WO2011042123A1 - Gusseisen-gussteil und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Gusseisen-gussteil und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2011042123A1
WO2011042123A1 PCT/EP2010/005811 EP2010005811W WO2011042123A1 WO 2011042123 A1 WO2011042123 A1 WO 2011042123A1 EP 2010005811 W EP2010005811 W EP 2010005811W WO 2011042123 A1 WO2011042123 A1 WO 2011042123A1
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layer
casting
troostite
cast
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Markus Huber
Juergen Mittrach
Petra Suess
Dirk Radebach
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Bayerische Motoren Werke Ag
Halberg Guss Managment Gmbh
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
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    • C21D2221/10—Differential treatment of inner with respect to outer regions, e.g. core and periphery, respectively

Definitions

  • the present invention relates to a cast iron casting, in particular a crankshaft, and a method for its manufacture.
  • Crankshafts are made in accordance with standard EN 1563 of ductile iron conforming to EN-GJS 700 or EN-GJS 800 standards, EN-GJS 700 having a tensile strength of at least 700 MPa and EN-GJS 800 material of not less than 800 MPa ,
  • the ignition pressures in the engine are increased by turbocharging and, to further reduce fuel consumption, the journal bearing diameters of crankshafts are minimized wherever possible. This results in a steadily increasing load on the crankshaft.
  • crankshafts Due to increased stress, crankshafts often turn off
  • Crankshafts made of cast iron with nodular graphite. Steel materials have a higher density than cast materials, which increases the overall engine weight. An additional disadvantage of using steel crankshafts is the increase in moving masses. Both effects lead to an increase in consumption of the
  • Cast crankshafts Also in the optimization of mass balance in terms of fuel consumption, acoustics and space has a forged steel crankshaft compared to a cast crankshaft has the disadvantage that cavities for weight reduction can not be pre-cast, a weight reduction, for example. must be represented by drilling at a high cost.
  • crankshafts from ADI (Austempered Ductlle Iron), which has an ausferriticians microstructure, ie both an austenitic and a ferritic microstructure.
  • ADI Austempered Ductlle Iron
  • the cast iron casting with spheroidal graphite is heated for several hours from austenitizing and then quenched to about 350 ° C, which sets at this temperature, the Ausferrit structure.
  • Crankshafts from ADI have a high strength, toughness and
  • the object of the invention is a cast iron casting, in particular a cast iron crankshaft with high strength, toughness and wear resistance
  • the cast iron casting has a structure which consists of a first layer of ausferrite, ie a mixed structure of needle-like ferrite with embedded stabilized estaustenite, on the casting surface.
  • the Ausferrit layer on the casting surface has a tensile strength (Rm) of at least 800 MPa, in particular at least 900 MPa.
  • the yield strength (Rp 0.2) of the Ausferrit layer is preferably at least 600 MPa, in particular at least 650 MPa.
  • the tensile strength can be 1000 MPa and more, but then the machining can be more difficult.
  • the layer thickness of the Ausferrit layer on the casting surface is preferably at least 2 mm, in particular at least 4 mm.
  • a second layer which consists of a mixed structure of Ausferrit, so ferrite and Austenlt, and Troostite.
  • Troostit is a fine-grained pearlite. He is in rosette form. The fine lamellae of perlite are light microscopic only at very high magnification detect. 5o, the lamellae of the trostite form only black spots at a magnification of 200 times, ie the individual lamellae are so fine that they are not yet recognizable at this magnification.
  • Troostit Due to the fine structure Troostit has a low internal notch effect. Thus, with Troostit a high fatigue strength can be achieved. This represents a significant advantage for highly stressed components, such as crankshafts.
  • the rest of the structure ie the interior of the casting adjoining the second layer of ausferrite and troostite, may consist of troostite and / or a mixed structure of troostite and relatively coarser pearlite.
  • the rest of the structure ie the interior of the casting adjoining the second layer of ausferrite and troostite, may consist of troostite and / or a mixed structure of troostite and relatively coarser pearlite.
