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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft Grauguss für eine Zylinderlaufbuchse und ein Verfahren zur Herstellung der Zylinderlaufbuchse unter Verwendung des Graugusses. Insbesondere kann der Grauguss für eine Zylinderlaufbuchse Dauerfestigkeit und Temperaturschockbeständigkeit durch das Einstellen der Gehalte einer Stahlschmelzenzusammensetzung zur Herstellung des Graugusses beibehalten.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Da Grauguss wenig kostet und eine exzellente Leistungsfähigkeit aufweist, ist seine Nutzung für Zylinderblöcke, Zylinderköpfe und Zylinderlaufbuchsen eines Motors für ein Fahrzeug weit verbreitet. Diese Fahrzeugkomponententeile können verwendet werden, um einen Kompromiss zwischen Materialeigenschaften eines Materials wie Zugfestigkeit, Dauerfestigkeit und ähnlichen einerseits, und Produktivität beim Verwenden und Herstellen, wie Kosten, Verarbeitbarkeit und dergleichen, andererseits zu bilden, und daher können verschiedene Komponenten aus Grauguss in geeignetem Maße kombiniert werden.
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Unlängst sind die Belastungen für den Block, den Kopf und die Laufbuchse aufgrund steigender Fahrzeugleistungen, verstärkter Umweltregulierungen und dergleichen erhöht worden. Dementsprechend ist der Bedarf an einem neuen Grauguss, der die Materialeigenschaften verbessern und die Produktivität beibehalten kann, gestiegen.
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Unterdessen kann die Zylinderlaufbuchse des Motors ein Kernstück sein, welches in den Zylinderblock eingeführt wird und eine Verbrennungskammer gestaltet. Eine Zylinderlaufbuchse gemäß dem Stand der Technik wurde hauptsächlich gebildet durch die Verwendung eines üblichen Graugussmaterials mit einer Zugfestigkeit von etwa 250 MPa. Obwohl der obengenannte Grauguss für einen üblichen Benzinmotor, in welchem Verbrennungsdruck und -last gering sind, geeignet sein mag, kann eine Verschlechterung der Haltbarkeit eintreten, wenn dieser für kürzlich entwickelte Hochleistungsmotoren oder Dieselmotoren verwendet wird.
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Um das obengenannte Problem zu bewältigen, wurde beispielsweise ein Grauguss der Gütestufe 400 MPa durch das Hinzufügen von Legierungselementen zum Grauguss der Gütestufe 250 MPa gefertigt, und teilweise für einen großen Dieselmotor oder ähnliches verwendet. Allerdings sind die Herstellungskosten hierfür hoch im Vergleich zu einem konventionellen Material. Zusätzlich wurde gemäß einer konventionellen Technik eine Technologie für ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Graugusses unter Verwendung eines hoch manganhaltigen Stahlschrottes vorgeschlagen. Allerdings kann, obwohl die hohe Festigkeit beibehalten werden kann, während die Produktionskosten durch die Verwendung des Schrottes reduziert werden, ein kostspieliges Legierungselement hinzugefügt werden, wodurch die Herstellungskosten steigen.
