DE3912916A1 - Process for producing a casting from lamellar-graphite cast iron and camshaft produced thereby - Google Patents

Process for producing a casting from lamellar-graphite cast iron and camshaft produced thereby

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Abstract

The invention relates to a process for producing lamellar-graphite cast iron for at least partially remelt-hardened castings. The invention is characterised in that the cast iron is alloyed with (in % by mass) 2.8 to 3.25% of carbon 0.1 to 0.4% of chromium 0.3 to 0.5% of copper at most 0.15% of sulphur [1.7(%S) + 0.2] to [1.7(%S) + 0.3] % of manganese a silicon content within the range from 1.8 to 2.5% in a quantity according to the relationship %Si = 0.334. 2ROOT (7.5.(%C)-PG-16.5)<2>+30.PG.(%C) + +0.334.PG-2.48.(%C)-0.01.M+O.615.(%Cr) -0.27.(%Cu)+5.6+/-0.1 with the graphitisation potential of PG = 0.657M<-0.65>, and M (modulus in cm) being the quotient of the volume fraction of the heat-bearing surface of the casting. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gußkörpers aus Gußeisen mit Lamellengraphit, dessen Oberfläche zumindest partiell umschmelzgehärtet werden soll, und eine so hergestellte Nockenwelle.The invention relates to a method for producing a Cast body made of cast iron with lamellar graphite, the Surface are at least partially remelt hardened and a camshaft manufactured in this way.

Die Herstellung von verschleißbeanspruchten Gußkörpern, insbesondere von Nockenwellen für Verbrennungsmotoren aus Gußeisen mit Lamellengraphit mit durch örtliches Umschmelzen aufgebauten ledeburitischen Randschichten ist Stand der Technik. So werden beispielsweise Nockenwellen aus einem Grauguß mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 3%, einem Siliciumgehalt von etwa 1,7% und einem Mangangehalt von etwa 0,7% zur Ausbildung eines feinlamellaren Graphits gegebenenfalls mit Titan in der Größenordnung von 0,1% legiert (Fachberichte Hüttenpraxis Metallverarbeitung 18, 1980, Nr. 12, S. 1115-1127). Das Umschmelzen der Nockenwellen erfolgt großtechnisch durch Anwendung eines Lichtbogens mit Wolframelektrode in Argonatmosphäre (WIG-Verfahren), s. DE-PS 27 03 469. Verfahren mit anderen Leistungsquellen (Laser, Elektronenstrahl, s. z. B. DE-OS 22 44 220) sind z. Z. noch zu teuer oder noch im Stadium der Entwicklung. Der Brenner wird in einer Linienbewegung über die Oberfläche des zu behandelnden Gußstücks geführt. Bei Nockenwellen z. B. erzielt man die flächenförmige Ausdehnung der Umschmelzzone dadurch, daß man Linie neben Linie in einer Umfangsbewegung um den zu härtenden Nocken herumlegt oder aber indem man den Brenner quer zum Nockenumfang reversiert, während die Welle eine langsame Drehbewegung ausführt. Der Hub der Reversierbewegung entspricht etwa der Breite der Nocken. Die Lage der Brennerachse ist dabei zweckmäßigerweise gegen die Drehrichtung der Welle und zur Vertikalen so geneigt, daß die Schwerkraft den schmelzflüssigen Werkstoff immer gegen den kalten und nicht gegen den vorher bereits erwärmten Bereich drückt und die derart erzielte hohe Erstarrungsgeschwindigkeit das Abfließen verhindert.The production of castings subject to wear, in particular from camshafts for internal combustion engines Cast iron with lamellar graphite with by local remelting built up ledeburitic boundary layers is the state of the Technology. For example, camshafts are made from one Gray cast iron with a carbon content of about 3%, one Silicon content of about 1.7% and a manganese content of about 0.7% to form a fine lamellar graphite optionally alloyed with titanium in the order of 0.1% (Technical reports Metallurgical Practice 18, 1980, No. 12, Pp. 1115-1127). The camshafts are remelted on an industrial scale by using an electric arc Tungsten electrode in an argon atmosphere (TIG process), see DE-PS 27 03 469. Procedures with other power sources (lasers, Electron beam, s. e.g. B. DE-OS 22 44 220) are such. Currently too expensive or still at the stage of development. The burner is in a line movement over the surface of the patient to be treated Casting led. With camshafts z. B. you get the areal expansion of the remelting zone in that one  Line after line in a circumferential movement around the around the hardening cam or by turning the burner reverses across the circumference of the cam, while the shaft a slow rotation. The hub of the Reversing movement corresponds approximately to the width of the cams. The The position of the burner axis is expedient against the Direction of rotation of the shaft and inclined to the vertical so that gravity always counteracts the molten material the cold one and not against the one that was already warmed up Area presses and the high achieved in this way Solidification rate prevents drainage.

