DE10320397A1

DE10320397A1 - Cast iron alloy used in the production of cylinder crankcases for reciprocating piston engines, especially diesel engines, has a titanium amount over the trace content partially replaced by adding niobium and/or tantalum

Info

Publication number: DE10320397A1
Application number: DE2003120397
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Kleine
Original assignee: HALLBERG GUSS GmbH
Current assignee: NEUE HALBERG-GUSS GMBH, DE
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-07
Also published as: DE10320397B4

Abstract

Cast iron alloy has a titanium amount over the trace content partially replaced by adding niobium and/or tantalum in total amount of 0.01, especially 0.3-5 weight %.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gusseisenlegierung zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 5 sowie entsprechende Zylinderkurbelgehäuse.The The present invention relates to a cast iron alloy for manufacturing of cylinder crankcases according to the preamble of claim 1 or 5 and corresponding Engine blocks.

Motorblöcke beziehungsweise Zylinderkurbelgehäuse werden nach dem Stand der Technik in großem Umfang aus Eisengusswerkstoffen hergestellt. Da an die Zylinderbereiche von Hubkolbenmotoren besondere Anforderungen insbesondere hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften der Zylinderlauffläche gestellt werden, ist es bekannt insbesondere bei hochbelasteten Dieselmotoren harte, kubusförmige Titancarbid-, Titannitrid- und Titan-Carbonitrid-Einschlüsse in Gusseisenwerkstoffen vorzusehen, um den Reibungsbeiwert und den Zylinderverschleiß zu verringern. Ferner bilden die Titancarbid-, Titannitrid- und Titan-Carbonitrid-Einschlüsse beim Herausbrechen aus der Zylinderlauffläche Mikroöltaschen aus, in denen Schmieröl aufgenommen werden kann. Dies trägt ebenfalls zur Reduzierung des Verschleißes aber auch des Ölverbrauchs bei. Diese Mirkroöltaschen entstehen bei spielsweise auch bei der Bearbeitung der Zylinderlauffläche durch Hohnen durch Mikroausbrüche, die durch kubische Mikroeinschlüsse mitverursacht werden.Engine blocks respectively cylinder crankcase are largely made of cast iron materials according to the state of the art manufactured. Because of the cylinder areas of reciprocating engines special Requirements in particular with regard to the tribological properties the cylinder surface be made, it is known especially in highly loaded Diesel engines hard, cube-shaped Titanium carbide, titanium nitride and titanium carbonitride inclusions in cast iron materials should be provided to reduce the coefficient of friction and cylinder wear. The titanium carbide, titanium nitride and titanium carbonitride inclusions also form when broken out from the cylinder surface Micro oil pockets from where lubricating oil can be included. This carries also to reduce wear but also oil consumption at. These micro oil pockets arise for example in the machining of the cylinder surface Mocking by micro-breakouts, through cubic micro-inclusions are also caused.

Der dafür erforderliche Titangehalt von 0,03 bis 0,06 % liegt normaler Weise teilweise in der Basisschmelze mit 0,01 bis 0,02 % im Gleichgewicht mit dem Siliziumgehalt 1,8 bis 2,3 % als Spurenelement vor; der Rest wird durch Zugabe von geeigneten Titanträgern zulegiert.The necessary for this Titanium content of 0.03 to 0.06% is normally partially in of the base melt with 0.01 to 0.02% in equilibrium with the silicon content 1.8 to 2.3% as a trace element; the rest is added of suitable titanium carriers alloyed.

Auch der Stickstoff liegt in der Basisschmelze als Spurenelement vor, meistens in Gehalten von 60 bis 90 ppm. Der Endgehalt muß mit geeigneten Stickstoffträgern auf einen solchen Wert gebracht werden, der eine ausreichende Bildung TiN, TiC/N und Eisennitrid sichert.Also the nitrogen is present in the base melt as a trace element, mostly in contents of 60 to 90 ppm. The final content must be with suitable nitrogen carriers be brought to such a value that adequate education Secures TiN, TiC / N and iron nitride.

