DE102020125421A1

DE102020125421A1 - Sphäroguss mit hohem Elastizitätsmodul und hoher Festigkeit und Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102020125421A1
Application number: DE102020125421.0A
Authority: DE
Inventors: Jianghuai Yang; Qigui Wang; Dale A. Gerard; James D. Cremonesi; Daniel J. Wilson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-10-18
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2021-04-22
Also published as: US11618937B2; US20210115540A1; CN112680648A

Abstract

Es werden eine Sphärogusslegierung und Kraftfahrzeugkomponenten wie etwa eine Kurbelwelle geschaffen. Die Sphärogusslegierung kann Eisen, etwa 2,2-3,2 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 1,7-2,3 Gew.-% Silicium, etwa 0,2 bis 0,6 Gew.-% Mangan, maximal 0,03 Gew.-% Phosphor, maximal 0,02 Gew.-% Schwefel, etwa 0,2-0,6 Gew.-% Kupfer, etwa 0,1-0,4 Gew.-% Chrom, etwa 0,4-0,8 Gew.-% Nickel, etwa 0,15-0,45 Gew.-% Molybdän, etwa 0,2-1,0 Gew.-% Kobalt, etwa 0,02-0,06 Gew.-% Magnesium und maximal 0,002 Gew.-% ein oder mehrere Seltenerdelemente enthalten. Die Sphärogusslegierung kann einen Elastizitätsmodul in dem Bereich von 175-195 GPa und im Gusszustand eine Zugfestigkeit in dem Bereich von 750-950 MPa aufweisen. Diese Legierung besitzt vorteilhafte Festigkeits-, Steifheits- und Geräusch-/Schwingungs-/Rauheitsqualitäten, was sie in Kurbelwellenanwendungen geeignet macht. Ein Verfahren zum Bilden der Sphärogusslegierung enthält das Zuführen eines Materials auf Magnesiumgrundlage zu einer Eisenlegierungsschmelze durch ein kontinuierliches System in einer konstanten Menge.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Eisenlegierungen und insbesondere Eisenlegierungen, die sphärolithisch sind und eine gewünschte Festigkeit und einen gewünschten Elastizitätsmodul aufweisen, die für Kraftfahrzeugkomponenten wie etwa Kurbelwellen geeignet sind.
EINLEITUNG
Eine herkömmliche Kurbelwelle kann aus einer Eisenlegierung mit einer Zugfestigkeit von etwa 550 MPa und mit einem Elastizitätsmodul von 150-165 GPa gebildet sein. Für Kurbelwellen können Sphärogusslegierungen verwendet werden, um Festigkeitsanforderungen zu erzielen, wobei sie aber schwierig zu bearbeiten sein können und irgendeine Bearbeitung, die ausgeführt wird, unvorteilhafte Restspannungen erzeugt. Außerdem können Sphärogusskurbelwellen wegen der niedrigen Steifheit die Quelle von Geräusch-, Schwingungs- und Rauheitsproblemen sein.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Offenbarung schafft eine neue Sphärogusslegierung, die einen hohen Elastizitätsmodul und eine hohe Festigkeit aufweist, die für Kurbelwellenanwendungen geeignet ist. Die neue Sphärogusslegierung kann z. B. im Gusszustand eine Zugfestigkeit in dem Bereich von 750-950 MPa und einen Elastizitätsmodul in dem Bereich von 175-195 GPa aufweisen. Vorteilhaft ermöglicht die neue Sphärogusslegierung, dass fortgeschrittene Kurbelwellenentwürfe im Gusszustand mit Hohlstruktur erzeugt werden, was zu verringerter Verwendung von Materialien führt. Außerdem kann die neue Sphärogusslegierung ausreichende Steifheit und niedriges Geräusch, niedrige Schwingung und niedrige Rauheit sicherstellen.
Gemäß einem Beispiel, das mit den anderen hier gegebenen Beispielen und Merkmalen kombiniert oder von ihnen getrennt sein kann, wird eine Sphärogusslegierung geschaffen, die enthält: Eisen; etwa 2,2 bis etwa 3,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff; etwa 1,7 bis etwa 2,3 Gewichtsprozent Silicium; etwa 0,2 bis etwa 0,6 Gewichtsprozent Mangan; etwa 0,2 bis etwa 0,6 Gewichtsprozent Kupfer; etwa 0,1 bis etwa 0,4 Gewichtsprozent Chrom; etwa 0,4 bis etwa 0,8 Gewichtsprozent Nickel; etwa 0,15 bis etwa 0,45 Gewichtsprozent Molybdän; etwa 0,2 bis etwa 1,0 Gewichtsprozent Kobalt; und etwa 0,02 bis etwa 0,06 Gewichtsprozent Magnesium.