Die Oberfläche des ursprünglich grau erstarrten, d. h. bei der eutektischen Erstarrung ausschließlich Graphit und Austenit enthaltenden Werkstücks wird somit portionsweise umgeschmolzen, wobei aufgrund der schnellen Wärmeabgabe an das kalte Kernmaterial die einzelnen Portionen der Schmelze weiß, d. h. bei der eutektischen Kristallisation unter Bildung von Fe₃C und Austenit erstarren. Auf diese Weise entsteht eine aus aneinandergereihten Lagen mit ledeburitischem Gefüge bestehende Umschmelzschicht.The surface of the originally gray solidified, i.e. H. at of eutectic solidification exclusively graphite and The workpiece containing austenite is thus added in portions remelted, due to the rapid heat emission the individual portions of the cold core material Melt white, d. H. in eutectic crystallization solidify to form Fe₃C and austenite. To this In this way, a layer of layers is created remelting layer consisting of ledeburitic structure.

Fig. 1 zeigt in einem metallographischen Schliffbild die einzelnen Umschmelzlagen 1, allerdings nur dann deutlich sichtbar, wenn es zwischen ihnen unter besonderen Bedingungen als unzulässige Fehlererscheinung zu Graphitausscheidungen 2 kommt. Zwischen dem kalten Kern 3 und den Umschmelzlagen 1 ist eine ursprünglich austenitische Zone 4 angeordnet. Die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit dieses Austenits ist wegen dessen vergleichsweise hohem Kohlenstoffgehalt so niedrig, daß sich nach dem Erstarren der ledeburitischen Randschicht dort leicht Martensit bildet. Das Volumen dieses Martensits ist höher als das Volumen des Ledeburits, so daß es zur Bildung von Rissen kommen und die Randschicht sogar gesprengt werden kann (Abplatzungen). FIG. 1 is a metallographic micrograph each Umschmelzlagen 1, but only clearly visible when it comes between them under special conditions as unacceptable flaws appearance to graphite precipitates second An originally austenitic zone 4 is arranged between the cold core 3 and the remelting layers 1 . The critical cooling rate of this austenite is so low because of its comparatively high carbon content that after the ledeburitic surface layer has solidified, martensite easily forms there. The volume of this martensite is higher than the volume of the ledeburite, so that cracks are formed and the surface layer can even be blasted (flaking).

Durch Vorwärmen des Werkstücks auf rd. 673 K kann die Martensitbildung weitgehend unterdrückt werden. Außerdem wird durch das Vorwärmen die Dicke der ledeburitischen Randschicht günstig beeinflußt.By preheating the workpiece to approx. 673 K can Martensite formation are largely suppressed. Besides, will by preheating the thickness of the ledeburitic surface layer favorably influenced.

Die chemische Zusammensetzung des Gußeisens wird allgemein im untereutektischen Bereich des Systems Fe-C-Si gewählt, so daß im Gußzustand neben perlitisch umgewandelten Primäraustenit und eutektischem Austenit nur eutektischer Graphit und kein eutektischer Zementit im Gefüge vorliegt. Letzterer ist aus Gründen der guten Zerspanbarkeit zu vermeiden.The chemical composition of cast iron is generally described in sub-eutectic range of the Fe-C-Si system chosen so that in the cast state next to pearlitic converted primary austenite and eutectic austenite only eutectic graphite and none eutectic cementite is present in the structure. The latter is over Avoid for reasons of good machinability.

