DE2428821B2 - WEAR-RESISTANT CAST IRON ALLOY WITH LAMELLAR TO BONE-SHAPED GRAPHITE EXECUTION - Google Patents

WEAR-RESISTANT CAST IRON ALLOY WITH LAMELLAR TO BONE-SHAPED GRAPHITE EXECUTION

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DE2428821B2 DE19742428821 DE2428821A DE2428821B2 DE 2428821 B2 DE2428821 B2 DE 2428821B2 DE 19742428821 DE19742428821 DE 19742428821 DE 2428821 A DE2428821 A DE 2428821A DE 2428821 B2 DE2428821 B2 DE 2428821B2
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Description

Die Erfindung betrifft eine hochverschleißfeste Gußeisenlegierung mit lamellarer bis knötchenförmiger Graphitausscheidung.The invention relates to a highly wear-resistant cast iron alloy with a lamellar to nodular shape Graphite precipitation.

Reibend beanspruchte Maschinenelemente werden sowohl verschleißmäßig als auch thermisch stark belastet, so daß an ihre Werkstoffe besonders hohe Anforderungen gestellt werden müssen. Bestimmte Maschinenelemente, wie beispielsweise Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen, und zwar insbesondere Feuerringe, aber auch Dichtleisten von Rotationskolbenmaschinen, stehen darüber hinaus unter besonders starker Belastung. Die Erfahrung hat gezeigt, daß diesen hohen Beanspruchungen nur sehr teure und kompliziert hergestellte Werkstoffe gewachsen sind. Dabei handelt es sich üblicherweise um Sinterhartmetal-Ie, denen ganz definierte Legierungselemente zugegeben worden sind.Machine elements that are subjected to frictional stress become strong both in terms of wear and tear loaded, so that particularly high demands must be made on their materials. Certain Machine elements, such as piston rings of internal combustion engines, in particular Fire rings, but also sealing strips of rotary piston machines, are also under special heavy load. Experience has shown that these high loads are only very expensive and Complicated materials have grown. These are usually sintered carbide-Ie, to which very defined alloying elements have been added.

Die bisher erprobten Gußeisensorten sind aber für diese hochbeanspruchten Maschinenteile nicht einsetzbar. Es ist bekannt, die Verschleißfestigkeit von Gußeisensorten durch Zugabe von Legierungselementen zu steigern. Diese Eiemente jedoch bilden beim Erstarren des Gußeisens relativ grobkörnige und sehr harte Karbide, die dann auf den GegenlaufflSchen unter Riefenbildung Zerstörungen hervorrufen. Gleichzeitig wird durch die Karbidbildung der größte Teil des Kohlenstoffes verbraucht, i.o daß diesen Legierungen der für den Notlauf dieser Maschinenelemente notwendige Graphit im Gefüge fehlt. Weiterhin sind diese Werkstoffe so spröde, daß sie auch mechanischen Beanspruchungen nicht gewachsen sind und brechen.The types of cast iron that have been tried out so far cannot be used for these highly stressed machine parts. It is known to increase the wear resistance of cast iron grades by adding alloying elements to increase. These elements, however, form relatively coarse-grained and very grainy ones when the cast iron solidifies hard carbides, which then cause destruction on the counter-running surfaces by forming scoring. Simultaneously the largest part of the carbon is consumed by the carbide formation, i.o that these alloys the graphite necessary for the emergency running of these machine elements is missing in the structure. Furthermore, these are Materials so brittle that they cannot withstand mechanical stress and break.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gußeisenlegierung zu finden, die verschleißfest genug gegen erhöhte Reibungsbeanspruchung ist und dabei mit dem Gegenwerkstoff eine ausreichende Verträglichkeit besitzt, der Graphitausscheidungen aufweist und der bei mechanischer Beanspruchung nicht spröde ist und nicht bricht.It is therefore the object of the present invention to find a cast iron alloy that is wear-resistant is enough against increased frictional stress and at the same time sufficient with the counter material Has compatibility that has graphite precipitates and that does not under mechanical stress is brittle and does not break.

