B E S C H R E I B U N G

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen sowie mehrere Verfahren zur Herstellung eines Koibens gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.

Der in Rede stehende Kolben entsteht durch stoffschlüssiges Fügen eines Unterteils mit einem Oberteil zu einem Kolbenrohling und späterer Bearbeitung des Kolben rohlings zu dem Kolben.

Die WO 2011/006469 A1 zeigt einen mehrteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens. Das Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens für einen Verbrennungsmotor umfasst die folgenden Verfahrensschritten: Herstellen eines Kolbenoberteils und eines Kolbenunterteils mit jeweils einem inneren Stützelement mit Fügeflächen und einem äußeren Stützelement mit Fügeflächen, Aufbringen eines Hochtemperatur-Lotwerkstoffs im Bereich mindestens einer Fügefläche, Zusammensetzen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil zu einem Kolbenkörper durch Herstellen eines Kontakts zwischen den Fügeflächen, Verbringen des Kofbenkörpers in einen Vakuumofen und Evakuieren des Vakuumofens, Erwärmen des Kolbenkörpers bei einem Druck von höchstens 10 ^~2 mbar auf eine Löttemperatur von höchstens 1300 °C, und Abkühlen des gelöteten Kolbens bei einem Druck von höchstens 10 ² mbar bis zur vollständigen Erstarrung des Hochtemperatur- Lotwerkstoffs. Die WO 2011/006469 A1 betrifft ferner einen mit diesem Verfahren herstellbaren mehrteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor, bei welchem ringförmige innere Stützelemente vorgesehen sind, die einen äußeren umlaufenden Kühlkanal und einen inneren Kühlraum begrenzen. In der DE 10 2008 038 325 A1 wird ein Verfahren zur Befestigung eines Ringeiementes auf einem Kolben für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen, bei dem das Ringelement über ein auf der radialen Außenfläche eines Teils des Kolbenbodens angebrachtes Gewinde auf den Kolbengrundkörper aufgeschraubt wird, in den Kolbenboden im Bereich des Gewindes eine nach oben offene, umlaufende Nut eingeformt wird, die Nut mit Lötmaterial gefüllt wird, der Kolben erhitzt wird, bis sich das Lötmaterial verflüssigt und zwischen die Gewindegänge des Gewindes fließt, und anschließend der Kolben abgekühlt wird. Dadurch ergibt sich eine Schraubverbindung zwischen dem Kolbengrundkörper und dem Ringelement. Eine Schraubverbindung erfordert zusätzliche Teile und ist zeitaufwändig in der Herstellung.

Schweißen (Laserschweißen, Reibschweißen) zum Fügen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolben inklusiv Spannungsarmglühen mit anschließender, zusätzlicher Wärmebehandlung (Vergüten) ist Zeit- und Kosten-intensiv.

Im Stand der Technik erfolgt in einem Arbeitsschritt die Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil eines Koibenrohlings bzw. Kolbens, insbesondere als Lötverbindung. In mindestens einem weiteren Arbeitsschritt erfolgt die Wärmebehandlung zur Ausbildung des vorgesehen ferritisch- karbidischen Gefüges, das Vergüten. Dies erfordert einen doppelten Wärmeeintrag in die Kolbenstruktur und ist zeitaufwändig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kolbenrohling sowie einen daraus gefertigten Kolben, welcher die zuvor genannten Nachteile nicht aufweist, sowie mehrere Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Kolbenrohlings bzw. Kolbens bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch einen Kolbenrohling, einen Kolben und mehrere Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Erfindungsgemäß ist ein Kolbenrohling zur Herstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbenrohlings durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche und eine obere Oberteilfügefläche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbenrohlings nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche und eine untere Oberteilfügefläche ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügeflächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, wobei eine Zentrierung zur lagerichtigen Anordnung von Unterteil und Oberteil in mindestens einem Lötspalt vorgesehen ist. Durch diese Anordnung der mindestens einen Fügefläche liegt diese bevorzugt am äußeren Rand des Ringfeldes oder sogar außerhalb des Ringfeldes in den Bolzenbohrungen entgegengesetzter Richtung. Der in der Fügefläche ausgebildete Lötspalt ist somit vom Umfang des Kolben rohlings aus leicht zugänglich. Weiterhin befindet sich die mindestens eine Fügefläche in einem Bereich der bei der Schaffung der Brennraummulde aus dem Kolbenrohling entfernt wird. Auch wird somit ermöglicht, dass Muldenhals und Muldenrand der Brenn räum mulde integral ausgeführt sind. In diesen mindestens einen Lötspalt kann Lot zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil des Kolbenrohlings eingebracht werden.

Der Begriff „obere" beschreibt Elemente bzw. Bereiche, die im Bezug zur oberen Fügeebene des Kolbenrohlings bzw. des Kolbens stehen. Somit sind die obere Unterteilfügefläche, die obere Oberteilfügefläche und der obere Lötspalt der oberen Fügeebene zuzuordnen. Der Begriff „untere" beschreibt dementsprechend Elemente bzw. Bereiche, die im Bezug zur unteren Fügeebene des Kolbenrohlings bzw. des Kolbens stehen. Daraus folgend sind die untere Unterteilfügefläche, die untere Oberteilfügefläche und der untere Lötspalt der unteren Fügeebene zuzuordnen. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Spaitmaß zwischen Unterteil und Oberteil des mindestens einen Lötspalts zwischen 0,05 mm und 0,5 mm, bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,4 mm beträgt. Hierdurch kann die Menge des eingesetzten Lots variiert werden. Abhängig von der späteren Beanspruchung des Kolbens in der jeweiligen Brennkraftmaschine kann die Lotmenge eingestellt werden. Unter Beanspruchung werden unterschiedliche Belastungen durch die Verwendung der Brennkraftmaschine aufweisend einen entsprechenden Kolben in verschieden Fahrzeugen wie beispielsweise Lastkraftwagen, Personenkraftwagen, Triebfahrzeuge, Lokomotiven oder Schiffen verstanden.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zentrierung das Spaltmaß aufweist. Vorteilhaft wird durch die Zentrierung das Spaltmaß für den mindestens einen Lötspalt erzeugt. Die Zentrierung befindet sich bevorzugt in einem Bereich der mindestens einen Fügefläche, welcher bei der Schaffung der Brennraummulde des Kolbens entfernt wird. Durch die Zentrierung erfolgt ein Formschluss zwischen den korrespondierenden Durchmessern des Unterteils und des Oberteils des Kolbenrohlings.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass am Oberteil des Kolbenrohlings ein Druckausgleichselement vorgesehen ist, welches in mindestens einem Lötspalt mündet. Das Druckausgieichselement unterstützt den Lotfluss in den mindestens einen Lötspalt. Hierdurch wird gewährleistet, dass keine Lufteinschlüsse im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil des Kolbenrohlings bzw. des daraus entstehenden Kolbens vorliegen. Überflüssiges Lot wird bei der Erstellung der Brennraummulde mit dem Druckausgleichselement zusammen entfernt. Somit wird eine sichere, hochfeste Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil des Kolbens geschaffen.

