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" Wärmebehandlungsverfahren von Ver-
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schleißteilen aus legiertem Kugelgraphitgrauguß l1 Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Verschleißteilen aus hochsiliziertem
Kugelgraphitgrauguß, insbesondere für Kolbenringe und Laufbuchsen von Verbrennungskraftmaschinen.
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Es ist allgemein bekannt, als Werkstoff für hochbeanspruchte Verschleißteile,
beispielsweise Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen, Grauguß einzusetzen.
Bei normaler Beanspruchung handelt es sich dabei um perlitischen Grauguß, bei dem
das Gefüge mit einem möglichst geringen Ferritanteil und der Graphit in feinlamellarer
Anordnung vorliegt. Höher beanspruchte Ringe werden aus einem legierten Grauguß
mit einem Gefüge aus angelassenem Martensit hergestellt. Es ist ferner bekannt,
zur Steigerung der Festigkeit und
Erhöhung der Duktilität Kolbenringe
aus perlitischem Kugelgraphitguß herzustellen, der gegebenenfalls vergütet ist und
dem eingangs erwähnten perlitischen Grauguß in seinen Festigkeitseigenschaften überlegen
ist.
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Um den hohen Anforderungen gerecht zu werden, wird besonderer Wert
auf eine optimale Graphit- und Gefügeausbildung gelegt. Die Ausbildung des Graphits
in Kugelform gewährleistet bekanntlich ein Optimum an Duktilität. Bei diesen Werkstoffen
bereitet die Umwandlung in der Martensitstufe keinerlei Schwierig keiten.
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Da Ferrit in Stahl-Eisen-Legierungen zwar die Neigung zur Sprödigkeit
reduziert, aber andererseits das Verschleißverhalten sehr ungünstig beeinflußt,
war man - wie eingangs erwähnt - bestrebt, den Anteil an Ferrit im perlitischen
Grauguß möglichst gering zu halten.
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Diese Nachteil wurde durch die Lösung von Silizium im Eisen entgegengewirkt.
(R. t5ilbach: "ATE-Silico -ein ferritischer unvergüteter Sphäroguß ", TT., -Technische
Tagung 1968).
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Allgemein ist die Ansicht vorherrschend, daß hochsilizierte Eisensorten
eine hohe Sprödigkeit aufweisen. Hinzu kommt, daß für beispielsweise Kolbenringe
von extrem hochbelasteten Motoren Forderungen nach einer höheren Streckgrenze oder
nach einem noch günstigeren Schleißverhalten bestehen. Man ging zu zusätzlichen
Legierungselementen, wie beispielsweise Kobalt über, um eine weitere Härtung des
Mischkristalls zu erzielen, wie beispielsweise E.K. Modl, Zeitschrift "Kobalt" Nr.
42/1969, herausstellte. Zur wirksamen Steigerung sind jeddch 4 bis 6% Co erforderlich,
so daß diese Möglichkeit nicht weiter in Betracht gezogen werden konnte. Durch Legierungszusätze
wäre es möglich gewesen,
sowohl die Streckgrenze als auch die Verschleißbeständigkeit
zu verbessern. Aus Bearbeitungsgründen mußte jedoch auf eine solche Lösung verzichtet
werden, da sie die Bildung von Karbiden, von Zementit oder gar Ledeburit, d.h. harten
Gefügebestandteilen, zur Folge gehabt hätte (R.Milbach: lt ATE-Silico ein vermuteter
Sphäroguß für höchste Anforderungen", TT.-Technische Tagung 1972). Man war daher
bestrebt, mit hochsilizierten Kugelgraphitgrauguß ohne höhere Legierungszusätze
auszukommen und die gewünschten Eicnschaften durch ein geeignetes Behandlungsverfahren
zu erzielen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Wärmebehandlungsverfahren
für Verschleißteile aus einem hoch silizierten Kugelgraphitguß gemäß eingangs erwähnter
Zusammensetzung zu schaffen, wodurch insbesondere die Herstellung von Kolbenringen
und Laufbuchsen für extrem hoch beanspruchte Verbrennungsmotoren möglich ist.
