DE102004010917A1

DE102004010917A1 - Gusseisenwerkstoff mit hoher Festigkeit

Info

Publication number: DE102004010917A1
Application number: DE102004010917A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Veutgen
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-06
Also published as: DE102004010917C5; DE102004010917B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gusseisenwerkstoff mit hoher Zugfestigkeit und dessen Verwendung in Gießverfahren und zur Herstellung von Werkstücken. Weiterhin beschreibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Gusseisenwerkstoff mit lamellarer Graphitausbildung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gusseisenwerkstoff mit lamellarer Graphitausbildung und hoher Festigkeit und dessen Verwendung in Gießverfahren oder zur Herstellung von Werkstücken. Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Gusseisenwerkstoff mit lamellarer Graphitausbildung.

Die Anforderungen, welche in verschiedensten Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus an Werkstoffe gestellt werden, nehmen immer weiter zu. Ein Bereich, in dem bekanntermaßen sehr hohe und immer weiter steigende Anforderungen an Werkstoffe gestellt werden, ist beispielsweise die Fertigung von Verbrennungsmotoren und Verbrennungskraftmaschinen. Werkstoffe, die in der Fertigung von Verbrennungsmotoren und Verbrennungskraftmaschinen verwendet werden, müssen beispielsweise in naher Zukunft Zünddrücken von mehr als 200 bar widerstehen können. Gleichzeitig sollten in diesem Bereich eingesetzte Werkstoffe möglichst dünnwandig dimensionierbar sein, um eine Verringerung des Motorengewichts zu ermöglichen. Im Stand der Technik übliche und im Serienmaßstab hergestellte Gusseisenwerkstoffe sind im Allgemeinen diesen Anforderungen nicht mehr gewachsen. So weisen beispielsweise Werkstoffe aus grauem Gusseisen (GJL) des Stands der Technik lediglich Zugfestigkeiten Rm von bis zu 270 MPa bei einem Elastizitätsmodul von bis zu 100 000 MPa auf.

Ein Ansatz zur Entwicklung neuer Werkstoffe, die den immer weiter steigenden Ansprüchen im Maschinen- und Anlagenbau genügen, besteht in der Entwicklung neuer Werkstoffe auf Basis von leichteren Metallen, beispielsweise auf Basis von Aluminium und Magnesium. Derartige Werkstoffe sind jedoch vergleichsweise teuer und benötigen aufwendige Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren, die derzeit noch nicht immer vollständig beherrscht werden.

Somit besteht, obwohl die derzeit erhältlichen Werkstoffe, jeweils unter unterschiedlichen Gesichtspunkten zufriedenstellende Eigenschaften aufweisen, weiterhin ein hoher Bedarf nach der Bereitstellung von zusätzlichen Werkstoffen, die vergleichsweise günstig hergestellt werden können oder spezifische Eigenschaften aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Werkstoffs, der sich für eine Herstellung von Werkstücken im Serienmaßstab eignet, ohne dass er aufwendige Herstellungs- und/oder Bearbeitungsverfahren zwingend erfordert und der eine hohe Zugfestigkeit bei einem geeigneten Elastizitätsmodul und eine zufriedenstellende Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ein derartiger Werkstoff sollte zudem vergleichsweise kostengünstig herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung eines Gusseisenwerkstoffs mit lamellarer Graphitausbildung gemäß Anspruch 1, wobei der Gusseisenwerkstoff Eisen und die nachstehend angegebene Zusammensetzung umfasst:

Kohlenstoff (C)	2,0 bis 3,8 Gew.-%,
Silizium (Si) und/oder Aluminium (Al)	1,0 bis 4,0 Gew.-%,

Si kann einzeln oder als Kombination Si und Al vorkommen, wobei die Gew.-%-Angabe die Summe aus Si und Al darstellt, wovon Al maximal bis zu 2,0 Gew.-% davon ausmachen kann,

Mangan (Mn)	0,05 bis 1,5 Gew.-%,
Phosphor (P)	0 bis 0,7 Gew.-%,
Schwefel (S)	0 bis 0,1 Gew.-%,
Chrom (Cr)	0,05 bis 1,5 Gew.-%,
Kupfer (Cu)	0,05 bis 2,5 Gew.-%,
Zinn (Sn)	0 bis 2,5 Gew.-%,
Stickstoff (N)	0 bis 0,08 Gew.-%,

jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung enthalten.

Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Gusseisenwerkstoff mit lamellarer Graphitausbildung bereit, wobei der Gusseisenwerkstoff Eisen umfasst, wobei das Verfahren den Schritt aufweist, Einstellen des Gehalts an Kohlenstoff, Silizium und/oder anteilig Aluminium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Chrom, Kupfer, Zinn und/oder Stickstoff, um einen Gusseisenwerkstoff zu erhalten, welcher Eisen und die nachstehend angegebene Zusammensetzung umfasst:

wobei Si einzeln oder als Kombination Si und Al vorkommen kann und die Gew.-%-Angabe die Summe aus Si und Al darstellt, wovon Al maximal bis zu 2,0 Gew.-% davon ausmachen kann

jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs.

Die 1 bis 3 zeigen die Gussstruktur eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs, worin:

1 die Gussstruktur mit lamellarer Graphitausbildung eines erfindungsgemäßen, behandelten und ungeätzten Gusseisenwerkstoffs in einer Vergrößerung von 100:1 zeigt,

2 die Matrix der Gussstruktur eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs in einer Vergrößerung von 500:1 zeigt, der mit HNO₃ geätzt worden ist,

3 die Gussstruktur eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs mit Steadit in einer Vergrößerung von 20:1 zeigt, der einem Tiefätzungsverfahren mit HNO₃ unterworfen worden ist.

Während zahlreicher Versuche zur Ermittlung spezifischer Werkstoffeigenschaften von Gusseisenwerkstoffen wurde von den Erfindern überraschenderweise ein Gusseisenwerkstoff aufgefunden, der eine höhere Zugfestigkeit als im Stand der Technik bekannte Gusseisenwerkstoffe aufweist und der darüber hinaus den Vorteil besitzt, dass durch gezielte Wahl des Schwefelgehalts Gusseisenwerkstoffe unterschiedlicher Zugfestigkeit Rm erhalten werden können. Ein erfindungsgemäßer Werkstoff bietet darüber hinaus den Vorteil, dass er im Vergleich zu vielen Werkstoffen des Stands der Technik, beispielsweise im Vergleich zu Gusseisenwerkstoffen mit globularer Graphitausbildung, und insbesondere im Vergleich zu Legierungen auf Basis von Magnesium und Aluminium, deutlich einfacher bearbeitet werden kann.

Falls nicht explizit abweichend angegeben, sind alle nachstehend angegebenen Prozentangaben Gewichtsprozentangaben, die jeweils auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs bezogen sind.

Ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoff bietet neben einer hohen Härte bei einem ausreichend hohen Elastizitätsmodul weitere vorteilhafte Eigenschaften, insbesondere gute Wärmeleiteigenschaften und eine gute Zugfestigkeit, was insbesondere bei hoch beanspruchten Bauteilen, beispielsweise im Motorenbereich, von hoher Wichtigkeit ist.

Erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoffe weisen eine lamellare, insbesondere eine kurzlamellare, bei den Spitzen abgerundete Graphitausbildung, mit voll perlitischer Matrix und ein geschlossenes Steaditnetz auf. Insbesondere können sie eine Gefügeausbildung aufweisen, bei der Graphit als Typ A, B und E bei einer ASTM-Form (American Society for Testing and Materials) von 4 bis 6 vorliegt und die ein Grundgefüge von feinstreifigem Perlit mit maximal 5 Gew.-% Ferrit aufweist. Sie können darüber hinaus ein aufgelockertes bis netzförmiges Phosphideutektikum aufweisen. Gefügebeurteilungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden anhand eines für Zylinderlaufbuchsen verwendbaren Schleudergussrohres aus dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff auf das innere Drittel der Wandfläche, das heißt auf die geplante Zylinderlaufzone, bezogen vorgenommen. Am äußeren Durchmesser des Rohres liegt der Graphit als Typ B und D, bei einer perlitischen Matrixstruktur, vor. Zementische Einstrahlungen (Fe₃C) sind nicht zulässig.