Alternativ oder ergänzend ist vorgesehen, dass an dem Unterteil des Kolbenrohlings ein Druckausgleichselement vorgesehen ist, welches dauerhaft in dem Unterteil verbleibt und vorzugsweise in einen Kühlkanal mündet. Auch hierdurch ergeben sich die vorstehend beschriebenen Vorteile insbesondere hinsichtlich des Lotflusses. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Druckausgleichselement diagonal im Bezug auf die Koibenhubachse angeordnet ist. Bei der Durchführung des Fügeprozesses ist das Unterteil bevorzugt über dem Oberteil angeordnet. Somit unterstützt die diagonale Anordnung des Druckausgleichselements den Fluss des Lots. Neben Kapillareffekten fließt das Lot somit Schwerkraft unterstützt.

Erfindungsgemäß ist ein Kolben für Brennkraftmaschinen vorgesehen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteiifügefläche und eine obere Oberteilfügefläche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche und eine untere Oberteilfügefläche ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügefiächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, wobei im Bereich der mindestens einen Fügeebene zwischen dem Unterteil und dem Oberteil eisenhaltiges Lot eingebracht ist. Eisenhaltiges Lot, beispielsweise Fe-Lot, ermöglicht die Durchführung des Lötprozesses und des Vergütungsprozesses in einem Arbeitsschritt.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Unterteil und/oder das Oberteil aus Vergütungsstahl und/oder mikrolegiertem Stahl und/oder AFP-Stahl und/oder bainitischem Stahl besteht. Die zuvor genannten Stahlsorten sind Prozessen zur Änderung der Gefügestruktur zugänglich. Hierdurch kann entsprechend dem Einsatzzweck des Kolbens in einer Brennkraftmaschine eine geeignete Stahlsorte ausgewählt und thermisch behandelt werden. Abhängig von der Leistung und der Belastung des Kolbens während des Betriebs der Brennkraftmaschine kann eine geeignete Stahlsorte ausgewählt werden. Eine Beschreibung der Stahlsorten und ihrer Eignung zur Verwendung zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen erfolgt in nachgelagerten Textpassagen. Weiterhin sind bevorzugte Lotmaterialen angegeben, die sich aus verschiedenen Legierungselementen zusammensetzen. Diese Lotmaterialien haben besonders vorteilhafte Wirkungen im Zusammenhang mit den Materialien Vergütungsstahl und/oder mikroiegiertem Stahl und/oder AFP-Stahl und/oder bainitischem Stahl, da durch sie ein einfacher Fügeprozess gegeben ist und die beiden gefügten Teile dauerhaft im Betrieb unter hohen Beanspruchungen zusammengefügt bleiben.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines Vergütungsstahls vorgesehen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche und eine obere Oberteilfügefläche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche und eine untere Oberteilfügefläche ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügeflächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils und eines Oberteils mit mindestens einer

Fügefläche,

b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche,

c) Zusammensetzen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolbenrohling durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche, wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts keine Berührung vorliegt, d) Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis

1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,

e) Erwärmen des Kolbenrohlings auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung,

f) Abkühlen des Kolben rohlings auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, g) Durchführung eines Vergütungsprozesses für den Kolbenrohling, durch

Abschrecken und anschließend Anlassen,

h) Der Vergütungsprozess ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohiing eine

Temperatur von unter 200 °C und bevorzugt ein Vergütungsgefüge und eine Härte von > 310 HB aufweist.

Alternativ ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines mikrolegierten und/oder bainitischem Stahls vorgesehen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche und eine obere Oberteilfügefläche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche und eine untere Oberteilfügefläche ausgebildet sind, wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügeflächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils und eines Oberteils mit mindestens einer

Fügefläche,

b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche,

c) Zusammensetzen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolbenrohling durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche, wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts keine Berührung vorliegt, d) Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis

1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,

e) Erwärmen des Kolbenrohlings auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschiüssigen Lötverbindung,

f) Abkühlen des Kolbenrohlings auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings mit Abkühlraten zwischen 0,25 und 5 K/s zum Durchschreiten des Bainitgebietes bzw. Ferrit-Perlit-Gebiets, Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohling eine Temperatur von weniger als 200 °C aufweist und bevorzugt eine ferritisch- perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur vorliegt.

Alternativ ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines mikrolegierten und/oder bainitischem Stahls vorgesehen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche und eine obere Oberteilfügefläche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, weiche den äußeren Umfang des Kolbens nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteüfügefläche und eine untere Oberteilfügefläche ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügeflächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils und eines Oberteils mit mindestens einer

Fügefläche,

b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche,

c) Zusammensetzen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolbenrohling durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche, wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts keine Berührung vorliegt, d) Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis

1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,

e) Erwärmen des Kolbenrohiings auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung,

f) Abkühlen des Kolbenrohlings auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings mit Abkühiraten zwischen 0,25 und 5 K/s auf eine isotherme Umwandlungstemperatur zwischen 350 und 650 °C mit nachfolgendem isothermen Halten zum Durchschreiten des

Bainitgebietes bzw. Ferrit-Perlit-Gebiets,

Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Koibenrohiing eine Temperatur von unter 200 °C und bevorzugt eine ferritisch-perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur aufweist.

