DE10305568A1

DE10305568A1 - Verschleißfeste Legierung enthaltend Restaustenit für Ventilsitzeinsätze

Info

Publication number: DE10305568A1
Application number: DE10305568A
Authority: DE
Inventors: Xuecheng Liang
Original assignee: Winsert Inc
Current assignee: Winsert Inc
Priority date: 2002-02-12
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2023-02-11
Also published as: DE10305568B4; FR2835850A1; US6916444B1; FR2835850B1

Abstract

Diese Erfindung bezieht sich auf eine neue Legierung auf Eisenbasis, bei welcher Restaustenit zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit bei Ventileinsatzmaterial für Brennkraftmaschinen genutzt wird. Das Restaustenit ist sogar nach einer Wärmebehandlung und einer raschen Abkühlung in flüssigem Stickstoff stabil. Die Legierung weist 2,0-4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 1,0-3,0 Gew.-% Silizium, 0-4,0 Gew.-% Mangan, 3,0-9,0 Gew.-% Chrom, 5,0-15,0 Gew.-% Molybdän, 3,0-15,0 Gew.-% Nickel, 0-6,0 Gew.-% Vanadium, 0-4,0 Gew.-% Niobium, 0-6,0 Gew.-% Kobalt auf und der Rest besteht aus Eisen mit Verunreinigungen.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine verschleißfeste Legierung auf Eisenbasis, die eine große Menge an stabilem Restaustenit enthält, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern, für Motor-Ventilsitzringe. Die erfindungsgemäße Legierung ist insbesondere nützlich, um Einlaßventilsitzringe herzustellen, die in Hochleistungs-Brennkraftmaschinen genutzt werden, in welchen die Arbeitstemperatur nicht hoch genug ist, um eine stark oxidierende Atmosphäre zur Unterstützung der Erzeugung von schützenden Oxiden auf den Oberflächen von Ventilsitzringen auszubilden. Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich diese Erfindung auf Bestandteile, die aus solchen Legierungen, entweder gegossen oder auftragsgeschweißt, gefertigt sind. Alternativ dazu können aus solchen Legierungen gefertigte Bestandteile mittels herkömmlicher Pulvermetallurgieverfahren entweder durch Kaltpressen und Sintern oder durch Warmpressen bei erhöhten Temperaturen für verschleißfeste Anwendungen gefertigt werden.
Verschleißfestigkeit und Verschleißkompatibilität mit üblichen Ventillegierungen sind wichtige Eigenschaften für Einlaßventilsitzring-Legierungen, die in Brennkraftmaschinen genutzt werden, wobei die mittlere Einlaßventilsitzring-Arbeitstemperatur ungefähr 205-345°C beträgt und die Verschleißkompatibilität als die Tendenz zur Beschädigung des zugehörigen Ventils oder der Ventilauflage-Legierungen definiert wird. Zur Zeit werden üblicherweise Legierungen auf Eisenbasis und Kobaltbasis für Einlaßventilsitzringe in Diesel- oder Festbrennstoff-Brennkraftmaschinen genutzt. In Motoren mit mittleren oder geringen Belastungsbedingungen sind aufgrund der geringen Kosten Legierungen auf Eisenbasis wie stark chromhaltige Legierungen auf Eisenbasis und Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl-Legierungen weitverbreitet im Einsatz als Einlaßventilsitzring-Materialien. Eine große Menge von Legierungskarbiden und eine harte Martensitmatrix sind die wesentlichen Faktoren für eine gute Verschleißfestigkeit dieser Legierungen auf Eisenbasis. Diese Legierungen können jedoch in vielen neuen Brennkraftmaschinen mit höherer Leistung und weniger Emission nicht genug Verschleißfestigkeit oder Verschleißkompatibilität schaffen. Obgleich Legierungen auf Kobaltbasis wie Stellite®3 oder Tribaloy® T-400 als Einlaßventilsitzring- Materialien bei bestimmten anspruchsvollen Anwendungen genug Verschleißfestigkeit bieten, begrenzen die hohen Kosten des Elements Kobalt die breite Akzeptanz dieser Legierungen auf Kobaltbasis in der Motorindustrie.
Es gibt auch viele Patente für Werkzeugstähle oder andere Legierungen auf Eisenbasis für verschleißfeste Anwendungen. US-Patent 4.778.522, US-Patent 4.155.754, US-Patent 4.844.024 sind einige Beispiele für verschleißfeste Legierungen des Werkzeugstahltyps.
US-Patent Nr. 4.021.205 offenbart einen gesinterten zermahlenen Eisenlegierungsartikel, bei welchem Kohlenstoff 1,0-4,0%, Chrom 10,0-30,0 Gew.-%, Nickel 2,0-15,0%, Molybdän 10,0-30,0%, Kobalt 20,0-40,0%, Niobium 1,0-5,0% und der Rest Eisen ist.
