EP1270747B1 - Sphärogusslegierung - Google Patents

Sphärogusslegierung

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EP1270747B1
EP1270747B1 EP02006104A EP02006104A EP1270747B1 EP 1270747 B1 EP1270747 B1 EP 1270747B1 EP 02006104 A EP02006104 A EP 02006104A EP 02006104 A EP02006104 A EP 02006104A EP 1270747 B1 EP1270747 B1 EP 1270747B1
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EP
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cast iron
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nodular cast
iron alloy
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Werner Menk
Dirk Lindemann
Dirk Richarz
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Georg Fischer Fahrzeugtechnik AG
Georg Fischer Automotive AG
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Georg Fischer Fahrzeugtechnik AG
Georg Fischer Automotive AG
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    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21D5/00—Heat treatments of cast-iron
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like

Definitions

  • the invention relates to a nodular cast iron alloy for cast iron products having plastic ductility, wherein the nodular cast iron alloy contains as non-iron constituents at least the elements C, Si, Mn, Cu, Mg, S and as admixtures of one or more elements from group IIIb of the periodic table.
  • Spheroidal cast iron alloys are used in automotive engineering for the production of cast parts which have to withstand high impact loads, for example transverse links, as parts of the wheel suspension of the driven wheels, which still have to remain intact even after an accident.
  • the castings may be deformed in the so-called crash test, but not break.
  • Commercially available gray cast iron alloys tend to break when subjected to heavy blows.
  • a process for the production of ductile iron alloys with product inclusions is known, which are plastically deformed during the machining of the products produced.
  • the plastically deformable inclusions serve as a lubricant during machining.
  • the inclusions consist of about 50% SiO 2 , 25% CaO, 15% MgO and 10% Al 2 O 3 .
  • the base alloy is made low in sulfur and deoxygenated with a reagent containing CaC 2 , CaO, Ca, Al and Mg prior to the actual treatment with magnesium. A metal analysis of the products thus produced is not disclosed.
  • GB-A-832666 discloses iron alloys containing carbon, silicon and boron.
  • the alloys do not contain magnesium, whereby the graphite formation is not spherical, but compact or lamellar. Higher elongation values are only achieved after a subsequent heat treatment.
  • the alloys are treated with bismuth and tellurium and exhibit a predominantly pearlitic matrix, which can be refined after the subsequent heat treatment, but does not disappear.
  • a cylinder liner for an internal combustion engine is known.
  • the structure has Zementit- / Steaditanteile in a pearlitic matrix, resulting in a low plastic deformability results.
  • a nodular cast iron alloy for cast iron products having plastic ductility the nodular cast iron alloy containing as non-iron constituents at least the elements C, Si, Mn, Cu, Mg, S and as admixtures of one or more elements from group IIIb of the periodic table, wherein the alloy contains as admixture at least the element boron and wherein the Si content is more than 2.4%.
  • the Perlitanteil is reduced in the structure of the cast iron products and that a ferritic microstructure can be ensured. This is achieved by the alloy containing 2 to 200 ppm boron as admixture.
  • the core idea of the invention is to provide a cast iron alloy which is particularly suitable for load-bearing parts, for example for the suspension in the automotive industry.
  • the load-bearing parts must not break but only deform.
  • the deformation should not be elastic but plastic.
  • the deformability of the parts should be plastic and as large as possible, should not lead to breakage of the parts and should not be reversible.
  • a control arm for a front wheel suspension of a nodular cast iron passenger car having the following chemical composition: 3.5% C, 2.7% Si, 0.16% Mn, 0.06% Cu, 0.043% Mg, 0.002% S, 200 ppm sum of the elements from group IIIb of the periodic table (B, Al, Ga, In, TI), has a structure with a maximum of 15% perlite.
  • the graphite formation in the microstructure measured according to the standard DIN EN ISO 945, is more than 90% Form VI, and the size of the graphite spheres in the microstructure is in the classes 7-8.
  • composition and the. Properties of the casting are compared with a conventional spheroidal cast alloy called GJS-400-15.
  • This composition can be illustrated by the measurement results of an instrumented impact test. This impact test is performed as a simulation for the wheel suspension abuse test Passenger car.
  • the suspension still carries the passenger car after a collision so far that the passenger car can be driven to the next workshop.