Alternativ ist ein Verfahren zur Hersteilung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines mikrolegierten und/oder bainitischem Stahls vorgesehen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche und eine obere Oberteilfügefläche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche und eine untere Oberteilfügefläche ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügeflächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten:

Herstellen eines Unterteils und eines Oberteils mit mindestens einer

Fügefläche,

Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche,

Zusammensetzen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolbenrohling durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefiäche, wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts keine Berührung vorliegt,

Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis 1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,

Erwärmen des Kolbenrohiings auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung, f) Abkühlen des Koibenrohlings auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, g) Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings mit Abkühlgradienten zwischen 250 und 10 K/s auf eine isotherme Umwandlungstemperatur zwischen 350 und 650 °C mit nachfolgendem isothermen Halten,

h) Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohling eine Temperatur von unter 200 °C und bevorzugt eine ferritisch-perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur aufweist.

Alternativ ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stahls (AFP- Stahls) vorgesehen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche und eine obere Oberteilfügefiäche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche und eine untere Oberteilfügefiäche ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügeflächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils und eines Oberteils mit mindestens einer

Fügefläche,

b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche,

c) Zusammensetzen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolbenrohling durch Herstellen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche, wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts keine Berührung vorliegt, d) Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis

1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,

e) Erwärmen des Kolbenrohlings auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung, f) Abkühlen des Kolbenrohlings auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, g) Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings mit Abkühiraten zwischen 5 und 45 K/min zum Durchschreiten des Bainitgebietes bzw. Ferrit-Perlit-Gebiets, h) Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohling eine Temperatur von unter 200 °C aufweist und bevorzugt eine ferritisch-perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur eingestellt ist.

Alternativ ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung eines ausscheidungshärtenden ferritisch-periitischen Stahls (AFP- Stahls) vorgesehen, welcher aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht, wobei zwischen den Teilen mindestens eine obere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens durchtritt, wobei im Bereich der oberen Fügeebene gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche und eine obere Oberteilfügefläche ausgebildet sind und/oder zwischen den Teilen mindestens eine untere Fügeebene ausgebildet ist, welche den äußeren Umfang des Kolbens nicht durchtritt, wobei im Bereich der unteren Fügeebene gegenüberliegend eine untere Unterteilfügefläche und eine untere Oberteilfügefläche ausgebildet sind wobei zumindest in einem Teilbereich der mindestens einen Fügeebene zwischen den Fügeflächen mindestens ein Lötspalt angeordnet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Herstellen eines Unterteils und eines Oberteils mit mindestens einer

Fügefläche,

b) Aufbringen eines Lots im Bereich mindestens einer Fügefläche,

c) Zusammensetzen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolbenrohling durch Hersteilen eines Kontakts zwischen der mindestens einen Fügefläche, wobei im Bereich des mindestens einen Lötspalts keine Berührung vorliegt, d) Erwärmen auf eine vorübergehende Haltetemperatur zwischen 825°C bis

1000°C zur Homogenisierung der Teiletemperatur unmittelbar vor Erreichen der eigentlichen Arbeitstemperatur,

e) Erwärmen des Kolbenrohlings auf eine Temperatur von 1100 bis 1200 °C zur Ausführung einer stoffschlüssigen Lötverbindung, Abkühlen des Koibenrohlings auf eine Temperatur von 900 bis 1000 °C, Kontinuierliches Abkühlen des Kolbenrohlings mit Abkühlraten zwischen 5 und 45 K/min auf eine isotherme Umwandlungstemperatur zwischen 350 und 650 °C mit nachfolgendem isothermen Halten zum Durchschreiten des

Bainitgebietes bzw. Ferrit-Perlit-Gebiets,

Der Abkühlvorgang ist abgeschlossen, wenn der Kolbenrohling eine Temperatur von unter 200 °C aufweist und bevorzugt eine ferritisch-perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur eingestellt ist. Die zuvor geschilderten Verfahren ermöglichen den Fügeschritt für Unterteil und Oberteil des Kolbenrohlings bzw. des Kolbens in einem Verfahren durchzuführen. Die für die Lötverbindung aufgebrachte Wärmemenge dient auch zur Bildung der gewünschten Gefügestruktur im Kolben. Es wird somit Handlingzeit, Energie und Prozesszeit bezogen auf den gesamten Herstellprozess eingespart. Dies führt zu einer deutlichen Senkung der Herstellkosten für den jeweiligen Kolben.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das isotherme Halten zwischen 5 und 30 Minuten, bevorzugt zwischen 10 und 20 Minuten erfolgt. Hierdurch wird sichergestellt, dass das gewünschte Gefüge im Kolben ausgebildet ist.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest die Verfahrensschritte e, f und g in einem Vakuumofen durchgeführt werden. Hierdurch wird der Fluss des Lots innerhalb des mindestens einen Lötspalts unterstützt. Dies unterstützt die Herstellung einer Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil des Kolbens bzw. Kolbenrohlings ohne Lufteinschlüsse. Dies wiederum erhöht die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine mit einem solchen Kolben.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass während der Durchführung des Verfahrens das Unterteil über dem Oberteil angeordnet ist. Diese Anordnung unterstützt die Positionierung des Unterteils zum Oberteil, da die größere Masse des Unterteils in Schwerkraftrichtung wirkt. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass durch ein Druckausgleichselement das Lot unter Wirkung des Kapillareffekts und/oder Atmosphärendruck in den mindestens einen Lötspalt zieht. Das Druckausgleichselement unterstützt wirksam den Fluss des Lots innerhalb der Lötverbindung und verhindert oder vermeidet zumindest die Bildung von Lufteinschiüssen in der Lötverbindung.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Positionierung von Unterteil zu Oberteil durch eine Zentrierung erfolgt. Hierdurch wird ein präzises Fügen von Unterteil und Oberteil ermöglicht.

Mit anderen Worten wird durch das erfindungsgemäße Fügeverfahren eine kosteneffizientere Fügetechnologie zum bestehenden Reibschweißverfahren und Verfahren mit getrennten Fügeschritt und Wärmebehandlungsschritt bereitgestellt. Es ist keine separate Wärmebehandlung nach dem Fügen notwendig, da das Löten und die Wärmebehandlung in einem Prozessschritt erfolgt.

