DE102010051682A1 - Lightweight crankshaft and manufacturing process thereof - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Leichtbau-Kurbeltrieb mit Komponenten aus dichtereduziertem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl und dessen Herstellungsverfahren bereit. Der Leichtbau-Kurbeltrieb umfasst eine Kurbelwelle, ein Pleuel mit einem großen und einem kleinen Pleuelauge und einen Kolbenbolzen, wobei die Kurbelwelle in dem großen Pleuelauge und der Kolbenbolzen in dem kleinen Pleuelauge gelagert sind. Dabei bestehen alle Komponenten Kurbelwelle, Pleuel und Kolbenbolzen aus dem UHC-Leichtbaustahl. Zudem wird das Kurbelwellenlager in dem großen Pleuelauge durch zumindest eine thermische Spritzschicht bereitgestellt und der Kolbenbolzen weist eine Hartstoff-Beschichtung auf.The present invention provides a lightweight crank mechanism with components made from density-reduced, ultra high-carbon lightweight steel and its production method. The lightweight crank drive comprises a crankshaft, a connecting rod with a large and a small connecting rod eye and a piston pin, the crankshaft being mounted in the large connecting rod eye and the piston pin in the small connecting rod eye. All components of the crankshaft, connecting rod and piston pin are made of UHC lightweight steel. In addition, the crankshaft bearing in the large connecting rod eye is provided by at least one thermal spray layer and the piston pin has a hard material coating.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtbau-Kurbeltrieb mit Komponenten aus ultrahochkohlenstoffhaltigem Leichtbaustahl für einen Verbrennungsmotor, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a lightweight crank mechanism with components made of ultra-high carbon lightweight steel for an internal combustion engine, and a method for its production.

Das Gewicht von Verbrennungsmotoren hängt generell auch vom Hubvolumen ab. Abhängig von Motorkonzept und Zylinderanordnung besteht bei gleichem Hubraum allerdings eine große Streubreite des Motorgewichts, abhängig von der konstruktiven und materiellen Beschaffenheit der Komponenten. Herkömmlicherweise werden zur Fertigung der Kurbeltriebkomponenten Kurbelwelle, Pleuel und Kolbenbolzen etwa klassische Stahlwerkstoffe verwendet, beispielsweise der Stahl C70 für die Kurbelwelle, und damit schwere Werkstoffe. Der Einsatz eines ultrahochkohlenstoffhaltigen (Ultra High Carbon) Leichtbaustahls, kurz UHC-Leichtbaustahls, ist für die Herstellung von Bauteilen allgemein für Verbrennungsmotoren und Getriebekomponenten von Kraftfahrzeugen bekannt.The weight of combustion engines generally also depends on the stroke volume. Depending on the engine concept and cylinder arrangement, however, there is a large spread of engine weight for the same displacement, depending on the structural and material characteristics of the components. Conventionally, for the production of the crankshaft drive components crankshaft, connecting rod and piston pin about classic steel materials used, for example, the steel C70 for the crankshaft, and thus heavy materials. The use of ultra high carbon (UHC) lightweight structural steel is known for the manufacture of components generally for internal combustion engines and transmission components of automobiles.

So beschreibt DE 10 2006 041 902 A1 einen UHC-Leichtbaustahl mit verbesserter Zunderbeständigkeit, dessen Zusammensetzung durch 1 bis 1,6 Gew.-% C, 5 bis 10 Gew.-% Al, 0,5 bis 3 Gew.-% Cr und 0,1 bis 2,8 Gew.-% Si sowie dem Rest Eisen und üblichen stahlbegleitenden Verunreinigungen gekennzeichnet ist. Die dort offenbarte Stahlzusammensetzung bezieht sich nicht auf spezielle Bauteile.So describes DE 10 2006 041 902 A1 a UHC lightweight steel with improved scale resistance, its composition by 1 to 1.6 wt .-% C, 5 to 10 wt .-% Al, 0.5 to 3 wt .-% Cr and 0.1 to 2.8 wt .-% Si and the rest iron and common steel-accompanying impurities is characterized. The steel composition disclosed therein does not refer to specific components.

