DE3147461A1 - Verschleissfeste gusseisenlegierung hoher festigkeit mit sphaerolithischer graphitausscheidung, ihr herstellungsverfahren und ihre verwendung - Google Patents
Verschleissfeste gusseisenlegierung hoher festigkeit mit sphaerolithischer graphitausscheidung, ihr herstellungsverfahren und ihre verwendungInfo
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Description
3U7461
. 3.
Verschleißfeste Gußeisenlegierung mit sphä'rolithischer Graphitausscheidung und ihr Herstellungsverfahren.
Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste Gußeisenlegierung hoher Festigkeit mit sphMrolithischer Graphitausscheidung
für die Herstellung von auf Verschleiß beanspruchten Maschinenteilen, wie Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen,
und zwar insbesondere von Kleinkolbenringen mit geringer radialer und / oder axialer Wanddicke und ihr Herstellungsverfahren.
Gußeisenlegierungen zur Herstellung mechanisch hoch beanspruchter Maschinenteile, wie Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen, sind Speziallegierungon, die neben guten
Lauf - und Verschleißeigenschaften, einem guten elastischen Verhalten zusätzlich auch höhere Festigkeitseigenschaften
besitzen sollen. Insbesondere Kleinkolbenringe mit kleinen Durchmessern von beispielsweise bis zu 60 mm haben aufgrund
von geringen axialen Wandstärken von meist nur 1 - 2 mm eine geringere absolute Festigkeit, und es kommt bei ihnen
häufiger zu Ringbrüchen, auch wenn sie aus sonst für Kolbenringe
größerer Durchmesser üblichen Gußeisenlegierungen hergestellt sind. Für solche Kleinkolbenringe müssen daher spezielle
Gußeisenlegierungen mit höheren Festigkeitswerten eingesetzt werden.
Nach C. Englisch, Kolbenringe, Band 1, Springer Verlag, Wien,
1958, Seiten 204 und 245, besitzen solche Gußeisenlegierungen bis zu meist je 1,0 % Chrom, Molybdän, Vanadin und Kupfer.
Die Kolbenringe werden ledeburitisch weiß erstarrend gegossen,
und die gewünschte Graphitausscheidung und das gewünschte Gefüge werden durch anschließendes Glühen, Abschrecken und
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-Z-
Vergüten erhalten. Die beim Graphitisierungsglühen erhaltene
Temperkohle fällt dabei in sphä'rolithischer Form an, und dadurch
bedingt wird die Festigkeit der Ringe wesentlich gesteigert. Offensichtlich aber durch die Graphitausscheidung
bedingt, sind die Lauf - und Verschleißeigenschaften von Kolbenringen aus diesen Legierungen nicht ausreichend, so
daß die Laufflächen der Ringe zusätzlich mit Verschleißschutzschichten versehen werden müssen.
Nach der DE - AS 1.172.049 werden derartige Gußeisenlegierungen zusätzlich mit 4,5 bis 5,5 Gewichtsprozent Kupfer
legiert. Kupfer liegt dann bei diesen Gehalten in der Form von Einschlüssen vor, die die Rolle von kompakteren Graphitausscheidungen
übernehmen. Aus diesen Legierungen gegossene Kolbenringe können daher auch ohne Verschleißschutzschichten
eingesetzt werden. Diese Spezial legierungen eignen sich aber nur für Großkolbenringe von Dieselmotoren, und die
Festigkeitseigenschaften für Kleinkolbenringe sind nicht ausreichend.