Umfang der Prozessführung und Kontrolle der Abkühlparameter beim Schmieden, beispielsweise beim Rohteillieferant wird vereinfacht bzw. reduziert. Es erfolgt eine Reduzierung der Taktzeit sowie daraus resultierend eine Reduzierung Bauteilkosten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Kolbens erfolgt in einem Arbeitsschritt die Herstellung der Lötverbindung und die Wärmebehandlung zum Vergüten des gefügten Kolbens. Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende geometrische Maßnahmen am Kolben vorgesehen. Eine Fügefläche befindet sich in einem Ringfeld und in einer Brennraummuide und umfasst keine oder mindestens eine Ringnut sowie keinen oder einen anteiligen Muldenhals dieser Brennraummulde. Die Einstellung eines definierten Lötspaits erfolgt mit Hilfe einer am Oberteil befindlichen Zentrierung. Die Zentrierung stellt einen inneren und äußeren Lötspalt von beispielsweise 0,3 mm ein. Am Oberteil befindliche Druckausgieichselemente sorgen dafür, dass das Lot unter Wirkung des Kapillareffekts und Atmosphärendruck in den Lotspalt ziehen kann. Unterteil und Oberteil werden „über Kopf gelötet, damit die Masse bzw. das Eigengewicht des Unterteils (Hauptteils) auf das Oberteil (Ringelement) wirken kann. Das Oberteil weist nach der Fertigsteilung des Kolbens das Ringfeld auf und wird daher auch ais Ringelement bezeichnet. Das Oberteil hat regelmäßig eine geringere Masse als das Unterteil, daher wird zum Fügen das Unterteil über dem Oberteil angeordnet, gesehen entlang der Kolbenhubachse. Die größere Masse des Unterteils unterstützt die Ausbildung einer iagerichtigen Lotverbindung zwischen Unterteil und Oberteil des Kolbens. Nachfolgende prozesstechnische Maßnahmen sind zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen. Zur Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil des Kolbens ist ein eisenhaltiges Verbindungsmättel, insbesondere ein Fe-Lot vorgesehen. Das Ober- und/oder Unterteil aus Vergütungsstahl und/oder mikrolegiertem Stahl und/oder AFP-Stahl und/oder bainitischem Stahl besteht.

- Die Wärmebehandlung nach Abschluss des Lötprozesses, insbesondere unter Verwendung eines mikrolegierten und/oder baintischem Stahls, erfolgt unter folgender Verfahrensweise:

o Kontinuierliches Abkühlen oder Abschrecken auf Temperatur zwischen

350 - 600 °C mit anschließendem isothermen Halten

- Prozessführung Löten (für Vergütungsstahl, mikrolegierten und bainitischen Stahl):

o Löten bei ca. 1100 - 1200 °C mit anschließender Abkühlung auf ca. 900 - 1000 °C

- Prozessführung für Wärmebehandlung Kolbenmateriai (für mikrolegierten und baintischen Stahl) kann in 2 Variationen erfolgen:

o 1.) Kontinuierliches Abkühlen mit Abkühlgradienten zum Durchschreiten des Bainit- bzw. Ferrit-Perlit-Gebiets

o 2.) Kontinuierliches Abkühlen mit Abkühlgradienten zwischen 250 und

10K/s auf isotherme Umwandlungstemperatur zwischen 350 und 650 °C mit nachfolgendem isothermen Halten - Der Kolben weist eine ferritisch-perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur auf

- Die Wärmebehandlung nach Abschluss des Lötprozesses, insbesondere unter Verwendung eines Vergütungsstahls, erfolgte unter folgender Verfahrensweise:

o Vergütungsprozess, d.h. Abschrecken und anschließend Anlassen

- Der Kolben weist eine Vergütungsgefüge und eine Härte von > 310 HB auf

Die Einführung der Common-Rail-Dieseltechnologie steigerte den Absatz von Fahrzeugen mit Dieselantrieb beträchtlich. Zu Beginn dieser Entwicklung betrug der Druck in den Common-Rail-Diesel-Brennkraftmaschinen ca. 1200 bar. Die fortlaufende Verbesserung dieser Technologie führte zur Entwicklung von Common- Rail-Diesel-Brennkraftmaschinen mit Drücken zwischen 2200 und 2400 bar. Die ständig zunehmenden Umweltauflagen hinsichtlich der Einschränkung und Reduktion von Emissionen, wie Stickoxide (NOx) und Kohlendioxid (CO2), als auch Rußpartikeln, erfordert eine immer sauberere Verbrennung des Dieselkraftstoffes im Zylinder. Dies kann erreicht werden, indem die Effizienz der Common-Rail-Diesei- Brennkraftmaschinen durch Verbesserung der Einspritztechnologie gesteigert wird. Hierzu ist es notwendig, den Einspritzdruck in der Brennkraftmaschine zu erhöhen. Die folgenden Textpassagen befassen sich mit der Eignung der Stahlsorten für die Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen, sowie den im Vergütungsprozess entstehenden Gefügen. Beispielsweise der Vergütungsstahl 42CrMo4 gilt für Anwendungen höherer spezifischer Leistungen bei Kolben für Brennkraftmaschinen als ein sehr guter Kompromiss in Bezug auf seine Umformbarkeit, seine Festigkeitseigenschaften, Zunderbeständigkeit, Bearbeitbarkeit und Kosten. Vergütungsstähle sind solche Stähle, die durch eine Vergütungsbehandlung (Härtevorgang mit nachfolgendem Anlassen) eine relativ hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Zähigkeit annehmen. Diese Gruppe beginnt bei den einfachen niedriglegierten Kohlenstoffstählen. Bei kleinen Querschnitten können diese Werkstoffe durch das Vergüten auf eine höhere Härte gebracht werden. Bei größeren Querschnitten reicht jedoch die Härtbarkeit der unlegierten Kohlenstoffstähle für eine Durchhärtung bis in den Kern nicht aus. Um bei größeren Querschnitten die in der Regel gewünschte martensitische Gefügeausbiidung auch im Kern zu erzielen, muss der Stahl mit härtbarkeitssteigernden Elementen wie beispielsweise Chrom, Molybdän oder Nickel legiert werden.