Angenommen wird, dass die hohe Härte bei einem ausreichend hohen Elastizitätsmodul, die guten Wärmeleiteigenschaften und die gute Zugfestigkeit des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs zumindest teilweise durch synergistische Effekte und Wechselwirkungen der in der Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs in den angegebenen Mengenbereichen vorliegenden Elemente bewirkt wird.

Ein teilweiser oder vollständiger Ersatz, der im Periodensystem benachbarten Elemente Aluminium und Silizium, die beispielsweise eine vergleichsweise ähnliche molekulare Masse aufweisen, kann je nach angestrebter Endbehandlung eines Werkstücks erfolgen. Bei einer anschließenden Nitrierung ist, wie nachstehend detailliert beschrieben, eine Anwesenheit von Aluminium von Vorteil. Für die meisten Anwendungen, wird der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff jedoch ausschließlich oder größtenteils Silizium im angegebenen Mengenbereich umfassen. Weitere vorstehend nicht erwähnte Elemente können entweder als Verunreinigungen vorhanden sein oder gezielt zugesetzt werden, wie beispielsweise nachstehend beschrieben oder gemäß dem Wissen des Fachmanns.

Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung einen Gusseisenwerkstoff mit einem Massenanteil von bis zu 0,060 Gew.-% an Schwefel, vorzugsweise von bis zu 0,030 Gew.-%, bevorzugterweise von mindestens 0,005 Gew.-% an Schwefel, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs, bereit. Durch Veränderung des Schwefelgehalts kann die Zugfestigkeit Rm des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff gezielt beeinflusst werden. Bei einer Erhöhung des Schwefelgehalts, welcher eine graphitisierende Wirkung hat, nimmt die Zugfestigkeit Rm dementsprechend ab.

Besonders vorteilhafte, synergistische Eigenschaften konnten darüber hinaus erhalten werden, wenn mindestens eines, vorzugsweise zwei, drei oder alle der nachstehenden Elemente im nachstehend angegebenen Bereich gewählt werden:

Kohlenstoff (C)	2,5 bis 3,3 Gew.-%,
Silizium (Si) und/oder Aluminium (Al)	1,4 bis 2,2 Gew.-%,
Mangan (Mn)	0,05 bis 1,0 Gew.-%,
Phosphor (P)	0,03 bis 0,5 Gew.-%,
Schwefel (S)	0,005 bis 0,060 Gew.-%,
Chrom (Cr)	0,05 bis 0,5 Gew.-%,
Kupfer (Cu)	0,05 bis 0,8 Gew.-%,
Zinn (Sn)	0,01 bis 0,3 Gew.-%,
Stickstoff (N₂)	0,003 bis 0,08 Gew.-%,

wobei die angegebenen Wertebereiche jeweils auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs bezogen sind.

Die Wahl der Zusammensetzung des Gusseisenwerkstoffs kann in Abstimmung auf das herzustellende Werkstück erfolgen, wobei insbesondere der Kohlenstoff- und Siliziumgehalt in Abhängigkeit von der Wanddicke oder dem Durchmesser beispielsweise von Zylinderlaufbuchsen anwendungsspezifisch innerhalb der angegebenen Bereiche höher oder niedriger gewählt werden kann.

Erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoffe können über beliebige, einem Fachmann bekannte Herstellungsverfahren erhalten werden. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßer Werkstoff durch ein Verfahren unter Verwendung von Mikrolegierungen erhalten werden, wobei stickstoffhaltige Legierungen eingesetzt werden.

Das Stickstofflegieren (N₂) kann nach zwei Verfahren und/oder Kombinationen durchgeführt werden:

1. Chargenlegierung:

Hierbei handelt es sich überwiegend um N₂-haltige, feste, grobstückige Legierungen wie z.B. FeMnN, FeCrN, usw., die der Schmelze zeitlich verzögert zugesetzt werden können. Um ein Abnehmen des N₂ Gehaltes (ppm) in der Schmelze zu verhindern, muss fortwährend mittels Stickstoffanalysator kontrolliert werden und gegebenenfalls hochlegiert werden. Wobei hier ein Nachlegieren begrenzt ist, da sich dadurch auch ansteigende Mn- bzw. Cr-Endgehalte ergeben, die den gewünschten Bereich überschreiten können.

