Verschleissfeste Gusseisenlegierung mit sphärolithischer Graphitausscheidung und ihr Herstellungsverfahren

Abstract

 Eine verschleißfeste Gußeisenlegierung mit gleichzeitig hoher Festigkeit für die Herstellung verschleißfester Maschinentelle, wie insbesondere Kleinkolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen, mit geringer radialer Wanddicke und ohne Verschleißschutzschicht der Lauffläche besitzt ein VergOtungsgefüge mit mit eingelagerten und durch Zerfall von Ledeburⁱt in sehr feiner Form gebildeten Graphitsphärolithen in einer Zahl von 300.000 bis 900.000/cm² und besteht aus 1,5-3,0 % Kohlenstoff, 3,0-6,0 % Silizium, 0,1-2,0 % Mangan, 0,05-0.5 % Phosphor, bis max. 0,15 % Schwefel, 0,1-1,0 % Chrom, 0-3,5 % Vanadin, 0,1-2,5 % Molybdän, 0,1-3,0 % Nickel und/oder Kobalt, 0,1-3,5 % Kupfer, 0,1-2,5 % Wolfram, 0,1-1,0% Titan, Niob und/oder Tantal, bis max, 0,15 % Magnesium, bis max. 0,15 % Stickstoff sowie gegebenenfalls bis zu 1,5 % Aluminium, bis zu 1 % Zinn oder Antimon und bis zu 0,5 % Bor, Zirkon und/oder Wismuth, Rest Eisen mit herstellungsbedingten Verunreinigungen. Zur Herstellung wird die Gußeisenschmelze mit nur 0,1-1 % Ferrosolizium mit insgesamt 0,5-2,0 % Magnesium und/oder seltene Erde so geimpft, daß die Schmelze weißerscheinend erstarrt. Die dabei lichtmikroskopisch nicht mehr nachweisbaren entstandenen Graphitausscheidungen bilden beim anschließenden Graphitisierungsglühen, Abschrecken und Anlassen die Keime der sichtbaren und in hoher Zahl vorliegenden sehr feinen Graphitsphärolithen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste Gußeisenlegierung hoher Festigkeit mit sphärolithischer Graphitausscheidung für die Herstellung von auf Verschleiß beanspruchten Maschinenteilen, wie Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen, und zwar insbesondere von Kleinkolbenringen mit geringer radialer und / oder axialer Wanddicke und ihr Herstellungsverfahren.

[0002] Gußeisenlegierungen zur Herstellung mechanisch hoch beanspruchter Maschinenteile, wie Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen, sind Speziallegierungen, die neben guten Lauf - und Verschleißeigenschaften, einem guten elastischen Verhalten zusätzlich auch höhere Festigkeitseigenschaften besitzen sollen. Insbesondere Kleinkolbenringe mit kleinen Durchmessern von beispielsweise bis zu 60 mm haben aufgrund von geringen axialen Wandstärken von meist nur 1 - 2 mm eine geringere absolute Festigkeit, und es kommt bei ihnen häufiger zu Ringbrüchen, auch wenn sie aus sonst für Kolbenringe größerer Durchmesser üblichen Gußeisenlegierungen hergestellt sind. Für solche Kleinkolbenringe müssen daher spezielle Gußeisenlegierungen mit höheren Festigkeitswerten eingesetzt werden.

[0003] Nach C. Englisch, Kolbenringe, Band 1, Springer Verlag, Wien, 1958, Seiten 204 und 245, besitzen solche Gußeisenlegierungen bis zu meist je 1,0 % Chrom, Molybdän, Vanadin und Kupfer. Die Kolbenringe werden ledeburitisch weiß erstarrend gegossen, und die gewünschte Graphitausscheidung und das gewünschte Gefüge werden durch anschließendes Glühen, Abschrecken und Vergüten erhalten. Die beim Graphitisierungsglühen erhaltene Temperkohle fällt dabei in sphärolithischer Form an, und dadurch bedingt wird die Festigkeit der Ringe wesentlich gesteigert. Offensichtlich aber durch die Graphitausscheidung bedingt, sind die Lauf - und Verschleißeigenschaften von Kolbenringen aus diesen Legierungen nicht ausreichend, so daß die Laufflächen der Ringe zusätzlich mit Verschleißschutzschichten versehen werden müssen.