Gemäß einem anderen Beispiel, das mit den anderen hier gegebenen Beispielen kombiniert oder von ihnen getrennt sein kann, wird eine Sphärogusslegierung geschaffen, die im Wesentlichen besteht aus: etwa 2,2 bis etwa 3,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff; etwa 1,7 bis etwa 2,3 Gewichtsprozent Silicium; etwa 0,2 bis etwa 0,6 Gewichtsprozent Mangan; 0 bis etwa 0,03 Gewichtsprozent Phosphor; 0 bis etwa 0,02 Gewichtsprozent Schwefel; etwa 0,2 bis etwa 0,6 Gewichtsprozent Kupfer; etwa 0,1 bis etwa 0,4 Gewichtsprozent Chrom, etwa 0,4 bis etwa 0,8 Gewichtsprozent Nickel; etwa 0,15 bis etwa 0,45 Gewichtsprozent Molybdän; etwa 0,2 bis etwa 1,0 Gewichtsprozent Kobalt; etwa 0,02 bis etwa 0,06 Gewichtsprozent Magnesium; 0 bis etwa 0,002 Gewichtsprozent eines oder mehrerer Seltenerdelemente; und dem Rest Eisen.
Es können zusätzliche Merkmale einschließlich der Folgenden, aber nicht auf sie beschränkt, geschaffen werden: dass das Eisen in einer Menge von wenigstens 90 Gewichtsprozent vorgesehen ist; dass die Sphärogusslegierung außerdem Phosphor in einer Menge enthält, die 0,03 Gewichtsprozent nicht übersteigt; dass die Sphärogusslegierung außerdem Schwefel in einer Menge enthält, die 0,02 Gewichtsprozent nicht übersteigt; dass die Sphärogusslegierung außerdem ein oder mehrere Seltenerdelemente in einer Menge enthält, die 0,002 Gewichtsprozent nicht übersteigt; dass die Sphärogusslegierung einen Elastizitätsmodul in dem Bereich von 175 bis 195 GPa aufweist; dass die Sphärogusslegierung im Gusszustand eine Zugfestigkeit in dem Bereich von 750 bis 950 MPa aufweist; dass das Eisen in einer Menge von mehr als 90 % einer Perlitmikrostruktur vorhanden ist; dass das Eisen mehrere Grafitknötchen umgibt; dass der größte Teil der Grafitknötchen einen Durchmesser in dem Bereich von 1 bis 5 Mikrometer aufweist; dass die Sphärogusslegierung einen Knötchenbildungsgrad größer als 85 % aufweist; und dass der größte Teil der Grafitknötchen eine Anzahldichte größer als 200 Grafitknötchen pro Quadratmillimeter aufweist.
In einer Variante besteht die Sphärogusslegierung im Wesentlichen aus: etwa 2,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff; etwa 2,2 Gewichtsprozent Silicium; etwa 0,3 Gewichtsprozent Mangan; etwa 0,02 Gewichtsprozent Phosphor; etwa 0,001 Gewichtsprozent Schwefel; etwa 0,3 Gewichtsprozent Kupfer; etwa 0,2 Gewichtsprozent Chrom; etwa 0,5 Gewichtsprozent Nickel; etwa 0,3 Gewichtsprozent Molybdän; etwa 0,5 Gewichtsprozent Kobalt; etwa 0,04 Gewichtsprozent Mangan; etwa 0,001 Gewichtsprozent eines oder mehrerer Seltenerdelemente; und dem Rest Eisen.
Irgendeine Variante der hier geschaffenen Sphärogusslegierung kann durch ein Verfahren gebildet werden, das das Zuführen eines Materials auf Magnesiumgrundlage zu einer Eisenlegierungsschmelze durch ein kontinuierliches System in einer konstanten Menge enthält.
Es können weitere zusätzliche Merkmale, einschließlich der Folgenden, darauf aber nicht beschränkt, enthalten sein: dass eine Kraftfahrzeugkomponente aus irgendeiner Variante der Sphärogusslegierung erzeugt worden ist; und dass die Kraftfahrzeugkomponente eine Kurbelwelle ist.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen leicht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der vielen Aspekte der vorliegenden Offenbarung, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen und angefügten Ansprüchen genommen wird, hervor.
Figurenliste
Die hier gegebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen diese Offenbarung oder die angefügten Ansprüche nicht beschränken; es zeigen:

1 eine vergrößerte Ansicht einer Sphärogusslegierung, die die Mikrostruktur davon darstellt, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung; und
2 eine Querschnittsansicht einer aus einer Sphärogusslegierung gebildeten Kurbelwelle gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden duktile Sphärogusslegierungen mit einer gewünschten Steifheit und Festigkeit im Gusszustand geschaffen. Diese Sphärogusslegierungen sind besonders nützlich für Kraftfahrzeuggusskomponenten, die starken Belastungen und Ermüdung ausgesetzt sind und die fortgeschrittene Entwürfe aufweisen. Die Kraftfahrzeugkomponenten können im Gusszustand implementiert sein, was zusätzliche Schritte, Materialien und Kosten spart. In einigen Varianten können Kurbelwellen erzeugt werden, die im Gusszustand integrierte Beleuchtungslöcher in Zapfen und Gegengewichten aufweisen.
Die hier offenbarten Sphärogusslegierungen enthalten Eisen, Kohlenstoff, Silicium, Mangan, Kupfer, Chrom, Nickel, Molybdän, Kobalt und Magnesium und außerdem können die Sphärogusslegierungen Phosphor, Schwefel und ein oder mehrere Seltenerdelemente enthalten.

Zum Beispiel können die hier offenbarten Sphärogusslegierungen Eisen, etwa 2,2 bis etwa 3,2 Gewichtsprozent (oder genau 2,2-3,2 Gew.-%) Kohlenstoff, etwa 1,7 bis etwa 2,3 Gewichtsprozent (oder genau 1,7-2,3 Gew.-%) Silicium, etwa 0,2 bis etwa 0,6 Gewichtsprozent (oder genau 0,2-0,6 Gew.-%) Mangan, etwa 0,2 bis etwa 0,6 Gewichtsprozent (oder genau 0,2-0,6 Gew.-%) Kupfer, etwa 0,1 bis etwa 0,4 Gewichtsprozent (oder genau 0,1-0,4 Gew.-%) Chrom, etwa 0,4 bis etwa 0,8 Gewichtsprozent (oder genau 0,4-0,8 Gew.-%) Nickel, etwa 0,15 bis etwa 0,45 Gewichtsprozent (oder genau 0,15-0,45 Gew.-%) Molybdän, etwa 0,2 bis etwa 1,0 Gewichtsprozent (oder genau 0,2-1,0 Gew.-%) Kobalt und etwa 0,02 bis etwa 0,06 Gewichtsprozent (oder genau 0,02-0,06 Gew.-%) Mangan enthalten. Ein Kohlenstoffäquivalent von etwa 2,8 bis etwa 4,0 Gewichtsprozent ist aufrechterhalten. Das Eisen kann in einer Menge von wenigstens 90 Gewichtsprozent vorgesehen sein. Außerdem können die Sphärogusslegierungen eines oder mehrere der Folgenden enthalten: insgesamt Phosphor in einer Menge, die 0,03 Gewichtsprozent nicht übersteigt; Schwefel in einer Menge, die 0,02 Gewichtsprozent nicht übersteigt; und ein oder mehrere Seltenerdelemente in einer Menge, die 0,002 Gewichtsprozent nicht übersteigt. Tabelle 1 zeigt z. B. ein Beispiel einer Sphärogusslegierung, die Eisen, Kohlenstoff, Silicium, Mangan, Kupfer, Chrom, Nickel, Molybdän, Kobalt und Magnesium enthält und die außerdem Phosphor, Schwefel und ein oder mehrere Seltenerdelemente enthalten kann. Zum Beispiel können das eine oder die mehreren Seltenerdelemente Cer allein oder gemeinsam mit anderen Seltenerdelementen sein. Tabelle 1. Beispiel einer neuen Sphärogusslegierung

C (Gew.-%)	Si (Gew.-%)	Mn (Gew.-%)	P (Gew.-%)	S (Gew.-%)	Cu (Gew.-%)	Cr (Gew.-%)	Ni (Gew.-%)	Mo (Gew.-%)	Co (Gew.-%)	Mg (Gew.-%)	SE (Gew.-%)	Fe
2,2-3,2	1,7-2,3	0,2-0,6	0-0,03	0-0,02	0,2-0,6	0,1-0,4	0,4-0,8	0,15-0,45	0,2-1,0	0,02-0,06	0-0,002	Rest

