DE60305389T2

DE60305389T2 - Kugelgraphitgusseisen für Kolbenringe und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE60305389T2
Application number: DE60305389T
Authority: DE
Inventors: Alberto Molinari; Dimitri Anguillesi
Original assignee: ASSO WERKE Srl
Current assignee: ASSO WERKE Srl
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2023-07-25
Also published as: US20040071584A1; EP1384794A1; ITMI20021670A1; DE60305389D1; PT1384794E; ES2264507T3; EP1384794B1; ATE327351T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kugelgraphitgusseisen, das beispielsweise für die Herstellung von Kolbenringen verwendet werden kann, die im Inneren der Zylinder von Motoren arbeiten, und ein Verfahren zum Gewinnen besagten Kugelgraphitgusseisens.
Es ist bekannt, dass Kugelgraphitgusseisen in vielen Bereichen verwendet wird, wie beispielsweise Schienen für Züge, Maschinenbetten, Gleitführungen, Motorzylinder, Getriebe etc.
In diesen Bereichen sind die Hauptanforderungen des Gusseisens zumeist, eine große Härte und daher eine hohe Zugfestigkeit, einen guten Widerstand gegen Verschleiß und einen geringen thermischen Expansionskoeffizienten zu haben.
Es ist beispielsweise aus der Europäischen Patentanmeldung 0144907 ein ausgetempertes Kugelgraphitgusseisen bekannt, das zur Herstellung mechanischer Teile verwendet wird, und sowohl für die Herstellung dünner Teile als auch von Elementen, die einen dicken Wandquerschnitt haben, geeignet ist; dieses Patent beschreibt auch, dass, wenn dieser Typ von Kugelgraphitgusseisen hergestellt wird, es unvermeidbare Verunreinigungen oder Porositäten im Gusseisen gibt.
Aus diesem Grund kann dieser Typ von Gusseisen nicht dazu in der Lage sein, die Elastizitäts- und Festigkeitsprobleme zu bewältigen, die beispielsweise im Bereich von Kolbenringen für Kolben kennzeichnend sind, da es nicht gemäß einem Schmelzverfahren hergestellt wird, das seine Benutzung für Kolbenringe ermöglicht. Kolbenringe werden in der Tatsache durch dünne Gussteile zur Verfügung gestellt, und folglich kann ein Gusseisen, das eine Porosität hat, trotz ausgezeichneter mechanischer Qualitäten, nicht die erforderlichen Bedingungen von Elastizität, Verformbarkeit, mechanischer Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit erfüllen, die für die Verwendung und Verlässlichkeit von Kolbenringen erforderlich sind.
Eine Benutzung von Kugelgraphitgusseisen, das speziell geeignet für den Bereich der Kolbenringe ist, ist bereits aus dem Patent GB 840490 bekannt; dieses Patent stellt die Möglichkeit vor, Kolbenringe für Motoren zur Verfügung zu stellen, die aus Kugelgraphitgusseisen mit einer vollständig bainitischen Matrix gemacht sind. Dieses Patent beschreibt tatsächlich die Möglichkeit, Kugelgraphitgusseisen-Güsse für Kolbenringe durchzuführen, die nachfolgend wärmebehandelt werden, bis eine vollständig bainitische metallurgische Matrix vorgesehen ist; es muss bekannt sein, dass metallurgische Strukturen, wie Bainit und Martensit eine geringe Härte und daher geringe Schlagfestigkeit haben, obwohl sie die Eigenschaft einer hohen Bruchfestigkeit haben.
Die DE-A-43 05 027 offenbart ein Kugelgraphitgusseisen, das für Kolbenringe geeignet ist, welches beispielsweise 0,54 Gew.-% Nickel aufweist und eine Mikrostruktur von beispielsweise Perlit, Ferrit, Bainit oder getempertem Martensit hat.
Es muss bekannt sein, dass Kolbenringe von Verbrennungsmotoren gegenwärtig in zwei Typen unterteilt werden: Gusseisen-Kolbenringe und Stahl-Kolbenringe.
Gusseisen-Kolbenringe, die ihrerseits aus Gusseisen mit Lamellengraphit oder Gusseisen mit Kugelgraphit gemacht werden können, werden aus Gussteilen erhalten, die nachfolgend auf Werkzeugmaschinen bearbeitet werden. Die spezielle Bearbeitbarkeit von Gusseisen ermöglicht es tatsächlich, Kolbenringe zu erhalten, die komplexe geometrische Gestalten haben, die sich auf optimale Weise an die Innenform des Zylinders und an die Gestalt des Kolbens anpassen können, – wodurch sie eine ausgezeichnete Dichtigkeit gegenüber Öl erreichen, den Blowby bei Viertaktmotoren begrenzen, das Gleiten vereinfachen und dadurch es ermöglichen, sehr hohe Gleitgeschwindigkeiten und einen begrenzten Verschleiß zu erreichen, all dies in Verhältnis zu den speziellen thermischen Ausdehnungen des Zylinders, die gegen den Kolben arbeiten, – und an das verringerte Eindringen des Kolbenrings in die Durchlassöffnungen von Zweitaktmotoren.
Eine andere wesentliche Charakteristik von Gusseisen-Kolbenringen ist, dass die Graphitstruktur von Gusseisen es ermöglicht, ausgezeichnete tribologische Eigenschaften und eine hohe thermische Leitfähigkeit zu haben, um so eine ausgezeichnete Fähigkeit zur Selbstschmierung zu ermöglichen, so ein besseres Gleiten, einen niedrigen Reibungskoeffizienten und folglich weniger Verschleiß bei Betrieb zur Verfügung zu stellen, als mit Stahl-Kolbenringen erreichbar ist.
Man muss in Betracht ziehen, dass Kugelgraphitgusseisen-Kolbenringe, wie alle Bauteile, die aus Kugelgraphitgusseisen gefertigt sind, mechanische Charakteristiken und Festigkeitscharakteristiken haben, die in jedem Fall besser sind, als die von Kolbenringen, die aus Gusseisen mit Lamellengraphit gefertigt sind, da im lamellenförmigen Graphit die Eckpunkte der Lamellen eine Reihe von lokalen, spannungsintensivierenden Effekten erzeugen, welche besagte Struktur unter Spannung setzen und schwächen.