  • a thick casting with a wall thickness of e.g. more than 30 mm inside the casting usually troostite and / or a mixed structure of troostite and relatively coarser perlite before.
  • the cast part according to the invention consists of a gradient material which consists of the first layer of ausferrite on the casting surface, the second layer of the mixed structure of ausferrite and troostite and optionally troostite and / or a mixed structure of trosstite and relatively coarser pearlite in the interior
  • the casting of spheroidal graphite cast iron (GJS) according to the invention has been produced as the base material, it also has graphite in spherical form in the two layers and, if present, also the troostite or the relatively coarser perlite inside the casting.
  • the graphite spheres are distributed uniformly, the minimum preferably being 100 graphite spheres per mm 2 and a maximum of 0.5%, based on the cross-sectional area.
  • the density of the material is compared to a
  • the casting according to the invention ie in particular the crankshaft according to the invention is lighter than a forged steel shaft with the same volume.
  • cavities which may have a wide variety of configurations, result in the cast part according to the invention, in particular the crankshaft according to the invention, substantially
  • the cast iron from which the casting according to the invention is produced has the following chemical composition: 3.2 to 3.9% by weight of carbon
  • the cast iron from which the casting according to the invention consists has no molybdenum and no or only a small amount of nickel.
  • the cast iron for the production of the casting according to the invention is associated with low costs.
  • the casting according to the invention is made of cast iron with the above
  • Austenitization temperature of 910 to 950 ° C, in particular heated about 920 ° C and held at this temperature for at least one hour, preferably at least 2 hours. Subsequently, the casting is cooled in a medium having a temperature of 300 to 400 ° C, in particular about 360 ° C.
  • Cooling medium can be used a salt bath.
  • Cooling medium is at least one hour, preferably at least 2 hours.
  • the austenite on the surface of the casting transforms into a layer of ausferrite, ie a mixed structure of ferrite and retained austenite.
  • the casting according to the invention is preferably a crankshaft for
  • Internal combustion engines may also be, for example, a gear, a pressing tool, a roller or other highly stressed casting.
  • FIG. 2 shows an enlarged illustration of the region A in FIG. 1.
  • a crankshaft 1 has, with the axis of rotation 2, a first layer 3 on the surface and a second layer 4 between the first layer 3 and the interior 5 of the crankshaft 1.
  • the reference numerals "6" and “7” cavernous cavities in the crankshaft 1 are designated.
  • the first layer 3 consists of ausferrite and has a layer thickness d of, for example, 5 mm.
  • the second layer 4 consists of a mixed structure of ausferrite and troostite, while the interior 5 by Troostit and / or a
  • the crankshaft 1 in particular in the highly stressed transition region at the main and lift bearings, where it is subjected to bending and torsion, a high strength.
  • crankshaft is poured:
  • the cast crankshaft is subjected to a two-stage heat treatment.
  • crankshaft is heated to a temperature of 920 ° C in a furnace under a protective atmosphere (e.g., argon) and held at that temperature for 150 minutes. Subsequently, the thus austenitized Gusstell is quenched in a salt bath at 360 ° C and held there for 150 minutes, after which it
  • the tensile strength (Rm) and the yield strength (Rm 0.2) were e.g. determined according to DIN EN 10002.
  • the Ausferrit Anlagen, ie the layer 3 on the surface of the crankshaft 1 of Figure 2 in this case has a tensile strength of 920 MPa and a yield strength of 660 MPa.
  • the micrograph of the first layer 3 of ausferrite is shown in FIG. 3, the micrograph of the second layer 4 of the mixed structure of ausferrite and troostite in FIG. 4 and the micrograph of the interior 5 of troostite and / or a mixed structure of troostite and relatively coarser pearlite in FIG Figure 5 shown.

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Abstract

Ein Gusseisen-Gussteil, insbesondere eine gegossene Kurbelwelle (1) weist an der Oberfläche eine erste Schicht (3) aus Ausferrit, eine sich zum Inneren (5) hin anschließende zweite Schicht (4) aus Ausferrit und Troostit auf.