Bei den sichelförmigen Graphiteinschlüssen 2 in Fig. 1 zwischen zwei Ledeburitlagen handelt es sich um sekundären, d. h. aus dem teilweisen Zementitzerfall der ersten Lage infolge Erwärmung beim Umschmelzen der zweiten Lage herrührenden Graphit. Sie können nach dem Bearbeiten des Werkstückes bis an die Oberfläche heranreichen und dann zu starkem Verschleiß führen. Die ebenfalls innerhalb der Schichten zu beobachtenden punktförmigen Graphiteinschlüsse 5 sind in dieser Hinsicht weniger kritisch aber ebenfalls unerwünscht. Eine weitere unzulässige Fehlererscheinung sind kleine Gasblasen 6 im Innern der umgeschmolzenen Lagen 1. Ein mit solchen Bläschen behaftetes Werkstück ist für den Einsatz unbrauchbar. Eine weitere Fehlererscheinung sind Abschmelzungen 7 in Fig. 1 (Materialdefizit), die durch das Abfließen des Eisens dann entstehen können, wenn die Überhitzung über die Liquidus­ temperatur, d. h. der Abstand zur Erstarrungstemperatur, zu hoch ist. The crescent-shaped graphite inclusions 2 in FIG. 1 between two ledeburite layers are secondary, that is to say graphite resulting from the partial fall of the first layer as a result of heating when the second layer is melted. After machining the workpiece, they can reach the surface and then cause excessive wear. The punctiform graphite inclusions 5 likewise to be observed within the layers are less critical in this respect, but are also undesirable. Another inadmissible defect is small gas bubbles 6 inside the remelted layers 1 . A workpiece with such bubbles is unusable for use. A further defect is melting 7 in Fig. 1 (material deficit), which can arise from the drainage of iron when the overheating above the liquidus temperature, ie the distance to the solidification temperature, is too high.

Die besagten Graphitausscheidungen treten dann auf, wenn bei sonst gleichen Umschmelzbedingungen die thermodynamische Aktivität des Kohlenstoffs zu hoch ist, d. h. Kohlenstoff aus der Lösung verdrängt wird. Der Ausscheidungsvorgang wird zusätzlich durch kinetische Faktoren, z. B. die Vorwärmtemperatur beim Umschmelzen beeinflußt. Bei hohen Temperaturen wird die Sichelgraphitbildung begünstigt und durch niedrige erschwert. Die Einstellung einer beliebig niedrigen Vorwärmtemperatur ist allerdings nicht statthaft, weil dadurch der Anteil an unerwünschtem Martensit steigt.The said graphite precipitates occur when otherwise the remelting conditions are the same as the thermodynamic activity the carbon is too high, d. H. Carbon from the Solution is displaced. The elimination process is additional by kinetic factors, e.g. B. the preheating temperature Remelting affected. At high temperatures Sickle graphite formation favored and complicated by low. The setting of any low preheating temperature is however, not permissible because this means the share of unwanted martensite increases.

Die thermodynamische Aktivität des Kohlenstoffs im Gußeisen wird in der Reihenfolge fallender Wirkung durch C, Si, Al, (Cu) und Ni erhöht. Die Wirkung des Siliciums ist dabei im festen Zustand offenbar stärker als im flüssigen. Gesenkt wird sie in der Reihenfolge steigender Wirkung durch (Cu), Mn, Cr, V und Ti. Cu verhält sich ambivalent, indem es bei der Erstarrung die Graphitbildung, im festen Zustand jedoch die Zementitbildung begünstigt.The thermodynamic activity of carbon in cast iron is in the order of falling effect by C, Si, Al, (Cu) and Ni increased. The effect of silicon is solid Condition apparently stronger than in the liquid. It is lowered in the order of increasing effects by (Cu), Mn, Cr, V and Ti. Cu behaves ambivalently in that it solidifies during solidification Graphite formation, but in the solid state the cementite formation favored.

Wesentliche Einflüsse auf die Graphitbildung bei der Erstarrung sind kinetischer Natur: Kohlenstoff kristallisiert aus der Schmelze nur dann störungsfrei in Form von Graphit, wenn die Erstarrungsgeschwindigkeit nicht zu hoch, d. h. die Wanddicke des Gußstücks bzw. sein Modul (Verhältnis des Gußstückvolumens zu seiner freien Oberfläche) nicht zu klein sind sowie auch dann, wenn neben hinreichend hoher thermodynamischer Kohlenstoffaktivität auch genügend feste Keime vorhanden sind. Als Keime dienen in der Regel aus einer Desoxidation des Gußeisens resultierenden SiO₂-Teilchen. Significant influences on graphite formation during solidification are kinetic in nature: carbon crystallizes from the Only melt in the form of graphite without problems if the Solidification rate not too high, i. H. the wall thickness of the casting or its module (ratio of the casting volume to its free surface) are not too small as well when, in addition to sufficiently high thermodynamic Carbon activity also has enough solid germs. Usually serve as germs from a deoxidation of the Cast iron resulting SiO₂ particles.  