2. Pfannen-legieren:

Das Element N₂ kann mikrolegiert werden durch Zusatzstoffe wie beipielsweise Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder technischen Kalkstickstoff, welcher zu über 50% Calziumcyanamid CaCN₂ und etwa 15% Calziumoxid (CaO) enthalten kann. Diese Zusatzstoffe gelten als starke Schlackenbildner. Diese Legierungen lassen sich nahezu konstant, ohne größere ppm-Streuungen legieren. Die Legierungen können als Pulver, Pellets einzeln oder in Kombination eingesetzt werden. Ebenfalls bietet sich das effektivere Injektionsverfahren, über einen gefüllten Hohldraht, an.

Nach einem Pfannenlegierungsverfahren beträgt der höchst erzielbare N-Endgehalt 450 ppm bei konstanten Rm-Zugfestigkeitswerten.

Ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoff weist eine hohe Zugfestigkeit Rm auf, die für viele Anwendungen in unterschiedlichsten Bereichen von hohem Interesse ist. Insbesondere kann der Gusseisenwerkstoff eine Zugfestigkeit Rm im Bereich von mehr als 380 MPa, vorzugsweise 380 bis 530 MPa, bevorzugterweise im Bereich von 395 bis 511 MPa, insbesondere im Bereich vom 438 bis 502 MPa aufweisen. Eine Zugfestigkeit Rm kann durch E-Modul, Bruchdehnung, Einschnürung über DIN-Normproben ermittelt werden.

Gleichzeitig zu den vorstehend angegebenen guten Zugfestigkeitseigenschaften weist ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoff ein Elastizitätsmodul im Bereich von über 100 MPa, insbesondere von über 110 MPa, beispielsweise im Bereich von 100 bis 150 MPa auf. Das Elastizitätsmodul eines Gusseisenwerkstoffs kann durch DIN-Normproben ermittelt werden.

Weiterhin zeigt ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoff eine Zugfestigkeit von mindestens 380 N/mm², insbesondere von mindestens 430 N/mm². Die Zugfestigkeit des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs kann durch eine Zugprobe nach DIN 50 109-10 ermittelt werden. Im Rahmen der vorliegende Erfindung erfolgte die Ermittlung auf Basis einer aus dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff hergestellten Zylinderlaufbuchse, beispielsweise in Form eines Schleuderguss-, Strangpress- oder Sandgussrohres wobei die Zugprobe derart herausgearbeitet wird, dass der Bruchquerschnitt im wesentlichen in der Mitte der Buchsenwanddicke liegt.

Ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoff weist darüber hinaus eine Brinell-Härte im Bereich von 270–370 HB 2,5/187,5 auf, das heißt eine Brinell-Härte, die bei einem Kugeldurchmesser von 2,5 mm einer Prüfkraft von 187,5 kp und einer Einwirkungszeit von mindestens 30 Sek. erhalten wird, beziehungsweise eine Brinell-Härte im Bereich von 240–340 HB 5/750 auf. Bei einer Ermittlung einer Rockwell-Härte weist ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoff eine Härte im Bereich von 102 bis 116 HRB auf.

Die Wärmeleitfähigkeit eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs ist vergleichbar mit der Wärmeleitfähigkeit von üblichem Gusseisen mit lamellarem Graphit (GJL) und höher als die Wärmeleitfähigkeit von üblichem Gusseisen GJV oder Gusseisen GJS.

Anwendungsspezifisch kann ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoff weiter Antimon, Wolfram, Molybdän, Nickel und/oder Cobalt enthalten. Beispielsweise fördert ein Zusatz von Mangan, Kupfer, Antimon, Wolfram, Molybdän, Nickel und/oder Cobalt eine Perlitisierung.

Zu einer weiteren Verbesserung der Verschleißbeständigkeit kann ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoff darüber hinaus mindestens eines der Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Wolfram, Molybdän, Bor enthalten. Insbesondere wurden Gusseisenwerkstoffe mit sehr guter Verschleißbeständigkeit erhalten, wenn Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Wolfram, Molybdän, Bor, einzeln oder in Kombination in einer Menge von bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise von bis zu 8 Gew.-%, bevorzugter von bis zu 3 Gew.-% des Gusseisenwerkstoffs, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs, vorliegen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff ist, dass dieser Werkstoff zur gezielten Veränderung bestimmter Werkstoffeigenschaften im wesentlichen allen für Gusseisenwerkstoffe geeigneten Oberflächenbehandlungs- und/oder Nachbehandlungsverfahren unterworfen werden kann. Klar ist, dass derartige Oberflächenbehandlungs- und/oder Nachbehandlungsverfahren zu einer Veränderung der Zusammensetzung des Gusseisenwerkstoffs, insbesondere in dessen Oberflächenbereich führen können, so dass ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoff nach einer derartigen Behandlung eine Zusammensetzung aufweisen kann, die von der beanspruchten Zusammensetzung abweicht.

Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff oder ein Werkstück, das mindestens teilweise aus dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff besteht, einem Induktivhärtungsverfahren oder einem Nitrierungsverfahren unterworfen werden, beziehungsweise mit einer Beschichtung, beispielsweise einer Chrom-Beschichtung, welche auch Hartstoffeinlagen aufweisen kann, versehen werden. Derartige Verfahren können eine noch weiter verbesserte Verschleißbeständigkeit aufweisen.

Bei einem Induktivhärtungsverfahren wird das zu härtende Werkstück dem Einfluss eines elektromagnetischen Wechselfeldes ausgesetzt, wobei ein elektrischer Strom in dem Werkstück induziert wird. Der Strom in der Mittel- bis Hochfrequenzphase bewirkt dabei eine Erwärmung des Metalls. Hierbei wird ein zu härtendes Werkstück auf eine geeignete Temperatur, beispielsweise im Bereich von 800–1000°C, erwärmt und anschließend sofort wieder durch ein Kühlmittel abgeschreckt, welches durch eine nachfolgende Brause erfolgen kann. Durch diesen Abschreckvorgang kann eine Veränderung der Struktur des Metallgitters erreicht werden und insbesondere kann hierdurch die Härte des Materials gesteigert werden.

Bei einem Nitrierungsverfahren wird die Werkstoffoberfläche mit Stickstoff bei erhöhter Temperatur, beispielsweise im Bereich von 490°C bis 650°C, angereichert. Dabei entsteht ein Verbundwerkstoff, dessen Eigenschaften von der Nitrierschicht in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff als Grundwerkstoff bestimmt werden. Analog hierzu können Nitrocarburierungsverfahren durchgeführt werde, wobei hierbei die Werkstoffoberfläche mit Stickstoff und Kohlenstoff bei erhöhter Temperatur angereichert wird.

Zu einer Verbesserung der Nitrierfähigkeit kann der Ausgangs-Rinneneisen-Siliziumanteil, das heißt der Anteil an Silizium in dem Gusseisenwerkstoff, teilweise oder vollständig durch einen gleichen molaren Anteil an Aluminium, insbesondere an Hüttenaluminium ersetzt werden.

2 und 3 zeigen vergrößerte Aufnahmen der Gussstruktur eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs. Der in 2 gezeigte Gusseisenwerkstoff wurde mit HNO₃ geätzt. Der in 3 gezeigte Gusseisenwerkstoff wurde einem Tiefätzungsverfahren mit HNO₃ unterworfen.

Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff mit einer galvanischen Beschichtung, beispielsweise einer Hartchrom-Beschichtung versehen werden. Eine Hartchrom-Beschichtung bietet den Vorteil einer hohen Härte, einer guten Verschleißbeständigkeit und eines guten Korrosionsverhaltens, wobei verschiedene im Stand der Technik bekannte Verfahren eingesetzt werden können. Anwendungsspezifisch kann beispielsweise eine Hartchromschicht mit eingelagerten Keramischen Partikeln (CKS) oder eine Hartchromschicht mit eingelagerten Diamantpartikeln (GDC) aufgebracht werden.

Ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoff kann bei beliebigen Gießverfahren eingesetzt werden, beispielsweise bei einem Schleudergussverfahren, einem Schwerkraftgussverfahren, oder einem Stranggussverfahren.

Vielfältige Verwendungsmöglichkeiten bestehen für einen erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoff zur Herstellung von Laufwerksdichtungen, Kolbenringen, beispielsweise Automotive Ringe, < 150 mm Durchmesser und Ringe für 2- und 4-Takt Großmotoren, > 150 mm Durchmesser, Zylinderlaufbuchsen, Zylinderkurbelgehäusen, Ventilsitzen, Schonbuchsen, Trägerplatten für Bremsbeläge, Ringen für Kühlaggregate, oder von Pumpendüsen eingesetzt werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff bei der Herstellung von Zylinderlaufbuchsen.

