DE3628157A1

DE3628157A1 - Gusseisenlegierung mit kugelgraphit

Info

Publication number: DE3628157A1
Application number: DE19863628157
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Dueck; Hans-Jochem Dr Neuhaeuser; Hans Juergen Veutgen
Original assignee: Goetze GmbH
Current assignee: Goetze GmbH
Priority date: 1986-08-20
Filing date: 1986-08-20
Publication date: 1988-02-25

Description

Die Erfindung betrifft eine kugelgraphitische Gußeisenlegierung, insbesondere für die Herstellung von auf gleitende Reibung beanspruchten Maschinenteilen in Verbrennungskraftmaschinen, wie insbesondere Kolbenringen der obersten Kolbennut von Hubkolbenmotoren.

Normal belastete Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen bestehen meist aus Gußeisenlegierungen mit Lamellengraphit, wobei die Graphitlamellen als Festschmierstoff für gute Eigenschmierung der Kolbenringe im Notlauf unter Schmiermittelmangel sorgen und die untereinander sich berührenden Graphitlamellen eine gute Wärmeleitung der Gußeisenlegierung beziehungsweise eine gute Wärmeableitung vom erhitzten Kolbenring auf die gekühlte Zylinderwand und/oder den Kolben bewirken.

Nachteilig ist die relativ geringe Festigkeit von Gußeisenlegierungen mit Lamellengraphit, die für hoch belastete Kolbenringe, insbesondere in der ersten Nut des Kolbens einer Hubkolbenmaschine, vielfach nicht ausreicht. Die hoch beanspruchten Ringe bestehen dabei in der Praxis meist aus kugelgraphitischen Gußeisenlegierungen, die eine erhöhte Festigkeit besitzen. Die gegenüber Lamellengraphit geringere Eigenschmierung von Kugelgraphit wird durch Verschleißschutzschichten aus vor allem galvanisch abgeschiedenem Hartchrom oder thermisch aufgespritztem Molybdän ausgeglichen. Nachteilig allerdings ist die um etwa 20 bis 30% schlechtere Wärmeleitfähigkeit von Gußeisen mit Kugelgraphit gegenüber Gußeisen mit Lamellengraphit. Offensichtlich können die für sich isolierten Graphitsphärolithen die Wärme nicht weiterleiten, so daß ein durch die Verbrennungswärme des Motors erhitzter Kolbenring sich im Betrieb überhitzt und dadurch gegebenenfalls sogar Schäden am Kolbenring entstehen.

Man hat daher schon versucht, die Wärmeleitfähigkeit der kugelgraphitischen Gußeisenlegierungen durch legierungstechnische Maßnahmen zu erhöhen. Festgestellt allerdings wurde, daß insbesondere höhere Zugaben der Elemente Mangan, Nickel, Chrom, Vanadium oder Antimon die Wärmeleitfähigkeit des Gußeisens erniedrigen.

Kupferzugaben von bis zu 2% zum Gußeisen erniedrigen dabei die Wärmeleitfähigkeit des Gußeisens nur geringfügig, während nach der Literatur höhere Kupferzugaben die Wärmeleitfähigkeit des Gußeisens wenig beeinflussen sollen. Dies liegt vor allem daran, daß Kupfer in Eisenlegierungen relativ gering löslich ist. Die Löslichkeit von Kupfer in Eisenlegierungen liegt im Zweistoffsystem Eisen-Kupfer bei 1100°C bei etwa 4% und sinkt auf etwa 0,3% bei Raumtemperatur.

Nach beispielsweise der DE-PS 11 72 049 bestehen Kolbenringe aus einem Gußeisen mit Temperkohle, dem hohe Anteile an Kupfer zugegeben sind. Die in Tröpfchenform aus dem Gußeisen ausgeschiedenen elementaren Kupfereinschlüsse besitzen wie Graphit gute Festschmierstoffeigenschaften und verleihen dem Kolbenring gute Laufeigenschaften bei Mangelschmierung. Eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit des Kolbenringmaterials wurde offensichtlich aufgrund der in diesem Fall untereinander isolierten, relativ großen Kupfereinschlüsse ähnlich wie bei einem Gußeisen mit Kugelgraphit nicht festgestellt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kugelgraphitische Gußeisenlegierung mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit herzustellen, so daß sie für thermisch und auf reibenden Verschleiß beanspruchte Maschinenteile, wie insbesondere Kolbenringe der ersten Kolbennut von Hubkolbenmaschinen, eingesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine kugelgraphitische Gußeisenlegierung aus

1,5 bis 4,0 Gewichts-Prozent Kohlenstoff
0,5 bis 3,5 Gewichts-Prozent Silizium
weniger als 0,2 Gewichts-Prozent Schwefel
weniger als 0,5 Gewichts-Prozent Phosphor
weniger als 0,5 Gewichts-Prozent Chrom
0,05 bis 1,0 Gewichts-Prozent Mangan
0,05 bis 2,0 Gewichts-Prozent Molybdän

Rest Eisen gelöst, welche zusätzlich 1,0 bis 15,0 Gewichts-Prozent Kupfer enthält, und in der das Kupfer im Gefüge in gleichmäßig verteilter Tröpfchenform ausgeschieden verteilt ist.