Gußeisen mit Lamellengraphit enthält je nach Einsatzmaterial sowie Schmelz- und Gießbedingungen im Normalfall rd. 40 bis 80 ppm Sauerstoff. Es werden jedoch auch Werte hinunter bis 20 und sehr selten hinauf bis 200 ppm beobachtet. Wie aus Oxidspektren (Fig. 2) hervorgeht, liegt der Sauerstoff mit Ausnahme einer geringen Menge des an der Oberfläche auch von Graphitlamellen molekular angelagerten sogenannten Oberflächensauerstoffs (Fläche A) in gebundener Form vor und zwar im Normalfall als MnO (Fläche B), FeO (Fläche C), SiO₂ (Fläche D), Silicate (Fläche E) und als höherwertige Oxide (Fläche F), davon überwiegend Al₂O₃.Cast iron with lamellar graphite normally contains approx. 40 to 80 ppm oxygen. However, values down to 20 and very rarely up to 200 ppm are also observed. As can be seen from oxide spectra ( FIG. 2), the oxygen is present in a bound form, with the exception of a small amount of the so-called surface oxygen (surface A) , which is also molecularly deposited on the surface of graphite lamellae, namely as MnO (surface B), FeO ( Area C), SiO₂ (area D), silicates (area E) and as higher-quality oxides (area F), mainly Al₂O₃.

Die beim Umschmelzen gebildeten Bläschen rühren aus einer Reduktion einiger dieser Oxide mit dem Kohlenstoff der Schmelze nach der allgemeinen Gleichung MeO + C = Me + CO. In erster Linie werden dabei Oxide mit der kleinsten Bildungsenergie reduziert. Dies sind FeO, MnO und unter bestimmten Bedingungen auch SiO₂.The bubbles formed during the melting process come from a Reduction of some of these oxides with the carbon of the melt according to the general equation MeO + C = Me + CO. First Oxides with the smallest educational energy become a line reduced. These are FeO, MnO and under certain conditions also SiO₂.

Die Praxis hat gezeigt, daß die beim Umschmelzen von Gußkörpern, wie Nockenwellen, aus verschiedenen Lieferquellen auftretenden Fehler in zwei Hauptgruppen einzuteilen sind:Practice has shown that when remelting Castings, such as camshafts, from various sources Errors that occur can be divided into two main groups:

  • - Gut desoxidierte Nockenwellen waren stets bläschenfrei, wiesen aber häufig Graphitausscheidungen auf,- Well deoxidized camshafts were always free of bubbles, but often had graphite deposits,
  • - schlecht desoxidierte Nockenwellen wiesen zwar kaum Graphitausscheidungen auf, dafür aber gehäuft Bläschen.- Badly deoxidized camshafts hardly showed Graphite excretions, but there are more bubbles.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Gußkörpern, insbesondere Nockenwellen für das Umschmelzhärten durch Einstellen einer geeigneten chemischen Zusammensetzung mithilfe geeigneter Legierungselemente mit dem kleinstmöglichen Kostenaufwand in einer Weise, daß beim Umschmelzen keine der geschilderten Fehlerscheinungen auftritt und insbesondere eine sekundärgraphitfreie Umschmelzschicht entsteht.The object of the present invention is to create a Process for the production of castings, in particular Camshafts for remelt hardening by adjusting one appropriate chemical composition using appropriate Alloy elements with the lowest possible cost in such a way that none of the described error occurs and in particular a remnant graphite-free remelting layer is created.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß das Gußeisen mit (in Masse-%)According to the invention, this object is achieved in such a way that that the cast iron with (in mass%)

2,8 bis 3,25% Kohlenstoff
0,1 bis 0,4% Chrom
0,3 bis 0,5% Kupfer
höchstens 0,15% Schwefel
[1,7 (%S) + 0,2] bis [1,7 (%S) + 0,3] % Mangan
Silicium innerhalb eines Bereiches von 1,8 bis 2,5% in einer Menge nach der Beziehung
2.8 to 3.25% carbon
0.1 to 0.4% chromium
0.3 to 0.5% copper
at most 0.15% sulfur
[1.7 (% S) + 0.2] to [1.7 (% S) + 0.3]% manganese
Silicon within a range of 1.8 to 2.5% in an amount according to the relationship

%Si = 0,334 · +
+0,334 · P G -2,48 · (%C)-0,01 · M + 0,615 · (%Cr)
-0,27 · (%Cu) + 5,6±0,1
% Si = 0.334 * +
+0.334 P · G · -2.48 (% C) -0.01 · M · + 0.615 (% Cr)
-0.27 · (% Cu) + 5.6 ± 0.1

mit dem Graphitisierungspotential P G = 0,657M-0,65, und
M (Modul in cm), das ist der Quotient des Volumenanteils der wärmeführenden Oberfläche des Gußstücks,
with the graphitization potential P G = 0.657M -0.65 , and
M (module in cm), this is the quotient of the volume fraction of the heat-conducting surface of the casting,

legiert wird. Das Eisen enthält darüber hinaus die üblichen unvermeidbaren Verunreinigungen. is alloyed. The iron also contains the usual ones unavoidable impurities.  