Nach der DE - OS 2.428.822 ist eine Gußeisenlegierung für
Kolbenringe mit normaler und durch besondere Behandlungsmaßnahmen erzielter Kugelgraphitausscheidung bekannt, die
als Legierungselemente außer 1,5 bis 4,5 % Silizium bis 3 % Mangan, bis 3,5 % Vanadin und bis 2,5 % Molybdän, auch
bis zu 2,5 % Wolfram, bis zu 1 % Titan, bis zu 2 % Kupfer,
bis zu 1 % Nickel oder Kobalt und bis zu 2,5 % Niob und / oder Tantal enthalten kann. Diese Legierungen erwiesen sich,
insbesondere auch wegen der ausgewogenen Zusammensetzung
der Legierungselemente, als ausreichend verschleißfest, der relativ kompakt vorliegende Kugelgraphit wiederum beeinflusste
die Festigkeit jedoch derart nachteilig, daß diese
.5·
Legierungen zur Herstellung von insbesondere Kleinkolbenringen mit geringen axialen Höhen nicht ausreichend bruchsicher
waren.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
eine Gußeisenlegierung mit sowohl einer guten Verschleißfestigkeit
als auch einer guten Elastizität und einer hohen Festigkeit zu schaffen, so daß sie für hoch belastete Maschinenteile
eingesetzt werden kann. Die Gußeisenlegierung soll vor allem zur Herstellung bruchsicherer Kleinkolbenringe
ohne besonderen Verschleißschutz der Laufflächen und Flankenflächen verwendet werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Gußeisenlegierung
gelöst, deren Graphitausscheidungen durch einen Glühprozeß durch Zerfall von Ledeburit in extrem feiner Form
mit hoher Sphärolitzahl ( etwa 300.000 bis 900.000 Sphäro-Iithen
pro cm2 in einer Schi iffbildprobe ) gebildet sind.
Die Legierung hat die folgende Zusammensetzung: 20
1,5 bis 3,0 % Kohlenstoff
3,0 bis 6,0 % Silizium
0,1 bis 2,0 % Mangan
0,05 bis 0,5 % Phosphor
bis max. 0,15 % Schwefel
0,1 bis 1,0 % Chrom
0 bis 3,5 % Vanadin
0,1 bis 2,5 % Molybdän
0,1 bis 2,5 % Nickel und / oder Kobalt 0,1 bis 3,5 % Kupfer
0,1 bis 2,5 % Wolfram
0,1 bis 1,0 % Titan, Niob und / oder Tantal
3,0 bis 6,0 % Silizium
0,1 bis 2,0 % Mangan
0,05 bis 0,5 % Phosphor
bis max. 0,15 % Schwefel
0,1 bis 1,0 % Chrom
0 bis 3,5 % Vanadin
0,1 bis 2,5 % Molybdän
0,1 bis 2,5 % Nickel und / oder Kobalt 0,1 bis 3,5 % Kupfer
0,1 bis 2,5 % Wolfram
0,1 bis 1,0 % Titan, Niob und / oder Tantal
• if
- 6-
-A -
bis max. 0,15 % Magnesium
bis max. 0,15 % Stickstoff
bis max. 0,15 % Stickstoff
Rest Eisen einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen.
Vor allem zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit kann die Gußeisenlegierung
noch bis zu 1,5 % Aluminium und / oder bis zu
1,0 % Zinn und / oder Antimon sowie gegebenenfalls bis zu 0,5 % die Elemente Bor, Zirkon und / oder Wismuth enthalten.
Bei der Herstellung verzichtet man bewußt auf eines der zur Kugelgraphitbildung üblicherweise angewendeten Verfahren und
impft lediglich die Gußeisenschmelze mit handelsüblichem Ferrosolizium, welches bis zu 0,5 bis 2,0 % Magnesium enthält.
Gegebenenfalls ist das Magnesium ganz oder teilweise durch die seltenen Erdmetalle wie Zer, Yttrium, Lanthan,
Neodym und / oder Praseodym ersetzt. Es wird mit einer Impfmittel menge von nur 0j1 bis 1,0 %, geimpft, so daß die
Gußeisenlegierung weiß und ledeburitisch erstarrt. Anschliessend erfolgt das Graphit!sierungsglühen von bevorzugt 15 Minuten
oberhalb 9500C, die Abschreckvergütung auf die gewünschte
Härte oberhalb 7000C und das Anlassen oberhalb 300°C.