Bei den gegenwärtig verwendeten Gusseisenwerkstoffen, bei denen Titancarbid-, Titannitrid- und Titan-Carbonitrid-Einschlüsse vorgesehen sind, ist jedoch nachteilhaft, dass durch die chemische Reaktion von Titan mit Stickstoff zur Bildung der Titannitrid- und Titan-Carbonitrid-Einschlüsse dem Eisengusswerkstoff Stickstoff entzogen wird. Dies wirkt sich jedoch bei Titangehalten von über 0,03 Gew.-% sehr negativ auf die Festigkeit der Gusseisenwerkstoffe aus, da durch den Entzug des im Gefüge gelösten Stickstoffs und der Verhinderung der Bildung von Eisennitriden an den Korngrenzen die Festigkeit stark herabgesetzt werden kann. Nach dem Stand der Technik wird versucht dem entgegenzuwirken, indem festigkeitssteigernde Legierungselemente, wie zum Beispiel Chrom zulegiert werden. Dies erhöht jedoch die Gefahr der Lunkerbildung und führt zu einer schlechteren Bearbeitbarkeit des Gusseisenwerkstoffs.at the present used cast iron materials in which titanium carbide, titanium nitride and Titanium carbonitride inclusions are provided, however, is disadvantageous in that the chemical Reaction of titanium with nitrogen to form the titanium nitride and Titanium carbonitride inclusions Iron casting material nitrogen is withdrawn. However, this affects with titanium contents of over 0.03% by weight very negatively on the strength of the cast iron materials due to the withdrawal of the nitrogen dissolved in the structure and the prevention the strength of the formation of iron nitrides at the grain boundaries can be reduced. Attempts are made according to the prior art to counteract this by strengthening alloy elements, such as chrome alloyed. However, this increases the risk of voiding and leads to poorer workability of the cast iron material.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Gusseisenwerkstoff für die Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen bzw. entsprechende Motorblöcke bereitzustellen, die auf einfache Weise die Eigenschaften Festigkeit, Verschleißbeständigkeit und gute Zerspanbarkeit vereinen.It is therefore an object of the present invention a cast iron material for the To provide the production of cylinder crankcases or corresponding engine blocks, which easily have the properties of strength, wear resistance and combine good machinability.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gusseisenlegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs 5 sowie einem Zylinderkurbelgehäuse nach An spruch 6 beziehungsweise ein Verfahren zur Herstellung derselben nach Anspruch 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This Task is solved by a cast iron alloy with the features of claim 1 or of claim 5 and a cylinder crankcase according to claim 6 and a method for producing the same according to claim 5. Advantageous Refinements are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass den Nachteilen des Titangehalts in Gusseisenlegierungen hinsichtlich der Festigkeitsminderung durch Bildung von Titannitriden dadurch begegnet werden kann, dass anstelle des Titans Niob und Tantal als Legierungszusätze verwendet werden, wobei die tribologischen Eigenschaften der Gusseisenlegierung, die insbesondere im Zylinderbereich bei den bekannten Legierungen durch die harten, kubusförmigen Titancarbid-, Titannitrid- und Titan-Carbonitrid-Einschlüsse erreicht werden, beibehalten werden können. Dies ergibt sich aus den Eigenschaften von Niob und Tantal, welche eine niedrigere Affinität zum Stickstoff und eine höhere Affinität zu Kohlenstoff und Schwefel aufweisen und mit diesen Elementen kubische Mikroeinschlüsse bilden. Aufgrund dieser Eigenschaften wird durch Niob und/oder Tantal weniger Stickstoff, zur Bildung von Titannitriden bzw. Niob- oder Tantalnitriden entzogen, was für die Festigkeitseigenschaften der Gusseisenlegierung wichtig ist. Gleichzeitig bilden aber Niob und/oder Tantal durch die höhere Affinität zu Kohlenstoff und Schwefel harte Einschlüsse aus, zum Beispiel salzartige Carbide, beispielsweise in eckiger, insbesondere in kubischer Form, welche die Rolle der Titancarbid-, Titannitrid und Titan-Carbonnitrid-Einschlüsse für die tribologischen Eigenschaften übernehmen können. Außerdem weisen Niob und Tantal, die als Mikrolegierungsbestandteile in Anteilen von jeweils 0,01 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 0,9 %, beziehungsweise vorzugsweise mit Werten von zusammen maximal 5 Gew.-% zugegeben werden, eine solche Dichte auf, die ein Ausflotieren aus der Schmelze zu vermeidet. Darüber hinaus besitzen Niob und Tantal eine geringe Neigung zur Verschlackung der Gusseisenschmelzen, so dass auch dies die Verarbeitbarkeit der Legierung mit einer höheren Treffsicherheit gegünstigt.The Invention is based on the knowledge that the disadvantages of titanium content in cast iron alloys with regard to the reduction in strength Formation of titanium nitrides can be countered by that instead of titanium niobium and tantalum are used as alloy additives, the tribological properties of the cast iron alloy, the particular in the cylinder area of the known alloys due to the hard, cube-shaped Titanium carbide, titanium nitride and titanium carbonitride inclusions achieved can be maintained. This results from the properties of niobium and tantalum, which a lower affinity to nitrogen and a higher affinity to carbon and sulfur and cubic with these elements micro-inclusions form. Because of these properties, niobium and / or tantalum less nitrogen, to form titanium nitrides or niobium or Tantalum nitrides withdrawn, what the strength properties of the cast iron alloy is important. simultaneously but form niobium and / or tantalum due to the higher affinity for carbon and sulfur hard inclusions from, for example, salt-like carbides, for example in angular, especially in cubic form, which has the role of titanium carbide, Take over titanium nitride and titanium carbon nitride inclusions for the tribological properties can. Moreover exhibit niobium and tantalum, which are used as microalloying components in proportions from 0.01 to 5% by weight, preferably 0.3 to 0.9%, respectively preferably added together with values of at most 5% by weight be such a density that a floating out of the melt to avoid. About that In addition, niobium and tantalum have a low tendency to slag of the cast iron smelting, so that this is also the workability of the Alloy with a higher Marksmanship favored.

