EP0710731A2 - Verwendung einer stickstoffhältigen Eisenbasislegierung für Maschinenteile, welche auf gleitende Flächenreibung beansprucht sind - Google Patents

Verwendung einer stickstoffhältigen Eisenbasislegierung für Maschinenteile, welche auf gleitende Flächenreibung beansprucht sind Download PDF

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EP0710731A2
EP0710731A2 EP95890181A EP95890181A EP0710731A2 EP 0710731 A2 EP0710731 A2 EP 0710731A2 EP 95890181 A EP95890181 A EP 95890181A EP 95890181 A EP95890181 A EP 95890181A EP 0710731 A2 EP0710731 A2 EP 0710731A2
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pref
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten

Definitions

  • the invention relates to the use of an iron-based alloy according to the Preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a Plunger and / or a piston ring.
  • Machine parts that function as high or main Stress caused by sliding friction, especially surface friction are preferably made of cast materials.
  • Cast parts have the advantage that they are essentially isometric Experience changes in shape when the temperature changes, therefore in practice Use does not look bad, a largely undirected structure have a homogeneous microhard particle distribution, for example Carbide distribution, and have such a soft matrix configuration.
  • Such a structure has a particularly advantageous effect on friction surfaces reduces the frictional forces as well as the material removal in particular inadequate or low and / or imperfect lubricant deposits Surface.
  • plain bearings, cylinder liners, piston rings and similar machine parts that are subjected to high stress Exposed to sliding friction, mainly from cast or sintered Materials, especially iron-based alloys.
  • deformed material i.e. materials, who may have a line-shaped deformation structure.
  • deformed parts i.e. those with a micro-texture, mostly corresponded at least partially the requirements placed on them in practical operation; at the manufacture, however, involves a large number of complex process steps necessary for a shape or dimension required for the use and set the desired material properties.
  • Piston rings made of deformed materials can be manufactured be by essentially after rolling and optionally drawing of a profile wire, this is tempered and wound into a spiral or cold-formed becomes. It is advantageous if at least after a necessary annealing partial reduction of the cold forming stresses or hardening of them spiral preform of the profile wire to a piston ring spiral, if necessary with smaller radius adapted to the respective piston ring diameter, is wrapped or further deformed, whereupon, preferably after another Relaxation treatment or annealing, a slicing, essentially in Direction of a generator, which may be out of round spiral and the individual rings formed are then processed.
  • a slicing essentially in Direction of a generator, which may be out of round spiral and the individual rings formed are then processed.
  • An out of round Shape of the piston rings in the relaxed state can be chosen to in their Working position in the cylinder pressed radially inwards on all sides around an inside substantially equal specific contact pressure of the outer ring surface to the Reach cylinder wall.
  • the piston rings should have a hardness of 35 HRC to 45 HRC, especially over 40 HRC.
  • the invention aims to overcome the disadvantages of the materials used to date for the production of machine parts that function as high Avoid exposure to sliding surface friction and the use of an alloy, which is high hardness and high Bending toughness with improved performance properties and great Propose economy in the manufacture of the parts.
  • the invention is also based on the object of being corrosion-resistant Plunger and piston rings with improved properties in the to create practical use.
  • This goal is achieved by using an iron based alloy containing the Elements carbon, silicon, manganese, nitrogen, chromium, molybdenum and vanadium and optionally aluminum, cobalt, nickel, tungsten, niobium and titanium Provided that the sum of the concentration of carbon and nitrogen one Value of at least 0.5 and at most 1.2, preferably at least 0.61, but at most 0.95, results, the rest iron and melting-related Additives for the production of machine parts that function as a exposed to high stresses caused by sliding surface friction.
  • the advantages achieved by the invention can be seen essentially in the fact that by alloying an iron base alloy with both carbon and Nitrogen in a certain ratio and within a certain Concentration range the performance characteristics of a manufactured Machine part, especially with regard to high stress sliding surface friction, are surprisingly significantly improved synergistically.
