DE2428822A1

DE2428822A1 - Sphaerogusseisenlegierung mit erhoehter verschleissbestaendigkeit

Info

Publication number: DE2428822A1
Application number: DE2428822A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Ing Beyer; Hansjuergen Veutgen
Original assignee: Goetzewerke Friedrich Goetze AG
Current assignee: Goetzewerke Friedrich Goetze AG
Priority date: 1974-06-14
Filing date: 1974-06-14
Publication date: 1976-01-02
Also published as: IT1037650B; GB1500766A; BR7503563A; FR2274702A1; SE7506830L

Description

GOET ZEWERKE Burscheid, d. 28. Mai 1974

Friedrich Goetze AG ZBT 329/Lö/Mo. ( 15o7 )

Sphä r oguß e i s e nl e gi e r ung mit
erhöhter Verschleißbeständigkeit

Die Erfindung betrifft eine Gußeisenlegierung mit erhöhter Verschleißbeständigkeit und sphärolithischen Graphitausscheidungen, deren Kohlenstoffgehalt in den Grenzen von 2, 5 - 4, 5 Gewichtsprozent, deren Siliziumgehalt in den Grenzen von 1,5 - 4, 5 Gewichtsprozent und deren Schwefelgehalt unter o, 1 Gewichtsprozent liegt.

Mechanisch hochbeanspruchte Maschinenteile, wie zum Beispiel Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen, müssen neben
einer bestimmten Mindestfestigkeit und Zähigkeit zusätzlich als reibend beanspruchte Maschinenteile auch eine hohe Verschleißfestigkeit besitzen. Gußeisenlegierungen mit sphärolithischen
Graphitausscheidungen der üblichen Zusammensetzungen besitzen eine gute Festigkeit und Zähigkeit, so daß beispielsweise Kolbenringe aus diesem Werkstoff nicht brechen und sehr gut verwendungsfähig sind. Die Verschleißfestigkeit dieser Werk-

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• oy ·

stoffe ist jedoch sehr gering, so daß die Laufflächen und die Flanken zusätzlich durch Beschichtungen geschützt werden müssen, und zwar geschieht dies meist durch galvanisches Verchromen, ein Verfahren also, das beispielsweise die Herstellung von Kolbenringen erheblich verteuert.

Die mangelnde Verschleißfestigkeit von Gußeisenwerkstoffen mit sphärolithischen Graphitausscheidungen der üblichen Zusammensetzung ist auf das gegenüber anderen Gußeisensorten fehlende Steatitnetz als tragendes Gerippe in der Matrix des Werkstoffes zurückzuführen. Alle Versuche, durch Optimierung des Phosphorgehaltes in der Weise, daß gerade soviel Phosphor zugesetzt wird, daß ein bestimmter Steatitgehalt noch vorliegt, der jedoch keinen schädlichen Einfluß auf die Festigkeit hat, sind fehlgeschlagen, weil die Steatitphase auch in kleinster Menge einen sehr negativen Einfluß besitzt. Das ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, daß diese Phase nicht in so feiner Ausbildungsform gleichmäßig verteilt und in bestimmter, aber ausreichender Anzahl in der Grundmasse des Werkstoffes zur Kristallisation gebracht werden kann.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Guße is enle gierung zu schaffen, die einmal die hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit von Sphärogußeisenlegierungen aufweist, und deren Verschleißfestigkeit gleichzeitig besonders hoch ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß einer Gußeisenlegierung mit den für Sphärogußeisenlegierungen übli-

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chen Gehalten an Kohlenstoff von 2,5 - 4, 5 Gewichtsprozent, an Si lizium an 1, 5 - 4, 5 Gewichtsprozent und an Schwefel die folgenden Legierungselemente zugesetzt werden:

Mangan mit ο - 3 Gewichtsprozent

Chrom mit ο - 1 Gewichtsprozent

Vanadium mit ο - 3,5 Gewichtsprozent

Molybdän mit ο - 2, 5 Gewichtsprozent

Wolfram mit ο - 2, 5 Gewichtsprozent

Titan mit ο - 1 Gewichtsprozent

Niob und / oder Tantal mit ο - 2, 5 Gewichtsprozent

Nickel und / oder Kobalt mit ο - 1 Gewichtsprozent

und Kupfer mit ο - 2 Gewichtsprozent

Durch diese metallurgischen Maßnahmen werden, insbesondere durch die ausgewogene Zusammensetzung an Legierungselementen, Phasen im Gefüge erzeugt, die ähnlich wie Steatit als Verschleißträger wirken und dabei jedoch eine möglichst kleine und kugelförmige Ausbildung aufweisen, so daß sie nicht mehr als die Sphärolithen selbst die Festigkeit nachteilig beeinflussen.