Stahl-Kolbenringe haben eine bei weitem größere Bruchfestigkeit, Streckfestigkeit, Schlagfestigkeit und Zähigkeit als Gusseisen-Kolbenringe, und können folglich problemlos selbst unter Bedingungen mit großer physikalischer und mechanischer Spannung verwendet werden, die nicht durch Kolbenringe, die aus dem Kugelgraphitgusseisen, das gegenwärtig in diesem Bereich verwendet wird, ausgehalten werden können. Andererseits sind Stahl-Kolbenringe nicht einfach zu bearbeiten und haben angesichts ihrer Mikrostruktur keine selbstschmierenden Eigenschaften: aus diesem Grund benötigen sie die Verwendung von reibungsverhindernden Oberflächenbeschichtungen, um ohne Probleme im Inneren von Motoren verwendet zu werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kugelgraphitgusseisen zur Verfügung zu stellen, das beispielsweise speziell bei der Herstellung von Kolbenringen verwendet werden kann, und das dazu in der Lage ist, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen oder wesentlich zu verringern.
Im Bereich dieses Ziels ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Kugelgraphitgusseisen zur Verfügung zu stellen, das insbesondere beispielsweise verwendet werden kann, um Kolbenringe zur Verfügung zu stellen, und dazu in der Lage ist, die Unterschiede in Hinblick auf die mechanische Festigkeit bezüglich des Stahls, der gegenwärtig im speziellen Bereich verwendet wird, zu beseitigen oder wesentlich zu verringern, wobei die oben genannten, typischen Vorteile von Kugelgraphitgusseisen gegenüber Stahl beibehalten werden.
Im Bereich dieses Ziels ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Kugelgraphitgusseisen zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht Kolbenringe für Kolben herzustellen, deren mechanische Charakteristiken im Wesentlichen gleich denen von Kolbenringen sind, die aus Stahl gefertigt sind, und die möglichst einen verringerten Widerstandsquerschnitt bezüglich derer gegenwärtiger Gusseisen-Kolbenringe haben, und das einen thermischen Ausdehnungskoeffizient hat, der vergleichbar mit dem Koeffizienten von Stahl (λ = 12 × 10^–6/°C) ist.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es in der Tatsache, ein Kugelgraphitgusseisen zur Verfügung zu stellen, das verwendet werden kann, um elastische Elemente herzustellen, die mittels des speziellen Gusses erhalten werden, um Teile, die klein sind und einen engen Querschnitt haben, geformt sind, wie ein geschlossener Ring, mittels eines einzigen Spritzgießens einer Gruppe oder eines zentrifugierten Gießens zu gießen, beispielsweise um Kolbenringe für Kolben zur Verfügung zu stellen, die im den Motorzylindern arbeiten.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kugelgraphitgusseisen zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht einen hohen Elastizitätsmodul zu erreichen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kugelgraphitgusseisen zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht Elemente herzustellen, die eine gleichförmige und homogene Härte entlang der gesamten Erstreckung des Umfangs des Gussteils haben.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gusseisen zur Verfügung zu stellen, das eine hohe Bruchfestigkeit haben muss; beispielsweise der Kolbenring ist tatsächlich starken hochfrequenten dynamischen Spannungen unterworfen, und daher muss das Gusseisen, um dazu in der Lage zu sein ohne Brechen zu arbeiten, eine hohe Zugfestigkeit und Streckfestigkeit haben. Insbesondere das erfindungsgemäße Kugelgraphitgusseisen ist für die Herstellung von Kolbenringen für moderne Verbrennungsmotoren mit einer sehr großen Leistung und geringer Verschmutzung geeignet, und daher hat die Austemperbehandlung bestimmte, exakte Werte von Austenit und Bainit, die für diese Art von Benutzung geeignet sind, mit UTS-Werten von 1300 N/mm² und R_p0,2 von 1100 N/mm² festgelegt.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kugelgraphitgusseisen zur Verfügung zu stellen, das dazu in der Lage ist, einer Benutzung bei hoher Temperatur ohne zu tempern zu widerstehen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gusseisen zur Verfügung zu stellen, das einen hohe Verschleißwiderstand hat.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gusseisen zur Verfügung zu stellen, das eine hohe Ermüdungsfestigkeit hat.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gusseisen zur Verfügung zu stellen, das eine hohe Schlagfestigkeit hat.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein spezielles Schmelzverfahren zur Verfügung zu stellen, das eine ausgezeichnete mikrostrukturelle Einheitlichkeit aller Gussteile ermöglicht, und das es ermöglicht Porositäten und das Mitführen von Einschlüssen entlang des gesamten Peripheriebereichs des Gussrings auszuschließen.
Dieses Ziel und diese Aufgaben, die im Folgenden besser ersichtlich werden, werden durch ein ausgetempertes Kugelgraphitgusseisen gemäß Anspruch 1 erreicht.
Dieses Ziel und diese Aufgaben werden auch erreicht durch ein ausgetemperterts Kugelgraphitgusseisen, das mittels eines Verfahrens nach Anspruch 3 erhalten wird.
Weitere Charakteristiken und Vorteile der Erfindung werden besser ersichtlich aus der Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Kugelgraphitgusseisen hat die Folgende chemische Zusammensetzung, bei der die einzelnen Elemente in Prozentgewicht angegeben sind, wobei der übrige Prozentgehalt durch Eisen Fe gebildet wird: 3,20–4,20% C, 2,00–4,00% Si, bis zu 0,10% P, bis zu 0,10% S, bis zu 0,20% Mn, bis zu 1,30% Cu, bis zu 0,50% Cr, 1,7%–5,00% Ni + RE, bis zu 2,00% Mo, 0,1% bis 2,0% Ti + V + Nb, bis zu 0,20% Co. Optional kann die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Gusseisens auch B, Ca und andere Elemente bis zu einem Gesamtmaximum von 1,00% aufweisen.