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Die vorstehende in diesem Hintergrundabschnitt offenbarte Information ist lediglich zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung gedacht, und kann daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In bevorzugten Aspekten stellt die vorliegende Erfindung einen Grauguss für eine Zylinderlaufbuchse bereit, der Dauerfestigkeit und Temperaturschockbeständigkeit im Wesentlichen durch das Einstellen der Gehalte von Legierungskomponenten beibehalten kann. Insbesondere können die Legierungskomponenten in der Graugusszusammensetzung das Perlit stabilisieren und die Härte der Matrixstruktur verbessern, ohne kostspielige Legierungselemente hinzuzufügen. Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Zylinderbuchse unter Verwendung der Graugusszusammensetzung bereit.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Grauguss für Zylinderlaufbuchsen bereitgestellt. Der Grauguss kann aufweisen: Kohlenstoff (C) in einer Konzentration von etwa 3,2 bis 3,7 Gewichtsprozent (Gew.-%); Silizium (Si) in einer Konzentration von etwa 2,0 bis 2,8 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Konzentration von etwa 0,50 bis 1,0 Gew.-%; Phosphor (P) in einer Konzentration von etwa 0,20 Gew.-% oder weniger, und größer als etwa 0 Gew.-%; Schwefel (S) in einer Konzentration von etwa 0,10 Gew.-% oder weniger, und größer als etwa 0 Gew.-%; Chrom (Cr) in einer Konzentration von etwa 0,50 Gew.-% oder weniger, und größer als etwa 0 Gew.-%; Kupfer (Cu) in einer Konzentration von etwa 0,20 bis 0,80 Gew.-%; Molybdän (Mo) in einer Konzentration von etwa 0,10 bis 0,40 Gew.-%; und als Rest Eisen (Fe), basierend auf der Gesamtmasse des Graugusses. Insbesondere kann die Graugusszusammensetzung die folgende Gleichung 1 erfüllen: 0,8 ≤ Cu + 1,5Cr + 1,2Mo ≤ 1,5 [Gleichung 1]
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In der Gleichung 1 bedeuten Cu, Cr und Mo jeweils die Konzentrationen der Komponenten Cu, Cr und Mo in Gew.-%.
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Der Grauguss kann eine Zugfestigkeit von etwa 300 MPa oder größer aufweisen. Der Grauguss kann eine Dauerfestigkeit von etwa 140 MPa oder größer aufweisen.
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Es ist zudem vorgesehen, dass der Grauguss in seiner Zusammensetzung aus den vorstehend genannten Komponenten besteht oder im Wesentlichen besteht. Zum Beispiel kann der Grauguss, wie hierin beschrieben, bestehen, oder im Wesentlichen bestehen, aus: Kohlenstoff (C) in einer Konzentration von etwa 3,2 bis 3,7 Gewichtsprozent (Gew.-%); Silizium (Si) in einer Konzentration von etwa 2,0 bis 2,8 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Konzentration von etwa 0,50 bis 1,0 Gew.-%; Phosphor (P) in einer Konzentration von etwa 0,20 Gew.-% oder weniger, und größer als etwa 0 Gew.-%; Schwefel (S) in einer Konzentration von etwa 0,10 Gew.-% oder weniger, und größer als etwa 0 Gew.-%; Chrom (Cr) in einer Konzentration von etwa 0,50 Gew.-% oder weniger, und größer als etwa 0 Gew.-%; Kupfer (Cu) in einer Konzentration von etwa 0,20 bis 0,80 Gew.-%; Molybdän (Mo) in einer Konzentration von etwa 0,10 bis 0,40 Gew.-%; und als Rest Eisen (Fe), basierend auf der Gesamtmasse des Graugusses.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse bereitgestellt. Das Verfahren kann beinhalten: Herstellung einer Stahlschmelze, die Kohlenstoff (C) in einer Konzentration von etwa 3,2 bis 3,7 Gewichtsprozent (Gew.-%); Silizium (Si) in einer Konzentration von etwa 2,0 bis 2,8 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Konzentration von etwa 0,50 bis 1,0 Gew.-%; Phosphor (P) in einer Konzentration von etwa 0,20 Gew.-% oder weniger, und größer als etwa 0 Gew.-%; Schwefel (S) in einer Konzentration von etwa 0,10 Gew.-% oder weniger, und größer als etwa 0 Gew.-%; Chrom (Cr) in einer Konzentration von etwa 0,50 Gew.-% oder weniger, und größer als etwa 0 Gew.-%; Kupfer (Cu) in einer Konzentration von etwa 0,20 bis 0,80 Gew.-%; Molybdän (Mo) in einer Konzentration von etwa 0,10 bis 0,40 Gew.-%; und als Rest Eisen (Fe) aufweist, basierend auf der Gesamtmasse des Graugusses; und Gießen der Stahlschmelze durch Schleuderguss. Insbesondere können die Komponenten in der Stahlschmelzenzusammensetzung die Gleichung 1 wie oben beschrieben erfüllen.
