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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Gusseisenwerkstoff mit lamellarer
Graphitausbildung und hoher Festigkeit. Der Gusseisenwerkstoff kann
in Gießverfahren
oder zur Herstellung von Werkstücken
verwendet werden.
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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.
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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.
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DE 31 39 973 C2 beschreibt
die Verwendung eines Graugusses, bestehend aus 3,0 bis 3,5 Gew.-% Kohlenstoff,
1,8 bis 2,5 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 1,0 Gew.-% Mangan, 0,05 bis
0,2 Gew.-% Phosphor, 0,1 Gew.-% Schwefel, 0,04 bis 0,3 Gew.-% Titan,
0,2 bis 0,6 Gew.-% Chrom, 0,4 bis 1,0 Gew.-% Kupfer, 0,04 bis 0,1
Gew.-% Zinn als Werkstoff zur Herstellung von Zylindern für Brennkraftmaschinen.
Der Stickstoff liegt immer in gebundener Form, d. h. in Form von
Titannitrid vor.
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DE-PS 1 906 008 beschreibt
einen Gusseisenwerkstoff bei dem Silizium teilweise durch Aluminium substituiert
wird. Er umfasst außer
Eisen 2 bis 4 Gew.-% Kohlenstoff, 1 bis 4 Gew.-% Silizium und/oder
Aluminium, wobei Silizium und Aluminium in Kombination vorkommen
können
und die Gew.-%-Angabe die Summe aus Silizium- und Aluminiumanteilen
darstellt, 0 bis 0,7 Gew.-% Mangan, 0 bis 0,1 Gew.-% Phosphor, 0
bis 0,05 Gew.-% Schwefel, 0 bis 5 Gew.-% Chrom, 0 bis 6 Gew.-% Kupfer
und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
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WO 03/095692 A1 beschreibt
einen Gusseisenwerkstoff, der Eisen und 3,2 bis 3,49 Gew.-% Kohlenstoff,
1,8 bis 2,3 Gew.-% Silizium, 0,3 bis 0,8 Gew.-% Mangan, 0 bis 0,15
Gew.-% Phosphor, 0 bis 0,15 Gew.-% Schwefel, 0,2 bis 0,4 Gew.-%
Chrom und 0,3 bis 1 Gew.-% Kupfer und herstellungsbedingte Verunreinigungen enthalten
kann.
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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.
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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.
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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) | 2,5
bis 3,3 Gew.-%, |
Silizium
(Si) und/oder Aluminium (Al) | 1,4
bis 2,2 Gew.-%, |
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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 1,0 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) | 0,10
bis 0,3 Gew.-%, |
Stickstoff
(N) | 0,003
bis 0,08 Gew.-%, |
wobei Stickstoff (N) mikrolegiert ist,
jeweils
bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs,
und
als Rest Eisen, wobei der Gusseisenwerkstoff eine Zugfestigkeit
Rm von mehr als 380 MPa und ein Elastizitätsmodul von mindestens 110
000 MPa aufweist.
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In
den Unteransprüchen
sind vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung enthalten.
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Die 1 bis 3 zeigen
die Gussstruktur eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs, worin:
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1 die
Gussstruktur mit lamellarer Graphitausbildung eines erfindungsgemäßen, behandelten
und ungeätzten
Gusseisenwerkstoffs in einer Vergrößerung von 100:1 zeigt,
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2 die
Matrix der Gussstruktur eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs in
einer Vergrößerung von
500:1 zeigt, der mit HNO3 geätzt worden
ist,
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3 die
Gussstruktur eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs
mit Steadit in einer Vergrößerung von
20:1 zeigt, der einem Tiefätzungsverfahren
mit HNO3 unterworfen worden ist.
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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.
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Falls
nicht explizit abweichend angegeben, sind alle nachstehend angegebenen
Prozentangaben Gewichtsprozentangaben, die jeweils auf das Gesamtgewicht
des Gusseisenwerkstoffs bezogen sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Erfindungsgemäße synergistische
Eigenschaften konnten 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) | 0,10
bis 0,3 Gew.-%, |
Stickstoff
(N2) | 0,003
bis 0,08 Gew.-%, |
wobei die angegebenen Wertebereiche jeweils auf
das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs bezogen sind.
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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.
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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.
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Das
Stickstofflegieren (N2) kann nach zwei Verfahren
und/oder Kombinationen durchgeführt
werden:
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1. Chargenlegierung:
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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.
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2. Pfannenlegieren:
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Das
Element N 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.
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Nach
einem Pfannenlegierungsverfahren beträgt der höchst erzielbare N-Endgehalt
450 ppm bei konstanten Rm-Zugfestigkeitswerten.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
Werkstoff | Thermische
Längenausdehnung
(mm/°C) | Wärmeleitfähigkeit
(W/mK) |
50°C | 200°C | 50°C | 200°C |
GJL | 3,1
E-04 | 22,6
E-04 | 42,1 | 38,5 |
Erfindungsgemäßer lamellarer Gusswerkstoff | 3,2
E-04 | 22,5
E-04 | 39,3 | 37,4 |
GJV/GJS | 3,0
E-04 | 21,0
E-04 | 32,5 | 32,7 |
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Darüber hinaus
kann der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff
mit einer galvanischen Beschichtung, beispielsweise einer Hartchrom-Beschichtung
versehen werden. Eine Hartchrom-Beschichtung bietet den Vorteil
einer hohen Harte, 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.
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Ein
erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoff
kann bei beliebigen Gießverfahren
eingesetzt werden, beispielsweise bei einem Schleudergussverfahren,
einem Schwerkraftgussverfahren, oder einem Stranggussverfahren.
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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.
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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.
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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 spannenden 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.
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Der
erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff
mit lamellarer Graphitausbildung kann zur Herstellung eines Werkstückes verwendet
werden, 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 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.
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Das
beschriebene Verfahren kann darüber
hinaus einen weiteren Schritt umfassen, wobei unter Verwendung eines
Gießverfahrens,
vorzugsweise eines Schleudergussver-fahrens, eines Schwerkraftgussverfahrens,
oder eines Stranggussverfahrens ein Werkstück hergestellt wird.
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Ein
derartiges 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.
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Das
nachfolgende Beispiel erläutert
die Erfindung ohne diese zu beschränken.
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Beispiel
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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).
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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.-% |
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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.
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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.
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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.
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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 |
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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.
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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).