Das erfindungsgemäße Kugelgraphitgusseisen, speziell für die Herstellung von Kolbenringen, hat eine bainitisch-austenitische Matrix, hohe Schlagfestigkeit, hohen Elastizitätsmodul, hohe mechanische Festigkeit und sehr exakte Werte der Abmessungen der Graphitsphäroide und geringe Werte bei der Rundheit und Rauhigkeit der Sphäroide und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der mit dem von Stahl verglichen werden kann.
Um die Verwendung eines vorgegebenen Typs von Gusseisen, beispielsweise für die Herstellung von Kolbenringen für Motoren, zu ermöglichen, muss besagtes Gusseisen tatsächlich eine Reihe von erforderlichen grundlegenden Charakteristiken haben, mit der Folge der Nichtfunktionalität besagter Kolbenringe.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Kugelgraphitgusseisen, das insbesondere für die Herstellung mechanischer Elemente optimiert ist, die die Charakteristiken von Elastizität, gutem Widerstand gegen Ermüdung und Verschleiß, haben, wie sie beispielsweise für Kolbenringe von Verbrennungsmotoren erforderlich sind, und hat darüber hinaus wichtige Eigenschaften von Schlagfestigkeit und Zähigkeit: derzeit sind Kugelgraphitgusseisen mit einer nicht-ferritischen Matrix, selbst wenn sich nicht speziell für Kolbenringe sind, die annehmbare Schlagfestigkeitwerte erreichen, nicht bekannt.
Um besagtes Kugelgraphitgusseisen für eine Benutzung, beispielsweise für Kolbenringe, geeignet zu machen, zusätzlich dazu, dass es eine spezielle chemische Zusammensetzung aufweist, wie oben aufgeführt, müssen zuerst alle Ausgangsmaterialien gemäß sehr präzisen Vorgaben ausgewählt werden, und besagte Materialien müssen frei von Verunreinigungen oder Elementen sein, die eine Rückbildung der abschließenden Struktur des Gusseiles verursachen können.
Die Struktur, die beispielsweise für die Verwendung bei Kolbenringen erreicht werden muss, muss tatsächlich ein Kugelgraphit mit gleichmäßiger Verteilung über den Querschnitt des Gussteiles und mit Sphäroidgrößen von 5 bis 8 (gemäß ISO 945 Standard "Gusseisen: Bestimmung der Mikrostruktur von Graphit") haben.
Die Gussmatrix, die bei Güssen für Kolbenringe erhalten werden muss, muss vorwiegend perlitisch mit ferritischen Bereichen sein, um eine optimale nachfolgende Austemperbehandlung zu haben.
Die mechanischen Charakteristiken, die oben aufgelistet sind, werden durch das erfindungsgemäße Kugelgraphitgusseisen erreicht, sowohl durch Regelung seiner chemischen Zusammensetzung als auch durch Festlegung der optimalen Schmelz- und Austemperverfahren.
Beispielsweise bei der Herstellung von Kolbenringen ist der hohe Elastizitätsmodul des Kolbenrings wesentlich, so dass er einen Kontaktdruck (tangentiale Kraft) gegen die Wände des Zylinders ausübt, in dem er eingebaut ist, wobei besagter Kontaktdruck erforderlich ist, um die Gasdichtheit der Verbrennungskammer sicherzustellen. Ferner ist ein hoher Elastizitätsmodul erforderlich, so dass der Kolbenring nach den übermäßigen Verformungen, die erforderlich für das Einsetzen in die Kolbennut sind, nicht permanent (plastisch) verformt bleibt. Der Elastizitätsmodul E des erfindungsgemäßen Gusseisens kann von 150.000 bis 200.000 N/mm² betragen.
Um diesen Wert des Elastizitätsmoduls E zu erhalten, wurden sehr spezielle Austernperzeiten bestimmt, die von 30 bis 150 Minuten variieren, da kurze Zeiten zu einer hohen Elastizität aber auch einer hohen Sprödigkeit führen, während lange Zeiten zu großer Zähigkeit aber einem geringen Elastizitätsmodul führen.
Um die gewünschten mechanischen und physikalischen Charakteristiken des erfindungsgemäßen Kugelgraphitgusseisens zu erhalten, ist es grundlegend wichtig, ein Schmelzverfahren zur Verfügung zu stellen, das eine ausgezeichnete, mikrostrukturelle Einheitlichkeit bei allen Güssen und die Beseitigung von Porositäten und das Enthalten von Einschlüssen im gesamten Randbereich des gegossenen Rings ermöglicht. Ferner müssen, wie genannt, die Kolbenringe, die mit dem erfindungsgemäßen Gusseisen hergestellt werden, eine gleichmäßige und homogene Härte entlang der gesamten Umfangserstreckung des Gussteiles haben.
Aus diesen Gründen wurde ein spezielles und klar definiertes Gießverfahren festgelegt, das es ermöglicht bei Ringen aus einem einzigen Guss oder bei zentrifugierten Güssen ein gleichmäßiges Abkühlen und Mikroschrumpfung über den gesamten Umfangsbereich des Rings zu haben, um so eine einheitliche und gleichmäßige Härte entlang der gesamte umfangsmäßigen Verteilung des Kolbenrings selbst nach der Austemperbehandlung zu erreichen, mit Härtewerten, die zwischen 103 und 115 HRB (250–600 HV_0,1 auf der Vickersskala) liegen. Ein spezielles Gießverfahren wurde studiert und optimiert, um die Segregationen von Kohlenstoff, Magnesium, Silizium und Molybdän zu minimieren, um so die Ausbildung von "blockartigem Austenit", dessen Gegenwart der Struktur Sprödigkeit verleiht, zu vermeiden, da dieses Makroformationen von instabilen Restausteniten sind, die dazu neigen sich unter Spannung in Martensit umzuwandeln.
Aus diesem Grund dürfen Ferrite in einem Anteil von mehr als 1 % nicht in der metallurgischen Matrix des Materials vorliegen.
Die hohe Bruchfestigkeit, die für das erfindungsgemäße Gusseisen erforderlich ist, wird durch Regelung der chemischen Zusammensetzung des Gusseisens aber auch durch Regelung der Wärmebehandlung erreicht. Insbesondere sei angemerkt, dass es erforderlich ist, sicherzustellen, dass eine Restmenge von Austenit in der Matrix des Materials von mehr als 20% und weniger als 40% vorliegt.
Die anderen mechanischen Charakteristiken, die beim erfindungsgemäßen Gusseisen erforderlich sind, sind, wie genannt, hohe Verschleißbeständigkeit, hohe Ermüdungsfestigkeit und hohe Schlagfestigkeit.
