EP2242599B1 - Gusseisenlegierung für zylinderköpfe - Google Patents

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EP2242599B1
EP2242599B1 EP10704896.9A EP10704896A EP2242599B1 EP 2242599 B1 EP2242599 B1 EP 2242599B1 EP 10704896 A EP10704896 A EP 10704896A EP 2242599 B1 EP2242599 B1 EP 2242599B1
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EP
European Patent Office
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weight
cast iron
iron alloy
cylinder head
amount
Prior art date
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EP10704896.9A
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English (en)
French (fr)
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EP2242599A1 (de
Inventor
Hans Müller
Ulf Schmidtgen
Falk SCHÖNFELD
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MAN Truck and Bus SE
Original Assignee
MAN Truck and Bus SE
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009—Cylinders, pistons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/06—Cast-iron alloys containing chromium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/06—Cast-iron alloys containing chromium
    • C22C37/08—Cast-iron alloys containing chromium with nickel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/10—Cast-iron alloys containing aluminium or silicon
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/048—Heat transfer

Definitions

  • the invention relates to a cast iron alloy with lamellar graphite and a cast cylinder head.
  • a cylinder head for an internal combustion engine is for example from the DE-A-100 12 918 known. This describes a cylinder head for an internal combustion engine, which is cast from alloyed cast iron with lamellar graphite and as additives 3.30 wt .-% to 3.60 wt .-% carbon, 1.73 wt .-% to 1.92 wt.
  • cylinder heads of alloyed gray cast iron are known, for example from the MAN works standard M 3422, April 2000, which contains 3.30% by weight to 3.55% by weight of carbon, 1.80% by weight to 2.30 as additives %
  • silicon 0.55% by weight to 0.80% by weight of manganese, maximum of 0.20% by weight of phosphorus, maximum of 0.13% by weight of sulfur, 0.10% by weight to 0.15% by weight of chromium, 0.10% by weight to 0.20% by weight of molybdenum, 0.08% by weight to 0.12% by weight of tin and a maximum of 0.15% by weight.
  • RB GUNDLACH "Thermal shock resistance of alloyed cast iron with lamellar graphite for components of diesel engines", FOUNDRY PRACTICE, No. 6, 25 March 1981 (1981-03-25), pages 97-107 In Table 1, XP009132463 teaches that both the alloy "Cr-Ni-Cu- Mo-cast iron" for components of diesel engines (cylinder heads) with 3.45% C, 1.68% Si, 0.63% Mn, 0.3% Cr, 0.3% Mo , 0.97% Ni, 0.87% Cu, 0.081% S, 0.028% P can be used.
  • the invention therefore an object of the invention to form the above-mentioned alloys or cylinder heads so that the disadvantages described are largely excluded.
  • a lamellar graphite cast iron alloy characterized in that the cast iron has as additives 2.80% by weight - 3.60% by weight of carbon (C), 1.00% by weight - 1 , 70% by weight of silicon (Si), 0.10% by weight - 1.20% by weight of manganese (Mn), 0.03% by weight - 0.15% by weight of sulfur (S) , 0.05 wt .-% - 0.30 wt .-% chromium (Cr), 0.05 wt .-% - 0.30 wt .-% molybdenum (Mo), 0.05 wt .-% - 0 , 20 wt .-% tin (Sn) and common impurities.
  • C carbon
  • Si silicon
  • Mn manganese
  • S sulfur
  • S sulfur
  • Cr 0.05 wt .-% - 0.30 wt .-% chromium
  • Mo 0.05 wt .-% -
  • the alloy according to the invention or the cylinder head according to the invention has a comparison with the prior art improved thermal conductivity and improved tensile strength, in particular strength in the valve web.
  • improved thermal conductivity and improved tensile strength in particular strength in the valve web.
  • the occurrence of thermal fatigue cracks is reduced or their course is stopped or even prevented.
  • successes in the range of low temperatures, in particular at temperatures of about 100 to about 400 ° C are achieved.
  • the use of the alloy according to the invention leads to cracks which arise in the high temperature range, can not continue in the low temperature range, d. H. stay standing. The life of the alloy according to the invention or the cylinder head according to the invention is thus increased.
  • the alloy according to the invention or the cylinder head according to the invention is less expensive than alloys or cylinder heads known from the prior art.
  • the matrix of the structure of the cast iron alloy according to the invention or of the cylinder head according to the invention consists of perlite with not more than about 5%, in particular not more than about 3%, of ferrite. Ferrite is here called a structure and not as a phase as in perlite.
  • the% figures refer to the% proportion in the flat section.
  • the lamellar graphite is in the form I, with more than 80%, preferably more than 90 .-% in arrangement A, and in size 3 or finer before (EN ISO 945: 1994-09).
  • the special structure has the advantage that the desired properties, ie retention of mechanical properties and increase in thermal conductivity, further improved.
  • Lamellar graphite in Form I, in Distribution A and Size 2 is only permissible in areas of low load due to lack of vaccination.