Auch in DE 10 2008 032 024 A1 ist ein dichtereduzierter UHC-Leichtbaustahl offenbart, dessen Zusammensetzung 0,7 bis 1,6 Gew.-% C, 5 bis 12 Gew.-% Al, 0 bis 0,4 Gew.-% Cr und 0,01 bis 2,8 Gew.-% Si sowie stabilisierende Legierungselemente unterhalb 1 Gew.-% und dem Rest Eisen und übliche stahlbegleitende Verunreinigungen aufweist. Dort wird aus Gewichtsersparnisgründen vorgeschlagen, Fahrwerksbauteile, Getriebeteile, Zahnräder oder Motorkomponenten für Kraftfahrzeuge aus UHC-Leichtbaustahl zu fertigen.Also in DE 10 2008 032 024 A1 discloses a density-reduced UHC lightweight steel whose composition is 0.7 to 1.6 wt% C, 5 to 12 wt% Al, 0 to 0.4 wt% Cr and 0.01 to 2.8 Wt .-% Si and stabilizing alloying elements below 1 wt .-% and the balance iron and conventional steel-accompanying impurities. There is proposed for weight saving reasons to manufacture suspension components, gear parts, gears or engine components for motor vehicles made of UHC lightweight steel.

Aus dem genannten Stand der Technik ist bekannt, dass UHC-Stähle aufgrund ihres relativ hohen Kohlenstoffgehalts nach geeigneter thermischer und mechanischer Vorbehandlung superplastische Eigenschaften aufweisen können. Bei einer Umformung in dem superplastischen Bereich, der bei etwa 600°C beginnt und gerade unterhalb der A1-Temperatur des perlitischen Eutektikums, also bei 723°C (bei unlegiertem Stahl) endet, können Dehnwerte von einigen 100 bis 1000% in Bezug auf Dehnwerte nicht superplastischer Materialien erreicht werden. Werden dabei jedoch die optimale Temperatur und/oder Umformgeschwindigkeit überschritten, so findet eine Zerstörung des Gefüges statt, es kann zu Verzunderungen und unerwünschter Graphitbildung kommen.From the cited prior art it is known that UHC steels can have superplastic properties due to their relatively high carbon content after suitable thermal and mechanical pretreatment. When forming in the superplastic region, which begins at about 600 ° C and ends just below the A 1 temperature of the pearlitic eutectic, ie at 723 ° C (at unalloyed steel), can strain values of some 100 to 1000% with respect to Elongation of non-superplastic materials can be achieved. If, however, the optimum temperature and / or forming speed are exceeded, destruction of the microstructure takes place, resulting in scaling and undesired formation of graphite.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, einen Leichtbau-Kurbeltrieb zu schaffen, der durch Reduktion der bewegten Massen ein verbessertes Reibverhalten und dadurch auch eine gesteigerte Agilität des Motors bereitstellt.Starting from this prior art, the object is to provide a lightweight crank mechanism, which provides by reducing the moving masses an improved friction behavior and thereby also increased agility of the engine.

Diese Aufgabe wird durch einen Leichtbau-Kurbeltrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a lightweight crank mechanism with the features of claim 1.

Entsprechend ergibt sich die Aufgabe der Schaffung eines geeigneten Fertigungsverfahrens für einen derartigen Leichtbau-Kurbeltrieb.Accordingly, the task of creating a suitable manufacturing process for such a lightweight crank mechanism results.

Das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 löst diese Aufgabe.The method with the features of claim 8 solves this problem.

Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den entsprechenden Unteransprüchen ausgeführt.Further developments of the device and the method are carried out in the corresponding subclaims.

Die Komponenten des erfindungsgemäßen Leichtbau-Kurbeltriebs sind aus dichtereduziertem ultrahochkohlenstoffhaltigen Leichtbaustahl beschaffen, was vorteilhaft zur Reduzierung des Gewichtes des Kurbeltriebes ist. Der Leichtbau-Kurbeltrieb besteht aus Kurbelwelle, Pleuel mit großem und kleinem Pleuelauge und Kolbenbolzen, wobei die Kurbelwelle in dem großen Pleuelauge und der Kolbenbolzen in dem kleinen Pleuelauge gelagert ist. Zudem wird das Kurbelwellenlager im großen Pleuelauge durch eine oder mehrere thermische Spritzschichten gebildet, so dass der Verzicht auf eine Lagerschale zusätzlich zur Gewichtsersparnis beiträgt.The components of the lightweight crank mechanism according to the invention are obtained from density-reduced ultra-high carbon-containing lightweight steel, which is advantageous for reducing the weight of the crank mechanism. The lightweight crank mechanism consists of crankshaft, connecting rod with large and small connecting rod and piston pin, the crankshaft is mounted in the large connecting rod and the piston pin in the small connecting rod. In addition, the crankshaft bearing is formed in the large connecting rod by one or more thermal spray coatings, so that the waiver of a bearing shell also contributes to weight savings.

Ferner ist der Kolbenbolzen des erfindungsgemäßen Leichtbau-Kurbeltriebs mit einer Hartstoff-Beschichtung ausgestattet, so dass auch im kleinen Pleuelauge gewichtsmindernd auf eine Lagerschale verzichtet werden kann.Furthermore, the piston pin of the lightweight crank mechanism according to the invention is equipped with a hard coating, so that even in the small connecting rod eye weight-reducing can be dispensed with a bearing shell.