Für Anwendungen mittlerer Belastung bieten aus wirtschaftlichen Gründen mikrolegierte Stähle bei Kolben für Brennkraftmaschinen Vorteile. Als mikrolegiert werden Stähle bezeichnet, denen 0,01 bis 0,1 Massenprozent an Aluminium, Niob, Vanadium und/oder Titan zulegiert wurden, um beispielsweise über Bildung von Karbiden und Nitriden und Kornfeinung eine hohe Festigkeit zu erzielen. Mikrolegierte Kaltumformstähle sind Stähle mit hoher Streckgrenze oder hoher Festigkeit. Bei HSLA-Stählen (High Strength Low Alloy) werden die hohen Festigkeitswerte durch Ausscheidungshärtung und Korrngrößenverfeinerung bei gleichzeitiger Minimierung des Anteils an Legierungselementen erreicht. Dies wirkt sich nicht nur positiv auf die Lötbarkeit aus, sondern sorgt auch dafür, dass in den Lötzonen weder eine Aufweichung des Metalls noch eine Kornvergröberung eintritt. Niedriglegierte HSLA- Stähle eignen sich besonders für die Fertigung von Kolben für Brennkraftmaschinen. Je nach Streckgrenze weisen alle Güten dieser Stähle eine ausgezeichnete Kaltfumformeignung und eine hervorragende Sprödbruchfestigkeit bei niedrigen Temperaturen auf. Sämtliche HSLA-Stähie zeichnen sich durch eine gute Ermüdungsfestigkeit und eine hohe Stoßfestigkeit aus. Aufgrund dieser guten mechanischen Eigenschaften eignen sich HSLA-Stähle zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen.

Als Beispiel für einen bainitischen Stahl sei der Stahl 20MnCrMo7 (1.7911) genannt. Bei Abkühlung aus der Umformhitze bildet er stabil ein Gefüge im unteren Bainitbereich mit Martensitanteilen aus. Dieser Stahl hält Arbeitsdrücken bis zu 3000 bar in der Brennkraftmaschine stand. Es ist überraschend, dass Stähle mit einer höheren Festigkeit auch bessere Zähigkeiten aufweisen. Dies wird möglich durch die Feinkörnigkeit des bainitisch-martensitischen Gefüges im Vergleich zum Ferrit-Perlit- Gefüge der AFP-Stähle. Bainit ist ein Zwischenstufengefüge, es kann bei der Wärmebehandlung von kohlenstoffhaltigem Stahl entstehen. Synonym zu Bainit wird im deutschen Sprachraum auch der Begriff Zwischenstufengefüge verwendet. Bainit bildet sich bei Temperaturen, die zwischen denen für die Perlit- bzw. Martensitbildung liegen. Anders als bei der Bildung von Martensit sind hier Umkiappvorgänge im Kristallgitter und Diffusionsvorgänge gekoppelt, dadurch werden verschiedene Umwandlungsmechanismen möglich. Aufgrund der Abhängigkeit von Abkühlungsgeschwindigkeit, Kohlenstoffgehalt, Legierungselementen und der daraus resultierenden Bildungstemperatur, besitzt der Bainit kein charakteristisches Gefüge. Bainit besteht, ebenso wie Perlit, aus den Phasen Ferrit und Zementit (Fe3C) unterscheidet sich aber vom Periit in Form, Größe und Verteilung. Grundsätzlich wird in zwei Hauptgefügeformen unterschieden, dem oberen Bainit (auch körniger Bainit) und dem unteren Bainit. Bainitisieren oder auch isothermisches Umwandeln in der Bainitstufe ist ein Austenitisieren mit anschließendem Abschrecken auf Temperaturen oberhalb artensitstarttemperatur M _s . Die Abkühlgeschwindigkeit für den Kolben wird dabei so gewählt, dass keine Umwandlung in der Periitstufe stattfinden kann. Beim Halten auf der Temperatur oberhalb Ms wandelt sich derAustenit im Kolben möglichst vollständig zu Bainit um.

Durch eine langsame Umklappung des Austenits entstehen, von den Korngrenzen oder Störstellen ausgehend, stark an Kohlenstoff übersättigte Ferrit-Kristalle mit kubischraumzentriertem Kristallgitter (krz-Gitter) im Kolben. Der Kohlenstoff scheidet sich aufgrund der höheren Diffusionsgeschwindigkeit im krz-Gitter in Form kugeliger oder ellipsoider Zementitkristalle innerhalb des Ferritkorn aus. Ebenso kann der Kohlenstoff in den Austenitbereich des Kolbens eindiffundieren und Carbide bilden.

Der obere Bainit entsteht im oberen Temperaturbereich der Bainitbildung, er hat ein nadeiförmiges Gefüge, das sehr stark an Martensit erinnert. Durch die günstigen Bedingungen für die Diffusion diffundiert der Kohlenstoff im Kolben an die Korngrenzen der Ferritnadein. Im Kolben entstehen hier unregelmäßige und unterbrochene Zementitkristalle. Wegen der regellosen Verteilung hat das Gefüge im Kolben oft ein körniges aussehen. Bei nicht ausreichender metallografischer Analyse kann das Gefüge leicht mit Perlit oder auch dem Widmanstätten-Gefüge verwechselt werden.

Der untere Bainit entsteht im Kolben nur bei kontinuierlicher Abkühlung im unteren Temperaturbereich der Bainitbildung. Durch die Ferritbildung reichert sich der Austenit an Kohlenstoff an, bei weiterer Abkühlung wandeln sich die Austenitbereiche im Kolben in Ferrit, Zementit, nadeligen Bainit und Martensit um. Durch das Bainitisieren werden Eigenspannungen im Kolben vermindert und die Zähigkeit erhöht, so dass sich dieses Verfahren für rissempfindliche Stähle und kompliziert geformte Kolben anbietet.

Das Verformungs- und Festigkeitsverhalten eines Kolbens wird nachfolgend näher betrachtet. Die isotherme Bainitumwandlung bietet eine Reihe von Vorteilen. Im Gebiet des unteren Bainits werden neben hohen Festigkeiten sehr gute Zähigkeitseigenschaften im Kolben erreicht, wie es sich für Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 1 % zeigt. Dabei wurde der Chromgehalt von 0 bis 1% und der Siliziumgehalt von 0,1 bis 0,6 % variiert. Bei Umwandlungstemperaturen von 400 bis 600 °C wurde ein Streckgrenzenverhältnis von 0,6 bis 0,8 ermittelt. Für Zugfestigkeiten über 850 N/mm ² zeigten die in der Bainitstufe umgewandelten Stähle eine überlegene Duktilität gegenüber normal vergüteten Stählen. Diese sehr guten mechanischen Eigenschaften des Bainits bleiben bis zu tiefsten Temperaturen erhalten. Ferner sind die Bruchdehnung, Brucheinschnürung und Kerbschlagzähigkeit höher als bei vergleichbarer Festigkeit nach normaler Vergütung. Auch die Zeitstandfestigkeit, Dauerschwingfestigkeit und Zeitschwingfestigkeit werden durch dieses Wärmebehandlungsverfahren günstig beeinflusst.