  • the lamellar graphite may also be present in small proportions of the distribution B, C, D and / or E.
  • the distribution D + E up to 100% is permissible due to the influence of the molding material.
  • the preferred structural properties are particularly important in the thermomechanically heavily loaded areas with thermal cycling and thermal stress of 20 - 480 ° and permanently 300 - 450 ° C of the cast iron alloy according to the invention or the cylinder head according to the invention is of importance. In other places, these are rather subordinate.
  • a heat treatment by controlled cooling or annealing is optionally possible for residual stress reduction, but does not affect the metallographic structure of the structure.
  • the desired properties are in particular due to the combination of the specified additives and their amounts, i. these interact synergistically.
  • Carbon is added in an amount of from 2.80% to 3.60% by weight, preferably from 3.20% to 3.50% by weight, and more preferably from 3.30% to 3% , 50 wt .-% used. Too low a carbon content leads to the formation of micro-shrinkage, while a too high carbon content has the disadvantage that the alloy has too low a strength.
  • Silicon is used in an amount of 1.00 wt% to 1.50 wt%. Too low a silicon content leads to white radiation, while a too high silicon content has the disadvantage that the thermal conductivity drops sharply.
  • Manganese is used in an amount of 0.10 wt% to 1.20 wt%, preferably in an amount of 0.30 wt% to 0.80 wt%, and more preferably in an amount of 0 , 50 wt .-% to 0.60 wt .-% used. Manganese is needed to bind off the sulfur, because it should be present in the alloy according to the invention no pure sulfur but only manganese sulfide. Excessive manganese content leads to white radiation.
  • Sulfur is used in an amount of from 0.03% to 0.15% by weight, preferably in an amount of from 0.05% to 0.14% by weight, and more preferably in an amount of zero , 08 wt .-% to 0.12 wt .-% used. Sulfur in the compound of MnS is needed to ensure good workability. Too little sulfur causes the alloy according to the invention to be difficult to work. Excessive sulfur content leads to structure defects.
  • Chromium is used in an amount of from 0.05% to 0.30% by weight, preferably in an amount of from 0.08% to 0.20% by weight, and more preferably in an amount of zero , 08 wt .-% to 0.15 wt .-% used. Chromium has the task of stabilizing the perlite at temperatures> 550 ° C. Too high a chromium content leads to white radiation.
  • Molybdenum is used in an amount of from 0.05% to 0.30% by weight, preferably in an amount of from 0.10% to 0.25% by weight, and more preferably in an amount of zero , 10 wt .-% to 0.20 wt .-% used. Molybdenum ensures the heat resistance, in the cylinder head application preferably in the range of 300 ° C to 400 ° C. Excessive molybdenum content increases alloying costs and leads to browning.
  • Tin is added in an amount of from 0.05% to 0.20% by weight, preferably in an amount of from 0.05% to 0.15% by weight, and more preferably in an amount of zero , 08 wt .-% to 0.12 wt .-% used. Tin serves to suppress ferrite formation. Excessive tin content leads to embrittlement. Most preferably, tin is present in an amount of 0.08-0.12 wt%.
  • the cast iron alloy according to the invention or the cylinder head according to the invention may contain conventional impurities.
  • suitable impurities are nickel, copper, titanium, vanadium, niobium, nitrogen, phosphorus.
  • impurity includes inoculants unless one or more of the elements of the inoculant are necessary to represent the alloying properties.
  • the amount of nickel is up to 1 wt .-%, more preferably up to 0.30 wt .-%, most preferably ⁇ 0.1%.
  • Copper is preferably present in an amount up to 1% by weight, more preferably up to 0.30% by weight. Most preferably ⁇ 0.30 wt .-%. Too much copper leads to elimination problems and is expensive. In a preferred embodiment, the use of copper is not necessary or contains the alloy according to the invention only coming from the scrap copper.
  • Titanium is preferably in an amount of max. 0.020 wt .-%, more preferably up to max. 0.010 wt .-%, before. Too high a titanium content degrades the machinability of the cast iron alloy.
  • Vanadium is preferably present in an amount of up to 0.2% by weight, more preferably up to 0.1% by weight. Very particularly preferably ⁇ 0.10% by weight. If the vanadium content is too high, the toughness and the thermal conductivity decrease.
  • Niobium is preferably in an amount of up to 0.2 wt .-%, more preferably up to 0.1. Wt .-%, before. Very particularly preferably ⁇ 0.10% by weight. An excessively high niobium content increases the costs if deliberately added and leads to a deterioration in the thermal conductivity.
  • Nitrogen is preferably present in an amount of up to 0.03 wt.%, More preferably up to 0.0080 wt.%. Too high a free nitrogen content has the disadvantage that porosities may be present in the casting.
  • Phosphorus is preferably present in an amount of up to 0.15% by weight, more preferably in an amount of up to 0.06% by weight. Too high a phosphorus content leads to a decrease in toughness.