  • a high material hardness is due to both elements, i.e. carbon and Nitrogen causes so that the absolute carbon content of the proposed Alloy lowered and thereby the bending toughness are increased. Is natural this also reduces the carbide content, in particular the Cr carbide content, which increases the Cr concentration in the matrix and the corrosion resistance of the material can be significantly improved. Due to the nitrogen content also causes a special fine grain structure and grain growth largely hindered even at high temperatures.
  • the Iron-based alloy used according to the invention at least partially with a Surface nitriding layer is provided.
  • Nitriding the finished part to Example of a piston ring can be done during a tempering treatment and is therefore particularly economical to carry out. It is convenient if the Alloy contains aluminum because this promotes nitriding layer formation. Nitriding causes an increase in volume of the Material, which causes the tensile stresses on the surface of the bend stressed part reduced, reduced or converted into compressive stresses and the risk of crack initiation is largely eliminated.
  • the Friction surface of the part with at least a depth of 0.05 mm, preferably of greater than 0.2 mm, nitrided or carbonitrided, high surface hardness and also achieved extremely low sliding friction values.
  • a plunger in particular for the displacement of corrosive media characterized in that it is made of an iron-based alloy according to claim 1 and consists of a layer applied by the PVD or CVD process Carbide and / or nitride of the elements Al and / or Ti carries.
  • a piston ring according to the invention in particular for internal combustion engines, is characterized in that it is made of an iron-based alloy Claim 1 is formed and optionally at least partially, in particular of the surface mainly exposed to friction, a nitriding layer with a Thickness of at least 0.05 mm, preferably greater than 0.2 mm.

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Abstract

Die Erfindung schlägt vor, zur Herstellung von Maschinenteilen, die in ihrer Funktion einer hohen Beanspruchung durch gleitende Flächenreibung ausgesetzt sind, eine Eisenbasislegierung bestehend aus in Gew.-% C: 0,35 bis 1,0, vorzugsweise 0,4 bis 0,8; Si: bis 1,0; Mn: bis 1,6, vorzugsweise 0,3 bis 1,4; N: 0,10 bis 0,35, vorzugsweise 0,12 bis 0,29; Al: bis 1,0, vorzugsweise bis 0,8; Co: bis 2,8; Cr: 14,0 bis 25,0, vorzugsweise 16,0 bis 19,0; Mo: 0,5 bis 3.0, vorzugsweise 0,8 bis 1,5; Ni: bis 3,0, vorzugsweise bis 1,5; V: 0,04 bis 0,4, vorzugsweise 0,05 bis 0,2; W: bis 3,0; Nb: bis 0,18; Ti: bis 0,20 mit der Maßgabe, daß die Summe der Konzentration von Kohlenstoff und Stickstoff einen Wert von mindestens 0,5 und höchstens 1,2, vorzugsweise mindestens 0,61, höchstens jedoch 0,95, ergibt, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Beimengungen , zu verwenden. Inbesondere Plungerkolben und Kolbenringe aus obiger Legierung, welche gegebenfalls Oberflächen-Hartschichten tragen, weisen besonders vorteilhafte Gebrauchseigenschaften auf.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Eisenbasislegierung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Weiters bezieht sich die Erfindung auf einen Plungerkolben und/oder einen Kolbenring.
Maschinenteile, die in ihrer Funktion einer hohen oder hauptsächlichen Beanspruchung durch gleitende Reibung, insbesondere Flächenreibung, ausgesetzt sind, werden vorzugsweise aus gegossenen Werkstoffen hergestellt. Gegossene Teile haben den Vorteil, daß diese eine, im wesentlichen isometrische Gestaltsänderung bei Temperaturänderung erfahren, deshalb im praktischen Einsatz nicht schabend wirken, eine weitgehend ungerichtete Gefügestruktur aufweisen, eine homogene Mikrohartpartikelverteilung , zum Beispiel Karbidverteilung, und eine ebensolche Weichmatrix-Konfiguration aufweisen. Ein derartiger Gefügeaufbau wirkt an Reibungsflächen besonders vorteilhaft und vermindert die Reibungskräfte sowie die Materialabtragung insbesondere bei unzureichenden bzw. geringen und/oder unvollkommenen Schmiermittelbelägen der Fläche. Es werden daher zum Beispiel Gleitlager, Zylinderbüchsen, Kolbenringe und dergleichen Maschinenteile, die einer hohen Beanspruchung durch Gleitreibung ausgesetzt sind, hauptsächlich aus gegossenen oder gesinterten Werkstoffen, insbesondere Eisenbasislegierungen, hergestellt.
