WO1997013396A2 - Bewehrungsteil, dessen grundwerkstoff austenitisches gusseisen ist - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a reinforcement part, the base material of which is austenitic cast iron and which is intermetally connected to a motor part made of an aluminum-based alloy, in particular a piston.
  • Reinforcement parts of the generic type are used in particular as ring girders, occasionally also as trough edge protection in aluminum pistons for diesel engines.
  • connection of the reinforcement part which usually consists of austenitic GGL, to the piston material is produced using the Alfin method known in the prior art since approx. 1950, by immersing the reinforcement part in an AlSi melt before the piston material is cast around it an intermetallic layer is formed on the surface of the reinforcement part.
  • the invention is therefore concerned with the problem of increasing the strength and the reproducibility of the intermetallic bond in the generic reinforcement parts regardless of whether the base material used has GGG or GGL graphite formation.
  • An austenitic-ledeburitic structure is to be understood here as a structure, preferably formed by remelting austenitic cast iron, in which austenite and ledeburite are present side by side.
  • the surface of the reinforcement part lying in the area of the intermetallic bond can either be entirely or only in Partial areas - in the case of ring bearers, preferably in the area of the ring bearer back - are formed by remelting austenitic-ledeburitic.
  • Laser, induction or TIG remelting methods come into consideration as methods for remelting the reinforcement material.
  • a further possibility for producing reinforcement parts from austenitic cast iron with an austenitic-ledeburitic surface is chilled die casting.
  • ring carriers With ring carriers, however, the problem arises that they can no longer be produced by centrifugal casting and that, owing to the poor machinability of the leather bit, they cannot be machined from cast bushings as usual, but must also be machined by cut-off and shape grinding or a ⁇ need to be poured.
  • FIG. 1 shows a ring carrier with austenitic-ledeburitically remelted ring carrier back in cross section
  • a ring carrier 1 with two ring grooves 2a and 2b for receiving a piston ring each has an austenitic-ledeburitic remelting zone 4 formed on the ring carrier back 3 by TIG remelting.
  • the ring carrier material consists of GGL-NiCuCr 15 6 2 with approx.2.6% C, 2.1% Si, 1.2% Mn, 15% Ni, 1.5% Cr and 6% Cu, the rest Fe.
  • This ring carrier is refined in an AlSi melt, placed in a casting mold and cast with the piston base material AlSil2CuNiMg if the Alfin layer has not yet solidified.
  • intermetallic connecting layer 7 At the boundary between remelting zone 5 and piston base material 6 is the intermetallic connecting layer 7, which has a significantly increased bond strength compared to the previously known alfin layers.

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Abstract

Bei einem Bewehrungsteil aus austenitischem Gußeisen, das intermetallisch mit einem Motorenteil aus einer Aluminiumbasis-Legierung, insbesondere einem Kolben verbunden ist, soll die Bindungsfestigkeit unabhängig von der Graphitausbildung im Grundwerkstoff verbessert werden. Hierzu ist das Gefüge zumindest an Teilflächen der Oberfläche des Bewehrungsteils im Bereich der intermetallischen Bindung austenitisch-ledeburitisch ausgebildet.

