WO2007134658A1 - Gusseisenwerkstoff zur herstellung von kolbenringen und zylinderlaufbuchsen - Google Patents

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Laszlo Pelsoecyz
Wilfried Langner
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Federal-Mogul Burscheid Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a cast iron material for producing piston rings and cylinder liners, which comprises certain proportions of martensite, primary carbides, perlite and bainite. Furthermore, the invention relates to piston rings and cylinder liners, which comprise such a cast iron material as the main body. The invention further relates to a method for producing such a cast iron material.
  • Cast iron materials or cast iron alloys are used to produce highly stressed parts of internal combustion engines, such as piston rings.
  • Piston rings in particular compression rings in highly stressed engines, for example diesel engines, 2-stroke diesel engines, are preferably designed as cast piston rings with a tread coating, for example a chrome-ceramic coating or a running-in layer.
  • a suitable casting material to date is a vermicular graphitic cast iron (GOE 50 A) with tensile strengths of 400 to 600 MPa and spherulitic tempered cast materials (GEO 52/56).
  • Piston rings in particular compression rings, are subject to increasing loads in highly stressed engines, such as compression peak pressure, combustion temperature, EGR, lubricating film reduction, which significantly affect their functional properties, such as wear, fire resistance, microwelding, corrosion resistance.
  • Piston rings seal the gap between the piston head and the cylinder wall with respect to the combustion chamber.
  • the piston 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.
  • Cast iron materials can be in various microstructures that can be adjusted by using specific composition and / or process parameters. Thus, it is known that the mechanical properties of cast iron materials can be improved by a suitable heat treatment.
  • a cast iron material having a bainitic to martensitic basic structure, which is produced by a heat treatment, is described, for example, in DE 24 28 821 A.
  • the basic structure contains lamellar to nodular graphite precipitates to provide runflat properties.
  • a process for producing a pearlitic and / or ferritic cast iron is described in US 3,565,698.
  • the starting material is mixed with molten metal in the melt and poured into a blank.
  • the blank is after casting at a Temperature in a range of 900 0 C and 1050 0 C annealed to put the cementite in solution 2Oi to produce the black malleable iron.
  • the annealing time can be reduced by adding sulfur in a significant amount to the starting material.
  • EP 1 384 794 A1 discloses a cast iron material for piston rings which has a specific chemical composition and is subjected to a heat treatment comprising an austenitizing treatment followed by an isothermal hardening process in order to obtain mechanical properties similar to those of steels are comparable.
  • a spherulitic material is obtained.
  • this cast iron material must have a matrix of pearlite with small amounts of ferrite in order to experience optimum heat treatment which improves the mechanical properties of the cast iron material.
  • the heat treatment produces a bainitic-austenitic matrix structure, but this has the disadvantage of softening at higher use temperatures, where the bainitic-austenitic structure transforms into bainitic-fine-pearlitic structures. This effect prevents the use of this material in internal combustion engines, as this essential properties such as the tangential force are adversely affected.
  • EP 0 821 073 further 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 owing to the strength values that are resistant even at high temperatures.
  • An object of the present invention is therefore to provide a cast iron material with increased wear resistance and corrosion resistance and a piston ring or a cylinder liner with minimized risk of breakage, which guarantees the further functional behavior over long lifetimes with increased mechanical-dynamic load and the or has increased wear and corrosion resistance at tread and flank. Another object is to provide methods of making a cast iron material having increased wear resistance and corrosion resistance.
  • the object is achieved by a cast iron material according to claim 1 and a piston ring according to claim 11, a cylinder liner according to claim 13 and by a method according to claim 15.
  • the cast iron material according to the invention is characterized in particular by a higher tensile strength, fatigue strength, wear resistance and bending strength than the previously used materials. At the same time, the material according to the invention has a significantly improved toughness, which has a particularly positive effect on the tendency to fracture. Furthermore, the cast iron material according to the present invention is particularly suitable for the production of piston rings and / or cylinder liners.
  • a cast iron material which is particularly suitable for the production of piston rings and cylinder liners and has a mixing joint which is subjected to a heat treatment and> 50% predominantly annealed martensite, ⁇ 10% and> 0.5% primary carbides, ⁇ 30% perlite and ⁇ 30% tempered bainite, where> 70% of the primary carbides are NbC.
