DE102007017092A1

DE102007017092A1 - Metalllegierung

Info

Publication number: DE102007017092A1
Application number: DE200710017092
Authority: DE
Inventors: Roland Ruch; Klaus Dr. Wintrich
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2007-04-10
Filing date: 2007-04-10
Publication date: 2008-10-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Metalllegierung für Bauteile eines Verbrennungsmotors und/oder eines Turboladers, insbesondere Ventilsitzringe, Lagerbuchsen und Dichtringe, wobei die Metalllegierung neben Eisen zusätzlich zumindest 0,05 bis 3,0 Gew.-% Titan aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Metalllegierung für Bauteile eines Verbrennungsmotors und/oder eines Turboladers.
Unter derartigen Bauteilen können beispielsweise Ventilsitzringe, Lagerbuchsen und Dichtringe von Verbrennungsmotoren und Turboladern subsummiert werden. Da diese Bauteile beim Betrieb des Verbrennungsmotors neben einer nicht unerheblichen Temperaturbelastung auch anderen Belastungen ausgesetzt sind, müssen diese eine ausreichende Verschleiß-, Kriech- und Oxidationsbeständigkeit aufweisen. Für Ventilsitzringe in Nutzfahrzeugen werden dabei üblicherweise Metalllegierungen, insbesondere Gusslegierungen, verwendet. Ebenso kommen auch sogenannte M2-Werkzeugstähle (AISI) oder ähnliche Varianten sowie Stähle mit hohem Kohlenstoff- und Chromgehalt zum Einsatz, deren Verschleißfähigkeit mit zunehmender Temperaturbelastung jedoch abnimmt. Da sich die Leistungsfähigkeit der Verbrennungsmotoren, insbesondere auch im Nutzfahrzeugbau, stetig verbessert, sind aus derartigen Metalllegierungen gefertigte Bauteile für Verbrennungsmotoren, insbesondere mit hohem Chrom- und Kohlenstoffgehalt, bezüglich ihrer Verschleißbeständigkeit bei höheren Temperaturen nur noch eingeschränkt geeignet. Um insbesondere die Verschließbeständigkeit bei höheren Temperaturen steigern zu können, werden daher andere Materialien, beispielsweise auf Nickel- und Kobaltbasis, verwendet. Derartige Metalllegierungen sind jedoch aufgrund des hohen Anteils an Nickel- und Kobalt sehr teuer und daher oftmals wirtschaftlich uninteressant.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine Metalllegierung für Bauteile eines Verbrennungsmotors und/oder eines Turboladers bereitzustellen, welche einerseits den heutzutage auftretenden hohen Anforderungen an Temperatur und Verschleißbeständigkeit genügt und andererseits wirtschaftlich einsetzbar sind.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einer Metalllegierung für Bauteile eines Verbrennungsmotors und/oder eines Turboladers, insbesondere Ventilsitzringe, Lagerbuchsen und Dichtringe, Titan hinzuzusetzen beziehungsweise hinzuzulegieren. Durch ein derartiges Zulegieren von Titan bilden sich sehr harte und verschleißbeständige Phasen während der schmelzmetallurgischen Herstellung. Dabei kann gezielt Einfluss darauf genommen werden, welche titanhaltigen Hartphasen sich in den Bauteilen bilden sollen. Wird beispielsweise zusätzlich Stickstoff zulegiert, so bilden sich sogenannte Nitride, die ihrerseits die Verschleißbeständigkeit der Bauteile stark erhöhen. Die so entstehenden Hartphasen sind im gesamten auftretenden Temperaturbereich, also beispielsweise ausgehend von Raumtemperatur bis über 1.000°C äußerst stabil, wodurch eine hohe Verschleißbeständigkeit gegeben ist.
Neben einer hohen Korrosionsbeständigkeit, weist das Element Titan auch eine hohe Festigkeit auf, was im modernen Motorenbau ebenfalls von großem Vorteil ist.
Zweckmäßig liegt das Titan in Form von Karbid, Nitrid, Borid oder Oxid vor und bildet eine Hartphase. Da insbesondere die Festigkeitseigenschaften von reinem Titan bereits geringfügig oberhalb von 400°C deutlich abnehmen, wird durch Zugabe von Stickstoff eine Hartphase erzeugt, welche höchsten Anforderungen an Verschleiß- und Temperaturbeständigkeit genügt. Bei Titannitriden bilden die Titanatome ein flächenzentriertes, kubisches Gitter, wobei die Stickstoffatome in den Oktaederlücken der Basisstruktur eingelagert werden. Die diese Hartphase charakterisierende Kristallstruktur ist jedoch nur im Verbund und nicht in Gestalt einzelner Moleküle existent, was sich in seiner Unlösbarkeit in fast allen, selbst aggressiven Lösungsmitteln wiederspiegelt. Nitride und Karbide haben darüber hinaus einen sehr hohen Schmelzpunkt und besitzen exzellente Reibungseigenschaften, weshalb sie für Systeme mit besonderen Anforderungen an geringen Verschleiß besonders interessant sind. Denkbar sind hierbei auch Titan-Nitrid-Beschichtungen obengenannter Bauteile, welche die Lebensdauer von Produkten und damit auch ihre Wirtschaftlichkeit erhöhen. Derartige, allgemein der Produktveredelung dienende, Beschichtungen sind sehr dünn, oftmals nicht dicker als 4 μm.
Ebenso wie Nitride weisen auch Karbide eine sehr hohe mechanische und thermische Stabilität und extrem hohe Schmelzpunkte von bis zu 4.000°C auf.
Eine derartige titanhaltige Metalllegierung kann darüber hinaus zu Zulegieren von weiteren chemischen Elementen, wie beispielsweise Silizium, hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften, beispielsweise einer Steigerung von Härte und Bruchzähigkeit, positiv beeinflusst werden.
Alle in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können dabei sowohl einzeln als auch in beliebiger Form miteinander kombiniert erfindungswesentlich sein.

