EP2052094A1 - Hochsiliziumhaltiger stahlwerkstoff zur herstellung von kolbenringen und zylinderlaufbuchsen - Google Patents

Hochsiliziumhaltiger stahlwerkstoff zur herstellung von kolbenringen und zylinderlaufbuchsen

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EP2052094A1
EP2052094A1 EP07724936A EP07724936A EP2052094A1 EP 2052094 A1 EP2052094 A1 EP 2052094A1 EP 07724936 A EP07724936 A EP 07724936A EP 07724936 A EP07724936 A EP 07724936A EP 2052094 A1 EP2052094 A1 EP 2052094A1
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EP
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steel material
high silicon
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piston rings
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Laszlo Pelsoeczy
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Federal Mogul Burscheid GmbH
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/08—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing nickel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • 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
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/25—Hardening, combined with annealing between 300 degrees Celsius and 600 degrees Celsius, i.e. heat refining ("Vergüten")
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • 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
    • C21D5/00—Heat treatments of cast-iron

Definitions

  • the present invention relates to a silicon-alloyed cast steel material which is particularly suitable for piston rings and cylinder liners. Furthermore, the invention relates to piston rings and cylinder liners, which include such a StahlwerkstofF as the main body. The invention further relates to a method for producing a silicon-alloyed cast steel material.
  • Piston rings seal the gap between the piston head and the cylinder wall with respect to the combustion chamber.
  • the piston ring slides on the one hand with its outer peripheral surface in constant resilient engagement against the cylinder wall, on the other hand slides the piston ring, due to the tilting movements of the piston, oscillating in its Kolbenringnut, with its edges alternately at the top or bottom Abut groove flank of the piston ring groove.
  • sliding against each other occurs depending on the material, a more or less severe wear, which can lead to so-called scuffing, scoring and finally to a destruction of the engine in a dry run.
  • they were provided on the peripheral surface with coatings of different materials.
  • Piston rings In particular compression rings, are subject to increasing loads in highly stressed engines, including compression peak pressure, combustion temperature, EGR, lubricating film reduction, which significantly affect their performance characteristics, such as wear, fire resistance, microwelding and corrosion resistance.
  • DE 3717297 discloses a cast-iron piston ring as the only material with cast iron which is white-solidified in its outer peripheral surface only in one area, caused by impinging the cast iron material with a high energy density radiation and with a thermally charged intermediate region formed between the cast iron base metal and the white solidified area.
  • EP 0 821 073 discloses a cast iron alloy having a pearlitic basic structure and spherical or vermicular graphite precipitates, which can be used in particular for use in piston rings due to the strength values that are resistant even at high temperatures.
  • the cast iron materials according to the prior art have a high risk of breakage, so that there is often ring breakage when using existing materials. Increased mechanical-dynamic loads lead to shorter lifetimes of piston rings or cylinder liners. Likewise, it comes to heavy wear and corrosion on the tread and flank.
  • Steel piston rings are made of profile wire.
  • the supplied profile wire is wound around, cut open and pulled over a "non-circular" mandrel.
  • This mandrel gives the piston ring its desired non-circular shape by means of an annealing process, whereby the required tangential forces are set. that from a certain diameter ring production (winding) made of steel wire is no longer possible, whereas piston rings made of cast iron are already poured out of round, so that they have an ideal shape from the beginning.
  • Cast iron has a much lower melting temperature than steel. The difference can be up to 350 0 C, depending on the chemical composition. Cast iron is therefore easier to melt and cast, since a lower melting temperature means a lower casting temperature and thus a smaller shrinkage due to shrinkage, whereby the cast material has less voids or Wann- and cold cracks. A lower casting temperature also leads to a lower load on the molding material (erosion, gas porosity, sand inclusions) and the furnace and lower melt costs.
  • the Stahlwerkstorf should be inexpensive to produce with the techniques that are also used for the production of cast iron.
  • the object is achieved by a cast iron material according to claim 1, a piston ring according to claim 6, a cylinder liner according to claim 8 and a method according to claim 10.