Das Gewicht des Kurbeltriebs kann dadurch bei einem V6-Ottomotor um ca. 11% verringert werden, so dass an diesem Motortyp beispielsweise bis zu 3,8 kg eingespart werden können. Neben Kraftstoff-Verbrauchsvorteilen führt die Reduktion der bewegten Massen des Kurbeltriebs zu weniger Reibung, was sich in einer Steigerung der Agilität des Motors bemerkbar macht.The weight of the crank drive can be reduced by about 11% in a V6 gasoline engine, so that can be saved on this type of engine, for example, up to 3.8 kg. In addition to fuel consumption advantages, the reduction of the moving masses of the crank mechanism leads to less friction, which manifests itself in an increase in the agility of the engine.

Eine geeignete Zusammensetzung eines dichtereduzierten UHC-Leichtbaustahls, aus dem die Kurbeltriebkomponenten Kurbelwelle, Pleuel und Kolbenbolzen erfindungsgemäß bestehen, umfasst von 0,7 bis 2,0 Gew.-% C; 5,0 bis 12,0 Gew.-% Al; 0,01 bis 2,8 Gew.-% Si; 0 bis 2,0 Gew.-% Cr; 1,0 bis 5,0 Gew.-% Mn sowie Fe bis zum Ausgleich der 100 Gew.-%. Ferner können stahltypische Verunreinigungsspuren enthalten sein.A suitable composition of a reduced-density UHC lightweight steel, from which the crankshaft components, crankshaft, connecting rod and piston pin according to the invention consist, comprises from 0.7 to 2.0 wt .-% C; 5.0 to 12.0 wt.% Al; 0.01 to 2.8% by weight of Si; 0 to 2.0 wt% Cr; 1.0 to 5.0 wt .-% Mn and Fe to compensate for 100% by weight. Furthermore, steel-typical contamination traces may be included.

Der hohe Anteil an Aluminium (Al) trägt zur Dichtereduktion bei, so dass der erfindungsgemäße Leichtbaustahl vorteilhaft gerade zur Herstellung von Leichtbaukomponenten im Kraftfahrzeugbau eingesetzt werden kann. Durch den hohen Al-Anteil werden die A1-Umwandlungstemperatur und damit die maximale superplastische Verarbeitungstemperatur erhöht. Dies wird durch eine geringe Erhöhung des Silizium(Si-)-Anteils noch verstärkt, wobei Silizium zusätzlich zur Dichteverringerung beiträgt, hier jedoch die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften durch Zulegieren von Si berücksichtigt werden muss. So kann über die zulegierten Si- und Al-Anteile eine optimale A1-Umformtemperatur, die hohe Umformgeschwindigkeiten ohne Änderungen bzw. Schädigungen des Gefüges erlaubt, eingestellt werden. Ferner wird durch den hohen Al-Anteil die Zunderbildung bei den erhöhten Temperaturen der Warmumformung verringert, was auch durch den Si-Anteil unterstützt wird.The high proportion of aluminum (Al) contributes to the reduction in density, so that the lightweight structural steel according to the invention can be advantageously used just for the production of lightweight components in motor vehicle construction. The high Al content increases the A 1 conversion temperature and thus the maximum superplastic processing temperature. This is further enhanced by a small increase in the silicon (Si) content, with silicon additionally contributing to the reduction in density, but here the deterioration of the mechanical properties must be taken into account by alloying in Si. Thus, via the alloyed Si and Al components, an optimum A 1 forming temperature, which allows high forming speeds without changes or damage to the microstructure, can be set. Furthermore, the high Al content reduces the scale formation at the elevated hot working temperatures, which is also supported by the Si content.

Durch das Zulegieren von Mn von bis zu 5 Gew.-% wird die Sprödigkeit des dichtereduzierten UHC-Leichtbaustahls mit dem hohen Al-Anteil von bis zu 10 Gew.-% verringert beziehungsweise seine Duktilität erhöht, so dass während eines Warmumformens wie Schmieden oder Walzen kaum Oberflächenrisse entstehen und ein so hergestellter Stahlrohling bei Raumtemperatur zur Behebung von entstandenen Verzügen gerichtet werden kann. Diese dichtereduzierte UHC-Leichtbaustahl-Zusammensetzung weist ein stabiles superplastisches Gefüge auf, mit hinsichtlich der Duktilität für eine gute Warm- und Kaltumformbarkeit verbesserten mechanischen Eigenschaften, und weist dabei nur einen geringen oder gar keinen Anteil an teuren Legierungselementen wie Ni, Mo, V und/oder Sn auf. Auch der geringe Anteil an Cr – unter Umständen kann auf Chrom auch verzichtet werden – wirkt sich Kosten verringernd aus.By alloying Mn of up to 5% by weight, the brittleness of the reduced density UHC lightweight steel with the high Al content of up to 10% by weight is reduced or its ductility increased, so that during hot forming such as forging or rolling hardly any surface cracks occur and a steel blank made in this way can be directed at room temperature to remedy any distortions. This density-reduced UHC lightweight structural composition has a stable superplastic texture, with ductility for improved hot and cold workability improved mechanical properties, and has little or no share of expensive alloying elements such as Ni, Mo, V and /. or Sn on. Even the low proportion of Cr - under certain circumstances can be dispensed with chrome - has a cost-reducing effect.