Diese Aufgabe wird durch eine vet schleißfeste Gußeisenlegierung gelöst, deren ungebundener Kohlenstoff in lamellarer bis vorwiegend knötchenförmiger Ausscheidung vorliegt und der eine große Anzahl von Karbiden beziehungsweise auch Nitriden und/oder Boriden in fein kristalliner A.usscheidungsform besitzt.This object is achieved by a vet wear-resistant cast iron alloy, the unbound carbon present in lamellar to predominantly nodular excretion and of which a large number of Carbides or nitrides and / or borides in finely crystalline precipitate form.

Derartige Legierungen haben dann die folgenden Zusammensetzungen in Gewichtsprozent 1,5 bis 4,00/o KohlenstoffSuch alloys then have the following compositions in percent by weight 1.5 to 4.00 / o carbon

1,5 bis 6,0% Silizium1.5 to 6.0% silicon

weniger als 0,2% Schwefelless than 0.2% sulfur

weniger als 2.5% Phosphorless than 2.5% phosphorus

1.0 bis 7,0% Kupfer1.0 to 7.0% copper

0,4 bis 3,2% Nickel und/oder Kobalt 0,1 bis 1.8% Zinn und/oder Antimon 0,1 bis 4,0% Molybdän0.4 to 3.2% nickel and / or cobalt 0.1 to 1.8% tin and / or antimony 0.1 to 4.0% molybdenum

0,1 bis 4,0% Wolfram0.1 to 4.0% tungsten

0,05 bis 2,5% Mangan0.05 to 2.5% manganese

0,3 bis 2,5% Chrom0.3 to 2.5% chromium

0,3 bis 4,0% Vanadium0.3 to 4.0% vanadium

0,3 bis 2,0% Titan0.3 to 2.0% titanium

0,1 bis 4,0% Niob und/oder Tantal 0,1 bis 2,0% Aluminium
Rest Eisen0.1 to 4.0% niobium and / or tantalum 0.1 to 2.0% aluminum
Remainder iron

Bevorzugte Ausführungs.formen des Anrneldungsgegenslandes ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 6.Preferred forms of execution in the opposite country of registration result from subclaims 2 to 6.

Dabei ist es zweckmäßig, daß die .Summe der Elemente Kohlenstoff und Silizium gleich oder größer als 3,0 Gewichtsprozent ist, und daß das Verhältnis Silizium zu Kohlenstoff gleich oder größer als 1 ist.It is useful that the sum of the elements carbon and silicon is equal to or greater than is than 3.0 percent by weight, and that the ratio of silicon to carbon is equal to or greater than 1.

Außerdem ist es zweckmäßig, daß die Summe der Elemente Molybdän, Wolfram und Mangan zwischen 0,2 und 10 Gewichtsprozent liegt, während sich die Summe der Elemente Chrom, Vanadium, Tantal und/oder Niob zwischen 1 und 10 Gewichtsprozent bewegt.It is also useful that the sum of the elements molybdenum, tungsten and manganese between 0.2 and 10 percent by weight, while the sum of the elements chromium, vanadium and tantalum and / or niobium moved between 1 and 10 percent by weight.

(>5 Es hat sich zusätzlich erwiesen, daß zur Verfeinerung der Ausbildungsform der einzelnen Gefügebestandteile, wie insbesondere des Graphits beziehungsweise der Nitride, die Elemente Bor, Wismut, Zirkon, Magnesium(> 5 It has also been shown that for refinement the form of formation of the individual structural components, such as in particular graphite or the Nitrides, the elements boron, bismuth, zirconium, magnesium

und/oder die Metalle der seltenen Erden zugegeben sein können. Ihre Gesamtkonzentration darf jedoch den Wert 0,5 Gewicntsprozent nicht übersteigen.and / or the rare earth metals may be added. However, their total concentration may be Do not exceed the value of 0.5 percent by weight.

Durch Wärmebehandlung über 700"C mit nachfolgender Abschreckung in beispielsweise Luft oder einem Salzbad auf eine Temperatur von unter 5000C und anschließendes Anlassen bis zu einer Temperatur von 7000C wird die Verschleißfestigkeit und Verträglichkeit mit dem Gegenwerkstoff erheblich gesteigert.By heat treatment above 700 ° C. with subsequent quenching in, for example, air or a salt bath to a temperature of below 500 ° C. and subsequent tempering up to a temperature of 700 ° C., the wear resistance and compatibility with the counter material is considerably increased.