  • a cast iron material according to claim 1 a piston ring according to claim 6, a cylinder liner according to claim 8 and a method according to claim 10.
  • the melting temperature of the ferrous material depends not only on its carbon content but also on the "degree of saturation.” The simplified formula applies:
  • a saturation level of 1.0 is usually desired, wherein the cast iron has a melting temperature of 1150 0 C.
  • the degree of saturation of steel is about 0.18, depending on the chemical composition. Electric steel has a melting temperature of 1500 0 C.
  • the saturation level can be significantly influenced by the Si and / or P content. For example, a 3% by weight higher content of silicon will be similar to a 1% higher C content. It is thus possible to produce a steel material with a C content of 1% by weight and 9.78% by weight of silicon, which has the same melting temperature as cast iron with a degree of saturation of 1.0 (C: 3.26% by weight). -%, Si: 3.0 wt .-%).
  • a steel material according to the invention is characterized by the following composition in% by weight:
  • Remainder Fe and production-related impurities, the steel material containing no tungsten.
  • the steel material may further contain at least one element which is selected from the group consisting of tantalum, boron, tellurium or bismuth or combinations thereof, in particular in an amount of up to 0.1 wt .-%.
  • the steel material may contain at least one additive which is selected from the group consisting of aluminum, zirconium, antimony, calcium, strontium, lanthanum, cerium, rare earth metals or combinations thereof, preferably in an amount of up to 1 wt .-%.
  • Rare earth metals, as well as NiMg, NiSiMg, FeMg or FeSiMg, are used as nucleants and / or for deoxidation. Particularly preferred is the addition of FeSiMg.
  • Rare earth metals also include mixtures of lanthanides with oxides of other metals. These elements and additives may be impurities due to production or added to the melt during the process for producing the steel material according to the invention.
  • the ingredients are included such that the sum of all said or not explicitly mentioned starting materials, ingredients, ingredients, elements, additives in each case give 100 wt .-%.
  • the proportion of starting materials, ingredients, ingredients, elements and additives can be adjusted by various methods known to those skilled in the art.
  • the chemical composition is adjusted in particular depending on the workpiece to be produced.
  • At least one of the alloying components C, Si, Ni, P, S, Mo, Mn, Al, Co, Cu, Cr, Nb, Ti, V, Sn or Mg in the steel material in the amount listed in wt. -% is included:
  • the steel material according to the present invention is particularly suitable for the production of piston rings and / or cylinder liners.
  • Prefabricated piston rings and cylinder liners are coated on the flank and / or treads.
  • the steel material according to the invention reduces the tendency of the workpieces produced therefrom to change their shape under high heat and thus ensures a permanently high performance and, moreover, reduces the oil consumption. Due to its outstanding properties, the steel material according to the invention is therefore particularly suitable for the production of piston rings in the automotive and LB range, or for valve seat rings and Guides. It can also be used to produce lug seals (LWDs), disc brake pads (Black Plates) and rings for cooling units, pump nozzles, cylinder liners (liners) and blanks or parts for the chemical industry.
  • LWDs lug seals
  • disc brake pads Black Plates
  • rings for cooling units
  • pump nozzles pump nozzles
  • cylinder liners blanks or parts for the chemical industry.
  • the steel material according to the invention furthermore has the advantage that the production of, for example, steel piston rings and cylinder liners with the machines and technologies necessary for the production of cast iron workpieces is made possible.
  • the manufacturing costs correspond to those of cast iron piston rings or cylinder liners, which offers the manufacturer a cost advantage and a better added value.
  • material parameters can be set freely by the supplier.
  • a process is also provided for producing a steel material in which a melt preferably has the abovementioned chemical compositions.
  • the chemical composition of the melt is adjusted as needed by adding alloys.
  • the tapping temperature of the melt is 1480 to 1640 0 C.
  • the properties of the melt, the melt can be controlled before the casting or during casting by vaccination.
  • 650 g FeSiMg and / or 130 g Al and / or 650 g FeSiZr per 130 kg melt are used as nucleating agent.
