DE102004040056A1

DE102004040056A1 - Hoch- und verschleißfester, korrosionsbeständiger Gusseisenwerkstoff

Info

Publication number: DE102004040056A1
Application number: DE200410040056
Authority: DE
Inventors: Steffen Dr. Hoppe; Wilfried Langner; Thomas Gerle; Laszlo Pelsoeczy
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2006-02-23
Also published as: WO2006018054A1; EP1776487A1; JP5345316B2; DE502005007995D1; EP1776487B1; JP2008510072A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gusseisenwerkstoff. Die Erfindung ist insbesondere gekennzeichnet durch eine Matrix, die > 50% nadeligen Ferrit, < 20% Austenit, < 30% Martensit, < 50% Perlit und < 15% Karbide umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gusseisenwerkstoff und insbesondere Kolbenringe, die als Grundkörper einen derartigen Gusseisenwerkstoff aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen neuen Gusseisenwerkstoff, der nadeligen Ferrit mit bestimmten Anteilen aus Austenit, Martensit und/oder Perlit umfasst.
Gusseisenwerkstoffe können in verschiedenen Mikrostrukturen vorliegen, die durch Verwendung spezieller Zusammensetzungs- und/oder Verfahrensparameter eingestellt werden können.

Ein Gusseisenwerkstoff, der ein bainitisches bis martensitisches Grundgefüge aufweist, das durch eine Wärmebehandlung erzugt 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 °C und 1050 °C geglüht, um den Zementit in Lösung zu setzen, um einen 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.

Gusseisenwerkstoffe bzw. Gusseisenlegierungen werden gewöhnlich zur Herstellung hoch beanspruchter Teile von Verbrennungskraftmotoren, wie beispielsweise Kolbenringe, verwendet. Kolbenringe unterliegen in hochbeanspruchten Motoren einer zunehmenden Belastung, wie beispielsweise Kompressionsdruck, Verbrennungstemperatur, Schmierfilmreduzierung, die deren Funktionseigenschaften wie Verschleiß, Brandspurbeständigkeit, Microweßding, Korrosionsbeständigkeit maßgeblich beeinflussen.

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 sogenannten Fressern, Riefenbildung und schließlich zu einer Zerstörung des Motors führen kann. Um das Gleitverhalten von Kolbenringen gegenüber der Zylinderwand zu verbessern, wurden diese an deren Umfangsfläche mit Beschichtungen aus unterschiedlichen Materialien versehen.

Kompressionsringe in hoch beanspruchten Motoren, wie beispielsweise Dieselmotoren oder 2-Takt Dieselmotoren, werden beispielsweise bevorzugt als Gusskolbenringe mit einer Laufflächenbeschichtung, beispielsweise Chrom-Keramik-Beschichtung, thermische Spritzschicht, PVD-Schicht oder Einlaufschicht, ausgelegt.

Weiterhin ist in der EP 1 384 794 A1 ein Gusseisenwerkstoff für Kolbenringe beschrieben, der eine spezifische chemische Zusammensetzung aufweist und einer Wärmebehandlung unterworfen wird, die eine Austenisierungsbehandlung, gefolgt von einem isothermalen Härtungsverfahren, umfasst. Durch den Einsatz von Kugelgraphitbildenden Zusätzen wird ein sphärolitischer Werkstoff erhalten. Bei Kolbenringen muss der Gusseisenwerkstoff eine Matrix aus Perlit mit geringen Anteilen von Ferrit aufweisen, um eine optimale Wärmebehandlung zu erfahren. Durch eine derartige Wärmebehandlung können zwar die mechanischen Eigenschaften von Gusseisenwerkstoffen verbessert werden, aber die Kosten der Wärmebehandlung verteuern das Produkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gusseisenwerkstoff bereitzustellen, der eine erhöhte Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist, ohne dass die Herstellungskosten erhöht sind sowie einen Kolbenring bereitzustellen, der ein vermindertes Bruchrisiko aufweist und bei gestiegener mechanisch-dynamischer Belastung das weitere Funktionsverhalten über lange Lebensdauern garantiert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Gusseisenwerkstoff gemäß Anspruch 1, einen Kolbenring gemäß Anspruch 11 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung enthalten.