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Nach dem Schleuderguss der Stahlschmelze kann die Zylinderlaufbuchse eine Zugfestigkeit von etwa 300 MPa oder größer aufweisen. Nach dem Schleuderguss der Stahlschmelze kann die Zylinderlaufbuchse eine Dauerfestigkeit von etwa 140 MPa oder größer aufweisen.
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Weiterhin ist ein Fahrzeugteil bereitgestellt, dass aus dem Grauguss oder durch das Verfahren, wie hierin beschrieben, hergestellt werden kann.
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Andere Aspekte der Erfindung sind später offenbart.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden und weitere Gegenstände, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden eindeutiger verstanden unter Zuhilfenahme der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen:
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1 beispielhafte Gefügebilder eines beispielhaften Graugusses für eine Zylinderlaufbuchse entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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2 Gefügebilder eines beispielhaften Graugusses entsprechend Vergleichsbeispielen zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es versteht sich, dass der Ausdruck „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-„ oder andere ähnliche Ausdrücke wie sie hier benutzt werden, Motorfahrzeuge im Allgemeinen sowie Personenfahrzeuge inklusive Geländewagen (SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene kommerzielle Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge inklusive einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Flugzeuge, und ähnliche beinhaltet, und Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, elektrische Plug-In-Hybridfahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Alternativkraftstofffahrzeuge (z.B. Kraftstoffe die sich von anderen Ressourcen als Erdöl ableiten) beinhaltet. Wie hier benannt ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, welches zwei oder mehr Energiequellen aufweist, zum Beispiel sowohl benzin- als auch elektrisch betriebene Fahrzeuge.
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Die hier benutzte Terminologie dient lediglich der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und ist nicht zur Eingrenzung der Erfindung gedacht. Wie hier benutzt sind die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gedacht, auch die Pluralformen zu umfassen, es sei denn der Kontext lässt eindeutig Gegenteiliges erkennen. Es wird ferner davon ausgegangen, dass der Ausdruck „aufweist/umfasst“ und/oder „aufweisend/umfassend“, wenn er in der Beschreibung genutzt wird, die Anwesenheit von genannten Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten spezifiziert, aber nicht die Anwesenheit oder das Hinzufügung von einem oder mehreren weiteren Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon ausschließt. Wie in diesem Zusammenhang benutzt, umfasst der Ausdruck „und/oder“ jede und alle Kombinationen eines oder mehrerer der dazugehörigen genannten Begriffe.
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Wenn nicht spezifisch angegeben oder aus dem Kontext, wie hierin benutzt, offensichtlich, wird der Ausdruck „etwa“ verstanden als innerhalb eines Bereiches üblicher Toleranzen, zum Beispiel innerhalb der doppelten Standardabweichung des Mittelwerts. „Etwa“ kann verstanden werden als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Wertes. Sofern nicht anderweitig klar aus dem Kontext, sind alle hier bereitgestellten numerischen Werte mit dem Ausdruck „etwa“ modifiziert.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detaillierter beschrieben. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf die nachfolgend offenbarten beispielhaften Ausführungsformen begrenzt, sondern wird in verschiedenen Formen realisiert. Die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sorgen für eine ausführliche Offenbarung, und werden bereitgestellt, so dass der Fachmann den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung mühelos erfassen kann.
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In einer beispielhaften Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung einen Grauguss bereit. Der Grauguss kann aufweisen: Kohlenstoff (C) in einer Konzentration von etwa 3,2 bis 3,7 Gewichtsprozent (Gew.-%); Silizium (Si) in einer Konzentration von etwa 2,0 bis 2,8 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Konzentration von etwa 0,50 bis 1,0 Gew.-%; Phosphor (P) in einer Konzentration von etwa 0,20 Gew.-% oder weniger, und größer als etwa 0 Gew.-%; Schwefel (S) in einer Konzentration von etwa 0,10 Gew.-% oder weniger, und größer als etwa 0 Gew.-%; Chrom (Cr) in einer Konzentration von etwa 0,50 Gew.-% oder weniger, und größer als etwa 0 Gew.-%; Kupfer (Cu) in einer Konzentration von etwa 0,20 bis 0,80 Gew.-%; Molybdän (Mo) in einer Konzentration von etwa 0,10 bis 0,40 Gew.-%; und als Rest Eisen (Fe), basierend auf der Gesamtmasse des Graugusses.
