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.