  • the mixed structure comprises> 70% predominantly tempered martensite, ⁇ 7% and> 0.5% primary carbides, ⁇ 20% perlite and ⁇ 20% tempered bainite.
  • the heat treatment which is subjected to the Mischgefuge, preferably includes the steps of: austenitizing the cast iron material at 900 to 1000 0 C for one hour, quenching the cast iron material in oil or other suitable quenching and tempering of the cast iron material at 420-470 0 C for a Hour.
  • the cast iron material according to the invention preferably has the following chemical composition in% by weight: carbon 3.0 to 4.2; Silicon 1.5 to 3.0; Manganese max. 0.5; Phosphorus max. 0.05; Sulfur max. 0.02; Chrome max. 0.3; Copper 0.5 to 1.8; Molybdenum max. 0.5; Magnesium max. 0.03; Nickel max. 1.0; Niobium 0.3 to 3.0; the remainder being iron including manufacturing impurities.
  • the cast iron material preferably contains no tin.
  • the cast iron material according to the invention has the following chemical composition in% by weight: carbon 3.0 to 4.2; Silicon 1.5 to 3.0; Manganese 0.02 to 0.5; Phosphorus 0.005 to 0.05; Sulfur 0.005 to 0.02; Chromium 0.02 to 0.3; Copper 0.5 to 1.8; Molybdenum 0.02 to 0.5; Magnesium 0.005 to 0.03; Nickel 0.02 to 1.0; Niobium 0.3 to 3.0; the remainder being iron including manufacturing impurities.
  • the cast iron material preferably contains no tin.
  • the properties of the cast iron material according to the invention can furthermore be controlled specifically in which the type of graphite formation present in the material is varied in a spherulitic and / or vermicular manner.
  • Vermicular graphite is "vermicular" graphite, which is in its morphology between lamellar graphite and spheroidal graphite and is generally abbreviated GJV Because of the vermicular graphite formation, the properties differ substantially from the ferrite / pearlite ratio in the basic structure and from the proportion of the accompanying nodular graphite. Usually, 80 to 90% of vermicular graphite are used, the remainder consists of Spheroidal graphite. GJV is therefore suitable for thermally stressed, in particular temperature-cycled components such as piston rings.
  • Cast iron with spherulitic or "spherical” graphite formation is also known as GJS, in which the majority of the carbon in the casting state is precipitated in the form of spheroidal graphite.
  • a spherulitic cast iron material has the advantage of a significantly reduced notch effect and significantly higher tensile strength and ductility.
  • a vermiculargraphitic cast iron material has higher strength properties than other graphite formations.
  • a graphite transition to a cast iron material with vermicular graphite formation (GJV) or spherulitic graphite formation (GJS) can be achieved, for example, by a Mg treatment, as known from the prior art.
  • modification methods are GF (Georg Fischer) converter, sandwich, flow, cored wire injection treatment.
  • the cast iron material may further contain an element selected from the group consisting of titanium, tantalum, tungsten, boron, tellurium or bismuth or combinations thereof, in particular in an amount of up to 1% by weight. Such elements easily form carbides and improve wear resistance.
  • the cast iron material may contain an additive which is selected from the group consisting of cobalt, antimony, calcium, strontium, aluminum, lanthanum, cerium, rare earth metals or combinations thereof, preferably in an amount of up to 0.1% by weight.
  • an additive which is selected from the group consisting of cobalt, antimony, calcium, strontium, aluminum, lanthanum, cerium, rare earth metals or combinations thereof, preferably in an amount of up to 0.1% by weight.
  • Rare earth metals which act as spheroidal graphite nucleating additives, as well as NiMg, NiSiMg, FeMg or FeSiMg, are preferred.
  • Rare earth metals include mixtures of lanthanides with oxides of other metals.
  • 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, constituents, ingredients, elements, additives can be adjusted by various methods known to the person skilled in the art.
  • the chemical composition is adjusted in particular depending on the casting module.
  • the cast iron material according to the invention has a tensile strength in the range of (700-1200 MPa), its elongation at break is greater than 0.5%, which has a particularly positive effect on the tendency to fracture.
