SPHÄROGUSSLEGIERUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einem hohen E-Modul, wobei die Sphärogusslegierung als Nicht-Eisenbestandteile zumindest die Elemente C, Si, Mn, Cu, Mg, S und als Beimengungen Ni und/oder Mo enthält.

[0002] Im Kraftfahrzeugbau werden Sphärogusslegierungen verwendet für die Herstellung von Gussteilen, die einen hohen Widerstand gegen Torsionsmomente haben müssen, beispielsweise die Kurbelwelle, als Teil des Motors im Kraftfahrzeug. Die Gussteile haben oft eine sehr komplexe Geometrie mit vielen Bereichen, die unterschiedlich belastet werden und deshalb unterschiedliche Wandstärken aufweisen. Dies setzt eine Giesstechnik voraus, die geeignet ist für Teile mit stark differenzierten Geometrien. Auch müssen die Gussteile oft nachbehandelt werden. Die Nachbehandlung kann eine Wärmebehandlung und/oder eine zerspanende Behandlung sein. Eine wichtige Eigenschaft, die für solchen Gussteile gewünscht wird, ist ein E-Modul, der möglichst hoch ist. Üblicherweise werden derzeit Legierungen mit einem E-Modul von bis zu ca. 160 GPa verwendet. Für Teile mit einem möglichst hohen E-Modul wird man üblicherweise eine Stahllegierung verwenden und die Teile anschliessend durch Schmieden bearbeiten. Diese Herstellungsmethode ist jedoch kostspielig.

[0003] Aus der WO 99/19525 ist eine Sphärogusslegierung bekannt, die für Wellen und Scheiben einer Scheibenbremse verwendet werden kann. Die Legierung enthält in Gewichtsprozent 1.5 bis 4.5 % C, 1.5 bis 4.5 % Si und mindestens 1.0 bis 6.5 % Mo, sowie eventuell Ni und Cu, wobei die Summe (% Mo + % Ni + % Cu) 6.5% nicht übersteigt, und als Rest Eisen und den üblichen Verunreinigungen. Die Legierung zeichnet sich aus durch eine gute Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Abrieb.

[0004] Aus der WO 96/38596 ist eine Sphärogusslegierung mit hohem E-Modul bekannt.

[0005] Die Legierung enthält in Gewichtsprozent: 3.0 bis 3.8 % C, 2.0 bis 2.6 % Si, 0.2 bis 0.6 % Mangan, weniger als 0.02 % P, weniger als 0.03 % S, 0.03 bis 0.06% Magnesium, 0.8 bis 1.2 % Ni, 0.8 bis 1.2 % Cu, 0.4 bis 1.0% Mo und als Rest Fe. Aus der SU 1752819 ist eine Sphärogusslegieung bekannt, bestehend aus 2.8-4.2 C, 3.6-5.8 Si, 0.3-0.8 Mn, 0.05-0.3 Cr, 0.05-0.2 Mo, 0.6-1.8 Cu, 0.005-0.02 Ca, 0.01-0.05 Mg, 0.05-0.7 Al, 0.01-0.07 S.E. Rest Eisen, wobei Si+ Al = 4.28-5.99, Mn + Cr + Cu = 1.45-22.31, Mg + Ca + S.E. = 0.070-0.106 and (Si + Al) - (Mn + Cr + Cu) = 1.45-22.31.

[0006] Bekannt sind Sphärogusslegierungen mit hohen Perlit- und Graphitanteilen. Bei diesen bekannten Legierungen ist der E-Modul für gewisse Anwendungen zu niedrig. Wenn der Graphitgehalt tief gehalten wird, wird der Matrixanteil grösser und der E-Modul höher. Es entsteht mehr Mischkristall als Graphit.

[0007] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einem E-Modul höher als 170 GPa anzugeben.

