EP4211285A1 - 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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EP4211285A1
EP4211285A1 EP21777216.9A EP21777216A EP4211285A1 EP 4211285 A1 EP4211285 A1 EP 4211285A1 EP 21777216 A EP21777216 A EP 21777216A EP 4211285 A1 EP4211285 A1 EP 4211285A1
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EP
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iron
piston
internal combustion
based alloy
combustion engine
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EP21777216.9A
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Robert Willard
Martin Popp
Thomas Kirste
Roman Morgenstern
Andreas Hörauf
Philipp Koch
Thomas Hutzler
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • 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 development 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 causes an increase in (hot) strength but also an increase in material costs.
  • 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 a steel alloy that ideally combines and transfers the following to the piston in a positive way:
  • 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 or consists of an iron-based alloy which contains the following alloying elements in percent by weight (% by weight or wt%) :
  • Copper (Cu) Nickel (Ni ) :
  • Contamination has or consists of.
  • the iron-based alloy of the piston according to the invention can preferably be characterized or referred to as high-alloy steel and more preferably as tempered steel.
  • the most important alloying elements of the piston material of the present invention are chromium (Cr), molybdenum (Mo) and vanadium (V).
  • Cr chromium
  • Mo molybdenum
  • V vanadium
  • the iron-based alloy of the piston according to the invention can advantageously in percent by weight (% by weight):
  • Chromium (Cr) 3.7 to 5.5 inclusive and preferably 4.0 to 5.0 inclusive;
  • the iron-based alloy is a steel of the type X38CrMoV5-3 or DIN/EN-8CrMol 6, 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 is advantageously a heat-treated alloy which has or consists of at least one tempering structure and/or an intermediate structure and optionally has a ferrite content of ⁇ 10% in the structure.
  • the alloy according to the invention is preferably a tempering steel which is produced by tempering, ie a combination of hardening and subsequent tempering or optional bainitizing.
  • the existing carbide formers Cr, Mo and V decisively change the formation mechanism of carbides formed during tempering. At tempering temperatures of up to around 400 °C, FeaC precipitations are also predominantly formed in alloyed heat-treatable steels.
  • 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.
  • Further components 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 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 type X38CrMoV5-3 or DIN/EN-8CrMol 6, 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): 0,04 bis 0,43; Chrom (Cr): 2,0 bis 7,0; Molybdän (Mo): 0,4 bis 3,2; Mangan (Mn): 0,2 bis 1,2; Silizium (Si): 0,1 bis 1,2; Kupfer (Cu): < 0,4; Nickel (Ni): < 0,5; Vanadium (V): 0,2 bis 0,6; Schwefel (S): < 0,04; Phosphor (P): < 0,03 und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist.

