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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Stahlgusswerkstoffzusammensetzung,
die insbesondere zur Herstellung von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen
geeignet ist. Außerdem
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
der erfindungsgemäßen Stahlgusswerkstoffzusammensetzung.
Schließlich
betrifft die vorliegende Erfindung Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen,
die als Grundkörper
die erfindungsgemäßen Stahlgusswerkstoffzusammensetzungen
umfassen.
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Stand der Technik
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Kolbenringe
dichten in einem Verbrennungskraftmotor 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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Bei
Zylinderlaufbuchsen wie beispielsweise denen von Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen muss
eine hohe Verschleißfestigkeit
gegeben sein, da anderenfalls, d. h. bei dünner werdender Zylinderlaufbuchse,
die Gasleckage und der Ölverbrauch
zunehmen können
sowie die Leistung des Motors sich verschlechtert. Durch eine sich
abreibende Zylinderlaufbuchse wird der Spalt zwischen Zylinderwand
und Zylinderlaufbuchse immer größer, so
dass Verbrennungsgase leichter an der Zylinderlaufbuchse vorbei
austreten können
(so genanntes Blow-By), was die Effizienz des Motors verringert.
Durch einen vergrößerten Spalt
wird weiterhin der im Verbrennungsraum zurückbleibende nicht abgestreifte Ölfilm dicker,
so dass mehr Öl
pro Zeiteinheit verloren gehen kann, also der Ölverbrauch erhöht wird.
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Zur
Herstellung hoch beanspruchter Teile von Verbrennungskraftmotoren,
wie beispielsweise Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen, werden
meist Gusseisenwerkstoffe bzw. Gusseisenlegierungen verwendet. Kolbenringe,
insbesondere Kompressionsringe, unterliegen in hochbeanspruchten
Motoren einer zunehmenden Belastung, unter anderem Kompressionsspitzendruck,
Verbrennungstemperatur, EGR und Schmierfilmreduzierung, die deren
Funktionseigenschaften, wie Verschleiß, Brandspurbeständigkeit,
Microwelding und Korrosionsbeständigkeit,
maßgeblich
beeinflussen.
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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 starker Verschleiß und Korrosion
an Lauffläche
und Flanke.
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Höhere Zünddrücke, reduzierte
Emissionen sowie die Kraftstoff-Direkteinspritzung bedeuten steigende
Belastungen für
Kolbenringe. Die Folge sind Beschädigungen und Aufplattierungen
von Kolbenmaterial vor allem auf der unteren Kolbenringflanke.
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Aufgrund
der höheren
mechanischen und dynamischen Beanspruchungen von Kolbenringen und
Zylinderlaufbuchsen fordern immer mehr Motorenhersteller Kolbenringe
und Zylinderlaufbuchsen aus hochwertigem Stahl (vergütet und
hochlegiert, wie beispielsweise Werkstoff 1.4112). Hierbei bezeichnet
man Eisenwerkstoffe mit weniger als 2,08 Gew.-% Kohlenstoff als
Stahl. Liegt der Kohlenstoffgehalt höher, so redet man von Gusseisen.
Stahlwerkstoffe besitzen gegenüber
Gusseisen bessere Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften, da keine
Störung
durch freien Graphit im Grundgefüge
vorhanden ist.
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Meist
werden hochchromlegierte martensitische Stähle für die Herstellung von Stahlkolbenringen
oder -zylinderlaufbuchsen eingesetzt. Stahlkolbenringe werden aus
Profildraht hergestellt. Der Profildraht wird rund gewickelt, aufgeschnitten
und über
einen „Urrund”-Dorn gezogen.
Auf diesem Dorn erhält
der Kolbenring durch einen Glühprozess
seine erwünschte
unrunde Form, wodurch die geforderten Tangentialkräfte eingestellt
werden. Ein weiterer Nachteil der Herstellung von Kolbenringen aus
Stahl ist, dass ab einem gewissen Durchmesser die Ringherstellung
(Wickeln) aus Stahldraht nicht mehr möglich. Kolbenringe aus Gusseisen
werden dagegen bereits unrund gegossen, so dass sie von Anfang an
eine ideale Form aufweisen.
