DE3147461C2 - Verschleißfeste Gußeisenlegierung hoher Festigkeit mit sphärolithischer Graphitausscheidung, ihr Herstellungsverfahren und ihre Verwendung - Google Patents
Verschleißfeste Gußeisenlegierung hoher Festigkeit mit sphärolithischer Graphitausscheidung, ihr Herstellungsverfahren und ihre VerwendungInfo
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Abstract
Eine verschleißfeste Gußeisenlegierung mit gleichzeitig hoher Festigkeit für die Herstellung verschleißfester Maschinenteile, wie insbesondere Kleinkolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen, mit geringer radialer Wanddicke und ohne Verschleißschutzschicht der Lauffläche besitzt ein Vergütungsgefüge mit mit eingelagerten und durch Zerfall von Ledeburit in sehr feiner Form gebildeten Graphitsphärolithen in einer Zahl von 300000 bis 900000/cm ↑2 und besteht aus 1,5-3,0% Kohlenstoff, 3,0-6,0% Silizium, 0,1-2,0% Mangan, 0,05-0,5% Phosphor, bis max. 0,15% Schwefel, 0,1-1,0% Chrom, 0-3,5% Vanadin, 0,1-2,5% Molybdän, 0,1-3,0% Nickel und/oder Kobalt, 0,1-3,5% Kupfer, 0,1-2,5% Wolfram, 0,1-1,0% Titan, Niob und/oder Tantal, bis max. 0,15% Magnesium, bis max. 0,15% Stickstoff sowie gegebenenfalls bis zu 1,5% Aluminium, bis zu 1% Zinn oder Antimon und bis zu 0,5% Bor, Zirkon und/oder Wismuth, Rest Eisen mit herstellungsbedingten Verunreinigungen. Zur Herstellung wird die Gußeisenschmelze mit nur 0,1-1% Ferrosilizium mit insgesamt 0,5-2,0% Magnesium und/oder Seltene Erde so geimpft, daß die Schmelze weißerscheinend erstarrt. Die dabei lichtmikroskopisch nicht mehr nachweisbaren entstandenen Graphitausscheidungen bilden beim anschließenden Graphitisierungsglühen, Abschrecken und Anlassen die Keime der sichtbaren und in hoher Zahl vorliegenden sehr feinen Graphitspärolithen.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine verschleißfeste
Gußelsenlegierung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie Ihr Herstellungsverfahren und ihre Verwendung.
Gußelsenlegierungen zur Herstellung mechanisch hoch beanspruchter Maschinenteile, wie Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen,
sind Spezlalleglerungen, 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 bis 2 mm eine geringere absolute Festigkeit, und es kommt bei Ihnen
häufiger zu Ringbrüchen, auch wenn sie aus sonst lür 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, Vanadium und Kupfer. Die Kolbenringe werden
ledeburitisch weiß erstarrend gegossen. Die gewünschte Graphitausscheidung und das gewünschte Gefüge werden
durch anschließendes Glühen, Abschrecken und Vergüten erhalten. Die beim Graphitisierungsglühen
erhaltene Temperkohle fällt dabei in sphärolithischer Form an. Dadurch wird die Fesfigkelt 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 Verschlelßschutzschlchlen versehen werden müssen.
Nach der DE-AS 12 71 049 werden derartige Gußelsenlegierungen
zusätzlich mit 4,5 bis 5,5 Gew.-% 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 Spezlallegierungen eignen sich aber nur für Großkolbenringe von Dieselmotoren. Die Festigkeitseigenschaften
sind für Kleinkolbenringe nicht ausreichend.
Nach der DE-OS 24 28 822 Ist eine Gußeiseniegierung
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% Vanadium 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.
Ebenso sind nach der DE-OS 24 28 821 verschleißfeste Gußeisenlegierungen mit lamellaren bis knötchenförmlgen
Graphitausscheidungen bekannt, die aus 1,5 bis 4% Kohlenstoff, 1,5 bis 6% Silizium, bis zu 3% Mangan,
weniger als 2.5% Phosphor, weniger als 0,2% Schwefel, weniger als 3% Chrom, 0 bis 5% Vanadium, 0 bis 5%
Molybdän, 0 bis 3,5% Nickel und/oder Kobalt, 0 bis 8% Kupfer, 0 bis 5% Wolfram, 0 bis 2% Titan, 0 bis 5% Niob
und/oder Tantal, maximal 0,5% Magnesium und dem Rest Elsen bestehen können.