[0004] Nach der DE - AS 1.172.049 werden derartige Gußeisenlegierungen zusätzlich mit 4,5 bis 5,5 Gewichtsprozent Kupfer legiert. Kupfer liegt dann bei diesen Gehalten in der Form von Einschlüssen vor, die die Rolle von kompakteren Graphitausscheidungen übernehmen. Aus diesen Legierungen. gegossene Kolbenringe können daher auch ohne Verschleißschutzschichten eingesetzt werden. Diese Speziallegierungen eignen sich aber nur für Großkolbenringe von Dieselmotoren, und die Festigkeitseigenschaften für Kleinkolbenringe sind nicht ausreichend.

[0005] Nach der DE - OS 2.428.822 ist eine Gußeisenlegierung für Kolbenringe mit normaler und durch besondere Behandlungsmaßnahmen erzielter Kugelgraphitausscheidung bekannt, die als Legierungselemente außer 1,5 bis 4,5 % Silizium bis 3 % Mangan, bis 3,5 % Vanadin und bis 2,5 % Molybdän, auch bis zu 2,5 % Wolfram, bis zu 1 % Titan, bis zu 2 % Kupfer, bis zu 1 % Nickel oder Kobalt und bis zu 2,5 % Niob und / oder Tantal enthalten kann. Diese Legierungen erwiesen sich, insbesondere auch wegen der ausgewogenen Zusammensetzung der Legierungselemente, als ausreichend verschleißfest, der relativ kompakt vorliegende Kugelgraphit wiederum beeinflusste die Festigkeit jedoch derart nachteilig, daß diese Legierungen zur Herstellung von insbesondere Kleinkolbenringen mit geringen axialen Höhen nicht ausreichend bruchsicher waren.

[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gußeisenlegierung mit sowohl einer guten Verschleißfestigkeit als auch einer guten Elastizität und einer hohen Festigkeit zu schaffen, so daß sie für hoch belastete Maschinenteile eingesetzt werden kann. Die Gußeisenlegierung soll vor allem zur Herstellung bruchsicherer Kleinkolbenringe ohne besonderen Verschleißschutz der Laufflächen und Flankenflächen verwendet werden können.

[0007] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Gußeisenlegierung gelöst, deren Graphitausscheidungen durch einen Glühprozeß durch Zerfall von Ledeburit in extrem feiner Form mit hoher Sphärolitzahl ( etwa 300.000 bis 900.000 Sphärolithen pro cm² in einer Schliffbildprobe ) gebildet sind. Die Legierung hat die folgende Zusammensetzung:

1,5 bis 3,0 % Kohlenstoff

3,0 bis 6,0 % Silizium

0,1 bis 2,0 % Mangan

0,05 bis 0,5 % Phosphor

bis max. 0,15 % Schwefel

0,1 bis 1,0 % Chrom

0 bis 3,5 % Vanadin

0,1 bis 2,5 % Molybdän

0,1 bis 2,5 % Nickel und / oder Kobalt

0,1 bis 3,5 % Kupfer

0,1 bis 2,5 % Wolfram

0,1 bis 1,0 % Titan, Niob und / oder Tantal

bis max. 0,15 % Magnesium

bis max. 0,15 % Stickstoff

[0008] Rest Eisen einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen.

[0009] Vor allem zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit kann die Gußeisenlegierung noch bis zu 1,5 % Aluminium und / oder bis zu 1,0 % Zinn und / oder Antimon sowie gegebenenfalls bis zu 0,5 % die Elemente Bor, Zirkon und / oder Wismuth enthalten.