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Gusseisen
besitzt eine wesentlich niedrigere Schmelztemperatur als Stahl.
Der Unterschied kann je nach chemischer Zusammensetzung bis zu 350°C betragen.
Gusseisen ist daher einfacher zu schmelzen und zu gießen, da
eine niedrigere Schmelztemperatur eine niedrigere Gießtemperatur
und damit eine kleinere abkühlungsbedingte
Schwindung bedeutet, wodurch der gegossene Werkstoff weniger Lunker
bzw. Warm- und Kaltrisse aufweist. Eine niedrigere Gießtemperatur
führt weiterhin
zu einer geringeren Belastung des Formstoff (Erosion, Gasporositäten, Sandeinschlüsse) und
des Ofens sowie zu geringeren Schmelzkosten.
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Die
Schmelztemperatur des Eisenwerkstoffs hängt nicht nur von seinem Kohlenstoffgehalt,
sondern auch von dem „Sättigungsgrad” ab. Es
gilt die vereinfachte Formel: Sc = C/(4,26 – 1/3(Si + P)).
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Je
näher der
Sättigungsgrad
an 1 liegt, desto niedriger ist die Schmelztemperatur. Bei Gusseisen
wird zumeist ein Sättigungsgrad
von 1,0 angestrebt, wobei das Gusseisen eine Schmelztemperatur von
1150°C aufweist.
Der Sättigungsgrad
von Stahl beträgt,
abhängig von
der chemischen Zusammensetzung, ungefähr 0,18. Eutektischer Stahl
weist eine Schmelztemperatur von 1500°C auf.
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Der
Sättigungsgrad
kann durch den Si- oder P-Gehalt deutlich beeinflusst werden. Zum
Beispiel wird sich ein um 3 Gew.-% höherer Gehalt an Silizium ähnlich wie
ein 1 Gew.-% höherer
C-Gehalt aus. Es ist somit möglich,
einen Stahlwerkstoff mit einem C-Gehalt von 1 Gew.-% und 9,78 Gew.-%
Silizium herzustellen, der die gleiche Schmelztemperatur wie Gusseisen
mit einem Sättigungsgrad
von 1,0 (C: 3,26 Gew.-%, Si: 3,0 Gew.-%) aufweist.
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Durch
eine drastische Erhöhung
des Si-Gehalts kann der Sättigungsgrad
des Stahlwerkstoffs erhöht werden
und die Schmelztemperatur auf das Niveau von Gusseisen abgesenkt
werden. Somit ist es möglich, Stahl
mit Hilfe derjenigen Technik herzustellen, die auch für die Herstellung
von Gusseisen, beispielsweise GOE 44, verwendet wird.
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Kolbenringe
und Zylinderlaufbuchsen aus hochsiliziumhaltigem Stahlgusswerkstoff
sind im Stand der Technik bekannt. Allerdings beeinflusst das in
höheren
Mengen vorhandene Silizium die Härtbarkeit
des Werkstoffs negativ, da dessen Austenitumwandlungstemperatur „Ac3” erhöht wird.
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Beschreibung der Erfindung
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Folglich
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine hochsiliziumhaltige
Stahlgusswerkstoffzusammensetzung, insbesondere zur Herstellung
von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen, bereitzustellen, welche
eine verbesserte Verschleißbeständigkeit
aufweist. Die Stahlgusswerkstoffzusammensetzung soll durch die Herstellung
im Schwerkraftguss die Eigenschaften von vergütetem Gusseisen mit Kugelgraphit
in mindestens einem der folgenden Punkte übertreffen:
- – Mechanische
Eigenschaften wie E-Modul, Biegefestigkeit
- – Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Brüchen
- – Gestaltfestigkeit
- – Flankenverschleiß
- – Laufflächenverschleiß
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
eine Stahlwerkstoffzusammensetzung gelöst, welche die folgenden Elemente
im angegebenen Anteil enthält:
| C: | 0,5–1,2 | Gew.-% | Nb: | 0,1–7,0 | Gew.-% |
| Cr: | 0,2–< 5,0 | Gew.-% | Si: | > 3,0–10,0 | Gew.-% |
| Fe: | 49,0–97,1 | Gew.-% | Ti: | 0,1–7,0 | Gew.-% |
| Mn: | 0,1–< 3,0 | Gew.-% | V: | 0,1–7,0 | Gew.-% |
| Mo: | 0,1–3,0 | Gew.-% | W: | 0,0–0,5 | Gew.-% |
wobei die Summe der Anteile von Nb, Ti, V und W
2,0–7,0
Gew.-% beträgt.
