DE4305027A1 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Kugelgraphitguß
eisenzusammensetzung, die insbesondere bei der Herstellung von
Kolbenringen für Verbrennungsmotoren verwendbar ist, und ein
Verfahren zur Herstellung dieses neuen Kugelgraphitgußeisens.
Die Verwendung von Kugelgraphitgußeisen mit guten mechanischen
Eigenschaften ähnlich denen von Stahl ist bei der Herstellung
von Kolbenringen für Verbrennungsmotoren bereits bekannt. Trotz
dieser guten mechanischen Eigenschaften entsprechen diese be
kannten Kolbenringe aus Kugelgraphitgußeißen jedoch nicht immer
den Anforderungen der Verschleißfestigkeit in den Verbrennungs
motoren.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue
Kugelgraphitgußeisenzusammensetzung mit besonderer Eignung bei
der Herstellung von Kolbenringen für Verbrennungsmotoren bereit
zustellen, die eine gegenüber den bisher bekannten Teilen aus
Kugelgraphitgußeisen optimierte Verschleißfestigkeit aufweist.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereit
stellung eines Verfahrens zur Herstellung dieses Kugelgraphit
gußeisens.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereit
stellung eines aus Kugelgraphitgußeisen hergestellten Kolben
ringes, der verschleißfester ist.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das
fragliche Kugelgraphitgußeisen durch eine Bainit-, Martensit-,
Pearlit- oder Ferrit-Matrix einer Reinheit von etwa 99,6% ge
bildet, die 10 bis 12 Vol.-% kugelige Gaphitteilchen darin dis
pergiert und etwa 0,2 bis 1,2 Vol.-% Carbidteilchen großer Härte
des MC-Typs enthält, worin M mindestens eines der Elemente ist,
ausgewählt aus der aus Ti, Ta, Zr, Hf, V und Nb bestehenden Grup
pe.
Das oben genannte Kugelgraphitgußeisen weist in der metallischen
Matrix dispergierte harte Teilchen auf, wodurch eine wesentlich
erhöhte Beständigkeit gegen Abriebverschleiß erzielbar ist, weil
während der Verwendung eines mit diesem Material hergestellten
Stückes die harten Teilchen allmählich aus der Verschleißfläche
der umgebenden Matrix hervortreten.
Im besonderen Fall von Kolbenringen für Verbrennungsmotoren
neigt die aus Kugelgraphitgußeisen hergestellte metallische Ma
trix im Bereich der äußersten Kante des Ringes zu einem Abrieb
verschleiß. Dieser Verschleiß wird im erfindungsgemäßen Material
jedoch durch die aus der Oberfläche hervortretenden Teilchen
oder Inseln eines wesentlich härteren Materials verringert. Es
ist auch eine Verringerung des Kontaktdruckes in der Matrix er
reichbar, wodurch der Haftungsverschleiß minimiert wird.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß während des Abriebver
schleißes eines mit dem erfindungsgemäßen Material hergestellten
Stückes die Teilchen aus hartem Material als blockierende Ele
mente wirken, die Verschleißkratzer aufhalten, welche für die
allmähliche Entfernung des Materials aus der Matrix verantwort
lich sind, wodurch eine Beschädigung durch Verkratzen vermieden
wird.
Obgleich in dieser Beschreibung nicht näher diskutiert, sollte
festgestellt werden, daß die Teilchen aus hartem Material auch
dazu neigen, den durch korrosiven Verschleiß verursachten Abrieb
der mit dem neuen Kugelgraphitgußeisen hergestellten Stücke zu
verringern.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt das
Verfahren zur Herstellung des fraglichen Kugelgraphitgußeisens
die Schritte:
- a) Zugeben zu einem Bad von weniger als 0,015% Schwefel und weniger als 0,04% Phosphor enthaltendem Graugußeisen einer Beladung von etwa 0,2 bis 1,2%, bezogen auf das Badgewicht, mindestens einer Ferrolegierung der Formel Fe-FeM oder Fe-MC, worin M mindestens eines der Elemente ist, ausgewählt der aus Ti, Ta, Zr, Hf, V und Nb bestehenden Gruppe,
- b) Durchführen mindestens einer Pelletierung des Bades durch Einführen von Ferrosilicium-Magnesium.
