DE112016004959T5 - Kolbenringe aus gegossenen Werkzeugstählen und Prozess für deren Herstellung - Google Patents

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Moysés Leite de Lima
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Abstract

‚Kolbenringe aus gegossenen Werkzeugstählen und Prozess für deren Herstellung‘, das zum Gebiet der Kolbenringe aus Werkzeugstahl für Brennkraftmaschinen gehört, bezieht sich auf gegossene Kolbenringe aus Werkzeugstählen, deren Mikrostruktur durch eine Matrix aus getempertem Martensit mit einer Ausfällung von sekundären MC-Karbiden und/oder MC-Karbiden (M = V und/oder Mo und/oder Cr und/oder W) mit einer typische Größe im Bereich von 0,5 µm bis 2 µm, die eine hohe Festigkeit zeigt, und durch eutektische NbC-Karbide mit einer kubischen Morphologie, einem Volumenanteil im Bereich von 1 % bis 4 %, einer typische Größe im Bereich von 3 µm bis 7 µm und einer homogenen Verteilung gebildet ist, und wobei die Härte des Materials nach dem Tempern im Bereich von 400 HV bis 800 HV liegt, wobei sie die Grenzwerte der chemischen Zusammensetzung gemäß Tabelle (I) aufweisen. Die Kolbenringe können ausgehend von halbfertigen Produkten erhalten werden, die durch verschiedene Gussprozesse, vorzugsweise Gießen in Formen aus Nassgusssand oder Sandharz, Gießen in Keramikformen und Schleuderguss, gegossen werden, die anschließenden, maschinellen Bearbeitungsvorgängen unterzogen werden, und wobei die Rohmaterialien, die im Prozess des Gießens des halbfertigen Produkts eingesetzt werden, Ausschuss aus niedriglegierten Stählen, wiederaufbereiteter Produktion und eisenhaltigen Legierungen sein können.

Description

  • Die vorliegende Erfindung, die zum Gebiet der Kolbenringe für Brennkraftmaschinen gehört, bezieht sich auf das Erhalten von Gussringen aus Werkzeugstählen, die Niob, Chrom, Molybdän und Vanadium enthalten, wobei sie die Zusammensetzung der Legierung und den Prozess für deren Herstellung umfasst.
  • Stand der Technik
  • In den letzten Jahren ist mit dem Ziel des Minimierens der Emission von schädlichen Gasen und von Feststoffmaterialien und/oder anderen GHG (Treibhausgasen) in die Umwelt eine Reihe von Technologien in Kraftmaschinen zum Einbau gelangt.
  • Die Verringerung der Emission von Gasen steht unter anderem in Beziehung mit der Erhöhung der Wärmeleistung der Kraftmaschine und folglich mit der Verringerung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs. Als eine Folge entwickeln Kraftmaschinen eine größere Leistung pro Verdrängungsvolumen des Kolbens im Zylinder. Die Brennkraftmaschinen arbeiten unter größeren mechanischen Belastungen, bei höherer Drehzahl und höherer Verbrennungstemperatur. Auf diese Weise müssen ihre Komponenten ausgelegt sein, diese härteren Betriebsbedingungen zu unterstützen, mit dem Ziel, sowohl die Zuverlässigkeit der Baugruppe als auch das Aufrechterhalten der erwarteten Lebensdauer sicherzustellen. Diese größere betriebliche Belastung wird gleichermaßen in eine größere Belastung übersetzt, die durch die Komponenten, unter anderem durch den Kolben und die Ringe, die dem Kolben zugeordnet sind, erfahren wird.
  • Mit größeren Kompressionsverhältnissen, höherem Verbrennungsdruck, höherer Verbrennungstemperatur und Drehzahl üben die Ringe einen höheren Druck auf den Kolben und auf die Zylinderwände aus, was zu einer größeren Abnutzung und Ermüdung der Ringe führt.
  • Die Aspekte der Abnutzung und Ermüdung betreffen direkt die Haltbarkeit der Kolbenringe, die mit dem Aufrechterhalten der Leistung des Abdichtens und Steuerns des Ölfilms innerhalb der Konstruktionsgrenzwerte der Kraftmaschine verbunden ist. Diese Grenzwerte stehen zu den Schadstoffemissionen, zum Kraftstoffverbrauch und zum Schmierölverbrauch in Beziehung, welches Themen sind, die der öffentlichen Gesundheit zugeordnet sind. Ferner kann eine geringere Ermüdungsbeständigkeit zum Reißen des Rings und folglich zum Fressen der Kraftmaschine führen. Zusätzlich zu seiner wirtschaftlichen Bedeutung ist das Fressen der Kraftmaschine ein grundlegendes Thema bei der Sicherheit des Fahrzeugs.
  • Die Materialien, die herkömmlicherweise zur Herstellung von Kolbenringen eingesetzt werden, sind gegossene Eisen und martensitische Stähle mit hohem Chromgehalt. Der Prozess zur Herstellung der Ringe aus gegossenem Eisen kann in die folgenden Stufen zusammengefasst werden: (1) Schmelzen der Legierung und Korrigieren der Zusammensetzung; (2) Gießen in Nassgussformen [engl. green sand molds] oder Schleuderguss; (3) Wärmebehandlung der erhaltenen Ringe; (4) maschinelle Bearbeitung, um die endgültigen Abmessungen zu definieren; (5) Behandlungen der Oberflächen wie etwa Nitrierhärten oder Beschichtungen, um eine Oberfläche mit einer großen Härte zu erhalten. Es besteht eine technische Einschränkung bezüglich der mechanischen Festigkeit für den Einsatz von Ringen aus gegossenem Eisen in Kraftmaschinen mit einer hohen Last oder in Kraftmaschinen, die kleine Querschnittsabmessungen der Ringe erfordern.
  • Für die Anwendungen, bei denen die Lasten hoch sind, werden die Ringe aus gegossenem Eisen durch Ringe aus martensitischen Stählen mit hohem Chromgehalt ersetzt. Diese werden durch mechanisches Bilden von gezogenen Drähten erhalten, wie z. B. in dem Dokument US 20070187002 (‚Piston ring excellent in resistance to scuffing, cracking and fatigue resistances, and method for producing the same, and combination of piston ring and cylinder block‘) offengelegt ist, und sie durchlaufen die zuvor beschriebenen Stufen (4) und (5). Trotzdem bestehen zusätzlich zu den technischen Nachteilen der Definition der geometrischen Form, des Erforderns eines komplexeren Prozesses der Herstellung und der Oberflächenbehandlung Einschränkungen für die Abmessungen der Ringe, die durch diesen Herstellungsprozess erzeugt werden können. Um die diversen Abmessungen zu erfüllen, besteht die Anforderung, ein großes Materiallager aufrechtzuerhalten, was die damit einhergehenden Kosten erhöht.
  • Ein relevanter technischer Aspekt, der mit dem Prozess des Erhaltens der Ringe durch mechanisches Bilden von gezogenen Drähten aus Stahl mit hohem Chromgehalt verbunden ist, ist das Vorhandensein von Mikrorissen, die von der Dekohäsion zwischen den Karbiden und der Matrix hervorgerufen werden, die durch die Anhäufung von Querschnittsverringerungen in den Stufen des Walzens und des Ziehens bewirkt wird, insbesondere in den Bereichen der Mikrostruktur, in denen eine Agglomeration von Karbiden auftritt. Diese Probleme werden durch Ringe aus Stählen mit hohem Chromgehalt gelöst, die durch Gussprozesse erzeugt werden, die jenen gleichen, die zur Produktion von Ringen aus gegossenem Eisen eingesetzt werden.
  • Im Fall der gegossenen Ringe aus Stahl mit hohem Chromgehalt zeigt die Mikrostruktur des in Übereinstimmung mit der Beschreibung des Dokuments US 20120090462 erhaltenen Materials grobe, eutektische M7C3-Karbide, die während der Verfestigung gebildet werden. 1 zeigt die Mikrostruktur eines Materials, das in Übereinstimmung mit der Beschreibung des Beispiels für eine Ausführungsform des Dokuments US 20120090462 erhalten wird, in den Zuständen Guss und nach dem Tempern (die endgültige Stufe der Entwicklung der Mikrostruktur), wobei es möglich ist zu beobachten, dass sich die groben, eutektischen M7C3-Karbide, die auf eine ununterbrochene Weise in den interdendritischen Bereichen ausgefällt sind, mit der Anwendung der Zyklen der Wärmebehandlung bis zum Tempern nicht ändern. Ununterbrochene Netze aus eutektischen Karbiden sind bevorzugte Orte für die Kristallkeimbildung und die Förderung von Ermüdungsrissen, und folglich bedeutet ihr Vorhandensein eine Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit der Kolbenringe.
  • Die Ausführung von Oberflächenbehandlungen, um eine große Härte, einen niedrigen Abnutzungskoeffizienten mit der Auskleidung und eine hohe Abnutzungsbeständigkeit zu erhalten, ist für Kolbenringe üblich. Das Nitrierhärten ist der Prozess der Behandlung von Oberflächen, der herkömmlicherweise bei Kolbenringen eingesetzt wird, wobei er mit Gas, Plasma oder in einem Salzbad ausgeführt wird. Wahlweise kann unter Verwendung von Materialien und Ablagerungsprozessen, die einen Bestandteil des Stands der Technik bilden, eine Beschichtung gegen Abnutzung auf die Kontaktfläche mit dem Zylinder aufgebracht werden.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt die Mikrostruktur in den Zuständen Guss (1A) und nach dem Tempern bei 600 °C (1B) eines Materials, das gemäß der Beschreibung des Beispiels für eine Ausführungsform des Dokuments US 20120090462 erzeugt wird.
    • 2 stellt eine Grafik der Entwicklung der Phasenanteile als eine Funktion der Temperatur während des Verfestigens eines geschmolzenen Werkzeugstahls für Kolbenringe gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
    • 3 zeigt die Mikrostruktur des Materials, das in dem Beispiel für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wird, im Zustand Guss.
    • 4 zeigt die Mikrostruktur des Materials, das in dem Beispiel für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wird, nach dem Glühen (750 °C für 4 Stunden und Abkühlen im Ofen).
    • 5 zeigt die Mikrostruktur des Materials, das in dem Beispiel für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wird, nach dem Abschrecken (1050 °C für 2 Stunden und Abkühlen in ruhender Luft).
    • 6 zeigt die Mikrostruktur des Materials, das in dem Beispiel für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wird, nach dem Tempern (500 °C 4 Stunden und Abkühlen in ruhender Luft).
    • 7 stellt eine Grafik der Entwicklung der Härte des Materials, das in dem Beispiel für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wird, in den verschiedenen Stufen des Herstellungsprozesses dar.
    • 8 stellt eine Grafik der Ergebnisse von Gleitabnutzungsprüfungen des Materials, das in dem Beispiel für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wird, in den Zuständen Guss und wärmebehandelt (ohne Oberflächenbehandlung) dar, wobei sie mit den Ergebnissen eines mechanisch geformten und nitriergehärteten Stahls mit hohem Chromgehalt (CM) und eines gegossenen und nitriergehärteten Stahls mit hohen Chromgehalt (F) verglichen werden.
  • Genaue Beschreibung der Erfindung
  • ‚Kolbenringe aus gegossenen Werkzeugstählen und Prozess für deren Herstellung‘ bezieht sich auf gegossene Kolbenringe aus Werkzeugstahl, die eine hohe Abnutzungsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit aufweisen, allerdings bezieht es sich insbesondere auf gegossene Kolbenringe aus Werkzeugstahl, deren Mikrostruktur durch eine Matrix aus getempertem Martensit mit einer Ausfällung von sekundären M2C-Karbiden und/oder MC-Karbiden (M = V und/oder Mo und/oder Cr und/oder W) mit eine typische Größe im Bereich von 0,5 µm bis 2 µm, die eine hohe Festigkeit zeigt, und durch eutektische NbC-Karbide mit einer kubischen Morphologie, einem Volumenanteil im Bereich von 1 % bis 4 %, einer typischen Größe im Bereich von 3 µm bis 7 µm und einer homogenen Verteilung gebildet ist, wobei eine hohe Härte in der Bandbreite von 2500 bis 3000 HV gezeigt wird. Derartige mikrostrukturelle Eigenschaften gewähren eine hohe Härte, Ermüdungsbeständigkeit und Abnutzungsbeständigkeit für die gegossenen Kolbenringe aus Werkzeugstahl, wobei sie ihre Leistung im Einsatz zu jener der Kolbenringe, die mit den repräsentativen Materialien des aktuellen Stands der Technik (gegossene Eisen und Stähle mit hohem Chromgehalt) hergestellt sind, überlegen erbringen. Außerdem erlauben derartige mikrostrukturelle Eigenschaften den Einsatz von Kolbenringen aus Werkzeugstahl ohne Oberflächenbehandlungen, wobei ihr Produktionsprozess vereinfacht und wirtschaftlicher erbracht wird.
  • Die chemischen Zusammensetzungen des Werkzeugstahls, die in ‚Kolbenringe aus gegossenen Werkzeugstählen und Prozess für deren Herstellung‘ umfasst sind, basieren auf dem Konzept des ‚Matrixstahls‘, das ursprünglich durch G. A. Roberts (Vanadium in high speed steel. Transactions of the Metallurgical Society of AIME, Band 236, Seiten 950-63, 1966) definiert wurde. Dieses Konzept erlaubt das Erhalten von Mikrostrukturen, wobei eine Matrix mit hoher Festigkeit und eutektische Karbide mit hoher Härte kombiniert werden. Im Fall des gegossenen Werkzeugstahls für die Kolbenringe gemäß der vorliegenden Erfindung verbindet sich die Quasi-Gesamtheit des Niobs aufgrund der Tatsache, dass die Löslichkeit des Niobs im Austenit kleiner als 0,03 Gew.-% ist, gemäß dem stöchiometrischen Verhältnis, das durch die Molekularformel NbC des Karbids dargestellt wird, mit dem Kohlenstoff.
  • 2, die unter Verwendung der Software ThermoCalc zur thermodynamischen Modellierung erhalten wurde, stellt die Abfolge der Verfestigung eines Werkzeugstahls gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Es kann beobachten werden, dass er praktisch eutektisch ist, wobei sich die flüssige Phase quasi vollständig in die eutektische Mischung Austenit + NbC und in unbedeutenden Anteilen in die eutektischen Mischungen Austenit + M7C3 und Austenit + M2C zerlegt. Folglich werden für eine Legierung, die 3 Gew.-% Niob aufweist, bei der Bildung von 3 Vol.-% NbC entsprechend der stöchiometrischen Verbindung von 0,13 Gew.-% C pro 1 Gew.-% Nb 0,39 Gew.-% C verbraucht. Die verbleibende Menge des Kohlenstoffs und praktisch der gesamte Gehalt jedes der anderen Elemente werden im Austenit gelöst sein und werden an den Reaktionen von dessen Zerlegung während des Abkühlens nach der Verfestigung und nach den Zyklen der Wärmebehandlungen des Abschreckens und des Temperns beteiligt sein.
  • In der vorliegenden Erfindung können die Kolbenringe ausgehend von halbfertigen Produkten erhalten werden, die durch verschiedene Gussprozesse, vorzugsweise Gießen in Formen aus Nassgusssand [engl. green sand] oder Sandharz, Gießen in Keramikformen und Schleuderguss, gegossen werden, die anschließenden, maschinellen Bearbeitungsvorgängen unterzogen werden.
  • Die Rohmaterialien, die im Prozess des Gießens des halbfertigen Produkts eingesetzt werden, können Ausschuss aus niedriglegierten Stählen, wiederaufbereiteter Produktion und eisenhaltigen Legierungen sein, wobei sie nicht auf diese Materialien eingeschränkt sind. Das Schmelzen des Materials zur Aufbereitung der Legierung kann in Induktionsöfen ausgeführt werden, ist jedoch nicht auf diese Art von Ausrüstung eingeschränkt. Der Ofen, der zur Aufbereitung und zum Schmelzen der Legierung eingesetzt wird, kann eine Steuerung von Atmosphäre und Druck aufweisen, wobei die Steuerung dieser Variablen dennoch nicht strengstens notwendig ist. Das Gießen der Legierung in die Formen muss bei Temperaturen im Bereich von 1500 °C bis 1650 °C ausgeführt werden.
  • Anschließend an das Abkühlen in den Formen wird das System der Gusskanäle entfernt, sollte es vorhanden sein, wobei die Trennung der Komponenten (Ringe oder Rohre) ermöglicht wird. Die Ringe oder Rohre werden bei Temperaturen im Bereich von 600 °C bis 800 °C geglüht, mit dem Ziel, die Mikrostruktur des Materials zu homogenisieren und die Stufen des Schneidens und der maschinellen Bearbeitung zu erleichtern, sollten diese eingesetzt werden.
  • Anschließend an das Glühen durchlaufen die Komponenten die Wärmebehandlungen des Abschreckens und Temperns, mit dem Ziel, eine Matrix aus getempertem Martensit zu erhalten, die sekundäre Karbide des M2C-Typs und/oder des MC-Typs und eine Härte im Bereich von 400 HV bis 800 HV aufweist. Die Wärmebehandlungen bestehen aus dem Erwärmen der Komponenten bei Temperaturen im Bereich von 900 °C bis 1150 °C (Austenitisierung) und dem Abschrecken in Luft (Zwangsbelüftung oder ruhende Luft) oder in Öl. Diese Wärmebehandlungen werden vorzugsweise in Öfen ausgeführt, die eine gesteuerte Atmosphäre aufweisen, um Änderungen der Zusammensetzung der Oberflächen und eine übermäßige Oxidation der Komponenten zu verhindern. Anschließend an die Wärmebehandlung des Abschreckens können die Komponenten eine Stufe des Temperns bei Temperaturen von bis zu 650 °C durchlaufen, mit einem Fokus darauf, die Härte zu erbringen, die für die gewünschte Anwendung geeignet ist.
  • Tabelle 1 zeigt die Grenzwerte des Gehalts der hauptsächlichen, legierungsbildenden Elemente, die den gegossenen Werkzeugstahl für die Kolbenringe gemäß der vorliegenden Erfindung bilden. Tabelle 1: Grenzwerte der Zusammensetzung des Werkzeugstahls
    Konzentration (Gew.-%)
    Element Min. Max.
    C 0,80 1,40
    Cr 2,50 4,20
    Fe Differenz Differenz
    Mn 0,10 1, 00
    Mo 1,00 2, 00
    Nb 2,50 4,50
    P - 0, 05
    S - 0, 05
    Si 0,10 1, 00
    Ti 0,10 0,30
    V 1,00 3, 00
    W 1,00 3, 00
  • Der Kohlenstoff und das Niob sind an der Bildung der eutektischen NbC-Karbide während der Verfestigung des Werkzeugstahls beteiligt. Der Kohlenstoff ist außerdem an der Ausfällung der sekundären Karbide des M2C-Typs und/oder des MC-Typs während des Abkühlens nach der Verfestigung oder während der Behandlung des Temperns und des Härtens des Martensits der Matrix beteiligt. Der minimale Kohlenstoffgehalt stellt die Bildung der eutektischen NbC-Karbide und gleichzeitig die hohe Härte der martensitischen Matrix sicher. Die Begrenzung des Kohlenstoffgehalts auf das in Tabelle 1 gezeigte Maximum verhindert, dass die martensitische Matrix eine geringe Festigkeit aufweist, und verhindert außerdem, dass der Werkzeugstahl mit der Bildung von primären NbC-Karbiden mit großen Abmessungen und einer dendritischen Morphologie übermäßig hypereutektisch wird, was die Ermüdungsbeständigkeit beeinträchtigt. Der minimale Niobgehalt stellt die Bildung des minimalen Volumenanteils des NbC zum Erhalten der hohen Härte und Abnutzungsbeständigkeit sicher. Die Begrenzung des Niobgehalts verhindert, dass der Werkzeugstahl übermäßig hypereutektisch wird.
  • Das Chrom führt zu einer hohen Abschreckbarkeit bei niedrigen Kosten. Der obere Grenzwert stellt die Bildung eines unbedeutenden Anteils von eutektischen M7C3-Karbiden beim Abschluss der Verfestigung sicher, wobei deren Ausfällung in einer ununterbrochenen Weise in den interdendritischen Bereichen verhindert wird.
  • Die Elemente Vanadium, Molybdän und Wolfram sind jene, die hauptsächlich für die Ausfällung von sekundären M2C-Karbiden und/oder MC-Karbiden während der Zyklen des Temperns verantwortlich sind, wobei das sekundäre Härten der Matrix sichergestellt wird. Die oberen Grenzwerte stellen die Bildung eines unbedeutenden Anteils von eutektischen M2C-Karbiden beim Abschluss der Verfestigung sicher, wobei deren Ausfällung in einer ununterbrochenen Weise in den interdendritischen Bereichen verhindert wird.
  • Das Titan ist für die Bildung von Teilchen aus Ti(C,N)-Kohlenstoffnitriden bei Temperaturen, die die Liquidustemperatur überschreiten, verantwortlich, die daraufhin als wirksame Keimbildner für die eutektischen NbC-Karbide wirken und folglich die Ausfällung dieser Karbide in Form von isolierten und homogen verteilten, kubischen Teilchen fördern. Der untere Grenzwert stellt die Funktion des Keimbildners sicher, während der obere Grenzwert die übermäßige Bildung von Titanoxid verhindert, das die Ermüdungsbeständigkeit beeinträchtig.
  • Das Silizium wirkt als ein Desoxidationsmittel im Prozess des Gießens des Werkzeugstahls. Der untere Grenzwert stellt seine Desoxidationswirkung sicher, während der obere Grenzwert verhindert, dass es als ein versprödendes Mittel wirkt.
  • Das Mangan wirkt als ein Desoxidationsmittel im Prozess des Gießens des Werkzeugstahls und als ein Neutralisationsmittel für den Schwefel, wobei MnS gebildet wird. Der untere Grenzwert stellt seine Desoxidationswirkung sicher, während der obere Grenzwert die übermäßige Absenkung der Auslösetemperatur der Bildung des Martensits verhindert.
  • Der Phosphor und der Schwefel sind Verunreinigungen des Werkzeugstahls, die eine Versprödungswirkung aufweisen, und folglich muss ihr Gehalt so gering wie möglich sein. Der obere Grenzwert von 0,05 % stellt sicher, dass diese Wirkung nicht manifestiert wird und erlaubt den Einsatz von Rohmaterialien mit einer handelsüblichen Reinheit beim Gießen des Werkzeugstahls.
  • Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung
  • Ein Eintrag, der niedriglegierten Stahl, wiederaufbereitete Produktion und eisenhaltige Legierungen enthielt, wurde in einem Induktionsofen ohne eine Kammer zur Drucksteuerung geschmolzen, mit dem Ziel, den Werkzeugstahl für Kolbenringe gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhalten. Um die übermäßige Oxidation des geschmolzenen Metalls zu verhindern, wurde das Einspritzen von Argon auf die Oberfläche des Bades eingesetzt. Anschließend an das vollständige Schmelzen des Eintrags und die Temperatursteuerung wurde das geschmolzene Metall bei 1580 °C in eine Form aus Sandharz gegossen. Während des Gießens wurden zur Analyse der chemischen Zusammensetzung Proben entnommen, deren Ergebnis in Tabelle 2 gezeigt ist. Tabelle 2: Chemische Zusammensetzung, die bei Proben gemessen wurde, die in dem Beispiel für eine Ausführungsform erhalten wurden
    Element Konzentration (Gew.-%)
    C 1,01
    Cr 3,20
    Fe Differenz
    Mn 0,82
    Mo 1,74
    Nb 3,20
    P < 0,03
    S 0,018
    Si 0,71
    Ti 0,15
    V 1,25
    W 1,14
  • Ein Rohr wurde gegossen, das einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser mit Abmessungen aufweist, die in der Nähe jener eines Kolbenrings liegen. Nach dem Abkühlen wurde das Rohr gereinigt und einer Glühwärmebehandlung (750 °C - 4 Stunden und Abkühlen im Ofen) unterzogen. Anschließend wurde das geglühte Rohr einem maschinellen Anpassen und Schneiden in Ringe unterzogen, wobei die Ringe daraufhin den Wärmebehandlungen des Abschreckens (1050 °C - 2 Stunden und Abkühlen in ruhender Luft) und des zweifachen Temperns (500 °C - 2 Stunden und Abkühlen in ruhender Luft) unterzogen wurden.
  • 3 zeigt die Mikrostruktur des erhaltenen Materials im Gusszustand, wobei die eutektischen NbC-Karbide identifiziert sind. Die 4, 5 und 6 zeigen die Mikrostuktur des Materials nach den Wärmebehandlungen des Glühens bzw. des Abschreckens bzw. des Temperns.
  • 7 zeigt die Entwicklung der Härte des Materials, das in dem Beispiel für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, in jeder Stufe des Herstellungsprozesses. Nach dem Tempern beträgt der Härtewert 694 HV, was wesentlich größer ist als die Härtewerte, die für die gegossenen Eisen und die rostfreien Stähle üblich sind, die herkömmlicherweise bei der Herstellung von Kolbenringen eingesetzt werden. Dieses Ergebnis der größeren Härte des Materials der vorliegenden Erfindung ist auf ihre chemische Zusammensetzung und auf die Zyklen der Wärmebehandlung, die im Produktionsprozess ausgeführt werden, zurückzuführen.
  • Die Härtewerte anschließend an jede Wärmebehandlung und das Vorhandensein von eutektischen NbC-Karbiden in der Mikrostruktur bedeuten die Möglichkeit des Einsatzes der Ringe, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, ohne die Notwendigkeit der Stufe der Behandlung der Oberflächen (Nitrierhärten und Keramikbeschichtungen), die üblicherweise auf den Materialien eingesetzt wird, die im Stand der Technik bei Kolbenringen verwendet werden.
  • 8 zeigt die Ergebnisse von Gleitabnutzungsprüfungen des Materials, das in dem Beispiel für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, im Gusszustand und im wärmebehandelten Zustand (ohne Oberflächenbehandlung), wobei sie mit den Ergebnissen eines mechanisch geformten und nitriergehärteten Stahls mit hohem Chromgehalt (CM) und eines gegossenen und nitriergehärteten Stahls mit hohen Chromgehalt (F) verglichen werden. Die Prüfungen wurden auf einem Standard-Tribometer ausgeführt, das einen Gegenkörper aus gegossenem, perlitischem, grauem Eisen einsetzt, und die Figur zeigt die gemessenen Abnutzungswerte des Körpers (Material des Rings) und des Gegenkörpers (Material der Auskleidung).
  • Es ist zu beobachten, dass der Werkzeugstahl die Nitrierhärtungsbehandlung nicht erfordert, um Abnutzungsraten in derselben Größenordnung wie jene, die mit den anderen nitriergehärteten Materialien erhalten werden, zu erreichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 20070187002 [0007]
    • US 20120090462 [0009, 0010]

Claims (10)

  1. Kolbenring aus gegossenen Werkzeugstählen, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Grenzwerte der chemischen Zusammensetzung wie in der unten stehenden Tabelle beansprucht aufweisen und ihre Mikrostruktur durch eine Matrix aus getempertem Martensit mit einer Ausfällung von sekundären M2C-Karbiden und/oder MC-Karbiden (M = V und/oder Mo und/oder Cr und/oder W) mit einer typischen Größe von weniger als 3 µm und einer hohen Festigkeit und durch eutektische NbC-Karbide mit einer kubischen Morphologie, einem Volumenanteil im Bereich von 1 % bis 4 %, einer Größe im Bereich von 3 µm bis 7 µm und einer homogenen Verteilung gebildet ist und die Härte des Materials nach dem Tempern im Bereich von 400 HV bis 800 HV liegt. Konzentration (Gew.-%) Element Min. Max. C 0,80 1,40 Cr 2,50 4,20 Fe Differenz Differenz Mn 0,10 1,00 Mo 1,00 2,00 Nb 2,50 4,50 P - 0,05 S - 0,05 Si 0,10 1,00 Ti 0,10 0,30 V 1,00 3,00 W 1,00 3,00
  2. Prozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch einen Prozess des Kokillengießens erzeugt werden.
  3. Prozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch einen Prozess des Schleudergießens erzeugt werden.
  4. Prozess nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie unter Einsatz von Formen aus Nassgusssand [engl.: green sand] oder Sandharz oder von Keramikformen erzeugt werden.
  5. Prozess nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausführung der folgenden Stufen anschließend an das Gießen: Glühen, das bei Temperaturen im Bereich von 600 °C bis 800 °C ausgeführt wird; Abschreckwärmebehandlung, die bei Temperaturen im Bereich von 900 °C bis 1150 °C ausgeführt wird; Tempern, das bei Temperaturen von bis zu 650 °C ausgeführt wird.
  6. Prozess nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass es wahlweise ausgeführte Behandlungen von Oberflächen durch Nitrierhärten und Beschichtungen gegen Abnutzung gibt.
  7. Produktionsprozess nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe des Abschreckens in einem Ofen ausgeführt wird, der eine gesteuerte Atmosphäre aufweist.
  8. Produktionsprozess nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitrierhärten mit Gas, Plasma oder in einem Salzbad ausgeführt wird.
  9. Produktionsprozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung gegen Abnutzung auf der Kontaktfläche mit dem Zylinder durch einen galvanischen Prozess oder durch Sprühen oder durch eine physikalische Dampfablagerung erhalten wird.
  10. Produktionsprozess nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung gegen Abnutzung auf der Kontaktfläche mit dem Zylinder durch einen galvanischen Prozess oder durch Sprühen oder durch eine physikalische Dampfablagerung erhalten wird.
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