Bei zusätzlichen Korrosionsbeanspruchungen der Teile, wie diese beispielsweise bei Plungerkolben oder Kolbenringen in Verbrennungskraftmaschinen durch Verdrängungsmedien, Kondensate oder dergleichen erfolgen können, ist es erforderlich, hohe Chromgehalte in der Legierung vorzusehen, wobei jedoch die übrigen Werkstoffeigenschaften, die für eine entsprechende Funktion des Teiles erforderlich sind, nicht nachteilig beeinflußt werden dürfen.
Es wurde für Maschinenteile, die einer gleitenden Flächenreibung ausgesetzt sind,, insbesondere für Kolbenringe, schon versucht, verformtes Material, also Werkstoffe, die eine gegebenenfalls zeilige Verformungsstruktur besitzten können, einzusetzen. Diese verformten, also eine Mikro-Textur aufweisenden Teile entsprachen zumeist zumindest teilweise den an sie gestellten Anforderungen im praktischen Betrieb; bei der Herstellung jedoch sind eine Vielzahl von aufwendigen Verfahrensschritten notwendig, um eine für die Verwendung erforderliche Form bzw. Abmessung und gewünschte Materialeigenschaften einzustellen.
Kolbenringe aus verformten Werkstoffen, beispielsweise aus einer Legierung gemäß DIN-Werkstoff Nr. 1.4112 oder Werkstoff Nr. 1.2361, können hergestellt werden, indem im wesentlichen nach einem Walzen und gegebenenfalls Ziehen eines Profildrahtes dieser vergütet und zu einer Spirale gewickelt bzw. kaltverformt wird. Es ist vorteilhaft, wenn nach einer erforderlichen Glühung zum zumindest teilweisenAbbau der Kaltumformspannungen bzw. Verfestigungen von dieser spiraligen Vorform der Profildraht zu einer Kolbenringspirale, gegebenenfalls mit dem jeweiligen Kolbenringdurchmesser angepaßten geringerem Radius, umgewickelt bzw. weiterverformt wird, worauf, vorzugsweise nach einer weiteren Entspannungsbehandlung bzw. Glühung, ein Aufschneiden, im wesentlichen in Richtung einer Erzeugenden, der gegebenenfalls unrund erstellten Spirale erfolgt und die dabei gebildeten einzelnen Ringe sodann bearbeitet werden. Eine unrunde Form der Kolbenringe im entspannten Zustand kann gewählt werden, um in deren allseitig radial nach innen gedrückten Arbeitsposition im Zylinder rundum einen im wesentliche gleich großen spezifischen Anpreßdruck der äußeren Ringfläche an die Zylinderwand zu erreichen. Die Kolbenringe sollen dabei eine Härte von 35 HRC bis 45 HRC, insbesondere über 40 HRC, aufweisen.
Wird nach einem Walzen und gegebenenfalls Kaltziehen auf ein gewünschtes Querschnittsprofil nun das Vormaterial auf eine geforderte hohe Härte, zum Beispiel in einem Durchlaufverfahren, thermisch vergütet, so weist das derart wärmebehandelte Material eine geringe Biegezähigkeit auf, so daß beim Wickeln des Profildrahtes zu einer Spirale gelegentlich Brüche auftreten können. An die Zähigkeit bzw. an das Kaltumformvermögen des Werkstoffes werden nämlich höchste Anforderungen, die auch durch die Profilgeometrie und die Spiralenform beeinflußt werden, gestellt. Oftmals sind aufwendige Sonderglühverfahren und/oder Glühoperationen durchzuführen, um ein insbesondere gleichmäßig hohes Eigenschaftsniveau des Materiales zu erreichen.
