DE2844409C2

DE2844409C2 - Gußeisenlegierung als Werkstoff für hochbelastete Maschinenteile, insbesondere Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE2844409C2
Application number: DE19782844409
Authority: DE
Inventors: Rolf Ing.(grad.) 3054 Rodenberg Milbach; Reinhard Dipl.-Ing. Dr. 3052 Bad Nenndorf Müller
Original assignee: Trw Thompson 3013 Barsinghausen GmbH; TRW Thomson GmbH
Current assignee: TRW Thomson GmbH
Priority date: 1978-10-12
Filing date: 1978-10-12
Publication date: 1984-11-22
Also published as: DE2844409A1

Description

max. 0,1% Mangan
max. 0,1% Phosphor
max. 0,04% Schwefel
max. 0,1 % Magnesium

2. Gußeisenlegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Vergütungsgefüge für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Wflrmebehandlungsverfahren für eine Gußeisenlegierung nach den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Austenitisieren bei 975° C

b) Halten 30 Min.

c) Abschrecken im Warmbad bei 150 -170° C
d) Abkühlen an Luft

e) lstündiges Anlassen bei 500—560⁰C

f) Abkühlen an Luft

Zur Herstellung von Kolbenringen ist es allgemein bekannt, Gußeisen mit Kugelgraphit mit einem C-Gehalt von 2,5—3,0% und einem Si-Gehalt von 4,6—5,1% zu verwenden. Gußeisen mit Kugelgraphit und dieser Zusammensetzung kann vergütet werden, um die Festigkeitseigenschaften der hieraus gefertigten Kolbenringe

zu steigern, was ebenfalls allgemeine Praxis ist. Zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit könnten die verschiedensten Legierungselemente, wie Cr, Mn, Ni eingesetzt werden. Mit der einerseits erheblichen Verbesserung der Verschleißbeständigkeit würde andererseits die Bearbeitbarkeit der Teile beträchtlich verschlechtert werden. Außerdem würde sich der Zusatz von Cr und Mn nachteilig auf die Bildung von Kugelgraphit auswirken.

Der DE-AS 19 11552 ist eine Gußeisenlegierung für hoch temperaturbeanspruchte Maschinenteile, wie Gesenke für Kompressorenteile usw. zu entnehmen, bei der Zusätze von 2,8—3,8% C; 3,5—5,0% Si und 0,7—2,0% V Verwendung finden. Mit dieser Gußeisenlegierung soll eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxydation, Verzunderung und Wachsen bei erhöhten Temperaturen erreicht werden. Durch die Zugabe des Vanadiums wird ein Gefüge angestrebt, das die mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen einerseits stark verbessert, andererseits aber die mechanische Bearbeitbarkeit nicht nachteilig beeinträch tigt.

Durch die DE-OS 24 28 821 wurde eine Gußeisenlegierung bekannt, deren Zusätze in weiten Bereichen angegeben sind. Deshalb geht die Vorveröffentlichung auch von einer Gußeisenlegierung mit lamellarer bis knötchenförmiger Graphitausscheidung aus. Bei der Graphitbeurteilung von Grauguß muß grundsätzlich zwischen lamellarem bis knötchenförmigcm Graphit einerseits und kugelförmigem andererseits unterschieden werden. Angestrebt wird für Werkstoffe hoch belastbarer Maschinenteile kugelförmiger Graphit.

Aus Röhrich-Gerlach-Nickel: »Legiertes Gußeisen« Band 2, Seile 9 geht hervor, daß die Bildung des Kugelgraphits durch Vanadin in Gehalten bis 0,47% nicht beeinträchtigt zu werden scheint, wenngleich die Kugeln ähnlich wie bei anderen karbidstabilisierenden Elementen ihre ideale Form verlieren und von der Form K zur Form L der Richtreihe übergehen. Außerdem soll die Neigung zur Weißerstarrung zunehmen. Da Vanadin als starker Karbidbilder in steigenden Zusatzmengen zum Auftreten von freien Karbiden im Gefüge führt, die wiederum zum Verschleiß beim Wertstoff des Reibungspartners führen, lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Zusätze zu einer Gußeisenlegierung so abzustimmen, daß möglichst feindisperse Vanadinkarbide erzielt werden, durch die die Verschleißbeständigkeit von hochbelasteten Maschinenteilen, vorzugsweise Kolbenringe, einerseits erheblich verbessert wird, andererseits aber der Verschleiß beim Reibungspartner nicht verschlechtert wird.

Die erfindungsgemäße Lösung ist gekennzeichnet durch ein Vergütungsgefüge und folgende Zusammensetzung:

2,0-2,8% Kohlenstoff max. 0,1 % Mangan

4,6—5,1% Silizium max. 0,1% Phosphor

0,7-1,5% Vanadium max. 0,04% Schwefel

0.5 — 0,8% Kupfer niiix. 0,1% Magnesium

IS Entgegen der bisher herrschenden Meinung wurde bereits mit Legierungen in diesen Grenzen eine Ausschei-

Ij- dung feindisperser Vanadinkarbide beobachtet Störungen des Kraftflusses im Gefüge, die durch Vanadin-Zugaben bei höherem C-Gehalt eine Versprödung zur Folge haben, werden vermieden, wenn man sich einer kohlen.stoffarmcn Schmelze, beispielsweise 2,5% bedient.