  • a blank is produced with solidification of the melt.
  • the blank can be cast using methods known in the art, such as centrifugal casting, continuous casting, stamp pressing, croning or green sand molding as a single or multiple blank, then heat treated and further processed into a piston ring or a cylinder liner.
  • a heat treatment comprises austenitizing the steel material at 900 to 1000 ° C for one hour, quenching the steel material in oil or other suitable quench medium, and tempering the steel material at 420 to 470 ° C for one hour.
  • the tapping temperature is 1560 0 C.
  • the casting temperature is 1448 ° C.
  • the melt is seeded with 650 g FeSiMg per 130 kg melt.
  • Table 1 shows the mechanical properties of the erfmdungshacke ⁇ blank in the tempered state.
  • FIG. 1 shows an enlarged detail (100: 1) of a material produced by the method according to the invention
  • FIG. 2 shows an enlarged section (500: 1) of the material from FIG. 1;

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Abstract

Offenbart wird ein hochsiliziumhaltiger Stahlwerkstoff sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, der insbesondere für Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen geeignet ist, wobei der Stahlwerkstoff neben Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen 0,5 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff, 3, 0 bis 15, 0 Gew.-% Silizium und 0,5 bis 4,5 Gew.-% Nickel umfasst. Zusätzlich kann der Stahlwerkstoff geringe Mengen an den Elementen Mo, Mn, Al, Co, Nb, Ti, V, Sn, Mg, B, Te, Ta, La, Bi, Zr, Sb, Ca, Sr, Cer, Seltenerdemetalle, sowie der Keimbildner NiMg, NiSiMg, FeMg und FeSIMg enthalten. Durch den hohen Si-Gehalt wird ein hoher Sättigungsgrad von 1,0 erzielt, mit einer Schmeltztemperatur des Stahlwerkstoffs, die der von üblichem Gusseisen entspricht. Der Stahlwerkstoff kann in konventioneller Gusseisen-Technik hergestellt werden, und weist eine hohe Verschleissbeständigkeit sowie eine hohe Gestaltfestigkeit (geringer Verzug) auf.

Description

Hochsiliziumhaitiger Stahlwerkstoff zur Herstellung von Kolbenringen und
Zylinderlaufbuchsen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen siliziumlegierten Stahlgusswerkstoff, der insbesondere für Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen geeignet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen, die als Grundkörper einen derartigen StahlwerkstofF umfassen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines siliziumlegierten Stahlgusswerkstoffs.
Kolbenringe dichten den zwischen Kolbenkopf und Zylinderwand vorhandenen Spalt gegenüber dem Brennraum ab. Bei der Auf- und Abbewegung des Kolbens gleitet der Kolbenring einerseits mit seiner äußeren Umfangsfläche in ständiger federnder Anlage gegen die Zylinderwand, andererseits gleitet der Kolbenring, bedingt durch die Kippbewegungen des Kolbens, oszillierend in seiner Kolbenringnut, wobei seine Flanken wechselnd an der oberen oder unteren Nutenflanke der Kolbenringnut anliegen. Bei den jeweils gegeneinander laufenden Gleitpartnern tritt in Abhängigkeit des Materials ein mehr oder weniger starker Verschleiß auf, der bei einem Trockenlauf zu so genannten Fressern, Riefenbildung und schließlich zu einer Zerstörung des Motors führen kann. Um das Gleit- und Verschleißverhalten von Kolbenringen gegenüber der Zylinderwand zu verbessern, wurden diese an deren Umfangsfläche mit Beschichtungen aus unterschiedlichen Materialien versehen.