Bei der erfindungsgemäßen Gußeisenlegierung wurde überraschenderweise eine gegenüber normalem kugelgraphitischen Gußeisen um 20 bis 30% erhöhte Wärmeleitfähigkeit festgestellt, die somit der Wärmeleitfähigkeit von Gußeisen mit Lamellengraphit entsprach. Offensichtlich sind die gleichmäßig verteilt im Gefüge abgeschiedenen Kupfertröpfchen so weit untereinander verzweigt, daß sie eine Art Netzwerk bilden, über das unter Ausnutzung der guten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer die Wärme eines erhitzten Maschinenteiles schnell nach außen an die berührenden Maschinenteile abgeführt werden kann, die Überhitzung des Maschinenteiles mit den möglichen nachfolgenden Schäden wird vermieden.

Überraschend war dabei gleichzeitig, daß im Gußeisen der Graphit trotz des Vorliegens von elementarem Kupfer kugelförmig abgeschieden ist. Die erfindungsgemäße Gußeisenlegierung besitzt dadurch gleichzeitig auch die hohe Festigkeit einer Gußeisenlegierung mit Kugelgraphit, die erst bei Kupferanteilen von größer als 10 Gewichtsprozent allmählich abfällt. Die erfindungsgemäße Gußeisenlegierung kann daher mit hoher Festigkeit bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit für thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Maschinenteile, wie insbesondere für Kolbenringe der ersten Kolbennut von Hubkolbenmotoren, erfolgreich verwendet werden.

Wesentlich für die Herstellung der erfindungsgemäßen kugelgraphitischen Gußeisenlegierung ist die Wärmebehandlung des Gußeisens. Dabei wird das Gußeisen zunächst oberhalb 750°C geglüht, so daß der beim Erstarren noch gelöste Kupferanteil abgeschieden wird. Durch Abschrecken des Gußeisens auf unter 500°C und Anlassen auf eine Temperatur von bis zu 650°C wird das Vergütungsgefüge eingestellt.

Gefunden wurde ferner, daß zur Ausscheidung des Kupfers in der gewünschten Menge und Verteilung der Siliziumgehalt des Gußeisens bevorzugt unterhalb 1,0 Gewichts-Prozent liegen sollte. Die Legierung sollte ferner bevorzugt als weitere Legierungszusätze 0,05 bis 1,0 Gewichts-Prozent Zirkonium, 0,05 bis 1,0 Gewichts-Prozent Zinn und/oder 0,05 bis 2,0 Gewichts-Prozent Beryllium enthalten.

Durch die Erfindung ist somit eine Gußeisenlegierung geschaffen, mit der sich thermisch und mechanisch hoch belastete Maschinenteile, wie insbesondere Kolbenringe der ersten Kolbennut von Hubkolbenmotoren, herstellen lassen. Die erfindungsgemäße Gußeisenlegierung ist kugelgraphitisch und besitzt somit vor allem die hohe Festigkeit kugelgraphitischer Gußeisenlegierungen, während gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit des Gußeisens auf die höheren Werte von Gußeisen mit Lamellengraphit durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Kupfer erhöht ist. Vor allem Kolbenringe der ersten Kolbennut von Hubkolbenmotoren sind, wenn sie aus dem erfindungsgemäßen Gußeisen hergestellt sind, sowohl vor Ringbrüchen bei mechanischer Überbelastung als auch vor Überhitzung im Betrieb bei entsprechenden Schäden gesichert.

