DE2648614A1 - Waermebehandlungsverfahren von verschleissteilen aus legiertem kugelgraphitgrauguss - Google Patents

Waermebehandlungsverfahren von verschleissteilen aus legiertem kugelgraphitgrauguss

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DE2648614A1
DE2648614A1 DE19762648614 DE2648614A DE2648614A1 DE 2648614 A1 DE2648614 A1 DE 2648614A1 DE 19762648614 DE19762648614 DE 19762648614 DE 2648614 A DE2648614 A DE 2648614A DE 2648614 A1 DE2648614 A1 DE 2648614A1
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Rolf Ing Grad Milbach
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Teves Thompson and Co GmbH
Original Assignee
Teves Thompson and Co GmbH
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D5/00Heat treatments of cast-iron
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/40Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rings; for bearing races

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Description

  • " Wärmebehandlungsverfahren von Ver-
  • schleißteilen aus legiertem Kugelgraphitgrauguß l1 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Verschleißteilen aus hochsiliziertem Kugelgraphitgrauguß, insbesondere für Kolbenringe und Laufbuchsen von Verbrennungskraftmaschinen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Nachteil wurde durch die Lösung von Silizium im Eisen entgegengewirkt. (R. t5ilbach: "ATE-Silico -ein ferritischer unvergüteter Sphäroguß ", TT., -Technische Tagung 1968).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Erst mit dem erfindungsgemäßen Behandlungsverfahren wurden wesentliche Verbesserungen der Festigkeitseigenschaften der hergestellten Werkstücke erreicht, wie die zum Nachweis nachstehend aufgeführten Untersuchungen ergaben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • Eine gleichmäßige Durchhärtung ist bekanntlich in den meisten Fällen die Voraussetzung für eine qualitativ einwandfreie Beschaffenheit der betreffenden Teile.
  • L e e r s e i t e

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Verfahren zur Wärmebehandlung von Verschleißteilen aus hochsiliziertem Kugelgraphitgraugun (GGG), insbesondere für Kolbenringe und laufbuchsen von Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke bis auf 9700C erwärmt und mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit entsprechend A < 0,07 abgekühlt werden.
DE19762648614 1976-10-27 1976-10-27 Waermebehandlungsverfahren von verschleissteilen aus legiertem kugelgraphitgrauguss Pending DE2648614A1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104476125A (zh) * 2014-11-17 2015-04-01 芜湖金龙模具锻造有限责任公司 一种加热炉底板的制造方法

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CN104476125A (zh) * 2014-11-17 2015-04-01 芜湖金龙模具锻造有限责任公司 一种加热炉底板的制造方法

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