  • the fatigue strength and the flexural strength of piston rings and cylinder liners made of the cast iron material according to the invention are in the range of (at least 250 MPa) and flexural strength min. 900 MPa.
  • a melt is first prepared.
  • the melt preferably has the above-mentioned chemical compositions.
  • a blank is produced with solidification of the melt.
  • the blank can be cast with methods known in the art, such as centrifugal casting, continuous casting as a round or non-round tube with / without centering notch, stamp pressing process, croning or green sand molds as single or multiple blank and be further processed into a piston ring or cylinder liner ,
  • methods known in the art such as centrifugal casting, continuous casting as a round or non-round tube with / without centering notch, stamp pressing process, croning or green sand molds as single or multiple blank and be further processed into a piston ring or cylinder liner .
  • the method for producing the cast iron material further comprises a heat treatment consisting of austenitization for one hour at 900 to 1000 0 C with subsequent quenching of the cast iron material in oil or other suitable quenching medium and a tempering treatment at 420 to 470 0 C for a Hour.
  • a cast iron melt is first produced in an oven, preferably a cupola. Subsequently, a blank is achieved by creating the melt.
  • the blank can be cast with known methods, such as centrifugal casting, continuous casting, etc., and then processed later to a piston ring or a cylinder liner.
  • the cast iron material can be further in a heat treatment consisting of a austenitization for one hour at 900 ° C - 1000 0 C, followed by quenching of the cast iron material in oil or other suitable quenching medium, and a tempering treatment at 420 0 C - 470 0 C for a Hour further treated.
  • the obtained cast iron material has a hardness of 330 - 490 HB and a tensile strength of at least 700 MPa.

Abstract

Offenbart wird ein Gusseisenwerkstoff zur Herstellung von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen, gekennzeichnet durch ein Mischgefüge, umfassend > 50 % überwiegend angelassenen Martensit, < 10 % und >0,5% Primärkarbide, < 30 % Perlit und < 30 % angelassenen Bainit, wobei > 70 % der Primärkarbide NbC sind, und wobei das Mischgefüge einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

Description

Gusseisenwerkstoff zur Herstellung von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gusseisenwerkstoff zur Herstellung von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen, der bestimmte Anteile an Martensit, Primärkarbiden, Perlit und Bainit umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen, die als Grundkörper einen derartigen Gusseisenwerkstoff umfassen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gusseisenwerkstoffs .
Gusseisenwerkstoffe bzw. Gusseisenlegierungen werden zur Herstellung hoch beanspruchter Teile von Verbrennungskraftmotoren, wie beispielsweise Kolbenringen, verwendet. Kolbenringe, insbesondere Kompressionsringe in hochbeanspruchten Motoren, zum Beispiel Dieselmotoren, 2-Takt-Dieselmotoren, werden vorzugsweise als Gusskolbenringe mit einer Laufflächenbeschichtung, beispielsweise einer Chrom-Keramik-Beschichtung oder einer Einlaufschicht ausgelegt. Als geeigneter Gusswerkstoff werden bisher ein vermiculargraphitisches Gusseisen (GOE 50 A) mit Zugfestigkeiten von 400 bis 600 MPa und sphärolitische vergütete Gusswerkstoffe (GEO 52/56) eingesetzt.
Kolbenringe, insbesondere Kompressionsringe, unterliegen in hochbeanspruchten Motoren einer zunehmenden Belastung, wie beispielsweise Kompressionsspitzendruck, Verbrennungstemperatur, EGR, Schmierfilmreduzierung, die deren Funktionseigenschaften, wie Verschleiß, Brandspurbeständigkeit, Microwelding, Korrosionsbeständigkeit, maßgeblich beeinflussen.
Bei höheren mechanischen und dynamischen Beanspruchungen an Kolbenringen werden jedoch meist hochchromlegierte martensitische Stähle eingesetzt. Der Einsatz dieser Stähle weist aber den Nachteil auf, dass die Herstellungskosten im Vergleich zu Gusseisenbauteilen signifikant höher sind, außerdem ab einem gewissen Durchmesser die Ringherstellung (wickeln) aus Stahldraht nicht mehr möglich.
