WO2016008555A1 - Legierung zur herstellung eines dünnwandigen stahlbauteils - Google Patents

Legierung zur herstellung eines dünnwandigen stahlbauteils Download PDF

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Frank Dörnenburg
Scott Kenningley
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Definitions

  • the present invention relates to an alloy for producing a thin-walled steel component, in particular an engine component, particularly preferably a piston for an internal combustion engine, a method for producing a thin-walled steel component and a thin-walled steel component.
  • EP 2617855 A2 describes a low-alloyed steel having the alloy contents 0.3-0.5% by weight of C, 2.0-5.0% by weight of Si, 0.9-1.2% by weight of Cr, to 0.3% by weight of Mo, the remainder of iron and up to 0.5% by weight of impurities.
  • the steel has a good scaling resistance up to 650 ° C, but the high proportion of silicon affects the formability of the steel.
  • WO 2012/1 19590 A2 discloses a two-part piston comprising a piston ring element and the piston main body, wherein the piston ring element, which contains the highly loaded depression edge, consists of the material 42CrMo4. Such a structure requires an additional step for joining, moreover, provides the
  • Joining surface is a mechanical weak point.
  • WO 2013/013830 A1 discloses a coating for the piston crown, which is intended to enable the use of aluminum pistons under high pressures / temperatures. Disadvantages here are in particular the additional expense for the application of the protective layer and the lack of adhesion of the protective layer on the substrate. Basically, high-alloy steels are characterized by high strength and
  • the invention has for its object to provide an alloy by means of which a thin-walled steel component with improved scale resistance and strength can be produced economically using at temperatures up to 650 ° C.
  • the alloy structure is stabilized to the extent that the scaling occurring at high thermal stress in aggressive media is reduced to an acceptable level. Furthermore, by the Alloy composition set a fine-grained structure, which increases the strength advantageous.
  • a thin-walled steel component such as a piston in an internal combustion engine, which is produced from such an alloy, therefore, under high thermal and mechanical loads has a significantly higher life than comparable components.
  • the flask is suitable to be used at operating temperatures up to 650 ° C.
  • the alloy according to the invention can be classified as low-alloyed steel, in comparison with high-alloy steels the smaller proportion of the often expensive alloying elements makes it possible to realize significant cost savings.
  • the following alloying elements have a particularly advantageous effect on the
  • the alloying constituent chromium advantageously contributes to the scaling resistance and increases the corrosion resistance and the high-temperature fatigue strength of the thin-walled steel components.
  • alloying element niobium which increases the high-temperature fatigue strength and leads to an increase in the strength of the ferrite content.
  • it has been found that it stabilizes the structure as a strong carbide and surprisingly by increasing the formation of chromium carbides, even in low concentrations significantly increases the scale resistance of the alloy.
  • Nickel is an austenite former and increases fatigue strength both at room temperature and at high temperatures, but can reduce scale resistance.
  • Molybdenum is a ferrite forming agent that lowers carbon solubility in austenite.
  • molybdenum is also a carbide former, thereby lowering the temperature range of austenite.
  • it largely reduces temper brittleness by lowering the critical cooling rate and, like nickel, increases fatigue strength both at room temperature and at high temperatures.
  • molybdenum at high levels lowers the Scaling resistance. Compared with comparable alloys, therefore, a lower molybdenum concentration is set in the alloy.
  • the molybdenum and nickel concentrations can also be chosen to be lower than comparable alloys because, due to the thinness of the components, the positive influence with regard to through-hardenability can largely be dispensed with.
  • Vanadium is used for grain refining and, as a strong carbide former, also advantageously increases the resistance to scale.