  • the supporting part of the suspension such as the wishbone, which was permanently and irreversibly deformed by the collision, but is still unbreakable and stable, must be replaced.
  • Diagram 1 shows the measurement results of the impact tests on a wishbone of a passenger car on the right side. As comparison values are shown in the diagram 1 on the left side, the measurement results of an identical casting, which was made of commercially available nodular cast iron. From diagram 1 it can be seen that the total energy consumption in the control arm during the impact test is more than 2200 J. It can also be seen from diagram 1 that the deformation value in the impact test is more than 75% higher than in the case of a comparable casting made from a conventional nodular cast iron alloy. The deformation of the wishbone, expressed in mm, measured as the difference between two measuring points on the casting, before and after the impact test, is more than 15 mm. For comparable castings from a conventional ductile iron alloy, this deformation is usually less than 9 mm. The maximum force absorbed by the wishbone is between 3000 and 3500 kN. The instrumented impact test is performed on a Rosand impact tester.
  • Wishbone for a passenger car which are made of the inventive nodular cast iron alloy with at least 2.4% Si content and at least the element boron as admixture, and which are subjected to the casting cleaning as gentle as possible surface treatment, are characterized by a high plastic non-reversible Deformability.
  • the load-bearing parts of the suspension of an automobile break during the crash test, which simulates a particular accident situation, not and remain intact.
  • the present cast alloy is also suitable for all other vehicle parts that may deform under extreme loads, but may not break.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einer plastischen Verformbarkeit, wobei die Sphärogusslegierung als Nicht-Eisenbestandteile zumindest die Elemente C, Si, Mn, Cu, Mg, S und als Beimengungen eines oder mehre Elemente aus der Gruppe IIIb des Periodensystems enthält.
  • Im Kraftfahrzeugbau werden Sphärogusslegierungen verwendet für die Herstellung von Gussteilen, die eine hohe Schlagbelastung aushalten müssen, beispielsweise Querlenker, als Teile der Radaufhängung der angetriebenen Räder, die auch nach einem Unfall noch intakt bleiben müssen. Die Gussteile dürfen beim sogenannten Crash-test zwar verformt werden, aber nicht brechen. Handelsübliche Graugusslegierungen neigen zum Bruch, wenn sie starken Schlägen ausgesetzt werden.
  • Aus der WO 99 45 156 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Sphärogusslegierungen mit Produkteinschlüssen bekannt, die bei der maschinellen Bearbeitung der hergestellten Produkte plastisch verformt werden. Die plastisch verformbaren Einschlüsse dienen als Schmiermittel bei der spanabhebenden Bearbeitung. Die Einschlüsse bestehen aus etwa 50% SiO2, 25% CaO, 15% MgO und 10% Al2O3. Die Basislegierung wird vor der eigentlichen Behandlung mit Magnesium schwefelarm und sauerstoffarm gemacht mit einem Reagens, das CaC2, CaO, Ca, Al und Mg enthält. Eine Metallanalyse der so hergestellten Produkte wird nicht offenbart.
  • Aus der GB-A-832666 sind Eisenlegierungen bekannt, die Kohlenstoff, Silizium und Bor enthalten. Die Legierungen enthalten kein Magnesium, wodurch die Graphitausbildung nicht kugelförmig, sondern kompakt oder lamellar ist. Höhere Dehnungswerte werden nur nach einer anschliessenden Wärmebehandlung erreicht. Die Legierungen werden mit Bismuth und Tellur behandelt und weisen eine überwiegend perlitische Matrix auf, die nach der anschliessenden Wärmebehandlung zwar verfeinert werden kann, jedoch nicht verschwindet.
  • Aus der EP-A-525540 ist eine Zylinderlaufbuchse für eine Brennkraftmaschine bekannt. Das Gefüge weist Zementit-/Steaditanteile in eine perlitischen Matrix auf, woraus sich eine geringe plastische Verformbarkeit ergibt.