US-Patent Nr. 6.248.292 offenbart eine Auflagelegierung auf Eisenbasis für Brennkraftventile. Diese Legierung enthält 0,5-3,0% Kohlenstoff, 20,0-70,0% Molybdän, 5,0-40,0% Nickel und der Rest ist Fe. Unter Bedingungen, bei denen Oxide leicht gebildet werden, hat die Auflagelegierung die folgende Zusammensetzung: Kohlenstoff 0,5-3,0%, Chrom 0,1-10,0%, Molybdän 20,0-60,0%, Nickel 5,0-40,0% und der Rest besteht aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen.
Die japanische Patentveröffentlichung 59-229465 offenbart einen Legierung auf Eisenbasis mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit durch Beimischen eines speziellen Verhältnisses von C, Cr, Nb, Mo, W, V und Ta in Fe. Diese Legierung enthält 1,0-3,0% Kohlenstoff, 10,1-20,0% Chrom, 0,2-5,0% Niobium, 0,5-10,0% von ein oder zwei Arten Molybdän, 0,5-10,0% Wolfram, 0,5-5,0% Vanadium, 0,2-5,0% Tantal.
US-Patent Nr. 5.316.596 offenbart einen Walzkesselstahl mit 1,5-3,5% Kohlenstoff, 1,5% oder weniger Silizium, 1,2% oder weniger Mangan, 5,5-12,0% Chrom, 2,0-8,0% Molybdän, 0,6-7,0% Niobium, 3,0-10,0% Vanadium und erfüllt die Formeln V + 1,8 Nb < 7,5 C-6,0%, 0,2 < Nb/V < 0,8 und der Rest besteht aus Fe und eigenen Verunreinigungen.
US-Patent Nr. 5.578.773 offenbart einen Pulvermetallurgie- Hochgeschwindigkeitsstahl mit 2,2-2,7% Kohlenstoff, 1,0% oder weniger Silizium, spurenweise bis 1,0% Mangan, 3,5-4,5% Chrom, 2,5-4,5% Molybdän, 2,5-4,5% Wolfram, 7,5-9,5% Vanadium und der Rest sind Fe und eigene Verunreinigungen.
Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine Legierung auf Eisenbasis mit verbesserter Verschleißkompatibilität und Verschleißfestigkeit für Ventilsitzring-Anwendung zu entwickeln.
Es ist eine neue Legierung auf Eisenbasis erfunden worden, die eine einzigartige Mikrostruktur hat, um eine bessere Verschleißfestigkeit und -kompatibilität mit Legierungen der Ventilgegenflächen zu schaffen. Die Mikrostruktur der erfindungsgemäßen Legierungen ist aus Legierungskarbiden und einem stabilen Austenit zuzüglich einer kleinen Menge einer Martensitmatrix zusammengesetzt. Die Kombination einer großen Menge an Restaustenit und einer kleinen Menge an Martensit bietet eine bessere Verschleißfestigkeit und Verschleißkompatibilität als Legierungen vom Typ mit reiner Martensitmatrix, die in traditionellen Ventilsitzringlegierungen auf Eisenbasis genutzt werden. Das Vorhandensein von Martensit in der Matrix erhöht die Härte der erfindungsgemäßen Legierungen, was ein wichtiger Parameter für die Eindruckfestigkeit eines Ventilsitzrings ist. Deshalb besteht ein Ziel darin, daß die Legierung eine Härte zwischen 45-55 HRC hat. Es ist bekannt, daß eine kleine Menge von Restaustenit in Werkzeugstählen eine komplexe Wirkung auf die Verschleißfestigkeit der Werkzeugstähle hat. Wenn auch das Restaustenit eine positive Wirkung auf die Verschleißfestigkeit hat, so ist das Restaustenit leider thermodynamisch unstabil und wird sich bei der Temperatur flüssigen Stickstoffs, einer hohen Arbeitstemperatur oder sogar bei Raumtemperatur in Martensit umwandeln. Die Phasentransformation von Austenit zu Martensit kann in Abhängigkeit von der Menge des transformierten Restaustenit auf signifikante Weise den Außendurchmesser des Ventilsitzrings vergrößern, da Austenit eine höhere Dichte als Martensit hat. Manchmal wird flüssiger Stickstoff oder Trockeneis benutzt, um den Ventilsitzring zu kühlen, um den Ventilsitzring in Motorköpfen zu installieren. Bei einem Ventilsitzring, der instabiles Restaustenit enthält, wird sich der Außendurchmesser des Ventilsitzrings aufgrund der Kühlung in flüssigem Stickstoff vergrößern, was zur Fehlanpassung der Größenreduzierung führt, wodurch es schwierig wird, diesen Ventilsitzring in den Motorkopf einzubauen. Bei den erfindungsgemäßen Legierungen ist die Stabilität von Restaustenit durch eine sorgfältige Kontrolle der chemischen Zusammensetzungen in einem speziellen Bereich stark verbessert worden, und das meiste Restaustenit ist in den erfindungsgemäßen Legierungen auch bei Abkühlung auf die Temperatur flüssigen Stickstoffs stabil.

Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Erfindung eine Legierung mit der folgenden Zusammensetzung:

Element	Gew.-%
Kohlenstoff	2,0-4,0
Silizium	1,0-3,0
Chrom	3,0-9,0
Mangan	0,0-4,0
Molybdän	5,0-15,0
Wolfram	0,0-6,0
Vanadium	0,0-6,0
Niobium	0,0-4,0
Nickel	3,0-15,0
Kobalt	0,0-6,0
Eisen	Rest

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung sind Metallkomponenten entweder durch Gießen oder Pulvermetallurgietechnik durch Formen aus einem Pulver und Sintern aus der Legierung gefertigt. Überdies wird die Legierung genutzt, um sie den Komponenten als Schutzbeschichtung aufzuschließen.
Fig. 1 ist ein Diagramm einer Ventilsitzring-Außendurchmesser- Änderung im Verhältnis zur Magnetkraft nach Wärmebehandlung und rascher Abkühlung mit flüssigem Stickstoff.
Fig. 2 ist ein Diagramm, welches die Wirkung des Nickelgehalts auf die Magnetkraft von Beispiellegierungen veranschaulicht.
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches die Wirkung von Molybdän auf die Magnetkraft von Beispiellegierungen veranschaulicht.
Fig. 4 ist ein Diagramm, welches die Wirkung von Chrom auf die Magnetkraft von Beispiellegierungen veranschaulicht.
Fig. 5 ist ein Diagramm, welches die Wirkung des Nickelgehalts auf die Härte von Beispiellegierungen veranschaulicht.
Fig. 6 ist ein Diagramm, welches die Wirkung von Molybdän auf die Härte von Beispiellegierungen veranschaulicht.
Fig. 7 ist ein Diagramm, welches die Wirkung von Chrom auf die Härte von Beispiellegierungen veranschaulicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
Die Mikrostruktur der meisten traditionellen Ventilsitzringlegierungen auf Eisenbasis wie der Hochgeschwindigkeitsstähle und Legierungen des stark chromhaltigen Typs besteht aus harten Legierungskarbiden und einer getemperten Martensitmatrix, um eine gute Verschleißfestigkeit zu erzielen. Das getemperte Martensit ist außerdem durch Lösungsatome wie Wolfram, Molybdän und Chrom und dergleichen verstärkt. Das Gestaltungsprinzip für eine Legierung vom Werkzeugstahltyp hat sich als wirksam erwiesen, um eine hohe Verschleißfestigkeit bei verschiedenen Schneidwerkzeugen zu erzielen, bei welchen eine hohe Warmhärte wesentlich ist, um bei hoher Temperatur während des Schneidvorgangs eine scharfe Kante beizubehalten. Der Verschleiß des Einlaßventilsitzrings stellt die akkumulierten Wirkungen des starken normalen Kontakts und von Scherbeanspruchungen nach vielfachen Öffnungs- und Schließzyklen in hoher Frequenz dar. Die typische mittlere Einlaßventilsitzring- Arbeitstemperatur beträgt nur rund 200-300°C, was nicht hoch genug ist, um schützende Oxide auszubilden, wenn Motoren sehr sauber laufen. Die Rißausbildung und -ausbreitung in der Schicht unter der Oberfläche ist einer der Hauptmechanismen für den Verlust an Einlaßventilsitzringmaterial. Legierungen mit sowohl harter als auch weicher Matrix würden eine bessere Verschleißfestigkeit haben als solche nur mit harter oder weicher Matrix für die Einlaßventilsitzring-Anwendung, da die weiche Matrix vorteilhaft ist, um die Rißerzeugungsgeschwindigkeit zu reduzieren und auch um scharfe Risse abzuschwächen, um die Rißausbreitung zu stoppen. Die harte Matrix gibt dem Material eine erforderliche Eindruckfestigkeit. Die größte Schwierigkeit bei den erfindungsgemäßen Legierungen besteht jedoch darin, wie das Restaustenit unter der Einlaßventilsitzring-Arbeitstemperatur oder sogar unter flüssigem Stickstoff stabil gemacht werden kann, ohne in Martensit umgewandelt zu werden, da die rasche Abkühlung in flüssigem Stickstoff eine übliche Verfahrensweise für das Ventilsitzring-Einbauverfahren ist. Die Phasenumwandlung von Austenit in Martensit ist ein Volumenzunahmeprozeß und resultiert deshalb in einer Vergrößerung der Abmessungen des Ventilsitzrings. Ein signifikanter Ventilsitzring-Größenzuwachs aufgrund der Phasenumwandlung macht es schwierig, einen Ventilsitzring in Motorköpfe einzubauen. Nach ausgedehnten experimentellen Untersuchungen wurde gefunden, daß die Stabilität von Restaustenit in den erfindungsgemäßen Legierungen durch die Steuerung der chemischen Zusammensetzungen in einem speziellen Bereich stark gesteigert werden kann.