  • a first example according to the invention is an alloy consisting of 0.20% by weight to 0.23% by weight of carbon, 0.001% by weight to 0.30% by weight of silicon, 0.50% by weight to 0 , 80 wt .-% manganese, 0.001 wt .-% to 0.015 wt .-% phosphorus, 0.001 wt .-% to 0.010 wt .-% sulfur, 1, 70 wt .-% to 2.00 wt .-% chromium , 0.30% to 0.40% by weight of molybdenum, 0.60% to 0.80% by weight of nickel, 0.001% to 0.04% by weight of aluminum, 0.10% by weight to 0.20% by weight of vanadium, 0.06% by weight to 0.08% by weight of niobium, and the remainder being iron and up to 0.5% by weight unavoidable
  • a second example according to the invention is an alloy consisting of 0.17% by weight to 0.23% by weight of carbon, 0.15% by weight to 0.35% by weight of silicon, 0.001% by weight to 0 , 50 wt% manganese, 0.001 wt% to 0.025 wt% phosphorus, 0.001 wt% to 0.020 wt% sulfur, 3.00 wt% to 3.30 wt% chromium , From 0.30% to 0.40% by weight of molybdenum, from 0.001% to 0.30% by weight of nickel, from 0.001% to 0.04% by weight of aluminum, 0, 10% by weight to 0.20% by weight of vanadium, 0.06% by weight to 0.08% by weight of niobium, and the remainder iron and up to 0.5% by weight of unavoidable impurities.
  • pistons for internal combustion engines can be produced with both alloys according to the invention which have improved properties, in particular with respect to scale resistance in combustion air mixtures and strength up to 650 ° C.
  • both pistons exhibit higher strengths at the higher operating temperatures than comparable pistons made from a 42CrMo4 alloy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Legierung zur Herstellung eines dünnwandigen Stahlbauteils, insbesondere eines Motorbauteils, besonders bevorzugt eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bestehend aus den Legierungselementen Kohlenstoff von 0,17 Gew.-% bis 0,23 Gew.-%, Silizium 0,001 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%, Mangan 0,001 Gew.-% bis 0,80 Gew.-%, Phosphor 0,001 Gew.-% bis 0,025 Gew.-%, Schwefel 0,001 Gew.-% bis 0,020 Gew.-%, Chrom von 1,70 Gew.-% bis 3,30 Gew.-%, Molybdän von 0,30 Gew.-% bis 0,40 Gew.-%, Nickel 0,001 Gew.-% bis 0,80 Gew.-%, Aluminium 0,001 Gew.-% bis 0,04 Gew.-%, Vanadium von 0,10 Gew.-% bis 0,20 Gew.-%, Niob von 0,06 Gew.-% bis 0,08 Gew.-% und als Rest Eisen und bis zu 0,5 Gew.-% nicht zu vermeidende Verunreinigungen sowie ein aus der Legierung hergestelltes dünnwandiges Stahlbauteil und ein Verfahren zur Herstellung selbigen dünnwandigen Stahlbauteils.

Description

Legierung zur Herstellung eines dünnwandigen Stahlbauteils
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Legierung zur Herstellung eines dünnwandigen Stahlbauteils, insbesondere eines Motorbauteils, besonders bevorzugt eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, ein Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Stahlbauteils sowie ein dünnwandiges Stahlbauteil.
Stand der Technik
Bei der Konstruktion von PKW-Verbrennungsmotoren werden aufgrund des Trends zu kleineren Hubräumen bei gleichbleibenden Leistungsniveaus die Motorbauteile zusehends höheren Drücken und höheren Temperaturen ausgesetzt werden. Durch das Downsizing der Komponenten erniedrigt sich nicht nur das Gewicht, bei den notwendigen hohen Drücken und Temperaturen steigt auch die Kraftstoffeffizienz und der Schadstoffausstoß im Abgas wird reduziert.
Den neuen Anforderungen muss bei der Konstruktion der Motorbauteile Rechnung getragen werden. Im besonderen Maße gilt dies für die Kolben, da diese sowohl den hohen Temperaturen als auch hohen mechanischen Belastungen und aggressiven Medien wie Verbrennungsluft ausgesetzt sind.