  • the alloy is preferably seeded with barium, zirconium or rare earth metals. These are used in amounts of from 0.0005% by weight to 0.0500% by weight, preferably in amounts of from 0.0010% by weight to 0.00125% by weight. Barium is particularly preferred, since this causes a gray solidification as graphite nucleating agent. Barium is therefore particularly preferably suitable because it compensates for the small amount of silicon as a promoter of stable solidification. Barium is used in the amounts mentioned above.
  • composition 1 in% by weight
  • Composition 2 in% by weight
  • carbon 3.43 3.44 silicon 1.42 1.40 manganese 0.56 0.49 sulfur 0.10 0.11 chrome 0.12 0.15 molybdenum 0.22 0.14 tin 0,071 0,076 nickel 0.079 0,065 copper 0.16 0.12 titanium 0.005 0,006 vanadium 0.0011 0,015 niobium 0.005 0,004 nitrogen 0.0055 0.005 phosphorus 0,029 0,012 aluminum 0,003 0.001 magnesium 0,002 0.001 arsenic 0.005 0.005 boron ⁇ 0.0001 ⁇ 0.0001 lead ⁇ 0.003 ⁇ 0.003 cobalt 0.016 0,025 antimony 0,003 0.001 tungsten 0,002 ⁇ 0.001 zinc ⁇ 0.001 ⁇ 0.001 bismuth 0.0014 0.0010 calcium 0.0008 0.0008 tellurium 0.0003 0.0003 cerium 0.0010 0,008 barium 0.0008
  • the graphite is present in the core of these above-mentioned specific compositions in Form I, Arrangement A and Size 3 and finer.
  • the cast iron alloy according to the invention or the cylinder head according to the invention fulfill the required mechanical properties, such as, for example, toughness and hardness.
  • thermal conductivity measurements have shown that the cast iron alloy according to the invention or the cylinder head according to the invention, especially in the temperature range from about 100 to about 400 ° C have unexpectedly high thermal conductivity values.
  • the cast iron alloy according to the invention or the cylinder head according to the invention has a thermal conductivity of 47 W / mk in the range of 200 ° C and corresponds in temperature ranges of greater than 400 ° in some known cast iron alloys or cylinder heads.
  • the tensile strength is also improved or at least equivalent to known alloys.
  • the invention also relates to a cylinder head.
  • this is a cylinder head of an internal combustion engine.
  • the cylinder head is designed as a row cylinder head for a single or multi-cylinder, in particular self-igniting, internal combustion engine in rows or V-type.
  • the optimization of the thermal conductivity while retaining all other required mechanical properties is particularly important for components with water cooling to bear, since here in the contact zone to the water flow temperatures of about 100 ° C to about 350 ° C, in particular up to about 250 ° C, and a increased thermal conductivity reduces the component temperature in this area more.
  • Example 1 in% by weight
  • Example 2 in% by weight
  • Comparative Example 3 in% by weight
  • Comparative Example 4 in% by weight
  • carbon 3.43 3.44 3.56 3.36 silicon 1.42 1.40
  • 2.22 1.96
  • manganese 0.56 0.49 0.73 0.58
  • sulfur 0.10 0.11 0.08 0,095 chrome 0.12 0.15 0.10 0.32 molybdenum 0.22 0.14 0.098 0.023 tin 0,071 0,076 0,076 0,020 nickel 0.079 0,065 0.066 0.078 copper 0.16 0.12 0.16 0.43 titanium 0.005 0,006 0,006 0.01 vanadium 0.011 0,015 0.009 0,015 niobium 0.005 0,004 0,006 0.005 nitrogen 0.0055 0.005 - 0.0064
  • the matrix of the microstructure in Examples 1 and 2 consists of perlite with about 5% ferrite.
  • the lamellar graphite is present in Examples 1 and 2 in Form I, Arrangement A and Size 3 and finer. In Comparative Examples 3 and 4, the lamellar graphite is in Form I, Arrangement A and Size 3-5.
  • Example 1 The values for the tensile strength (according to DIN EN 10 002) with tensile test according to DIN EN 1561, the hardness Brinell (according to DIN EN ISO 6506) of Example 1 correspond to those of Comparative Examples 3 and 4.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gusseisenlegierung mit Lamellengraphit sowie einen daraus gegossenen Zylinderkopf.