Werkstoffe für Kolben mit bainitischen Gefügezuständen bringen Vorteile in der Dauerfestigkeit und Zeitfestigkeit. Es kann gezeigt werden, dass die Dauerfestigkeit bainitisch umgewandelter Proben über der von vergüteten Proben mit vergleichbarer Zugfestigkeit liegt. Es ist dabei auf eine möglichst vollständige bainitische Umwandlung zu achten. Dabei zeichnet sich das bainitische Gefüge dadurch aus, dass es durch innere oder äußere Kerben sowie von Rissen erzeugte Spannungsspitzen wirksam abbauen kann.

Die Umwandlung in der Batnitstufe ist jedoch nicht nur aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften für Kolben interessant, sondern auch unter dem Aspekt einer verzugsarmen und praktisch härteriss freien Wärmebehandlung. Infolge der relativ hohen Umwandlungstemperaturen sind sowohl die Abschreck- als auch die Umwandlungsspannungen sehr viel geringer als bei der üblichen Härtung. Zudem ist die Umwandlung in der Bainitstufe mit erheblich kleineren Volumenänderungen verbunden als die martensitische Umwandlung. Die mikrostrukturelle Definition des Bainits hierbei wird bei Eisenbasiswerkstoffen Bainit als nichtlamellares Produkt des eutektoiden Zerfalls aus Ferrit und Carbid bestehend angesehen. Die beiden Produktphasen bilden sich diffusionskontrolliert zeitlich nacheinander, wobei die Carbide sich entweder im zuerst gebildeten Ferrit oder an dessen Grenzfläche ausscheiden.

Martensit ist ein metastabiles Gefüge von Festkörpern, das diffusionslos und athermisch durch eine kooperative Scherbewegung aus dem Ausgangsgefüge entsteht. Kooperative Bewegung meint, dass das Martensitgitter nur durch geordnete Winkel und Lageänderungen aus dem Ausgangsgitter entsteht. Die einzelnen Atome bewegen sich dabei nur um Bruchteile des Atomabstands. Die als invariante Habitusebene bezeichnete Mittelrippe jeder entstandenen Martensitplatte nimmt am Umklappen nicht teil. Für Stähle ist die martensitische Umwandlung eine häufig genutzte Möglichkeit der Eigenschaftsbeeinfiussung. im Stahl des Kolbens entsteht Martensit durch einen diffusionslosen Umklappvorgang aus dem kubisch-flächenzentrierten Gitter des Austenits in ein hdP (hexadiagonal dichteste Packung) Gitter, während der raschen Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der Martensitstarttemperatur. Die Umwandlung hört auf, wenn die Abkühlung gestoppt wird. Ist die artensitfinishtemperatur erreicht, dann vergrößert sich mit weiterer Abkühlung der Volumenanteil des Martensits nicht weiter.

Auch AFP-Stähle bieten für Anwendungen bei Kolben für Brennkraftmaschinen mit mittlerer Belastung aus wirtschaftlichen Gründen Vorteile. Ausscheidungshärtende ferritisch-perlitische Stähle (AFP-Stähle) sind im Wesentlichen Kohlenstoffstähle, die zusätzlich mit ca. 0,1 - 0,4 % Vanadium legiert sind. Sofern der Kolben warm geschmiedet wird, ist während des Warmschmiedevorgangs bei ca. 1250 °C ihre Gefügestruktur austenitisch und das Vanadium ist vollständig im Austenitgitter gelöst. Nach dem Schmiedevorgang des Kolbens wandelt der Austenit durch eine kontrollierte Abkühlung an Luft erst teilweise in die ferritische und bei weiter fallender Temperatur dann zusätzlich in die perlitische Gefügestruktur um. Dies entspricht den Vorgängen, die auch bei einfachen Kohlenstoffstählen bei der Abkühlung ablaufen. Die mikrolegierten AFP-Stähle zeigen aber in der Folge einen zusätzlichen Effekt: Im Ferrit/Ferrit-Perlit-Gefüge hat das Vanadium eine deutlich niedrigere Löslichkeit, sodass ein erheblicher Ausscheidungsdruck entsteht. Da das Element auch bei niedrigeren Temperaturen noch ausreichend diffundieren kann, kommt es zur Bildung von Ausscheidungen: Das Vanadium verbindet sich mit Kohlenstoff und ggf. Stickstoff zu Vanadiumcarbiden oder -carbonitriden. Diese für die Festigkeitssteigerung verantwortlichen Ausscheidungen sind gleichmäßig im ganzen Gefüge verteilt und haben Abmessungen im ein- oder zweistelligen Nanometerbereich. Damit können sie effektiv die Bewegung von Versetzungen behindern (Ausscheidungsverfestigung). Infolgedessen steigen Streckgrenze und Zugfestigkeit dieser Stähle gegenüber vergleichbaren Legierungen ohne Vanadium deutlich an. Im Lichtmikroskop sind lediglich ferritische und perlitische Bereiche erkennbar. Erst im Transmissionselektronenmikroskop können die festigkeitssteigernden Ausscheidungen sichtbar gemacht werden. Damit können mit dieser Stahigruppe Festigkeitswerte für Kolben erzielt werden, die in den Bereich der Vergütungsstähle reichen, ohne dass ein Härte- und Anlassvorgang durchgeführt werden muss, jedoch vorteilhafterweise durchgeführt werden kann. Da der im Rahmen einer Wärmebehandlung übliche Abschreckvorgang entfällt, können auch keine Härterisse entstehen, sodass die Kolben auch nicht rissgeprüft werden müssen. Das Zusammenwirken von kostengünstigerer Legierungslage und dem Entfall einer Vergütungsbehandlung sowie auch der Rissprüfung resultiert in signifikanten Kosteneinsparungen gegenüber den Vergütungsstählen.