Claims

Metalllegierung für Bauteile eines Verbrennungsmotors und/oder eines Turboladers, insbesondere Ventilsitzringe, Lagerbuchsen und Dichtringe, wobei die Metalllegierung neben Eisen-Gussmaterial zusätzlich zumindest 0,1 bis 3,0 Gew.-% Titan aufweist.
Metalllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Titan zumindest teilweise in Form von Karbid, Nitrid, Borid oder Oxid vorliegt und zumindest zum Teil eine Hartphase bildet.
Metalllegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Eisen das Element mit dem höchsten Anteil in der Metalllegierung bildet.
Metalllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung zumindest eines der folgenden Elemente in der nachfolgend genannten Konzentration aufweist: – C: 0,5–2,5 Gew.% – Si: 0,0–2,0 Gew.-% – Mn: 0,0–2,0 Gew.-% – S: 0,0–0,5 Gew.-% – Cr: 5,0–20,0 Gew.-% – Mo: 5,0–20,0 Gew.-% – W: 0,0–8,0 Gew.-% – V: 0,0–5,0 Gew.-% – Ti: 0,1–3,0 Gew.-% – B: 0,0–2,0 Gew.-% – N: 0,0–0,8 Gew.-% – Co: 0,0–15,0 Gew.-% – Ni: 0,0–15,0 Gew.-% – Fe: 25,0–80,0 Gew.-%
Metalllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung zumindest eines der folgenden Elemente in der nachfolgend genannten Konzentration aufweist: – C: 0,8–2,3 Gew.-% – Si: 0,8–2,0 Gew.-% – Mn: 0,2–1,5 Gew.-% – S: 0,0–0,5 Gew.-% – Cr: 5,0–12,0 Gew.-% – Mo: 5,0–12,0 Gew.-% – V: 0,5–4,0 Gew.-% – Ti: 0,1–3,0 Gew.-% – Co: 5,0–12,0 Gew.-% – Ni: 0,0–2,0 Gew.-% – Fe: 25,0–80,0 Gew.-%
Metalllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung zumindest eines der folgenden Elemente in der nachfolgend genannten Konzentration aufweist: – C: 0,8–2,3 Gew.-% – Si: 0,8–2,0 Gew.-% – Mn: 0,2–1,5 Gew.-% – S: 0,0–0,5 Gew.-% – Cr: 5,0–12,0 Gew.-% – Mo: 5,0–12,0 Gew.-% – V: 0,5–4,0 Gew.-% – Ti: 0,1–3,0 Gew.-% – Co: 0,0–2,0 Gew.-% – Ni: 5,0–12,0 Gew.-% – Fe: 25,0–80,0 Gew.-%
Bauteile eines Verbrennungsmotors und/oder eines Turboladers, insbesondere Ventilsitzringe, Lagerbuchsen und Dichtringe, hergestellt oder beschichtet mit einer Metalllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.