  • Derartige Gusseisenlegierungen bzw. Zylinderköpfe sind bekannt. Ein Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der DE-A-100 12 918 bekannt. Diese beschreibt einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, der aus legiertem Gusseisen mit Lamellengraphit gegossen ist und als Zusätze 3,30 Gew.-% bis 3,60 Gew.-% Kohlenstoff, 1,73 Gew.-% bis 1,92 Gew.-% Silizium, 0,60 Gew.-% bis 0,90 Gew.-% Mangan, maximal 0,055 Gew.-% Phosphor, maximal 0,10 Gew.-% Schwefel, 0,20 Gew.-% bis 0,32 Gew.-% Chrom, 0,40 Gew.-% bis 0,90 Gew.-% Kupfer, 0,08 Gew.-% bis 0,10 Gew.-% Zinn, 0,035 Gew.-% bis 0,55 Gew.-% Molybdän und 0,01 Gew.-% bis 0,014 Gew.-% Titan enthält. Ferner sind Zylinderköpfe aus legiertem Grauguss bekannt, beispielsweise aus der MAN Werknorm M 3422, April 2000, die als Zusätze 3,30 Gew.-% bis 3,55 Gew.-% Kohlenstoff, 1,80 Gew.-% bis 2,30 Gew.-% Silizium, 0,55 Gew.-% bis 0,80 Gew.-% Mangan, maximal 0,20 Gew.-% Phosphor, maximal 0,13 Gew.-% Schwefel, 0,10 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Chrom, 0,10 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% Molybdän, 0,08 Gew.-% bis 0,12 Gew.-% Zinn und maximal 0,15 Gew.% Kupfer enthalten. R. B. GUNDLACH: "Temperaturwechselbeständigkeit von legierten Gusseisen mit Lamellengraphit für Bauteile von Dieselmotoren",GIESSEREI-PRAXIS, Nr. 6, 25. März 1981 (1981-03-25), Seiten 97-107, XP009132463 lehrt in Tab. 1, dass sowohl die Legierung "Cr- Ni- Cu- Mo- Gusseisen" für Bauteile von Dieselmotoren (Zylinderköpfe) mit 3.45% C, 1.68% Si, 0.63% Mn, 0.3% Cr, 0.3% Mo, 0.97% Ni, 0.87% Cu, 0.081 % S, 0.028% P benutzt werden kann.
  • Zur ständigen Verbesserung der Verbrennung bei Motoren werden die Zünddrücke innerhalb des Zylinders ständig weiter erhöht. Der schwächste Bereich ist hier der Ventilsteg des den Verbrennungsraum abschließenden Zylinderkopfes. Zwar sind verschiedene Methoden zur Einstellung der gewünschten Eigenschaften durch Zulegieren von bestimmten Legierungselementen bekannt. Jedoch ist es bisher nicht gelungen, Gusseisenlegierungen bzw. Zylinderköpfe bereitzustellen, die sowohl hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften als auch in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit die gesteigerten Anforderungen, insbesondere hinsichtlich Dauerfestigkeit bzw. Lebensdauer, erfüllen. Hinzu kommt, dass bekannte Legierungen das Zulegieren von teuren Legierungselementen erfordern.
  • Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderten Legierungen bzw. Zylinderköpfe so weiter zu bilden, dass die beschriebenen Nachteile weitgehend ausgeschlossen sind. Dabei soll es insbesondere möglich sein, eine Legierung bzw. einen Zylinderkopf bereit zu stellen, der verbesserte mechanische Eigenschaften und eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit, insbesondere bei niederen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen von etwa 100 bis etwa 400, aufweist. Es ist auch wünschenswert, die Kosten bekannter Legierungen bzw. Zylinderköpfe zu senken.
  • Vorstehende Aufgabe wird durch eine Gusseisenlegierung mit Lamellengraphit gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gusseisen als Zusätze aufweist 2,80 Gew.-% - 3,60 Gew.-% Kohlenstoff (C), 1,00 Gew.-% - 1,70 Gew.-% Silizium (Si), 0,10 Gew.-% - 1,20 Gew.-% Mangan (Mn), 0,03 Gew.-% - 0,15 Gew.-% Schwefel (S), 0,05 Gew.-% - 0,30 Gew.-% Chrom (Cr), 0,05 Gew.-% - 0,30 Gew.-% Molybdän (Mo), 0,05 Gew.-% - 0,20 Gew.-% Zinn (Sn) und übliche Verunreinigungen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Gusseisenlegierung, insbesondere deren Einsatz als Zylinderkopf, gehen aus den nachstehenden noch näher erläuterten Unteransprüchen 2 bis 9 hervor.
  • Die erfindungsgemäße Legierung bzw. der erfindungsgemäße Zylinderkopf besitzt eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Wärmeleitfähigkeit und eine verbesserte Zugfestigkeit, insbesondere Festigkeit im Ventilsteg. Durch die Kombination hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Festigkeit wird das Auftreten von thermischen Ermüdungsrissen reduziert bzw. deren Verlauf gestoppt oder sogar verhindert. Insbesondere werden Erfolge im Bereich von niederen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen von etwa 100 bis etwa 400°C erzielt. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Legierung führt dazu, dass Risse, die im hohen Temperaturbereich entstehen, im niederen Temperaturbereich nicht weiterlaufen können, d. h. stehen bleiben. Die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Legierung bzw. des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes ist somit erhöht. Hinzu kommt, dass die erfindungsgemäße Legierung bzw. der erfindungsgemäße Zylinderkopf kostengünstiger ist als aus dem Stand der Technik bekannte Legierungen bzw. Zylinderköpfe.