Zur Herstellung hoch beanspruchter Teile von Verbrennungskraftmotoren, wie beispielsweise Kolbenringe, werden meist Gusseisenwerkstoffe bzw. Gusseisenlegierungen verwendet. Kolbenringe, insbesondere Kompressionsringe, unterliegen in hochbeanspruchten Motoren einer zunehmenden Belastung, unter anderem Kompressionsspitzendruck, Verbrennungstemperatur, EGR, Schmierfilmreduzierung, die deren Funktionseigenschaften, wie Verschleiß, Brandspurbeständigkeit, Microwelding und Korrosionsbeständigkeit, maßgeblich beeinflussen. So offenbart beispielsweise die DE 3717297 einen Kolbenring aus Gusseisen als einzigem Material mit in seiner äußeren Umfangsoberfläche nur in einem Bereich weißerstarrtem Gusseisen, hervorgerufen durch Beaufschlagen des Gusseisenmaterials mit einer Strahlung hoher Energiedichte und mit zwischen dem Gusseisengrundmetall und weißerstarrten Bereich ausgebildetem thermisch beaufschlagtem Zwischenbereich.
In der EP 0 821 073 wird eine Gusseisenlegierung mit perlitischer Grundstruktur und kugelförmigen oder vermikularförmigen Graphitausscheidungen offenbart, die aufgrund der auch bei hohen Temperaturen beständigen Festigkeitswerte insbesondere zur Anwendung in Kolbenringen einsetzbar ist.
Die Gusseisenwerkstoffe gemäß dem Stand der Technik weisen jedoch ein hohes Bruchrisiko auf, so dass es bei der Verwendung bisheriger Werkstoffe häufig zu Ringbrüchen kommt. Gestiegene mechanisch-dynamische Belastungen führen zu kürzeren Lebensdauern von Kolbenringen oder Zylinderlaufbuchsen. Ebenso kommt es zu starkem Verschleiß und Korrosion an Lauffläche und Flanke.
Höhere Zünddrücke, reduzierte Emissionen sowie die Kraftstoff-Direkteinspritzung bedeuten steigende Belastungen für Kolbenringe. Die Folge sind Beschädigungen und Aufplattierungen von Kolbenmaterial vor allem auf der unteren Kolbenringflanke.
Aufgrund der höheren mechanischen und dynamischen Beanspruchungen von Kolbenringen fordern immer mehr Motorenhersteller Kolbenringe aus hochwertigem Stahl (vergütet und hochlegiert, wie beispielsweise Werkstoff 1.4112). Eisenwerkstoffe mit weniger als 2,08 Gew.-% Kohlenstoff bezeichnet man als Stahl. Liegt der Kohlenstoffgehalt höher, redet man von Gusseisen. Stahlwerkstoffe besitzen gegenüber Gusseisen bessere Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften, da keine Störung durch freien Graphit im Grundgefüge vorhanden ist.
Meist werden hochchromlegierte martensitische Stähle für die Herstellung von Stahlkolbenringen eingesetzt. Der Einsatz dieser Stähle weist aber den Nachteil auf, dass die Herstellungskosten im Vergleich zu Gusseisenbauteilen signifikant höher sind. Da der Stahl als Draht (analytisch definierter Werkstoff) von externen Zulieferern relativ teuer eingekauft wird, wird eine geringe Wertschöpfung erzielt.
Stahlkolbenringe werden aus Profildraht hergestellt. Der angelieferte Profildraht wird rund gewickelt, aufgeschnitten und über einen „Unrund"-Dorn gezogen. Auf diesem Dorn erhält der Kolbenring durch einen Glühprozess seine erwünschte unrunde Form, wodurch die geforderten Tangentialkräfte eingestellt werden. Ein weiterer Nachteil der Herstellung von Kolbenringen aus Stahl ist, dass ab einem gewissen Durchmesser die Ringherstellung (Wickeln) aus Stahldraht nicht mehr möglich. Kolbenringe aus Gusseisen werden dagegen bereits unrund gegossen, so dass sie von Anfang an eine ideale Form aufweisen.
Weitere Nachteile dieses Herstellungsverfahrens von Stahlkolbenringen sind die Abhängigkeit gegenüber dem Zulieferer (da es nur wenige Anbieter gibt) und die Unflexibilität bezüglich Werkstoffänderungen und chemischer Zusammensetzung.