  • Aus der FR-A-1193067 sind Speziallegierungen bekannt, die sich durch eine Temperaturbeständigkeit bis 700 °C auszeichnen. Das Gefüge ist perlitisch und die Legierungen enthalten Ni, Cr und Mo. Die Werkstoffeigenschaften werden durch eine vierstündige Wärmebehandlung bei 900 °C erreicht.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einer plastischen Verformbarkeit anzugeben, die auch bei einer hohen Schlagbeanspruchung wesentlich höher ist als bei handelsüblichen Sphärogusslegierungen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einer plastischen Verformbarkeit, wobei die Sphärogusslegierung als Nicht-Eisenbestandteile zumindest die Elemente C, Si, Mn, Cu, Mg, S und als Beimengungen eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe IIIb des Periodensystems enthält, wobei die Legierung als Beimengung zumindest das Element Bor enthält und wobei der Si-Gehalt mehr als 2,4 % beträgt.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Es ist von Vorteil, dass der Perlitanteil im Gefüge der Gusseisenprodukte reduziert wird und dass ein ferritisches Gefüge gewährleistet werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Legierung als Beimengung 2 bis 200 ppm Bor enthält.
  • Es ist auch von Vorteil, dass im Gefüge der Gusseisenprodukte eine Verfestigung der Mischkristalle gewährleistet werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der Si-Gehalt 2,6 bis 2,9.% beträgt.
  • Es ist auch von Vorteil, dass bei der Nachbehandlung der Oberflächen der Gusseisenprodukte möglichst wenig Eigenspannung in den Gusseisenprodukten erzeugt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Gusseisenprodukte nach dem Giessverfahren einer Nachbehandlung unterworfen werden, die besonders schonend ist für die Produktoberflächen. Dies wird auch dadurch erreicht, dass die schonende Nachbehandlung der Oberflächen ein spannungsarmes Anglühen und bzw. oder ein Strahlen mit schwach abrasiven Partikeln umfasst. Durch die Nachbehandlung der Oberflächen, die üblicherweise in dem Verfahrensabschnitt des sogenannten Gussputzens nach dem Auspacken der Gussteile aus der Giessform und nach dem Abkühlen stattfindet, können Eigenspannungen im Gussteil aufgebaut werden, die später einen Bruch des Gussteiles auslösen können. Durch eine möglichst schonende Oberflächenbehandlung wird möglichst wenig Eigenspannung im Gussteil aufgebaut und wird die Gefahr eines Bruches erheblich reduziert.
  • Der Kerngedanke der Erfindung ist es, eine Gusseisenlegierung anzugeben, die besonders geeignet ist für tragende Teile, beispielsweise für die Radaufhängung in der Automobilindustrie. Die tragende Teile dürfen nicht brechen, sondern lediglich verformen. Die Verformung soll nicht elastisch sondern plastisch sein. Die Verformbarkeit der Teile soll plastisch sein und so gross, wie möglich sein, soll nicht bis zum Bruch der Teile führen und soll nicht reversibel sein.
    • Beispiel 1
  • Ein Querlenker für eine Radaufhängung eines Vorderrades eines Personenkraftwagens aus Sphäroguss (GJS) mit der folgenden chemischen Zusammensetzung: 3,5 % C, 2,7 % Si, 0,16 % Mn, 0,06 % Cu, 0,043 % Mg, 0,002 % S, 200 ppm Summe der Elemente aus der Gruppe IIIb des Periodensystemes (B, Al, Ga, In, TI), weist ein Gefüge auf mit maximal 15% Perlit.
  • Die Graphitausbildung im Gefüge beträgt, gemessen nach der Norm DIN EN ISO 945, mehr als 90 % Form VI, und die Grösse der Graphitkugeln im Gefüge liegt in den Klassen 7-8.
  • Die mechanischen Eigenschaften dieses Gussteiles werden angegeben mit Rp 0.2 mindestens 250 N/mm2, Rm mindestens 400 N/mm2 und A mindestens 15,0 %.
  • Die Zusammensetzung und die. Eigenschaften des Gussteiles werden verglichen mit einer konventionellen Spharogusslegierung mit der Bezeichnung GJS-400-15.
  • Die Wirksamkeit dieser Zusammensetzung kann anhand der Messresultate eines instrumentierten Schlagversuches dargestellt werden. Dieser Schlagversuch wird durchgeführt als eine Simulation für den Missbrauchstest der Radaufhängung des Personenkraftwagens.
  • Hierbei wird untersucht, ob die Radaufhängung den Personenwagen nach einem Zusammenstoss noch soweit trägt, dass der Personenwagen in die nächste Werkstatt gefahren werden kann. Hier muss dann das tragende Teil der Radaufhängung, beispielsweise der Querlenker, der durch den Zusammenstoss dauerhaft und irreversibel verformt wurde, jedoch noch bruchsicher und tragfähig ist, ausgewechselt werden.