Description

Gusseisen-Gussteil und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gusseisen-Gussteil, insbesondere eine Kurbelwelle, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Kurbelwellen werden nach der Norm EN 1563 aus Gusseisen mit Kugelgraphit nach der Norm EN-GJS 700 oder EN-GJS 800 ausgeführt, wobei der Werkstoff EN-GJS 700 eine Zugfestigkeit von mindestens 700 MPa und der Werkstoff EN-GJS 800 von mindestens 800 MPa aufweist.
Aus Gründen der Verbrauchsreduzierung werden die Zünddrücke im Motor durch Turboaufladung erhöht, und, um weitere Verbrauchsreduzierungen zu erreichen, werden die Gleitlagerdurchmesser von Kurbelwellen nach Möglichkeit minimiert. Daraus resultiert eine sich stetig erhöhende Belastung der Kurbelwelle.
Aufgrund gestiegener Beanspruchung werden Kurbelwellen häufig aus
Schmiedestahl ausgeführt, da Stahlkurbelwellen höher belastbar sind als
Kurbelwellen aus Gusseisen mit Kugelgraphit. Stahlwerkstoffe haben eine höhere Dichte als Gusswerkstoffe, wodurch das Gesamtmotorgewicht erhöht wird. Ein zusätzlicher Nachteil beim Einsetzen von Stahlkurbelwellen ist die Erhöhung der bewegten Massen. Beide Effekte führen zu einer Verbrauchserhöhung des
Kraftfahrzeugs. Weiterhin sind Stahlkurbelwellen in der Regel teurer als
Gusskurbelwellen. Auch bei der Optimierung des Massenausgleichs im Hinblick auf Verbrauchspotential, Akustik und Bauraum hat eine geschmiedete Stahlkurbelwelle gegenüber einer gegossenen Kurbelwelle den Nachteil, dass Hohlräume zur Gewichtsreduzierung nicht vorgegossen werden können, eine Gewichtsreduzierung also z.B. durch Bohren mit hohen Kosten dargestellt werden muss.
Ferner ist bekannt, Kurbelwellen aus ADI (Austempered Ductlle Iron) herzustellen, welches ein ausferritisches Gefüge, d.h. sowohl ein austennitisches als auch ein ferritisches Gefüge aufweist. Dazu wird das Gussteil aus Gusseisen mit Kugelgraphit mehrere Stunden auf aus Austenitisierungstemperatur erwärmt und dann auf ca. 350 °C abgeschreckt, wodurch sich bei dieser Temperatur das Ausferrit-Gefüge einstellt.
Kurbelwellen aus ADI weisen eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und
Verschleißbeständigkeit auf. Dickwandige Gussteile aus ADI, wie Kurbelwellen, setzten jedoch einen hohen Anteil an Nickel und andere kostspielige
Legierungsbestandteile, wie Molybdän, also aufwändige Gusslegierungen voraus.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gusseisen-Gussteil, insbesondere eine Gusseisen- Kurbelwelle mit hoher Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit
bereitzustellen, ohne die Herstellungskosten zu erhöhen.
Dies wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Gussteil erreicht. In den Ansprüchen 2 bis 5 sind bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gussteiles wiedergegeben. Der Anspruch 6 hat ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gussteils zum Gegenstand.
Nach der Erfindung weist das Gusseisen-Gussteil ein Gefüge auf, das an der Gussteiloberfläche aus einer ersten Schicht aus Ausferrit, also einem Mischgefüge aus nadeligem Ferrit mit eingebetteten stabilisierten estaustenit besteht.
Die Ausferrit-Schicht an der Gussteiloberfläche weist eine Zugfestigkeit (Rm) von mindestens 800 MPa, insbesondere mindestens 900 MPa auf. Die Dehngrenze (Rp 0,2) der Ausferrit-Schicht beträgt vorzugsweise mindestens 600 MPa insbesondere mindestens 650 MPa.