Gusseisen besitzt eine wesentlich niedrigere Schmelztemperatur als Stahl. Der Unterschied kann je nach chemischer Zusammensetzung bis zu 3500C betragen. Gusseisen ist daher einfacher zu schmelzen und zu gießen, da eine niedrigere Schmelztemperatur eine niedrigere Gießtemperatur und damit eine kleinere abkühlungsbedingte Schwindung bedeutet, wodurch der gegossene Werkstoff weniger Lunker bzw. Wann- und Kaltrisse aufweist. Eine niedrigere Gießtemperatur führt weiterhin zu einer geringeren Belastung des Formstoff (Erosion, Gasporositäten, Sandeinschlüsse) und des Ofens sowie zu geringeren Schmelzkosten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen Stahlwerkstoff zur Verfügung zu stellen, der durch die Herstellung im Schwerkraftguss, die Eigenschaften von vergütetem Gusseisen mit Kugelgraphit in mindestens einem der folgenden Punkte übertrifft:
- Mechanische Eigenschaften wie E-modul, Biegefestigkeit
- Wiederstandsfähigkeit gegenüber Brüchen
- Gestaltfestigkeit
- Flankenverschleiß
- Laufflächenverschleiß Weiterhin soll der Stahlwerkstorf kostengünstig mit den Techniken herstellbar sein, die auch für die Herstellung von Gusseisen verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Gusseisenwerkstoff gemäß Anspruch 1 einen Kolbenring gemäß Anspruch 6, eine Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 8 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung enthalten.
Die Schmelztemperatur des Eisenwerkstoffs hängt nicht nur von seinem Kohlenstoffgehalt, sondern auch von dem „Sättigungsgrad" ab. Es gilt die vereinfachte Formel:
Sc = C/(4,26-l/3(Si+P)).
Je näher der Sättigungsgrad an 1 liegt, desto niedriger ist die Schmelztemperatur. Bei Gusseisen wird zumeist ein Sättigungsgrad von 1,0 angestrebt, wobei das Gusseisen eine Schmelztemperatur von 11500C aufweist. Der Sättigungsgrad von Stahl beträgt, abhängig von der chemischen Zusammensetzung, ungefähr 0,18. Elektischer Stahl weist eine Schmelztemperatur von 15000C auf.
Der Sättigungsgrad kann durch den Si- und/oder P-Gehalt deutlich beeinflusst werden. Zum Beispiel wird sich ein um 3 Gew.-% höherer Gehalt an Silizium ähnlich wie ein 1 Gew.-% höherer C-Gehalt aus. Es ist somit möglich, einen Stahlwerkstoff mit einem C-Gehalt von 1 Gew.-% und 9,78 Gew.-% Silizium herzustellen, der die gleiche Schmelztemperatur wie Gusseisen mit einem Sättigungsgrad von 1,0 (C: 3,26 Gew.-%, Si: 3,0 Gew.-%) aufweist.
Durch die drastische Erhöhung des Si-Gehalts wird der Sättigungsgrad des Stahlwerkstoffs erhöht und die Schmelztemperatur auf das Niveau von Gusseisen abgesenkt. Somit ist es möglich, Stahl mit Hilfe derjenigen Technik herzustellen, die auch für die Herstellung von Gusseisen, beispielsweise GOE 44, verwendet wird.
In höheren Mengen vorhandenes Silizium beeinflusst die Härtbarkeit des Werkstoffs negativ, da die Austenitumwandlungstemperatur „Ac3" erhöht wird. Gegen diesen negativen „Silizium- Effekt" wird erfindungsgemäß Nickel zugegeben, der als Austenitbildner das Gammagebiet erweitert und die Ac3 nach unten verschiebt, wodurch eine Härtung des hochsiliziumhaltigen Stahls ermöglicht wird.
Ein erfindungsgemäßer Stahlwerkstoff ist durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gekennzeichnet:
C: 0,5 bis 1,2
Si: 3,0 bis 15,0
Ni: 0,5 bis 4,5
P: 0 bis 0,035
S: 0 bis 0,035
Cr: 0 bis 3,0
Rest: Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei der Stahlwerkstoff kein Wolfram enthält.