Austenit ist die metallographische Bezeichnung für die kubisch-flächenzentrierte Modifikation (Phase) des reinen Eisens und seiner Mischkristalle. Die austenitische Phase (definiert durch die kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur) kommt zwischen den Temperaturen 1392 °C und 911 °C als γ-Eisen bei reinem Eisen vor. Bei der Abkühlung bildet sie sich aus dem δ-Ferrit durch eine polymorphe Umwandlung. Kommt Kohlenstoff als Legierungselement hinzu, liegt der Austenit als Einlagerungsmischkristall vor. Das kubisch-flächenzentrierte Austenitgitter verfügt über Oktaederlücken mit einem Radius von 0,41 R. Trotz der größeren Packungsdichte vermag Austenit daher deutlich mehr Kohlenstoffatome zu lösen als das krz-Ferritgitter. Die Kohlenstoffiöslichkeit des Aüstenits liegt bei einer Temperatur von 723 °C bei 0,8 %. Die maximale Löslichkeit liegt bei 1147 °C mit 2,06 % Kohlenstoff. Die Diffusionsgeschwindigkeit im Austenit ist kleiner als im Ferrit. Die austenitische Phase hat paramagnetische Eigenschaften, sie ist nicht magnetisierbar. Ferrit ist die metallographische Bezeichnung für die kubisch-raumzentrierte Modifikation (Phase) des reinen Eisens und seiner Mischkristalle.

Zementit ist eine Verbindung von Eisen und Kohlenstoff der Zusammensetzung Fe3C (Eisencarbid) und tritt als metastabile Phase in Stahl auf.

Der Perlit ist ein lameliar angeordneter, eutektoider Gefügebestandteil des Stahles. Er ist ein Phasengemisch aus Ferrit und Zementit, das durch gekoppelte Kristallisation in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen bei Kohlenstoffgehalten zwischen 0,02 % und 6,67 % auftritt. Der eutektoide Punkt (100%ige Umwandlung zu Perlit) liegt bei 723 °C und 0,83 % Kohlenstoff. Bis 2,06 % Kohlenstoff liegt der Perlit als separater Gefügebestandteil vor, oberhalb von 2,06 % Kohlenstoff ist er Bestandteil des Ledeburits II (elektisches Gefüge). Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren gezeigt und nachfolgend beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Kolbenrohlings,

Fig. 2 zeigt ein Detail gemäß II in Figur 1 ,

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Kolbenrohlings in Fügeposition und Fig. 4 zeigt ein als Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild (ZTU) bezeichnetes Diagramm.

In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, oberhalb, unterhalb, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Vorrichtung und anderer Elemente. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, das heißt durch verschiedene Positionen und/oder spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern. Gleiche Elemente erhalten in allen Figuren gleiche Bezugszeichen.

In der Figur 1 ist der Ausschnitt eines Kolbenrohlings 1 , aufweisend ein Unterteil 2 und ein Oberteil 3, gezeigt. Zwischen Unterteil 2 und Oberteil 3 ist eine obere Fügeebene 6 angeordnet. Diese obere Fügeebene 6 ist im äußeren Umfang eines Kühlkanals 14 oder außerhalb des Kühlkanals 14 angeordnet ist. Im Bereich der oberen Fügeebene 6 sind gegenüberliegend eine obere Unterteilfügefläche 16 am Unterteil 2 und eine obere Oberteilfügefläche 17 am Oberteil 3 ausgebildet. Zumindest teilweise ist zwischen der oberen Unterteilfügefläche 16 und der oberen Oberteilfügefläche ein oberer Lötspalt 4 ausgebildet. Weiterhin ist zwischen Unterteil 2 und Oberteii 3 eine untere Fügeebene 15 angeordnet. Diese Fügeebene ist im inneren Umfang des Kühlkanals 14 oder außerhalb des Kühlkanals 14 angeordnet. Im Bereich der unteren Fügeebene 15 sind gegenüberliegend eine untere Unterteiifügefläche 18 am Unterteil 2 und eine untere Oberteilfügefläche 19 am Oberteil 3 ausgebildet. Zumindest teilweise ist zwischen der unteren Unterteilfügefläche 18 und der unteren Oberteilfügefläche 19 ein unterer Lötspalt 5 ausgebildet.

Unterteil 2 und Oberteil 3 werden stoffschlüssig zu dem Kolbenrohling 1 gefügt, hierzu ist der obere Lötspalt 4 und der untere Lötspait 5 zwischen den beiden Teilen 2, 3 vorgesehen. Der untere Lötspalt 5 weist ein Spaltmaß x auf, welches in Figur 2 dargestellt ist. Das Spaltmaß x beträgt beispielsweise 0,1 mm.

Figur 2 zeigt das mit II in Figur 1 gekennzeichnete Detail im Bereich des Lötspalts 5. Im Bereich der unteren Fügeebene 15 zwischen Unterteil 2 und Oberteil 3 ist ein Anschlag 7 ausgebildet. Eine Zentrierung 8 der Teile 2, 3 zueinander erfolgt durch Formschluss der korrespondierenden Durchmesser von Unterteil 2 und Oberteil 3. Im Bereich des unteren Lötspalts 5 ist ein Druckausgleichselement 9 in Form einer Bohrung angeordnet. In der Fügeposition des Kolbenrohlings , dargestellt in Figur 3, weist dieses Druckausgleichselement 9 im Bezug auf die Koibenhubachse nach diagonal unten, sodass die Schwerkraft auf das Lot einwirken kann. Die Krafteinwirkung F ist in der Figur 3 eingezeichnet.

In den Figuren 1 , 2 und 3 ist eine Fertigkontur 10 als gestrichelte Linie eingezeichnet. Diese Fertigkontur 10 beschreibt den Verlauf der Begrenzungslinie des aus dem Kolbenrohling 1 herauszuarbeitenden, hier nur durch seine Kontur dargestellten Kolben 50 für eine Brennkraftmaschine. Insbesondere in der Figur 2 ist ersichtlich, dass der Bereich mit dem Anschlag 7, der Zentrierung 8 und dem Druckausgleichselement lediglich zum Fügen von Unterteil 2 und Oberteil 3 vorgesehen ist und in einem späteren Schritt zur Bildung einer Brennraummulde entfernt wird. In der Figur 1 ist ein späterer Muldenhals 11 und ein späterer Muldenrand 12 dieser Brennraummulde eingezeichnet. Auch ist das noch nicht aus dem Koibenrohling 1 herausgearbeitete Ringfeld 13 eingezeichnet. Benachbart zu diesem zukünftigen Ringfeld 13 in Richtung der zentralen Koibenhubachse befindet sich ein ringförmig umlaufender Kühlkanal 14. Zustandsschaubilder beschreiben Gleichgewichtsverhältnisse in Legierungen, beispielsweise das Fe-Fe3C-Diagramm im System Eisen-Kohlenstoff, die sich nur bei sehr langsamen Temperaturänderungen einsteilen. Bei der technischen Wärmebehandlung treten allerdings rasche Temperaturänderungen bei der Prozessführung auf. Da die Diffusion der Elemente eine zeitabhängige Größe ist, hat die Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit einen erheblichen Einfluss auf den kristallinen Zustand des metallischen Werkstoffes. Dies bedeutet, dass Zustandsdiagramme nur teilweise auf die jeweiligen Wärmebehandlungsverfahren anwendbar sind, da sie Art und Zusammensetzung der Phasen während der Temperaturführung nicht immer widerspiegeln.

