Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungsmotoren sowie die Verwendung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren .

Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik

Konventionell werden Kolben z.B. für PKW-Dieselmotoren über das Fügen mittels HIW-Schweißens eines geschmiedeten Stahlunterteils und einem aus einem Stangenvormaterial bearbeiteten Stahloberteil gefertigt. Nach Vorbearbeitung der beiden Teile, bei der der für den Kolben notwendige Kühlkanal spanend geformt wird, werden diese über einen Reibschweiß oder HIW-Prozess gefügt, anschließend wärmebehandelt und fertig bearbeitet. Konventionell wird also bei der Herstellung entsprechender Stahlkolben von einem geschmiedeten Vormaterial ausgegangen und mehrere Komponenten über zumeist ein thermisches Fügeverfahren miteinander verbunden. Diese Fertigungsmethode ist jedoch vergleichsweise aufwändig und teuer. Im Lichte dieser zurzeit üblichen Technologie ist es wünschenswert, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, der einfacher und weniger kostenintensiv herzustellen ist und dennoch zumindest die Eigenschaften konventioneller Stahlkolben aufweist.

Beschreibung der Erfindung

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist folglich eine kostengünstige und betriebssichere Alternative zu geschmiedeten und über thermische Fügeprozesse (Schweißprozesse) aus mehreren Teilen gefügte Kolben aus Stahl, insbesondere Kolben für Verbrennungsmotoren und speziell PKW-Dieselmotor-Kolben, bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch den Kolben gemäß Anspruch 1 gelöst, der einteilig gegossen ist und aus nahezu vollperlitischem Gusseisen mit Kugelgraphit als Kolbenmaterial besteht. „Einteilig gegossen" mein hier, dass der Kolben aus einem Stück und nicht aus mehreren gefügten Teilen besteht und, dass dieser einstückige Kolben als Ganzes komplett durch Gießen hergestellt worden ist.

Dementsprechend werden Kolbenrohlinge, insbesondere für aber nicht beschränkt auf PKW-Dieselmotoren, durch einen Gießprozess in einem Stück aus Sphäroguss hergestellt. Mit dieser Urformtechnologie kann die Zahl von Arbeitsschritten bei der Herstellung eines entsprechenden Kolbens im Vergleich zu einer Fertigung aus mehreren Teilen aus einem Stahlvormaterial reduziert werden. Auch können bei dieser einstückigen Fertigung des Kolbens durch einen Gießprozess Probleme vermieden werden, die sonst bei einer Fertigung aus mehreren Teilen und dem Fügen davon typischerweise auftreten würden. Ferner kann unter anderem der Kühlkanal im Kolben vergleichsweise kostengünstig über den Einsatz eines verlorenen Kerns erfolgen. Aufwendige, separate Bearbeitungsprozesse entfallen dadurch.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Einsatz eines hochfesten und gleichzeitig kostengünstigen Gusswerkstoffes. In der vorliegenden Erfindung kommt ein vollperlitisches Gusseisen mit Kugelgraphit hoher Festigkeit als Kolbenmaterial zum Einsatz, das die in der DIN EN 1563:2012-03 genannten Eigenschaften für den Werkstoff EN-GJS-700-2 erreicht oder sogar übertrifft. Das erfindungsgemäße Kolbenmaterial bzw. der Kolbenwerkstoff ist hinsichtlich erhöhter thermischer Stabilität optimiert. Damit werden die Zugfestigkeit und die Dauerfestigkeit (HCF) bei Einsatztemperaturen von 500°C und darüber deutlich erhöht. Der erfindungsgemäße Kolben hat daher mindestens die positiven Eigenschaften, wie Kolben, die aus den Materialien GJS-700-2 oder GJS-800-2 gefertigt sind. Die Mikrostruktur des Kolbenmaterials im gegossenen Zustand ist vollperlitisch und im Gegensatz zu den genormten Werkstoffen (GJS) ist der erfindungsgemäße Werkstoff über die Elemente Cu, Sn, Ni und Sb, welche die Kohlenstoffdiffusion im Eisen unterdrücken, und den Perlit bei Betriebstemperaturen stabilisieren, insgesamt stabilisiert.