Bevorzugt ist, dass weiterhin mindestens einer der Legierungsbestandteile Mo, Mn, Al, Co, Cu, Cr, Nb, Ti, V, Sn oder Mg, in dem Stahlwerkstorf in der entsprechend aufgeführten Menge in Gew.-% enthalten ist:
Mo: 0 bis 0,5 Nb: 0 bis 0,01
Mn: 0 bis 1,0 Ti: 0 bis 0,05
Al: 0 bis 0,05 V: 0 bis 0,05
Co: 0 bis 0,05 Sn: 0 bis 0,05
Cu: 0 bis 0,1 Mg: 0 bis 0,01
Der Stahlwerkstoff kann weiterhin mindestens ein Element enthalten, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Tantal, Bor, Tellur oder Bismut oder deren Kombinationen, insbesondere in einer Menge von bis zu 0,1 Gew.-%.
Weiterhin kann der Stahlwerkstoff mindestens einen Zusatzstoff enthalten, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Zirkonium, Antimon, Calcium, Strontium, Lanthan, Cer, Seltenerdmetallen oder deren Kombinationen, bevorzugt in einer Menge von bis zu 1 Gew.-%. Seltenerdmetalle, wie auch NiMg, NiSiMg, FeMg oder FeSiMg, werden als Keimbildner und/oder zur Desoxidation benutzt. Besonders bevorzugt ist die Zugabe von FeSiMg. Seltenerdmetalle umfassen auch Gemische aus Lanthanoiden mit Oxiden anderer Metalle. Diese Elemente und Zusatzstoffe können herstellungsbedingte Verunreinigungen sein oder während des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stahlwerkstoffs zu der Schmelze zugegeben werden.
Die Inhaltsstoffe sind derart enthalten, dass die Summe aller genannten oder nicht explizit genannten Ausgangsmaterialien, Bestandteile, Inhaltstoffe, Elemente, Zusatzstoffe in jedem Fall 100 Gew.-% ergeben. Der Anteil an Ausgangsmaterialien, Bestandteilen, Inhaltstoffen, Elementen und Zusatzstoffen kann durch verschiedene, dem Fachmann bekannte Verfahren eingestellt werden. Die chemische Zusammensetzung wird insbesondere in Abhängigkeit vom herzustellenden Werkstück eingestellt.
Bevorzugt ist, dass mindestens einer der Legierungsbestandteile C, Si, Ni, P, S, Mo, Mn, Al, Co, Cu, Cr, Nb, Ti, V, Sn oder Mg in dem Stahlwerkstoff in der entsprechend aufgeführten Menge in Gew.-% enthalten ist:
C: 0,5 bis 1,5 Mo: 0,1 bis 0,5 Nb: 0 bis 0,005
Si: 3,0 bis 10,0 Mn: 0,1 bis 0,5 Ti: 0 bis 0,01
Ni: 0,5 bis 3,5 Al: 0 bis 0,01 V: 0 bis 0,05
P: 0 bis 0,02 Co: 0 bis 0,02 Sn: 0 bis 0,05
S: 0 bis 0,03 Cu: 0 bis 0,05 Mg: 0 bis 0,01
Der Stahlwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere zur Herstellung von Kolbenringen und/oder Zylinderbuchsen geeignet. Bevorzugt sind hergestellte Kolbenringe und Zylinderbuchsen an den Flanken- und/oder Laufflächen beschichtet.
Der erfindungsgemäße Stahlwerkstoff reduziert die Neigung der daraus hergestellten Werkstücke, unter starker Hitze ihre Form zu verändern und sorgt somit für ein dauerhaft hohes Leistungsvermögen und vermindert darüber hinaus den Ölverbrauch. Der erfindungsgemäße Stahlwerkstoff eignet sich daher aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften insbesondere für die Herstellung von Kolbenringen im automotiven und LB-Bereich, bzw. für Ventilsitzringe und Führungen. Darüber hinaus können damit Laurwerkdichtungen (LWD's), Trägerplatten für Bremsbeläge von Scheibenbremsen (Black Plates) sowie Ringe für Kühlaggregate, Pumpdüsen, sowie Zylinderlaufbuchsen (Liner) und Schonbuchsen bzw. Teile für die chemische Industrie hergestellt werden.