Der erhöhte Mangan(Mn)-Anteil verhindert die bzw. wirkt der durch Zulegieren von Si normalerweise bedingte Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur entgegen, die sich in einer stark versprödenden Wirkung zeigen. Der Mangan-Anteil trägt ferner dazu bei, die unerwünschte Graphitbildung zu hemmen, die aufgrund des hohen Anteils an Al und Si begünstigt ist. Zum Zweck der Unterdrückung der Graphitbildung kann das Zulegieren eines auf die Anteile an Al, Si und Mn abgestimmten Cr-Anteils sinnvoll sein.The increased manganese (Mn) content prevents the deterioration of the mechanical properties at room temperature, which is normally caused by the addition of Si, and which has a strongly embrittling effect. The manganese content also helps inhibit unwanted graphitization, which is favored because of the high levels of Al and Si. For the purpose of suppressing the formation of graphite, it may be useful to alloy in a proportion of Cr coordinated to the proportions of Al, Si and Mn.

Der Gefügezustand eines UHC-Stahls nach seiner metallurgischen Herstellung ermöglicht in der Regel keine hohe Umformgeschwindigkeit bei der Warmumformung. Dazu ist ein Gefüge mit superplastischen Eigenschaften erforderlich. Superplastische Umformungen sind im Vergleich mit Warmumformungsprozessen jedoch weniger wirtschaftlich, eine Abweichung von dem optimalen superplastischen Gefüge ist akzeptabel, wenn eine homogene, feinkörnige, sphäroide Karbidverteilung in einer ebenfalls feinkörnigen Ferritmatrix vorliegt, wobei sowohl Karbid- als auch Ferritphasen gegenüber Kornwachstum und Graphitbildung stabil sind. Beispielhafte Korngrößen der Gefüge liegen unter 10 μm, etwa mit einer mittleren Korngröße von weniger als 1,5 μm. Ein überwiegender Kornanteil ist sphäroid, ein geringer lamellarer Karbid-Anteil wirkt sich nicht nachteilig auf die Eigenschaften des UHC-Stahls aus.The structural state of a UHC steel after its metallurgical production usually does not allow a high forming rate during hot forming. This requires a structure with superplastic properties. However, superplastic forming operations are less economical compared to hot forming processes, and deviation from the optimal superplastic structure is acceptable when a homogeneous, fine grained, spheroidal carbide distribution is present in a fine-grained ferrite matrix as well, with both carbide and ferrite phases being stable to grain growth and graphitization. Exemplary particle sizes of the microstructures are less than 10 μm, for example with an average particle size of less than 1.5 μm. A predominant grain content is spheroidal, a low lamellar carbide content does not adversely affect the properties of the UHC steel.

Al und Si stabilisieren die gebildeten, gleichmäßig verteilten Phasen, die Hauptphase α-Ferrit und Nebenphasen aus κ-Carbiden, und verhindern Kornwachstum während des Warmumformens. Die gewünschte Phasenbildung des Gefüges mit feinen Kristalliten, bzw. Körnern kann mittels einer geeigneten thermo-mechanischen Behandlung erreicht werden. Der UHC-Leichtbaustahl weist auch bei Raumtemperatur gute Bruchdehnungs- und Festigkeitswerte auf, das Gefüge mit den überwiegend sphäroiden Phasen zeigt bei Kaltumformung kaum oder keine Rissbildung.Al and Si stabilize the formed, uniformly distributed phases, the main phase α-ferrite and secondary phases of κ-carbides, and prevent grain growth during hot working. The desired phase formation of the microstructure with fine crystallites or grains can be achieved by means of a suitable thermo-mechanical treatment. The UHC lightweight steel has good elongation and strength values even at room temperature, the structure with the predominantly spheroidal phases shows little or no crack formation during cold forming.