Bei handelsüblichen Nockenwellen liegt das Graphitisierungs­ potential PG bei 0,9 bis 1,1 und das Modul M bei 0,4 bis 0,6.In the case of commercially available camshafts, the graphitization potential PG is 0.9 to 1.1 and the module M is 0.4 to 0.6.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Festlegung eines der Geometrie des Gußstückes angepaßtes Graphitisierungs­ potential derart, daß zum Erzielen des im Gußzustand erforderlichen graphitischen, d. h. ledeburitfreien Gefüges die kleinste erforderliche stets konstante C-Aktivität eingestellt wird. Den kinetischen Beitrag zur Graphitkristallisation (heterogene Keimbildungskatalyse) leistet ein geeignetes Desoxidationsverfahren. Damit ist die wichtigste Voraussetzung für die Freiheit von Sekundärgraphit nach dem Umschmelzen erfüllt. Durch Zusatz geeigneter Legierungselemente in geeigneten Konzentrationen soll die C-Aktivität im festen Zustand dann zur sicheren Vermeidung von Sekundärgraphit weiter herabgesetzt werden. Die Bläschenbildung wird vermieden, indem für hinreichende Stabilität der Oxide gesorgt wird. Die Abschmelzungen werden durch Begrenzung der Liquidustemperatur auf ein Minimum vermieden. Im Nachfolgenden sollen die Wirkungen der einzelnen Einflußfaktoren erfindungsgemäß beschrieben werden:The invention solves the problem by defining graphitization adapted to the geometry of the casting potential such that to achieve the cast state required graphitic, d. H. ledeburit-free structure smallest required constant C activity set becomes. The kinetic contribution to graphite crystallization (heterogeneous nucleation catalysis) does a suitable one Deoxidation process. This is the most important requirement for the freedom from secondary graphite after remelting Fulfills. By adding suitable alloying elements in suitable concentrations should the C-activity in the solid Condition then continues to safely avoid secondary graphite be reduced. The formation of bubbles is avoided by sufficient stability of the oxides is ensured. The Meltdowns are caused by limiting the liquidus temperature avoided to a minimum. In the following, the Effects of the individual influencing factors according to the invention to be discribed:

Damit beim Umschmelzen kein Materialdefizit durch Abfließen der Schmelze entsteht, ist die Liquidustemperatur mit min. 1200°C anzusetzen. Dies ergibt gemäß den GleichungenSo that there is no material deficit when the remelting process Melt occurs, the liquidus temperature is min. 1200 ° C start. This results according to the equations

TL = 1653-119.CEL TL = 1653-119.CEL

CEL = C + 0,25.Si + 0,5.P CEL = C + 0.25.Si + 0.5.P

den größten zulässigen CEL-Wert von 3,80 als Kriterium für die Festlegung von %C max und %Si max . the largest permissible CEL value of 3.80 as a criterion for determining% C max and% Si max .

Das Kriterium für %C min und %Si min ergibt sich aus der Notwendigkeit, daß für den Erfolg der Umschmelzhärtung, d. h. Umwandlung von Graphit-Austenit- in das Austenit-Zementit- Eutektikum (Ledeburit) eine hinreichende Eutektikummenge vorhanden ist. Sie darf nicht wesentlich niedriger sein als diejenige, die der oberen Begrenzung des CEL-Wertes auf 3,8 (rd. 80% Eutektikum) entspricht und wurde mit rd. 65% entsprechend einem nach unten mit 3,5 zu begrenzenden CEL-Wert festgelegt.The criterion for% C min and% Si min results from the necessity that a sufficient amount of eutectic is available for the success of remelt hardening, ie conversion of graphite-austenite into the austenite-cementite eutectic (ledeburite). It must not be significantly lower than that which corresponds to the upper limit of the CEL value at 3.8 (approx. 80% eutectic) and was approx. 65% according to a lower limit of 3.5 with the CEL value.

