EP4211284A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor, verbrennungsmotor mit einem kolben und verwendung einer eisenbasierten legierung - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor, verbrennungsmotor mit einem kolben und verwendung einer eisenbasierten legierung

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EP4211284A1
EP4211284A1 EP21773566.1A EP21773566A EP4211284A1 EP 4211284 A1 EP4211284 A1 EP 4211284A1 EP 21773566 A EP21773566 A EP 21773566A EP 4211284 A1 EP4211284 A1 EP 4211284A1
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piston
based alloy
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combustion engine
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Robert Willard
Martin Popp
Thomas Hutzler
Andreas Hörauf
Philipp Koch
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0084—Pistons  the pistons being constructed from specific materials

Definitions

  • Pistons for an internal combustion engine Internal combustion engine having a piston and using an iron-based alloy
  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine and an internal combustion engine with such a piston and the use of an iron-based piston
  • alloying elements in steel are crucial for the formation of the properties and this is used in the conventional steels mentioned above.
  • the addition of chromium causes an increase in oxidation resistance, an increase in strength, a reduction in thermal conductivity but also an increase in material costs.
  • the addition of molybdenum causes an increase in oxidation resistance, an increase in (hot) strength but also an increase in material costs.
  • the addition of vanadium increases the (hot) strength but also increases the material costs.
  • niobium causes grain refinement, the formation of carbides and nitrides and a reduction in toughness and in turn an increase in material costs. This is also the case with the addition of tungsten, which also leads to an increase in (hot) strength.
  • the invention described here is based on the object of providing a piston for an internal combustion engine, which consists of an iron-based or consists of a steel alloy that ideally combines and transfers the following in a positive way to the piston:
  • thermomechanical Fatigue (TMF) d. H . adequate thermomechanical fatigue strength
  • the piston according to claim 1 is a piston for an internal combustion engine, preferably a diesel engine, which has an iron-based alloy or consists of this as the piston material, which has the following alloying elements in percent by weight (% by weight or "% by weight”):
  • Chromium (Cr) Chromium (Cr) :
  • Si Silicon (Si) :
  • V Vanadium
  • Niobium (Nb) Niobium (Nb) :
  • the iron-based alloy according to the invention can preferably be characterized or referred to as high-alloy steel and more preferably as heat-treatable steel.
  • the contents of relevant alloying elements have been further increased.
  • the iron-based alloy of the piston is characterized in particular by the alloying elements chromium, molybdenum, tungsten, niobium and vanadium, which are used in greatly increased amounts compared to the previous series alloys 42CrMo4 and 38MnVS6 to achieve improved oxidation resistance and sufficient high-temperature (alternating) strength.
  • the chromium content is advantageously selected to be comparatively high.
  • the piston material according to the invention therefore represents an iron-based alloy or. a steel that has increased oxidation resistance and sufficient strength at high temperatures and under TMF stress.
  • the piston material is nevertheless still easy to weld (e.g. by inductive welding, friction welding and/or laser welding) and can be machined.
  • the thermal conductivity is not too low and within a usable range.
  • the material costs are still within an acceptable range.
  • the piston according to the invention represents an optimal compromise between material properties and material costs, in particular when it comes to optimized oxidation resistance at high temperatures.
  • the iron-based alloy of the piston can also in percent by weight (% by weight):
  • Chromium ( Gr ) 9 , 0 up to and including 12 , 0 and/or
  • the iron-based alloy is a steel of the type X10CrMoVNb9-l or X22CrMoV12-l, i. H . consists of these . These steels are readily available and can be used directly to produce the piston according to the invention with its positive properties.
  • the iron-based alloy of the piston according to the invention is advantageously a heat-treated alloy that has or consists of at least one tempered structure, preferably tempered martensite and/or an intermediate structure, preferably bainite, and optionally has a ferrite content of ⁇ 10% in the structure. It is preferred that the alloy has or has one or more of the above types of structure. consists of . Furthermore, the alloy according to the invention is preferably a tempering steel which is tempered by tempering d. H . a combination of hardening and subsequent tempering or optional bainitizing is produced.