  • Im Diagramm 1 werden auf der rechten Seite die Messresultate der Schlagversuche an einem Querlenker eines Personenkraftwagens dargestellt. Als Vergleichswerte sind im Diagramm 1 auf der linken Seite auch die Messresultate eines identischen Gussteiles dargestellt, das aus handelsüblichem Sphäroguss hergestellt wurde. Aus Diagramm 1 ist ersichtlich, dass die gesamte Energieaufnahme im Querlenker beim Schlagversuch mehr als 2200 J beträgt. Aus Diagramm 1 ist ebenfalls ersichtlich, dass der Deformationswert im Schlagversuch mehr als 75% höher ist als bei einem vergleichbaren Gussteil aus einer konventionellen Sphärogusslegierung. Die Deformation des Querlenkers, ausgedrückt in mm, gemessen als Differenz zwischen zwei Messpunkten am Gussteil, vor und nach dem Schlagversuch, beträgt mehr als 15 mm. Bei vergleichbaren Gussteilen aus einer konventionellen Sphärogusslegierung beträgt diese Deformation üblicherweise weniger als 9 mm. Die maximale Kraft, die vom Querlenker aufgenommen wird, liegt zwischen 3000 und 3500 kN. Der hier instrumentierte Schlagversuch wird durchgeführt auf einem Rosand Impact-Tester.
  • Querlenker für einen Personenkraftwagen, die aus der erfindungsgemässen Spärogusslegierung mit mindestens 2,4 % Si-Anteil und mit mindestens das Element Bor als Beimengung hergestellt werden, und die beim Gussputzen einer möglichst schonenden Oberflächenbehandlung unterworfen werden, zeichnen sich aus durch eine hohe plastische nicht reversible Verformbarkeit aus. Die tragenden Teile der Radaufhängung eines Automobils brechen bei dem Crash-Test, der eine bestimmte Unfallsituation simuliert, nicht und bleiben intakt.
  • Die vorliegende Gusslegierung eignet sich auch für alle anderen Fahrzeugteile, die sich bei extremen Belastungen verformen dürfen, jedoch nicht brechen dürfen.
    Figure imgb0001

Claims (6)

  1. Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einer plastischen Verformbarkeit, wobei die Sphärogusslegierung als Nicht-Eisenbestandteile zumindest die Elemente C, Si, Mn, Mg, S und als Beimengungen eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe IIIb des Periodensystems enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 3,5 % C, 2,6 bis 2,9 % Si, 0,16% Mn, 0,06 % Cu, 0,043% Mg, 0,002% S und als Beimengung insgesamt 2 bis 200 ppm der Elemente aus der Gruppe IIIb des Periodensystems (B,Al,Ga,ln,TI) enthält, rest Fe, und dass die Legierung ein Gefüge mit maximal 15% Perlit aufweist.
  2. Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einer plastischen Verformbarkeit nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die plastische Verformung der Produkte nach einem instrumentierten Schlagversuch irreversibel und dauerhaft ist.
  3. Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einer plastischen Verformbarkeit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieaufnahme der Produkte im instrumentierten Schlagversuch mindestens 35% höher liegt als bei vergleichbaren Gusseisenprodukten aus konventionellen Sphärogusslegierungen, derart, dass die Produkte bruchsicher sind.
  4. Verfahren zur Herstellung von Gusseisenprodukten aus einer Sphärogusslegierung mit einer plastischen Verformbarkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gusseisenprodukte nach dem Giessverfahren einer Nachbehandlung unterworfen werden, die besonders schonend ist für die Produktoberflächen, wobei die schonende Nachbehandlung der Oberflächen ein spannungsarmes Anglühen und bzw. oder ein Strahlen mit schwach abrasiven Partikeln umfasst.
  5. Verwendung der Sphärogusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung eines bruchsicheren, irreversibel und dauerhaft verformbaren Querlenkers.
  6. Querlenker nach dem der Anspruche 5, dadurch gekennzeichnet, dass im instrumentierten Schlagversuch der Deformationswert nach der plastischen Verformung mindestens 15 mm beträgt.
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