Es wird daher auf eine andere Darstellungsweise zurückgegriffen, welche die Zeitabhängigkeit der Umwandlungen berücksichtigt. Zur Darstellung der Zeitabhängigkeit der Phasenumwandlungen wird daher als Diagramm ein Zeit- Temperatur-Umwandlungs- (ZTU-) Schaubild gewählt (Figur 4). Im ZTU-Diagramm kann die Gefügeentwicklung bei unterschiedlichen Temperaturverläufen und Abkühlrouten während der Wärmebehandlung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen verfolgt werden. Prinzipiell werden das isotherme und das kontinuierliche ZTU- Diagramm unterschieden. Ein kontinuierliches ZTU-Diagramm ist in der Figur 4 dargestellt. Nach der Austenitisierung wird der Kolben mit verschiedenen Abkühlgeschwändigkeiten bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Dabei werden die Umwandlungspunkte festgehalten. Zusätzlich wird am Ende der Abkühlkurve meist noch die erreichbare Härte notiert. Die bei der Abschreckbehandiung eines austenitisierten Stahles anzustrebende Abkühlgeschwindigkeit lässt sich an Hand kontinuierlicher Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder beurteilen. In solch einem Diagramm, Figur 4 zeigt eines, sind die längs bestimmter Abkühlungskurven auftretenden Gefügezustände innerhalb des Kolbens als Funktion der Temperatur und der Zeit vermerkt. In Figur 4 tritt ein Austenitbereich 110, ein Ferritbereich 111 , ein Perlitbereich 112, ein Bainit- oder Zwischenstufenbereich 113 und Martensitbereich 114 auf. Weiterhin sind in der Figur 4 eine hohe Abkühlgeschwindigkeit 121 , eine erhöhte Abkühlgeschwindigkeit 122, sowie eine langsame Abkühlgeschwindigkeit 123 eingezeichnet. Auch ist ein erster Haltepunkt beim Erwärmen 131 (Ac 1 , c = chauffage) des Kolbenwerkstoffes und ein dritter Haltepunkt beim Erwärmen 133 (Ac 3, c = chauffage) des Koibenwerkstoffes dargestellt. Weiterhin ist eine Grenze 140 eingezeichnet, bei deren Unterschreitung die Gefügeumwandlung abgeschlossen ist.

In der Figur 4 sind Abkühlrouten 101 , 102 dargestellt. Die Abkühlroute 101 stellt ein kontinuierliches Abkühlen dar. Hierbei wird das Zielgebiet im Zeit-Temperatur- Umwandlung (ZTU) Schaubild kontrolliert durchschritten, um das beabsichtigte Gefüge einzustellen. Der Abkühlvorgang findet im Vakuumofen statt. Das Zielgebiet Bainit für bainitsche Stähle wird mit einer Abkühlrate von 0,25 bis 5 K/s (Kelvin pro Sekunde) anvisiert. Das so entstehende Mischgefüge weist Anteile von unteren und oberen Bainit auf. Das Zielgebiet Ferrit-Perlit für ausscheidungshärtende ferritisch- perlitische Stähle (AFP-Stähle) wird mit Abkühlraten von 5 bis 45 K/min angesteuert. Die Abkühlroute 102 stellt ein Abkühlen auf die isotherme Umwandlungstemperatur zwischen 350 und 650 °C und anschließendes Halten dar. Gegenüber der Abkühlroute 101 ergibt sich vorteilhafterweise ein homogenes Gefüge, da bei der Phasenumwandlung nur ein Temperaturbereich durchlaufen wird. Das Abkühlen auf isotherme Umwandlungstemperatur erfolgt mit Abkühlraten von 250 - 10 K/s bei einer isothermen Haitezeit von mindestens 15 Minuten. Bei der Abkühlroute 102 lässt sich das Mischgefüge aus unteren und oberen Bainit gezielt einstellen. Der Abkühlvorgang findet im Vakuumofen statt.

Alternativ ist auch eine Kombination der Abkühlrouten 101 und 102 denkbar, hierbei wird bis zum Kreuzungspunkt 150 der Abkühirouten 101 und 102 die Abkühlroute 101 verfolgt und ab dem Kreuzungspunkt 150 die Abkühlroute 102 weiterverfolgt. Hierbei wird ab dem Kreuzungspunkt 150 die Temperatur mindestens 15 Minuten isotherm gehalten. Wenn die Grenze 140 unterschritten wird, ist die Gefügeumwandlung abgeschlossen. Bezugszeichenliste

1 Kolbenrohling

2 Unterteil

3 Oberteil

4 oberer Lötspait

5 unterer Lötspalt

6 obere Fügeebene

7 Anschlag

8 Zentrierung

9 Druckausgleichselement

10 Fertigkontur

11 Muldenhals

12 Muldenrand

13 Ringfeld

14 Kühlkana!

15 untere Fügeebene

16 obere Unterteilfügefläche

17 obere Oberteilfügefläche

18 untere Unterteilfügefläche

19 untere Oberteilfügefläche

50 Kolben

101 Abkühlroute, kontinuierliches Abkühlen

102 Abkühlroute, Abkühlen auf isotherme Umwandlungstemperatur

110 Austenit

111 Ferrit

112 Perlit

113 Bainit (Zwischenstufengefüge)

114 Martensit

121 hohe Abkühlgeschwindigkeit

122 erhöhte Abkühlgeschwindigkeit

123 langsame Abkühlgeschwindigkeit

131 Ac 1 erster Haltepunkt beim Erwärmen (c = chauffage) 133 Ac 3 dritter Haltepunkt beim Erwärmen (c = chauffage)

140 Grenze

150 Kreuzungspunkt x Spaitmaß

F Krafteinwirkung