Zur Herstellung eines superplastischen Gefüges kann nach einer Austenitisierung bei einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur, die je nach C-, Si-, Al- und Cr-Anteil variiert und bei der eine homogene Verteilung des Kohlenstoffs und der Begleitelemente in der groben γ-Phase stattfindet, die Abkühlung während einer Heißumformung bis unter die A1-Temperatur durchgeführt werden, an die sich ein Warmumformen oberhalb A1-Temperatur mit nachfolgendem Abkühlen anschließt. Dadurch werden die sphäroiden κ-Karbide erzeugt.To produce a superplastic structure, after austenitization at a temperature above the austenitizing temperature, which varies depending on the C, Si, Al and Cr contents and in which a homogeneous distribution of the carbon and the accompanying elements takes place in the coarse γ phase , the cooling is carried out during a hot forming to below the A 1 temperature, followed by a hot forming above A 1 followed by cooling temperature. As a result, the spheroid κ-carbides are produced.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs aus UHC-Stahlkomponenten besteht eine weitere geeignete Zusammensetzung des UHC-Leichtbaustahls aus 1,0 bis 1,6 Gew.-% C; 7,0 bis 10,0 Gew.-% Al; 0,01 bis 0,6 Gew.-% Si; 0 bis 1,5 Gew.-% Cr; 2,0 bis 3,0 Gew.-% Mn und dem zu 100 Gew.-% ausgleichenden Anteil Fe sowie gegebenenfalls mit den stahltypischen Verunreinigungsspuren.In a further embodiment of the crank drive according to the invention made of UHC steel components, another suitable composition of the UHC lightweight structural steel consists of 1.0 to 1.6 wt .-% C; 7.0 to 10.0% by weight of Al; 0.01 to 0.6% by weight of Si; 0 to 1.5% by weight of Cr; 2.0 to 3.0% by weight of Mn and of the Fe equivalent to 100% by weight, and if appropriate with the steel-typical traces of contamination.

Bei diesen Verunreinigungsspuren kann es sich beispielsweise um Ni, Mo, Nb, V und/oder Cu handeln. In der Regel liegen deren Anteile unter 1 Gew.-%.These traces of contamination may be, for example, Ni, Mo, Nb, V and / or Cu. As a rule, their proportions are less than 1 wt .-%.

Der Kurbeltrieb mit den aus UHC-Stahl gefertigten Komponenten Kurbelwelle, Pleuel und Kolbenbolzen genügt hohen thermischen und mechanischen Ansprüchen und trägt zur Leichtbauweise zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bei.The crank mechanism with the components made of UHC steel crankshaft, connecting rod and piston pin meets high thermal and mechanical demands and contributes to the lightweight construction to reduce fuel consumption.

Generell können zur Bildung des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs mit thermisch gespritztem Kurbelwellenlager und Hartstoff beschichtetem Kolbenbolzen auch UHC-Leichtbaustähle als Werkstoff für die Komponenten verwendet werden, wie sie im Stand der Technik beschrieben sind. In general, UHC lightweight steels can also be used as a material for the components as described in the prior art for the formation of the crank drive according to the invention with thermally sprayed crankshaft bearing and hard-coated piston pin.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leichtbau-Kurbeltriebs bezieht sich auf die Hartstoff-Beschichtung des Kolbenbolzens. Der Kolbenbolzen, der den Kolben mit dem Pleuel verbindet, kann mit sehr geringem Spiel schwimmend im kleinen Pleuelauge gelagert sein. Um dort auf eine Lagerschale verzichten zu können, ist der Kolbenbolzen von der Hartstoff-Beschichtung umgeben. Bei der Hartstoff-Beschichtung kann es sich um gängige Hartschicht-Materialien wie Hartmetall, Metallcarbid, Keramik oder insbesondere amorphen, diamantähnlichen Kohlenstoff (Diamond Like Carbon, DLC) handeln.Another embodiment of the lightweight crank mechanism according to the invention relates to the hard material coating of the piston pin. The piston pin, which connects the piston to the connecting rod, can be mounted floating in the small connecting rod eye with very little play. To be able to do without a bearing shell, the piston pin is surrounded by the hard material coating. The hard-material coating can be conventional hard-layer materials such as hard metal, metal carbide, ceramic or in particular amorphous, diamond-like carbon (DLC).

Die als Ersatz für eine Lagerschale im großen Pleuelauge eingesetzte thermische Spritzschicht, die das Kurbelwellenlager bildet, kann eine mittels Lichtbogendrahtspritzen, Plasmaspritzen oder Flammspritzen aufgebrachte Spritzschicht sein.The thermal spray coating used as a replacement for a bearing shell in the large connecting rod eye, which forms the crankshaft bearing, may be a sprayed coating applied by means of arc wire spraying, plasma spraying or flame spraying.