Erfindungsgemäß wird ein Gusseisenwerkstoff bereitgestellt, der eine Matrix aufweist, die nadeligen Ferrit und/oder Martensit mit Anteilen aus Austenit und/oder Perlit umfasst. Insbesondere weist die Matrix Phasenanteile auf, die im Matrixgefüge derart eingestellt sind, dass ein Phasengemisch > 50 % nadeligen Ferrit, < 20 % Austenit, < 30 % Martensit, < 50 % Perlit und < 15 % Karbide umfasst. Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Anteile des Phasengemischs wie folgt: > 65 % nadeligen Ferrit, < 5 % Austenit, < 10 % Martensit, < 10 % Perlit und < 7 % Karbide. Bei dem Ferrit kann es sich dabei um zementitfreien nadeligen Ferrit oder zementithaltigen nadeligen Ferrit und deren Mischungen handeln.

Der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff weist bevorzugt die folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% auf: Kohlenstoff 3,0 bis 4,2; Silizium 1,0 bis 3,5; Mangan max. 1,0; Phosphor max. 0,4; Schwefel max. 0,1; Chrom max. 5,0; Kupfer max. 3,0; Magnesium max. 0,08; Zinn max. 0,3; Molybdän max. 3,0; Vanadium max. 1,0, Nickel 1,0 bis 6,0; Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen. Dieser Gusseisenwerkstoff zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit, Verschleißbeständigkeit und Biegebruchfestigkeit aus. Gleichzeitig verfügt der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff über eine hervorragende Zähigkeit, was sich insbesondere positiv auf die Bruchneigung auswirkt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Gusseisenwerkstoff die folgende Zusammensetzung in Gew.-% auf Kohlenstoff 3,0 bis 4,0; Silizium 1,0 bis 3,0; Mangan max. 1,0; Phosphor max. 0,3; Schwefel max. 0,05; Chrom max. 0,5; Kupfer 0,5 bis 3,0; Magnesium max. 0,08; Zinn max. 0,25; Vanadium max. 0,1, Molybdän max. 0,08; Nickel 1,0 bis 4,0; Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs können weiterhin spezifisch gesteuert werden, in dem die Art der im Werkstoff vorliegenden Graphitausbildung sphärolitisch und/oder vermicullar oder lamellar variiert wird.

Vermiculargraphit ist "wurmförmiger" 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 80–90% 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.

Bei Gusseisenwerkstoffen mit lamellarer Graphitausbildung wird der Hauptanteil des Kohlenstoffes im Gusszustand in Form von Lamellen ausgeschieden. Ein derartiger Werkstoff ist auch als GJL bekannt.

Ein lamellargraphitischer Gusseisenwerkstoff weist einen sehr guten Wärmeleitkoeffizienten und eine sehr gute Dämpfung auf, während ein sphärolitischer Gusseisenwerkstoff den Vorteil einer deutlich geminderten Kerbwirkung und deutlich höheren Zugfestigkeit und Duktilität aufweist. 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 Graphitüberführung 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, Niob, Tantal, Wolfram, Bor, Tellur oder Bismut oder deren Kombinationen, insbesondere in einer Menge von bis zu 0,1 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 Kobalt, Antimon, Calcium, Strontium, Aluminium, Lanthan, Cer, Seltenerdmetallen oder deren Kombinationen, bevorzugt in einer Menge von bis zu 0,1 Gew.-%. Seltenerdmetalle. Diese Elemente und Zusatzstoffe können herstellungsbedingte Verunreinigungen sein oder während des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs zu der Schmelze zugegeben werden.

Weiterhin kann der Gusseisenwerkstoff Blei, Zink, Stickstoff und weitere nicht explizit genannte Inhaltsstoffe in einer Menge von bis zu 0,1 Gew.-% enthalten. 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.