Der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff bietet den Vorteil einer guten Wärmeleitfähigkeit und einer hohen Härte bei einem bestimmten, minimalen Elastizitätsmodul. Darüber hinaus können erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoffe gut mit spanenden Bearbeitungsverfahren behandelt werden.

Vorteilhafterweise bieten die erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffe Eigenschaften, beispielsweise in Bezug auf das Elastizitätsmodul, die im wesentlichen mittig zwischen den Materialeigenschaften von üblichen Gusseisenwerkstoffen mit lamellarer und globularer Graphitausbildung liegen. Bei einer spanenden Bearbeitung weisen Werkstücke aus dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff ein Verhalten auf, das vergleichbar mit dem von Gusseisen mit lamellarem Graphit (GJL) ist. Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten in Bezug auf eine Bearbeitung ist ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoff somit üblichem Gusseisen GJV oder Gusseisen GJS überlegen.

Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Gusseisenwerkstoff mit lamellarer Graphitausbildung bereit, wobei der Gusseisenwerkstoff Eisen umfasst, wobei das Verfahren den Schritt aufweist, Einstellen des Gehalts an Kohlenstoff, Silizium und/oder Aluminium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Chrom, Kupfer, Zinn und/oder Stickstoff, um einen Gusseisenwerkstoff zu erhalten, welcher Eisen und die im unabhängigen Verfahrensanspruch angegebenen Elemente in der aufgeführten Zusammensetzung umfasst. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren können, wie vorstehend erläutert, durch Variation des Schwefelgehalts unterschiedliche Zugfestigkeiten Rm erhalten werden können, wobei die Zugfestigkeiten Rm im Bereich von 380 bis 530 MPa, vorzugsweise im Bereich von 395 bis 511 MPa, bevorzugterweise im Bereich von 438 bis 502 MPa ausgewählt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann darüber hinaus einen weiteren Schritt umfassen, wobei unter Verwendung eines Gießverfahrens, vorzugsweise eines Schleudergussverfahrens, eines Schwerkraftgussverfahrens, oder eines Stranggussverfahrens ein Werkstück hergestellt wird.

Ein derartiges erfindungsgemäßes Verfahren stellt den Vorteil bereit, dass – bei im wesentlichen gleicher chemischer Zusammensetzung – Werkstoffe unterschiedlicher Härte gewonnen werden können, die anwendungsspezifisch gezielt eingesetzt und/oder miteinander kombiniert werden können.

Das nachfolgende Beispiel erläutert die Erfindung ohne diese zu beschränken.

Beispiel
Nachstehend wird ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs mit lamellarer Graphitausbildung angegeben. 1 zeigt eine vergrößerte Aufnahmen der Oberfläche eines Schleudergussrohres aus dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff (Vergrößerung: 100:1).

Der Gusseisenwerkstoff umfasst Eisen und weist weiterhin folgende Zusammensetzung auf:

Kohlenstoff (C)	2,900 Gew.-%
Silizium (Si)	1,870 Gew.-%
Mangan (Mn)	0,810 Gew.-%
Phosphor (P)	0,201 Gew.-%
Schwefel (S)	0,006 Gew.-%
Chrom (Cr)	0,350 Gew.-%
Kupfer (Cu)	0,480 Gew.-%
Zinn (Sn)	0,127 Gew.-%
Stickstoff (N)	0,028 Gew.-%
Vanadium (V)	0,024 Gew.-%
Molybdän (Mo)	0,002 Gew.-%
Nickel (Ni)	0,040 Gew.-%
Titan (Ti)	0,020 Gew.-%
Wolfram (W)	0,001 Gew.-%
Niob (Nb)	0,003 Gew.-%
Magnesium (Mg)	0,001 Gew.-%
Aluminium (Al)	0,004 Gew.-%
Blei (Pb)	0,001 Gew.-%
Zink (Zn)	0,001 Gew.-%