Die u findungsgemäßen Legierungen zeigen ein bainitisches bis martensitisches Grundgefüge. Die Graphitausscheidungen sind lamellar bis knötchenförmig, die Karbidausscheidungen punkt- bis kugelförmig. Die Härte dieses Werkstoffes liegt bei HV 5 550 bis 920 kp/mm2. Das Material ist nicht spröde, und i« gegossene Dichtleisten für Kreiskolbenmaschinen sind verschleißfest und zeigen im Testlauf eine sehr gute Verträglichkeit mit der Trochoidenlauffläche des Kreiskolbenmotors.The alloys according to the invention show a bainitic to martensitic basic structure. The graphite precipitates are lamellar to nodular, the carbide precipitates point to spherical. The hardness of this material is HV 5 550 to 920 kp / mm 2 . The material is not brittle, and cast sealing strips for rotary piston engines are wear-resistant and, in the test run, show very good compatibility with the trochoid contact surface of the rotary piston engine.

In dem Ausführungsbeispiel ist eine der erfindungsgemäßen Gußeisenlegierungen beschrieben. Die Gußeisenschmelze enthält die Elemente:In the embodiment is one of the inventive Cast iron alloys described. The cast iron melt contains the elements:

2,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff2.2 weight percent carbon

3,9 Gewichtsprozent Silizium 0,9 Gewichtsprozent Phosphor3.9 percent by weight silicon, 0.9 percent by weight phosphorus

0,08 Gewichtsprozent Schwefel0.08 weight percent sulfur

1.4 Gewichtsprozent Kupfer
0,6 Gewichtsprozent Nickel1.4 weight percent copper
0.6 weight percent nickel

0,2 Gewichtsprozent Zinn0.2 percent by weight tin

1.5 Gewichtsprozent Molybdän
3,4 Gewichtsprozent Wolfram
0,9 Gewichtsprozent Mangan1.5 percent by weight molybdenum
3.4 weight percent tungsten
0.9 weight percent manganese

0,4 Gewichtsprozent Chrom
1,5 Gewichtsprozent Vanadium
0,7 Gewichtsprozent Niob
0.0! Gewichtsprozent Bor
0,22 Gewichtsprozent Aluminium0.4 percent by weight chromium
1.5 weight percent vanadium
0.7 weight percent niobium
0.0! Weight percent boron
0.22 weight percent aluminum

Nach dem Impfen mit einem der üblichen Impfmittel werden aus der Schmelze Dichtesten für Kreiskolbenmotoren im Sandformgußverfahren gegossen, die die Abmessungen 61,03 χ 8,3 χ 4,94 mm haben. Anschließend wird eine Stunde bei 85O0C geglünt, in einem Ölbad auf Raumtemperatur abgeschreckt und eine Stunde bei 35O0C angelassen.After inoculation with one of the usual inoculants, dense seals for rotary piston engines with the dimensions 61.03 8.3 4.94 mm are cast using the sand mold casting process. Then for one hour at 85O 0 C is geglünt, quenched in an oil bath at room temperature and annealed for one hour at 35O 0 C.

Die so hergestellten Dichtleisten hatten eine Härte HV 5 von 644 bis 713 kp/mm2. Bei Prüfläufen zeigten die Dichtleisten eine sehr gule Verschleißfestigkeit, während die Trochoidenlauffläehen nur wenig beansprucht blieben.The sealing strips produced in this way had a hardness HV 5 of 644 to 713 kp / mm 2 . In test runs, the sealing strips showed a very good wear resistance, while the trochoid running surfaces remained only slightly stressed.

Die Abbildungen 1 bis 4 stellen Schliffbilder der Gußeisenlegierung aus dem Beispiel dar:Figures 1 to 4 show micrographs of the cast iron alloy from the example:

Abb.l zeigt als lOOfache ungcätzte Vergrößerung das Graphit in lamellarer bis knötchenförmiger Forin.Fig. 1 shows an unetched magnification of 100 times the graphite in lamellar to nodular form.

Abb.2 zeigt in 500facher ungeätzter Vergrößerung neben den dunklen Graphitausscheidungen als helle, dunkel umrandete Flächen die fein kristallinen Karbidkörper. Fig.2 shows a 500-fold, unetched enlargement In addition to the dark graphite precipitates as light, dark-edged surfaces, the finely crystalline carbide bodies.