Als Werkstoff zur Bildung der thermischen Spritzschicht kommen typische Lager-Metalllegierungen in Frage, darunter insbesondere Bronze, Messing, eine Aluminiumbronze oder eine Aluminium-Wismut-Legierung.As a material for forming the thermal spray layer typical bearing metal alloys come into question, including in particular bronze, brass, an aluminum bronze or an aluminum-bismuth alloy.

In einer Variante kann vorgesehen sein, dass das thermisch gespritzte Kurbelwellenlager aus mehreren thermisch gespritzten Schichten gebildet wird. Dabei können unterschiedliche Lager-Metalllegierungen zum Einsatz kommen. So kann etwa die letzte oder auch oberste Spritzschicht aus einer Aluminium-Wismut-Legierung bestehen, während die darunter liegende, zuvor gespritzte Schicht aus einer Lagerlegierung wie Bronze oder Messing gebildet wird.In a variant, it can be provided that the thermally sprayed crankshaft bearing is formed from a plurality of thermally sprayed layers. Different bearing metal alloys can be used. For example, the last or uppermost sprayed layer may consist of an aluminum-bismuth alloy, while the underlying, previously sprayed layer is formed of a bearing alloy such as bronze or brass.

Die Komponenten Kurbelwelle, Pleuel und Kolbenbolzen des Leichtbau-Kurbeltriebs aus dem UHC-Leichtbaustahl können durch eine Warmumformung im Temperaturbereich von 850 bis 1250°C unter Luft hergestellt werden.The crankshaft, connecting rod and piston pin components of the lightweight UHC lightweight construction crank mechanism can be produced by hot forming in the temperature range 850 to 1250 ° C under air.

Die Warmumformung kann unter Luft generell im Bereich von 800 bis 1250°C stattfinden, da durch die verringerte Verzunderungsneigung aufgrund des Al- und Si-Anteils des UHC-Stahls keine besondere Schutzgasatmosphäre erforderlich ist. Der Temperaturbereich von 920 bis 1250°C ist allerdings bevorzugt: Der Mn-Anteil erhöht die Duktilität, hebt dadurch die versprödende Wirkung des Si auf und wirkt somit der Rissbildung an der Oberfläche während der Warmumformung entgegen. Zudem wird im Anschluss an die Warmumformung ein Richten bei Raumtemperatur ermöglicht.Hot working can generally take place in the air in the range of 800 to 1250 ° C, since the reduced tendency to scale due to the Al and Si content of the UHC steel, no special inert gas atmosphere is required. However, the temperature range of 920 to 1250 ° C is preferred: The Mn content increases the ductility, thereby eliminating the embrittling effect of the Si and thus counteract the cracking on the surface during hot working. In addition, tempering at room temperature is possible after hot forming.

Mit dem UHC-Leichtbaustahl als Werkstoff zur Bildung der Kurbeltriebkomponenten lassen sich durch das superplastische Gefüge auch bei einer Warmumformung, die nicht unter superplastischen Bedingungen erfolgt, sehr hohe Umformgrade von 50 bis zu 300% erreichen.With the UHC lightweight steel as a material for the formation of the crank drive components can be achieved by the superplastic structure even with a hot forming, which does not occur under superplastic conditions, very high degrees of deformation of 50 to 300%.

Kurz gefasst, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Kurbeltriebs wie er vorstehend beschrieben ist, die Schritte des Warmumformens von UHC-Leichtbaustahl-Ausgangsmaterialien in einem Temperaturbereich von 850 bis 1250°C unter Luft, um die Kurbelwelle, den Pleuel und den Kolbenbolzen zu fertigen. Dann wird wenigstens das große Pleuelauge mit einer oder mehreren Lagerschichten versehen: Dies geschieht durch thermisches Spritzbeschichten. Parallel hierzu wird der Kolbenbolzen beschichtet.Briefly stated, the method of manufacturing a lightweight crank mechanism of the present invention as described above includes the steps of hot working UHC light steel starting materials in a temperature range of 850 to 1250 ° C under air around the crankshaft, connecting rod and piston pin to manufacture. Then at least the large connecting rod eye is provided with one or more storage layers: This is done by thermal spray coating. Parallel to this, the piston pin is coated.

Nun wird die Kurbelwelle in dem großen Pleuelauge des Pleuels und der Kolbenbolzen in dem kleinen Pleuelauge angeordnet. So wird dank der Beschichtungen trotz der erreichten materialwahlbasierten Reduktion der bewegten Massen ein verbessertes Reibverhalten und dadurch auch eine gesteigerte Agilität des Motors erreicht.Now, the crankshaft is placed in the large connecting rod eye of the connecting rod and the piston pin in the small connecting rod eye. Thanks to the coatings, despite the material-selection-based reduction of the moving masses achieved, an improved frictional behavior and thereby also an increased agility of the engine is achieved.