  • the existing carbide formers Gr, Mo and V decisively change the formation mechanism of carbides formed during tempering.
  • tempering and tempering achieves a particularly important combination of properties, namely a yield point that is still adequate, combined with a high level of ductility, which is important for safety against brittle fracture, e.g. B. the notched impact strength . Therefore tempering of the tempering structure is carried out at at least 400°C.
  • a further aspect of the present invention is an internal combustion engine, in particular a diesel engine, with a piston according to the configurations described so far.
  • the piston according to the invention transfers all of its technical advantages to the internal combustion engine, which contains the piston as a component.
  • the present invention includes the use of the previously defined iron-based alloy in all its configurations, preferably in the form of the above steels of the type X10CrMoVNb9-l or X22CrMoV12-l, for pistons of an internal combustion engine, in particular a diesel engine.

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Abstract

Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Dieselmotor, besteht aus einer eisenbasierten Legierung, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent (Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,07 bis 0,24; Chrom (Cr): > 7,0 bis 12,5; Molybdän (Mo): 0,3 bis 1,2; Mangan (Mn): 0,3 bis 0,9; Silizium (Si): < 0,5; Kupfer (Cu): < 0,3; Nickel (Ni): < 0,8; Vanadium (V): 0,15 bis 0,35; Schwefel (S): < 0,015; Phosphor (P): < 0,025; Niob (Nb): < 0,1; Stickstoff (N): < 0,07; Aluminium (Al): < 0,04; Wolfram (W): < 2,5 und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist. Ferner umfasst ist die Verwendung einer solchen eisenbasierten Legierung für Kolben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor , Verbrennungsmotor mit einem Kolben und Verwendung einer eisenbasierten Legierung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betri f ft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Kolben und die Verwendung einer eisenbasierten
Legierung für Kolben eines Verbrennungsmotors .
Stand der Technik und Hintergrund der Erfindung
Getrieben von der ökonomischen und ökologischen Forderung nach Verbrauchs- und emissionsoptimierten Transportmitteln ist in den letzten 20 Jahren eine rasante Entwicklung immer leistungs fähigerer und emissionsärmerer Verbrennungsmotoren gelungen . Ein entscheidender Schlüssel für diesen kontinuierlichen Fortschritt sind Motorkolben, die bei immer höheren Verbrennungstemperaturen und -drücken eingesetzt werden können, aber trotzdem ein geringes Gewicht bzw . Gesamtgewicht der Kolbengruppe (Kolben, Ringe , Bol zen und ggf . Pleuel ) aufweisen . Dies wird im Wesentlichen durch die Entwicklung leistungs fähigerer Kolbenwerkstof fe ermöglicht .
Ein weiterer sehr wichtiger Veränderungsschritt ist dabei der Wechsel vom Aluminium- zum Stahlmotorkolben, insbesondere bei Dieselmotorkolben . Trotz der höheren Dichte und der schlechteren Wärmeleitfähigkeit des Stahlwerkstof fes können dessen Vorteile wie höhere Festigkeit und höhere maximale Einsat ztemperatur vorteilhaft eingesetzt werden . Bisher werden überwiegend niedriglegierte und sehr preiswerte Stähle des Typs 42CrMo4 und 38MnVS 6 für Stahlkolben verwendet . Deren Einsatzbereich ist j edoch limitiert und stößt bereits bei aktuellen Entwicklungen an Grenzen . Hierbei spielt vor allem die vergleichsweise niedrige Oxidationsbeständigkeit ( Oxidation = Verzunderung bzw . Hochtemperaturkorrosion) eine entscheidende Rolle .
