EP4211284B1 - Kolben für einen verbrennungsmotor, verbrennungsmotor mit einem kolben und verwendung einer eisenbasierten legierung - Google Patents
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- F02F3/0084—Pistons the pistons being constructed from specific materials
Definitions
- the present invention relates to a piston for an internal combustion engine as well as an internal combustion engine with such a piston and the use of an iron-based alloy for pistons of an internal combustion engine.
- EP2796665A2 reveals heat-treatable steels for exhaust gas turbochargers.
- a piston according to the invention is defined in claim 1.
- An internal combustion engine according to the invention is defined in claim 5.
- a use of the alloy according to the invention is defined in claim 6.
- the iron-based alloy according to the invention can preferably be characterized or referred to as high-alloy steel and more preferably as tempering steel.
- the contents of relevant alloying elements were further increased; in particular, the iron-based alloy of the piston is characterized by the alloying elements chromium, molybdenum, tungsten, niobium and vanadium, which are used in much greater quantities than in the previous series alloys 42CrMo4 and 38MnVS6 in order to achieve improved oxidation resistance and sufficient high-temperature (fatigue) strength.
- the chromium content is advantageously chosen to be comparatively high.
- the piston material according to the invention therefore represents an iron-based alloy or 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 machine.
- the thermal conductivity is not yet too low and is within a usable range.
- the material costs are nevertheless within an acceptable range.
- the piston according to the invention represents an optimal compromise between material properties and material costs, especially when it comes to optimized oxidation resistance at high temperatures.
- ranges are to be understood as preferred sub-ranges of the broader content ranges defined above, in which the technical effects and advantages of the present invention are particularly evident.
- the preferred sub-ranges can be combined as desired with the broader content ranges and with each other within the scope of the present invention and can be selected from the upper content limits and Any new salary ranges can be created using salary floors.
- the iron-based alloy is a steel of the type X10CrMoVNb9-1 or X22CrMoV12-1, i.e. 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 which has or consists of at least one tempering 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 consists of one or more of the above types of structure. Furthermore, the alloy according to the invention is preferably a tempering steel which is produced by tempering, i.e. a combination of hardening and subsequent tempering or optional bainitizing.
- the carbide formers Cr, Mo and V present decisively change the formation mechanism of carbides formed during tempering.
- tempering temperatures of up to about 400 °C Fe 3 C precipitations are predominantly formed even in alloyed tempering steels.
- the diffusibility of the carbide formers is then so great that thermodynamically much more stable alloyed carbides (special carbides) can form.
- Already existing Fe 3 C is dissolved in favour of the more stable special carbides.
- Processes of special carbide formation during the tempering of alloyed steels are often referred to as the 4th tempering stage.
- the advantages of temper-resistant alloyed tempering steels are therefore the significantly lower diffusibility of the carbide formers, which shifts the special carbide formation, ie the loss of strength, to higher temperatures and longer times.
- the precipitated special carbides are considerably finer than the Iron carbides, which results in an additional increase in strength.
- the heat treatment (quenching and tempering) according to the invention achieves a particularly important combination of properties, namely a still sufficient yield strength, combined with a high ductility, e.g. notched impact toughness, which is important for brittle fracture resistance.
- the tempering of the tempered structure is therefore 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 embodiments 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 encompasses the use of the previously defined iron-based alloy in all its embodiments, preferably in the form of the above steels of the type X10CrMoVNb9-1 or X22CrMoV12-1, for pistons of an internal combustion engine, in particular a diesel engine.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Kolben und die Verwendung einer eisenbasierten Legierung für Kolben eines Verbrennungsmotors.
- Getrieben von der ökonomischen und ökologischen Forderung nach verbrauchs- und emissionsoptimierten Transportmitteln ist in den letzten 20 Jahren eine rasante Entwicklung immer leistungsfähigerer und emissionsärmerer Verbrennungsmotoren gelungen. Ein entscheidender Schlüssel für diesen kontinuierlichen Fortschritt sind Motorkolben, die bei immer höheren Verbrennungstemperaturen und -drücken eingesetzt werden können, aber trotzdem ein geringes Gewicht bzw. Gesamtgewicht der Kolbengruppe (Kolben, Ringe, Bolzen und ggf. Pleuel) aufweisen. Dies wird im Wesentlichen durch die Entwicklung leistungsfähigerer Kolbenwerkstoffe ermöglicht.
-
EP2796665A2 offenbart Vergütungsstähle für Abgasturbolader. - Ein weiterer sehr wichtiger Veränderungsschritt ist dabei der Wechsel vom Aluminium- zum Stahlmotorkolben, insbesondere bei Dieselmotorkolben. Trotz der höheren Dichte und der schlechteren Wärmeleitfähigkeit des Stahlwerkstoffes können dessen Vorteile wie höhere Festigkeit und höhere maximale Einsatztemperatur vorteilhaft eingesetzt werden. Bisher werden überwiegend niedriglegierte und sehr preiswerte Stähle des Typs 42CrMo4 und 38MnVS6 für Stahlkolben verwendet. Deren Einsatzbereich ist jedoch limitiert und stößt bereits bei aktuellen Entwicklungen an Grenzen. Hierbei spielt vor allem die vergleichsweise niedrige Oxidationsbeständigkeit (Oxidation = Verzunderung bzw. Hochtemperaturkorrosion) eine entscheidende Rolle.