Die Reduzierbarkeit von SiO₂ und somit die Bläschenbildung hängt von der Lage ihrer Gleichgewichtstemperatur nach K. E. Höner und S. Baliktay (Giess.-Forsch. 25, 1973, Nr. 1, S. 21-27) sowie H. Schenk und E. Steinmetz (Wirkungsparameter von Begleitelementen flüssiger Eisenlösungen und ihre gegenseitigen Beziehungen. Verl. Stahleisen. Düsseldorf 1968)The reducibility of SiO₂ and thus the formation of bubbles depends on the position of their equilibrium temperature according to K.E. Höner and S. Baliktay (Giess.-Forsch. 25, 1973, No. 1, pp. 21-27) and H. Schenk and E. Steinmetz (impact parameters of Accompanying elements of liquid iron solutions and their mutual Relationships. Verl. Steel iron. Düsseldorf 1968)

ab. Sie steigt mit zunehmendem Si- und abnehmenden C-Gehalt. Ist die Umschmelztemperatur gleich T G erfolgt die Reduktion gemäß der Gleichungfrom. It increases with increasing Si and decreasing C content. If the remelting temperature is equal to T G , the reduction takes place according to the equation

SiO₂ + 2 C = Si + 2 COSiO₂ + 2 C = Si + 2 CO

jedoch aus kinetischen Gründen noch nicht. Dies geschieht erst bei einem gewissen Abstand vom Gleichgewicht. Bei einer gegebenen Umschmelztemperatur steigt dieser Abstand, bzw. die Antriebskraft der Reduktionsreaktion mit fallender Gleichgewichtstemperatur. but not for kinetic reasons. This is only happening at some distance from balance. At a given the melting temperature, this distance increases, or the Driving force of the reduction reaction with falling Equilibrium temperature.  

Die niedrigste zulässige T G -Lage zur Vermeidung der SiO₂- Reduktion und somit der Bläschenbildung beim Umschmelzen wurde auf 1380°C festgelegt. Damit ist das erste Kriterium für Si min und ein weiteres für C max bekannt.The lowest permissible T G position to avoid the SiO₂ reduction and thus the formation of bubbles when remelting was set at 1380 ° C. The first criterion for Si min and another for C max are thus known.

Die oben genannten Bedingungen werden erfüllt bei der Festlegung des C-Bereiches von 2,81 bis 3,25% und der Si-Gehalte von 1,9 bis 2,5%.The above conditions are met at the Definition of the C range from 2.81 to 3.25% and the Si contents from 1.9 to 2.5%.

Chrom in einer Menge von 0,1 bis 0,4% verringert die Kohlen­ stoffaktivität im festen Zustand zur Vermeidung von Sekundär­ graphit. Kupfer in einer Menge von 0,3 bis 0,5% bietet die Möglichkeit, die Menge an Mangan begrenzen zu können, wodurch Mangansteigerungen auf den Korngrenzen, welche die Gefahr der Martensitbildung beträchtlich steigern, weitestgehend vermieden werden, das Perlitgefüge aber in der gleichen Weise wie mit Mangan stabilisiert wird.Chromium in an amount of 0.1 to 0.4% reduces the coals Solid substance activity to avoid secondary graphite. The copper offers 0.3 to 0.5% Possibility to limit the amount of manganese, thereby Manganese increases on the grain boundaries, which increase the risk of Significantly increase the formation of martensite, largely avoided the pearlite structure in the same way as with Manganese is stabilized.

Silicium erhöht die Kohlenstoffaktivität im festen Zustand offenbar stärker als im flüssigen. Dieser Einfluß kann durch weitere Maßnahmen kompensiert werden, so durch eine Begrenzung des Aluminium-Gehalts auf 0,004 bis 0,009%, einen Al₂O₃-Gehalt von mindestens 0,0005% und/oder durch den Zusatz von 0,03 bis 0,06% Ti und/oder 0,03 bis 0,08% V.Silicon increases carbon activity in the solid state apparently stronger than in the liquid. This can be influenced by further measures can be compensated, so by a limitation the aluminum content to 0.004 to 0.009%, an Al₂O₃ content of at least 0.0005% and / or by adding 0.03 to 0.06% Ti and / or 0.03 to 0.08% V.

Titan und Vanadin setzen die Kohlenstoffaktivität stärker herab als Chrom und Mangan, sie besitzen aber auch eine höhere Affinität zu Sauerstoff und Stickstoff. Ihre Konzentrationen wurden unter Berücksichtigung der im Gußeisen vorliegenden Sauerstoff- und Stickstoffpotentiale, der Löslichkeitsprodukte, der Aktivitätskoeffizienten sowie ihrer Änderungen im Verlauf der Auflösung von Legierungszusätzen so gewählt, daß Titan anteilig zwar noch Nitride jedoch kaum noch Oxide bilden kann, Vanadium aber aufgrund der abschirmenden Wirkung von Titan praktisch vollständig für die Senkung der Kohlenstoffaktivität zur Verfügung steht.Titanium and vanadium reduce the carbon activity more than chrome and manganese, but they also have a higher one Affinity for oxygen and nitrogen. Your concentrations were made taking into account the cast iron Oxygen and nitrogen potentials of the solubility products,  the activity coefficients and their changes over time the dissolution of alloy additives so chosen that titanium Proportionally, nitrides can hardly form oxides, Vanadium, however, due to the shielding effect of titanium practically complete for lowering carbon activity is available.