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Die Konzentration von Kohlenstoff (C) kann in einem Bereich von etwa 3,2 Gew.-% bis 3,7 Gew.-% liegen, basierend auf der Gesamtmasse des Graugusses. Kohlenstoff, wie hierin verwendet, kann ein wesentliches Element zur Verbesserung der Härte und der Verschleißbeständigkeit durch Bilden von Lamellengraphit und Reduzieren der Karbide beim Koagulieren darstellen. Beispielweise kann ein Kohlenstoffäquivalent (Ceq = C + 1/3Si) mittels der Konzentrationen von Kohlenstoff und Silizium berechnet werden, und wenn das Kohlenstoffäquivalent nahe an (bspw. etwa) einem Prozesspunkt von 4,3 Gew.-% liegt, kann der Schmelzpunkt der Metallschmelze verringert werden und das Fließvermögen verbessert werden. Wenn die Konzentration des Kohlenstoffäquivalents allerdings größer als der Prozesspunkt ist, kann ein Kristallisationsanteil an Graphit, welcher eine geringe Härte und Festigkeit aufweist, erhöht sein, wodurch die Festigkeit eines Graugusses verringert wird. Zusätzlich kann, wenn die Konzentration des Kohlenstoffäquivalents kleiner als der Prozesspunkt ist, das Fließvermögen der Metallschmelze verringert sein, wodurch Gussdefekte verursacht werden, und zudem kann sich der Anteil an Lamellengraphit verringern, wodurch die Schmierfähigkeit abnimmt. Dementsprechend kann die Konzentration von Kohlenstoff in einem Bereich von etwa 3,2 bis 3,7 Gew.-% liegen. Wenn die Kohlenstoffkonzentration unter dem vorstehend genannten Bereich liegt, beispielsweise unter 3,2 Gew.-%, können Gussdefekte verursacht werden, und wenn die Kohlenstoffkonzentration über dem vorstehend genannten Bereich liegt, beispielsweise über 3,7 Gew.-%, können Festigkeit und Ermüdungslebensdauer abnehmen.
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Die Konzentration von Silizium (Si) kann in einem Bereich von etwa 2,0 Gew.-% bis etwa 2,8 Gew.-% liegen, basierend auf der Gesamtmasse des Graugusses. Silizium wie hierin verwendet, kann eines der Hauptelemente sein, welche zusammen mit Kohlenstoff das Kohlenstoffäquivalent definieren, und kann ein Element sein, das zur Graphitbildung und der Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit beiträgt. Da die Bildung von Graphit durch eine erhöhte Siliziumkonzentration in dem Kohlenstoffäquivalent, welcher aus der Konzentration von Kohlenstoff und der Konzentration von Silizium berechnet wird, unterstützt wird, kann der Kristallisationsanteil an Graphit selbst bei gleich bleibender Kohlenstoffkonzentration gesteigert werden.
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Zusätzlich kann Silizium die Hitzebeständigkeit und die Temperaturschockbeständigkeit eines Materials durch das Ausbilden eines Si-basierten, oxidationsbeständigen Films in einer oxidierenden Umgebung erhöhen. Entsprechend können Gießbarkeit und Oxidationsbeständigkeit durch das Begrenzen der Siliziumkonzentration in einem Bereich von etwa 2,0 bis 2,8 Gew.-% angemessen erhalten werden.
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Die Konzentration von Mangan (Mn) kann in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% liegen, basierend auf der Gesamtmasse des Graugusses. Mangan, wie hierin verwendet, kann ein Element sein, welches mit Schwefel (S9 kombiniert wird, um MnS zu bilden, und das MnS kann eine Schmierphase sein und Karbide zur Verbesserung der Festigkeit stabilisieren. Wenn die Mangankonzentration geringer als der vorgeschlagene Bereich ist, beispielsweise geringer als 0,5 Gew.-%, kann MnS allerdings unzureichend gebildet werden und daher kann das gewünschte Niveau an Schmierfähigkeit nicht gesichert werden. Wenn die Mangankonzentration größer als der vorgeschlagene Bereich ist, beispielsweise größer als 1,0 Gew.-%, kann die Kristallisation von Graphit unterbrochen werden, und die Bildung grober Karbide kann gefördert werden, und daher können die Reibungseigenschaften verschlechtert werden. Dementsprechend kann die Mangankonzentration in einem Bereich von etwa 0,50 bis 1,0 Gew.-% eingegrenzt werden, und als Resultat kann eine geeignete Menge der Schmierphase MnS gebildet werden, wodurch die Reibungseigenschaften verbessert werden.
