EP1468126A1 - Sphärogusslegierung - Google Patents

Sphärogusslegierung

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EP1468126A1 EP02792934A EP02792934A EP1468126A1 EP 1468126 A1 EP1468126 A1 EP 1468126A1 EP 02792934 A EP02792934 A EP 02792934A EP 02792934 A EP02792934 A EP 02792934A EP 1468126 A1 EP1468126 A1 EP 1468126A1
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/04—Cast-iron alloys containing spheroidal graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/10—Cast-iron alloys containing aluminium or silicon

Definitions

  • the invention relates to a spheroidal cast iron alloy for cast iron products with a high modulus of elasticity, the spheroidal cast iron alloy containing at least the elements C, Si, Mn, Cu, Mg, S and as admixtures Ni and / or Mo as non-iron components.
  • Ductile iron alloys are used in motor vehicle construction for the production of cast parts which must have a high resistance to torsional moments, for example the crankshaft, as part of the engine in the
  • the castings often have a very complex geometry with many areas that are subjected to different loads and therefore have different wall thicknesses. This requires a casting technique that is suitable for parts with highly differentiated geometries.
  • the castings also often have to be post-treated.
  • the aftertreatment can be a heat treatment and / or a machining treatment.
  • An important property that is desired for such cast parts is an elastic modulus that is as high as possible. Alloys with a modulus of elasticity of up to approx. 160 GPa are currently usually used.
  • a steel alloy is usually used for parts with the highest possible modulus of elasticity and the parts are then machined by forging. However, this manufacturing method is expensive.
  • WO 99/19525 discloses a nodular cast iron alloy which can be used for shafts and disks of a disc brake.
  • the alloy contains in percent by weight 1.5 to 4.5% C, 1.5 to 4.5% Si and at least 1.0 to 6.5% Mo, and possibly Ni and Cu, the sum (% Mo +% Ni +% Cu) not exceeding 6.5%, and as Balance iron and the usual impurities.
  • the alloy is characterized by good resistance to high temperatures and abrasion.
  • WO 96/38596 discloses a spheroidal cast iron alloy with a high modulus of elasticity.
  • the alloy contains in percent by weight: 3.0 to 3.8% C, 2.0 to 2.6% Si, 0.2 to 0.6% manganese, less than 0.02% P, less than 0.03% S, 0.03 to 0.06% magnesium, 0.8 to 1.2% Ni, 0.8 to 1.2% Cu, 0.4 to 1.0% Mo and the rest Fe.
  • Ductile iron alloys with high pearlite and graphite contents are known. With these known alloys, the modulus of elasticity is too low for certain applications. If the graphite content is kept low, the matrix portion becomes larger and the modulus of elasticity higher. There is more mixed crystal than graphite. ,
  • the alloy is composed of percentages by weight: C ⁇ 2.9%, Si 3.8 to 4.3%, Cu 0.5 to 1.0%, Ni and / or Mo 0 to 4%, Mn 0.1 to 0.8%, Mg 0.03 to 0.07% and S at most 0.015%, whereby the mixture proportions C and Si are very close to the eutectic.
  • the pearlite content in the structure of the cast iron products is reduced and that the alloy comes very close to the eutectic. This is achieved in that the pearlite content is less than 50 to 70%.
  • the cutting properties are improved by the lower percentage of pearlite.
  • the core idea of the invention is to provide a spheroidal cast iron alloy which is particularly suitable for crankshafts in internal combustion engines.
  • the higher modulus of elasticity considerably reduces the risk of breakage, even in the case of a one-piece shaft with a geometry with alternately relatively small and large cross sections, and the life of the shaft is considerably extended.
  • the rigidity of the crankshaft is also increased. As a result, the crankshaft runs more smoothly. Better smoothness also means that the vibrations that act on the bearings of the crankshaft are significantly reduced. As a result, the bearings and the shaft achieve a significantly longer service life.
  • the C content is decisive for the modulus of elasticity of the crankshaft.
  • GJS spheroidal graphite iron
  • the structure consists of 60-70% pearlite, 30 to 40% ferrite.
  • the total graphite content is 10%.
  • the graphite formation is greater than 90% V and VI (according to DIN EN ISO 945) with a size of 6 to 7.

