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Die
vorliegende Erfindung betrifft Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen,
die als Grundkörper
einen Gusseisenwerkstoff umfassen, der bestimmte Anteile an Martensit,
Primärkarbiden,
Perlit und Bainit umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein
Verfahren zur Herstellung derartiger Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen.
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Gusseisenwerkstoffe
bzw. Gusseisenlegierungen werden zur Herstellung hoch beanspruchter
Teile von Verbrennungskraftmotoren, wie beispielsweise Kolbenringen,
verwendet. Kolbenringe, insbesondere Kompressionsringe in hochbeanspruchten
Motoren, zum Beispiel Dieselmotoren, 2-Takt-Dieselmotoren, werden
vorzugsweise als Gusskolbenringe mit einer Laufflächenbeschichtung,
beispielsweise einer Chrom-Keramik-Beschichtung oder einer Einlaufschicht
ausgelegt. Als geeigneter Gusswerkstoff werden bisher ein vermiculargraphitisches
Gusseisen (GOE 50 A) mit Zugfestigkeiten von 400 bis 600 MPa und
sphärolitische
vergütete
Gusswerkstoffe (GEO 52/56) eingesetzt.
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Kolbenringe,
insbesondere Kompressionsringe, unterliegen in hochbeanspruchten
Motoren einer zunehmenden Belastung, wie beispielsweise Kompressionsspitzendruck,
Verbrennungstemperatur, EGR, Schmierfilmreduzierung, die deren Funktionseigenschaften,
wie Verschleiß,
Brandspurbeständigkeit,
Microwelding, Korrosionsbeständigkeit,
maßgeblich
beeinflussen.
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Bei
höheren
mechanischen und dynamischen Beanspruchungen an Kolbenringen werden
jedoch meist hochchromlegierte martensitische Stähle eingesetzt. Der Einsatz
dieser Stähle
weist aber den Nachteil auf, dass die Herstellungskosten im Vergleich
zu Gusseisenbauteilen signifikant höher sind, außerdem ab
einem gewissen Durchmesser die Ringherstellung (wickeln) aus Stahldraht
nicht mehr möglich.
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Kolbenringe
dichten den zwischen Kolbenkopf und Zylinderwand vorhandenen Spalt
gegenüber
dem Brennraum ab. Bei der Auf- und Abbewegung des Kolbens gleitet
der Kolbenring einerseits mit seiner äußeren Umfangsfläche in ständiger federnder
Anlage gegen die Zylinderwand, andererseits gleitet der Kolbenring,
bedingt durch die Kippbewegungen des Kolbens, oszillierend in seiner
Kolbenringnut, wobei seine Flanken wechselnd an der oberen oder
unteren Nutenflanke der Kolbenringnut anliegen. Bei den jeweils
gegeneinander laufenden Gleitpartnern tritt in Abhängigkeit
des Materials ein mehr oder weniger starker Verschleiß auf, der
bei einem Trockenlauf zu so genannten Fressern, Riefenbildung und
schließlich
zu einer Zerstörung
des Motors führen
kann. Um das Gleit- und Verschleißverhalten von Kolbenringen
gegenüber
der Zylinderwand zu verbessern, wurden diese an deren Umfangsfläche mit
Beschichtungen aus unterschiedlichen Materialien versehen.
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Gusseisenwerkstoffe
können
in verschiedenen Mikrostrukturen vorliegen, die durch Verwendung
spezieller Zusammensetzungs- und/oder Verfahrensparameter eingestellt
werden können.
So ist bekannt, dass die mechanischen Eigenschaften von Gusseisenwerkstoffen
durch eine geeignete Wärmebehandlung
verbessert werden können.
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Ein
Gusseisenwerkstoff, der ein bainitisches bis martensitisches Grundgefüge aufweist,
das durch eine Wärmebehandlung
erzeugt ist, wird beispielsweise in der
DE 24 28 821 A beschrieben.
In dem Grundgefüge
sind lamellare bis knötchenfömige Graphitausscheidungen
enthalten, um Notlaufeigenschaften zu gewährleisten.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines perlitischen und/oder ferritischen
Gusseisens wird in der
US 3,565,698 beschrieben.
Hier wird das Ausgangsmaterial in der Schmelze mit Mischmetall versetzt
und zu einem Rohling gegossen. Der Rohling wird nach dem Gießen bei
einer Temperatur in einem Bereich von 900°C und 1050°C geglüht, um den Zementit in Lösung zu
setzen, um den schwarzen Temperguss zu erzeugen. Wie in der
US 3,000,770 beschrieben
wird, kann die Glühzeit
durch das Zugeben von Schwefel in einer bedeutenden Menge zu dem
Ausgangsmaterial reduziert werden.
