) mindestens ein Lötspalt (4, 5) angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils (2) und eines Oberteils (3) mit mindestens einer Fügefläche (6), Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche (6), Zusammensetzen von Unterteil (2) und Oberteil (3) zu einem Kolbenrohling (1) durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche (6), wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts (4, 5) keine Berührung vorliegt,
Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis 1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,
Erwärmen des Kolbenrohlings (1) auf eine Temperatur von 1100 bis 200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung,
Abkühlen des Kolbenrohlings (1) auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings (1) mit Abkühlraten zwischen 5 und 45 K/min zum Durchschreiten des Bainitgebietes (113), bzw. Ferrit-Perlit- Gebiets (111 , 112),
Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohling (1) eine Temperatur von unter 200 °C aufweist und bevorzugt eine ferritisch-perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur eingestellt ist.
18.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (50) für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stahls (AFP- Stahls) welcher aus einem Unterteil (2) und einem Oberteil (3) besteht, wobei zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine obere Fügeebene (6) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene (6) gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche (16) und eine obere Oberteilfügefläche (17) ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen (2, 3) mindestens eine untere Fügeebene (15) ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens (50) nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene (15) gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche (18) und eine untere Oberteilfügefläche (19) ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene (6, 15) zwischen den Fügeflächen (16, 17; 18, 19) mindestens ein Lötspalt (4, 5) angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils (2) und eines Oberteils (3) mit mindestens einer Fügefläche (6),
b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche (6),
c) Zusammensetzen von Unterteil (2) und Oberteil (3) zu einem Kolbenrohling (1) durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche (6), wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts (4, 5) keine Berührung vorliegt,
d) Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis 1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,
e) Erwärmen des Kolbenrohüngs (1) auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung,
f) Abkühlen des Kolbenrohlings (1) auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, g) Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings (1) mit Abkühlraten zwischen 5 und 45 K/min zum Durchschreiten des Bainitgebietes ( 13), bzw. Ferrit-Perlit- Gebiets (111 , 112) auf eine isotherme Umwandlungstemperatur zwischen 350 und 650 °C mit nachfolgendem isothermen Halten,
h) Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohling (1) eine Temperatur von unter 200 °C aufweist und bevorzugt eine ferritisch-perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur eingestellt ist.
19.
Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das isotherme Halten zwischen 5 und 30 Minuten, bevorzugt zwischen 10 und 20 Minuten erfolgt.
20.
Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Verfahrensschritte d, e und f in einem Vakuumofen durchgeführt werden.
21.
Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Durchführung des Verfahrens das Unterteil (2) über dem Oberteil (3) angeordnet ist.
22.
Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Druckausgleichselement (9) das Lot unter Wirkung des Kapillareffekts und/oder Atmosphärendrucks in den mindestens einen Lötspalt (4, 5) zieht.
23.
Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung von Unterteil (2) zu Oberteil (3) durch eine Zentrierung (8) erfolgt.
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