In Hinblick auf die Verschleißbeständigkeit ist es tatsächlich ratsam anzumerken, dass der Kolbenring eine hohe Verschleißbeständigkeit haben muss, die dazu geeignet ist, die Betriebsbeständigkeit und die Verlässlichkeit des Motors sicherzustellen, in dem er verwendet wird; aus diesem Grund wurde eine spezielle chemische Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Gusseisens festgelegt, mit der Legierungselemente, wie Ti, V und Nb, die dazu in der Lage sind, die submikroskopische Größe der Primärkarbide und deren gleichmäßige Verteilung in der primären Erstarrungsstruktur zu regeln.
Das erfindungsgemäße Kugelgraphitgusseisen wird gekennzeichnet durch eine spezifische chemische Zusammensetzung, die optimiert ist, um in Kombination mit der Wärmebehandlung ein submikroskopisches Abscheiden von Primärkarbiden MC zur Verfügung zu stellen, die gleichmäßig in der primären Erstarrungsstruktur verteilt sind, welches die Effekte des Verringerns des Verschleißwiderstands, bewirkt durch die Gegenwart des Austenits in der Struktur, und auf Grund der Tatsache, dass der Verschleißkoeffizient des Austenits größer als der des Bainits und Martensits ist, ausgleicht.
Dies erfordert in der chemischen Zusammensetzung die Gegenwart von speziellen Mengen von bestimmten Elementen, wie Ti, V und Nb, welche diese Karbide bilden.
Aus diesem Grund wurde eine spezielle Verteilung der Sphäroide im Inneren der metallographischen Matrix zur Verfügung gestellt, mit einer Konzentration zwischen 6 und 12%, um so eine hohe Fähigkeit der Selbstschmierung sicherzustellen, und eine spezielle chemische Zusammensetzung mit Legierungselementen wie Ti, V und Nb und Mo wurde festgelegt, die eine hohe Beständigkeit gegen Verschleiß ermöglicht, selbst bei dauernder Benutzung bei hoher Temperatur.
In Hinblick auf die Ermüdungsfestigkeit sei angemerkt, dass die Kolbenringe eine hohe Ermüdungsfestigkeit auf Grund der extremen Spannungen haben müssen, welche die hohen Drehgeschwindigkeiten (rpm) der Motoren erzeugen (bis zu etwa 24.000 rpm bei modernen Zweitaktmotoren und etwa 18.000 rpm bei modernen Viertaktmotoren), um die Haltbarkeit und Verlässlichkeit des Motors sicherzustellen, in dem der Kolbenring verwendet wird.
Aus diesem Grund wurde eine spezielle Verteilung der Sphäroide im Inneren der metallographischen Matrix zur Verfügung gestellt, um die Ermüdungsstandzeit der Kolbenringe zu verlängern, die mit dem erfindungsgemäßen Kugelgraphitgusseisen erhalten wurden.
Wie erwähnt, wurde eine spezielle chemische Zusammensetzung mit Legierungselementen wie Ni, Ti, V und Nb festgelegt, die dazu in der Lage sind, die submikroskopische Größe der Primärkarbide zu regeln; darüber hinaus wurde ein spezielles und klar definiertes Schmelz- und Gießverfahren festgelegt, das dazu in der Lage ist, Graphitsphäroide von geregelter Rundheit, ausgedrückt im Sinne von Ovalität (Dmax/Dmin), zwischen 1,0 und 1,4, um so einen niedrigen spannungsintensivierenden Koeffizienten sicherzustellen. Ein weiterer Parameter zur Charakterisierung der Graphitsphäroide ist die Rauhigkeit, ausgedrückt als Rauhigkeit = (Umfangslänge)²/(4·π·Fläche), welche in diesem Fall zwischen 1,0 und 1,3 liegen muss, um einen niedrigen spannungsintensivierenden Koeffizienten sicherzustellen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, ein Kugelgraphitgusseisen mit hoher Schlagfestigkeit zur Verfügung zu stellen. Bei einem herkömmlichen, austenitischbainitischen Gusseisen kommen Werte der Schlagfestigkeit von über 15 Joule im Allgemeinen nicht vor.
Mit der vorliegenden Erfindung wurde eine neue Art von Gusseisen gesucht, das hohe Schlagfestigkeitswerte haben würde, so dass man dazu in der Lage ist, Kolbenringe zu erzeugen, so dass sie den sehr intensiven Spannungen widerstehen, welche die hohen Drehgeschwindigkeiten (rpm) von Motoren während des Vorbeigehens besagten Kolbenrings an den Durchtrittsöffnungen bei Zweitaktmotoren bewirken, und, um den hochfrequenten Schwingungen im Inneren der Kolbennut bei modernen Viertaktmotoren zu widerstehen, um die Haltbarkeit und Verlässlichkeit des Motors sicherzustellen, in dem der Kolbenring verwendet wird.
Es wurde demonstriert, dass das erfindungsgemäße Gusseisen eine Charpy-Schlagfestigkeit von 80 bis 165 Joule hat.
Um dieses Ergebnis zu erreichen, wurde eine spezielle chemische Zusammensetzung festgelegt, mit Legierungselementen, die dazu in der Lage sind, die Struktur zu festigen, und es wurde ein spezielles und klar definiertes Schmelz- und Gießverfahren festgelegt, das dazu in der Lage ist, Querschnitte der Gussteile ohne Porositäten, Pinholes oder Verunreinigungen zur Verfügung zu stellen.
Aus diesem Grund wurden versprödende Elemente, wie Mn, Cu, Al, Pb und W in engen Bereichen gehalten, und gleichzeitig muss in Verbindung mit dem, was zuvor gesagt wurde, im Inneren der metallographischen Matrix des Materials eine Menge von Restaustenit vorhanden sein, die größer als 20% und kleiner als 40% ist.
Ferner ist es, auch um diese Werte der Schlagfestigkeit zu erreichen, wichtig, die Formparameter der Graphitsphäroide unter Kontrolle zu halten, d.h. die zuvor genannte Ovalität und Rauhigkeit, die in den genannten Bereichen gehalten werden müssen, um einen geringen spannungsintensivierenden Koeffizienten sicherzustellen.
Wie zuvor erwähnt, muss das erfindungsgemäße Gusseisen dazu in der Lage sein, einer Benutzung bei hohen Temperaturen ohne zu tempern zu widerstehen. Der Kolbenring beispielsweise wird tatsächlich in Verbrennungsmotoren bei hohen Temperaturen verwendet, und es ist eindeutig für den Kolbenring erforderlich, nicht seine Charakteristiken der Elastizität und mechanischen Festigkeit während der Benutzung zu verlieren. Einer der Schwachpunkte von ausgetempertem Gusseisen ist seine hohe Empfindlichkeit gegenüber dem Tempern, da bei einer hohen Temperatur die austenitischbainitische Struktur dazu neigt, gemäß dem Zeit Temperatur-Umwandlungsdiagramm sich in gemischt bainitisch-sorbitische Strukturen umzuwandeln.