  • Vorzugsweise ist die Matrix des Gefüges der erfindungsgemäßen Gusseisenlegierung bzw. des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes aus Perlit mit höchstens etwa 5 %, insbesondere höchstens etwa 3 %, Ferrit aufgebaut. Ferrit ist hier als Gefüge benannt und nicht als Phase wie in Perlit. Die %-Angaben beziehen sich hier wie bei allen hier erwähnten Gefügeangaben auf den % Anteil im ebenen Schliff. Im Kern liegt der Lamellengraphit in Form I, mit mehr als 80 -%, vorzugsweise mehr als 90.-% in Anordnung A, und in Größe 3 oder feiner vor (EN ISO 945:1994-09). Das spezielle Gefüge hat den Vorteil, dass die gewünschten Eigenschaften, d.h. Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften sowie Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit, weiter verbessert werden. Lamellengraphit in Form I, in Verteilung A und Größe 2 ist aufgrund mangelnder Impfung nur in Bereichen geringer Belastung zulässig. Im Kern kann der Lamellengraphit auch in geringen Anteilen der Verteilung B, C, D und/oder E vorliegen. In Randbereichen bis zu einer Tiefe von 3 mm ist aufgrund des Formstoffeinflusses die Verteilung D + E bis 100% zulässig.
  • Die bevorzugten Gefügeeigenschaften sind insbesondere in den thermomechanisch stark belasteten Bereichen mit Temperaturwechsel- und thermischer Dauerbeanspruchung von 20 - 480° und dauerhaft 300 - 450°C der erfindungsgemäßen Gusseisenlegierung bzw. des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes von Bedeutung. An anderen Stellen sind diese eher nachrangig.
  • Im Zusammenhang mit Zylinderköpfen bedeutet dies optimale Eigenschaften wenn vorstehend spezifiziertes Gefüge an den Stegen zwischen den Ein- und Auslassventilöffnungen, bzw. bei Mehrventilen zwischen den Stegen vorliegt.
  • Eine Wärmebehandlung durch gezieltes Abkühlen oder Glühbehandlung ist zum Eigenspannungsabbau optional möglich, beeinflusst den metallographischen Gefügeaufbau jedoch nicht.
  • Die gewünschten Eigenschaften stellen sich insbesondere durch die Kombination der angegebenen Zusätze sowie deren Mengen ein, d.h. diese wirken in synergistischer Weise zusammen.
  • Kohlenstoff wird in einer Menge von 2,80 Gew.-% bis 3,60 Gew.-%, vorzugsweise 3,20 Gew.-% bis 3,50 Gew.-% und besonders bevorzugt 3,30 Gew.-% bis 3,50 Gew.-% eingesetzt. Ein zu niedriger Kohlenstoffgehalt führt zur Bildung von Mikrolunkern, während ein zu hoher Kohlenstoffgehalt den Nachteil aufweist, dass die Legierung eine zu geringe Festigkeit aufweist.
  • Silizium wird in einer Menge von 1,00 Gew.-% bis 1,50 Gew.-% eingesetzt. Ein zu niedriger Siliziumgehalt führt zur Weißeinstrahlung, während ein zu hoher Siliziumgehalt den Nachteil aufweist, dass die Wärmeleitfähigkeit stark abfällt.
  • Mangan wird in einer Menge von 0,10 Gew.-% bis 1,20 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von 0,30 Gew.-% bis 0,80 Gew.-% und besonders bevorzugt in einer Menge von 0,50 Gew.-% bis 0,60 Gew.-% eingesetzt. Mangan wird benötigt um den Schwefel abzubinden, denn es soll in der erfindungsgemäßen Legierung kein reiner Schwefel sondern nur Mangansulfid vorliegen. Ein zu hoher Mangangehalt führt zur Weißeinstrahlung.
  • Schwefel wird in einer Menge von 0,03 Gew.-% bis 0,15 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von 0,05 Gew.-% bis 0,14 Gew.-% und besonders bevorzugt in einer Menge von 0,08 Gew.-% bis 0,12 Gew.-% eingesetzt. Schwefel in der Verbindung von MnS wird benötigt, um eine gute Berarbeitbarkeit zu gewährleisten. Zu wenig Schwefel führt dazu, dass die erfindungsgemäße Legierung schlecht zu bearbeiten ist. Ein zu hoher Schwefelgehalt führt zu Gefügefehlern.
  • Chrom wird in einer Menge von 0,05 Gew.-% bis 0,30 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von 0,08 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% und besonders bevorzugt in einer Menge von 0,08 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% eingesetzt. Chrom hat die Aufgabe den Perlit bei Temperaturen > 550 °C zu stabilisieren. Ein zu hoher Chromgehalt führt zu Weißeinstrahlung.