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In
der
EP 1 384 794 A1 ist
ein Gusseisenwerkstoff für
Kolbenringe beschrieben, der eine spezifische chemische Zusammensetzung
aufweist und einer Wärmebehandlung
unterworfen wird, die eine Austenitisierungsbehandlung, gefolgt
von einem isothermalen Härtungsverfahren,
umfasst, um eine mechanische Eigenschaften zu erreichen, die zu
denen von Stählen
vergleichbar sind. Durch den Einsatz von Kugelgraphit-bildenden
Zusätzen
wird ein sphärolitischer
Werkstoff erhalten. Bei Kolbenringen muss dieser Gusseisenwerkstoff
eine Matrix aus Perlit mit geringen Anteilen von Ferrit aufweisen,
um eine optimale Wärmebehandlung
zu erfahren, durch die die mechanischen Eigenschaften des Gusseisenwerkstoffs
verbessert werden. Durch die Wärmebehandlung
wird ein bainitisch-austenitisches
Matrixgefüge
erzeugt, jedoch ergibt sich hier der Nachteil einer Entfestigung
bei höheren
Einsatztemperaturen, bei denen sich die bainitisch-austenitische
Struktur in bainitisch-feinperlitisch Strukturen umwandelt. Dieser
Effekt verhindert den Einsatz dieses Materials in Verbrennungsmotoren,
da somit wesentliche Funktionseigenschaften wie die Tangentialkraft
negativ beeinflusst werden.
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In
der
EP 0 821 073 wird
weiter eine Gusseisenlegierung mit perlitischer Grundstruktur und
kugelförmigen
oder vermikularförmigen
Graphitausscheidungen offenbart, die aufgrund der auch bei hohen
Temperaturen beständigen
Festigkeitswerte insbesondere zur Anwendung in Kolbenringen einsetzbar
ist.
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Die
Gusseisenwerkstoffe gemäß dem Stand
der Technik weisen jedoch ein hohes Bruchrisiko auf, so dass es
bei der Verwendung bisheriger Werkstoffe häufig zu Ringbrüchen kommt.
Gestiegene mechanisch-dynamische Belastungen führen zu kürzeren Lebensdauern von Kolbenringen
oder Zylinderlaufbuchsen. Ebenso kommt es zu starkem Verschleiß und Korrosion
an Lauffläche
und Flanke.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kolbenring
bzw. eine Zylinderlaufbuchse mit minimiertem Bruchrisiko bereitzustellen,
der bzw. die bei gestiegener mechanisch-dynamischer Belastung das
weitere Funktionsverhalten über
lange Lebensdauern garantiert und der bzw. die eine erhöhte Verschleiß- und der
Korrosionsbeständigkeit
an Lauffläche
und Flanke aufweist. Eine weitere Aufgabe ist es, Verfahren zur Herstellung
eines Kolbenrings bzw. einer Zylinderlaufbuchse bereitzustellen,
der bzw. die als Grundkörper
einen Gusseisenwerkstoff mit erhöhter
Verschleißbeständigkeit
und Korrosionsbeständigkeit
umfassen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch einen Kolbenring und eine Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch
1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch
10 gelöst.
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Der
als Grundkörper
erfindungsgemäßer Kolbenringe
und/oder Zylinderbuchsen verwendete Gusseisenwerkstoff zeichnet
sich insbesondere durch eine höhere
Zugfestigkeit, Dauerfestigkeit, Verschleißbeständigkeit und Biegebruchfestigkeit
als die bisher angewendeten Werkstoffe aus. Gleichzeitig verfügt der erfindungsgemäße Werkstoff über eine
signifikant verbesserte Zähigkeit,
was sich insbesondere positiv auf die Bruchneigung auswirkt.
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Aufgrund
der guten mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs
kann eventuell die Flanken- und Laufflächenbeschichtung entfallen
und damit kostengünstiger
produziert werden.
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In
den Unteransprüchen
sind vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung enthalten.
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Erfindungsgemäß wird als
Grundkörper
von Kolbenringen und/oder Zylinderlaufbuchsen ein Gusseisenwerkstoff
bereitgestellt, der ein Mischgefüge
aufweist, das einer Wärmebehandlung
unterzogen wird und > 50% überwiegend
angelassenen Martensit, < 10%
und > 0,5% Primärkarbide, < 30% Perlit und < 30% angelassenen
Bainit umfasst, wobei > 70%
der Primarkarbide NbC sind. Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Mischgefüge > 70% überwiegend
angelassenen Martensit, < 7%
und > 0,5% Primärkarbide, < 20% Perlit und < 20% angelassenen
Bainit umfasst.