[0010] Bei der Herstellung verzichtet man bewußt auf eines der zur Kugelgraphitbildung üblicherweise angewendeten Verfahren und impft lediglich die Gußeisenschmelze mit handelsüblichem Ferrosolizium, welches bis zu 0,5 bis 2,0 % Magnesium enthält. Gegebenenfalls ist das Magnesium ganz oder teilweise durch die seltenen Erdmetalle wie Cer, Yttrium, Lanthan, Neodym und / oder Praseodym ersetzt. Es wird mit einer Impfmittelmenge von nur 0,1 bis 1,0 %, geimpft, so daß die Gußeisenlegierung weiß und ledeburitisch erstarrt. Anschliessend erfolgt das Graphitisierungsglühen von bevorzugt 15 Minuten oberhalb 950°C, die Abschreckvergütung auf die gewünschte Härte oberhalb 700°C und das Anlassen oberhalb 300°C.

[0011] Im Schliffbild erscheint das Gefüge jetzt als Vergütungsgefüge mit hohen Martensitanteilen. Der Graphit ist feinkörnig und sphärolithisch, und die Sphärolithenzahl liegt zwischen 300.000 und 900.000 pro cm². Beim Impfen mit dem geringen magnesiumhaltigen Ferrosilizium scheinen sich beim Erstarren schon sehr feine Graphitsphärolithen gebildet zu haben, die jedoch nicht sichtbar sind, so daß das Gußeisen weiß erstarrend erscheint. Beim Glühprozeß dienen diese feinen Ausscheidungen als Keime für die in extrem hoher Zahl sich bildenden Sphärolithen.Die Sphärolithenzahl ist somit 5 - 10fach höher als bei normalen kugelgraphitischen Gußeisenlegierungen. Die Phosphorphasen sind nicht netzförmig zusammenhängend, sondern sind punktförmig in der Matrix verteilt.

[0012] Aus der erfindungsgemäßen Legierung wurden Kleinkolbenringe mit Außendurchmessern von etwa 60 mm, radialen Wanddicken von 50 mm und axialen Ringhöhen von 1,5 mm gegossen, thermisch behandelt und zu einsatzfähigen Kolbenringen bearbeitet. Die Ringe wurden Motortestläufen ohne vorherige verschleißfeste Laufflächenbeschichtung unterzogen. Sie zeigten sowohl eine gute Verschleißfestigkeit als auch eine gute Festigkeit, und es waren nach dem Laufen keine Ringe durch Ringbruch oder durch Verschleißschäden ausgefallen.

[0013] Durch die Erfindung ist somit eine Gußeisenlegierung mit hoher Verschleißfestigkeit als auch hoher Bruchfestigkeit geschaffen worden. In der Legierung sorgt einmal die ausgewogene Zusammensetzung der Legierungselemente für die guten Gleit - und Laufeigenschaften, obwohl der Graphit extrem feinkörnig vorliegt. Die extrem feine Verteilung der Sphärolithen verbessert ihrerseits wiederum die Festigkeits - und Dehnungseigenschaften der Werkstücke.

[0014] Obwohl die erfindungsgemäße Legierung bevorzugt zur Herstellung von Kleinkolbenringen mit geringer radialer Wanddicke verwendet werden soll, kann sie genauso für ähnlich beanspruchte.und / oder dimensionierte Maschinenteile verwendet werden. Dies können auch Dichtleisten für Kreiskolbenmotoren oder extrem dünnwandige und / oder extrem belastete Mittel - und Großkolbenringe sein.

[0015] Anhand eines Ausführungsbeispieles und der Abbildungen wird die Erfindung näher erläutert:

[0016] Ausgegangen wird von einer Gußeisenschmelze, die nach dem Impfen mit 0,6 % magnesiumhaltigem Ferrosilizium ( 47 % Silizium, 5,9 % Calzium, 1,1 % Magnesium, 0,6 % Aluminium, Rest Eisen ) die folgende Zusammensetzung zeigte:

2,68 % Kohlenstoff

4,48 % Silizium

1,02 % Mangan

0,31 % Phosphor

0,041 % Schwefel

0,47 % Chrom

0,25 % Vanadin

0,47 % Molybdän

0,30 % Nickel

0,41 % Kupfer

0,17 % Titan

0,11 % Niob

0,006 % Stickstoff

Rest Eisen mit herstellungsbedingten Verunreinigungen.