Es wird ein einfaches und wirksames Magnetwaagen-Untersuchungsverfahren genutzt, um die Stabilität von Restaustenit in vielen Probelegierungen zu prüfen. Eine ringförmige Probe wird auf einer Waage mit einer Genauigkeit von 0,01 Gramm plaziert und dann wird ein Eisen-Neodym-Bor-Permanentmagnet mit Abmessungen von 3 mm Durchmesser und 4 mm Dicke oberhalb der Ringprobe plaziert. Der Abstand zwischen dem Magneten und der Probe beträgt 1,27 mm. Das Gewicht jeder Untersuchungsprobe wird mit oder ohne den Magneten aufgezeichnet. Der Unterschied im Gewicht mit und ohne den Magneten ist die magnetische Anziehungskraft. Da Restaustenit ferrimagnetisch ist und Martensit ferromagnetisch ist, ist die magnetische Anziehungskraft um so geringer je mehr Restaustenit in einer Probelegierung ist. Fig. 1 ist ein Diagramm der Ventilsitzring-Größenänderung gegen die Magnetkraft. In der Praxis ist das Restaustenit stabil, wenn die Raumtemperatur-Größenänderung nach der raschen Abkühlung in flüssigem Stickstoff geringer als 0,025 mm ist, was bedeutet, daß der Rest stabil ist, wenn die Magnetkraft nach der Behandlung mit flüssigem Stickstoff geringer als 50 Gramm ist. Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, beträgt die Magnetkraft von einem M2-Werkzeugstahl mit 100% Martensitmatrix ungefähr 160 Gramm, während die Magnetkraft, einer Legierung auf Nickelbasis mit 100% Austenit ungefähr 0,4 Gramm beträgt. In erster Näherung kann der Gehalt an Martensit in einer Probelegierung als annähernd proportional zu der Magnetkraft geschätzt werden.
Ein Hochtemperatur-Stift-auf-Scheibe-Tester wurde genutzt, um die Gleitverschleißfestigkeit der Legierungen zu messen, da der Gleitverschleiß aufgrund der relativen Gleitbewegung des Ventils gegen den Ventilsitzring die übliche Art des Verschleißes beim Ventilsitzringverschleiß in Brennkraftmaschinen ist. Der Probestift mit Abmessungen von 6,35 mm Durchmesser und ungefähr 25,4 mm Länge wurde aus Ventillegierungen gefertigt. Die Scheibe wurde aus Ringlegierungen mit Abmessungen von 50,8 mm bzw. 12,5 mm in Durchmesser bzw. Dicke gefertigt. Die Untersuchungen wurden unter Bezugnahme auf ASTM G99-90 durchgeführt. Die Scheibe wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,13 m/s für eine Gesamtgleitstrecke von 255 m gedreht. Der Gewichtsverlust wurde sowohl an den Stift- als auch den Scheibenproben nach jeder Untersuchung unter Nutzung einer Waage mit 0,1 mg Genauigkeit gemessen. Als Stiftlegierung wurde Eatonite 6 benutzt, da es eine übliche Ventilauflageflächen- Legierung ist. Eatonite 6 ist eine von der Eaton Corporation entwickelte austenitische Legierung auf Eisenbasis.
Die Probelegierungen Nr. 1-6 enthalten 2,40 Gew.-% Kohlenstoff, 2,0 Gew.-% Silizium, 6,0 Gew.-% Chrom, 5,0 Gew.-% Molybdän, 4,0 Gew.-% Vanadium, 0-12,0 Gew.-% Nickel und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen.
Die Probelegierung Nr. 7 enthält 1,6 Gew.-% Kohlenstoff, 2,0 Gew.-% Silizium, 0,4 Gew.-% Mangan, 6,0 Gew.-% Chrom, 5,0 Gew.-% Molybdän, 4,0 Gew.-% Vanadium, 1,0 Gew.-% Niobium und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen.
Die Probelegierung Nr. 8 enthält 1,8 Gew.-% Kohlenstoff, 2,0 Gew.-% Silizium, 0,4 Gew.-% Mangan, 6,0 Gew.-% Chrom, 5,0 Gew.-% Molybdän, 5,0 Gew.-% Vanadium, 2,0 Gew.-% Niobium und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen. Die Probelegierung Nr. 9 enthält 3,0 Gew.-% Kohlenstoff, 2,0 Gew.-% Silizium, 0,4 Gew.-% Mangan, 6,0 Gew.-% Chrom, 20,0 Gew.-% Molybdän, 1,0 Gew.-% Vanadium, 1,0 Gew.-% Niobium und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen.