Das thermische Spritzbeschichten erfolgt mittels Lichtbogendrahtspritzen, Plasmaspritzen oder Flammspritzen, wobei zumindest eine Lager-Metalllegierung, insbesondere eine Bronze, Messing, eine Aluminiumbronze oder eine Aluminium-Wismut-Legierung aufgebracht wird.The thermal spray coating is carried out by means of arc wire spraying, plasma spraying or flame spraying, wherein at least one bearing metal alloy, in particular a bronze, brass, an aluminum bronze or an aluminum-bismuth alloy is applied.

Es ist zu beachten, dass bei der Spritzschichtung des großen Pleuelauges mit mehr als zwei Schichten zunächst die Lager-Metalllegierung, insbesondere die Bronze oder das Messing aufgebracht wird, und dann die Oberfläche des großen Pleuelauges bildende Spritzschicht aus einer Aluminium-Wismut-Legierung.It should be noted that in the spray stratification of the large connecting rod with more than two layers first the bearing metal alloy, in particular the bronze or brass is applied, and then the surface of the large connecting rod forming sprayed layer of an aluminum-bismuth alloy.

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Claims (11)

Leichtbau-Kurbeltrieb mit Komponenten aus ultrahochkohlenstoffhaltigem Leichtbaustahl (UHC-Leichtbaustahl), umfassend eine Kurbelwelle, ein Pleuel mit einem großen und einem kleinen Pleuelauge und einen Kolbenbolzen, wobei die Kurbelwelle in dem großen Pleuelauge und der Kolbenbolzen in dem kleinen Pleuelauge gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass – alle der Komponenten Kurbelwelle, Pleuel und Kolbenbolzen aus dem UHC-Leichtbaustahl bestehen und dass – der Kolbenbolzen eine Hartstoff-Beschichtung aufweist.Lightweight crankshaft drive with components from ultrahochkohlenstoffhaltigem lightweight steel (UHC lightweight structural steel), comprising a crankshaft, a connecting rod with a large and a small connecting rod and a piston pin, the crankshaft being mounted in the large connecting rod and the piston pin in the small connecting rod eye, characterized in that in that - all of the components crankshaft, connecting rod and piston pin consist of the UHC lightweight steel and that - the piston pin has a hard material coating. Leichtbau-Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelwellenlager in dem großen Pleuelauge durch zumindest eine thermische Spritzschicht bereitgestellt ist.Lightweight crankshaft drive according to claim 1, characterized in that the crankshaft bearing is provided in the large connecting rod by at least one thermal spray coating. Leichtbau-Kurbeltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der UHC-Leichtbaustahl eine Zusammensetzung aufweist, die – 0,7 bis 2,0 Gew.-% C, – 5,0 bis 12,0 Gew.-% Al, – 0,01 bis 2,8 Gew.-% Si, – 0 bis 2,0 Gew.-% Cr, – 1,0 bis 5,0 Gew.-% Mn – unvermeidliche Stahlbegleiter in Spuren und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Fe enthält.Lightweight crankshaft drive according to claim 1 or 2, characterized in that the UHC lightweight steel has a composition which From 0.7 to 2.0% by weight of C, From 5.0 to 12.0% by weight of Al, 0.01 to 2.8% by weight of Si, 0 to 2.0% by weight Cr, 1.0 to 5.0% by weight of Mn - inevitable steel companions in traces and one containing the 100 wt .-% balancing residual content of Fe. Leichtbau-Kurbeltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des UHC-Leichtbaustahls – 1,0 bis 1,6 Gew.-% C, – 7,0 bis 10,0 Gew.-% Al, – 0,01 bis 0,6 Gew.-% Si, – 0 bis 1,5 Gew.-% Cr, – 2,0 bis 3,0 Gew.-% Mn – unvermeidliche Stahlbegleiter in Spuren und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Fe enthält.Lightweight crankshaft drive according to claim 3, characterized in that the composition of the UHC lightweight steel 1.0 to 1.6% by weight of C, 7.0 to 10.0% by weight of Al, 0.01 to 0.6% by weight of Si, 0 to 1.5% by weight Cr, 2.0 to 3.0% by weight of Mn - inevitable steel companions in traces and one containing the 100 wt .