Auch kann die Zugfestigkeit 1000 MPa und mehr betragen, allerdings kann dann die Bearbeitung schwieriger werden. Die Schichtdicke der Ausferrit-Schicht an der Gussteiloberfläche beträgt vorzugsweise mindestens 2 mm, insbesondere mindestens 4 mm.
An die Ausferrlt-Schicht an der Gussteiloberfläche, die die erste Schicht bildet, schließt sich zum Inneren des Gussteiles hin eine zweite Schicht an, die aus einem Mischgefüge aus Ausferrit, also Ferrit und Austenlt, sowie Troostit besteht.
Troostit ist ein feinstreifiger Perlit. Er liegt in rosettenförmiger Form vor. Die feinen Lamellen des Perlits sind lichtmikroskopisch nur bei sehr hoher Vergrößerung zu erkennen. 5o bilden die Lamellen des Troostits bei einer 200-fachen Vergrößerung lediglich schwarze Flecken, d.h. die einzelnen Lamellen sind so fein, dass sie bei dieser Vergrößerung noch nicht erkennbar sind.
Durch die feine Struktur weist Troostit eine geringe innere Kerbwirkung auf. Damit kann mit Troostit eine hohe Dauerfestigkeit erzielt werden. Dies stellt für hochbeanspruchte Bauteile, wie Kurbelwellen, einen wesentlichen Vorteil dar.
Je nach Wandstärke des Gussteils kann das übrige Gefüge, also das sich an die zweite Schicht aus Ausferrit und Troostit anschließende Innere des Gussteils, aus Troostit und/oder einem Mischgefüge aus Troostit und relativ dazu gröberen Perlit bestehen. So liegt z.B. bei einem dicken Gussteil mit einer Wandstärke von z.B. mehr als 30 mm im Inneren des Gussteils normalerweise Troostit und/oder ein Mischgefüge aus Troostit und relativ dazu gröberer Perlit vor.
D.h. das erfindungsgemäße Gussteil besteht aus einem Gradientenwerkstoff, der sich aus der ersten Schicht aus Ausferrit an der Gussteiloberfläche, der zweiten Schicht aus dem Mischgefüge aus Ausferrit und Troostit und ggf. Troostit und/oder ein Mischgefüge aus Trosstit und relativ dazu gröberer Perlit im Inneren
zusammensetzt.
Falls das erfindungsgemäße Gussteil aus Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) als Basismaterial herstellt worden ist, weist es zudem in den beiden Schichten und, falls vorhanden, auch der Troostit bzw. der relativ dazu gröbere Perlit im Inneren des Gussteils Graphit in Kugelform auf. Die Graphitkugeln sind dabei gleichmäßig verteilt, wobei das Minimum vorzugsweise bei 100 Graphitkugeln pro mm2 und maximal bei 0,5 %, bezogen auf die Querschnittsfläche, liegt.
Durch den Kugelgraphit wird die Dichte des Werkstoffs gegenüber einem
Stahlwerkstoff gesenkt, sodass das erfindungsgemäße Gussteil, also insbesondere die erfindungsgemäße Kurbelwelle leichter Ist als eine Schmiedestahlwelle mit gleichem Volumen. Darüberhinaus führen Hohlräume, die die unterschiedlichsten Ausgestaltungen aufweisen können, in dem erfindungsgemäßen Gussteil, insbesondere der erfindungsgemäßen Kurbelwelle zu einer wesentlichen
Gewichtsreduktion.
Das Gusseisen, aus dem das erfindungsgemäße Gussteil hergestellt wird, weist folgende chemische Zusammensetzung auf: 3,2 bis 3,9 Gew.-% Kohlenstoff
2,0 bis 2,4 Gew.-% Silizium
0,6 bis 1,3 Gew.-% Mangan
0,6 bis 1,0 Gew.-% Kupfer
0,030 bis 0,050 Gew.-% Magnesium
0,0 bis 0,1 Gew.-% Zinn
0,0 bis 0,5 Gew.-% Nickel
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.