  • Molybdän wird in einer Menge von 0,05 Gew.-% bis 0,30 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von 0,10 Gew.-% bis 0,25 Gew.-% und besonders bevorzugt in einer Menge von 0,10 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% eingesetzt. Molybdän gewährleistet die Warmfestigkeit, in der Zylinderkopfanwendung bevorzugt im Bereich von 300°C bis 400°C. Ein zu hoher Molybdängehalt erhöht die Legierungskosten und führt zu Lunkerneigung.
  • Zinn wird in einer Menge von 0,05 Gew.-% bis 0,20 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% und besonders bevorzugt in einer Menge von 0,08 Gew.-% bis 0,12 Gew.-% eingesetzt. Zinn dient zur Unterdrückung der Ferritbildung. Ein zu hoher Zinngehalt führt zu Versprödung. Ganz besonders bevorzugt liegt Zinn in einer Menge von 0,08 - 0,12 Gew.-% vor.
  • Die erfindungsgemäße Gusseisenlegierung bzw. der erfindungsgemäße Zylinderkopf kann übliche Verunreinigungen enthalten. Als Verunreinigungen kommen beispielsweise Nickel, Kupfer, Titan, Vanadium, Niob, Stickstoff, Phosphor in Frage. Der Begriff Verunreinigung schließt Impfmittel mit ein, sofern nicht eines oder mehrere der Elemente des Impfmittels notwendig sind um die Legierungseigenschaften darzustellen.
  • Vorzugsweise beträgt die Menge an Nickel bis zu 1 Gew.-%, besonders bevorzugt bis zu 0,30 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt < 0,1%.
  • Kupfer liegt vorzugsweise in einer Menge bis zu 1 Gew.-%, besonders bevorzugt bis zu 0,30 Gew.-% vor. Ganz besonders bevorzugt < 0,30 Gew.-% . Eine zu hohe Kupfermenge führt zu Ausscheidungsproblemen und ist teuer. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Einsatz von Kupfer gar nicht notwendig bzw. enthält die erfindungsgemäße Legierung nur das aus dem Schrott kommende Kupfer.
  • Titan liegt vorzugsweise in einer Menge von max. 0,020 Gew.-%, besonders bevorzugt bis zu max. 0,010 Gew.-%, vor. Ein zu hoher Titangehalt verschlechtert die Bearbeitbarkeit der Gusseisenlegierung.
  • Vanadium liegt vorzugsweise in einer Menge von bis zu 0,2 Gew.-%, besonders bevorzugt von bis zu 0,1 Gew.-% vor. Ganz besonders bevorzugt < 0,10 Gew.-% Ist der Vanadiumgehalt zu hoch, dann nimmt die Zähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit ab.
  • Niob liegt vorzugsweise in einer Menge von bis zu 0,2 Gew.-%, besonders bevorzugt bis zu 0,1. Gew.-%, vor. Ganz besonders bevorzugt < 0,10 Gew.-% Ein zu hoher Niobanteil erhöht die Kosten wenn bewusst zulegiert und führt zu einer Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit.
  • Stickstoff liegt vorzugsweise in einer Menge von bis zu 0,03 Gew.-% vor, besonders bevorzugt bis zu 0,0080 Gew.-%, vor. Ein zu hoher freier Stickstoffgehalt hat den Nachteil, dass Porositäten im Gussteil vorliegen können.
  • Phosphor liegt vorzugsweise in einer Menge von bis zu 0,15 Gew.-%, besonders bevorzugt in einer Menge von bis zu 0,06 Gew.-% vor. Ein zu hoher Phosphorgehalt führt zu einer Abnahme der Zähigkeit.
  • Die Impfung der Legierung erfolgt vorzugsweise mit Barium, Zirkonium oder Metallen der seltenen Erden. Diese werden in Mengen von 0,0005 Gew.-% bis 0,0500 Gew.-%, vorzugsweise in Mengen von 0,0010 Gew.-% bis 0,00125 Gew.-%, eingesetzt. Besonders bevorzugt ist Barium, da dieses als Graphitkeimbildner eine graue Erstarrung bewirkt. Barium ist auch deshalb besonders bevorzugt geeignet, da es die geringe Siliziummenge als Promotor der stabilen Erstarrung kompensiert. Barium kommt in den vorstehend genannten Mengen zum Einsatz.