Gemäß einem anderen Beispiel kann eine hier offenbarte Sphärogusslegierung etwa 2,2 Gewichtsprozent (oder genau 2,2 Gew.-%) Kohlenstoff, etwa 2,2 Gewichtsprozent (oder genau 2,2 Gew.-%) Silicium, etwa 0,3 Gewichtsprozent (oder genau 0,3 Gew.-%) Mangan, etwa 0,02 Gewichtsprozent (oder genau 0,02 Gew.-%) Phosphor, etwa 0,001 Gewichtsprozent (oder genau 0,001 Gew.-%) Schwefel, etwa 0,3 Gewichtsprozent (oder genau 0,3 Gew.-%) Kupfer, etwa 0,2 Gewichtsprozent (oder genau 0,2 Gew.-%) Chrom, etwa 0,5 Gewichtsprozent (oder genau 0,5 Gew.-%) Nickel, etwa 0,3 Gewichtsprozent (oder genau 0,3 Gew.-%) Molybdän, etwa 0,5 Gewichtsprozent (oder genau 0,5 Gew.-%) Kobalt, etwa 0,04 Gewichtsprozent (oder genau 0,04 Gew.-%) Magnesium und etwa 0,001 Gewichtsprozent (oder genau 0,001 Gew.-%) eines oder mehrerer Seltenerdelemente enthalten. Der Rest kann aus Eisen gebildet sein. Es ist ein Kohlenstoffäquivalent von etwa 2,93 Gewichtsprozent oder genau 2,93 Gewichtsprozent aufrechterhalten. Tabelle 2 zeigt z. B. ein Beispiel einer Sphärogusslegierung, die Eisen, Kohlenstoff, Silicium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Kupfer, Chrom, Nickel, Molybdän, Kobalt, Magnesium und ein oder mehrere Seltenerdelemente enthält. Tabelle 2. Ein bestimmtes Beispiel einer neuen Sphärogusslegierung

C (Gew.-%)	Si (Gew.-%)	Mn (Gew.-%)	P (Gew.-%)	S (Gew.-%)	Cu (Gew.-%)	Cr (Gew.-%)	Ni (Gew.-%)	Mo (Gew.-%)	Co (Gew.-%)	Mg (Gew.-%)	SE (Gew.-%)	Fe
2,2	2,2	0,3	0,02	0,001	0,3	0,2	0,5	0,3	0,5	0,04	0,001	Rest

Nun in 1 ist ein Sphäroguss 10 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Der Sphäroguss 10 kann eine Zusammensetzung z. B. mit in Tabelle 1 gezeigten Elementbereichen aufweisen. Es sind mehrere Grafitknötchen 12 vorhanden, wobei Eisen 14 die Grafitknötchen 12 umgibt. Die Grafitknötchen 12 weisen sehr feine Knötchengrößen auf, wobei jedes Knötchen 12 oder ein wesentlich größter Teil oder wenigstens der größte Teil der Knötchen 12 einen Durchmesser in dem Bereich von 1 bis 5 Mikrometern aufweist. In diesem Beispiel ist das Eisen 14 in einer Menge von mehr als 90 % einer Perlitmikrostruktur vorhanden.
Der Sphäroguss 10 kann im Gusszustand eine Zugfestigkeit z. B. in dem Bereich von 750-960 MPa und einen Elastizitätsmodul in dem Bereich von 175 bis 195 GPa aufweisen. Dementsprechend weist der Sphäroguss 10 im Gusszustand eine ausreichende Festigkeit zur Verwendung in Hochlast-Kraftfahrzeugkomponenten wie etwa Kurbelwellen auf. Der Sphäroguss 10 kann einen Knötchenbildungsgrad von wenigstens 85 % aufweisen. Die Grafitknötchen 12 können eine Anzahldichte von wenigstens 200 Knötchen pro Quadratmillimeter aufweisen.
Die hier beschriebenen Sphärogusslegierungen können zur Herstellung einer Kraftfahrzeugkomponente verwendet werden, die in einigen Fällen eine Guss-Kraftfahrzeug-Antriebssystemkomponente sein kann. Die Kraftfahrzeugkomponenten, die mit einer wie hier beschriebenen Eisenlegierung gebildet werden können, können Kurbelwellen, Getriebewellen, Differentialträger, Halbachsen, Achswellen und dergleichen enthalten, sind darauf aber nicht beschränkt. Zum Beispiel ist in 2 eine Kurbelwelle 100 dargestellt, die aus irgendeiner Variante der hier beschriebenen Sphärogusslegierung hergestellt ist und die gegossen sein kann. Die Kurbelwelle 100 weist einen fortgeschrittenen Entwurf auf, der integrierte Beleuchtungslöcher 102, die in Pleuelzapfen 104 gebildet sind, und integrierte Beleuchtungslöcher 106, die in Hauptzapfen 106 gebildet sind, enthält. Zusätzlich können irgendwelche anderen gewünschten Beleuchtungslöcher oder komplexen Entwurfsmerkmale enthalten sein. Die Kurbelwelle 100 kann unter Verwendung der hier beschriebenen Sphärogusslegierungen mit den Beleuchtungslöchern 102, 106 gegossen worden sein.
Die hier beschriebenen Sphärogusslegierungen können durch ein Verfahren gebildet werden, das das Zuführen eines Materials auf Magnesiumgrundlage zu einer Eisenlegierungsschmelze durch ein kontinuierliches System mit einer konstanten Menge enthält. Zum Beispiel kann das Material auf Magnesiumgrundlage zu der Eisenlegierungsschmelze in Pulverform auf gleichbleibende Weise (z. B. über eine Maschine und einen Controller) zugeführt werden oder kann das Material auf Magnesiumgrundlage ein Draht sein, der zu der Eisenlegierungsschmelze ununterbrochen und gleichbleibend zugeführt wird. Außerdem oder alternativ kann eine gesteuerte Klappe verwendet werden, um das Material auf Magnesiumgrundlage auf gleichbleibende Weise zu der Eisenlegierungsschmelze zuzuführen. Die Konstanz der Anwendung des Magnesiums oder der Magnesiumlegierung zu der Eisenlegierungsschmelze führt zu einer Sphärogusslegierung mit dem gewünschten Knötchenbildungsgrad.
Die hier gegebene Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und Varianten, die nicht von ihrem Hauptpunkt abweichen, sollen in dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung enthalten sein. Solche Varianten werden nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung angesehen.