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Die
Inhaltsstoffe sind derart enthalten, dass die Summe aller genannten
oder nicht explizit genannten Ausgangsmaterialien, Bestandteile,
Inhaltstoffe, Elemente, und Zusatzstoffe in jedem Fall 100 Gew.-%
ergeben. Der Anteil an Ausgangsmaterialien, Bestandteilen, Inhaltstoffen,
Elementen und Zusatzstoffen kann durch verschiedene, dem Fachmann
bekannte Verfahren eingestellt werden. Die chemische Zusammensetzung
wird insbesondere in Abhängigkeit
vom herzustellenden Werkstück
eingestellt.
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Die
erhöhte
Verschleißbeständigkeit
wird erfindungsgemäß durch
die Carbidbildner Niob, Titan, Vanadium und Wolfram erreicht. Erfindungsgemäß wurde
gefunden, dass ein Anteil von 2,0–7,0 Gew.-% dieser Carbidbildner
zu einer guten Verschleißfestigkeit
führt,
ohne dass sich die Bearbeitbarkeit des erhaltenen Werkstoffs so
verschlechtern würde,
dass sich dadurch die Herstellungskosten unverhältnismäßig erhöhen würden.
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In
Tabelle 1 findet sich eine Aufstellung der Härte von Carbiden der Elemente
Niob, Titan, Vanadium und Wolfram: Tabelle 1
| Carbid | NbC | TiC | VC | WC | W2C |
| Härte HV (50 kg) | 2000 | 3000 | 2900 | 2200 | 3000 |
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Die
folgenden Elemente sind in der erfindungsgemäßen Stahlwerkstoffzusammensetzung
bevorzugt maximal im angegebenen Anteil bezogen auf 100 Gew.-% der
Stahlgusswerkstoffzusammensetzung enthalten:
| B: | max.
0,5 | Gew.-% |
| Cu: | max.
2,0 | Gew.-% |
| Ni: | max.
4,0 | Gew.-% |
| P: | max.
0,1 | Gew.-% |
| Pb: | max.
0,05 | Gew.-% |
| S: | max.
0,05 | Gew.-% |
| Sn: | max.
0,05 | Gew.-% |
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Weiterhin
ist es erfindungsgemäß bevorzugt,
dass die erfindungsgemäße Stahlgusswerkstoffzusammensetzung
nur Elemente, ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus B, C, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni,
P, Pb, S, Si, Sn, Ti, V und W enthält, wobei die Summe dieser
Elemente 100 Gew.-% ergibt.
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Die
erfindungsgemäße Stahlgusswerkstoffzusammensetzung
reduziert die Neigung der daraus hergestellten Werkstücke, unter
starker Hitze ihre Form zu verändern
und sorgt somit für
ein dauerhaft hohes Leistungsvermögen und vermindert darüber hinaus
den Ölverbrauch.
Die erfindungsgemäße Stahlgusswerkstoffzusammensetzung
eignet sich daher aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften insbesondere
für die
Herstellung von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen im automotiven
und LB-Bereich, bzw. für
Ventilsitzringe und Führungen.
Darüber
hinaus können
damit Laufwerkdichtungen (LWD's),
Trägerplatten
für Bremsbeläge von Scheibenbremsen
(Black Plates) sowie Ringe für
Kühlaggregate,
Pumpdüsen,
sowie Zylinderlaufbuchsen (Liner) und Schonbuchsen bzw. Teile für die chemische
Industrie hergestellt werden.