Diese Legierungen erwiesen sich. Insbesondere auch
wegen der ausgewogenen Zusammensetzung der Legierungselemente, als ausreichend verschleißfest, der relativ
kompakt vorliegende Graphit wiederum beeinflußt die Festigkeit jedoch derart nachteilig, daß diese Legierungen
zur Herstellung von insbesondere Kleinkolbenringen mit geringen axialen Höhen nicht ausreichend bruchsicher
waren.
Der vorliegenden Erfindung Hegt 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 Gußeiseniegierung soll vor allem zur Herstellung
bruchsicherer Kleinkolbenringe ohne besonderen Verschleißschutz der Laufflächen und Flankenflächen verwendet
werden können.
Erfindungsgeniäß wird diese Aufgabe durch eine
Gußeisenlegierung mit einer Zusammensetzung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst,
welche jedoch 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.
Bei der Herstellung verzichtet man bewußt auf eines der zur Kugelgraphitbildung üblicherweise angewendeten
Verfahren und impft lediglich die Gußeisenschmelze mit handelsüblichem Firrosilizium, welches bis zu 0.5 bis
2,0% Magnesium enthält. Gegebenenfalls ist das Magnesium ganz oder teilweise durch die seltenen Erdmetalle
wie Cer, Yttrium, Lanthan, Neodym und/oder Praseodym
ersetzt. Es wird mit einer Impfmiltelmenge von nur 0,1 bis 1,0% geimpft, so daß die Gußeisenlegiorung weiß
und ledeburitisch erstarrt. Anschließend erfolgt das Graphitisierungsausglühen von bevorzugt 15 Minuten
oberhalb 95O0C, die Abschreckvergütung auf die gewünschte Härte oberhalb 700° C 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/cm2. Beim Impfen mit dem geringen magnesiumhaltigen Ferrosllizium
scheinen sich beim Erstarren schon sehr feine GraphU-sphärolithen gebildet zu haben, die jedoch nicht sichtbar
sind, so daß das Gußeisen weiß erstarrend erscheint. Beim Glühprozeß dienen diese feinen Ausscheidungen
als Keime für die In extrem hoher Zahl sich bildenden Sphärolithen. Die Sphärolithenzahl ist somit 5- bis lOfach
höher als bei normalen kugelgraphitischen Gußeisenlegierungen. Die Phosphorphasen sind nicht netzförmig
zusammenhängend, sondern sind punktförmig in der Matrix verteilt. to
Aus der erfindungsgemälkn Legierung wurden Kleinkolbcnringe
mit Außendurchmessern von etwa 60 mm, 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 Laufflächenbeschlchtung 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 Gußelsenleglerung
mit hoher Verschleißfestigkeit als auch hoher Bruchfestigkeit geschaffen worden. In der Legierung sorgt einmal
die ausgewogene Zusammensetzung der Legierungselemente für die guten Gleit- und Laufeigenschaften, «
obwohl der Graphit extrem feinkörnig vorliegt. Die extrem feine Verteilung de.· Sph.irolithen verbessert
ihrerseits wiederum die Festigkeits- und Dehnungseigenschaften der Werkstücke.
Obwohl die erfindungsgemäße Legierung bevorzugt zur Hers'ellung 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- und Großkolbenringe sein.
Anhand eines Ausführungsbeispieles und der Abbildungen wird die Erfindung näher erläutert:
Ausgegangen wird von einer Gufieisenschmelze, die nach dem Impfen mit 0,6% magnesiumhaltigem Ferrosilizium
(47% Silizium, 5.9% Calzium, 1,1% Magnesium, 0,6% Aluminium, Rest Eisen) die folgende Zusammensetzung
zeigte:
| 2,68% | Kohlenstoll |
| 4,48% | Silizium |
| 1,02s, | Mangan |
| 0,31% | Phosphor |
| 0,041 % | Schwefel |
| 0,47% | Chrom |
| 0,25% | Vanadium |
| 0,47% | Molybdän |
| 0,30% | Nickel |
| 0,41% | Kupfer |
| 0,17s, | Titan |
| 0,11s, | Niob |
| 0.006S, | Stickstoff |
Rest Eisen mit hersiellungsbedingien Verunreinigungen.