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Description

Sphärogusslegierung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einem hohen E-Modul, wobei die Sphärogusslegierung als Nicht- Eisenbestandteile zumindest die Elemente C, Si, Mn, Cu, Mg, S und als Beimengungen Ni und/oder Mo enthält.
Im Kraftfahrzeugbau werden Sphärogusslegierungen verwendet für die Herstellung von Gussteilen, die einen hohen Widerstand gegen Torsionsmomente haben müssen, beispielsweise die Kurbelwelle, als Teil des Motors im
Kraftfahrzeug. Die Gussteile haben oft eine sehr komplexe Geometrie mit vielen Bereichen, die unterschiedlich belastet werden und deshalb unterschiedliche Wandstärken aufweisen. Dies setzt eine Giesstechnik voraus, die geeignet ist für Teile mit stark differenzierten Geometrien. Auch müssen die Gussteile oft nachbehandelt werden. Die Nachbehandlung kann eine Wärmebehandlung und/oder eine zerspanende Behandlung sein. Eine wichtige Eigenschaft, die für solchen Gussteile gewünscht wird, ist ein E-Modul, der möglichst hoch ist. Üblicherweise werden derzeit Legierungen mit einem E-Modul von bis zu ca. 160 GPa verwendet. Für Teile mit einem möglichst hohen E-Modul wird man üblicherweise eine Stahllegierung verwenden und die Teile anschliessend durch Schmieden bearbeiten. Diese Herstellungsmethode ist jedoch kostspielig.
Aus der WO 99/19525 ist eine Sphärogusslegierung bekannt, die für Wellen und Scheiben einer Scheibenbremse verwendet werden kann. Die Legierung enthält in Gewichtsprozent 1.5 bis 4.5 % C, 1.5 bis 4.5 % Si und mindestens 1.0 bis 6.5 % Mo, sowie eventuell Ni und Cu, wobei die Summe (% Mo + % Ni + % Cu) 6.5% nicht übersteigt, und als Rest Eisen und den üblichen Verunreinigungen. Die Legierung zeichnet sich aus durch eine gute Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Abrieb.
Aus der WO 96/38596 ist eine Sphärogusslegierung mit hohem E-Modul bekannt. Die Legierung enthält in Gewichtsprozent: 3.0 bis 3.8 % C, 2.0 bis 2.6 % Si, 0.2 bis 0.6 % Mangan, weniger als 0.02 % P, weniger als 0.03 % S, 0.03 bis 0.06% Magnesium, 0.8 bis 1.2 % Ni, 0.8 bis 1.2 % Cu, 0.4 bis 1.0% Mo und als Rest Fe.
Bekannt sind Sphärogusslegierungen mit hohen Perlit- und Graphitanteilen. Bei diesen bekannten Legierungen ist der E-Modul für gewisse Anwendungen zu niedrig. Wenn der Graphitgehalt tief gehalten wird, wird der Matrixanteil grösser und der E-Modul höher. Es entsteht mehr Mischkristall als Graphit. .
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einem E-Modul höher als 170 GPa anzugeben.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Legierung zusammengesetzt ist aus Gewichtsprozenten: C < 2.9 %, Si 3.8 bis 4.3 %, Cu 0.5 bis 1.0 %, Ni und/oder Mo 0 bis 4 %, Mn 0.1 bis 0.8 %, Mg 0.03 bis 0.07 % und S maximal 0.015 %, wobei die Mischungsanteile C und Si sehr nahe beim Eutektikum liegen.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Es ist von Vorteil, dass der Perlitanteil im Gefüge der Gusseisenprodukte reduziert wird und die Legierung sehr nahe ans Eutektikum kommt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Perlitanteil weniger als 50 bis 70 % beträgt. Durch den tieferen Perlitanteil werden die Zerspanungseigenschaften verbessert.
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 3.8 bis 4.0 % beträgt.
Der Kemgedanke der Erfindung ist es, eine Sphärogusslegierung anzugeben, die besonders geeignet ist für Kurbelwellen in Verbrennungsmotoren. Durch den höheren E-Modul wird die Bruchgefahr, auch bei einer einteiligen Welle mit einer Geometrie mit abwechslungsweise verhältnismässig geringen und grossen Querschnitten erheblich reduziert und die Lebensdauer der Welle erheblich verlängert. Auch die Steifigkeit der Kurbelwelle wird erhöht. Hierdurch wird eine bessere Laufruhe der Kurbelwelle erreicht. Eine bessere Laufruhe bedeutet auch, dass die Erschütterungen, die auf die Lager der Kurbelwelle einwirken, erheblich reduziert werden. Die Lager und die Welle erreichen dadurch eine deutlich längere Betriebslebensdauer. Der C-Gehalt ist massgebend für den E- Modul der Kurbelwelle. Wenn der Graphitanteil in der Legierung tief gehalten wird, wird der volumetrische Anteil der Mischkristalle im Vergleich zum Graphitanteil im Gefüge grösser. Hierdurch steigt der E-Modul. Sphärogusslegierungen mit C-Gehalten unterhalb 3.0 % sind bisher nicht bekannt. Üblicherweise enthalten Sphärogusslegierungen 10 bis 15 Vol. % Graphit. Mit der hier vorgeschlagenen Sphärogusslegierung wird erstmals einen Graphitanteil von maximal 10 Vol. % angestrebt.
Beispiel 1
Eine Kurbelwelle für einen Kraftfahrzeugmotor eines Personenkraftwagens aus Sphäroguss (GJS) mit der folgenden chemischen Zusammensetzung: 2.8 % C, 4.0 % Si, 0.2 % Mn, 0.9 % Cu, 0.047 % Mg, 0,005 % S.
Das Gefüge besteht aus 60-70% Perlit, 30 bis40% Ferrit. Der Graphitanteil beträgt insgesamt 10%. Die Graphitausbildung ist grösser als 90% V und VI (nach DIN EN ISO 945) mit einer Grosse von 6 bis 7.
Die mechanischen Eigenschaften dieses Gussteiles werden angegeben mit Rpo.2 = 574 N/mm2 , Rm = 811 N/mm2 und A = 2.7 %. Der E-Modul beträgt 179.5 GPa. Die Härte über den gesamten Querschnitt beträgt: 254-285 HB10/3000.