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Die
erfindungsgemäße Stahlgusswerkstoffzusammensetzung
weist weiterhin den Vorteil auf, dass die Herstellung von beispielsweise
Stahlkolbenringen und -zylinderlaufbuchsen mit den zur Herstellung
von Gusseisen-Werkstücken
notwendigen Maschinen und Technologien ermöglicht wird. Zudem entsprechen
die Herstellungskosten denen von Gusseisen-Kolbenringen, was dem Hersteller einen
Kostenvorteil und eine bessere Wertschöpfung bietet. Ebenso können Werkstoffparameter
frei vom Zulieferer eingestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin
ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Stahlgusswerkstoffzusammensetzung
bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfasst:
- a. Herstellen einer Schmelze der Ausgangsmaterialien, und
- b. Abgießen
der Schmelze in eine vorgefertigte Form.
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Als
Ausgangsmaterialien können
beispielsweise Stahlschrott, Kreislaufmaterial und Legierungsstoffe verwendet
werden. Der Schmelzprozess erfolgt in einem Ofen, vorzugsweise einem
Kupolofen. Anschließend wird
ein Rohling unter Erstarrung der Schmelze hergestellt. Der Rohling
kann dabei mit im Stand der Technik bekannte Methoden gegossen werden,
wie beispielsweise Schleuderguss, Strangguss, Stempel-Pressverfahren,
Croning oder bevorzugt Grünsandformen.
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Nach
Erkalten der Stahlgusswerkstoffzusammensetzung wird die Form ausgelehrt
und der erhaltene Rohling geputzt.
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Gegebenenfalls
kann der Rohling anschließend
vergütet
werden. Diese erfolgt durch die folgenden Schritte:
- c. Austenitisieren der Stahlwerkstoffzusammensetzung oberhalb
ihrer Ac3-Temperartur,
- d. Abschrecken der Stahlwerkstoffzusammensetzung in einem geeigneten
Abschreckmedium, und
- e. Anlassen der Stahlwerkstoffzusammensetzung bei einer Temperatur
im Bereich von 400 bis 700°C
in einem Schutzgasofen.
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Als
Abschreckmedium wird bevorzugt Öl
verwendet.
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Zur
weiteren Härtung
des erfindungsgemäßen Stahlwerkstoffs
kann im Anschluss an die zuvor erwähnten Verfahrensschritte ein
Nitrieren der erhaltenen Stahlgusswerkstoffzusammensetzung erfolgen.
Dies kann beispielsweise durch Gasnitrieren, Plasmanitrieren oder
Drucknitrieren erfolgen.
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Das
folgende Beispiel erläutert
die Erfindung, ohne sie zu beschränken.
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Beispiel
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Es
wurde ein Kolbenring aus einer erfindungsgemäßen Stahlwerkstoffzusammensetzung
der folgenden Zusammensetzung hergestellt:
| B: | 0,001 | Gew.-% | Pb: | 0,05 | Gew.-% |
| C: | 0,8 | Gew.-% | S: | 0,009 | Gew.-% |
| Cr: | 3,0 | Gew.-% | Si: | 3,0 | Gew.-% |
| Cu: | 0,05 | Gew.-% | Sn: | 0,001 | Gew.-% |
| Mn: | 0,45 | Gew.-% | Ti: | 0,63 | Gew.-% |
| Mo: | 1,05 | Gew.-% | V: | 0,82 | Gew.-% |
| Nb: | 0,50 | Gew.-% | W: | 0,003 | Gew.-% |
| P: | 0,03 | Gew.-% | Fe: | Rest | |
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Dies
erfolgte durch Herstellen einer Schmelze der Ausgangsmaterialien
(Stahlschrott, Kreislaufmaterial und Legierungsstoffe), und Abgießen der
Schmelze in eine vorgefertigten Grünsandform. Anschließend wurde
die Form ausgelehrt und der erhaltene Kolbenring geputzt. Der Kolbenring
wurde daraufhin vergütet. Diese
erfolgt durch Austenitisieren oberhalb der Ac3-Temperartur der Stahlwerkstoffzusammensetzung,
Abschrecken in Öl,
und Anlassen bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 700°C in einem
Schutzgasofen.