Die Probelegierungen Nr. 10-13 enthalten 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 2,0 Gew.-% Silizium, 0,4 Gew.-% Mangan, 12,0 Gew.-% Molybdän, 1,5 Gew.-% Wolfram, 2,0 Gew.-% Vanadium, 1,5 Gew.-% Niobium, 8,0 Gew.-% Nickel, 3,0-12,0 Gew.-% Chrom und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen.
Die Probelegierungen Nr. 14-16 enthalten 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 2,0 Gew.-% Silizium, 0,4 Gew.-% Mangan, 6,0 Gew.-% Chrom, 12,0 Gew.-% Molybdän, 1,5 Gew.-% Wolfram, 2,0 Gew.-% Vanadium, 0-2,5 Gew.-% Niobium, 8,0 Gew.-% Nickel, und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen.
Die Probelegierung Nr. 17 enthält 2,4 Gew.-% Kohlenstoff, 2,0 Gew.-% Silizium, 0,4 Gew.-% Mangan, 6,0 Gew.-% Chrom, 5,0 Gew.-% Molybdän, 4,0 Gew.-% Vanadium, 8,0 Gew.-% Nickel und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen. Die Probelegierungen Nr. 18-19 enthalten 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 2,0 Gew.-% Silizium, 0,4 Gew.-% Mangan, 6,0 Gew.-% Chrom, 8,0-10,0 Gew.-% Molybdän, 1,5 Gew.-% Wolfram, 2,0 Gew.-% Vanadium, 1,5 Gew.-% Niobium, 8,0 Gew.-% Nickel und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen. Die Probelegierung Nr. 20 enthält 2,2 Gew.-% Kohlenstoff, 2,0 Gew.-% Silizium, 0,4 Gew.-% Mangan, 6,0 Gew.-% Chrom, 15,0 Gew.-% Molybdän, 2,0 Gew.-% Vanadium, 8,0 Gew.-% Nickel und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen.
Die Probelegierung Nr. 21 enthält 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 2,0 Gew.-% Silizium, 0,4 Gew.-% Mangan, 6,0 Gew.-% Chrom, 12,0 Gew.-% Molybdän, 4,0 Gew.-% Vanadium, 1,5 Gew.-% Niobium, 8,0 Gew.-% Nickel und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen.
Die Probelegierung Nr. 22 enthält 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 2,0 Gew.-% Silizium, 2,0 Gew.-% Mangan, 6,0 Gew.-% Chrom, 6,0 Gew.-% Molybdän, 6,0 Gew.-% Wolfram, 2,0 Gew.-% Vanadium, 1,5 Gew.-% Niobium, 8,0 Gew.-% Nickel und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen.
Die Probelegierung Nr. 23 enthält 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 2,0 Gew.-% Silizium, 0,4 Gew.-% Mangan, 6,0 Gew.-% Chrom, 12,0 Gew.-% Molybdän, 1,5 Gew.-% Wolfram, 2,0 Gew.-% Vanadium, 1,5 Gew.-% Niobium, 6,0 Gew.-% Kobalt, 8,0 Gew.-% Nickel und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen.
Die Probelegierung Nr. 24 enthält 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 1,0 Gew.-% Silizium, 0,4 Gew.-% Mangan, 5,0 Gew.-% Chrom, 12,0 Gew.-% Molybdän, 2,5 Gew.-% Vanadium, 1,5 Gew.-% Niobium, 13,0 Gew.-% Nickel und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen.
Die Probelegierung Nr. 25 enthält 0,9 Gew.-% Kohlenstoff, 2,0 Gew.-% Silizium, 0,4 Gew.-% Mangan, 5,0 Gew.-% Chrom, 8,0 Gew.-% Molybdän, 1,0 Gew.-% Vanadium, 6,0 Gew.-% Nickel und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen.
Die Probelegierung Nr. 26 enthält 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 4,0 Gew.-% Silizium, 2,0 Gew.-% Mangan, 6,0 Gew.-% Chrom, 12,0 Gew.-% Molybdän, 2,0 Gew.-% Vanadium, 3,0 Gew.-% Niobium, 8,0 Gew.-% Nickel und der Rest ist Eisen mit einer kleinen Menge an Verunreinigungen.
Die Probelegierungen Nr. 27-30 sind kommerziell verfügbare Legierungen als Vergleichsbeispiele. Probestücke der vorhergehend genannten Legierungen wurden gegossen und für magnetische, Verschleiß- und Härteuntersuchungen bearbeitet. Die nominalen Zusammensetzungen dieser Probelegierungen sind in Tabelle 1 aufgelistet. Tabelle 1 Chemische Legierungszusammensetzung (Gew.-%)