Zur weitestgehenden Verringerung der beim Gießen an Luft praktisch nicht zu verhindernden FeO-Bildung muß Gußeisen vor und während des Gießvorganges mit dem Ziel der Bildung stabiler Oxide desoxidiert werden, wobei als Ergebnis einer teilweisen Verschlackung dieser Oxide der Gesamtsauerstoffgehalt des Gußeisens mehr oder weniger stark abnimmt. Durch Umschmelz­ versuche mit Nockenwellen wurde nachgewiesen, daß sich Bläschen dann mit Sicherheit nicht bilden, wenn die Gleichgewichts­ temperatur der SiO₂-Reduktion mit Kohlenstoff der Schmelze 1380°C liegt und das Verhältnis des als SiO₂ zu dem als FeO + MnO gebundenen Sauerstoffs den Wert von 2,0 überschreitet. Unter solchen Bedingungen haben andere im Eisen vorhandenen Gase keine Bedeutung.To reduce as much as possible when pouring in air Cast iron must be practically unavoidable and more stable during the casting process with the aim of formation Oxides are deoxidized, as a result of which a partial Slagging of these oxides the total oxygen content of the Cast iron decreases more or less. By remelting Experiments with camshafts have been shown to cause bubbles then certainly not form if the equilibrium temperature of SiO₂ reduction with carbon Melt is 1380 ° C and the ratio of SiO₂ to that as FeO + MnO bound oxygen the value of 2.0 exceeds. In such conditions, others have iron existing gases are of no importance.

Die folgenden Beispiele verdeutlichen die Erfindung:The following examples illustrate the invention:

Für eine Versuchsnockenwelle mit dem Modul 0,48 cm und dem davon abhängigen notwendigen Graphitisierungspotential PG = 1,05 war die chemische Zusammensetzung mit 3,0 bis 3,1% C, 2,0 bis 2,1% Si, 0,3 bis 0,4% Cr und 0,4 bis 0,5% Cu vorgeschrieben. Bei 3,1% C, 2,05% Si, 0,4% Cr und 0,5% Cu war das Gefüge im Gußzustand meliert, d. h. es bestand sowohl aus eutektischem Graphit als auch Ledeburit. Die Nockenwelle war aus diesem Grund praktisch nicht zerspanbar. Bei einer Anhebung des Si-Gehalts auf 2,2% entsprechend der im Anspruch 1 ausgewiesenen Formel war das Gefüge jedoch frei von eutektischem Zementit. Der Untersuchung lagen jeweils 200 Proben zugrunde.For a test camshaft with the module 0.48 cm and the required graphitization potential PG = 1.05, the chemical composition was 3.0 to 3.1% C, 2.0 to 2.1% Si, 0.3 to 0.4% Cr and 0.4 to 0.5% Cu prescribed. At 3.1% C, 2.05% Si, 0.4% Cr and 0.5% Cu the structure was mottled in the as-cast state, ie it consisted of both eutectic graphite and ledeburite. For this reason, the camshaft was practically not machinable. However, when the Si content was increased to 2.2% in accordance with the formula shown in claim 1, the structure was free of eutectic cementite. The investigation was based on 200 samples each.

Eine Nockenwelle mit dem Modul M = 0,53 cm, dem notwendigen PG- Wert von 0,99 war bei 3,1% C, 2% Si, 0,15% Cr und 0,3% Cu bläschenfrei, zeigte nach dem Umschmelzen jedoch häufig unzulässige Sekundärgraphitausscheidungen. Durch Anhebung des Cr-Gehaltes auf 0,4% waren noch geringe, für Otto-Motoren tolerierbare, für Diesel-Motoren jedoch schon unzulässige Ausscheidungen von Sekundärgraphit vorhanden. Dieser Unter­ suchung liegen rd. 50 000 Nockenwellen zugrunde.A camshaft with the module M = 0.53 cm, the necessary PG value of 0.99 was free of bubbles at 3.1% C, 2% Si, 0.15% Cr and 0.3% Cu, showed after remelting however, often inadmissible secondary graphite precipitations. By increasing the Cr content to 0.4%, there were still small amounts of secondary graphite which were tolerable for gasoline engines but already impermissible for diesel engines. This investigation is approx. Based on 50,000 camshafts.