Aus der Schmelze wurden 35 Kleinkolbenringe mit einer Rohlingsabmessung von 55,6 mm Außendurchmesser,
48,6 mm radialer Wanddicke und 5,2 mm axialer Ringhöhe unter ledeburliischer Weilierstarrung gegossen.
Die Ringe wurden anschließend bei 95O°C über 15
Minuten geglüht, aus 1020° C abgeschreckt und bei 450' C angelassen. Das Schliffbild 1 zeigt in lOOfachcr
Vergrößerung die Graphitausscheidung in sehr feiner spharolithischer Form mit einer Sphärolithenzahl von
etwa 600 000/cm2. Schliffbild 2 zeigt das Vergütungsgefüge mit überwiegend martensitischen Anteilen. Die
Harte der Ringe liegt bei 109 bis 115 IiRB.
Die Ringe wurden dann auf ein Fertlgmuß von
52 χ 48 χ 1,5 mm spananhebend bearbeitet. Die mittleren Werte sind
für das Elastizitätsmodul
für die Biegefestigkeit
für die Bruchaulweitung
für die Biegefestigkeit
für die Bruchaulweitung
185 (K)O N/mm2
I 420 N/mm2
38 mm
I 420 N/mm2
38 mm
Anschließend wurden 5 Ringe in einem Versuchsmotor als oberste Ringe des Kolbens über 240 Stunden getestet.
Nach dem Probelaul waren weder Ringe gebrochen, noch zeigten die Laufflächen größere VcrschleilJspuren.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verschleißfeste Gußeiseniegierung hoher Festigkeil
mit sphärolithischer Graphitausscheidung, bestehend aus
bis 1,5% Aluminium
bis 1,0% Zinn und/oder Antimon
bis 0,5% Bor, Zirkon und/oder Wismuth
Rest Eisen mit herstellungsbedingten Verunreinigungen,
dadurch gekennzeichnet, daß die üußeisenlegierung ein Vergütungsgefüge besitzt, in dem der
Graphit durch einen Glühprozeß durch Zerfall von Ledeburlt gebildet Ist und In extrem feiner Form mit
hoher Sphärollthenzahl von etwa 300 000 bis 900 000/cm! vorliegt.
2. Verwendung einer verschleißfesten Gußeisenlegierung nach Anspruch 1 als Werkstoff für die Herstellung
von auf Verschleiß beanspruchten Maschinenteilen, wie Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen,
Insbesondere von Klclnkolbenrlngen mit geringer radialer und/oder axialer Wanddicke.
3. Verfahren zur Herstellung der Gußstücke aus der Gußeisenlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gußeisenschmelze von 0,1 bis 1,0% Ferroslllzlum, welches bis 0,5 bis 2,0% Magnesium
enthält, geimpft wird, daß die Gußeisenschmelze ledeburltlsch erstarrend gegossen wird und daß die
Gußstücke einem anschließenden Graphitierungsglühen mit nachfolgendem Abschrecken von oberhalb
7000C und Anlassen auf oberhalb 300° C unterzogen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Im Impfmittel das Magnesium ganz
oder teilweise durch mindestens eines der seltenen Erdmetallelemente wie Cer, Yttrium, Lanthan,
Neodym und/oder Praseodym ersetzt Ist.
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| DE3706516A1 (de) * | 1987-02-28 | 1988-09-08 | Kuepper August Gmbh & Co Kg | Verfahren zur herstellung einer hitzebestaendigen eisenkohlenstoff-legierung mit guter waermeleit-faehigkeit und eisenkohlenstoff-legierung |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58104154A (ja) | 1983-06-21 |
| DE3147461A1 (de) | 1983-06-16 |
| EP0080590A2 (de) | 1983-06-08 |
| EP0080590A3 (en) | 1984-03-07 |
| US4435226A (en) | 1984-03-06 |
| EP0080590B1 (de) | 1986-05-28 |
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