Konventionelle Aluminiumkolben sind unter anderem aufgrund unzureichender Hochtemperatur-Dauerfestigkeit unter hohen Temperaturen lediglich für Einsatztemperaturen bis maximal 420 °C geeignet. Daher werden zunehmend neue Werkstoffe für den Einsatz in Motorbauteilen untersucht, die insbesondere ausreichende Zunderbeständigkeit und Festigkeit bei Temperaturen bis 650 °C aufweisen sollen. So beschreibt EP 2617855 A2 einen niedriglegierten Stahl mit den Legierungsanteilen 0,3-0,5 Gew.-% C, 2,0-5,0 Gew.-% Si, 0,9-1 ,2 Gew.% Cr, bis 0,3 Gew.% Mo, Rest Eisen sowie bis 0,5 Gew.% Verunreinigungen. Der Stahl weist eine gute Zunderbeständigkeit bis 650 °C auf, durch den hohen Anteil von Silizium wird allerdings die Formbarkeit des Stahls beeinträchtigt.
WO 2012/1 19590 A2 offenbart einen zweiteiligen Kolben aus einem Kolbenringelement und dem Kolbengrundkörper, wobei das Kolbenringelement, welches den hoch belasteten Muldenrand beinhaltet, aus dem Werkstoff 42CrMo4 besteht. Ein derartiger Aufbau erfordert einen zusätzlichen Arbeitsschritt zum Fügen, darüber hinaus stellt die
Fügefläche eine mechanische Schwachstelle dar.
Darüber hinaus sind Verfahren bekannt, bei denen der besonders stark beanspruchte Kolbenboden mit einer Schutzschicht versehen wird. So offenbart WO 2013/013830 A1 eine Beschichtung für den Kolbenboden, die den Einsatz von Aluminiumkolben unter hohen Drücken/Temperaturen ermöglichen soll. Nachteilig sind hier insbesondere der zusätzliche Aufwand für das Auftragen der Schutzschicht sowie die mangelnde Haftung der Schutzschicht auf dem Substrat. Grundsätzlich zeichnen sich auch hochlegierte Stähle durch hohe Festigkeit und
Zunderbeständigkeit unter hohen Drücken und Temperaturen aus. Aufgrund der hohen Kosten derartiger Legierungen, verursacht durch die hohe Konzentration teurer Legierungselemente, ist deren Verbreitung als Kolbenwerkstoff allerdings begrenzt. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Legierung zur Verfügung zu stellen, mittels derer ein dünnwandiges Stahlbauteil mit verbesserter Zunderbeständigkeit und Festigkeit unter Verwendung bei Temperaturen bis 650 °C wirtschaftlich hergestellt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 beschriebene Legierung.
Durch gezielte Legierungseinstellung wird dabei das Legierungsgefüge soweit stabilisiert, dass die auftretende Verzunderung bei hoher thermischer Belastung in aggressiven Medien auf ein vertretbares Niveau gesenkt wird. Weiterhin wird durch die Legierungszusammensetzung ein feinkörniges Gefüge eingestellt, welches die Festigkeit vorteilhaft erhöht.
Ein dünnwandiges Stahlbauteil, wie zum Beispiel ein Kolben in einem Verbrennungsmotor, das aus einer derartigen Legierung hergestellt wird, weist daher unter hohen thermischen und mechanischen Belastungen eine deutlich höhere Lebensdauer als vergleichbare Bauteile auf. Insbesondere ist der Kolben geeignet, unter Einsatztemperaturen bis 650 °C verwendet zu werden. Die erfindungsgemäße Legierung kann als niedriglegierter Stahl klassifiziert werden, gegenüber hochlegierten Stählen ermöglicht der geringere Anteil der oftmals kostspieligen Legierungselemente dabei die Realisierung deutlicher Kostenersparnisse. Besonders vorteilhaft wirken sich die folgenden Legierungselemente auf die
Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung aus:
Der Legierungsbestandteil Chrom trägt vorteilhaft zur Zunderbeständigkeit bei und erhöht die Korrosionsbeständigkeit sowie die Hochtemperatur-Dauerfestigkeit der dünnwandigen Stahlbauteile.