Aus diesem Grund wurden ein spezieller Bereich der Austemper-Temperatur und -Zeit festgelegt, um ein Tempern besagten Kolbenrings auf Grund des Haltens bei hohen Temperaturen (250–400°C) zu vermeiden.
Ferner sind auch die spezielle chemische Zusammensetzung, die festgelegt wurde, welche Legierungselemente wie Ni, Mo, Ti, V und Nb umfasst, und das spezielle Schmelzverfahren sehr wichtig für diesen Aspekt, um es zu ermöglichen, eine hohe mechanische Festigkeit der Kolbenringe während einer Benutzung bei hoher Temperatur zu erreichen, und so ist eine große Unempfindlichkeit gegenüber dem Tempern verbunden mit einer hohen Verschleißbeständigkeit.
Das erfindungsgemäße Kugelgraphitgusseisen wurde mit einem Herstellungsverfahren entwickelt, bei dem die Füllstoffe und all diese Veredelungen, die unentbehrlich sind, um nach dem Schmelzen die oben beschriebenen physikalischen/chemischen Charakteristiken zu erreichen, speziell untersucht wurden; die mechanischen Charakteristiken werden jedoch nach einer Wärmebehandlung erreicht, die ausschließlich entwickelt wurde, um die Strukturen und die mechanischen Charakteristiken von Gussteilen mit kleiner Größe und kleinem Querschnitt zu optimieren.
Ein bevorzugtes, aber nicht ausschließliches Ausführungsbeispiel des Schmelzverfahrens für das erfindungsgemäße Kugelgraphitgusseisen, wird im Folgenden beschrieben und ist anhand eines nicht beschränkenden Beispiels dargestellt.
Das erfindungsgemäße Kugelgraphitgusseisen wurde entwickelt, indem man in Betracht zog, dass die mit besagtem Gusseisen durchzuführenden Güsse einzelne Güsse in Gruppen oder zentrifugierte Güsse mit Querschnitten sind, die von 2 mm² bis 50 mm² variieren, gedacht um Druckringe für alle Verbrennungsmotoren herzustellen.
Der Füllstoff, der verwendet wird, um diese Strukturen zu erreichen, wurde konzipiert mittels in Betracht ziehens einiger wesentlicher Überlegungen in Hinblick auf die Herstellung von Kugelgraphitgusseisen, wie: Zusammensetzung der Ausgangslegierung, sphäroidisierende Vorbehandlung, Prozentanteil der zugefügten Legierung, Einimpfung, abschließende chemische Zusammensetzung des Kugelgraphitgusseisen, Mikrostruktur, mechanische Eigenschaften.
Insbesondere die chemische Analyse wurde sorgfältig auf Richtigkeit überprüft, um sicherzustellen, dass sich in dem Ausgangsgusseisen keine Elemente befanden, die die Kugelbildung des Graphits behindern könnten, da eine Graphitverteilung, die nicht gleichmäßig oder nicht exakt regelmäßig in der Form oder den Abmessungen der Sphäroide eine Verschlechterung der mechanischen Charakteristiken der aus besagtem Ausgangsgusseisen hergestellten Kolbenringe mit sich bringen würde.
Ferner würde das Mitführen von Formsand oder anderen Verunreinigungen beim Gussteil, bewirkt beispielsweise durch ungeeignete Abkühlgradienten, verwirbelte oder geringe Fluidbewegungen des flüssigen Metalls beim Gussteil mit sich bringen, und deshalb werden bei dem Kolbenring Bereiche mit hoher Sprödigkeit dem Risiko des Brechens unterworfen, sobald besagte Kolbenringe einer äußeren Spannung während der Benutzung unterworfen werden.
Die Bestimmung der Haupt-Ausgangslegierung zum Erhalt des Kugelgraphitgusseisens ist deshalb besonders wichtig: einige chemischen Elemente sind in der Tatsache eindeutig gefährlich in einem Gusseisen für Kolbenringe, und wenn sie einen Konzentrationsgrenzwert im Haupt-Gusseisen überschreiten, behindern sie die Kugelbildung des Graphits.
Als die Grenzwerte dieser Elemente werden Gehalte von Pb < 0,1%, Sb < 0,1%, Al < 0,2%, S < 0,2%, Bi < 0,1%, P < 0,1% erachtet. Weitere Verunreinigungen dürfen in der Gesamtsumme 0,2% nicht überschreiten.
Während der Vorbereitung und Vervollständigung des Schmelzens des Ausgangsgusseisens werden regelmäßig Proben genommen, um seine Zusammensetzung und deshalb seine Einhaltung der vorgegebenen chemischen Analysen zu überprüfen.
Die beabsichtigten chemischen Elemente werden dann zugefügt.
Um das erfindungsgemäße Kugelgraphitgusseisen mit den speziellen zuvor beschriebenen mikrostrukturellen Charakteristiken zu erhalten, mit Graphitsphäroiden mit einer Größe, Form und Rauhigkeit wie beschrieben klar festgelegt, werden nach dem Zufügen der gewünschten chemischen Elemente zu dem geschmolzenen Metall zwei aufeinanderfolgende Einimpfungen weiterer Elemente nach einem einem Fachmann bekannten Verfahren durchgeführt.
Diese Elemente werden im speziellen Fall durch eine Kombination gebildet von einer Mischung von Metallen, die zu der Lanthaniden-Gruppe gehören, in der Metallurgie bekannt als "Mischmetall", mit anderen metallischen Elementen in der Form von Oxiden. Diese Kombination der Mischung von Lanthaniden mit Oxiden anderer Metalle bildet sogenannte Seltene Erden (RE).
Bei dem Verfahren zum Erhalten von erfindungsgemäßem Gusseisen wird besagte Mischung von Seltenen Erden, die in der Metallurgie verwendet wird, um Legierungen und Superlegierungen herzustellen, als Impfstoff benutzt, und seine speziellen Eigenschaften werden zur Kontrolle und Reinigung von Mikroverunreinigungen benutzt, die in dem Ausgangsgusseisen enthalten sind.
Insbesondere wurde der Schmelzvorgang durch das zur Verfügung stellen zweier aufeinander folgender Einimpfungen optimiert, welche die spezielle, nachfolgend nur anhand eines nicht beschränkenden Beispiels näher beschriebene Zusammensetzung haben:

– bei der ersten Einimpfung werden die sphärodisierenden Mittel, die verwendet werden, durch eine Siliziumbasis mit Mg, Ca, Ce, Ta und RE gebildet;
– bei der zweiten Einimpfung gibt es wieder eine Siliziumbasis mit Sr, Ca und Al.

Die Gewichtsprozente dieser Elemente, die im Beispiel berücksichtigt wurden, waren anhand von Indikationen Folgende: Mg ≈ 3,2%, Ca ≈ 0,6%, Ce + Ta + RE ≈ 2,0%, Sr ≈ 0,8%, Ca < 0,5%, Al < 0,5%.
Nach den zwei beschriebenen Einimpfungen wird das geschmolzene Metall verfestigt mit einer Erstarrungszeit von 50 und bis 400 Sekunden, abhängig vom Gussteil-Querschnitt.
Um das so beschriebene Verfahren abzuschließen, sollte die abschließende Analyse des resultierenden Gusseisen Gussteiles die Gegenwart der verschiedenen Elemente gemäß den oben genannten und in der folgenden Tabelle zusammengefassten Werten zeigen:
Es wurde herausgefunden, dass das Kugelgraphigusseisen mit der aufgeführten chemischen Zusammensetzung, das durch das oben genannte Verfahren erhalten wurde und der Wärmebehandlung unterworfen wurde; das gewünschte Ziel und die Aufgaben erfüllt.
Insbesondere wurde herausgefunden, dass mit diesem Herstellungsverfahren eine reichliche Graphitisierung des Gussteils mit einer gleichmäßigen Verteilung und mit Sphäroidgrößen 5 bis 8 (gemäß dem ISO 945 Standard) und einer vorwiegend perlitischen Matrix mit einem regelmäßigen Hof von Ferrit um die Sphäroide erreicht wird.
Die verschiedenen Elemente, welche das erfindungsgemäße Gusseisen bilden, wurden ausgewählt, um eine bessere Härtbarkeit des Materials zu erreichen und daher die bainitische Umwandlungsschwelle zu erhöhen, und auch um mechanische Charakteristiken zu erhalten, wie Zugfestigkeit (UTS und R_p0,2), prozentuale Verlängerung (A%), Zähigkeit, Schlagfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit, die besser sind als bei Kugelgraphitgusseisen für Kolbenringe, die zur Zeit in Benutzung sind.
Die Variationsbereiche der Elemente, die das erfindungsgemäße Gusseisen bilden, wurden mittels Tests bestimmt, die wiederholt wurden, um die mechanischen Charakteristiken des Materials zu optimieren, ohne Überschreiten von Werten, welche die Gießbarkeit, die Kugelbildung, die Bearbeitbarkeit und/oder die Sprödigkeit besagten Gusseisens beeinträchtigen könnten.
Es muss angemerkt werden, dass das Ausgleichen der chemischen Zusammensetzung der Karbidbildner-Elemente und der graphitisierenden Elemente des erfindungsgemäßen Kugelgraphitgusseisens für Kolbenringe sehr kritisch und speziell ist; in der Tatsache muss eine exakte Dosierung sichergestellt und speziell für jeden Guss durchgeführt werden, auch unter Variation der Mengen der zugefügten Elemente gemäß der chemischen Zusammensetzung des verwendeten Ausgangsmaterials.
Dieser spezielle Grund rechtfertigt das Erfordernis die ausgedehnten Bereiche der einzelnen Elemente bei der chemischen Zusammensetzung der Erfindung anzupassen.
Insbesondere der Kohlenstoff-Variationsbereich wurde festgelegt, um eine optimale Graphitstruktur zu haben, um so hohe Zähigkeit und Festigkeit zu erreichen, während eine gute Formbildung und sphäroidische Graphitverteilung sichergestellt wird.
Der Nickelgehalt wurde auf die oben genannten Werte begrenzt, um eine Beeinträchtigung der Gießbarkeit und Bearbeitbarkeit des Gusseisens zu vermeiden.
Der Molybdängehalt wurde auf die oben genannten Werte begrenzt, um eine Beeinträchtigung der mechanischen Charakteristiken des Gusseisens auf Grund der Ausbildung komplexer Strukturen von freiem Zementit und auf Grund von Segregation zu vermeiden.
Der Chrom-, Magnesium- und Wolframgehalt wurden auf die oben genannten Werte begrenzt, um die Ausbildung komplexer Karbide zu vermeiden, welche die Bearbeitbarkeit wesentlich beeinträchtigen würden, und die Sprödigkeit beachtlich erhöhen würden.
Die Wämebehandlung, der das Gusseisen in erfindungsgemäßen Güssen unterworfen wird, weist eine Austenitisierungsbehandlung, mit dem Halten des Gusseisens für bis zu 120 Minuten auf einer Temperatur von 840–1000°C, und eine isothermische Härtebehandlung (Austempern) auf, mit dem Halten des Gusseisens für 5 bis 100 Minuten bei einer Temperatur von 250–450°C.
Optional kann die Wärmebehandlung durch eine spannungsentlastende Behandlung bei einer Temperatur, die etwas höher als die isothermische Härtetemperatur ist, abgeschlossen werden.
Obwohl das Austempern eine allgemein bekannte Wärmebehandlung für Kugelgraphitgusseisen im Allgemeinen ist, wurde besagte Behandlung im betrachteten Fall optimiert, um im speziellen Fall der Herstellung von Kolbenringen für Verbrennungsmotoren, eine hohe mechanische Festigkeit (UTS und R_p0,2) mit hoher Ermüdungsfestigkeit und hoher Schlagfestigkeit und Zähigkeit in Einklang zu bringen.
Wenn der Restaustenit zunimmt, nimmt im Allgemeinen die Ermüdungsfestigkeit in der Tatsache zu, aber die Zugfestigkeit nimmt ab.
Für einen Kolbenring ist es jedoch erforderlich, dass er sowohl eine hohe Zugfestigkeit als auch eine hohe Ermüdungsfestigkeit hat, um einen guten elastomechanischen Betrieb für die Verlässlichkeit der Komponente und daher des Motors, in den die Kolbenringe eingepasst sind, sicherzustellen.
Die optimale Wärmebehandlung für das erfindungsgemäße Gusseisen wurde mittels Durchführens wiederholter experimenteller Tests und Vergleichens der Ergebnisse mit denen von aus Stahl gefertigten Kolbenringen in Bezug auf die mechanische Festigkeit bestimmt, um so klar definierte, zu erreichende Qualitätsziele zu haben.