Die Versuche wurden an folgenden kugelgraphitischen Gußeisenlegierungen durchgeführt:

1. 3,65 Gewichts-Prozent Kohlenstoff
2,1 Gewichts-Prozent Silizium
maximal 0,1 Gewichts-Prozent Phosphor
maximal 0,12 Gewichts-Prozent Schwefel
maximal 0,10 Gewichts-Prozent Chrom
0,45 Gewichts-Prozent Mangan
5,0 Gewichts-Prozent Kupfer
0,3 Gewichts-Prozent Molybdän
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen
2. 3,65 Gewichts-Prozent Kohlenstoff
2,9 Gewichts-Prozent Silizium
maximal 0,1 Gewichts-Prozent Phosphor
maximal 0,12 Gewichts-Prozent Schwefel
maximal 0,1 Gewichts-Prozent Chrom
0,45 Gewichts-Prozent Mangan
14,0 Gewichts-Prozent Kupfer
0,2 Gewichts-Prozent Molybdän
0,5 Gewichts-Prozent Zirkonium
0,4 Gewichts-Prozent Zinn
0,8 Gewichts-Prozent Beryllium
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Beide Proben wurden oberhalb 750°C ¹/₂ Stunde geglüht, danach auf unter 500°C abgeschreckt und auf einer Temperatur von 600°C etwa 2 Stunden angelassen.

Durch die Wärmebehandlung stellt sich in den Gußeisenproben ein martensitisches Vergütungsgefüge mit kugelgraphitischer Graphitausscheidung ein, indem Kupfer etwa in der Form gleichmäßig verteilter Tropfen vorliegt.

Die Biege und Zugfestigkeit beider Proben lag oberhalb 1100 N/mm² beziehungsweise 1000 N/mm² und entspricht somit den Festigkeitswerten herkömmlicher kugelgraphitischer Gußeisenlegierungen.

Die Wärmeleitfähigkeit beider Gußeisenlegierungen liegt bei 38 bis 50 W/cm × K und entspricht damit der Wärmeleitfähigkeit einer normalen Gußeisenlegierung mit Lamellengraphit.

Die Härte beider Gußeisenlegierungen liegt bei 107 bis 110 HRB beziehungsweise 345 bis 390 HB₅/950. Das Elektrizitätsmodul der Gußeisenlegierungen beträgt 150 019 und 150 965 N/mm².

Die Abbildungen zeigen Schliffbilder der Gußeisenlegierung 1 (Fig. 1) und der Gußeisenlegierung 2 (Fig. 2) in ungeätzter Form bei 100facher Vergrößerung (Fig. 1a und 2a), in geätzter Form bei 500facher Vergrößerung (Fig. 1b und 2b) und in tiefgeätzter Form bei 20facher Vergrößerung (Fig. 1c und 2c).

Die Schliffbilder 1 a und 2 a zeigen das in den Gußeisenlegierungen vorliegende Kugelgraphit. Die Schliffbilder 1 b und 2 b zeigen das martensitische Vergütungsgefüge mit den hellen eingelagerten Kupferteilchen. In den Schliffbildern 1 c und 2 c ist zu erkennen, wie sich die hellen Kupferteilchen netzartig im Gefüge verteilen, so daß über ihre gute Wärmeleitfähigkeit die Wärme nach außen abgeführt werden kann.

Claims

1. Kugelgraphitische Gußeisenlegierung, insbesondere für die Herstellung von auf gleitende Reibung beanspruchten Maschinenteilen, wie insbesondere von Kolbenringen der ersten Nut von Hubkolbenmotoren, welche hoher thermischer und mechanischer Belastung ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung aus

1,5 bis 4,0 Gewichts-Prozent Kohlenstoff
0,5 bis 3,5 Gewichts-Prozent Silizium
weniger als 0,5 Gewichts-Prozent Phosphor
weniger als 0,2 Gewichts-Prozent Schwefel
weniger als 0,5 Gewichts-Prozent Chrom
0,05 bis 1,0 Gewichts-Prozent Mangan
0,05 bis 2,0 Gewichts-Prozent Molybdän
1,0 bis 15,0 Gewichts-Prozent Kupfer
0,25 bis 5,0 Gewichts-Prozent Nickel und/oder Kobalt

und Eisen als Rest einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen besteht, und daß das Kupfer im Gefüge gleichmäßig verteilt in Kugel- bis Tröpfchenform ausgeschieden vorliegt.

2. Gußeisenlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung durch Glühen oberhalb 750°C durch Abschrecken auf unter 500°C und durch Anlassen auf eine Temperatur von bis zu 650°C wärmebehandelt ist.

3. Gußeisenlegierung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumgehalt der Gußeisenlegierung unterhalb 1,0 Gewichts-Prozent liegt.

4. Gußeisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung zusätzlich

0,05 bis 2,5 Gewichts-Prozent Silizium
0,05 bis 1,0 Gewichts-Prozent Zinn und/oder
0,05 bis 2,0 Gewichts-Prozent Beryllium

enthält.