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Als erfindungsgemäße Lösung wird vorgeschlagen, Werkstücke bis auf
9700C zu erwärmen und einer anschließenden Abkühlung mit einer Abkühlgeschwindigkeit
entsprechend 8 ( 0,07 zu unterwerfen, wobei als Kühlzeit von 800°C auf 5000C in
sec.X 10'2 definiert ist.
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Eine Vergütung von Kugelgraphitguß gehörte zwar wie eingangs erwähnt
für konventionelle Legierungen bereits zum Stand der Technik, jedoch konnten für
einen Werkstoff mit einem SimGehalt von 4,60 bis 5,10% zunächst nicht die gewünschten
Gefügeausbildungen erreicht werden.
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Erst mit dem erfindungsgemäßen Behandlungsverfahren wurden wesentliche
Verbesserungen der Festigkeitseigenschaften der hergestellten Werkstücke erreicht,
wie die zum Nachweis nachstehend aufgeführten Untersuchungen ergaben.
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Gegenstand dieser Untersuchungen war es vor allem, die Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder
und die Kühlzeitschaubilder sowie Gefügemengenschaubilder von GGG mit Si-Gehalten
von 4,26 bis 5,25 % zu erstellen.
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Für die Untersuchungen mit Dilatometern standen im Schleuderguß hergestellte
Rohrabschnitte mit Durchmessern zwischen 94 bis 104 mm und Wandstärken von 5 mm
und Proben mit einem Durchmesser von 4 mm bei einer Wandstärke von 1,5 mm mit Si-Gehalten
von 5,25%, 4,91%, 4,60% und 4,36% im naturharten Zustand zur Verfügung.
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Als Aus tenitisierungs temperatur und - zeit wurde in Anpassung an
die betrieblichen Bedingungen 9700 und 5 Min. Halten auf dieser temperatur nach
einer Aufheizzeit von 3 Min. gewählt. Die Tempearturgrenzen der Umwandlungsbereiche
der Ferrit-, Perlit- und Martensitstufen wurden aus den Längenänderungs Temperatur-Kurven
bestimmt.
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Die Figuren 1 bis 4 zeigen die ZTU-Schaubilder der vier dilatometrisch
untersuchten GGG-Legierungen gereiht nach abnehmendem Si-Gehalt. Wie nach dem System
Fe-C-S zu erwarten ist, wird die Temperatur des Acleund des Ac3-Punktes mit abnehmendem
Si-Gehalt zu niedrigeren Temperaturen verschoben. tSo ergibt sich für die Schmelze
mit 5,25 bzw, 4,91 % Si eine Ac15-Temperatur von 8900C und Ac3-Temperatur von 9250C.
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Für die Schmelze mit 4,60% bzwO 4,36% Si ergibt sich eine Ac1-Temparatur
von 8750C und eine Ac3-Temperatur cä von 91C C.
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Aus den ZTU-Schaubildern wurden Kühlzeitschaubilder und Gefügenmengenschaubilder
abgeleitet. Die Figuren 5 und 6 zeigen die Kühlzeitschaubilder, die Figuren 7 und
8 die Gefügemengenschaubilder der einzelnen Legierungen. Mit Hilfe der in diesen
Schaubildern eingetragenen Hilfsdiagramme können die in einem Werkstück mit bestimmten
Abmessungen zu erwartenden Gefügezustände und Härtewerte vorausgesagt werden. Aus
dem Verlauf der Härte in Abhängigkeit von der Abkühlungsgeschwindigkeit kann entnommen
werden, welche Härte am Rand oder im Kern einer bestimmten Abmessuny bei gegebener
Abkühlungsart zu erwarten ist.