Vor einem Umwickeln zu einer auf den jeweiligen Kolbendurchmesser ausgerichteten Spiralenform muß jedoch allenfalls ein entspannendes, die Zähigkeit erhöhendes aufwendiges Glühen des Kolbenringvormaterials vorgesehen werden, weil anderenfalls das Kaltumformvermögen des Werkstoffes erschöpft wäre, was unweigerlich zu Materialbrüchen führen würde.
Um diese Nachteile zu überwinden, wurde schon versucht, die Kohlenstoffkonzentration der Legierung zu verringern und dadurch die Biegezähigkeit des vergüteten Werkstoffes zu verbessern. Ein abgesenkter Kohlenstoffgehalt vermindert jedoch die Härte und verschlechtert die Gebrauchseigenschaften, insbesondere die Gleiteigenschaften, der Kolbenringe wesentlich, so daß diese Maßnahme in der Praxis keine Verwendung fand. Weiters wurde versucht, wie diese beim Schnellarbeitsstahl seit langem bekannt ist, durch ein Legieren mit Kobalt die Biegezähigkeit des Materials zu erhöhen. Dadurch konnten zwar einige Verbesserungen erreicht werden, die Anhebung der Zähigkeitswerte war jedoch in vielen Fällen nicht ausreichend groß und der hohe Preis des Legierungsmetalles Kobalt erbrachte auch wirtschaftliche Nachteile. Auch vergleichsweise höhere Abtragungswerte wurden bei verformten Legierungen festgestellt.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die Nachteile der bisher eingesetzten Werkstoffe zur Herstellung von Maschinenteilen, die in ihrer Funktion einer hohen Beanspruchung durch gleitende Flächenreibung ausgesetzt sind, zu vermeiden und dafür die Verwendung einer Legierung, welche eine hohe Härte und hohe Biegezähigkeit bei verbesserten Gebrauchseigenschaften und großer Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung der Teile aufweist, vorzuschlagen.
Weiters liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, korrosionsbeständige Plungerkolben und ebensolche Kolbenringe mit verbesserten Eigenschaften im praktischen Einsatz zu schaffen.
Dieses Ziel wird durch eine Verwendung einer Eisenbasislegierung enthaltend die Elemente Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Stickstoff, Chrom, Molybdän und Vanadin sowie gegebenenfalls Aluminium, Kobalt, Nickel, Wolfram, Niob und Titan mit Maßgabe, daß die Summe der Konzentration von Kohlenstoff und Sticksoff einen Wert von mindestens 0,5 und höchstens 1,2 vorzugsweise mindestens 0,61, höchstens jedoch 0,95, ergibt, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Beimengungen zur Herstellung von Maschinenteilen, die in ihrer Funktion einer hohen Beanspruchung durch gleitende Flächenreibung ausgesetzt sind, erreicht.