Das heißt das Gusseisen, aus dem das erfindungsgemäß Gussteil besteht, weist kein Molybdän und kein oder lediglich eine geringfügige Menge Nickel auf. Damit ist das Gusseisen für die Herstellung des erfindungsgemäßen Gussteils mit geringen Kosten verbunden.
Das erfindungsgemäße Gussteil wird aus Gusseisen mit der vorstehend
angegebenen chemischen Zusammensetzung gegossen. Nach dem Gießen und ggf. einer mechanischen Bearbeitung auf Maß erfolgt eine zweistufige
Wärmebehandlung.
Dazu wird das Gussteil in einem Ofen unter Schutzatmosphäre auf eine
Austenitisierungstemperatur von 910 bis 950 °C, insbesondere ca. 920 °C erwärmt und bei dieser Temperatur mindestens eine Stunde, vorzugsweise mindestens 2 Stunden gehalten. Anschließend wird das Gussteil in einem Medium mit einer Temperatur von 300 bis 400 °C, insbesondere ca. 360 °C abgekühlt. Als
Abkühlmedium kann ein Salzbad verwendet werden. Die Haltezeit im
Abkühlmedium beträgt mindestens eine Stunde, vorzugsweise mindestens 2 Stunden.
Dabei wandelt sich der Austenit an der Oberfläche des Gussteils in eine Schicht aus Ausferrit um, also in ein Mischgefüge aus Ferrit und Restaustenit.
Während die Schicht an der Oberfläche des Gussteils beim Überführen In das Abkühlmedium von der Austenitisierungstemperatur schnell abkühlt und damit abgeschreckt wird, um an der Oberfläche Ausferrit zu bilden, liegen zum Inneren des Gussteils hin andere Abkühlbedingungen vor, die zur Bildung der zweiten Schicht, also zur Umwandlung des Austenit in Ausferrit und Troostit, und bei Gussteilen mit großer Wandstärke zur Umwandlung des Austenits in ein sich an die zweite Schicht zum Inneren des Gussteiles hin anschließendes Gefüge aus Troostit und/oder einem Mischgefüge aus Troostit und relativ dazu gröberen Perlit führen.
Das erfindungsgemäße Gussteil ist vorzugsweise eine Kurbelwelle für
Verbrennungsmotoren. Es kann jedoch beispielsweise auch ein Zahnrad, ein Presswerkzeug, eine Laufrolle oder ein anderes hochbeanspruchtes Gussteil sein.
Nachstehend Ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung am Beispiel einer Kurbelwelle näher beschrieben. Darin zeigen jeweils schematisch :
Figur 1 im Schnitt einen Teil einer Kurbelwelle; und
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs A in Figur 1.
Gemäß Figur 1 und 2 weist eine Kurbelwelle 1 mit der Drehachse 2 eine erste Schicht 3 an der Oberfläche und eine zweite Schicht 4 zwischen der ersten Schicht 3 und dem Inneren 5 der Kurbelwelle 1 auf. Mit den Bezugsziffern„6" und„7" sind kavernenartige Hohlräume in der Kurbelwelle 1 bezeichnet.
Die erste Schicht 3 besteht aus Ausferrit und weist eine Schichtdicke d von beispielsweise 5 mm auf. Die zweite Schicht 4 besteht aus einem Mischgefüge aus Ausferrit und Troostit, während das Innere 5 durch Troostit und/oder einem
Mischgefüge aus Troostit und relativ dazu gröberen Perlit gebildet wird.
Durch die Ausferrit-Schicht 3 weist die Kurbelwelle 1 insbesondere auch In dem hochbeanspruchten Übergangsbereich am Haupt- und Hublager, wo sie auf Biegung und Torsion beansprucht wird, eine hohe Festigkeit auf.
Das nachstehende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.
Beispiel:
Aus einem Gusseisen folgender Zusammensetzung wird eine Kurbelwelle gegossen:
Kohlenstoff 3, 5 Gew.%
Silizium 2, 2 Gew.-%
Mangan 0,9 Gew.-%
Kupfer 0,8 Gew.-% Magnesium 0,04 Gew.-%
Zinn 0,05 Gew.-%
Nickel 0,2 Gew.-%
Die gegossene Kurbelwelle wird einer zweistufigen Wärmebehandlung unterworfen.