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Die Konzentration von Phosphor (P) kann in einem Bereich von etwa 0,20 Gew.-% oder weniger, und größer als etwa 0 Gew.-% liegen, basierend auf der Gesamtmasse des Graugusses. Obwohl Phosphor als Verunreinigung angesehen werden kann, kann der Phosphor, wenn eine beträchtliche Menge von Phosphor hinzugefügt wird, die Steaditphase hoher Härte bilden um die Abriebfestigkeit zu verbessern, welche die Zusammensetzung Fe3P in einer Matrixstruktur aufweist. Wenn eine geeignete Menge der Steaditphase substanziell gleichförmig in der Matrixstruktur verteilt ist, kann sie einen vorteilhaften Effekt bieten. Da eine substanziell grobe Steaditphase allerdings die Bearbeitbarkeit herabsetzt, kann die Phosphorkonzentration auf etwa 0,2 Gew.-% limitiert sein.
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Die Konzentration von Chrom (Cr) kann in einem Bereich von etwa 0,50 Gew.-% oder weniger, und größer als etwa 0 Gew.-% liegen, basierend auf der Gesamtmasse des Graugusses. Die Konzentration von Kupfer (Cu) kann in einem Bereich von etwa 0,20 Gew.-% bis 0,80 Gew.-% liegen, und die Konzentration von Molybdän (Mo) kann in einem Bereich von etwa 0,10 Gew.-% bis 0,40 Gew.-% liegen. Kupfer (Cu), Chrom (Cr) und Molybdän (Mo), wie hierin verwendet, können Elemente sein, die Perlit stabilisieren und die Härte der Matrixstruktur verbessern, und daher die Härte des Produktes erhöhen, beispielsweise durch Mischkristall- und Ausscheidungsverfestigung. Wenn allerdings Mengen hiervon hinzugefügt werden, die größer als die vorher festgelegten Konzentrationen sind, kann die Bearbeitbarkeit sich verschlechtern.
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Insbesondere kann Kupfer eines der wichtigsten Elemente zum Stabilisieren des Perlits sein, und das Hinzufügen der geeigneten Menge an Kupfer kann entscheidend sein. Zusätzlich kann, da Molybdän teilweise in fester Lösung in der Matrixstruktur ist, um den Weichwiderstand (soft resistance) der Matrixstruktur bei substanziell hohen Temperaturen zu erhöhen, die Haltbarkeit aufgrund einer geeigneten Molybdänkonzentration verbessert werden wenn die produzierten Teile Temperaturschock ausgesetzt werden. Dementsprechend wurde ein optimales Verhältnis der Konzentrationen von Cr, Cu und Mo durch viele Tests untersucht, und als Resultat kann Cr optimal auf eine Konzentration von maximal etwa 0,5 Gew.-% begrenzt werden, Cu kann optimal auf eine Konzentration im Bereich von etwa 0,2 bis 0,8 Gew.-% begrenzt werden und Mo kann optimal auf eine Konzentration im Bereich von etwa 0,1 bis 0,4 Gew.-% begrenzt werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, kann ein typisches Schleudergussverfahren für die Stahlschmelze verwendet werden, die die vorstehende Zusammensetzung aufweist, um die Zylinderlaufbuchse herzustellen, die wesentlich verbesserte Dauerfestigkeit und Temperaturschockbeständigkeit aufweist. Insbesondere können, wenn die Gehalte von jedem Element in der Stahlschmelze eingestellt werden, die Gehalte in Gew.-% von Cu, Cr und Mo, eingestellt werden, um eine Zugfestigkeit der Zylinderlaufbuchse von etwa 300 MPa oder größer zu erhalten und eine Dauerfestigkeit von etwa 140 MPa oder größer zu erhalten. Beispielsweise kann die folgende Gleichung 1 durch die Zusammensetzung erfüllt werden. 0.8 ≤ Cu + 1.5Cr + 1.2Mo ≤ 1.5 [Gleichung 1]
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In der Gleichung 1 wird ein Wert, der über Cu + 1.5Cr + 1.2Mo berechnet wird, zwecks vereinfachter Erläuterung als „A“ bezeichnet, es sei denn, es ist Gegenteiliges angegeben. In der Gleichung 1 bedeuten Cu, Cr und Mo jeweils die Konzentrationen der Komponenten Cu, Cr und Mo in Gew.-%.