Eine weitere Erhöhung des Cr-Gehaltes führte trotz einer gleichzeitigen Steigerung des Si-Gehaltes im Gußzustand zu einer verstärkten Carbidbildung, wodurch die Zerspanbarkeit in unzulässiger Weise verschlechtert wurde.A further increase in the Cr content led despite a simultaneous increase in the Si content in the as-cast state to increased carbide formation, which increases machinability has deteriorated inappropriately.

Die gleiche Nockenwelle hatte mit 3,23 bis 3,25% C, 1,7 bis 1,8% Si, 0,15% Cr, 0,3% Cu, 0,05% Ti und 0,05% V keinen Sekundärgraphit, zeigte im Verschleißtest bis dato noch nie erreichte Ergebnisse, hatte aber Bläschen. Dieser Untersuchung liegen rd. 20 000 Nockenwellen zugrunde. Durch Senkung des C-Gehalts auf 3,1 und Steigerung des Si-Gehalts auf 2% Si entsprechend den in den Ansprüchen 1 und 3 ausgewiesenen Gleichungen waren nunmehr auch die Bläschen nicht mehr vorhanden. Dieser Untersuchung liegen rd. 5000 Nockenwellen zugrunde.The same camshaft had 3.23 to 3.25% C, 1.7 to 1.8% Si, 0.15% Cr, 0.3% Cu, 0.05% Ti and 0.05% V none Secondary graphite, never shown in the wear test achieved results but had blisters. This investigation are approx. Based on 20,000 camshafts. By lowering the C content to 3.1 and increase in Si content to 2% Si corresponding to those identified in claims 1 and 3 The bubbles were no longer equations available. This investigation is approx. 5000 camshafts underlying.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Gußeisen mit Lamellengraphit für zumindest partiell umschmelzgehärtete Gußkörper, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gußeisen (in Masse-%) 2,8 bis 3,25% Kohlenstoff
0,1 bis 0,4% Chrom
0,3 bis 0,5% Kupfer
höchstens 0,15% Schwefel
[1,7 (%S) + 0,2] bis [1,7 (%S) + 0,3] % Mangan
ein Siliciumgehalt innerhalb eines Bereiches von 1,8 bis 2,5% in einer Menge nach der Beziehung%Si = 0,334 · +
+0,334 · P G -2,48 · (%C)-0,01 · M + 0,615 · (%Cr)
-0,27 · (%Cu) + 5,6±0,1mit dem Graphitisierungspotential P G = 0,657M-0,65, und
M (Modul in cm), das ist der Quotient des Volumenanteils der wärmeführenden Oberfläche des Gußstücks,
zulegiert wird.
1. A process for the production of cast iron with lamellar graphite for at least partially remelt-hardened castings, characterized in that the cast iron (in mass%) 2.8 to 3.25% carbon
0.1 to 0.4% chromium
0.3 to 0.5% copper
at most 0.15% sulfur
[1.7 (% S) + 0.2] to [1.7 (% S) + 0.3]% manganese
a silicon content within a range of 1.8 to 2.5% in an amount according to the relationship% Si = 0.334 · +
+0.334 P · G · -2.48 (% C) -0.01 · M · + 0.615 (% Cr)
-0.27 · (% Cu) + 5.6 ± 0.1 with the graphitization potential P G = 0.657M -0.65 , and
M (module in cm), this is the quotient of the volume fraction of the heat-conducting surface of the casting,
is alloyed.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von SiO₂ zu (FeO + MnO) auf größer/gleich 2 unterschreitet und die Gleichgewichtstemperatur der SiO₂-Reduktion durch Kohlenstoff auf größer/gleich 1380°C eingestellt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that of SiO₂ to (FeO + MnO) is less than or equal to 2 and the equilibrium temperature of the SiO₂ reduction by carbon to 1380 ° C or greater can be set. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gußeisen zusätzlich 0,03 bis 0,06 Masse-% Titan und/oder 0,03 bis 0,08 Masse-% Vanadium zulegiert werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Cast iron additionally 0.03 to 0.06 mass% titanium and / or 0.03 to 0.08 mass% vanadium be alloyed. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte (in Masse-%) an Aluminium auf 0,004 bis 0,0090% und an Al₂O₃ auf mindestens 0,0005% eingestellt werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Aluminum content (in mass%) to 0.004 to 0.0090% and Al₂O₃ set to at least 0.0005% will. 5. Gußeiserne Nockenwelle für Verbrennungsmotoren mit umschmelzgehärteten Nockenoberflächen, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.5. Cast iron camshaft for internal combustion engines remelt-hardened cam surfaces, manufactured according to the method according to one of claims 1 to 4.
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