Description

Bewehrungsteil, dessen Grundwerkstoff austenitisches Gußeisen ist
Die Erfindung betrifft ein Bewehrungsteil, dessen Grund¬ werkstoff austenitisches Gußeisen ist und das intermetal¬ lisch mit einem Motorenteil aus einer Aluminiumbasis-Legie¬ rung, insbesondere einem Kolben verbunden ist. Gattungsge¬ mäße Bewehrungsteile finden insbesondere als Ringträger, vereinzelt auch als Muldenrandschutz bei Aluminiumkolben für Diesel-Motoren Verwendung.
Die Verbindung des - meist aus austenitischem GGL bestehen¬ den - Bewehrungsteils mit dem Kolbenwerkstoff wird mit dem im Stand der Technik seit ca. 1950 bekannten Alfin-Verfah¬ ren hergestellt, indem das Bewehrungsteil vor dem Umgießen mit dem Kolbenwerkstoff in eine AlSi-Schmelze getaucht wird, wobei sich an der Oberfläche des Bewehrungsteils eine intermetallische Schicht ausbildet.
Mit den bei Dieselmotoren in der Vergangenheit kontinuier¬ lich gestiegenen Kolbenbelastungen zeigten sich die Festig¬ keitsgrenzen der bisher produzierten Alfin-Bindung, so daß eine höhere Bindungsfestigkeit gefordert wird.
Es wurde daher in DE-OS 42 21 448 schon vorgeschlagen, als Bewehrungsmaterial austenitisches Gußeisen mit globularer oder vermicularer Graphitausbildung zu verwenden, wodurch im Vergleich mit dem üblichen GGL-Werkstoff mit lamellarer Graphitausbildung die Bindungsfestigkeit verbessert wird. Nachteil dieser Lösung ist die Abkehr von einem seit langem bewährten Ringträgerwerkstoff, die schlechtere Bearbeitbar¬ keit, niedrigere Wärmeleitfähigkeit und die etwas schlech¬ tere Verschleißfestigkeit des GGG- verglichen mit dem GGL- Ringträgerwerkstoff. Außerdem ist der GGG-Werkstoff etwas teurer als der GGL-Werkstoff.
Die Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, bei den gattungsgemäßen Bewehrungsteilen die Festigkeit und die Reproduzierbarkeit der intermetallischen Bindung unabhängig davon, ob der verwendete Grundwerkstoff eine GGG- oder GGL- Graphitausbildung aufweist, zu erhöhen.
Dieses Problem wird gelöst durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegen¬ stand der Unteransprüche.
Unter einem austenitisch-ledeburitischen Gefüge ist hierbei ein - vorzugsweise durch Umschmelzen von austenitischem Gußeisen entstandenes - Gefüge zu verstehen, bei dem Auste- nit und Ledeburit nebeneinander vorliegen.
Bedingt durch das sehr feine austenitisch-ledeburitische Gefüge und die ebenfalls sehr feine, nichtlamellare Ausbil¬ dung des Graphits kann sich beim Tauchen des Bewehrungs¬ teils in einem Schmelzbad auf Al-Basis eine störungsfreie intermetallische Schicht ausbilden. Erste Abreißversuche zeigen, daß die Zugfestigkeit der erfindungsgemäßen Schicht - verglichen mit der aus DE-OS 42 21 448 bekannten interme¬ tallischen Schicht bei globularer Graphitausbildung - noch¬ mals um mindestens 30% erhöht werden konnte.
Die im Bereich der intermetallischen Bindung liegende Ober¬ fläche des Bewehrungsteils kann entweder ganz oder nur in Teilbereichen - bei Ringträgern vorzugsweise im Bereich des Ringträgerrückens - durch Umschmelzen austenitisch-ledebu- ritisch ausgebildet sein.
Als Verfahren zum Umschmelzen des Bewehrungsmaterials kom¬ men Laser-, Induktions- oder WIG-Umschmelzverfahren in Be¬ tracht.
Als weitere Möglichkeit der Herstellung von Bewehrungstei¬ len aus austenitischem Gußeisen mit austenitisch-ledeburi- tischer Oberfläche kommt Kokillen-Hartguß in Betracht. Bei Ringträgern entsteht dann allerdings das Problem, daß diese nicht mehr im Schleudergießverfahren hergestellt werden können und daß sie infolge der schlechten Bearbeitbarkeit des Ledeburits nicht wie üblich spanend aus Gußbuchsen her¬ ausgearbeitet werden können, sondern zusätzlich durch Trenn- und Formschleifen bearbeitet werden müssen oder ein¬ zeln abgegossen werden müssen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Schliffbil¬ dern dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 einen Ringträger mit austenitisch- ledeburitisch umgeschmolzenem Ring¬ trägerrücken im Querschliff
Fig. 2 die Gefügeausbildung im Bereich der intermetallischen Bindung
Fig. 3 den Übergang zwischen austenitisch- ledeburitischer Umschmelzzone und dem austenitischem Grundwerkstoff mit Lamellengraphit. Ein Ringträger 1 mit zwei Ringnuten 2a und 2b zur Aufnahme je eines Kolbenrings weist am Ringträgerrücken 3 eine durch WIG-Umschmelzen entstandene austenitisch-ledeburitische Um¬ schmelzzone 4 auf. Der Ringträgerwerkstoff besteht aus GGL- NiCuCr 15 6 2 mit ca. 2,6% C, 2,1% Si, 1,2% Mn, 15% Ni, 1,5% Cr und 6% Cu, Rest Fe.
Dieser Ringträger wird in einer AlSi-Schmelze alfiniert, in eine Gießform eingelegt und bei noch nicht erstarrter Al- fin-Schicht mit dem Kolbengrundwerkstoff AlSil2CuNiMg um¬ gössen.
Fig. 2 zeigt das Gefüge im Bereich der so entstandenen in¬ termetallischen Bindung. In der umgeschmolzenen, austeni- tisch-ledeburitischen Zone 5 liegt noch fein verteilter, nichtlamellarer Restgraphit vor. Es hat sich gezeigt, daß die Umschmelzzone nur sehr schwach magnetisch ist, so daß von einem überwiegenden Anteil an Austenit und einem klei¬ neren Anteil an Ledeburit auszugehen ist. Eine derartige Ausbildung der Umschmelzzone ist insofern günstig, als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Umschmelzzone nur unwesent¬ lich von dem des Grundwerkstoffs abweicht und insofern kei¬ ne Spannungen zwischen Umschmelzzone und Grundwerkstoff auftreten.
An der Grenze zwiεchen Umschmelzzone 5 und Kolbengrundwerk¬ stoff 6 liegt die intermetallische Verbindungsschicht 7, die verglichen mit den bisher bekannten Alfin-Schichten ei¬ ne deutlich erhöhte Bindungsfestigkeit aufweist.

Claims

Patentansprüche
1. Bewehrungsteil, dessen Grundwerkstoff austenitisches Gußeisen ist und das intermetallisch mit einem Motoren¬ teil aus einer Aluminiumbasis-Legierung, insbesondere einem Kolben verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefüge zumindest an einer Teilfläche (3) der im Bereich der intermetallischen Bindung liegenden Ober¬ fläche des Bewehrungsteils (1) austenitisch-ledeburi- tisch ausgebildet ist.
2. Bewehrungsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefüge an der gesamten Oberfläche des Beweh¬ rungsteils (1) im Bereich der intermetallischen Bindung austenitisch-ledeburitisch ausgebildet ist.
3. Bewehrungsteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewehrungsteil ein Ringträger (1) zur Aufnahme eines Kolbenringes ist.
4. Bewehrungsteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewehrungsteil ein Muldenrandschutz ist. Verfahren zur Herstellung eines Bewehrungsteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das austenitisch-ledeburitische Gefüge durch Um¬ schmelzen des austenitischen Grundwerkstoffs mittels Laserstrahlen erzielt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bewehrungsteils nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß das austenitisch-ledeburitische Gefüge durch Um¬ schmelzen des austenitischen Grundwerkstoffs durch In- duktions-Umschmelzen erzielt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bewehrungsteils nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß das austenitisch-ledeburitische Gefüge durch WIG-
Umschmelzen erzielt wird.
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