Dazu wird die Kurbelwelle in einem Ofen unter Schutzatmosphäre (z.B. Argon) auf eine Temperatur von 920 °C erwärmt und bei dieser Temperatur 150 Minuten gehalten. Anschließend wird das so austenitisierte Gusstell in einem Salzbad auf 360 °C abgeschreckt und darin 150 Minuten gehalten, wonach es auf
Raumtemperatur abgekühlt wird.
Es wurden die Zugfestigkeit (Rm) und die Dehngrenze (Rm 0,2) z.B. nach DIN EN 10002 bestimmt. Die aus Ausferritschicht, also die Schicht 3 an der Oberfläche der Kurbelwelle 1 nach Figur 2 weist dabei eine Zugfestigkeit von 920 MPa und eine Dehngrenze von 660 MPa auf.
Darüberhinaus wurden Schliffbilder von der Ausferrit-Schicht, also der ersten Schicht 3 nach Figur 2, der zweiten Schicht 4 aus dem Mischgefüge aus Ausferrit und Troostit und dem Inneren 5 der Kurbelwelle aus Troostit und/oder einem Mischgefüge aus Troostit und relativ dazu gröberen Perlit (Mikroskop-Bild) angefertigt.
Das Schliffbild der ersten Schicht 3 aus Ausferrit ist in Figur 3, das Schliffbild der zweiten Schicht 4 aus dem Mischgefüge aus Ausferrit und Troostit in Figur 4 und das Schliffbild des Inneren 5 aus Troostit und/oder einem Mischgefüge aus Troostit und relativ dazu gröberen Perlit in Figur 5 dargestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Gusseisen-Gusstell, gekennzeichnet durch ein Gefüge, das an der
Gussstückoberfläche eine erste Schicht (3) aus Ausferrit und eine sich zum Inneren (5) des Gussteils hin an die erste Schicht (3) anschließende zweite Schicht (4) aus Ausferrit und Troostit aufweist.
2. Gusseisen-Gussteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge des sich an die zweite Schicht (4) anschließenden Inneren (5) des Gussteils aus Troostit und/oder einem ischgefüge aus Troostit und relativ dazu gröberen Perlit besteht.
3. Gusseisen-Gussteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (3) aus Ausferrit eine Zugfestigkeit ( m) von mindestens 900 MPa und eine Dehngrenze (Rp 0,2) von mindestens 600 MPa aufweist.
4. Gusseisen-Gussteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Graphit in Kugelform enthält.
5. Gusseisen-Gussteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gusseisen folgende Zusammensetzung aufweist:
3,2 bis 3,9 Gew.-% Kohlenstoff
2,0 bis 2,4 Gew.-% Silizium
0,6 bis 1,3 Gew.-% Mangan
0,6 bis 1,0 Gew.-% Kupfer
0,030 bis 0,050 Gew.-% Magnesium
0,0 bis 0,1 Gew.-% Zinn
0,0 bis 0,5 Gew.-% Nickel
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.
6. Verfahren zur Herstellung des Gusseisen-Gussteils nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) mit einer Zusammensetzung gemäß dem Anspruch 5 in einem Ofen auf eine Austenitisierungstemperatur von 910 bis 950 °C erwärmt und nach einer Haltezelt von mindestens 60 Minuten in einem Medium auf eine Temperatur von 300 bis 400 °C abgekühlt und nach einer Haltezeit von mindestens 60 Minuten in dem Abkühlmedium auf
Raumtemperatur abgekühlt wird.
7. Gusselsen-Gussteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass es durch eine Kurbelwelle (1) gebildet ist.
PCT/EP2010/005811 2009-10-05 2010-09-22 Gusseisen-gussteil und verfahren zu dessen herstellung WO2011042123A1 (de)

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