Tabelle 2 Verschleißuntersuchungsergebnisse

Tabelle 3 Magnetkraft-Untersuchung (Gramm)

Tabelle 4 Härte von einigen Probelegierungen in unterschiedlichen Zuständen (HRC)
Die Probelegierung Nr. 1 enthält im Gußzustand ungefähr 60% Restaustenit. Die Wärme- und Abkühlbehandlung verändert bei der Probelegierung Nr. 1, wie in Tabelle 3 und Tabelle 4 gezeigt ist, das Restaustenit in Martensit, wobei die Härte der mit Wärme und rascher Abkühlung behandelten Probelegierung Nr. 1 64,2 HRC ist, somit aufgrund der Phasenumwandlung viel höher als die der Legierung im Gußzustand (53,1 HRC) ist. Die Menge des Verschleißes ist 21,4 mg für die Beispiellegierung Nr. 1 mit 100% Martensitmatrix, während die Menge der Abnutzung 10,1 mg für die gleiche Legierung beträgt, die im Gußzustand ungefähr 60% Restaustenit enthält. Folglich zeigen die Verschleißuntersuchungsergebnisse, daß Restaustenit selbst mit einer viel geringeren Härte auf signifikante Weise die Gleitverschleißfestigkeit bei mittlerer Temperatur (260°C) verbessern kann, wenn ein Vergleich mit der Beispiellegierung Nr. 1 im Gußzustand im Verhältnis zu 593°C für 1 Stunde und Behandlung mit flüssigem Stickstoff angestellt wird. So verändert sich die Aufgabe nun dahingehend, wie das Restaustenit auch nach einer Wärmebehandlung und einer raschen Abkühlung mit flüssigem Stickstoff stabilisiert werden kann. Die Verschleißuntersuchungsergebnisse einiger anderer Probelegierungen sind gleichfalls in Tabelle 2 aufgelistet.
In Fig. 2 bis 4 ist die Magnetkraft ein Anzeiger für die Menge an Restaustenit in den Beispiellegierungen. Je geringer die Magnetkraft, desto höher die Menge an Restaustenit. Für die Legierung auf Nickelbasis (Eatonite 2) und die austenitische Legierung auf Eisenbasis (Eatonite 6) ist die Magnetkraft geringer als 0,5 Gramm. Für vollständig wärmebehandelte martensitische Legierungen auf Eisenbasis wie M2 Werkzeugstahl und Silchrome XB ist die Magnetkraft größer als 149 Gramm aber geringer als 170 Gramm. Deshalb wird angenommen, daß in erster Näherung die Menge an Martensit proportional der Magnetkraft ist und die Menge an Restaustenit umgekehrt proportional zu der Magnetkraft ist.
In Fig. 5 bis 7 ist der Unterschied in der Härte zwischen Gußzustands- und Wärmebehandlungsbedingungen von Probelegierungen auf die Fällungs-Aushärtung und die Umwandlung von Austenit in Martensit zurückzuführen. Der Unterschied in der Härte von der Abkühlbehandlung ist aufgrund der Umwandlung von Austenit in Martensit vorhanden.
Nickel ist eines der wichtigsten Elemente in den erfindungsgemäßen Legierungen, um die Menge an Restaustenit und dessen Stabilität zu steuern. Wie in Tabelle 2 und Fig. 2 gezeigt ist, steigt die Menge an Restaustenit und die Stabilität des Restaustenits linear mit der Zufügung von Nickel bis hin zu 10 Gew.-% an, während eine weitere Steigerung des Nickelgehalts eine geringe Wirkung auf die Menge an Restaustenit und dessen Stabilität hat. Zur Erfüllung der Ventilsitzring-Größenstabilitätsanforderung muß der Nickelgehalt gleich oder größer als 8,0 Gew.-% sein, um die Magnetkraft auf weniger als 50 Gramm zu reduzieren. Der Nickelzusatz wird die Härte der Legierung im Gußzustand, wärmebehandelt und unter den Bedingungen der raschen Abkühlung mittels flüssigem Stickstoff herabsetzen, da die Menge an Restaustenit ansteigt, und zu viel Nickel in der erfindungsgemäßen Legierung wird die Matrix in 100% stabiles Austenit ändern. Diese Wirkung ist offensichtlich, wenn Nickel von Null auf 8,0 Gew.-% ansteigt. Ein höherer Nickelgehalt ergibt eine stärkere Aushärtungswirkung im Vergleich zu Härtewerten im Gußzustand und unter wärmebehandelten Bedingungen (Tabelle 4 und Fig. 5). Deshalb ist der optimale Nickelgehalt ungefähr 6,0 bis 10,0 Gew.-%.
Molybdänzusatz kann die Stabilität von Restaustenit in Probelegierungen mit ausreichendem Nickelgehalt weiter erhöhen. Fig. 3 zeigt, daß der Zusatz von Molybdän auf signifikante Weise die Stabilität von Restaustenit im Bereich von 6,0 Gew.-% bis 12,0 Gew.-% erhöhen kann. Die Menge an Restaustenit nach der Wärmebehandlung und dem raschen Abkühlungsprozeß ist mehr als verdoppelt, wenn Molybdän von 6,0 auf 12,0 Gew.-% ansteigt, was anzeigt, daß Molybdän auf wirksame Weise das Restaustenit stabilisieren kann. Gemäß Fig. 1 besteht die minimale Anforderung für die Stabilität von Restaustenit darin, daß seine Magnetkraft nach einer Wärmebehandlung und einem raschen Abkühlprozeß in flüssigem Stickstoff geringer als 50 Gramm sein sollte. Die Probelegierungen (Nr. 11, 17-20) enthalten 5,0-15,0 Gew.-% Molybdän, dessen Wirkung auf die Magnetkraft der Legierung ist in Tabelle 2 und Fig. 3 zusammengefaßt. Der Zusatz von Molybdän kann die Probelegierungshärte im Gußzustand erhöhen, aber hat keine große Wirkung auf die wärmebehandelten und rasch abgekühlten Probelegierungen (Fig. 6).
Wolfram und Molybdän sind zwei hochschmelzende Elemente, von denen im allgemeinen angenommen wird, daß sie bezüglich ihrer Wirkungen auf die Eigenschaften von Werkzeugstählen austauschbar sind. Wolfram zeigt jedoch eine andere Wirkung als Molybdän auf die Stabilität von Restaustenit. Die Probelegierung Nr. 22 enthält 6,0 Gew.-% Wolfram und 6,0 Gew.% Molybdän. Ihre Magnetkraft ist 48,22 Gramm, viel höher als die der Probelegierungen Nr. 17 und Nr. 18, in welchen Molybdän 5,0 Gew.-% bzw. 8,0 Gew.-% beträgt. Dies bedeutet, daß ein Zusatz von Wolfram bis hin zu 6,0 Gew.-% die Stabilität von Restaustenit herabsetzt. Deshalb muß der Wolframgehalt in den erfindungsgemäßen Legierungen derart gesteuert werden, daß er weniger als 6,0 Gew.-% beträgt.