Das Attribut „nahezu vollperlitisch" ist dahin zu verstehen, dass mikrostrukturell und im Gefüge des Kolbenmaterials überwiegend vollperlitisches Gusseisen mit Kugelgraphit anzutreffen ist. Andere Phasen sind demnach nur in geringem Ausmaß und Anteil anzutreffen. Das Gefüge des Kolbenmaterials des erfindungsgemäßen Dieselmotor-Kolbens weist gleichmäßig verteiltes Graphit mit überwiegend kugliger Morphologie und als Matrix Perlit, teilweise mit kleinen Ferritbereichen um die Graphitphasen herum, auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der freie Ferritgehalt < 2,6%, bevorzugt < 1,0% und weiter bevorzugt < 0,5%. Wie bereits oben qualitativ ausgedrückt, weist das Kolbenmaterial des erfindungsgemäßen Kolbens nur sehr geringe Anteile von Phasen auf, die vom vollperlitischen Gusseisen mit Kugelgraphit abweichen. Eine davon kann Ferrit sein, wobei dessen Gehalt im Gefüge insgesamt unter etwa 3,0% liegt. Im Mittel beträgt der Ferritgehalt bevorzugt < 1,0 %, wobei lokale Ansammlungen von Ferrit auftreten können, wo dessen Gehalt bis zu 2,6% betragen kann. Diese Ansammlungen treten insbesondere nahe des Gusskerns oder des Speisers auf.

Mit Vorteil weist das Kolbenmaterial des erfindungsgemäßen Kolbens in Gewichtsprozent (Gew.-%) die folgenden Bestandteile/Elemente: C: 3,23 bevorzugt 3,4 bis 3,81 bevorzugt 3,8; Si: 2,2 bis 3,23 bevorzugt 3,0; Mn: 0,04 bevorzugt 0,2 bis 0,4; Mg: 0,0025 bis 0,054 bevorzugt 0,04; P: < 0,1; S: 0 bis 0,020 bevorzugt 0,007; Cr: < 0,1; Ni: < 0,1; Mo: < 0,05; Nb: < 0,1; Cu: 0,4 bis 1,0; Pb : <

0,002; B: < 0,001; W: < 0,01; Ti: < 0,015; Sn: 0,05 bis

0,135 bevorzugt 0,1; V: < 0,1; Sb: d 0,002 und als Rest Eisen und nicht zu vermeidende Verunreinigung auf bzw. besteht optional daraus.

Weiter mit Vorteil weist das Kolbenmaterial des erfindungsgemäßen Kolbens in Gewichtsprozent (Gew.-%) die folgenden Bestandteile/Elemente: C: 3,23 bis 3,81; Si: 2,2 bis 3,23; Mn: 0,04 bis 0,4; Mg: 0,0025 bis 0,054; P: 0,005 bis 0,1; S: 0,003 bis 0,020; Cr: 0,01 bis 0,1; Ni: 0,006 bis 0,1; Mo: 0 , 002 bis 0 , 05 ; Nb : < 0,1; Cu: 0,4 bis 1,0; Pb: <

0,007; B: < 0,01; W: 0,001 bis 0,1; Ti: < 0,015; Sn: 0,05 bis 0,135; V: 0,002 bis 0,3; Sb: 0,001 bis 0,07 und als Rest

Eisen und nicht zu vermeidende Verunreinigung auf bzw. besteht optional daraus.

Weiter mit Vorteil weist das Kolbenmaterial des erfindungsgemäßen Kolbens in Gewichtsprozent (Gew.-%) die folgenden Bestandteile/Elemente C: 3,23 bis 3,81; Si: 2,2 bis 3,23; Mn: 0,04 bis 0,4; Mg: 0,0025 bis 0,054; P: < 0,1; S: 0 bis 0,020; Cr: < 1,0; Ni: < 1,0; Mo: < 0,5; Nb: < 0,3; Cu: 0,3 bis 2,0; Pb: < 0,009; W: < 1,0; Ti: < 0,015; Sn: 0,05 bis

0,3; V: < 1,0; Sb: < 0,05 und als Rest Eisen und nicht zu vermeidende Verunreinigung auf bzw. besteht optional daraus.

