DE2233148C3

DE2233148C3 - Verfahren zur Herstellung von SchleuderguBstücken aus legierten Werkstoffen mit verschleißfesten Oberflächen

Info

Publication number: DE2233148C3
Application number: DE2233148A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr.-Ing. Beyer; Juergen Veutgen
Original assignee: Goetzewerke Friedrich Goetze AG
Current assignee: Goetzewerke Friedrich Goetze AG
Priority date: 1972-07-06
Filing date: 1972-07-06
Publication date: 1975-07-03
Also published as: GB1434113A; FR2191960A1; US3929181A; DE2233148B2; DE2233148A1; IT989223B; JPS4956801A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schleudergußstücken aus legierten Werk Stoffen mit verschleißfesten Oberflächen, das insbesondere zur Herstellung von gußeisernen Dichtleisten für Rotationskolbenmaschinen dienen soll.

Es gibt eine Reihe von verschleißfesten metallischen Werkstoffen auf den Eisen- und Nichteisen-Sektoren. Solche verschleißfesten Legierungen be-Sitzen in allen Fällen eine verhältnismäßig weiche, aber zähe Matrix, in die verschleißfeste Phasen, wie t. B. Karbide, Nitride oder harte metallische Verbindungen, eingelagert sind.

Die verschleißfesten Partikeln erstarren in dieser iForm aus dem Schmelzfluß und verteilen sich gleichmäßig über das gesamte Gußstück. Wenn man h Solchen Gußstücken die verschleißfesten Partikeln in Ihrer Menge anheben will, so ist dies nur bis zu dem Maße möglich, wie es das Zustandsschaubild der ent-Sprechenden Legierung — mehr oder weniger dem Gleichgewichtszustand entsprechend — zuläßt.

Da es sich außerdem bei diesen verschleißfesten Einlagerungen häufig um Karbide oder Verbindungen verhältnismäßig teurer Elemente, wie z. B. Wolfram, Vanadin, Niob usw. handelt, wäre ein weiterer Zusatz solcher Elemente — auch wenn es nach dem Zustandsschaubild möglich wäre — stark verteuernd. Bei verschleißfesten Gußeisenwerkstoffen, bei denen man wegen der Trockenlaufeigenschaften zudem noch ungebundenen Kohlenstoff im Gefüge erhalten will, ist meist nur eine sehr geringe Konzentration von solchen Elementen zulässig, da sonst eine vollkommene karbidische Erstarrung erzielt wird, was schließlich dazu führt, daß eine spanabhebende Bearbeitung durch einen Dreh- oder Fräsprozeß unnötig erschwert wird. Dies ist vor allem dann von Nachteil, wenn nur eine Fläche oder Kante eines Werkstückes verschleißfest sein muß.

Es ist weiterhin bekannt, daß beim Schleudergießen von Metallen sich Bestandteile fr Sprechend ihrem spezifischen Gewicht durch Einwirkung einer Massenbeschleunigung an den Oberflächen innen oder außen ablagern. So wird üblicherweise beim Schleudergießen erreicht, daß sich Schlacken- und Gaseinschlüsse gemäß ihrem spezifischen Gewicht innen abscheiden. Andererseits erstarren aber beim Schleudergießen auch die äußeren Schichten, die am Kokillenrand liegen, schneller. Demzufolge wird das Gefüge hier feiner und dadurch härter (vgl. auch Englisch, Kolbenringe, S. 205 und 206, Ausgabe 1958, Springer-Verlag).

Dieses bekannte Prinzip wurde bisher bei zwei Spezialgebieten der Schleudergußtechnik eingesetzt. Nach der deutschen Patentanmeldung B 2734 VI a/31 c werden weniger hochwertigen Stählen Reaktionsmittel bzw. Desoxydationsmittel hinzugegeben, die sich dann zusammen mit ihren Reaktionsprodukten während des Schleudervorganges entsprechend ihrer Dichte an den Oberflächen der Rohre ablagern, so daß der Stahl gereinigt wird und ein hochwertiges Material entsteht.

Nach dem Verfahren der deutschen Patentanmeldung T 4978 VIa. 31c werden Zylinderlaufbüchsen aus Gußeisen mit erhöhtem Kupfergehalt im Schleudergußverfdhren hergestellt. Das im Eisen nur teilweise lösliche, aber spezifisch schwerere Kupfer reichert sich beim Schleudern an der Außenfläche der Laufbüchse an, die sich dann wegen der höheren Wärmeleitfähiekeit des Kupfers leichter abkühlen läßt.

Bekannt ist ferner, daß ma

n zB bei

Herstellen

von Zylinderlaufbüchsen durch Schleuderguß hintereinander verschiedene Eisenmetalle gießen kann. Die Außenschicht kann so z. B. aus einem gewöhnlichen billigen Gußeisen bestehen, während die innere Schicht ein verschleißfesteres Gußeisen ist. Hierbei ist jedoch die Gefügeausbildung jeweils einer Schicht über den gesamten Querschnitt gleichmäßig verteilt (vgl. DT-PS 937 024 vom 31.8.1949).

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren so zu ändern, daß damit billige und nur an den Oberflächen verschleißfeste Werkstoffe hergestellt werden können. Die Konzentration der verhältnismäßig teuren Zusatzstoffe sollte nach Möglichkeit gering sein, die Oberfläche sollte zur Erzielung von Notlaufeigenschaften genügend Graphit enthalten und der Werkstoff sollte nach Möglichkeit weitgehend spanabhebend in einem Dreh- oder Fräsprozeß bearbeitet werden können, während nur im Bereich der karbidischen Anlagerung der verschleißfesten Oberfläche geschliffen werden muß, so daß aus ihm Dichtleisten für Rotationskolbenmaschinen herausgeschnitten werden können.

Gemäß der Erfindung wird davon ausgegangen, daß Werkstoffe, die Bestandteile enthalten, die miteinander harte Phasen bilden und die sich gleichzeitig gemäß dem Zustandsdiagramm beim Erstarren abscheiden, beim Festwerden der Schmelze unter gleichzeitiger Einwirkung einer Zentrifugalbeschleu-

nigung harte Schichten bilden, und zwar scheiden sich diese Phasen innen ab, wenn sie in ihrem spezifischen Gewicht niedriger sind als die sie umgebende Matrix. Sie werden sich außen abscheiden, wenn das spezifische Gewicht höher ist. Je nachdem wird die innere oder äußere Rohrwand verschleißfest sein.

Dieses Prinzip läßt sich zur Herstellung von gußeisernen Rohren nach dem Schleudergußverfahren anwenden. Der Legierung werden die hartstoffbildenden Stoffe Titan, Vanadin, Niob, Tantal oder Wolfram hinzugegeben. Je nach den gewählten Schleuder- und Erstarrungsbedingungen reichem sich diese entsprechend ihrem spezifischen Gewicht gebunden ais Karbide, Nitride oder Boride an den Oberflächen des Rohres innen oder außen an, so daß Rohre mit verschleißfesten Oberflächen entstehen. Diese Anreicherungen lassen sich durch chemische Analyse, physikalische Analyse oder aus einem mikroskopischen Schliffbild feststellen. Andere übliche Legierungselemente aus Kupfer, Nickel oder Zinn, die nicht zur Karbid-, Nitrid- oder Boridbildung führen, können zur Beeinflussung des Grundgefüges beigegeben werden.

Aus dem auf diese Weise hergestellten Rohr kann dann das Werkstück, in diesem Fall die Dichtleiste für Kreiskolbenmotoren, herausgearbeitet werden, und zwar so, daß die mit verschleißfesten Partikeln angereicherte Zone im Bereich der späteren Laufzone oder Gleitschicht liegt.

So hat man z. B. der folgenden Gußeisenlegierung mit

3,26 o/o Kohlenstoff,

2,48 %> Silizium,

i,02%> Mangan,

0,29% Phosphor,
0,049 o/o Schwefel,

0,62% Chrom,

1,24% Molybdän,

0,23% Vanadin,

1,16% Kupfer,

0,54% Nickel,

0,62% Wolfram,

0,08% Zinn

1 % Titan hinzugegeben. Bei den gewählten Schleuder- und Erstarrungsbedingungen beim Schleudergießen eines Rohres zeigte es sich, daß die innere Oberfläche eine Härte von HV 666 bis 713 kp/mm^!, während die äußere Zone eine Härte von HV 584 bis 623 kp/mm² hat.

S Die Härte am Innenrand ist wesentlich höher, was vor allem durch die dort stark angereicherten Nitride und Karbide hervorgerufen wird. Zusätzlich wird in dem vorliegenden Beispiel das Matrixmaterial so gewählt, daß es im Gußzustand martensitisch anfällt.

ίο Die Härte des Matrixmaterials sinkt bei einer anschließenden Anlaßbehandlung auf einen HV von etwa 350 kp/mm² ab. Das entspricht der äußeren Zone des Rohres, die somit noch gut spanabhebend bearbeitet werden kann. Die Härte der inneren Schicht sinkt nur auf eine Härte von etwa HV 600 kp/mm² ab, denn bei einer Anlaßbehandlung zersetzen sich die Karbide und Nitride nicht.

Analytisch wurde festgestellt, daß der Titangehalt über den gesamten Querschnitt in der Summe 1 %

ao ist, während er an der verschleißfesten Oberfläche 4,11 % und an der Außenwand 0,34% beträgt. Titan liegt dabei gebunden als Karbid und eventuell auch als Nitrid vor. Im mikroskopischen Bild zeigt sich zusätzlich, daß auch an den verschleißfesten Ober-

»5 flächen Graphit in für Notlaufeigenschaften ausreichender Menge vorhanden ist.

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren lassen sich legierte Werkstoffe mit verschleißfesten Oberflächen herstellen, aus denen Dichtleisten für Rotationskolbenmaschinen herausgearbeitet werden können. Gegenüber den bekannten verschleißfesten Legierungen werden verbilligend die teuren Zusatzstoffe nur in geringen Mengen eingesetzt. Zusätzlich ist der Werkstoff spanabhebend bearbeitbar und die verschleißfeste Oberfläche besitzt den für gleitend beanspruchte Maschinenteile notwendigen Graphit.

Verschleißfeste Schichten können auch auf Werkstoffe, z. B. durch Flammspritzverfahren, aufgebracht werden. Demgegenüber wird nach dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren verbilligend Werkstoff und verschleißfeste Oberfläche in einem einzigen Guß hergestellt, außerdem ist es so möglich, freien Graphit zur Erzielung von Notlaufeigenschaf-

ten neben den harten Bestandteilen vorliegen zu haben, was bei Spritzverfahren infolge der oxidativen Zerstörung nicht möglich ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Schleudergußstücken aus Werkstoffen mit verschleißfesten Oberflächen, insbesondere zur Herstellung von Dichtleisten für Rotationskolbenmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Werkstoff solche Elemente, Legierungen oder Verbindungen zugegeben werden, die hart; Phasen bilden oder sich zu harten Phasen vereinigen, die eine vom Matrixmaterial abweichende Dichte besitzen und die sich beim Erstarren aus dem Grundwerkstoff abscheiden, und daß die Schmelze während des Erstarrens einer Massenbebeschleunigung ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Frage kommende Legierung zu Rohren verschleudert wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Basiswerkstoff Eisen mit 2,5 bis 4,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff verwendet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzstoffe nach Anspruch 1 die Elemente Titan, Vanadium, Niob, Tantal und/oder Wolfram sind.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration mindestens eines der Zusatzstoffe nach An-Spruch 4 im Ausgangswerkstoff zu 0,3 bis 5 Gewichtsprozent vorliegt.