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Die
Wärmebehandlung,
der das Mischgefüge
unterzogen wird, beinhaltet bevorzugt die folgenden Schritte: Austenitisieren
des Gusseisenwerkstoffs bei 900 bis 1000°C für eine Stunde, Abschrecken
des Gusseisenwerkstoffs in Öl
oder einem anderen geeigneten Abschreckmedium und Anlassen des Gusseisenwerkstoffs
bei 420 bis 470°C
für eine
Stunde.
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Der
erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff
weist die folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% auf: Kohlenstoff
3,0 bis 4,2; Silizium 1,5 bis 3,0; Mangan 0,02 bis 0,5; Phosphor
0,005 bis 0,05; Schwefel 0,003 bis 0,02; Chrom 0,02 bis 0,3; Kupfer
0,5 bis 1,8; Molybdän
0,02 bis < 0,1;
Magnesium 0,005 bis 0,03; Nickel > 0,2
bis 1,0; Niob 0,3 bis 3,0; wobei der Rest Eisen einschließlich herstellungsbedingte
Verunreinigungen ist. Der Gusseisenwerkstoff enthält kein
Zinn.
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Die
Eigenschaften des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs
werden weiterhin spezifisch gesteuert, indem die Art der im Werkstoff
vorliegenden Graphitausbildung vermicular variiert wird.
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Vermiculargraphit
ist „wurmförmiger” Graphit,
welcher in seiner Morphologie zwischen Lamellengraphit und Kugelgraphit
liegt und wird im Allgemeinen mit GJV abgekürzt. Aufgrund der vermicularen
Graphitausbildung weichen die Eigenschaften im Wesentlichen vom
Ferrit-/Perlit-Verhältnis
im Grundgefüge
sowie vom Anteil des begleitenden Kugelgraphits ab. Üblich sind
hier 80 bis 90% Vermiculargraphit, der Rest besteht aus Kugelgraphit.
GJV eignet sich daher für
thermisch beanspruchte, insbesondere temperaturwechselbeanspruchte
Bauteile wie Kolbenringe.
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Gusseisen
mit sphärolitischer
bzw. „kugelförmiger” Graphitausbildung
ist auch als GJS bekannt. Bei diesem Werkstoff ist der Hauptanteil
des Kohlenstoffs im Gusszustand in Form von Kugelgraphit ausgeschieden.
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Ein
sphärolitischer
Gusseisenwerkstoff weist den Vorteil einer deutlich geminderten
Kerbwirkung und deutlich höheren
Zugfestigkeit und Duktilität
auf. Ein vermiculargraphitischer Gusseisenwerkstoff weist höhere Festigkeitseigenschaften
als andere Graphitausbildungen auf. Natürlich ist es möglich, einen
Gusseisenwerkstoff mit verschiedenen Graphitausbildungen alleine
sowie als Gemisch bereitzustellen. Verfahren sind dem Fachmann bekannt.
Eine Graphitüberführung zu
einem Gusseisenwerkstoff mit vermicularer Graphitausbildung (GJV)
oder sphärolitischer
Graphitausbildung (GJS) kann beispielsweise durch eine Mg-Behandlung,
wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, erreicht werden. Beispiele
für Modifikationsverfahren
sind GF(Georg-Fischer)-Konverter, Sandwich, Durchfluss, Fülldraht-Injektionsbehandlung.
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Der
Gusseisenwerkstoff kann weiterhin ein Element enthalten, das ausgewählt ist
aus der Gruppe, bestehend aus Titan, Tantal, Wolfram, Bor, Tellur
oder Bismut oder deren Kombinationen, insbesondere in einer Menge
von bis zu 1 Gew.-%. Derartige Elemente bilden leicht Karbide und
verbessern die Verschleißbeständigkeit.
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Weiterhin
kann der Gusseisenwerkstoff einen Zusatzstoff enthalten, der ausgewählt ist
aus der Gruppe, bestehend aus Cobalt, Antimon, Calcium, Strontium,
Aluminium, Lanthan, Cer, Seltenerdmetallen oder deren Kombinationen,
bevorzugt in einer Menge von bis zu 0,1 Gew.-%. Seltenerdmetalle,
die als Kugelgraphit-keimbildende Zusätze, wie auch NiMg, NiSiMg,
FeMg oder FeSiMg, wirken, werden bevorzugt. Seltenerdmetalle umfassen
Gemische aus Lanthanoiden mit Oxiden anderer Metalle. Diese Elemente
und Zusatzstoffe können
herstellungsbedingte Verunreinigungen sein oder während des
Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs zu
der Schmelze zugegeben werden.