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A, welches der Wert ist, der über Gleichung 1 berechnet wird, kann über die Konzentrationen von Cu, Cr und Mo bestimmt werden. Cu, Cr und Mo können in fester Lösung in der Matrixstruktur sein, und Teile davon können Elemente zur Bildung von Mikrokarbiden darstellen. Wenn der Wert von A in einem Bereich von etwa 0,8 bis 1,5 liegt, kann die Verringerung der Bearbeitbarkeit minimiert werden, und die avisierten Materialeigenschaften, wie Zugfestigkeit und Dauerfestigkeit, können geeignet erhalten werden. Wenn der Wert von A größer als der vorgeschlagene Bereich ist, beispielsweise größer als etwa 1,5, können schädliche grobe Karbide gebildet werden, und wenn der Wert von A kleiner als der vorgeschlagene Bereich ist, beispielsweise kleiner als etwa 0,8, können die avisierten Materialeigenschaften nicht erreicht werden.
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BEISPIELE
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf Vergleichsbeispiele und erfinderische Beispiele beschrieben.
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Ein finales Produkt wurde gemäß Produktionsbedingungen einer Zylinderlaufbuchse, die kommerziell produziert wurde, hergestellt, und Proben wurden aus dem finalen Produkt hergestellt. Anschließend wurden Härte, Zugfestigkeit, Dauerfestigkeit, thermische Ermüdungslebensdauer und Bearbeitbarkeit gemessen.
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Wie in Tabelle 1 gezeigt wurden für die erfinderischen Beispiele 1 und 2 sowie die Vergleichsbeispiele 1 bis 5 Stahlschmelzen vorbereitet, welche die eingestellte Komponentenkonzentration aufweisen, und jede Zylinderlaufbuchse wurde anschließend durch das Schleudergussverfahren hergestellt. Zudem wurden die Proben aus der hergestellten Zylinderlaufbuchse hergestellt. [Tabelle 1]
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Unterdessen wurde die Härte unter Verwendung einer Brinell-Härteprüfmaschine gemessen nachdem die hergestellte Probe plangemacht wurde, die Zugfestigkeit wurde durch das Bearbeiten der Zylinderlaufbuchse mit einem KS D0801 8A Teststück gemessen und Dauerfestigkeit wurde definiert als die Last bei der die Ermüdungslebensdauer 1 Millionen Zyklen oder mehr erreicht, nachdem eine Probe mit ungekerbter Form hergestellt wurde und ein Rotationsbiegenermüdungstest durchgeführt wurde. Zudem wurde die thermische Ermüdungslebensdauer durch wiederholtes Durchführen von Erhitzen und Kühlen in einem Temperaturintervall von etwa 100 bis 350 °C bei einer Bedingung, die einem Zwangsverhältnis von etwa 40% der thermischen mechanischen Ermüdungsbedingung entspricht, getestet und die Bearbeitbarkeit wurde basierend auf der Werkzeuglebensdauer beim Durchführen eines Grobschleifens des inneren Durchmessers der Laufbuchse berechnet. Die Resultate der gemessenen Werte sind in Tabelle 2 gezeigt. Zudem wurden Gefüge der erfinderischen Beispiele und der Vergleichsbeispiele unter Verwendung eines optischen Mikroskops bei 100facher Vergrößerung fotografiert und in