Im Schliffbild erscheint das Gefüge jetzt als Vergütungsgefüge
mit hohen Martensitanteilen. Der.Graphit ist feinkörnig
und sphärolithisch, und die Sphärolithenzahl liegt zwischen
300.000 und 900.000 pro cm2. Beim Impfen mit dem geringen
magnesiumhaltigen Ferrosilizium scheinen sich beim Erstarren
schon sehr feine Graphitsphärolithen gebildet zu haben, die jedoch nicht sichtbar sind, so daß das Gußeisen weiß er-
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starrend erscheint. Beim GlUhprozeß dienen diese feinen Ausscheidungen
als Keime für die in extrem hoher Zahl sich bildenden Sphärolithen.Die Sphärolithenzahl ist somit 5 - 1Ofach
höher als bei normalen kugel graphit!sehen Gußeisenlegierungen.
Die Phosphorphasen sind nicht netzförmig zusammenhängend, sondern sind punktförmig in der Matrix verteilt.
Aus der erfindungsgemäßen Legierung wurden Kleinkolbenringe mit Außendurchmessern von etwa 60 mm5 radialen Wanddicken
von 50 mm und axialen Ringhöhen von 1,5 mm gegossen, thermisch behandelt und zu einsatzfähigen Kolbenringen bearbeitet.
Die Ringe wurden Motortestläufen ohne vorherige
verschleißfeste Laufflächenbeschichtung unterzogen. Sie zeigten sowohl eine gute Verschleißfestigkeit als auch eine
gute Festigkeit, und es waren nach dem Laufen keine Ringe durch Ringbruch oder durch Verschleißschäden ausgefallen.
Durch die Erfindung ist somit eine Gußeisenlegierung mit hoher Verschleißfestigkeit als auch hoher Bruchfestigkeit
geschaffen worden. In der Legierung sorgt einmal die ausgewogene Zusammensetzung der Legierungselemente für die guten
Gleit - und Laufei genschaften, obwohl der Graphit extrem feinkörnig vorliegt. Die extrem feine Verteilung der
Sphärolithen verbessert ihrerseits wiederum die Festigkeits und Dehnungseigenschaften der Werkstücke.
Obwohl die erfindungsgemäße Legierung bevorzugt zur Herstellung
von Kleinkolbenringen mit geringer radialer Wanddicke verwendet werden soll, kann sie genauso für ähnlich beanspruchte
und / oder dimensionierte Maschinenteile verwendet werden. Dies können auch Dichtleisten für Kreiskolbenmotoren
oder extrem dünnwandige und / oder extrem belastete Mittel -
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und Großkolbenringe sein.
Anhand eines Ausfiihrungsbeispieles und der Abbildungen wird die Erfindung näher erläutert:
' .
' .
Ausgegangen wird von einer Gußeisenschmelze, die nach dem Impfen mit 0,6 % magnesiumhaltigern Ferrosilizium ( 47 %
Silizium, 5,9 % Calzium, 1,1 % Magnesium, 0,6 % Aluminium,
Rest Eisen ) die folgende Zusammensetzung zeigte: 10
2,68 % Kohlenstoff
4,48 % Silizium
1,02 % Mangan
0,31 % Phosphor
0,041 % Schwefel
0,47 % Chrom
0,25 % Vanadin
0,47 % Molybdän
0,30 % Nickel
4,48 % Silizium
1,02 % Mangan
0,31 % Phosphor
0,041 % Schwefel
0,47 % Chrom
0,25 % Vanadin
0,47 % Molybdän
0,30 % Nickel
0,41 % Kupfer
0,17 % Titan
0,11 % Niob
0,006% Stickstoff
0,17 % Titan
0,11 % Niob
0,006% Stickstoff
Aus der Schmelze wurden 35 Kleinkolbenringe mit einer Rohlingsabmessung von 55,6 mm Außendurchmesser, 48,6 mm radialer Wanddicke und 5,2 mm axialer Pinahöhe unter ledeburitischer
Weißerstarrung gegossen. Die Ringe wurden anschließend bei 95O0C über 15 Minuten geglüht, aus 1.0200C abgeschreckt und
bei 45O0C angelassen. Das Schliffbild 1 zeigt in lOOfacher
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Vergrößerung die Graphitausscheidung in sehr feiner sphä'rolitischer
Form mit einer Sphärolithenzahl von etwa 600.000 pro Quadratzentimeter. Schliffbild 2 zeigt das Vergütungsgefiige
mit überwiegend martensitischen Anteilen. Die Härte der Ringe liegt bei 109 bis 115 HRB.