Optional besteht das Kolbenmaterial aus einer der vorgenannten Legierungen, d.h., weist keine anderen Komponenten bzw. chemischen Elemente in wirksamen und funktionalen Gehalten auf. Die erfindungsgemäße

Zusammensetzung des Kolbenmaterials des Kolbens zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass darin gezielt Elemente beigemischt sind, welche die Diffusion des Kohlenstoffs in Stahl reduzieren bzw. verhindern. Als solche funktionalen Zugaben sind insbesondere die erfindungsgemäßen Gehalte von Kupfer (Cu), Zinn (Sn) und Nickel (Ni) zu sehen. Im Vergleich zu den zuvor genannten genormten Werkstoffen, wird damit eine besonders gute Hochtemperaturstabilisierung durch Unterdrückung der Kohlenstoffdiffusion erreicht, die mit entsprechenden vorteilhaften Eigenschaften für den Verbrennungsmotor-Kolben insgesamt einhergeht.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Kolbens, insbesondere eines Kolbens wie er zuvor beschrieben worden ist, für Verbrennungsmotoren und insbesondere für „Light-Vehicle Diesel" (LVD) , „Heavy Duty" (HD) z.B. LKW und mit Durchmessern bis ca. 145 mm und „Large bore" Dieselmotoren z.B. Großkolbenmotoren in Schiffen oder für stationäre Anwendungen. Der Kolben gemäß der vorliegenden Erfindung ist mithin nicht nur auf Kolben für vergleichsweise kleine PKW-Dieselmotoren beschränkt, sondern kann auch für größere Motoren und auch für Otto- und Gasmotoren hergestellt und verwendet werden.

Detaillierte Ausführungsformen

Ein konkretes Beispiel eines Kolbenmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein im Wesentlichen vollperlitisches Gusseisen mit Kugelgraphit, das in Gew.-% aus den folgenden Elementen C: 3,7; Si: 2,6; Mn: 0,3; Mg: 0,03; P: 0,02; S: 0,01; Cr: 0,05; Ni: 0,03; Mo: 0,01; Nb: 0,01; Cu: 0,6; Pb: 0,001; B: 0,0001; W: 0,001; Ti: 0,01; Sn: 0,06; V: 0,1 und als Rest Fe und nicht zu vermeidenden Verunreinigungen besteht.

Als weiteres Beispiel der vorliegenden Erfindung wurde ein PKW-Dieselmotor-Kolben mittels Schwerkraft-Sandguss Prozess gegossen und folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% davon bestimmt: C: 3,38 %; Si: 3,05 %; Mn: 0,160 %; P: 0,065 %; S: 0,007 %; Cr: 0,025 %; V: 0,006 %; Mo: 0,005 %; Ni: 0,015 % ; Cu: 0,737 %; Mg: 0,054 %; Ti: 0, 0084 %; W: 0,0050 % ; Sn: 0,0980 %; Nb: 0,0048 %; Al: 0,0219 %; Ca: 0,0013 %; Pb: 0,0006 %; N: 0,0077 %; Co: 0,0065 %; As: 0,0057 %; Bi: 0,0018 % ; Ce: 0,0164 %; Sb: 0, 0007 %; Te : 0,0010 %; La: 0,0032 % ; Zn: 0,0004 %.

Von diesem Kolben wurden Querschnitte angefertigt und an unterschiedlichen Stellen im Kolben Proben entnommen, die auf ihre mechanischen Eigenschaften hin untersucht und für die ebenfalls Gefügeanalysen durchgeführt wurden. Auf Grundlage von elf entnommenen Proben wurde eine mittlere Härte HB187,5/2,5 von 300 bestimmt. Insgesamt wies der Kolben eine gute Homogenität hinsichtlich dieses Härtewertes auf, d.h. es lagen keine nennenswerten Schwankungen in der Härte über den Querschnitt des Kolbens hinweg vor. Die an den entsprechenden Stellen des Kolbenschwerschnitts entnommenen Proben wurden metallografisch hinsichtlich der verschiedenen Phasen präpariert und mikroskopisch untersucht und es wurde eine im Wesentliche einheitliche Verteilung von Kugelgraphit in einer Perlitmatrix sowie nur sehr geringe Gehalte von Ferrit in der Mikrostruktur festgestellt.

Die nachfolgende Tabellen 1 und 2 listen eine Reihe von Zusammensetzungen (Proben 1 bis 11) von Gusslegierungen auf, die das Kolbenmaterial des erfindungsgemäßen Kolbens repräsentieren und an entsprechend hergestellten Kolben bestimmt wurden.

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