Eine weitere Verbesserung der Fesligkeitseigenschaften, wobei nicht nur die Versch'cißbesländigkeit erhöht, sondern auch die Streckgrenze, die Zugfestigkeit und die Duktiiität verbessert werden, wird durch das Vorliegen des freien Kohlenstoffs in Form von Kugelgraphit und durch die Vergütung des Werkstoffs erreicht

In der DE-AS 19 11 552 werden zwar temperaturbeanspruchte Teile erwähnt wobei der Werkstoff 2,8—3,8% C; 3,5—5,0% Si und 0,7—2,0% V enthält d. h„ die Zusammensetzung liegt teilweise innerhalb der erfindungsgemäß angegebenen Bereiche. Jedoch geht es bei der vorliegenden Gußeisenlegierung um die Kombination einer hohen Elastizität bei hoher Festigkeit mit einer gleichzeitig hohen Verschleißbeständigkeit Diese Eigenschaften können nur dam; erreicht werden, wenn der C-Gehalt 2,5% nicht wesentlich übersteigt und der V-Gehalt von 0,7—14% toleriert wird.

Entgegen der bisherigen Auffassung wurde eine Verschlechterung der Kugeln im Kugelgraphitguß bei einer Einhaltung dieser Toleranz nicht beobachtet.

Zur Erzielung einer angestrebten gleichmäßigen Gefügebeschaffenheit sowie optimaler Festigkeitseigenschaften wurde an einer Probe der erfindingsgemäßen Zusammensetzung folgende Wärmebehandlung vorgenommen:

Zunächst wurden die Teile bei 975^CC mit einer Haltezeit von 30 Min. austenitisiert, anschließend im Warmbad bei 150—170^cC abgeschreckt und an Luft abgekühlt Es folgte ein einstündiges Anlassen bei 500—560⁰C und Abkühlen an der Luft Die hierbei erzielte Härte betrug 383—415 HB 2,5/187,5. Im Gußzustand betrug die Härte 292-298 HB 2,5/187,5.

Die A b b. 1 bis 4 zeigen Schliffbilder einer Probe des erfindungsgemäßen Werkstoffs in 200facher Vergrößerung. Die Graphitalisbildung gemäß ASTM ist sphärolithisch. Es sind zahlreiche Sonderkarbide ausgeschieden (Bild I). Das Grundgefüge ist, wie aus Bild 2 erkennbar, silicoferritisch, der Perlitgehalt beträgt 5—10%. In den Perlitinseln befinden sich /..T. Karbidanhäufungen (Bild 3). BiIdI zeigt den erfindungsgemäßen Werkstoff ungeätzt im Gußzustand, während die Bilder 2 und 3 den Gußzustand mit einer dreiprozentigen HNO3-Ätzung zeigen. Im Bild 4 ist der erfindungsgemäße Werkstoff nach der Wärmebehandlung ebenfalls mit einer dreiprozentigen HNOrÄtzung dargestellt und es ist ein gleichmäßiges Vergütungsgefüge nachweisbar.

Anhand von Vergleichsuntersuchungen konnte festgestellt werden, daß der erfindungsgemäße Werkstoff einem hochsilizierten Gußwerkstoff mit einem höheren Kohlenstoffanteil für Kolbenringe ohne Vanadinzusatz hinsichtlich der Zugfestigkeit überlegen ist, ohne dabei an Kerbschlagzähigkeit zu verlieren. Für die Vergleichsuntersuchungen dienten Proben aus hochsiliziertem, vergütetem (SV) und hoch vergütetem Kugelgraphitgußwerkstoff (SHV) folgender Zusammensetzung:

2,83% Kohlenstoff

4,71% Silizium

0,10% Mangan

0,02% Phosphor

0,004% Schwefel 0,36% Kupfer

Diese Werkstoffe mit den Bezeichnungen SV und SVH wurden folgender Wärmebehandlung unterzogen:

a) Austenitisieren bei 975°C

b) Halten 30 Min.

c) Abschrecken im Warmbad bei 150- 170'^JC

d) Abkühlungen Luft

e) 60 Min. Anlassen bei 560°C für SVH, 500⁰C für SV

f) Abkühlung an Luft

Die Messungen der Zugfestigkeit und Kcrbschlagzähigkcit ergaben folgende Werte:

Werkstoff	Zugfestigkeit	Kerbschlagzähigkeit
SV SVH Chem. Erfindung	1036 (N/mm²) 1180 (N/mm²) 1243 (N/mm*)	3,35 (J/cm²) 3,37 (J/cm²) 3,35 (J/cm²)
	Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gußeisenlegierung als Werkstoff für hochbelastete Maschinenteile, insbesondere Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen, gekennzeichnet durch ein Vcrgfltungsgcfügcmit freiem Kohlenstoff

in Form von Kugelgraphit und folgender Zusammensetzung:

2,0 bis 2,8% Kohlenstoff.
4,6 bis 5,1% Silizium
0,7 bis 1,5% Vanadium
ίο 0,5 bis 0,8% Kupfer