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Bei einem Vergleich der einzelnen Schaubilder ist folgender Einfluß
des Siliziumgehaltes zu erkennen: lo Mit sinkendem Si-Gehalt wird der Umwandlungsbeginn
der Ferrit-Perlit-Stufe zu höheren, das Umwandlungsende hingegen bis zu Gehalten
von ca. 4,6% Si zu tieferen Temperaturen verschoben. Bei Si-Gehalten unter ca. 4,6%
steigt das Ende der Umwandlung offenbar wieder zu höheren Temperaturen an. Durch
diese Verschiebung liegt bei 4,6% Si im Vergleich zur Schmelze mit 5,25% Si ein
wesentlich breiterer Umwandlungsbereich vor.
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2o Mit sinkendem Si-Gehalt wird die "Nase" der Ferrit-Perlit-Stufe
zu kleineren Abkühlungsgeschwindigkeiten verschoben. Diese Verschiebung betrifft
weniger den Beginn der Umwandlung als vielmehr den weiteren Verlauf der Ferrit-Perlit-UTmwandlungO
Ein Vergleich der Gefügemengenschaubilder zeigt, daß bei allen vier Schmelzen der
Ferrit-Anteil mit abnehmender Abkühlungsgeschwindigkeit zunächst nur in geringem
Maße, der Perlit-Aneil hingegen stark zunimmt. Ab einer
bestimmten
Abkühlungsgeschwirdigkeit, die je nach dem Si-Gehalt zwischen z = 0,15 und ß = 0,6
liegt, nimmt der Ferrit-Anteil mit sinkender Abkühlungsgeschwindigkeit auf Kosten
des Perlit-Anteils stark zu. Die Grenze, bei der die Ferrit-Zunahme einsetzt, wird
mit sinkendem Si-Gehalt zu langsameren Abkühlungsgeschwindigkeiten verschoben.
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Der Einfluß des Si-Gehaltes auf den Beginn und die Kinetik der Ferrit-Perlit-Umwandlung
wird besonders deutlich, wenn die Kurven für den Beginn dieser Umvandlungsstufe
über der Abkühlungsgeschwiridigkeit aufgetragen werden. Aus Figur 9 ist zu ersehen,
daß eine Ferrit-Perlit-freie Durchhärtbarkeit von siliziumlegiertem GGG mit abnehmendem
Si-Gehalt eindeutig vergrößert wird. Wählt man als Vergleichshärte 600 HV und trägt
man jene Abkühlungsgeschwindigkeit, bei der diese Härte erreicht wird, über dem
Silizium-Gehalt der Schmelze auf, so sieht man, daß mit steigendem Silizium-Gehalt
zunehmend höhere Abkühlungsgeschwindigkeiten erforderlich sind, um eine Härte von
600 HV zu ereichen (Fig. 10 und 11). Die Einhärte tiefe wird also mit abnehmendem
Silizium-Gehalt erhöht.
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Entgegen der bisherigen Erkenntnisse, wonach höhere Si-Gehalte die
Ferrit-Perlitstufe zu langsameren Abkühlungsgeschwindigkeiten verschieben), stellte
sich also überraschenderweise heraus, daß bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
die Ferrit-Perlit-Stufe mit abnehmendem Si-Gehalt zu langsameren Abkühlungsgeschwindigkeiten
verschoben wird (F. Rapatz: " Die Edelstähle ", 5. Auflage, Seite 264).
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Anhand der graphischen Darstellungen ist zu erkennen, daß die mit
dieser Erfindung erzielbaren Vorteile im wesentlichen darin bestehen, daß Werkstücke
aus hochsiliziertem GGG durch eine Abkühlungsgeschwindigkelt entsprechend ß <
0,07 ein Nartensitgefüge erreichen, in dem die Umwandlung an der Perlitnase vorbeiläuft
und die betreffenden Teile einwandfrei durchhärten.
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Eine gleichmäßige Durchhärtung ist bekanntlich in den meisten Fällen
die Voraussetzung für eine qualitativ einwandfreie Beschaffenheit der betreffenden
Teile.
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L e e r s e i t e