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.
Gusseisenwerkstoffe können in verschiedenen Mikrostrukturen vorliegen, die durch Verwendung spezieller Zusammensetzungs- und/oder Verfahrensparameter eingestellt werden können. So ist bekannt, dass die mechanischen Eigenschaften von Gusseisenwerkstoffen durch eine geeignete Wärmebehandlung verbessert werden können.
Ein Gusseisenwerkstoff, der ein bainitisches bis martensitisches Grundgefüge aufweist, das durch eine Wärmebehandlung erzeugt ist, wird beispielsweise in der DE 24 28 821 A beschrieben. In dem Grundgefüge sind lamellare bis knötchenförmige Graphitausscheidungen enthalten, um Notlaufeigenschaften zu gewährleisten.
Ein Verfahren zur Herstellung eines perlitischen und/oder ferritischen Gusseisens wird in der US 3,565,698 beschrieben. Hier wird das Ausgangsmaterial in der Schmelze mit Mischmetall versetzt und zu einem Rohling gegossen. Der Rohling wird nach dem Gießen bei einer Temperatur in einem Bereich von 900 0C und 1050 0C geglüht, um den Zementit in Lösung 2Oi setzen, um den schwarzen Temperguss zu erzeugen. Wie in der US 3,000,770 beschrieben wird, kann die Glühzeit durch das Zugeben von Schwefel in einer bedeutenden Menge zu dem Ausgangsmaterial reduziert werden.
In der EP 1 384 794 Al ist ein GusseisenwerkstofF für Kolbenringe beschrieben, der eine spezifische chemische Zusammensetzung aufweist und einer Wärmebehandlung unterworfen wird, die eine Austenitisierungsbehandlung, gefolgt von einem isothermalen Härtungsverfahren, umfasst, um eine mechanische Eigenschaften zu erreichen, die zu denen von Stählen vergleichbar sind. Durch den Einsatz von Kugelgraphit-bildenden Zusätzen wird ein sphärolitischer Werkstoff erhalten. Bei Kolbenringen muss dieser Gusseisenwerkstoff eine Matrix aus Perlit mit geringen Anteilen von Ferrit aufweisen, um eine optimale Wärmebehandlung zu erfahren, durch die die mechanischen Eigenschaften des Gusseisenwerkstoffs verbessert werden. Durch die Wärmebehandlung wird ein bainitisch- austenitisches Matrixgefuge erzeugt, jedoch ergibt sich hier der Nachteil einer Entfestigung bei höheren Einsatztemperaturen, bei denen sich die bainitisch-austenitische Struktur in bainitisch-feinperlitisch Strukturen umwandelt. Dieser Effekt verhindert den Einsatz dieses Materials in Verbrennungsmotoren, da somit wesentliche Funktionseigenschaften wie die Tangentialkraft negativ beeinflusst werden.
In der EP 0 821 073 wird weiter 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. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Gusseisenwerkstoff mit erhöhter Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie einen Kolbenring bzw. eine Zylinderlaufbuchse mit minimiertem Bruchrisiko bereitzustellen, der bzw. die bei gestiegener mechanisch-dynamischer Belastung das weitere Funktionsverhalten über lange Lebensdauern garantiert und der bzw. die eine erhöhte Verschleiß- und der Korrosionsbeständigkeit an Lauffläche und Flanke aufweist. Eine weitere Aufgabe ist es, Verfahren zur Herstellung eines Gusseisenwerkstoffs mit erhöhter Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Gusseisenwerkstoff gemäß Anspruch 1 und einen Kolbenring gemäß Anspruch 11, eine Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 13 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.
Der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff zeichnet sich insbesondere durch eine höhere Zugfestigkeit, Dauerfestigkeit, Verschleißbeständigkeit und Biegebruchfestigkeit als die bisher angewendeten Werkstoffe aus. Gleichzeitig verfügt der erfindungsgemäße Werkstoff über eine signifikant verbesserte Zähigkeit, was sich insbesondere positiv auf die Bruchneigung auswirkt. Weiterhin ist der Gusseisenwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere zur Herstellung von Kolbenringen und/oder Zylinderbuchsen geeignet.
Aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs kann eventuell die Flanken- und Laufflächenbeschichtung entfallen und damit kostengünstiger produziert werden.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung enthalten.
Erfϊndungsgemäß wird ein Gusseisenwerkstoff bereitgestellt, der besonders zur Herstellung von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen geeignet ist und ein Mischgefuge aufweist, das einer Wärmebehandlung unterzogen wird und > 50 % überwiegend angelassenen Martensit, < 10 % und >0,5% Primärkarbide, < 30 % Perlit und < 30 % angelassenen Bainit umfasst, wobei > 70 % der Primärkarbide NbC sind. Bei bevorzugten Ausfuhrungsformen umfasst das Mischgefüge > 70 % überwiegend angelassenen Martensit, < 7 % und >0,5% Primärkarbide, < 20 % Perlit und < 20 % angelassenen Bainit umfasst.
Die Wärmebehandlung, der das Mischgefuge unterzogen wird, beinhaltet bevorzugt die folgenden Schritte: Austenitisieren des Gusseisenwerkstoffs bei 900 bis 10000C für eine Stunde, Abschrecken des Gusseisenwerkstoffs in Öl oder einem anderen geeigneten Abschreckmedium und Anlassen des Gusseisenwerkstoffs bei 420 bis 4700C für eine Stunde.
Der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff weist bevorzugt die folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% auf: Kohlenstoff 3,0 bis 4,2; Silizium 1,5 bis 3,0; Mangan max. 0,5; Phosphor max. 0,05; Schwefel max. 0,02; Chrom max. 0,3; Kupfer 0,5 bis 1,8; Molybdän max. 0,5; Magnesium max. 0,03; Nickel max. 1,0; Niob 0,3 bis 3,0; wobei der Rest Eisen einschließlich herstellungsbedingte Verunreinigungen ist. Der Gusseisenwerkstoff enthält bevorzugt kein Zinn. In einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform weist der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff die folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% auf: Kohlenstoff 3,0 bis 4,2; Silizium 1,5 bis 3,0; Mangan 0,02 bis 0,5; Phosphor 0,005 bis 0,05; Schwefel 0,005 bis 0,02; Chrom 0,02 bis 0,3; Kupfer 0,5 bis 1,8; Molybdän 0,02 bis 0,5; Magnesium 0,005 bis 0,03; Nickel 0,02 bis 1,0; Niob 0,3 bis 3,0; wobei der Rest Eisen einschließlich herstellungsbedingte Verunreinigungen ist. Der Gusseisenwerkstoff enthält bevorzugt kein Zinn.
Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs können weiterhin spezifisch gesteuert werden, in dem die Art der im Werkstoff vorliegenden Graphitausbildung sphärolitisch und/oder vermicular variiert wird.
Vermiculargraphit ist „wurmfbrmiger" Graphit, welcher in seiner Morphologie zwischen Lamellengraphit und Kugelgraphit liegt und wird im Allgemeinen mit GJV abgekürzt. Aufgrund der vermicularen Graphitausbildung weichen die Eigenschaften im Wesentlichen vom Ferrit-/Perlit- Verhältnis im Grundgefüge sowie vom Anteil des begleitenden Kugelgraphits ab. Üblich sind hier 80 bis 90% Vermiculargraphit, der Rest besteht aus Kugelgraphit. GJV eignet sich daher für thermisch beanspruchte, insbesondere temperaturwechselbeanspruchte Bauteile wie Kolbenringe.
Gusseisen mit sphärolitischer bzw. „kugelförmiger" Graphitausbildung ist auch als GJS bekannt. Bei diesem Werkstoff ist der Hauptanteil des Kohlenstoffs im Gusszustand in Form von Kugelgraphit ausgeschieden.