Der Zusatz von Chrom hat eine außergewöhnliche Wirkung auf die erfindungsgemäßen Legierungen. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, gibt es einen enormen Anstieg in der Restaustenitstabilität, wenn der Chromgehalt von 3,0 auf 6,0% ansteigt. In der Probelegierung Nr. 3 mit 3,0 Gew.-% Chrom beträgt die Menge an Restaustenit im Gußzustand rund 75%. Nach der Wärmebehandlung und dem raschen Abkühlprozeß sind jedoch nur rund 30% Restaustenit in der Legierung stabil, was anzeigt, daß das Restaustenit in der Probelegierung Nr. 3 eine sehr schlechte Stabilität hat. Die Magnetkraft in Probelegierung Nr. 11 mit 6,0 Gew.-% Chrom beträgt nur ungefähr 20 Gramm. Weiter ansteigendes Chrom setzt in den Probelegierungen Nr. 12 und Nr. 13 geringfügig die Stabilität des Restaustenits herab. Folglich sollte der Chromgehalt in den erfindungsgemäßen Legierungen, aus dem Blickwinkel der Stabilität des Restaustenits betrachtet, gleich oder größer als 6,0 Gew.-% sein. Verschleißuntersuchungsergebnisse zeigen, daß die Menge an Verschleiß in den Probelegierungen Nr. 10-13 mit dem Chromgehalt ansteigt, wenn der Chromgehalt größer als 6,0 Gew.-% ist (Tabelle 2). Somit liegt der optimale Chromgehalt bei den erfindungsgemäßen Legierungen zwischen 6,0-9,0 Gew.-%.
Der Zusatz von Niobium kann wirksam die Stabilität von Restaustenit steigern, wenn Niobium von Null auf 1,5 Gew.-% erhöht wird (Tabelle 3). Ein weiterer Anstieg von Niobium auf 2,5 Gew.-% (Probelegierung Nr. 16) vermindert die Stabilität von Restaustenit. Deshalb ist der Niobiumgehalt in den erfindungsgemäßen Legierungen zwischen 0 bis 2,5 Gew.-%.
Die Wirkung von Vanadium auf die Stabilität von Restaustenit ist in Tabelle 3 bei den Probelegierungen Nr. 11 und Nr. 21 gezeigt. Ein höherer Vanadiumgehalt verringert die Stabilität von Restaustenit. Deshalb beträgt der Vanadiumgehalt zwischen 2,0-4,0 Gew.-%.
Der Zusatz von Kobalt bis zu 6,0 Gew.-% verringert geringfügig die Stabilität von Restaustenit in den Probelegierungen Nr. 11 und Nr. 23 (Tabelle 3). Deshalb muß Kobalt in den erfindungsgemäßen Legierungen zwischen 0 und 6,0 Gew.-% betragen.
Den erfindungsgemäßen Legierungen kann auch Mangan zugefügt werden und seine Wirkung auf das Restaustenit ist geringfügig, wenn die Probelegierungen Nr. 11 und Nr. 26 verglichen werden. Der Mangangehalt in den erfindungsgemäßen Legierungen ist zwischen 0 und 2,0 Gew.-%.
Auch Kohlenstoff hat eine Hauptwirkung auf die Menge an Restaustenit in den erfindungsgemäßen Legierungen. Die Probelegierungen Nr. 7-9 enthalten 1,6-3,0 Gew.-%, ohne jedes Nickel. Die Menge an Restaustenit steigt drastisch an, wenn Kohlenstoff oberhalb 1,8 Gew.-% hinaus vorhanden ist. Die Probelegierungen Nr. 3 und Nr. 25 enthalten 2,4 Gew.-% bzw. 0,9 Gew.-% Kohlenstoff. Die Stabilität von Restaustenit ist in der Probelegierung Nr. 3 viel höher als in der Probelegierung Nr. 25 (Tabelle 3). Ein höherer Kohlenstoffgehalt ist auch erforderlich, um den Zusatz von Chrom, Molybdän, Wolfram, Vanadium und Niobium anzupassen, um ausreichend Legierungskarbide für eine bessere Verschleißfestigkeit auszubilden. Deshalb liegt Kohlenstoff bei den erfindungsgemäßen Legierungen zwischen 2,0-3,0 Gew.-%.
Silizium vermindert die Stabilität von Restaustenit, wie sich bei den Probelegierungen Nr. 11 und 24 zeigt. Deshalb muß der Siliziumgehalt bei den erfindungsgemäßen Legierungen zwischen 1,0-2,0 Gew.-% liegen.
Erfindungsgemäß wird eine neue Legierung auf Eigenbasis vorgeschlagen, bei welcher Restaustenit zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit bei Ventileinsatzmaterial für Brennkraftmaschinen genutzt wird. Das Restaustenit ist sogar nach einer Wärmebehandlung und einer raschen Abkühlung in flüssigem Stickstoff stabil. Die Legierung weist 2,0-4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 1,0-3,0 Gew.-% Silizium, 0-4,0 Gew.-% Mangan, 3,0-9,0 Gew.-% Chrom, 5,0-15,0 Gew.-% Molybdän, 3,0-15,0 Gew.-% Nickel, 0-6,0 Gew.-% Vanadium, 0-4,0 Gew.-% Niobium, 0-6,0 Gew.-% Kobalt auf, und der Rest besteht aus Eisen mit Verunreinigungen.
Es sollte anerkannt werden, daß die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung zur Anwendung in der Form einer Vielzahl von Ausführungsbeispielen geeignet sind, von denen nur einige veranschaulicht und beschrieben worden sind. Die Erfindung kann in anderer Form verkörpert sein, ohne von deren Sinn und wesentlichen Charakteristiken abzuweichen. Es sollte wahrgenommen werden, daß der Zusatz von einigen anderen Bestandteilen, Verfahrensschritten, Materialien oder Komponenten, die nicht speziell enthalten sind, eine nachteilige Wirkung auf die vorliegende Erfindung haben wird. Der beste Modus der Erfindung kann deshalb Bestandteile, Verfahrensschritte, Materialien oder Komponenten ausschließen, die nicht vorhergehend zum Einschluß oder zur Anwendung in der Erfindung aufgelistet sind. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind jedoch in jedem Fall nur als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu betrachten, und der Geltungsbereich der Erfindung ist somit eher durch die beigefügten Ansprüche als durch die vorhergehende Beschreibung bezeichnet. Alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzbereichs der Ansprüche liegen, sind in deren Geltungsbereich eingeschlossen.