Die Ringe wurden dann auf ein Fertigmaß von 52 χ 48 χ 1,5 mm
spanabhebend bearbeitet. Die mittleren Werte sind
für das Elastizitätsmodul 185.200 N/mm2 für die Biegefestigkeit 1.420 N/mm2
für die Bruchaufweitung 38 mm
Anschließend wurden 5 Ringe in einem Versuchsmotor als oberste Ringe des Kolbens über 240 Stunden getestet. Nach dem Probelauf
waren weder Ringe gebrochen, noch zeigten die Laufflächen größere Verschleißspuren.
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Claims (1)
- Patentansprüche:. Verschleißfeste Gußeisenlegierung hoher Festigkeit mit sphärolithischer Graphitausscheidung für die Herste!- lung von auf Verschleiß beanspruchten Maschinenteilen, wie Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen, und zwar insbesondere von Kleinkolbenringen mit geringer radialer und / oder axialer Wanddicke, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung ein Vergütungsgefüge besitzt, in dem der Graphit durch einen Glühprozeß durch Zerfall von Ledeburit gebildet ist und in extrem feiner Form mit hoher Sphärolithenzahl von etwa 300.000 bis 900.000/cm2 vorliegt, und daß die Gußeisenlegierung
1,5 bis 3,0 5 3,0 bis 6,0 5 0,1 bis 2,0 J 0,05 bis 0,5 ϊ bis max. 0,15 Ϊ 0,1 bis 1,0 ? 0 bis 3,5 5 ο,ι bis 2,5 5 0,1 bis 3,0 5 0,1 bis 3,5 5 0,1 bis 2,5 5 0,1 bis 1,0 5 Κ Kohlenstoff 6 Silizium S Mangan S Phosphor i Schwefel I Chrom ί Vanadin i Molybdän ί Nickel und / oder Kobalt I Kupfer % Wolfram I Titan, Niob und / oder Tantal bis max. 0,15 % Magnesiumbis max. 0,15 % Stickstoff
30Rest Eisen mit herstellungsbedingten Verunreinigungen enthält.3U74.61. Gußeisenlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung zusätzlich Aluminium in Mengen von bis zu maximal 1,5 % enthält.3 . Gußeisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung zusätzlich Zinn und / oder Antimon in einer Gesamtmenge von bis zu maximal 1 % enthält.4 . Gußeisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung zusätzlich die Elemente Bor, Zirkon und / oder Wismuth in einer Gesamtmenge von maximal 0,5 % enthält.. Verfahren zur Herstellung der Gußstücke aus der Gußeisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenschmelze mit 0,1 bis 1,0 % Ferrosilizium, welches 0,5 bis 2,0 % Magnesium enthält, geimpft wird, daß die Gußeisenschmelze ledeburitisch erstarrend gegossen wird, und daß die Gußstücke einem anschließenden Graphitierungsglühen mit nachfolgendem Abschrecken oberhalb 7000C und Anlassen oberhalb 3000C unterzogen wird.. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Impfmittel das Magnesium ganz oder teilweise durch mindestens eines der seltenen Erdmetall elemente wie Cer, Yttrium, Lanthan, Neodym und / oder Praseodym ersetzt ist.
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