Durch Anwendung des obigen Verfahrens kann man das erfindungsge
mäße Kugelgraphitgußeisen erhalten; weiter wurde festgestellt,
daß die Pelletierung des Graugußeisenbades, das noch in nur
einer Phase das oder die die harten Teilchen bildenden Elemente
enthält, nach Gießen des Stückes, insbesondere, wenn M Niobium
ist, zu einer dramatischen Änderung der Morphologie der MC-Car
bide führt, und zwar von der Form eines chinesischen Schrift
zeichens zur Bildung idiomorpher polygonaler Inseln, die nach dem
Erstarren des Bades zu einem Gußstück eine harte Phase aufwei
sen.
Diese in der Kugelgraphitgußeisenmatrix dispergierten idiomor
phen polygonalen Inseln aus hartem Material sind diskontinuier
lich und bilden keine Wege einer Rißausbreitung, wie dies mit
den harten Phasen vom Typ eines chinesischen Schriftzeichens im
Graugußeisen der Fall ist. Ferner haben diese idiomorphen poly
gonalen Inseln aus hartem Material eine durchschnittliche Brei
te, die etwas größer als die der Kratzer des Abriebverschleißes
ist, die auf den mit dem erfindungsgemäßen Kugelgraphitgußeisen
hergestellten Stücken auftreten.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnun
gen beschrieben, worin:
Fig. 1 in metallographischer Darstellung Niobiumcarbid(NbC)-in
seln veranschaulicht, die als harte Phase in einer Matrix aus
bekanntem Kugelgraphitgraugußeisen dispergiert sind; diese In
seln zeigen die Morphologie eines chinesischen Schriftzeichens;
Fig. 2 veranschaulicht in metallographischer Darstellung Niobi
umcarbid(NbC)-inseln, die als harte Phase in einer Matrix aus
erfindungsgemäßen Kugelgraphitgraußgußeisen dispergiert sind,
wobei diese Inseln eine idiomorphe polygonale Morphologie zei
gen;
Fig. 3 veranschaulicht in vergrößerter metallographischer Dar
stellung eine Matrix aus Kugelgraphitgußeisen von angelassenem
Martensit, die idiomorphe polygonale Inseln von Niobiumcarbid
enthält, die die Kratzer eines Abriebverschleißes, dem das Stück
ausgesetzt wurde, aufhalten, und
Fig. 4 veranschaulicht in metallographischer Darstellung eine
Situation ähnlich der in Fig. 3 gezeigten, wobei der Mechanismus
zum Unterbrechen der Verschleißkratzer im Stück angegeben wird;
dieser Mechanismus wird durch die harten Niobiumcarbidteilchen
in der Matrix des Kugelgraphitgußeißens von angelassenem Marten
sit definiert.
Wie in Fig. 1 dargestellt, führt die Zugabe der MC-Carbide zum
Graugußeisen (lamellarer Graphit) zur Bildung von Gußstücken
mit Teilchen eines wesentlich härteren Materials, wie Niobium
carbid, die in der Gußeisenmatrix in Form verlängerter Linien
vom Typ eines chinesischen Schriftzeichens dispergiert sind. Diese
verlängerten Linien aus wesentlich härterem Material definieren
natürliche Wege für die Ausbreitung von Rissen in dem Stück, und
sie haben eine geringere Breite, so daß ihre Fähigkeit, die
Kratzer eines Abriebverschleißes in dem mit dem Material gebil
deten Stück aufzuhalten, begrenzt ist.
Fig. 1 veranschaulicht die lamellaren Graphitinseln und die ver
längerten Linien des in der Matrix von Graugußeisen (FoFo) dis
pergierten Niobiumcarbids (NbC).
In Fig. 2 sind die durch MC-Carbide gebildeten Teilchen aus viel
härterem Material in der Matrix von Kugelgraphitgußeisen (Kugel
graphit FoFo) in Form von Inseln diskontinierlicher Morphologie
dispergiert und bilden eine mittlere Fläche, deren Querschnitt
größer als die Breite der Verschleißkratzer ist, wie in den Fig. 3
und 4 dargestellt.
Das in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellte Beispiel bezieht sich
auf eine Matrix von angelassenem Martensit, die Niobiumcarbid-
(NbC)-teilchen in Dispersion enthält. Selbstverständlich kann
der gleiche Effekt jedoch auch für andere Matrices erwartet
werden, wie z. B. solche von Bainit, Pearlit und sogar Ferrit
großer Härte. Die Ferromatrix sollte eine solche Reinheit auf
weisen, daß Schwefel unter 0,015% und Phosphor unter 0,04%
vorliegt.
Unter den zur Verwendung in Gußeisen verfügbaren Legierungsele
menten sind einige von besonderem Interesse, wie z. B. solche,
die mit Kohlenstoff Verbundstoffe großer Härte und hohen
Schmelzpunktes bilden und die Reaktionen des Gußeisens in festem
und flüssigem Zustand nur minimal stören und wenig Abänderung
in der Herstellungsschritten erfordern, wenn die anderen Legie
rungselemente unverändert bleiben. Elemente mit derartigen
Eigenschaften sind die Bildner von Carbiden des MC-Typs, worin M
mindestens eines der folgenden Elemente umfassen kann: Ti, Ta,
Zr, Hf, V und Nb, und zwar mit einer breiten gegenseitigen Lös
lichkeit.
Von den oben genannten Elementen wurde Niobium als MC-Bildner
aufgrund seiner Verfügbarkeit auf dem Markt sowie seiner beson
ders interessanten Eigenschaften gewählt, wobei es wenig Störung
bei den Pelletierungsreaktionen gibt, wodurch es den oben be
schriebenen idealen Bedingungen sehr nahe kommt. Niobium rea
giert mit Kohlenstoff bei hoher Temperatur und hat in der Car
bidform ferner eine geringe Löslichkeit in der Ferromatrix, was
durch Untersuchung des Produktes der Löslichkeit dieses Elemen
tes in diesem Material festgestellt werden kann; ein weiterer
Vorteil ist eine 90%ige Rückgewinnung in den Zuschlägen.
Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kugelgra
phitgußeisens umfaßt den Anfangsschritt der Bereitstellung eines
Bades von Graugußeisen einer solchen Reinheit, daß die Mengen an
Schwefel und Phosphor kleiner als 0,015% bzw. 0,04% sind; die
ses Bad besteht aus einer festen metallischen Beladung, die dem
für ein Gießen desselben angepaßten Ofen, z. B. einem Drei-Pha
sen-Elektrobogenofen, zugeführt wird. Diese metallische Beladung
wird als Funktion des herzustellenden Endproduktes berechnet und
umfaßt eine aus Roheisen, Stahl und Abfall (Ausschuß, Chips und
Spritzern) bestehende Grundbeladung.
Nach der Beladung des Ofens wird die Grundbeladung geschmolzen;
dann erhält sie einen Zuschlag von etwa 0,2 bis 1,2% von Ferro
legierungen auf Si-, Ni-, Mo- und Na-Grundlage, wobei die Legie
rungskomponenten chemisch analysiert werden, um die gewünschte
Endzusammensetzung zu erhalten. Die Elemente C und Si können ge
gebenenfalls gewisse Korrekturen erfahren.
Im vorigen Absatz wurde der Zuschlag einer Ferrolegierung auf
Niobiumgrundlage neben den bereits für derartige Zuschläge be
kannten Ferrolegierungen erwähnt, wie Ferrosilicium, Ferronickel
und Ferromolybdär. Wie bereits erwähnt, kann das neue Element
der Ferrolegierung jedoch aus mindestens einem der Elemente be
stehen, ausgewählt aus der aus Ti, Ta, Zr, Hf, V und Nb bestehen
den Gruppe.
Die Korrektur des Endbades kann im Elektroofen (Hochofen) erfol
gen, in welchen Niobium (in Ferrolegierung) eingeführt wird, da
es zum Lösen eine hohe Temperatur erfordert. Nur geringfügige
Endkorreturen von Niobium (oder anderer Elemente der Zuschlag
legierung) können später außerhalb des Ofens und vor dem Abste
chen in die Formen erfolgen.
Im Fall des Niobiumzuschlags wurde es als zweckmäßiger gefunden,
mit einer etwa 60 bis 85% Niobium enthaltenden Ferrolegierung
zu arbeiten.
Nach dem vollständigen Schmelzen der Zuschlaglegierungen mit der
metallischen Grundbeladung wird das Bad durch einen Schmelztie
gel zu einem anderen Ofen, z. B. einem Detroit-Ofen, überführt,
wo noch gewisse geringfügige Endeinstellungen der neuen Ferrole
gierung gemacht werden können.
Die Pelletierung des schmelzenden Eisenbades erfolgt, mindestens
in einem ersten Schritt, in einem flachen Reaktionsbehälter
durch Animpfen des Bades mit einer bestimmten Menge Eisen,
Silicium und Magnesium (Fe, Si, Mg).
Der Anteil der pelletierenden Legierung wird nach bekannten Ver
fahren vorbestimmt und ist eine Funktion der Menge der in der
Reaktion herzustellenden Gußeinheiten.
Unmittelbar nach der ersten Phase der Pelletierung wird das Bad
in weniger als 3 min durch Steuern der Metalltemperatur in der
Pelletierungsreaktion, der Temperatur der Schreckform, der Menge
der auf die Schreckform aufgebrachten Schutzfarbe und der chemi
schen Analyse des zu schmelzenden Metalls zum Endabstich ge
führt.