Der erfindungsgemäße Stahlwerkstoff weist weiterhin den Vorteil auf, dass die Herstellung von beispielsweise Stahlkolbenringen und -zylinderlaufbuchsen mit den zur Herstellung von Gusseisen- Werkstücken notwendigen Maschinen und Technologien ermöglicht wird. Zudem entsprechen die Herstellungskosten denen von Gusseisen-Kolbenringen bzw. -Zylinderlaufbuchsen, was dem Hersteller einen Kostenvorteil und eine bessere Wertschöpfung bietet. Ebenso können Werkstoffparameter frei vom Zulieferer eingestellt werden.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlwerkstoffs bereitgestellt, bei dem eine Schmelze bevorzugt die oben genannten chemischen Zusammensetzungen aufweist.
Während des Schmelzprozesses in einem Ofen, vorzugsweise einem Kupolofen, wird die chemische Zusammensetzung der Schmelze je nach Bedarf durch Zugabe von Legierungen angepasst. Die Abstichtemperatur der Schmelze liegt zwischen 1480 und 16400C. Die Eigenschaften der Schmelze können noch vor dem Vergießen oder während des Gießens durch Impfung der Schmelze gesteuert werden. Bevorzugt werden 650 g FeSiMg und/oder 130 g Al und/oder 650 g FeSiZr pro 130 kg Schmelze als Keimbildner eingesetzt.
Anschließend wird ein Rohling unter Erstarrung der Schmelze hergestellt. Der Rohling kann dabei mit im Stand der Technik bekannte Methoden gegossen werden, wie beispielsweise Schleuderguss, Strangguss, Stempel-Pressverfahren, Croning oder Grünsandformen als Einzeloder Mehrfachrohling, anschließend wäπnebehandelt und zu einem Kolbenring oder einer Zylinderlaufbuchse weiterverarbeitet werden. Der Fachmann wird aufgrund der Zweckbestimmng des Rohlings und unter Zuhilfenahme seines allgemeinen Fachwissens die geeignete Methode wählen. Vorzugsweise umfasst eine Wärmebehandlung ein Austenitisieren des Stahlwerkstoffs bei 900 bis 10000C für eine Stunde, ein Abschrecken des Stahlwerkstoffs in Öl oder einem anderen geeigneten Abschreckmedium und ein Anlassen des Stahlwerkstoffs bei 420 bis 4700C für eine Stunde.
Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung, ohne sie zu beschränken.
Beispiel (erfindungsgemäß)
Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Werkstoff hergestellt, der die folgende Zusammensetzung (Gew.-%) aufweist:
C: 1,05 Mo: 0,487 Nb: 0,0027
Si: 5,91 Mn: 0,464 Ti: 0,0074
Ni: 2,94 Al: 0,0082 V: 0,0148
P: 0,0171 Co: 0,0141 Sn: 0,0082
S: 0,0285 Cu: 0,0433 W: 0
Cr: 0,0331 Rest: Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Die Abstichtemperatur beträgt 15600C. Die Gießtemperatur beträgt 1448°C. Die Schmelze wird mit 650 g FeSiMg pro 130 kg Schmelze geimpft. Tabelle 1 zeigt die mechanischen Eigenschaften des erfmdungsgemäßeπ Rohlings im vergüteten Zustand.