Es ist bekannt , dass Legierungselemente im Stahl entscheidend für die Ausbildung der Eigenschaften sind und dies wird bei den oben benannten konventionellen Stählen genutzt . Die Zugabe von Chrom bewirkt eine Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit , eine Festigkeitssteigerung, eine Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit aber auch eine Steigerung der Materialkosten . Die Zugabe von Molybdän bewirkt eine Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit , eine (Warm- ) Festigkeitssteigerung aber auch eine Steigerung der Materialkosten . Die Zugabe von Vanadium bewirkt eine (Warm- ) Festigkeitssteigerung j edoch aber ebenfalls eine Steigerung der Materialkosten . Die Zugabe von Niob bewirkt eine Kornfeinung, die Bildung von Karbiden und Nitriden und eine Reduzierung der Zähigkeit und wiederum eine Steigerung der Materialkosten . So ist es auch bei der Zugabe von Wol fram, die zudem zu einer (Warm- ) Festigkeitssteigerung führt .
Der hier beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , einen Kolben für einen Verbrennungsmotor vorzusehen, der aus einer eisenbasierten bzw . einer Stahllegierung besteht , die idealerweise das Folgende in sich vereint und in positiver Weise auf den Kolben überträgt :
■ eine höhere Oxidationsbeständigkeit verglichen mit dem bisher eingesetzten Stahlwerkstof fen;
■ eine für den Verwendungs zweck ausreichende Festigkeit bei hohen Temperaturen unter TMF-Beanspruchung ( „Thermo Mechanical Fatigue" = „TMF" ) d . h . eine ausreichende thermomechanische Ermüdungs festigkeit ;
■ eine für den Verwendungs zweck ausreichende isotherme Schwingfestigkeit ( „High Cycle Fatigue" = „HCF" ) ; eine gute Schweißbarkeit insbesondere für induktives Schweißen und Reibschweißen und generell eine gute zerspanende Bearbeitbarkeit; eine für den Verwendungszweck ausreichende Wärmeleitfähigkeit; und einen begrenzten Anstieg in den Werkstoff- und Bearbeitungskosten .
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird durch die beigefügten unabhängigen und nebengeordneten Patentansprüche definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren optionale Merkmale und spezielle Aus führungs formen .
Die obige Aufgabe wird insbesondere durch den Kolben nach Anspruch 1 gelöst. Der Kolben gemäß Anspruch 1 ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, bevorzugt einen Dieselmotor, der eine eisenbasierte Legierung aufweist bzw. als Kolbenmaterial aus dieser besteht, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent (Gew.-% bzw. „wt.-%") :
Kohlenstoff (C) : einschließlich 0,07 bis einschließlich 0,24;
Chrom (Cr) :
> 7,0 bis einschließlich 12,5;
Molybdän (Mo) : einschließlich 0,3 bis einschließlich 1,2;
Mangan (Mn) : einschließlich 0,3 bis einschließlich 0,9;
Silizium (Si) :
< 0,5; Kupfer (Cu) :
< 0,3;
Nickel (Ni ) :
< 0,8;
Vanadium (V) : einschließlich 0,15 bis einschließlich 0,35;
Schwefel (S) :
< 0,015;
Phosphor (P) :
< 0,025;
Niob (Nb) :
< 0,1;
Stickstoff (N) :
< 0,07;
Aluminium (Al) :
< 0,04;
Wolfram (W) :
< 2,5 und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist, wobei optional alle weiteren enthaltenen Elemente jeweils < 0,01 Gew.-% betragen.