Ein sphärolitischer Gusseisenwerkstoff weist den Vorteil einer deutlich geminderten Kerbwirkung und deutlich höheren Zugfestigkeit und Duktilität auf. Ein vermiculargraphitischer Gusseisenwerkstoff weist höhere Festigkeitseigenschaften als andere Graphitausbildungen auf. Natürlich ist es möglich, einen Gusseisenwerkstoff mit verschiedenen Graphitausbildungen alleine sowie als Gemisch bereitzustellen. Verfahren sind dem Fachmann bekannt. Eine Graphitüberfuhrung zu einem Gusseisenwerkstoff mit vermicularer Graphitausbildung (GJV) oder sphärolitischer Graphitausbildung (GJS) kann beispielsweise durch eine Mg-Behandlung, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, erreicht werden. Beispiele für Modifikationsverfahren sind GF(Georg-Fischer)-Konverter, Sandwich, Durchfluss, Fülldraht-Injektionsbehandlung.
Der Gusseisenwerkstoff kann weiterhin ein Element enthalten, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Titan, Tantal, Wolfram, Bor, Tellur oder Bismut oder deren Kombinationen, insbesondere in einer Menge von bis zu 1 Gew.-%. Derartige Elemente bilden leicht Karbide und verbessern die Verschleißbeständigkeit.
Weiterhin kann der Gusseisenwerkstoff einen Zusatzstoff enthalten, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Cobalt, Antimon, Calcium, Strontium, Aluminium, Lanthan, Cer, Seltenerdmetallen oder deren Kombinationen, bevorzugt in einer Menge von bis zu 0,1 Gew.-%. Seltenerdmetalle, die als Kugelgraphit-keimbildende Zusätze, wie auch NiMg, NiSiMg, FeMg oder FeSiMg, wirken, werden bevorzugt. Seltenerdmetalle umfassen Gemische aus Lanthanoiden mit Oxiden anderer Metalle. Diese Elemente und Zusatzstoffe können herstellungsbedingte Verunreinigungen sein oder während des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs 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, Zusatzstoffen kann durch verschiedene, dem Fachmann bekannte Verfahren eingestellt werden. Die chemische Zusammensetzung wird insbesondere in Abhängigkeit vom Gussstückmodul eingestellt.
Der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff weist eine Zugfestigkeit im Bereich von ( 700 — 1200MPa) auf, seine Bruchdehnung ist größer als 0,5%, was sich insbesondere positiv auf die Bruchneigung auswirkt. Die Dauerfestigkeit und die Biegebruchfestigkeit von Kolbenringen und Zylinderbuchsen aus dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff liegen im Bereich von (min. 250MPa ) bzw. Biegefestigkeit min. 900MPa.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs wird zuerst eine Schmelze hergestellt. Die Schmelze weist bevorzugt die oben genannten chemischen Zusammensetzungen auf. 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 als rundes oder unrundes Rohr mit/ohne Zentrierkerbe, Stempel-Pressverfahren, Croning oder Grünsandformen als Einzel- oder Mehrfachrohling 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.
Das Verfahren zur Herstellung des Gusseisenwerkstoffs umfasst weiterhin eine Wärmebehandlung, bestehend aus einer Austenitisierung für eine Stunde bei 900 bis 10000C mit nachfolgendem Abschrecken des Gusseisenwerkstoffs in Öl oder einem anderen geeigneten Abschreckmedium und einer Anlassbehandlung bei 420 bis 4700C für eine Stunde.
Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung, ohne sie zu beschränken.
Beispiel (erfindungsgemäß)
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffes wird zunächst eine Gusseisen-Schmelze in einem Ofen, vorzugsweise Kupolofen, hergestellt. Anschließend wird ein Rohling unter Erstellung der Schmelze erzielt. Der Rohling kann dabei mit bekannten Verfahren, wie zum Beispiel Schleuderguss, Strangguss etc. gegossen werden und dann später zu einem Kolbenring oder zu einer Zylinderlaufbuchse weiterverarbeitet werden. Der Gusseisen-Werkstoff kann weiter in einer Wärmebehandlung, bestehend aus einer Austenitisierung für eine Stunde bei 900°C - 10000C mit nachfolgendem Abschrecken des Gusseisenwerkstoffs in Öl oder einem anderen geeigneten Abschreckungsmedium und einer Anlassbehandlung bei 4200C - 4700C für eine Stunde weiterbehandelt werden.