Claims

1. Verschleißfeste Legierung auf Eisenbasis, umfassend:

a) etwa 2,0 bis etwa 4,0 Gew.-% Kohlenstoff;

b) etwa 3,0 bis etwa 9,0 Gew.-% Chrom;

c) etwa 1,0 bis etwa 3,0 Gew.-% Silizium;

d) etwa 0 bis etwa 6,0 Gew.-% Kobalt;

e) etwa 5,0 bis etwa 15,0 Gew.-% Molybdän;

f) etwa 3,0 bis etwa 15,0 Gew.-% Nickel;

g) etwa 0 bis etwa 6,0 Gew.-% Vanadium;

h) etwa 0 bis etwa 4,0 Gew.-% Niobium;

i) etwa 0 bis etwa 4,0 Gew.-% Mangan;

j) etwa 0 bis etwa 6,0 Gew.-% Wolfram;

k) der Rest bis zur Gesamtmenge von 100 Gew.-% ist Eisen.

2. Teil für einen Brennkraftmaschinen-Bestandteil bestehend aus der Legierung des Anspruchs 1.

3. Teil nach Anspruch 2, wobei das Teil gebildet ist durch Gießen der Legierung, Auftragsschweißen mit der Legierung in Draht- oder Pulverform oder Bildung des Teils durch Pulvermetallurgietechnik.

4. Legierungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Menge an Kohlenstoff zwischen etwa 2,2 Gew.-% und etwa 2,6 Gew.-% beträgt.

5. Legierungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Menge an Chrom zwischen etwa 5,0 Gew.-% und etwa 8,0 Gew.-% beträgt.

6. Legierungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Menge an Silizium zwischen etwa 1,5 Gew.-% und etwa 2,5 Gew.-% beträgt.

7. Legierungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Menge an Kobalt etwa 0 Gew.-% beträgt.

8. Legierungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Menge an Molybdän zwischen etwa 5,0 Gew.-% und etwa 15,0 Gew.-% beträgt.

9. Legierungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Menge an Nickel zwischen etwa 6,0 Gew.-% und etwa 10,0 Gew.-% beträgt.

10. Legierungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Menge an Vanadium zwischen etwa 1,0 Gew.-% und etwa 3,0 Gew.-% beträgt.

11. Legierungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Menge an Niobium zwischen etwa 1,0 Gew.-% und etwa 2,0 Gew.-% beträgt.

12. Legierungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Menge an Mangan zwischen etwa 0 Gew.-% und etwa 0,8 Gew.-% beträgt.

13. Legierungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Menge an Wolfram zwischen etwa 0,5 Gew.-% und etwa 2,5 Gew.-% beträgt.

14. Legierungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Menge an Eisen größer ist als etwa 45,0 Gew.-%.

15. Verschleißfester Ventilsitzring, bestehend aus einer Legierung auf Eisenbasis, umfassend: