DE4305027A1 - - Google Patents

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 1

Physikalische Eigenschaften einiger Carbide und "Phasen"

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 2

Verschleißergebnisse in Ringen mit oder ohne NbC

Tabelle 3 zeigt die Grundzusammensetzung der getesteten Legie­ rungen.

Tabelle 3

Analyse der chemischen Zusammensetzung (Gew.-%)

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.