- Es ist bekannt, dass Legierungselemente im Stahl entscheidend für die Ausbildung der Eigenschaften sind und dies wird bei den oben benannten konventionellen Stählen genutzt. Die Zugabe von Chrom bewirkt eine Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit, eine Festigkeitssteigerung, eine Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit aber auch eine Steigerung der Materialkosten. Die Zugabe von Molybdän bewirkt eine Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit, eine (Warm-)Festigkeitssteigerung aber auch eine Steigerung der Materialkosten. Die Zugabe von Vanadium bewirkt eine (Warm-)Festigkeitssteigerung jedoch aber ebenfalls eine Steigerung der Materialkosten. 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 Wolfram, 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 Stahlwerkstoffen;
- ▪ eine für den Verwendungszweck ausreichende Festigkeit bei hohen Temperaturen unter TMF-Beanspruchung ("Thermo Mechanical Fatigue" = "TMF") d.h. eine ausreichende thermomechanische Ermüdungsfestigkeit;
- ▪ eine für den Verwendungszweck ausreichende isotherme Schwingfestigkeit ("High Cycle Fatigue" = "HCF");
- ▪ eine gute Schweißbarkeit insbesondere für induktives Schweißen und Reibschweißen und generell eine gute zerspanende Bearbeitbarkeit;
- ▪ eine für den Verwendungszweck ausreichende Wärmeleitfähigkeit; und
- ▪ einen begrenzten Anstieg in den Werkstoff- und Bearbeitungskosten.
- Die vorliegende Erfindung wird durch die beigefügten unabhängigen und nebengeordneten Patentansprüche definiert. Ein erfindungsgemäßer Kolben ist in Anspruch 1 definiert. Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor ist in Anspruch 5 definiert. Eine Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung ist in Anspruch 6 definiert.
- Die abhängigen Ansprüche definieren optionale Merkmale und spezielle Ausführungsformen.
- 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 - 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 (Cr):
einschließlich 9,0 bis einschließlich 12,0 und/oder - Molybdän (Mo):
einschließlich 0,8 bis einschließlich 1,1 - Diese Bereiche sind als bevorzugte Unterbereiche der oben definierten breiteren Gehaltsbereiche zu verstehen, in dem die technischen Effekte 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 Gehaltsuntergrenzen beliebige neue Gehaltsbereiche erstellbar.
- Besonders bevorzugt ist es, dass die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs X10CrMoVNb9-1 oder X22CrMoV12-1 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 Cr, Mo und V verändern den Bildungsmechanismus von beim Anlassen entstehenden Carbiden entscheidend. Bei Anlasstemperaturen bis etwa 400 °C entstehen auch bei legierten Vergütungsstählen überwiegend Fe3C-Ausscheidungen. Über 400 bis 450 °C wird die Diffusionsfähigkeit der Carbidbildner dann so groß, dass sich thermodynamisch wesentlich stabilere legierte Carbide (Sondercarbide) bilden können. Bereits vorhandenes Fe3C wird zugunsten der stabileren Sondercarbide gelöst. Vorgänge der Sondercarbidbildung beim Anlassen legierter Stähle werden häufig auch als 4. Anlassstufe bezeichnet. Die Vorteile anlassbeständiger legierter Vergütungsstähle sind demnach die deutlich geringere Diffusionsfähigkeit der Carbidbildner, welche die Sondercarbidbildung, d. h. den Festigkeitsabfall, zu höheren Temperaturen und längeren Zeiten verschiebt. Zudem sind die ausgeschiedenen Sondercarbide erheblich feiner als die Eisencarbide, wodurch sich eine zusätzliche Festigkeitssteigerung ergibt. Durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung (Vergüten) wird eine besonders wichtige Eigenschaftskombination erreicht, nämlich eine noch ausreichende Streckgrenze, verbunden mit einer für die Sprödbruchsicherheit wichtigen, hohen Duktilität, z.B. der Kerbschlagzähigkeit. Daher wird das Anlassen des Vergütungsgefüges bei mindestens 400°C durchgeführt.
- 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 X10CrMoVNb9-1 oder X22CrMoV12-1, für Kolben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors.
Claims (8)
- Kolben für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, der aus einer eisenbasierten Legierung besteht, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent (Gew.-%):
und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist.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 - Kolben gemäß Anspruch 1, wobei
die eisenbasierte Legierung in Gewichtsprozent (Gew.-%): aufweist.Chrom (Cr): 9,0 bis 12,0 und/oder Molybdän (Mo): 0,8 bis 1,1 - Kolben gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei
die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs X10CrMoVNb9-1 oder X22CrMoV12-1 innerhalb der elementaren Bereiche der vorausgegangenen Ansprüche ist. - Kolben gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei
die eisenbasierte Legierung eine wärmebehandelte Legierung ist, die zumindest ein Vergütungsgefüge und/oder ein Zwischenstufengefüge aufweist und optional einen Ferritgehalt von ≤ 10 % im Gefüge aufweist. - Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor, mit einem Kolben gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche.
- Verwendung einer eisenbasierten Legierung, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent (Gew.-%):
und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist, für Kolben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors.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 - Verwendung gemäß Anspruch 6, wobei
die eisenbasierte Legierung in Gewichtsprozent (Gew.-%): aufweist.Chrom (Cr): 9,0 bis 12,0 und/oder Molybdän (Mo): 0,8 bis 1,1 - Verwendung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei
die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs X10CrMoVNb9-1 oder X22CrMoV12-1 innerhalb der elementaren Bereiche der rückbezogenen Ansprüche ist.
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