  • Als besonders günstig haben sich folgende exakte Zusammensetzungen mit genau definierten Anteilen and Legierungselementen herausgestellt:
    Zusammensetzung 1 (in Gew.-%) Zusammensetzung 2 (in Gew.-%)
    Kohlenstoff 3,43 3,44
    Silizium 1,42 1,40
    Mangan 0,56 0,49
    Schwefel 0,10 0,11
    Chrom 0,12 0,15
    Molybdän 0,22 0,14
    Zinn 0,071 0,076
    Nickel 0,079 0,065
    Kupfer 0,16 0,12
    Titan 0,005 0,006
    Vanadium 0,0011 0,015
    Niob 0,005 0,004
    Stickstoff 0,0055 0,005
    Phosphor 0,029 0,012
    Aluminium 0,003 0,001
    Magnesium 0,002 0,001
    Arsen 0,005 0,005
    Bor < 0,0001 < 0,0001
    Blei < 0,003 < 0,003
    Cobalt 0,016 0,025
    Antimon 0,003 0,001
    Wolfram 0,002 < 0,001
    Zink < 0,001 < 0,001
    Bismuth 0,0014 0,0010
    Calcium 0,0008 0,0008
    Tellur 0,0003 0,0003
    Cer 0,0010 0,008
    Barium 0,0008 0,0009
  • Der Graphit liegt bei diesen oben genannten speziellen Zusammensetzungen im Kern in Form I, Anordnung A und Größe 3 und feiner vor.
  • Die erfindungsgemäße Gusseisenlegierung bzw. der erfindungsgemäße Zylinderkopf erfüllen die geforderten mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise Zähigkeit und Härte. Darüber hinaus haben Wärmeleitfähigkeitsmessungen gezeigt, dass die erfindungsgemäße Gusseisenlegierung bzw. der erfindungsgemäße Zylinderkopf gerade im Temperaturbereich von etwa 100 bis etwa 400°C unerwartet hohe Wärmeleitfähigkeitswerte besitzen. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Gusseisenlegierung bzw. der erfindungsgemäße Zylinderkopf eine Wärmeleitfähigkeit von 47 W/mk im Bereich von 200°C auf und entspricht in Temperaturbereichen von größer als 400° in etwa bekannten Gusseisenlegierungen bzw. Zylinderköpfen. Die Zugfestigkeit ist gegenüber bekannten Legierungen ebenfalls verbessert oder zumindest gleichwertig.
  • Wie bereits mehrfach erwähnt, betrifft die Erfindung auch einen Zylinderkopf. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine. Insbesondere ist der Zylinderkopf als Reihenzylinderkopf für eine ein- oder mehrzylindrige, insbesondere selbstzündende, Brennkraftmaschine in Reihen oder V-Bauweise ausgebildet.
  • Die Optimierung der Wärmeleitfähigkeit bei Beibehaltung aller andern geforderten mechanischen Eigenschaften kommt besonders bei Bauteilen mit Wasserkühlung zum Tragen, da hier in der Kontaktzone zur Wasserströmung Temperaturen von etwa 100°C bis etwa 350°C, insbesondere bis etwa 250°C, vorliegen, und eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit die Bauteiltemperatur in diesem Bereich stärker absenkt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen weiter erläutert. Die Beispiele sind jedoch in keiner Weise limitierend oder beschränkend für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
    • Beispiele 1 bis 4
  • Folgende Gusseisenlegierungen aus legierten Gusseisen mit Lamellengraphit wurden unter Verwendung von Barium als Impfmittel (Beispiele 1 und 2) bzw. ohne Impfmittel (Vergleichsbeispiele 3 und mit nicht bekannter Impfung Benchmark 4) in üblicher Weise hergestellt:
    Beispiel 1 (in Gew.-%) Beispiel 2 (in Gew.-%) Vergleichsbeispiel 3 (in Gew.-%) Vergleichsbeispiel 4 (in Gew.-%)
    Kohlenstoff 3,43 3,44 3,56 3,36
    Silizium 1,42 1,40 2,22 1,96
    Mangan 0,56 0,49 0,73 0,58
    Schwefel 0,10 0,11 0,08 0,095
    Chrom 0,12 0,15 0,10 0,32
    Molybdän 0,22 0,14 0,098 0,023
    Zinn 0,071 0,076 0,076 0,020
    Nickel 0,079 0,065 0,066 0,078
    Kupfer 0,16 0,12 0,16 0,43
    Titan 0,005 0,006 0,006 0,01
    Vanadium 0,011 0,015 0,009 0,015
    Niob 0,005 0,004 0,006 0,005
    Stickstoff 0,0055 0,005 - 0,0064
    Phosphor 0,029 0,012 0,26 0,063
    Aluminium 0,003 0,001 0,002 0,002
    Magnesium 0,002 0,001 0,003 <0,001
    Arsen 0,005 0,005 0,011 0,015
    Bor < 0,0001 < 0,0001 <0,0001 <0,001
    Blei < 0,003 < 0,003 <0,003 <0,003
    Cobalt 0,016 0,025 0,021 0,012
    Antimon 0,003 0,001 0,004 0,004
    Wolfram 0,002 < 0,001 0,002 0,002
    Zink < 0,001 < 0,001 <0,001 <0,001
    Bismuth 0,0014 0,0010 - <0,001
    Calcium 0,0008 0,0008 - -
    Tellur 0,0003 0,0003 - -
    Cer 0,0010 0,008 - -
    Barium 0,0008 0,0009 - -
    - = nicht bestimmt
  • Die Matrix des Gefüges besteht bei den Beispielen 1 und 2 aus Perlit mit etwa 5% Ferrit. Der Lamellengraphit liegt in den Beispielen 1 und 2 in Form I, Anordnung A und Größe 3 und feiner vor. In den Vergleichsbeispielen 3 und 4 liegt der Lamellengraphit in Form I, Anordnung A und Größe 3 - 5 vor.