[0017] Aus der Schmelze wurden 35 Kleinkolbenringe mit einer Rohlingsabmessung von 55,6 mm Außendurchmesser, 48,6 mm radialer Wanddicke und 5,2 mm axialer Pin^ghöhe unter ledeburitischer Weißerstarrung gegossen. Die Ringe wurden anschließend bei 950°C über 15 Minuten geglüht, aus 1.020°C abgeschreckt und bei 450°C angelassen. Das Schliffbild 1 zeigt in 100facher Vergrößerung die Graphitausscheidung in sehr feiner sphärolitischer Form mit einer Sphärolithenzahl von etwa 600.000 pro Quadratzentimeter. Schliffbild 2 zeigt das VergUtungsgefüge mit überwiegend martensitischen Anteilen. Die Härte der Ringe liegt bei 109 bis 115 HRB.

[0018] Die Ringe wurden dann auf ein Fertigmaß von 52 x 48 x 1,5 mm spanabhebend bearbeitet. Die mittleren Werte sind

[0019] Anschließend wurden 5 Ringe in einem Versuchsmotor als oberste Ringe des Kolbens über 240 Stunden getestet. Nach dem Probelauf waren weder Ringe gebrochen, noch zeigten die Laufflächen größere Verschleißspuren.

Ansprüche

1 . Verschleißfeste Gußeisenlegierung hoher Festigkeit mit sphärolithischer Graphitausscheidung für die Herstellung von auf Verschleiß beanspruchten Maschinenteilen, wie Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen, und zwar insbesondere von Kleinkolbenringen mit geringer radialer und / oder axialer Wanddicke, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung ein Vergütungsgefüge besitzt, in dem der Graphit durch einen Glühprozeß durch Zerfall von Ledeburit gebildet ist und in extrem feiner Form mit hoher Sphärolithenzahl von etwa 300.000 bis 900.000/cm² vorliegt, und daß die Gußeisenlegierung

1,5 bis 3,0 % Kohlenstoff

3,0 bis 6,0 % Silizium

0,1 bis 2,0 % Mangan

0,05 bis 0,5 % Phosphor

bis max. 0,15 % Schwefel

0,1 bis 1,0 % Chrom

0 bis 3,5 % Vanadin

0,1 bis 2,5 % Molybdän

0,1 bis 3,0 % Nickel und / oder Kobalt

0,1 bis 3,5 % Kupfer

0,1 bis 2,5 % Wolfram

0,1 bis 1,0 % Titan, Niob und / oder Tantal

bis max. 0,15 % Magnesium

bis max. 0,15 % Stickstoff

Rest Eisen mit herstellungsbedingten Verunreinigungen enthält.

2 . Gußeisenlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung zusätzlich Aluminium in Mengen von bis zu maximal 1,5 % enthält.

3 . Gußeisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung zusätzlich Zinn und / oder Antimon in einer Gesamtmenge von bis zu maximal 1 % enthält.

4 . Gußeisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung zusätzlich die Elemente Bor, Zirkon und / oder Wismuth in einer Gesamtmenge von maximal 0,5 % enthält.

5 . Verfahren zur Herstellung der Gußstücke aus der Gußeisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenschmelze mit 0,1 bis 1,0 % Ferrosilizium, welches 0,5 bis 2,0 % Magnesium enthält, geimpft wird, daß die Gußeisenschmelze ledeburitisch erstarrend gegossen wird, und daß die Gußstücke einem anschließenden Graphitierungsglühen mit nachfolgendem Abschrecken oberhalb 700°C und Anlassen oberhalb 300°C unterzogen wird.

6 . Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Impfmittel das Magnesium ganz oder teilweise durch mindestens eines der seltenen Erdmetallelemente wie Cer, Yttrium, Lanthan, Neodym und / oder Praseodym ersetzt ist.

Zeichnung