Die Legierung wird dann im flüssigen Zustand nach einem der bekannten Sphärolit erzeugenden Maßnahmen so behandelt, daß danach im Gußzustand bereits nahezu die gewünschte Anzahl und Form von Sphärolithen im Gefüge vorliegt. Ein solches Behandlungsverfahren wäre beispielsweise der Zusatz von elementarem Magnesium oder dessen Legierungen zu der flüssigen Gußeisenle-

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gierung.

Der Legierung können noch weiterhin bis zu 1 Gewichtsprozent Zinn zugesetzt werden. Erstaunlicherweise kann Phosphor bis zu o, 5 Gewichtsprozent in der Legierung vorhanden sein. Bei Anwesenheit der bekannten Legie rungs elemente nämlich scheiden sich die phosphorhaltigen Phasen in einer Form aus, durch die die Festigkeit kaum nachteilig beeinflußt wird.

Es hat sich weiterhin als zweckmäßig ergeben, daß die Summe der Legierungselemente Molybdän, Wolfram, und / oder Mangan gleich oder größer als o, 6 Gewichtsprozent ist, und daß die
Summe der Legierungselemente Vanadium, Titan, Chrom
Niob und / oder Tantal gleich oder größer als o, 6 Gewichtsprozent ist, so daß damit die Summe dieser beiden Legierungsgruppen größer oder gleich 1,2 Gewichtsprozent ist. Die Zusammensetzung einer solchen Legierung bewegt sich beispielsweise innerhalb der folgenden Grenzen:

Kohlenstoff	2,5
Silizium	1,5
Schwefel	unter
Mangan	o, 5
Phosphor	o, o8
Chrom	o, 2
Vanadium	o, 1
Nickel	o, 2
Kupfer	o, 2

- 4, 5 Gewichtsprozent

- 4, 5 Gewichtsprozent o, 1 Gewichtsprozent

-1,7 Gewichtsprozent

- o, 5 Gewichtsprozent

- o, 8 Gewichtsprozent -2,5 Gewichtsprozent

- o, 8 Gewichtsprozent -1,8 Gewichtsprozent

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Titan ο, 1 - ο, 8 Gewichtsprozent

Wolfram ο, 2 - 2, ο Gewichtsprozent

Zinn ο, 2 - ο, 8 Gewichtsprozent

Magnesium ο, ο2 - Q, 5 Gewichtsprozent

Molybdän ο, 2 - 2, ο Gewichtsprozent

Niob ο, 2 - 2, ο Gewichtsprozent

Rest Eisen

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß zur Verfeinerung der Ausbildungsform der einzelnen Gefügebestandteile, wie insbesondere des Graphits, der Karbide oder der Nitride die Elemente Antimon, Bor, Zirkon, Wismut beziehungsweise auch die Metalle der seltenen Erden zugesetzt werden können, jedoch muß die Summe dieser Elemente insgesamt immer kleiner als o, 5 Gewichtsprozent sein.

Es hat sich ferner gezeigt, daß die Eigenschaften durch Wärme -

ο behandlung, wie zum Beispiel durch Glühen oberhalb 7oo C mit nachfolgender, beschleunigter Abkühlung und nachträglicher Anlaßbehandlung bei Temperaturen, die zwischen 2oo und 7oo C liegen können, weitere Verbesserungen der Festigkeit und vor allem der Verschleißbeständigkeit hervorrufen können.

Die erfindungsgemäßen Legierungen zeigen ein bainitisches bis martensitisches Grundgefüge. Die Graphitausscheidungen sind sphärolithisch und die verschleißtragenden Karbidausscheidungen sind punkt- bis kugelförmig und bilden kleine Kristalle. Die Härte dieser Legierungen liegt zwischen HB 25o und HB 5oo

2
kp/cm . Die Zugfestigkeiten, Biegefestigkeiten, das Elastizi-

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.ς.

tätsinodul und die Verschleißfestigkeit sind bei den gegossenen Kolbenringen so gut, daß auf eine Laufflächenbeschichtung mit verschleißfesten Materialien verzichtet werden kann.

In dem Aüsführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Gußeisenlegierung dargestellt.