Die durch die Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß durch ein Legieren einer Eisenbasislegierung sowohl mit Kohlenstoff als auch mit Stickstoff in einem bestimmtern Verhältnis und innerhalb eines bestimmten Konzentrationsbereiches die Gebrauchseigenschaften eines daraus gefertigten Maschinenteiles, insbesondere im Hinblick auf eine hohe Beanspruchung durch gleitende Flächenreibung, überraschend synergetisch wesentlich verbessert sind. Eine hohe Werkstoffhärte wird durch beide Elemente, also Kohlenstoff und Stickstoff bewirkt, so daß der absolute Gehalt an Kohlenstoff der vorgeschlagenen Legierung abgesenkt und dadurch die Biegezähigkeit erhöht sind. Naturgemäß ist dadurch auch der Karbidanteil, insbesondere der Anteil an Cr-Karbiden geringer, wodurch die Cr-Konzentration in der Matrix erhöht und die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes wesentlich verbessert werden. Durch den Stickstoffgehalt wird auch eine besondere Feinkörnigkeit des Gefüges bewirkt und ein Kornwachstum auch bei hohen Härtetemperaturen weitgehend behindert. Vollkommen überraschend hat sich auch gezeigt, daß durch einen Stickstoffgehalt von mindestens0,1 Gew.-% der Reibverschleiß deutlich gemindert ist, wobei die günstigsten Werte bei ca. 0,2 Gew.-% Stickstoff im Stahl gefunden wurden. Der Molybdängehalt und insbesondere der Vanadingehalt der Legierung sind wichtig für eine hohe Härte und Zähigkeit des Materials und für die Anwendbarkeit von hohen Anlaßtemperaturen, insbesondere von 350 bis 550 ° C.
Eine Verwendung der vorgeschlagenen Legierung unter korrosiven Bedingungen ist besonders günstig, weil ein verringerter Kohlenstoffgehalt und eine hohe homogene Chromkonzentrationen sowie die Elemente Stickstoff und Molybdän, wie gefunden wurde, synergetisch die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes durch Stabilisierung der Oberflächen-Passivschicht trotz Reibungsbeanspruchung bewirken.
Einer erhöhten Korrosionsbeständigkeit wegen, aber auch hinsichtlich der gleitenden Flächenreibungsbeanspruchung kann es günstig sein, wenn die Eisenbasislegierung für Plungerkolben verwendet wird.
Sowohl für eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen Säuren, die im Zuge eines Kaltstartes eines Motors gebildet werden können, als auch im Hinblick auf hohe Gleitreibungsbeanspuchungen und gestellte Abdichtungsforderungen hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Legierung für Kolbenringe verwendet wird. Wenn , wie weiters gefunden wurde, die Maschinenteile aus der genannten Legierung zumindest teilweise mit einer Hartstoffbeschichtung versehen sind, können besonders günstige bzw. niedrige Reibungswerte erreicht werden.
Für Maschinenteile, die bei praktischer Anwendung Biegebeanspruchungen aufweisen, insbesondere für Kolbenringe, ist es bevorzugt, wenn die erfindungsgemäß verwendete Eisenbasislegierung zumindest teilweise mit einer Oberflächennitrierschicht versehen ist. Ein Nitrieren des fertigen Teiles, zum Beispiel eines Kolbenringes, kann während einer Anlaßbehandlung erfolgen und ist somit besonders wirtschaftlich durchführbar. Dabei ist günstig, wenn die Legierung Aluminiun enthält, weil dadurch eine Nitrierschichtbildung gefördert wird. Ein Nitrieren bewirkt durch eine Stickstoffaufnahme eine Volumsvergrößerung des Materials, wodurch die Zugspannungen an der Oberfläche des auf Biegung beanspruchten Teiles verringert, abgebaut oder in Druckspannungen umgewandelt werden und somit die Rißinitiationsgefahr weitgehend ausgeschaltet ist. Ist die Reibfläche des Teiles mit zumindest einer Tiefe von 0,05 mm, vorzugsweise von größer als 0,2 mm, nitriert oder karbonitriert, werden hohe Oberflächenhärten und auch äußerst geringe Gleitreibungswerte erreicht.
Entsprechend der weiteren Aufgabe der Erfindung ist ein Plungerkolben, insbesondere für eine Verdrängung von korrosiven Medien, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einer Eisenbasislegierung gemäß Anspruch 1 besteht und eine nach dem PVD- oder CVD-Verfahren aufgebrachte Schicht aus Karbid und/oder Nitrid der Elemente Al und/oder Ti trägt.