Die erfindungsgemäße eisenbasierte Legierung kann bevorzugt als hochlegierter Stahl und weiter bevorzugt als Vergütungsstahl charakterisiert bzw. bezeichnet werden. Zur Steigerung und Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften wurden die Gehalte relevanter Legierungselemente weiter erhöht, insbesondere zeichnet sich die eisenbasierte Legierung des Kolbens durch die Legierungselemente Chrom, Molybdän, Wolfram, Niob und Vanadium aus, die im Vergleich zu den bisherigen Serienlegierungen 42CrMo4 und 38MnVS6 stark erhöht eingesetzt werden, um eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit und ausreichende Hochtemperatur (wechsel- ) festigkeit zu erreichen. Insbesondere ist der Chrom-Gehalt mit Vorteil vergleichsweise hoch gewählt . Obwohl in Stählen noch deutlich höhere Anteile an diesen Elementen möglich wären, wurden diese bewusst eingeschränkt , um die Schweißbarkeit , Bearbeitbarkeit , Kosten und Wärmeleitfähigkeit für die Herstellung und Anwendung zu optimieren . Das erfindungsgemäße Kolbenmaterial repräsentiert mithin eine eisenbasierte Legierung bzw . einen Stahl , die/der eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit und ausreichende Festigkeit bei hohen Temperaturen und unter TMF-Beanspruchung aufweist . Die Kolbenmaterial ist trotzdem weiterhin gut schweißbar ( z . B . durch induktives Schweißen, Reibschweißen und/oder Laserschweißen) und zerspanend bearbeitbar . Zusätzlich ist die Wärmeleitfähigkeit noch nicht zu gering und im brauchbaren Rahmen . Die Materialkosten sind aber trotzdem in einem akzeptablen Rahmen . Der erfindungsgemäße Kolben stellt einen optimalen Kompromiss aus Materialeigenschaften und Materialkosten dar, insbesondere , wenn es um eine optimierte Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen geht .
Mit Vorteil kann die eisenbasierte Legierung des Kolbens ferner in Gewichtsprozent ( Gew . -% ) :
Chrom ( Gr ) : einschließlich 9 , 0 bis einschließlich 12 , 0 und/oder
Molybdän (Mo ) : einschließlich 0 , 8 bis einschließlich 1 , 1 aufweisen .
Diese Bereiche sind als bevorzugte Unterbereiche der oben definierten breiteren Gehaltsbereiche zu verstehen, in dem die technischen Ef fekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung besonders hervortreten . Die bevorzugten Unterbereiche sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung beliebig mit den breiteren Gehaltsbereichen und untereinander kombinierbar und aus den Gehaltsobergrenzen und Gehalt sunt er grenz en beliebige neue Gehaltsbereiche erstellbar .
Besonders bevorzugt ist es , dass die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs X10CrMoVNb9- l oder X22CrMoV12- l ist , d . h . aus diesen besteht . Diese Stähle sind gut verfügbar und können unmittelbar zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens mit dessen positiven Eigenschaften eingesetzt werden .
Mit Vorteil ist die eisenbasierte Legierung des erfindungsgemäßen Kolbens eine wärmebehandelte Legierung, die zumindest ein Vergütungsgefüge, bevorzugt angelassener Martensit und/oder ein Zwischenstufengefüge , bevorzugt Bainit aufweist oder daraus besteht und optional einen Ferritgehalt von < 10 % im Gefüge aufweist . Bevorzugt ist , dass die Legierung eine oder mehrere der obigen Gefügearten aufweist bzw . daraus besteht . Ferner bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Legierung um einen Vergütungsstahl , welcher durch Vergüten d . h . einer Kombination aus Härten und nachfolgendem Anlassen bzw . optionalem Bainitisieren hergestellt wird . Die vorhandenen Carbidbildner Gr, Mo und V verändern den Bildungsmechanismus von beim Anlassen entstehenden Carbiden entscheidend . Bei Anlasstemperaturen bis etwa 400 ° C entstehen auch bei legierten Vergütungsstählen überwiegend FeaC-Ausscheidungen . Über 400 bis 450 ° C wird die Di f fusions fähigkeit der Carbidbildner dann so groß , dass sich thermodynamisch wesentlich stabilere legierte Carbide ( Sondercarbide ) bilden können . Bereits vorhandenes FesC wird zugunsten der stabileren Sondercarbide gelöst . Vorgänge der Sondercarbidbildung beim Anlassen legierter Stähle werden häufig auch als 4 . Anlassstufe bezeichnet . Die Vorteile anlassbeständiger legierter Vergütungsstähle sind demnach die deutlich geringere Di f fusions fähigkeit der Carbidbildner, welche die Sondercarbidbildung, d . h . den Festigkeitsabfall , zu höheren Temperaturen und längeren Zeiten verschiebt . Zudem sind die ausgeschiedenen Sondercarbide erheblich feiner als die Eisencarbide , wodurch sich eine zusätzliche Festigkeitssteigerung ergibt . Durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung (Vergüten) wird eine besonders wichtige Eigenschaftskombination erreicht , nämlich eine noch ausreichende Streckgrenze , verbunden mit einer für die Sprödbruchsicherheit wichtigen, hohen Duktilität , z . B . der Kerbschlagzähigkeit . Daher wird das Anlassen des Vergütungsgefüges bei mindestens 400 ° C durchgeführt .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein Dieselmotor, mit einem Kolben gemäß den bisher beschriebenen Ausgestaltungen . Der erfindungsgemäße Kolben überträgt alle seine technischen Vorteile auf den Verbrennungsmotor, welcher den Kolben als Bestandteil enthält .