Claims

Sphärogusslegierung, die umfasst: Eisen; 2,2 bis 3,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff; 1,7 bis 2,3 Gewichtsprozent Silicium; 0,2 bis 0,6 Gewichtsprozent Mangan; 0,2 bis 0,6 Gewichtsprozent Kupfer; 0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent Chrom; 0,4 bis 0,8 Gewichtsprozent Nickel; 0,15 bis 0,45 Gewichtsprozent Molybdän; 0,2 bis 1,0 Gewichtsprozent Kobalt; und 0,02 bis 0,06 Gewichtsprozent Magnesium.
Sphärogusslegierung nach Anspruch 1, wobei das Eisen in einer Menge von wenigstens 90 Gewichtsprozent vorgesehen ist.
Sphärogusslegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner umfasst: Phosphor in einer Menge, die 0,03 Gewichtsprozent nicht übersteigt; und Schwefel in einer Menge, die 0,02 Gewichtsprozent nicht übersteigt.
Sphärogusslegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner wenigstens ein Seltenerdelement in einer Menge umfasst, die 0,002 Gewichtsprozent nicht übersteigt.
Sphärogusslegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sphärogusslegierung einen Elastizitätsmodul in dem Bereich von 175 bis 195 GPa und im Gusszustand eine Zugfestigkeit in dem Bereich von 750 bis 950 MPa aufweist.
Sphärogusslegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Eisen in einer Menge von mehr als 90 % einer Perlitmikrostruktur vorhanden ist, wobei das Eisen mehrere Grafitknötchen umgibt, wobei der größte Teil der Grafitknötchen der mehreren Grafitknötcheneinen Durchmesser in dem Bereich von 1 bis 5 Mikrometern aufweist, wobei die Sphärogusslegierung einen Knötchenbildungsgrad größer als 85 Prozent aufweist und wobei die mehreren Grafitknötchen eine Anzahldichte größer als 200 Grafitknötchen pro Quadratmillimeter aufweisen.
Sphärogusslegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sphärogusslegierung im Wesentlichen besteht aus: etwa 2,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff; etwa 2,2 Gewichtsprozent Silicium; etwa 0,3 Gewichtsprozent Mangan; etwa 0,02 Gewichtsprozent Phosphor; etwa 0,001 Gewichtsprozent Schwefel; etwa 0,3 Gewichtsprozent Kupfer; etwa 0,2 Gewichtsprozent Chrom; etwa 0,5 Gewichtsprozent Nickel; etwa 0,3 Gewichtsprozent Molybdän; etwa 0,5 Gewichtsprozent Kobalt; etwa 0,04 Gewichtsprozent Magnesium; etwa 0,001 Gewichtsprozent wenigstens eines Seltenerdelements; und dem Rest Eisen.
Kraftfahrzeugkomponente, die aus einem Sphäroguss gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche erzeugt worden ist.
Kraftfahrzeugkomponente nach Anspruch 8, wobei die Kraftfahrzeugkomponente eine Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine ist.
Verfahren zum Bilden der Sphärogusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren das Zuführen eines Materials auf Magnesiumgrundlage zu einer Sphärogusslegierung durch ein kontinuierliches System in einer konstanten Menge umfasst.