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Die
Inhaltsstoffe sind derart enthalten, dass die Summe aller genannten
oder nicht explizit genannten Ausgangsmaterialien, Bestandteile,
Inhaltstoffe, Elemente, Zusatzstoffe in jedem Fall 100 Gew.-% ergeben. Der
Anteil an Ausgangsmaterialien, Bestandteilen, Inhaltstoffen, Elementen,
Zusatzstoffen kann durch verschiedene, dem Fachmann bekannte Verfahren
eingestellt werden. Die chemische Zusammensetzung wird insbesondere
in Abhängigkeit
vom Gussstückmodul
eingestellt.
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Der
erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff
weist eine Zugfestigkeit im Bereich von (700–1200 MPa) auf, seine Bruchdehnung
ist größer als
0,5%, was sich insbesondere positiv auf die Bruchneigung auswirkt. Die
Dauerfestigkeit und die Biegebruchfestigkeit von Kolbenringen und
Zylinderbuchsen aus dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff liegen
im Bereich von (min. 250 MPa) bzw. Biegefestigkeit min. 900 MPa.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbenrings bzw. der Zylinderlaufbuchse wird
zuerst eine Schmelze hergestellt. Die Schmelze weist bevorzugt die
oben genannten chemischen Zusammensetzungen auf. Anschließend wird
ein Rohling unter Erstarrung der Schmelze hergestellt.
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Der
Rohling kann dabei mit im Stand der Technik bekannte Methoden gegossen
werden, wie beispielsweise Schleuderguss, Strangguss als rundes
oder unrundes Rohr mit/ohne Zentrierkerbe, Stempel-Pressverfahren,
Croning oder Grünsandformen
als Einzel- oder Mehrfachrohling und zu einem Kolbenring oder einer Zylinderlaufbuchse
weiterverarbeitet werden. Der Fachmann wird aufgrund der Zweckbestimmng
des Rohlings und unter Zuhilfenahme seines allgemeinen Fachwissens
die geeignete Methode wählen.
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Das
Verfahren zur Herstellung des Kolbenrings bzw. der Zylinderlaufbuchse
umfasst weiterhin eine Wärmebehandlung,
bestehend aus einer Austenitisierung für eine Stunde bei 900 bis 1000°C mit nachfolgendem
Abschrecken des Rohlings in Öl
oder einem anderen geeigneten Abschreckmedium und einer Anlassbehandlung
bei 420 bis 470°C
für eine
Stunde.
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Das
folgende Beispiel erläutert
die Erfindung, ohne sie zu beschränken.
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Beispiel (erfindungsgemäß)
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Bei
der Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbenrings bzw. der Zylinderlaufbuchse
wird zunächst eine
Gusseisen-Schmelze in einem Ofen, vorzugsweise Kupolofen, hergestellt.
Anschließend
wird ein Rohling unter Erstellung der Schmelze erzielt. Der Rohling
kann dabei mit bekannten Verfahren, wie zum Beispiel Schleuderguss,
Strangguss etc. gegossen werden und dann später zu einem Kolbenring oder
zu einer Zylinderlaufbuchse weiterverarbeitet werden. Der Rohling
kann weiter in einer Wärmebehandlung,
bestehend aus einer Austenitisierung für eine Stunde bei 900°C–1000°C mit nachfolgendem
Abschrecken des Gusseisenwerkstoffs in Öl oder einem anderen geeigneten
Abschreckungsmedium und einer Anlassbehandlung bei 420°C–470°C für eine Stunde
weiterbehandelt werden.
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Auf
diese Weise wird ein Kolbenring bzw. eine Zylinderlaufbuchse, der
bzw. die als Grundkörper
einen Gusseisenwerkstoff mit vermicularem Graphit und einem Grundgefüge aus Martensit,
Primärkarbiden,
Perlit und Bainit, mit maximal 3% Ferriten umfasst, hergestellt,
welcher folgende chemische Zusammensetzung (Gew.-%) aufweist:
| C | 3,9 |
| Si | 1,86 |
| Mn | 0,10 |
| P | 0,033 |
| S | 0,009 |
| Cu | 1,50 |
| Mo | 0,08 |
| Ni | 0,33 |
| Cr | 0,022 |
| V | 0,008 |
| Nb | 0,5–1,0 |
| Mg | 0,010 |
| Rest | Fe
und herstellungsbedingte Verunreinigungen. |
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Der
gewonnene Gusseisenwerkstoff weist eine Härte von 330–490 HB und eine Zugfestigkeit
von mindestens 700 MPa auf.