In den Figuren zeigt
Fig. 1 einen vergrößerten Ausschnitt (100:1) eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstoffes;
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt (500:1) des Werkstoffs aus Fig. 1;
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt (1000:1) des Werkstoffs aus Fig. 1. Tabelle 1
Mechanische Eigenschaften im vergüteten Zustand (nach DIN EN 10083-1, 10/96)
Durchmesser [mm] <16 >16-40 >40- 100 > 100 -160 > 160-250
Dicke [mm] <8 8 < t < 20 20 <t <60 60<t<100 100<t< 160
Streckgrenze Re min.900 min.750 min. 650 min.550 min.500 [N/mm2]
Zugfestigkeit Rm 1100- 1000- 900- 1200 900-1100 750 - 950 [N/mm2] 1400 1300
Bruchdehnung A [%] min.9 min.10 min. 11 min.12 min.13
Brucheinschnürung Z min.40 min.45 min. 50 min.50 min.55 [%]
Kerbschlagarbeit ISO-V min.30 min.35 min. 35 min.35 min.35 [J]

Claims

Ansprüche
1. Hochsiliziumhaltiger Stahlwerkstoff, insbesondere für Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-%:
C: 0,5 bis 1,2
Si: 3,0 bis 15,0
Ni: 0,5 bis 4,5
P: 0 bis 0,035
S: 0 bis 0,035
Cr: 0 bis 3,0
Rest: Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei der Stahlwerkstoff kein Wolfram enthält.
2. Hochsiliziumhaltiger Stahlwerkstoff gemäß Anspruch 1, wobei weiterhin mindestens einer der Legierungsbestandteile, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus
Mo: 0 bis 0,5 Nb: 0 bis 0,01
Mn: 0 bis 1,0 Ti: 0 bis 0,05
Al: 0 bis 0,05 V: 0 bis 0,05
Co: 0 bis 0,05 Sn: 0 bis 0,05
Cu: 0 bis 0,1 Mg: 0 bis 0,01
in der entsprechend aufgeführten Menge in Gew.-% in der Zusammensetzung enthalten ist.
3. Hochsiliziumhaltiger Stahlwerkstoff gemäß Anspruch 2, wobei mindestens einer der Legierungsbestandteile, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus C, Si, Ni, P, S, Mo, Mn, Al, Co, Cu, Cr, Nb, Ti, V, Sn und Mg, in dem Stahlwerkstoff in der entsprechend aufgeführten Menge in Gew.-%
C: 0,5 bis 1,2 Mo: 0,1 bis 0,5 Nb: 0 bis 0,005
Si: 3,0 bis 10,0 Mn: 0,1 bis 0,5 Ti: 0 bis 0,01
Ni: 2,0 bis 3,5 Al: 0 bis 0,01 V: 0 bis 0,05
P: 0 bis 0,02 Co: 0 bis 0,02 Sn: 0 bis 0,05
S: 0 bis 0,03 Cu: 0 bis 0,05 Mg: 0 bis 0,01
enthalten ist.
4. Hochsiliziumhaltiger Stahlwerkstoff gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, der weiterhin mindestens ein Element in einer Menge von jeweils bis zu 0,1 Gew.-% enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Tantal, Bor, Tellur und Bismut.
5. Hochsiliziumhaltiger Stahlwerkstoff gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, der weiterhin mindestens einen Zusatzstoff in einer Menge von jeweils bis zu 1 Gew.-% enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Zirkonium, Antimon, Calcium, Strontium, Lanthan, Cer, Seltenerdmetallen, NiMg, NiSiMg, FeMg und FeSiMg.
6. Kolbenring, der als Grundkörper einen Stahlwerkstoff gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4 umfasst.
7. Kolbenring gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin an den Flanken- und/oder Laufflächen beschichtet ist.
8. Zylinderlaufbuchse, die als Grundkörper einen Stahlwerkstoff gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4 umfasst.
9. Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin an den Laufflächen beschichtet ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Stahlwerkstoffs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die folgenden Schritte: a. Herstellen einer Schmelze, b. Abgießen in einem vorgefertigten Form, c. Wärmebehandlung des Rohlings.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Wärmebehandlung die folgenden Schritte umfasst: cl . Austenitisieren des Stahlwerkstoffs bei 900 bis 10000C für eine Stunde, c2. Abschrecken des Stahlwerkstoffs in einem geeigneten Abschreckmedium, beispielsweise in Öl, c3. Anlassen des Stahlwerkstoffs bei 420 bis 4700C für eine Stunde.
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