Die Niob- und Tantalanteile, die normalerweise einen höheren Schmelzpunkt als die Gusseisenlegierung aufweisen, können in bekannter Weise über Trägerlegierungen, zum Beispiel Ferroniob, Ferrotantal oder Ferroniobtantal in die Schmelze eingeführt werden, wie zum Beispiel in der DE 19 728 771 C2 beschrieben.The niobium and tantalum components, which normally have a higher melting point than the cast iron alloy, can be in a known manner Carrier alloys, for example ferroniob, ferrotantal or ferroniobtantal, are introduced into the melt, as for example in the DE 19 728 771 C2 described.

Obwohl bereits die Vorteile der vorliegenden Erfindung erreicht werden, wenn Titan nur teilweise durch Niob und/oder Tantal ersetzt wird, ist es bevorzugt den Titangehalt ≤0,02 Gew.-% zu halten, also Titan im Wesentlichen über den Spurenelementgehalt hinaus vollständig zu ersetzen.Even though the advantages of the present invention are already achieved, if titanium is only partially replaced by niobium and / or tantalum, it is preferably the titanium content ≤0.02 % By weight, i.e. titanium essentially above the trace element content Completely to replace.

Um eine ausreichende Festigkeit der Gusseisenlegierung zu erreichen, ist es bevorzugt den Stickstoffanteil in einem Bereich von 0,01 bis 0,025 Gew.-% zu wählen. Mit diesem Stickstoffgehalt können die gewünschten Festigkeitswerte in besonders günstiger Weise erzielt werden.Around to achieve sufficient strength of the cast iron alloy, it is preferably the nitrogen content in a range of 0.01 up to 0.025% by weight. With this nitrogen content you can the desired Strength values in a particularly favorable Way can be achieved.

Eine bevorzugte untereutektische Gusseisenlegierung weist gemäß der Erfindung folgende Zusammensetzung in Gew.-% auf:
Kohlenstoff 2 bis 4 %, insbesondere 2,5 bis 3,4 %, vorzugsweise 2,8 bis 3,3 %
Silicium 0,5 bis 3 %, insbesondere 1,7 bis 2,6 %, vorzugsweise 1,8 bis 2,3 %
Niob 0,3 bis 5 %, insbesondere 0,5 bis 5,0 %, vorzugsweise 0,3 bis 1,0 %
Tantal 0,3 bis 5 %, insbesondere 0,5 bis 5,0 %, vorzugsweise 0,3 bis 1,0 %
Titan 0,01 bis 0,02 % (Spurenpegel)
Chrom 0,15 bis 0,35 %
Schwefel 0,10 bis 0,17 %
Rest Eisen, Eisenbegleiter, Spurenelemente und unvermeidbare Verunreinigungen.According to the invention, a preferred hypoeutectic cast iron alloy has the following composition in% by weight:
Carbon 2 to 4%, in particular 2.5 to 3.4%, preferably 2.8 to 3.3%
Silicon 0.5 to 3%, in particular 1.7 to 2.6%, preferably 1.8 to 2.3%
Niobium 0.3 to 5%, in particular 0.5 to 5.0%, preferably 0.3 to 1.0%
Tantalum 0.3 to 5%, in particular 0.5 to 5.0%, preferably 0.3 to 1.0%
Titanium 0.01 to 0.02% (trace level)
Chromium 0.15 to 0.35%
Sulfur 0.10 to 0.17%
Rest of iron, iron companion, trace elements and inevitable impurities.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die oben beschriebenen Gusseisenlegierungen zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen für Hubkolbenmotoren, insbesondere für Dieselmotoren eingesetzt. Durch die Ausbildung der harten, vorzugsweise eckigen, insbesondere kubischen Einschlüsse aus Niob- und/oder Tantal-Carbiden kommt es bei der Bearbeitung der Zylinderlauffläche in Nähe der vorliegenden Graphitlamellen zu kleinen Ausbrüchen der harten Partikel, so dass sich Mikroöltaschen ausbilden. Dies vermindert den Ölverbrauch und verbessert die Verschleißbeständigkeit. Außerdem werden durch die harten Partikel in der Zylinderlauffläche niedrige Reibungsbeiwerte und damit ebenfalls eine erhöhte Verschleißbeständigkeit gewährleistet.To Another aspect of the present invention are the above described cast iron alloys for the production of cylinder crankcases for reciprocating engines, especially for Diesel engines used. By training the hard, preferably angular, in particular cubic inclusions made of niobium and / or tantalum carbides happens when machining the cylinder surface in the vicinity of the existing graphite lamellae to small outbreaks of the hard particles, so that micro-oil pockets form. This reduces oil consumption and improves wear resistance. Moreover become low due to the hard particles in the cylinder surface Coefficients of friction and thus also increased wear resistance guaranteed.

Ausführungsbeispiel für dir Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen aus der erfindungsgemäßen Legierung:
Solche Teile werden nach dem Stand der Technik im Sandgussverfahren mit Kunstharz gebundenen Kernen und Außenformen aus Kunstharz- oder Bentonith-gebundenem Sand hergestellt. Diese Formstoffe und die Sanddicke legen die Erstarrungs- und Abkühlverhältnisse und damit wesentlich die Gefügeausbildung fest. Auch die mechanischen Eigenschaften werden durch diese Verhältnisse charakterisiert. Für Zylinderkurbelgehäuse mit einem Rohteilgewicht von 35 bis 250 kg und Wanddicken von 7 bis 15 mm im Zylinderrohrbereich im Gusszustand werden mit der erfindungsgemäßen Legierung bei Wahrung der Tribologischen Vorteile und guter Zerspanbarkeit Zugfestigkeiten von 260 bis 320 MPa erreicht.Exemplary embodiment for the manufacture of cylinder crankcases from the alloy according to the invention:
Such parts are produced according to the prior art in a sand casting process with resin-bonded cores and outer molds made of resin-bonded or bentonite-bonded sand. These molding materials and the sand thickness determine the solidification and cooling conditions and thus essentially the structure formation. The mechanical properties are also characterized by these relationships. For cylinder crankcases with a raw part weight of 35 to 250 kg and wall thicknesses of 7 to 15 mm in the cylinder barrel area in the as-cast state, tensile strengths of 260 to 320 MPa are achieved with the alloy according to the invention while maintaining the tribological advantages and good machinability.

Claims

Cast iron alloy for lamellar gray cast iron for the production of cylinder crankcases, characterized in that the titanium content above the trace content is at least partially replaced by addition of niobium and / or tantalum with 0.01 or more, in particular 0.3 to 5% by weight.

Cast iron alloy according to claim 1, characterized in that the titanium content ≤0.02% by weight is.

Cast iron alloy according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the nitrogen content 0.01 to 0.025 wt .-% is.

Cast iron alloy according to one of the preceding Expectations, characterized in that the niobium and tantalum share together is a maximum of 5% by weight.

Cast iron alloy for lamellar gray cast iron for manufacturing from the cylinder crankcase, characterized by the following composition in% by weight: carbon 2 to 4%, in particular 2.5 to 3.4%, preferably 2.8 to 3.3 % Silicon 0.5 to 3%, especially 1.7 to 2.6%, preferably 1.8 to 2.3 Niobium 0.3 to 5%, especially 0.5 to 5.0%, preferably 0.3 to 1.0% Tantalum 0.3 to 5%, especially 0.5 to 5.0 %, preferably 0.3 to 1.0% Titanium 0.01 to 0.02% (trace level) chrome 0.15 to 0.35% Sulfur 0.10 to 0.17 Rest of iron, iron companion, Trace elements and unavoidable impurities.

Use of the alloy according to one of claims 1 to 5 for the production of cylinder crankcases.

Cylinder crankcase for reciprocating engines, in particular diesel engines, characterized in that the cylinder crankcase is cast from an alloy according to one of claims 1 to 5 is.