Die mit HNO3 geätzte Abb. 3 läßt in 500facher Vergrößerung neben den Graphitausscheidungen und den kristallinen Karbidkörpern die bainitisch bis martensitische Gefügestruktur erkennen.Fig. 3, etched with HNO 3, shows the bainitic to martensitic microstructure in addition to the graphite precipitates and the crystalline carbide bodies, magnified 500 times.

Die tiefgeätzte Abb.4 zeigt in 20facher Vergrößerung das Steatitnetz.The deeply etched figure 4 shows in 20x magnification the steatite network.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (7)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verschleißfeste Gußeisenlegierung mit lamellarer bis knötchenförmiger Graphitausscheidung, bestehend aus1. Wear-resistant cast iron alloy with lamellar to nodular graphite precipitation, consisting of 1,5 bis 4,0% Kohlenstoff1.5 to 4.0% carbon 1,5 bis 6,0% Silizium1.5 to 6.0% silicon weniger als 2,5% Phosphor weniger als 0,2% Schwefelless than 2.5% phosphorus less than 0.2% sulfur 1,0 bis 7,0% Kupfer1.0 to 7.0% copper 0,4 bis 3,2% Nickel und/oder Kobalt 0,1 bis 1,8% Zinn und/oder Antimon 0,1 bis 4,0% Molybdän0.4 to 3.2% nickel and / or cobalt 0.1 to 1.8% tin and / or antimony 0.1 to 4.0% molybdenum 0,1 bis 4,0% Wolfram0.1 to 4.0% tungsten 0,05 bis 2,5% Mangan0.05 to 2.5% manganese 0,3 bis 2,5% Chrom0.3 to 2.5% chromium 0,3 bis 4.0% Vanadium0.3 to 4.0% vanadium Rest EisenRemainder iron dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zusätzlich 0,1 bis 2.0% Aluminium und 0,1 bis 4.0% Niob und/oder Tantal enthält.characterized in that the alloy additionally contains 0.1 to 2.0% aluminum and 0.1 to 4.0% niobium and / or tantalum. 2. Verschleißfeste Gußcisenlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Siliziumgehalt zu Kohlenstoffgehalt gleich oder größer als 1 ist.2. Wear-resistant cast iron alloy according to claim 1, characterized in that the ratio Silicon content to carbon content is equal to or greater than 1. 3. Verschleißfeste Gußeisenlegierung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Gehalte an Molybdän, Wolfram und/oder Mangan zwischen 0,2 und 10% liegt.3. Wear-resistant cast iron alloy according to claims 1 and 2, characterized in that the sum of the molybdenum, tungsten and / or manganese contents is between 0.2 and 10%. 4. Verschleißfeste GufJeisenlegierung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Gehalte an Chrom, Vanadium, Tantal und/oder Niob zwischen 1 und 10% liegt.4. Wear-resistant cast iron alloy according to claims 1 to 3, characterized in that the The sum of the chromium, vanadium, tantalum and / or niobium contents is between 1 and 10%. 5. Verschleißfeste Gußeisenlegierung nach einem der Ansprüchen 1 bis4, dadurch gekennzeichnet,daß die Legierung Bor, Wismut, Zirkonium und/oder seltene Erden bis zu einer Summe von 0,5 Prozent enthält.5. Wear-resistant cast iron alloy according to one of claims 1 to 4, characterized in that the alloy boron, bismuth, zirconium and / or rare earths up to a total of 0.5 percent contains. b. Verschleißfeste Gußeisenlegierung nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung durch Glühen oberhalb 7000C, durch Abschrecken auf unter 5000C und anschließend durch Anlassen bis zu einer Temperatur von 700" C wärmebehandelt ist.b. Wear-resistant cast iron alloy according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the alloy is heat-treated by annealing above 700 ° C, by quenching to below 500 ° C and then by tempering up to a temperature of 700 "C. 7. Verwendung einer Gußeisenlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Werkstoff zur Herstellung von hoch auf Reibung beanspruchte Maschinenteile wie Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Feuerringe und Dichtleisten von Rotationskolbenmotoren.7. Use of a cast iron alloy according to one of claims 1 to 6 as a material for Manufacture of machine parts that are highly stressed by friction, such as piston rings for internal combustion engines, in particular fire rings and sealing strips of rotary piston engines.
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