Die Gußeisenschmelze enthält als Legierungsbestandteile:

3,26 Gewichtsprozent Kohlenstoff

2,48 " " Silizium

1,29 " " Mangan

o,12 " " Phosphor

o, o4 " " Schwefel

- o, 63 " " Chrom

o, 23 " " Vanadium

0, 54 " " Nickel

1, 16 " " Kupfer o, 5 " " Titan

o, 62 " " Wolfram

o, 14 " " Zinn

o, 42 " " . Molybdän

o, 64 " " Niob

Nach Impfen mit Ferrosilizium werden durch Zugabe von auf die Gesamtmenge bezogene o, o4 Gewichtsprozent elementares Magnesium mit einer hierfür geeigneten Vorrichtung die sphärolithischen Graphitausscheidungen erzeugt. Anschließend werden im Sand-

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formgußverfahren daraus Kolbenringe mit den Abmessungen mm äußerer Durchmesser, Breite 5 mm und Dicke 3 mm hergestellt. Anschließend wird oberhalb 7oo C geglüht, in Luft abge-

schreckt und bei 55o C angelassen.

Die so hergestellten Kolbenringe zeigen eine Brinellhärte zwi-

sehen 394 und 438 kp/mm , eine Biegefestigkeit von 113, 1 bis 15o, 2 kp/mm und ein Elastizitätsmodul von 16. 34o - 17. 88o kp/mm .

In Prüfläufen zeigten die Kolbenringflanken eine 1 l/2 bis 2-fach größere Verschleißfestigkeit gegenüber den bisher verwendeten normalen Sphärogußeisenlegierungen. Die unbewehrten Laufflächen zeigten ebenfalls in Testläufen eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit.

Die Abbildungen 1 bis 3 zeigen Schliffbilder der Gußeisenlegierung aus dem Beispiel.

Schliffbild 1 zeigt als loo-fache ungeätzte Vergrößerung die sphärolithis chen Graphitauss cheidungen.

Auf der 5oo-fachen Vergrößerung des Schliffbildes 2 sind neben den dunklen sphärolithischen Graphitausscheidungen die Ausscheidungen der Karbide und Mischkarbide als kleine graue Kristalle zu erkennen.

Das mit HNO geätzte Schliffbild 3 läßt in 5oo-facher Vergrös-

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serung die bainitisch - martensitische Struktur erkennen. Die weißen Kristalle sind wiederum die Karbide beziehungsweise Mischkarbide, während die grauen großen Flächen durch Graphit entstanden sind.

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Claims

GOETZEWERKE Friedrich Goetze AG Burscheid, d. 28. Mai 1974 ZBT 329/Lö/Mo. ( 15o7 ) PATENTANSPRÜCHE

1.) Verschleißfeste Sphärogußeisenlegierung mit den üblichen Gehalten an Kohlenstoff von 2,5 - 4, 5 Gewichtsprozent, an Silizium von 1,5 - 4, 5 Gewichtsprozent und Schwefel von unter o, 1 Gewichtsprozent, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung die Elemente

Mangan

Chrom

Vanadium

Molybdän

Wolfram

Titan

von ο - 3 Gewichtsprozent

von ο - 1 Gewichtsprozent

von ο - 3, 5 Gewichtsprozent

von ο - 2, 5 Gewichtsprozent

von ο - 1 Gewichtsprozent

Niob und/oder Tantal von ο - 2, 5 Gewichtsprozent

Nickel und/oder Kobalt von ο - 1 Gewichtsprozent

und Kupfer von ο - 2 Gewichtsprozent

zugesetzt sind.

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1ο.

2. } · Verschleißfeste Sphärogußeisenlegierung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des sphärolithischen Gußeisens ein bekanntes sphärolitherzeugendes Verfahren angewendet wird.

3.) Verschleißfeste Sphärogußeisenlegierung nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung o, o5 - 1, oo Gewichtsprozent Zinn zugesetzt sind.

4. ) Verschleißfeste Sphärogußeisenlegierung nach den Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung o, o5 bis o, 5 Gewichtsprozent Phosphor zugesetzt sind.

5. ) Verschleißfeste Sphärogußeisenlegierung nach den Patentansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt der Elemente Molybdän, Wolfram und Mangan größer oder gleich o, 6 Gewichtsprozent ist.

6. ) Verschleißfeste Sphärogußeisenlegierung nach den Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt der Elemente Vanadin, Niob, Chrom, Titan und / oder Tantal größer oder gleich o, 6 Gewichtsprozent ist.

7.) Verschleißfeste Sphärogußeisenlegierimg nach den Patentansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

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die Elemente Antimon und / oder Bor und / oder Zirkon und / oder Wismut und / oder die Metalle der seltenen Erden zu maximal o, 5 Gewichtsprozent zugesetzt sind.

8. ) Verschleißfeste Sphärogußeisenlegierung nach den Patentansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung durch-Glühen oberhalb 7oo C, durch Abschrecken und anschließend durch Anlassen zwischen 2oo C und 7oo C Wärme behandelt wird.

FRIEDRICH GOETTE AKTI CNG E.3 ELLSCHAFT

6 A Nr. 173/70 AV

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