Während des Metallabstichs in die Formen wird die schmelzende
Beladung einer zweiten Phase des Animpfens unterzogen, und zwar
durch einen zweiten Schritt der Fe-Si-Impfung.
Nach Entfernen aus den Formen werden die Kugelgraphitgußeisen
stücke normalerweise einem Strahlblasen unterworfen und pro
Charge identifiziert. Bei jeder Charge erfolgt eine metallogra
phische Analyse des zuletzt geformten Stückes, wobei diese Art
der Analyse eine 100%ige Bewertung der Reaktionen zuläßt.
Bei den so hergestellten Stücken können ihre ferritischen Eigen
schaften zur weiteren maschinellen Bearbeitung des Kolbenringes
noch verbessert werden; dieser wird auch abgeschreckt und ange
lassen.
Tabelle 1 zeigt typische Härtewerte für einige Carbide sowie
metallische Matrices.
Tabelle 2 zeigt die erhöhte Verschleißfestigkeit, wenn Niobium
im Bereich von 0,2 bis 1,2%, bezogen auf das Gewicht des Kugel
graphitgußeisens, zugefügt wird, verglichen mit anderen Kugel
graphitmaterialien, wobei die anderen Variablen unverändert
sind. Der Verschleiß wurde an einem Ölring (077 h, 2 mm) gemes
sen, der 94 h in einem 4-Zylinder-Ottomotor (1,6 l, 60 KW) ge
testet worden war; es wurden zwei Ringe für jedes Material ver
wendet.
Tabelle 3 zeigt die Grundzusammensetzung der getesteten Legie
rungen.
Die Niobiumgehalte variieren innerhalb der obigen Bereiche ent
sprechend den Verwendungserfordernissen Strengeren Anforderun
gen entsprechen Niobiumgehalte im oberen Bereich.
Dieses Konzept der Erhöhung der Verschleißfestigkeit eignet sich
für Dimensionsveränderungen in radialer Richtung für Kompressi
onsringe und Ölringe sowie zum Minimieren des Höhenverlustes von
Kompressionsringen in der ersten Rille.
Claims (5)
1. Kugelgraphitgußeisen, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:
eine metallische Bainit-, Martensit-, Pearlit- oder Ferrit- Ma
trix einer Reinheit von etwa 99,6%, in der die Schwefel- und
Phosphorgehalte unter 0,015% bzw. 0,04% gehalten werden, 10
bis 12 Vol.-% Graphitteilchen und etwa 0,2 bis 1,2 Vol.-% Car
bidteilchen großer Härte des MC-Typs, wobei diese Teilchen in
der geschmolzenen metallischen Matrix dispergiert sind und M
mindestens eines der Elemente ist, ausgewählt aus der aus. Ti,
Ta, Zr, Hf, V und Nb bestehenden Gruppe.
2. Kugelgraphitgußeisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die metallische Matrix von angelassenem Martensit Niobium
carbid(NbC)-teilchen in Dispersion enthält.
3. Verfahren zur Herstellung von Kugelgraphitgußeisen, dadurch
gekennzeichnet, daß es die Schritte umfaßt: Zugeben zu einem Bad
eines weniger als 0,015% Schwefel und weniger als 0,04% Phos
phor enthaltenden Graugußeisens einer Beladung von etwa 0,2 bis
1,2%, bezogen auf das Gewicht des Bades, mindestens einer Fer
rolegierung der Formel Fe-FeM oder Fe-MC, worin M mindestens
eines der Elemente ist, ausgewählt aus der aus Ti, Ta, Zr, Hf, V und
Nb bestehenden Gruppe, Durchführen mindestens einer Pelletierung
des Bades durch Animpfen mit niedrigen Ferrosilicium-Magnesium
und Abstechen des pelletierten metallisches Bades in die Formen
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Pelletierung in mindestens zwei Schritten durch Animpfen des
metallischen Bades mit niedrigem Ferrosilicium-Magnesium er
reicht wird, wobei das zweite Animpfen während des Abstichs des
Bades erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man
das Bad aus Graugußeisen erhält, indem man einem Grundbad aus
Roheisen, Stahl und Ausschluß Ferrolegierungen auf Si-, Ni- und
Mo-Grundlage und mindestens eines der Elemente, ausgewählt aus
der aus Ti, Ta, Zr, Hf, V und Nb bestehenden Gruppe, zufügt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ferrolegierungen eine Ferrolegierung mit etwa 60 bis 85% Nio
bium einschließen.
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