Ferner umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung der bisher definierten eisenbasierten Legierung in allen ihren Ausgestaltungen, bevorzugt in Form der obigen Stähle des Typs X10CrMoVNb9- l oder X22CrMoV12- l , für Kolben eines Verbrennungsmotors , insbesondere eines Dieselmotors .

Claims

8 Patentansprüche
1. Kolben für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, der aus einer eisenbasierten Legierung besteht, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent
(Gew. -%) :
Kohlenstoff (C) : 0, 07 bis 0,24; Chrom (Cr) : > 7,0 bis 12,5; Molybdän (Mo) : 0,3 bis 1,2; Mangan (Mn) : 0,3 bis 0,9; Silizium (Si) : < 0,5;
Kupfer (Cu) : < 0,3; Nickel (Ni ) : < 0,8;
Vanadium (V) : 0, 15 bis 0,35; Schwefel (S) : < 0,015;
Phosphor (P) : < 0,025; Niob (Nb) : < 0,1; Stickstoff (N) : < 0,07; Aluminium (Al) : < 0,04; Wolfram (W) : < 2,5 und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende
Verunreinigungen aufweist.
2. Kolben gemäß Anspruch 1, wobei die eisenbasierte Legierung in Gewichtsprozent (Gew.-%) :
Chrom (Cr) : 9,0 bis 12,0 und/oder
Molybdän (Mo) : 0, 8 bis 1, 1 aufweist .
3. Kolben gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs
XI 0CrMoVNb9- 1 oder X22CrMoV12-l ist. 9
4. Kolben gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei die eisenbasierte Legierung eine wärmebehandelte Legierung ist, die zumindest ein Vergütungsgefüge und/oder ein Zwischenstufengefüge aufweist und optional einen Ferritgehalt von < 10 % im Gefüge aufweist.
5. Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor, mit einem
Kolben gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche.
6. Verwendung einer eisenbasierten Legierung, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent (Gew.-%) :
Kohlenstoff (C) : 0, 07 bis 0,24; Chrom (Cr) : > 7,0 bis 12,5; Molybdän (Mo) : 0,3 bis 1,2; Mangan (Mn) : 0,3 bis 0,9; Silizium (Si) : < 0,5;
Kupfer (Cu) : < 0,3; Nickel (Ni ) : < 0,8;
Vanadium (V) : 0, 15 bis 0,35; Schwefel (S) : < 0,015;
Phosphor (P) : < 0,025; Niob (Nb) : < 0,1; Stickstoff (N) : < 0,07; Aluminium (Al) : < 0,04; Wolfram (W) : < 2,5 und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende
Verunreinigungen aufweist.
7. Verwendung gemäß Anspruch 9, wobei die eisenbasierte Legierung in Gewichtsprozent (Gew. -%) :
Chrom (Gr) : 9,0 bis 12,0 und/oder
Molybdän (Mo) : 0, 8 bis 1, 1 aufweist . 10
8. Verwendung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs XI 0CrMoVNb9- 1 oder X22CrMoV12-l ist.
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