Der vorstehend angegebene Gusseisenwerkstoff weist einen Sc-Wert von 0,80 und einen CE-Wert von 3,62 auf. Sc bezeichnet den Sättigungsgrad, Sättigungsgrade Sc = 1,0 bedeutet, dass das Eisen exakt der eutektischen Zusammensetzung entspricht. Sättigungsgrade Sc < 1,0 zeigen ein untereutektisches und Sättigungsgrade Sc > 1,0 ein übereutektisches Gusseisen an (siehe Eisen-Kohlenstoff-Diagramm). Der Sc-Wert hat auch Einfluss auf die technologischen Werkstoffeigenschaften je nach Wanddicke bzw. V/O-Model. Der Sc-Wert kann sich durch die weiteren Elemente, vorallem Phosphor (P), verändern.
In Europa wird ausschließlich der Sc-Wert angewandt, während beispielsweise in den USA der CE-Wert Anwendung findet. Der CE-Wert, auch als Kohlenstoffäquivalent bezeichnet, berechnet sich nach der Formel CE = %Cmax + 1/3 (%Si + %P), wobei die %-Anteile Istwerte aus der Werkstoffanalyse sind.
Dieser Gusseisenwerkstoff wurde zur Herstellung eines Schleudergussrohres für Zylinderlaufbuchsen verwendet. Dieses Schleudergussrohr weist folgende Maße auf 117/86 × 1800 (Durchmesser-Außen/Durchmesser-Innen × Länge, alle Angaben in mm) und hat etwa ein Gewicht von 65–66 Kg.
Folgende mechanische Eigenschaften konnten bei Messungen an diesem Schleudergussrohr ermittelt werden:

Härte: 320 HB 2,5/187,5

Zugfestigkeit – Rm (N/mm²): 451,8

Elastizitätsmodul (N/mm²): 119 667
Die Härte der erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffe wurde nach DIN EN ISO 6506-1 (Ausgabe 1999-10), "Härtemessung nach Brinell" ermittelt. Die Bruchdehnung und der Elastizität-Modul wurde aus dem Zugversuch, beschrieben in DIN EN 10002-1 Teil 1 (Ausgabe 2001-12) ermittelt.
Darüber hinaus wurden beispielhaft zwei Nachbehandlungen des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs vorgenommen. 2 zeigt die Gussstruktur des vorstehend beschriebenen Schleudergussrohres aus dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff nach einem Ätzen mit HNO₃ (in einer Vergrößerung von 500:1), während 3 die Gussstruktur nach einem Tiefätzen mit HNO₃ abbildet (in einer Vergrößerung von 20:1).

Claims

Gusseisenwerkstoff mit lamellarer Graphitausbildung, wobei der Gusseisenwerkstoff Eisen und die nachstehend angegebene Zusammensetzung umfasst: Kohlenstoff (C) 2,0 bis 3,8 Gew.-%, Silizium (Si) und/oder Aluminium (Al) 1,0 bis 4,0 Gew.-%,

wobei Si einzeln oder als Kombination Si und Al vorkommen kann und die Gew.-%-Angabe die Summe aus Si und Al darstellt, wovon Al maximal bis zu 2,0 Gew.-% davon ausmachen kann, Mangan (Mn) 0,05 bis 1,5 Gew.-%, Phosphor (P) 0 bis 0,7 Gew.-%, Schwefel (S) 0 bis 0,1 Gew.-%, Chrom (Cr) 0,05 bis 1,5 Gew.-%, Kupfer (Cu) 0,05 bis 2,5 Gew.-%, Zinn (Sn) 0 bis 2,5 Gew.-%, Stickstoff (N) 0 bis 0,08 Gew.-%,

jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs.
Gusseisenwerkstoff nach Anspruch 1, wobei der Gusseisenwerkstoff einen Anteil von bis zu 0,060 Gew.-% an Schwefel, vorzugsweise von bis zu 0,030 Gew.-%, besonders bevorzugt von bis zu 0,005 Gew.-% an Schwefel, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs, aufweist.
Gusseisenwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, wobei der Gusseisenwerkstoff mindestens eines der nachstehenden Elemente im angegebenen Bereich aufweist: Kohlenstoff (C) 2,5 bis 3,3 Gew.-%, Silizium (Si) und/oder Aluminium (Al) 1,4 bis 2,2 Gew.-%, Mangan (Mn) 0,05 bis 1,0 Gew.-%, Phosphor (P) 0,03 bis 0,5 Gew.-%, Schwefel (S) 0,005 bis 0,006 Gew.-%, Chrom (Cr) 0,05 bis 0,5 Gew.-%, Kupfer (Cu) 0,05 bis 0,8 Gew.-%, Zinn (Sn) 0,10 bis 0,3 Gew.-%, Stickstoff (N) 0,003 bis 0,08 Gew.-%,

jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs.
Gusseisenwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gusseisenwerkstoff eine Zugfestigkeit Rm von mehr als 380 MPa aufweist, vorzugsweise im Bereich von 380 bis 530 MPa, besonders bevorzugt im Bereich von 395 bis 511 MPa, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 438 bis 502 MPa aufweist.
Gusseisenwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei der Gusseisenwerkstoff ein Elastizitätsmodul von mindestens 110 MPa aufweist.
Gusseisenwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der Gusseisenwerkstoff weiter mindestens eines der Elemente, ausgewählt aus der Gruppe aus Antimon, Wolfram, Molybdän, Nickel und/oder Cobalt, umfasst.
Gusseisenwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei der Gusseisenwerkstoff weiter mindestens eines der Elemente ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Wolfram, Molybdän, Bor, wobei Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Wolfram, Molybdän, Bor, einzeln oder in Kombination von bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise von bis zu 8 Gew.-%, besonders bevorzugt von bis zu 3 Gew.-% des Gusseisenwerkstoffs, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs, umfasst.
Gusseisenwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei der Gusseisenwerkstoff einem Induktivhärtungsverfahren, einem Nitrierungsverfahren, einem Nitrocarburierungsverfahren oder einer galvanischen Beschichtung, vorzugsweise einer Chrombeschichtung, unterworfen wurde.
Verwendung eines Gusseisenwerkstoffs nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8 in einem Gießverfahren, vorzugsweise in einem Schleudergussverfahren, einem Schwerkraftgussverfahren, oder einem Stranggussverfahren.
Verwendung eines Gusseisenwerkstoffs nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung von Laufwerksdichtungen, Kolbenringen, LBE-Ringen, Zylinderlaufbuchsen, Zylinderkurbelgehäusen, Ventilsitzen, Schonbuchsen, Trägerplatten für Bremsbeläge, Ringen für Kühlaggregate, oder Pumpendüsen.
Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Gusseisenwerkstoff mit lamellarer Graphitausbildung, wobei der Gusseisenwerkstoff Eisen umfasst, wobei das Verfahren den Schritt aufweist. Einstellen des Gehalts an Kohlenstoff, Silizium und/oder Aluminium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Chrom, Kupfer, Zinn und/oder Stickstoff, um einen Gusseisenwerkstoff zu erhalten, welcher Eisen und die nachstehend angegebene Zusammensetzung umfasst: Kohlenstoff (C) 2,0 bis 3,8 Gew.-%, Silizium (Si) und/oder Aluminium (Al) 1,0 bis 4,0 Gew.-%, Mangan (Mn) 0,05 bis 1,5 Gew.-%, Phosphor (P) 0 bis 0,7 Gew.-%,

Schwefel (S) 0 bis 0,1 Gew.-%, Chrom (Cr) 0,05 bis 1,5 Gew.-%, Kupfer (Cu) 0,05 bis 2,5 Gew.-%, Zinn (Sn) 0 bis 2,5 Gew.-%, Stickstoff (N) 0 bis 0,08 Gew.-%,

jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei durch Variation des Schwefelgehalts unterschiedliche Zugfestigkeiten Rm erhalten werden können, wobei die Zugfestigkeiten Rm ausgewählt sind aus dem Bereich von 380 bis 530 MPa, vorzugsweise aus dem Bereich von 395 bis 511 MPa, besonders bevorzugt aus dem Bereich von 438 bis 502 MPa.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 12, wobei das Verfahren weiter umfasst. Herstellen eines Werkstücks unter Verwendung eines Gießverfahrens, vorzugsweise eines Schleudergussverfahrens, eines Schwerkraftgussverfahrens, oder eines Stranggussverfahrens.