Auf diese Weise wird ein Gusseisenwerkstoff mit vermicularem Graphit und einem Grundgefüge aus Martensit, Primärkarbiden, Perlit und Bainit, mit maximal 3% Ferriten hergestellt, welcher folgende chemische Zusammensetzung (Gew.-%) aufweist:
C 3,9
Si l 1,86
Mn 0,10
P 0,033
S 0,009
Cu 1,50
Mo 0,008
Ni 0,33
Cr 0,022
V 0,008
Nb 0,5 - 1,0 Mg 0,010
Rest Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Der gewonnene Gusseisenwerkstoff weist eine Härte von 330 - 490 HB und eine Zugfestigkeit von mindestens 700 MPa auf.

Claims

Ansprüche
1. Gusseisenwerkstoff zur Herstellung von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen, gekennzeichnet durch ein Mischgefüge, umfassend > 50 % überwiegend angelassenen Martensit, < 10 % und >0,5% Primärkarbide, < 30 % Perlit und < 30 % angelassenen Bainit, wobei > 70 % der Primärkarbide NbC sind, und wobei das Mischgefüge einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
2. Gusseisenwerkstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischgefüge > 70 % überwiegend angelassenen Martensit, < 7 % und >0,5% Primärkarbide, < 20 % Perlit und < 20 % angelassenen Bainit umfasst.
3. Gusseisenwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-%:
C: 3,0 bis 4,2
Si: 1,5 bis 3,0
Mn: max. 0,5
P: max. 0,05
S: max. 0,02
Cr: max. 0,3
Cu: 0,5 bis 1,8
Mo: max. 0,5
Mg: max. 0,03
Ni: max. 1,0
Nb: 0,3 bis 3,0
Ti: max. 1,0
Rest: Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei der Gusseisenwerkstoff kein Zinn enthält.
4. Gusseisenwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-%:
C: 3,0 bis 4,2
Si: 1,5 bis 3,0
Mn: 0,02 bis 0,5
P: 0,005 bis 0,05
S: 0,003 bis 0,02
Cr: 0,02 bis 0,3
Cu: 0,5 bis 1,8
Mo: 0,02 bis 0,5
Mg: 0,005 bis 0,03
Ni: 0,02 bis 1,0
Nb: 0,3 bis 3,0
Rest: Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei der Gusseisenwerkstoff kein Zinn enthält.
5. Gusseisenwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er vermiculargraphitisch ist.
6. Gusseisenwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er sphärolitisch ist.
7. Gusseisenwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, der weiterhin mindestens ein Element enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Ta, W, Mo und B.
8. Gusseisenwerkstoff gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Element in einer Menge von bis zu 2,0 Gew.-% enthalten ist.
9. Gusseisenwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, der weiterhin mindestens einen Zusatzstoff enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Co, Sb, Ca, Sr, Al, La, Ce und Seltenerdmetallen.
10. Gusseisenwerkstoff gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zusatzstoff in einer Menge von bis zu 0,5 Gew.-% enthalten ist.
11. Gusseisenwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung die folgenden Schritte umfasst: a) Austenitisieren des Gusseisenwerkstoffs bei 900 bis 10000C für eine Stunde, b) Abschrecken des Gusseisenwerkstoffs in Öl oder einem anderen geeigneten Abschreckmedium, c) Anlassen des Gusseisenwerkstoffs bei 420 bis 4700C für eine Stunde.
12. Kolbenring, der als Grundkörper einen Gusseisenwerkstoff gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
13. Kolbenring gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin an den Flanken- und/oder Laufflächen beschichtet ist.
14. Zylinderlaufbuchse, der als Grundkörper einen Gusseisenwerkstoff gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
15. Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin an Laufflächen beschichtet ist.
16. Verfahren zur Herstellung eines Gusseisenwerkstoffs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die folgenden Schritte: a. Herstellen einer Schmelze, b. Abgießen in einem vorgefertigten Form c. Austenitisieren des Gusseisenwerkstoffs bei 900 bis 10000C für eine Stunde, d. Abschrecken des Gusseisenwerkstoffs in Öl oder einem anderen geeigneten Abschreckmedium, e. Anlassen des Gusseisenwerkstoffs bei 420 bis 4700C für eine Stunde.
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