Claims

Patentansprüche
1. Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einem hohen E-Modul mit den chemischen Bestandteilen C, Si, Cu, Ni und/oder Mo, Mn, Mg und S, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusammengesetzt ist aus Gewichtsprozenten: C < 2.9 %, Si 3.8 bis 4.3 %, Cu 0.5 bis 1.0 %, Ni und/oder Mo 0 bis 4 %, wobei der Molybdängehalt maximal 1.0 % beträgt, Mn 0.1 bis 0.8 %, Mg 0.03 bis 0.07 % und S maximal 0.015 %, wobei die Mischungsanteile C und Si sehr nahe beim Eutektikum liegen.
2. Sphärogusslegierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der C- Gehalt 2.6 bis 2.9 % beträgt.
3. Sphärogusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Si-Gehalt 3.9 bis 4.1 % beträgt.
4. Sphärogusslegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der S-Gehalt weniger als 0.01 % beträgt.
5. Sphärogusslegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Perlitgehalt kleiner als 70 % beträgt.
6. Sphärogusslegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Perlitgehalt 50 bis 70 % beträgt.
7. Sphärogusslegierung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die daraus hergestellten Teile ein E-Modul von mindestens 170 GPa aufweisen.
8. Sphärogusslegierung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie für Kurbelwellen in Kraftfahrzeugen verwendet wird.
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