[0008] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Legierung zusammengesetzt ist aus Gewichtsprozenten: C < 2.9 %, Si 3.8 bis 4.3 %, Cu 0.5 bis 1.0 %, Ni und/oder Mo 0 bis 4 %, Mn 0.1 bis 0.8 %, Mg 0.03 bis 0.07 %, S maximal 0.015 % und Rest Eisen, wobei die Mischungsanteile C und Si sehr nahe beim Eutektikum liegen.

[0009] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

[0010] Es ist von Vorteil, dass der Perlitanteil im Gefüge der Gusseisenprodukte reduziert wird und die Legierung sehr nahe ans Eutektikum kommt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Perlitanteil weniger als 50 bis 70 % beträgt. Durch den tieferen Perlitanteil werden die Zerspanungseigenschaften verbessert.

[0011] Es ist auch von Vorteil, dass im Gefüge der Gusseisenprodukte eine Verfestigung der Mischkristalle gewährleistet werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der Si-Gehalt 3.8 bis 4.0 % beträgt.

[0012] Der Kemgedanke der Erfindung ist es, eine Sphärogusslegierung anzugeben, die besonders geeignet ist für Kurbelwellen in Verbrennungsmotoren. Durch den höheren E-Modul wird die Bruchgefahr, auch bei einer einteiligen Welle mit einer Geometrie mit abwechslungsweise verhältnismässig geringen und grossen Querschnitten erheblich reduziert und die Lebensdauer der Welle erheblich verlängert. Auch die Steifigkeit der Kurbelwelle wird erhöht. Hierdurch wird eine bessere Laufruhe der Kurbelwelle erreicht. Eine bessere Laufruhe bedeutet auch, dass die Erschütterungen, die auf die Lager der Kurbelwelle einwirken, erheblich reduziert werden. Die Lager und die Welle erreichen dadurch eine deutlich längere Betriebslebensdauer. Der C-Gehalt ist massgebend für den E- Modul der Kurbelwelle. Wenn der Graphitanteil in der Legierung tief gehalten wird, wird der volumetrische Anteil der Mischkristalle im Vergleich zum Graphitanteil im Gefüge grösser. Hierdurch steigt der E-Modul. Sphärogusslegierungen mit C-Gehalten unterhalb 3.0 % sind bisher nicht bekannt. Üblicherweise enthalten Sphärogusslegierungen 10 bis 15 Vol. % Graphit. Mit der hier vorgeschlagenen Sphärogusslegierung wird erstmals einen Graphitanteil von maximal 10 Vol. % angestrebt.

Beispiel 1

[0013] Eine Kurbelwelle für einen Kraftfahrzeugmotor eines Personenkraftwagens aus Sphäroguss (GJS) mit der folgenden chemischen Zusammensetzung: 2.8 % C, 4.0 % Si, 0.2 % Mn, 0.9 % Cu, 0.047 % Mg, 0,005 % S.

[0014] Das Gefüge besteht aus 60-70% Perlit, 30 bis40% Ferrit. Der Graphitanteil beträgt insgesamt 10%. Die Graphitausbildung ist grösser als 90% V und VI (nach DIN EN ISO 945) mit einer Grösse von 6 bis 7.

[0015] Die mechanischen Eigenschaften dieses Gussteiles werden angegeben mit R_{p 0.2} = 574 N/mm² , R_m = 811 N/mm² und A = 2.7 %. Der E-Modul beträgt 179.5 GPa.
Die Härte über den gesamten Querschnitt beträgt: 254-285 HB10/3000.

Ansprüche

1. Sphärogusslegierung für Gusseisenprodukte mit einem hohen E-Modul mit den chemischen Bestandteilen C, Si, Cu, Ni und/oder Mo, Mn, Mg und S, wobei die Legierung zusammengesetzt ist aus Gewichtsprozenten: C < 2.9 %, Si 3.8 bis 4.3 %, Cu 0.5 bis 1.0 %, Ni und/oder Mo 0 bis 4 %, wobei der Molybdängehalt maximal 1.0 % beträgt, Mn 0.1 bis 0.8 %, Mg 0.03 bis 0.07 %, S maximal 0.015 % und Rest Eisen, wobei die Mischungsanteile C und Si sehr nahe beim Eutektikum liegen.

2. Sphärogusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der C-Gehalt 2.6 bis 2.9 % beträgt.

3. Sphärogusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Si-Gehalt 3.9 bis 4.1 % beträgt.

4. Sphärogusslegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der S-Gehalt weniger als 0.01 % beträgt.

5. Sphärogusslegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Perlitgehalt kleiner als 70 % beträgt.

6. Sphärogusslegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Perlitgehalt 50 bis 70 % beträgt.

7. Sphärogusslegierung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die daraus hergestellten Teile ein E-Modul von mindestens 170 GPa aufweisen.

8. Sphärogusslegierung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie für Kurbelwellen in Kraftfahrzeugen verwendet wird.

Claims

1. Nodular cast iron alloy for cast iron products having a high modulus of elasticity comprising the chemical constituents C, Si, Cu, Ni and/or Mo, Mn, Mg and S, the alloy being composed in per cent by weight of: C < 2.9%, Si 3.8 to 4.3%, Cu 0.5 to 1.0%, Ni and/or Mo 0 to 4%, the molybdenum content being at most 1.0%, Mn 0.1 to 0.8%, Mg 0.03 to 0.07%, S at most 0.015%, and the rest iron, the mixture proportions of C and Si being very close to the eutectic.

2. Nodular cast iron alloy according to Claim 1, characterized in that the C content is 2.6 to 2.9%.

3. Nodular cast iron alloy according to Claim 1 or 2, characterized in that the Si content is 3.9 to 4.1%.

4. Nodular cast iron alloy according to at least one of Claims 1 to 3, characterized in that the S content is less than 0.01%.

5. Nodular cast iron alloy according to at least one of Claims 1 to 4, characterized in that the pearlite content is less than 70%.

6. Nodular cast iron alloy according to at least one of Claims 1 to 5, characterized in that the pearlite content is 50 to 70%.

7. Nodular cast iron alloy according to at least one of the preceding claims, characterized in that the parts produced therefrom have a modulus of elasticity of at least 170 GPa.

8. Nodular cast iron alloy according to at least one of the preceding claims, characterized in that it is used for crankshafts in motor vehicles.

Revendications

1. Alliage de fonte à graphite sphéroïdal pour des produits de fonte à haut module E, qui contient les composants chimiques C, Si, Cu, Ni et/ou Mo, Mn, Mg et S, l'alliage étant composé des pourcentages en poids suivants : C < 2,9 %, Si 3,8 à 4,3 %, Cu 0,5 à 1,0 %, Ni et/ou Mo 0 à 4 %, la teneur en molybdène étant d'au plus 1,0 %, Mg 0,03 à 0,07 %, S au maximum 0,015 %, le solde étant du fer, les proportions de C et de Si dans le mélange étant très proches de l'eutectique.

2. Alliage de fonte à graphite sphéroïdal selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa teneur en C est comprise entre 2,6 et 2,9 %.

3. Alliage de fonte à graphite sphéroïdal selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que sa teneur en Si est comprise entre 3,9 et 4,1 %.

4. Alliage de fonte à graphite sphéroïdal selon au moins l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que sa teneur en S est inférieure à 0,01 %.

5. Alliage de fonte à graphite sphéroïdal selon au moins l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que sa teneur en perlite est inférieure à 70 %.

6. Alliage de fonte à graphite sphéroïdal selon au moins l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que sa teneur en perlite est comprise entre 50 et 70 %.

7. Alliage de fonte à graphite sphéroïdal selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pièces fabriquées en cet alliage ont un module E d'au moins 170 GPa.

8. Alliage de fonte à graphite sphéroïdal selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour des vilebrequins de véhicules automobiles.