Von besonderer Bedeutung ist das Legierungselement Niob, das die Hochtemperatur- Dauerfestigkeit erhöht und zur Festigkeitssteigerung des Ferritanteils führt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass es als starker Karbidbildner das Gefüge stabilisiert und überraschenderweise durch Verhinderung der Bildung von Chromkarbiden auch in geringen Konzentrationen die Zunderbeständigkeit der Legierung maßgeblich erhöht.
Nickel ist ein Austenitbildner und erhöht die Dauerfestigkeit sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hohen Temperaturen, kann allerdings die Zunderbeständigkeit herabsetzen.
Molybdän ist ein Ferritbildner, der die Kohlenstofflöslichkeit in Austenit erniedrigt. Darüber hinaus ist Molybdän ebenfalls ein Karbidbildner, wodurch der Temperaturbereich von Austenit erniedrigt wird. Weiterhin verringert es weitgehend die Anlasssprödigkeit durch Herabsetzung der kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit und erhöht ebenso wie Nickel die Dauerfestigkeit sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hohen Temperaturen. Allerdings erniedrigt Molybdän bei hohen Gehalten die Zunderbeständigkeit. Gegenüber vergleichbaren Legierungen wird daher eine niedrigere Molybdänkonzentration in der Legierung eingestellt.
Die Molybdän- und Nickelkonzentration können gegenüber vergleichbaren Legierungen auch deshalb geringer gewählt werden, weil aufgrund der Dünnwandigkeit der Bauteile auf den positiven Einfluss bezüglich Durchvergütbarkeit weitgehend verzichtet werden kann.
Vanadium dient der Kornfeinung und erhöht als starker Karbidbildner ebenfalls vorteilhaft die Zunderbeständigkeit.
Bevorzugte Ausführungsformen
Ein erstes erfindungsgemäßes Beispiel ist eine Legierung bestehend aus 0,20 Gew.-% bis 0,23 Gew.-% Kohlenstoff, 0,001 Gew.-% bis 0,30 Gew.-% Silizium, 0,50 Gew.-% bis 0,80 Gew.-% Mangan, 0,001 Gew.-% bis 0,015 Gew.-% Phosphor, 0,001 Gew.-% bis 0,010 Gew.-% Schwefel, 1 ,70 Gew.-% bis 2,00 Gew.-% Chrom, 0,30 Gew.-% bis 0,40 Gew.-% Molybdän, 0,60 Gew.-% bis 0,80 Gew. -% Nickel, 0,001 Gew.-% bis 0,04 Gew.-% Aluminium, 0,10 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% Vanadium, 0,06 Gew.-% bis 0,08 Gew.-% Niob sowie als Rest Eisen und bis zu 0,5 Gew.-% nicht zu vermeidende
Verunreinigungen.
Ein zweites erfindungsgemäßes Beispiel ist eine Legierung bestehend aus 0,17 Gew.- % bis 0,23 Gew.-% Kohlenstoff, 0,15 Gew.-% bis 0,35 Gew.-% Silizium, 0,001 Gew.-% bis 0,50 Gew.-% Mangan, 0,001 Gew.-% bis 0,025 Gew.-% Phosphor, 0,001 Gew.-% bis 0,020 Gew.-% Schwefel, 3,00 Gew.-% bis 3,30 Gew.-% Chrom, 0,30 Gew.-% bis 0,40 Gew.-% Molybdän, 0,001 Gew.-% bis 0,30 Gew.-% Nickel, 0,001 Gew.-% bis 0,04 Gew.-% Aluminium, 0,10 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% Vanadium, 0,06 Gew.-% bis 0,08 Gew.-% Niob sowie als Rest Eisen und bis zu 0,5 Gew.-% nicht zu vermeidende Verunreinigungen.