1 und
2 gezeigt. [Tabelle 2]
| Klassifikation | Härte (HRB) | Zugfestigkeit (MPa) | Dauerfestigkeit (MPa) | Thermische Ermüdungs lebensdauer (Zyklen) | Bearbeitbarkeit |
| Erfinderisches Beispiel 1 | 99 | 310 | 141 | 630 | 0.98 |
| Erfinderisches Beispiel 2 | 102 | 321 | 150 | 598 | 0.96 |
| Vergleichsbeispiel 1 | 93 | 260 | 98 | 135 | 1 |
| Vergleichsbeispiel 2 | 103 | 285 | 106 | 167 | 0.88 |
| Vergleichsbeispiel 3 | 105 | 317 | 139 | 415 | 0.73 |
| Vergleichsbeispiel 4 | 98 | 291 | 123 | 243 | 0.95 |
| Vergleichsbeispiel 5 | 100 | 329 | 145 | 215 | 0.84 |
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Wie in Tabelle 2 gezeigt, kann wahrgenommen werden, dass in den erfinderischen Beispielen 1 und 2 die mechanischen Eigenschaften verbessert wurden. Beispielsweise wurde die Härte um etwa 5 bis 10% verbessert, die Zugfestigkeit wurde um etwa 20% verbessert und die Dauerfestigkeit wurde um etwa 40 bis 50% verbessert, im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel 1, welches ein konventionelles Material war. Zusätzlich kann wahrgenommen werden, dass die thermische Ermüdungslebensdauer signifikant um den Faktor 3 oder größer erhöht wurde und dass die Bearbeitbarkeit auf einem Niveau von 90% oder größer beibehalten wurde. Weiterhin zeigt 1 beispielhafte Gefügebilder eines beispielhaften Graugusses für eine Zylinderlaufbuchse, welche gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, und es kann durch die Gefügebilder der erfinderischen Beispiele 1 und 2 wahrgenommen werden, dass Mikrokarbide gleichmäßig in einer Perlitstruktur gebildet wurden.
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Zudem kann beim Vergleich der erfinderischen Beispiele 1 und 2 mit den Resultaten der Vergleichsbeispiele 2 bis 5 wahrgenommen werden, dass, obwohl es Fälle gibt, in welchen die Vergleichsbeispiele bessere Härte, Zugfestigkeit, Dauerfestigkeit und ähnliche aufweisen, die Vergleichsbeispiele 2 bis 5 im Hinblick auf die Kombination der jeweiligen Eigenschaften schlechtere Härte, Zugfestigkeit, Dauerfestigkeit und ähnliche im Vergleich zu den erfinderischen Beispielen 1 und 2 aufweisen.
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Unterdessen zeigt 2 beispielhafte Gefügebilder eines konventionellen Graugusses entsprechend den Vergleichsbeispielen. Beispielsweise war das Vergleichsbeispiel 1 ein übliches Graugussmaterial zur Produktion einer konventionellen Zylinderlaufbuchse der Gütestufe 250 MPa und hatte eine Härte von etwa 93 (HRB), eine Zugfestigkeit von etwa 260 MPa, eine Dauerfestigkeit von etwa 98 MPa, und eine thermische Ermüdungslebensdauer von etwa 135 Zyklen, wobei ein Referenzwert (100%) der Bearbeitbarkeit als Werkzeuglebensdauer beim Durchführen eines Grobschleifens von Vergleichsbeispiel 1 definiert wurde. Zusätzlich wurde in Vergleichsbeispiel 1, wie in 2 gezeigt, Lamellengraphit in der Perlitmatrixstruktur gebildet.