  • Die mechanischen Eigenschaften sowie die Wärmeleitfähigkeit der Gusseisenlegierungen des Beispiels 1 sowie der Vergleichsbeispiele 3 und 4 wurden in üblicher Weise ermittelt.
  • Die Ergebnisse sind in anschließender Tabelle 1 sowie in Figur 1 dargestellt. Tabelle 1
    Wärmeleitfähigkeitsmessungen (über Temperaturleitfähigkeit nach der Laser Flash Methode) und Zugfestigkeitswerte (Rm nach DIN EN 10002-1)
    Beispiel 1 Vergleichsbeispiel 3 Vergleichsbeispiel 4
    20 °C 55,17 55,14 47,95
    100 °C 51,22 45,86 45,4
    200 °C 47,89 39,96 43,58
    400 °C 42,28 39,01 40,23
    500 °C 40,06 38,24 39,02
    550 °C 38,83 37,66 38,03
    600 °C 37,86 37,27 36,82
    Rm [MPa] 292 - 328 217 - 257 270 - 310
  • Die Werte für die Zugfestigkeit (nach DIN EN 10 002) mit Zugprobe nach DIN EN 1561, die Härte Brinell (nach DIN EN ISO 6506) von Beispiel 1 entsprechen den Werten der Vergleichsbeispiele 3 und 4.
  • Es zeigt sich, dass die erfindungsgemäße Gusseisenlegierung des Beispiels 1 hinsichtlich Zugfestigkeit und Härte den Gusseisenlegierungen gemäß den Vergleichsbeispielen 3 und 4 entspricht, dass jedoch die erfindungsgemäße Gusseisenlegierung hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit den Vergleichsbeispielen 3 und 4 deutlich überlegen ist.

Claims (8)

  1. Gusseisenlegierung mit Lamellengraphit, dadurch gekennzeichnet, dass die Gusseisenlegierung als Zusätze aufweist
    2,80 Gew.-% - 3,60 Gew.-% Kohlenstoff (C),
    1,00 Gew.-% - 1,50 Gew.-% Silizium (Si),
    0,10 Gew.-% - 1,20 Gew.-% Mangan (Mn),
    0,03 Gew.-% - 0,15 Gew.-% Schwefel (S),
    0,05 Gew.-% - 0,30 Gew.-% Chrom (Cr),
    0,05 Gew.-% - 0,30 Gew.-% Molybdän (Mo),
    0,05 Gew.-% - 0,20 Gew.-% Zinn (Sn)
    und Rest Eisen (Fe) sowie übliche Verunreinigungen, von denen Nickel (Ni) bis zu 1 Gew.-%, Kupfer (Cu) bis zu 1 Gew.-%, Titan (Ti) bis zu 0,2 Gew.-%, Vanadium (V) bis zu 0,2 Gew.-%, Niob (Nb) bis zu 0,2 Gew.-%, Stickstoff (N) bis zu 0,03 Gew.-% und Phosphor (P) bis zu 0,15 Gew.-% ausmacht, wobei die Matrix des Gefüges der Gusseisenlegierung aus Perlit mit höchstens etwa 5 % Ferrit aufgebaut ist.
  2. Gusseisenlegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gusseisenlegierung als Zusätze aufweist
    3,20 Gew.-% - 3,50 Gew.-% Kohlenstoff (C),
    1,30 Gew.-% - 1,50 Gew.-% Silizium (Si),
    0,50 Gew.-% - 0,60 Gew.-% Mangan (Mn),
    0,08 Gew.-% - 0,12 Gew.-% Schwefel (S),
    0,10 Gew.-% - 0,15 Gew.-% Chrom (Cr),
    0,20 Gew.-% - 0,25 Gew.-% Molybdän (Mo),
  3. Gusseisenlegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix des Gefüges der Gusseisenlegierung aus Perlit mit höchstens etwa 3 % Ferrit aufgebaut ist.
  4. Gusseisenlegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lamellengraphit im Kern in Form I, in größer als 80 %, vorzugsweise größer als 90 % in Anordnung A und in Größe 3 oder feiner gemäß EN ISO 945:1994-09 vorliegt.
  5. Gusseisenlegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, erhältlich durch Impfung mit 0,0005 Gew.-% bis 0,0500 Gew.-%, vorzugsweise 0,0010 Gew.-% bis 0,00125 Gew.-% Barium.
  6. Zylinderkopf, gegossen aus der Gusseisenlegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
  7. Zylinderkopf nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine handelt.
  8. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf als Reihenzylinderkopf für eine mehrzylindrige, insbesondere selbstzündende, Brennkraftmaschine ausgebildet ist.
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