In Hinblick auf die Ergebnisse ist das erfindungsgemäße Kugelgraphitgusseigen ein Kugelgraphitgusseisen mit einer gleichmäßigen Graphitverteilung vom Typ VI, mit Graphitsphäroiden der Größe 5 bis 8 (gemäß dem ISO 945 Standard „Gusseisen: Bestimmung der Mikrostruktur von Graphit"). Die Konzentration der Graphitsphäroide bezüglich der Matrix beträgt 6 bis 12%, um eine optimale Selbstschmierung sicherzustellen.
Die Rundheit der Graphitsphäroide, ausgedrückt in Bezug auf die Ovalität (D_max/D_min), beträgt 1,0 bis 1,4, um einen niedrigen Koeffizienten der Spannungserhöhung sicherzustellen.
Die Rundheit der Graphitsphäroide beträgt 1 bis 1,3 und stellt eine optimale Ermüdungsfestigkeit sicher.
Das erfindungsgemäße Gusseisen hat eine Struktur der Matrix vom bainitischaustenitischen Typ mit Austenitprozentanteilen, die zwischen 20 und 40% variieren können.
Ferner hat das erfindungsgemäße Gusseisen eine gleichförmige und homogene Härte mit Härtewerten von 103 HRB bis 115 HRB (250–600 HV0,1 der Vickersskala) entlang der gesamten Umfangsverteilung des Gussteils.
Der Kühlgradient des Gusseisens während der Wärmebehandlung wird so gleichförmig und homogen wie möglich gehalten, um Härteschwankungen an demselben um mehr als 4 HRB Punkte zu vermeiden, welche wesentlich das elastische Verhalten des Kolbenrings bei Kontakt mit dem Zylinder während des Betriebs des Motors beeinträchtigen könnten.
Das erfindungsgemäße Gusseisen hat eine ausgezeichnete Zugfestigkeit (R_m> 1100 N/mm²), hohe Festigkeit und Zähigkeit [Schlagfestigkeit bei ungekerbten Testproben (Schlagenergie) KC > 80 Joule] und eine hohe prozentuale Verlängerung (A% > 2,5%).
Lediglich anhand einer nicht beschränkenden Indikation sind die Ergebnisse von Tests, die bei zwei Typen von erfindungsgemäßen Gusseisen (Typ 1 Gusseisen und Typ 2 Gusseisen), und die Ergebnisse der Tests, die bei einem Stahl (X90 CrMoV18) eines für die Herstellung von Kolbenringen für Kolben bekannten Typs durchgeführt wurden, sind im Folgenden aufgelistet.
Die Tests wurden an Testkörpern des in den begleitenden Figuren dargestellten Typs durchgeführt, wobei:
1 eine Ansicht eines runden Zugtestkörpers (gemäß dem ASTM Standard E8M) ist;
2 eine Ansicht eines Charpy-Schlagtestkörpers (gemäß dem ASTM Standard E23) ist.
Die chemische Zusammensetzung der zwei Gusseisen gemäß der Erfindung ist in Tabelle 1 aufgelistet.
Tabelle 1
Die chemische Zusammensetzung des Stahls ist in Tabelle 2 wiedergegeben.
Tabelle 2
Gusseisen vom Typ 1
Sieben unterschiedliche Typen von Wärmebehandlung wurden bei diesem Typ von erfindungsgemäßem Gusseisen durchgeführt, deren chemische Zusammensetzung in Tabelle 1 wiedergegeben ist.
Bei allen Tests, die im Folgenden aufgeführt sind, wurden runde Zugtestkörper (1) und Charpy-Schlagtestkörper (2) speziell vorbereitet und unterschiedlichen Wärmebehandlungen unterworfen, die verwendet wurden, um die mechanischen Charakteristiken zu beurteilen.
Fünf runde Zugtestkörper und fünf Charpy-Schlagtestkörper wurden für jeden Test benutzt; die aufgelisteten Ergebnisse sind die Durchschnitte der Ergebnisse, die in den fünf Tests erhalten wurden, die Durchschnittswerte derselben für jeden Test sind in Tabelle 3 dargestellt.
Tabelle 3
Gusseisen vom Typ 2
Sieben unterschiedliche Typen von Wärmebehandlung wurden bei diesem Typ von erfindungsgemäßem Gusseisen durchgeführt, deren chemische Zusammensetzung in Tabelle 1 wiedergegeben ist; bei allen Tests, die im Folgenden aufgeführt sind, wurden runde Zugtestkörper (1) und Charpy-Schlagtestkörper (2) speziell vorbereitet und unterschiedlichen Wärmebehandlungen unterworfen, die verwendet wurden, um die mechanischen Charakteristiken zu beurteilen. Fünf runde Zugtestkörper und fünf Charpy-Schlagtestkörper wurden für jeden Test benutzt; die aufgelisteten Ergebnisse sind die Durchschnitte der Ergebnisse, die in den fünf Tests erhalten wurden, die Durchschnittswerte derselben für jeden Test sind in Tabelle 4 dargestellt.
Tabelle 4
X90 CrMoV 18 Stahl (W. Nr. 1.4112)
Für diesen Typ von Stahl, dessen chemische Zusammensetzung in Tabelle 2 aufgelistet ist, wurden fünf Tests durchgeführt; runde Zugtest-Proben (1) und Charpy-Schlagtest-Proben (2), speziell vorbereitet und einer unterschiedlichen Wärmebehandlung unterworfen, wurden bei allen Tests, die im Folgenden aufgelistet sind, verwendet, um die mechanischen Charakteristiken zu ermitteln. Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle 5 aufgelistet.
Tabelle 5
In der Praxis erreicht das erfindungsgemäße Kugelgraphitgusseisen das gestellte Ziel und die Aspekte, da es ermöglicht, Kolbenringe mit mechanischen Festigkeitscharakteristiken herzustellen, die vergleichbar sind mit denen von Kolbenringen aus Stahl, wobei alle die Vorteile beibehalten werden, die typisch für Kugelgraphitgusseisen sind.
Obwohl das erfindungsgemäße Gusseisen insbesondere für die Herstellung von Kolbenringen von Verbrennungsmotoren konzipiert wurde, kann es vorteilhafterweise auch für die Herstellung von Kolbenringen für Kompressoreinheiten oder für die Herstellung von Ringen für hydraulische oder pneumatische Einheiten oder für andere Verwendungen benutzt werden.
Das so konzipierte Kugelgraphitgusseisen und das beschriebene Schmelzverfahren sind geeignet für eine Mehrzahl von Modifikationen und Variationen, die sich alle im Schutzbereich des erfinderischen Konzepts bewegen.
Übersicht der Symbole:

UTS

= Bruchfestigkeit (in Newton/mm²)

R_p0,2

= Streckgrenze: Spannung der Abweichung von der Proportionalität von 0,2% (Newton/mm²)

E

= Elastizitätsmodul oder Young'scher Modul (Newton/mm²) Verhältnis zwischen Zugfestigkeit und der entsprechenden Längsverformung wie nach dem Hook'schen Gesetz: E = σ/∊

∊_r

= Längsverformung berechnet nach:
mit L₀ (mm) = Ausgangslänge ΔL₀ = L – L₀ (mm) = Veränderung der Länge resutierend aus der Auferlegung einer Belastung

A%

= spezifische Dehnung: Längsverformung ausgedrückt als Prozentanteil der Anfangslänge L₀:
mit: L_u(mm) = spezifischer Längenwert beim Bruch

λ

= linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient (°C^–1) ausgedrückt als:

Mpa

= Mega Pascal = 10⁶ Pascal 1Mpa= 1Newton/mm²

Claims

Kugelgraphitgusseisen, insbesondere geeignet für die Verwendung für Kolbenringe, aufweisend in Gewichtsprozent 3,20–4,20 Kohlenstoff, 2,00–4,00 Silizium, bis zu 0,10 Phosphor, bis zu 0,10 Schwefel, bis zu 0,20 Magnesium, bis zu 1,30 Kupfer, bis zu 0,50 Chrom, 1,7 bis 5,00 Nickel und seltene Erdenmetalle, 0,10 bis 2,00 Molybdän, 0,1 bis 2,0 Titan plus Vanadium plus Niob, bis zu 0,20 Kobalt und bis zu 1,00 Bor und Kalzium, wobei der Restbetrag Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind, wobei die Matrix eine bainitisch-austenitische Struktur mit einem Austenitanteil von zwischen 20 und 40 Gewichts-% hat.
Kugelgraphitgusseisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es einer Wärmebehandlung, bekannt als Austempern, unterworfen wird, welches eine Austenitisierungsbehandlung gefolgt von einer isothermischen Härtebehandlung aufweist.
Verfahren für die Herstellung von Kugelgraphitgusseisen nach Anspruch 1, aufweisend die Schritte: zur Verfügung Stellen eines herkömmlichen Basisgusseisens, Schmelzen des Eisens, Überprüfung der Zusammensetzung des Eisens mittels Probenentnahme, Zufügen von Elementen zur Schmelze, so dass die Mengen von Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel, Magnesium, Kupfer, Molybdän, Chrom, Nickel, Titan, Vanadium, Niob und Kobalt denen von Anspruch 1 entsprechen, und Einimpfen in zwei aufeinanderfolgender Schritte von sphärodisierenden Mitteln in das geschmolzene Metall, wobei besagte Mittel durch eine Siliziumbasis gebildet werden, welche seltene Erdenmetalle aufweist mit dem Zusatz wenigstens eines der Elemente, ausgewählt aus der Klasse, die Magnesium, Kalzium, Tantal, Strontium, Aluminium aufweist.
Verfahren zum Gewinnen eines Kugelgraphitgusseisen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Austenitisierungsbehandlung mit einer Haltezeit von bis zu 120 Minuten bei einer Temperatur von 840–1000 °C und eine isothermische Härtebehandlung (Austempern) mit dem Halten des Gusseisens für 5 bis 100 Minuten bei einer Temperatur von 250–450 °C aufweist.
Verfahren zum Gewinnen eines Kugelgraphitgusseisen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Austenitisierungsbehandlung auch eine Behandlung zur Verringerung thermischer Spannungen bei einer Temperatur aufweist, die höher als die Temperatur besagter isothermischer Härtebehandlung ist.
Kolbenring, insbesondere für Kolben von Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem ausgetemperten Kugelgraphitgusseisen gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche gefertigt ist.