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 .
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 ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, bevorzugt einen Dieselmotor, ist, der eine eisenbasierte Legierung aufweist bzw. aus dieser besteht, welche die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent (Gew.-% bzw. wt.-%) :
Kohlenstoff (C) : einschließlich 0,04 bis einschließlich 0,43; Chrom (Cr) : einschließlich 2,0 bis einschließlich 7,0;
Molybdän (Mo) : einschließlich 0,4 bis einschließlich 3,2;
Mangan (Mn) : einschließlich 0,2 bis einschließlich 1,2;
Silizium (Si) : einschließlich 0,1 bis einschließlich 1,2;
Kupfer (Cu) : Nickel (Ni ) :
< 0,5;
Vanadium (V) : einschließlich 0,2 bis einschließlich 0, 6;
Schwefel (S) :
< 0,04;
Phosphor (P) :
< 0, 03 und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende
Verunreinigungen aufweist bzw. daraus besteht.
Die eisenbasierte Legierung des erfindungsgemäßen Kolbens kann bevorzugt als hochlegierter Stahl und weiter bevorzugt als Vergütungsstahl charakterisiert bzw. bezeichnet werden. Die wichtigsten Legierungselemente des Kolbenmaterials der vorliegenden Erfindung sind Chrom (Cr) , Molybdän (Mo) und Vanadium (V) . Im Vergleich zu den bisherigen Serienlegierungen 42CrMo4 und 38MnVS6, sind deren Gehalte deutlich höher angesetzt, um eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit und ausreichende Hochtemperatur (wechsel- ) festigkeit zu erreichen. Obwohl in Stählen allgemein noch deutlich höhere Anteile und Gehalte an diesen Elementen möglich wären, wurden diese gezielt eingeschränkt, um die Schweißbarkeit, Bearbeitbarkeit, Kosten und Wärmeleitfähigkeit für die Herstellung und Anwendung als Kolbenmaterial zu optimieren. Mithin erfüllt der erfindungsgemäße Kolben, insbesondere dessen Kolbenwerkstoff in Summe die oben auf gelisteten Erfordernisse.
Mit Vorteil kann die eisenbasierte Legierung des erfindungsgemäßen Kolbens in Gewichtsprozent (Gew.-%) :
Kohlenstoff (C) : einschließlich 0,33 bis einschließlich 0,41;
Chrom (Cr) : einschließlich 3,7 bis einschließlich 5,5 und bevorzugt einschließlich 4,0 bis einschließlich 5,0;
Molybdän (Mo) : einschließlich 1,1 bis einschließlich 3,2;
Mangan (Mn) : einschließlich 0,2 bis einschließlich 0,5 und/oder
Silizium (Si) : einschließlich 0,1 bis einschließlich 0,5 aufweisen .
Diese Bereiche sind als bevorzugte Unterbereiche der oben definierten breiten Gehaltsbereiche zu verstehen, in denen die technischen Effekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung besonders hervortreten. Die bevorzugten Unterbereiche sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung beliebig mit den breiten Gehaltsbereichen und untereinander kombinierbar, müssen nicht alle gleichzeitig realisiert sein und sämtliche in der vorliegenden Patentanmeldung genannten Ober- und Untergrenzen der Gehaltsbereiche sind frei kombinierbar und können zur Schaffung weiterer Unterbereiche verwendet werden.
Besonders bevorzugt ist es, dass die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs X38CrMoV5-3 oder DIN/EN-8CrMol 6 ist, d.h. aus diesen besteht. Diese Stähle sind gut verfügbar und können unmittelbar zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens mit dessen positiven Eigenschaften eingesetzt werden.
Mit Vorteil ist die eisenbasierte Legierung eine wärmebehandelte Legierung, die zumindest ein Vergütungsgefüge und/oder ein Zwischenstufengefüge aufweist oder daraus besteht und optional einen Ferritgehalt von < 10 % im Gefüge aufweist. Bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Legierung um einen Vergütungsstahl, welcher durch Vergüten d.h. einer Kombination aus Härten und nachfolgendem Anlassen bzw. optionalem Bainitisieren hergestellt wird. Die vorhandenen Carbidbildner Cr, Mo und V verändern den Bildungsmechanismus von beim Anlassen entstehenden Carbiden entscheidend . Bei Anlasstemperaturen bis etwa 400 ° C entstehen auch bei legierten Vergütungsstählen überwiegend 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 .
Weitere Bestandteile der vorliegenden Erfindung ist ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein Dieselmotor, mit einem Kolben gemäß den bisher beschriebenen Ausgestaltungen . Der erfindungsgemäße Kolben überträgt alle seine technischen Vorteile auf den Motor, welcher den Kolben als Bestandtei l enthält .
Ferner umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung der bisher definierten eisenbasierten Legierung in allen ihren Ausgestaltungen, bevorzugt in Form der obigen Stähle des Typs X38CrMoV5-3 oder DIN/EN- 8CrMol 6 , für Kolben eines Verbrennungsmotors , insbesondere eines Dieselmotors .

Claims

7 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, 04 bis 0,43;
Chrom (Cr) : 2, 0 bis 7,0;
Molybdän (Mo) : 0,4 bis 3,2;
Mangan (Mn) : 0,2 bis 1,2;
Silizium (Si) : 0, 1 bis 1,2;
Kupfer (Cu) : < 0,4;
Nickel (Ni ) : < 0,5;
Vanadium (V) : 0,2 bis 0, 6;
Schwefel (S) : < 0,04;
Phosphor (P) : < 0, 03 und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende
Verunreinigungen aufweist.
2. Kolben gemäß Anspruch 1, wobei die eisenbasierte Legierung in Gewichtsprozent (Gew.-%) :
Kohlenstoff (C) : 0,33 bis 0,41;
Chrom (Cr) : 3,7 bis 5,5 bevorzugt
Molybdän (Mo) : 1, 1 bis 3,2;
Mangan (Mn) : 0,2 bis 0,5 und/oder
Silizium (Si) : 0,1 bis 0,5 aufweist .
3. Kolben gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs X38CrMoV5-3 oder DIN/EN-8CrMol 6 ist.
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, 04 bis 0,43;
Chrom (Cr) : 2, 0 bis 7,0;
Molybdän (Mo) : 0,4 bis 3,2;
Mangan (Mn) : 0,2 bis 1,2;
Silizium (Si) : 0, 1 bis 1,2;
Kupfer (Cu) : < 0,4;
Nickel (Ni ) : < 0,5;
Vanadium (V) : 0,2 bis 0, 6;
Schwefel (S) : < 0,04;
Phosphor (P) : < 0, 03 und als Rest Eisen (Fe) und nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweist, für Kolben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors.
7. Verwendung gemäß Anspruch 6, wobei die eisenbasierte Legierung in Gewichtsprozent (Gew. -%) :
Kohlenstoff (C) : 0,33 bis 0,41;
Chrom (Gr) : 3,7 bis 5,5 bevorzugt
Molybdän (Mo) : 1, 1 bis 3,2;
Mangan (Mn) : 0,2 bis 0,5 und/oder
Silizium (Si) : 0,1 bis 0,5 aufweist .
8. Verwendung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die eisenbasierte Legierung ein Stahl des Typs X38CrMoV5-3 oder DIN/EN-8CrMol 6 ist.
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