-% balancing residual content of Fe. Leichtbau-Kurbeltrieb nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoff-Beschichtung des Kolbenbolzens aus Diamant, Hartmetall, Metallcarbid, Keramik, amorphem, diamantähnlichem Kohlenstoff oder einer Kombination der vorgenannten beschaffen ist.Lightweight crank mechanism according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the hard material coating of the piston pin is made of diamond, hard metal, metal carbide, ceramic, amorphous, diamond-like carbon or a combination of the aforementioned. Leichtbau-Kurbeltrieb nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht, die das Kurbelwellenlager bildet, eine mittels Lichtbogendrahtspritzen, Plasmaspritzen oder Flammspritzen aufgebrachte Spritzschicht ist.Lightweight crankshaft drive according to at least one of claims 2 to 4, characterized in that the thermal spray layer which forms the crankshaft bearing, a spray applied by means of arc wire spraying, plasma spraying or flame spraying spray layer. Leichtbau-Kurbeltrieb nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht durch eine Lager-Metalllegierung, insbesondere eine Bronze, Messing, eine Aluminiumbronze, eine Aluminium-Wismut-Legierung gebildet ist.Lightweight crank mechanism according to at least one of claims 2 to 5, characterized in that the thermal spray layer is formed by a bearing metal alloy, in particular a bronze, brass, an aluminum bronze, an aluminum-bismuth alloy. Leichtbau-Kurbeltrieb nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelwellenlager in dem großen Pleuelauge aus zumindest zwei thermischen Spritzschichten gebildet wird, die aus unterschiedlichen Lager-Metalllegierungen bestehen, und wobei insbesondere eine die Oberfläche des großen Pleuelauges bildende Spritzschicht durch eine Aluminium-Wismut-Legierung und die unter der Aluminium-Wismut-Legierungs-Spritzschicht liegende Schicht aus einer Lager-Metalllegierung, insbesondere aus einer Bronze oder aus Messing gebildet ist.Lightweight crankshaft drive according to at least one of claims 2 to 6, characterized in that the crankshaft bearing is formed in the large connecting rod from at least two thermal spray coatings consisting of different bearing metal alloys, and in particular a the surface of the large connecting rod eye forming sprayed layer an aluminum-bismuth alloy and the layer underlying the aluminum-bismuth alloy sprayed layer is formed of a bearing metal alloy, in particular of a bronze or of brass. Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Kurbeltriebs nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte – Warmumformen von UHC-Leichtbaustahl-Ausgangsmaterialien in einem Temperaturbereich von 850 bis 1250°C unter Luft und Fertigen der Kurbelwelle, des Pleuels und des Kolbenbolzens, – thermisch Spritzbeschichten des großen Pleuelauges mit zumindest einer thermischen Spritzschicht und – Beschichten des Kolbenbolzens mit der Hartstoff-Beschichtung, – dann Anordnen der Kurbelwelle in dem großen Pleuelauge des Pleuels und Anordnen des Kolbenbolzens in dem kleinen Pleuelauge.Method for producing a lightweight crank mechanism according to at least one of claims 1 to 8, comprising the steps Hot-forming UHC light-weight steel starting materials in a temperature range of 850 to 1250 ° C in air and manufacturing the crankshaft, connecting rod and piston pin, - Thermal spray coating of the large connecting rod with at least one thermal spray layer and Coating the piston pin with the hard material coating, - Then arranging the crankshaft in the large connecting rod eye of the connecting rod and arranging the piston pin in the small connecting rod eye. Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Kurbeltriebs nach Anspruch 9, wobei das thermische Spritzbeschichten mittels Lichtbogendrahtspritzen, Plasmaspritzen oder Flammspritzen erfolgt, und wobei zumindest eine Lager-Metalllegierung, insbesondere eine Bronze, Messing, eine Aluminiumbronze oder eine Aluminium-Wismut-Legierung aufgebracht wird.A method for producing a lightweight crank mechanism according to claim 9, wherein the thermal spray coating by means of arc wire spraying, plasma spraying or flame spraying, and wherein at least one bearing metal alloy, in particular a bronze, brass, an aluminum bronze or an aluminum-bismuth alloy is applied. Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Kurbeltriebs nach zumindest einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei zwei oder mehr Spritzschichten thermisch auf das große Pleuelauge aufgebracht werden, und wobei zuerst die Lager-Metalllegierung, insbesondere die Bronze oder das Messing aufgebracht wird, und dann die Oberfläche des großen Pleuelauges bildende Spritzschicht aus einer Aluminium-Wismut-Legierung.Method for producing a lightweight crankshaft drive according to at least one of claims 9 or 10, wherein two or more sprayed layers are applied thermally to the large connecting rod eye, and being first the bearing metal alloy, in particular the bronze or the brass is applied, and then the surface of the large connecting rod forming sprayed layer of an aluminum-bismuth alloy.
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