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Unterdessen wies Vergleichsbeispiel 2 einen Wert A, welcher ein summierter Bereich der Gehalte von Cu, Cr und Mo ist, innerhalb der vorgeschlagenen Werte der vorliegenden Erfindung auf, aber die Konzentration der einzelnen Werte war außerhalb des vorgeschlagenen Bereichs der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise war die Cr Konzentration größer als der vorgeschlagene Wert, so dass, wie in 2 gezeigt, eine große Anzahl grober Cr-basierter Karbide gebildet wurde. Als Resultat wurde die Härte im Vergleich zum erfinderischen Beispiel 1 verbessert, aber andere Materialeigenschaften wurden nicht signifikant verbessert. Zudem beinhaltete das Vergleichsbeispiel 3 jedes Element derart, dass es den vorgeschlagenen Bereich der vorliegenden Erfindung erfüllte, aber der Wert A, welcher der summierte Bereich der Gehalte von Cu, Cr und Mo ist, war größer als der vorgeschlagene Wert, beispielsweise größer als etwa 1,5. Wie in 2 gezeigt, war die Bearbeitbarkeit signifikant verringert, während die Härte aufgrund der exzessiven Bildung von Mikrokarbiden signifikant erhöht war. Weiterhin beinhaltete das Vergleichsbeispiel jedes Element derart, dass es den vorgeschlagenen Bereich der vorliegenden Erfindung erfüllte, aber der Wert A, welcher der summierte Bereich der Gehalte von Cu, Cr und Mo ist, wurde nicht in dem vorgeschlagenen Bereich der vorliegenden Erfindung erhalten. Wie in 2 gezeigt, waren die Materialeigenschaften im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 1 verbessert, weil Mikrokarbide nicht auf dem gewünschten Niveau gebildet wurden, aber die Dauerfestigkeit und thermische Ermüdungslebensdauer genügten im Vergleich zu den erfinderischen Beispielen 1 und 2 nicht dem erwünschten Niveau. Zudem wies Vergleichsbeispiel 5 einen Wert A, welcher ein summierter Bereich der Gehalte von Cu, Cr und Mo ist, innerhalb der vorgeschlagenen Werte der vorliegenden Erfindung auf, aber die Mo-Konzentration war nicht innerhalb des vorgeschlagenen Bereichs der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt, wurden die meisten Materialeigenschaften zu dem Zielniveau erfüllt, da Mikrokarbide nicht zu einem gewünschten Niveau gebildet wurden, aber die thermische Ermüdungslebensdauer war im Vergleich zu den erfinderischen Beispielen 1 und 2 deutlich verringert.
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Daher können die Konzentrationen Cu, Cr und Mo zum Beibehalten oder Verbessern der Härte, Zugfestigkeit, Dauerfestigkeit, thermischen Ermüdungslebensdauer und Bearbeitbarkeit zu einem gewünschten Niveau durch das geeignete Bilden von Mikrokarbiden in der Perlitmatrixstruktur kontrolliert werden, so dass der Wert von A, der durch die Gleichung 1 erhalten wird, in einem Bereich von etwa 0,8 bis 1,5 sein kann.
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Gemäß verschiedenen bespielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Graugussmaterial der Gütestufe 300 MPa, welches eine um 20% verbesserte Zugfestigkeit im Vergleich zu dem konventionellen Grauguss der Gütestufe 250 MPa aufweisen kann, hergestellt werden durch optimales Einstellen der Gehalte derjenigen Legierungskomponenten unter den Komponenten der Stahlschmelze zur Herstellung des Graugusses, welche insbesondere die Stabilisierung des Perlit und die Verbesserung der Härte der Matrix beeinflussen können.
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Als Resultat kann die Dauerfestigkeit des Graugusses von etwa 140 MPa erhalten werden, welche um etwa 40% verbessert ist im Vergleich zu den konventionellen 100 MPa und Grauguss, welcher imstande ist, selbst in Hochtemperatur-/Hochdruckverbrennungskammern verwendet zu werden, kann durch wesentliches Verbessern der Temperaturschockbeständigkeit ebenfalls hergestellt werden. Weiterhin können, da die Bearbeitbarkeit auf einem Niveau ähnlich zu dem konventionellen Material beibehalten wird, substanzielle Vorteile hinsichtlich der Produktion erwartet werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme zu den begleitenden Zeichnungen und verschiedenen exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt und ist in den folgenden Ansprüchen definiert. Entsprechend kann der Fachmann die vorliegende Erfindung unterschiedlich modifizieren und verändern, ohne vom Geist und Schutzumfang derselben, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