Ein erfindungsgemäßer Kolbenring, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen, ist dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einer Eisenbasislegierung gemäß Anspruch 1 gebildet ist und gegebenenfalls zumindest teilweise, insbesondere auf der hauptsächlich auf Reibung beanspruchten Fläche, eine Nitrierschicht mit einer Dicke von mindestens 0,05 mm, vorzugsweise von größer als 0,2 mm, aufweist.
Besonders gute mechanische Materialeigenschaften mit Dehnungswerten über 5%, vorzugsweise von 7% und größer, können erreicht werden, wenn aus einem Vormaterialmit einem Durchmesser von 4 bis 10 mm der Kolbenringprofildraht, wie an sich bekannt, in einem Mehrrollenwalzwerk bei einer Temperatur unter der AC1-Temperatur der Legierung hergestellt, durchlaufvergütet und danach zu Kolbenringen weiterverarbeitet wird.
Sowohl für Ottomotoren als auch vorzugsweise für Dieselmotoren haben sich Kolbenringe mit obigen Kennzeichen, insbesondere im Kurzzeitbetrieb, jeweils mit Kaltanlauf besonders gut bewährt und es wurden wesentlich geringere Materialabtragungen bei verkleinerten Reibungswerten erreicht.

Claims (8)

  1. Verwendung einer Eisenbasislegierung bestehend aus in Gew.-%
    C 0,35 bis 1,0, vorzugsweise 0,4 bis 0,8
    Si   bis 1,0
    Mn   bis 1,6, vorzugsweise 0,3 bis 1.4
    N 0,10 bis 0,35 , vorzugsweise 0,12 bis 0,29
    Al   bis 1,0, vorzugsweise bis 0,8
    Co   bis 2,8
    Cr 14,0 bis 25,0, vorzugsweise 16,0 bis 19,0
    Mo 0,5 bis 3,0, vorzugsweise 0,8 bis 1,5
    Ni   bis 3,0, vorzugsweise bis 1,5
    V 0,04 bis 0,4, vorzugsweise 0.05 bis 0,2
    W   bis 3,0
    Nb   bis 0,18
    Ti   bis 0,20
    mit der Maßgabe, daß die Summe der Konzentration von Kohlenstoff und Stickstoff einen Wert von mindestens 0,5 und höchstens 1,2, vorzugsweise mindestens 0,61, höchstens jedoch 0,95, ergibt, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Beimengungen zur Herstellung von Maschinenteilen, die in ihrer Funktion einer hohen Beanspruchung durch gleitende Flächenreibung ausgesetzt sind.
  2. Verwendung einer Eisenbasislegierung gemäß Anspruch 1 unter korrosiven Bedingungen,
  3. Verwendung einer Eisenbasislegierung gemäß Anspruch 1 oder 2 für Plungerkolben.
  4. Verwendung einer Eisenbasislegierung gemäß Anspruch 1 oder 2 für Kolbenringe.
  5. Verwendung Eisenbasislegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 für Maschinenteile mit einer zumindest teilweisen Hartstoffbeschichtung.
  6. Verwendung einer Eisenbasislegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 für Maschinenteile mit einer zumindest teilweisen Oberflächennitrierschicht.
  7. Plungerkolben, insbesondere für eine Verdrängung von korrosiven Medien, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einer Eisenbasislegierung gemäß Anspruch 1 besteht und eine nach dem PVD- oder CVD-Verfahren aufgebrachte Schicht aus Karbid und/oder Oxid und/oder Nitrid der Elemente Al und/oder Ti trägt.
  8. Kolbenring, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einer Eisenbasislegierung gemäß Anspruch 1 gebildet ist und gegebenenfalls zumindest teilweise, insbesondere auf der hauptsächlich auf Reibung beanspruchten Fläche, eine Nitrierschicht mit einer Dicke von mindestens 0,05 mm, vorzugsweise von größer als 0,2 mm, aufweist.
EP95890181A 1994-11-04 1995-10-11 Verwendung einer stickstoffhältigen Eisenbasislegierung für Maschinenteile, welche auf gleitende Flächenreibung beansprucht sind Ceased EP0710731A3 (de)

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