Wie Versuche zeigen, können mit beiden erfindungsgemäßen Legierungen Kolben für Verbrennungsmotoren hergestellt werden, die verbesserte Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Zunderbeständigkeit in Verbrennungsluftgemischen und Festigkeit bei bis zu 650 °C, aufweisen. Insbesondere zeigen beide Kolben bei den höheren Einsatztemperaturen höhere Festigkeiten als vergleichbare Kolben aus einer 42CrMo4-Legierung.

Claims

Patentansprüche
1. Legierung zur Herstellung eines dünnwandigen Stahlbauteils, insbesondere eines Motorbauteils, besonders bevorzugt eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bevorzugt im Gussverfahren hergestellt, bestehend aus den folgenden Legierungselementen
Kohlenstoff: 0,17 Gew. -% bis 0,23 Gew.-%,
Silizium: 0,001 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%,
Mangan: 0,001 Gew.-% bis 0,80 Gew.-%,
Phosphor: 0,001 Gew.-% bis 0,025 Gew.-0/
Schwefel: 0,001 Gew.-% bis 0,020 Gew.-0/
Chrom: 1 ,70 Gew.-% bis 3,30 Gew.-%,
Molybdän: 0,30 Gew.-% bis 0,40 Gew.-%,
Nickel: 0,001 Gew.-% bis 0,80 Gew.-%,
Aluminium: 0,001 Gew.-% bis 0,04 Gew.-%,
Vanadium: 0,10 Gew.-% bis 0,20 Gew.-%,
Niob: 0,06 Gew.-% bis 0,08 Gew.-% sowie als Rest Eisen und bis zu 0,5 Gew.-% nicht zu vermeidende Verunreinigungen.
Legierung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Summe aller Legierungselemente außer Eisen kleiner als 5,50 Gew.-% ist.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Legierung 0,20 Gew.-% bis 0,23 Gew.-% Kohlenstoff aufweist.
4. Legierung nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Legierung 0,15 Gew.-% bis 0,35 Gew.-% Silizium aufweist. 5. Legierung nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Legierung 0,001 Gew.-% bis 0,30 Gew.-% Silizium aufweist.
6. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Legierung 0,001 Gew.-% bis 0,50 Gew.-% Mangan aufweist.
7. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Legierung 0,50 Gew.-% bis 0,80 Gew.-% Mangan aufweist.
8. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Legierung 0,001 Gew.-% bis 0,015 Gew.-% Phosphor aufweist.
9. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Legierung 0,001 Gew.-% bis 0,010 Gew.-% Schwefel aufweist. 10. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Legierung 1 ,70 Gew.-% bis 2,00 Gew.-% Chrom aufweist.
11. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Legierung 3,00 Gew.-% bis 3,30 Gew.-% Chrom aufweist.
12. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Legierung 0,60 Gew.-% bis 0,80 Gew.-% Nickel aufweist.
13. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Legierung 0,001 Gew.-% bis 0,30 Gew.-% Nickel aufweist.
14. Dünnwandiges Stahlbauteils, insbesondere Motorbauteil, besonders bevorzugt Kolben für einen Verbrennungsmotor, bevorzugt im Gussverfahren hergestellt, dadurch gekennzeichnet,
dass das Stahlbauteil zumindest teilweise aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 besteht.
15. Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Stahlbauteils, insbesondere eines Motorbauteils, besonders bevorzugt eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Herstellung zumindest teilweise eine Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Stahlbauteil, insbesondere Motorbauteil, besonders bevorzugt Kolben für einen Verbrennungsmotor, im Gussverfahren hergestellt wird.
PCT/EP2015/000912 2014-07-18 2015-05-05 Legierung zur herstellung eines dünnwandigen stahlbauteils WO2016008555A1 (de)

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