Weiterhin ist der Gusseisenwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere zur Herstellung von Kolbenringen geeignet. Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit können die Kolbenringe ebenfalls teil- oder ganzflächig, an ihren Laufflächen und/oder ihren Flankenflächen induktiv gehärtet, nitriert oder beschichtet sein. Durch die Gehalte an Nickel, Kupfer, Zinn und Chrom wird die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs positiv beeinflusst. Dies ist insbesondere bei 2-Takt Motoren wichtig, weil die Kolbenringe dort aggressiven Medienausgesetzt sind, deshalb ist der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff bestens als Grundstruktur für einen Kolbenring geeignet.

Bei dem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs wird zuerst eine Schmelze hergestellt. Die Schmelze weist bevorzugt die folgende Zusammensetzung in Gew.-% auf Kohlenstoff 3,0 bis 4,2; Silizium 1,0 bis 3,5; Mangan max. 1,0; Phosphor max. 0,4; Schwefel max. 0,1; Chrom max. 5,0; Kupfer max. 3,0; Magnesium max. 0,08; Zinn max. 0,3; Vanadium max. 1,0, Molybdän max. 3,0; Nickel 1,0 bis 6,0; Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen. Anschließend wird ein Rohling unter Erstarrung der Schmelze hergestellt.

Der Rohling kann dann gemäß im Stand der Technik bekannten Methoden zu einem Kolbenring weiterverarbeitet werden.

Das Verfahren zur Herstellung des Gusseisenwerkstoffs erfolgt ohne weitere Wärmebehandlung. Bei größeren Abmessungen (Mo 1,5 cm) ist keine zusätzliche Wärmebehandlung erforderlich. Bei kleineren Abmessungen kann ein zusätzliches Anlassen nötig sein, aber ein Vergüten ist nicht mehr notwendig. Das Anlassen erfolgt dann gegebenenfalls bei Temperaturen von < 700 °C.

1 zeigt die Gussstruktur eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs in einer Vergrößerung von 500:1, der mit Nital 2% geätzt worden ist.
Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung ohne sie zu beschränken.
Beispiel

Gussstückmodul M : 1,5 cm

Chemische Zusammensetzung:
Das Grundgefüge besteht aus ca. 60 % nadeligem zementreichem und zementitfreiem Ferrit , ca. 20 % Perlit, ca. 10 % Martensit, <3 % Austenit und <7 % Karbiden. Die mechanischen Eigenschaften des Kolbenrings sind wie folgt: Die Härte ist 320HB2,5, die Biegebruchfestigkeit ist >1100 MPa, wobei die exakte Biegebruchfestigkeit aufgrund der hohen Duktilität des Werkstoffs schwer zu ermitteln ist.
Die Gussstruktur des in dem Beispiel aufgezeigten Gusswerkstoffs, der mit Nital 2% geätzt worden ist, ist in 1 in einer Vergrößerung von 500:1 gezeigt.

Claims

Gusseisenwerkstoff, gekennzeichnet durch eine Matrix, die > 50 % nadeligen Ferrit, < 20 % Austenit, < 30 % Martensit, < 50 % Perlit und < 15 % Karbide umfasst.
Gusseisenwerkstoff gemäß Anspruch 1; gekennzeichnet durch eine Matrix, die >65% nadeligen Ferrit, <5% Austenit, <10% Martensit, < 10% Perlit und < 7% Karbide umfasst
Gusseisenwerkstoff gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-%: C: 3,0 bis 4,2 Si: 1,0 bis 3,5 Mn: max. 1,0 P: max. 0,4 S: max. 0,1 Cr: max. 5,0 Cu: max. 3,0 Mg: max. 0,08 Sn: max. 0,3 Mo: max. 3,0 V: max 1,0 Ni: 1,0 bis 6,0 Rest: Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Gusseisenwerkstoff gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-%: C: 3,0 bis 4,0 Si: 1,0 bis 3,0 Mn: max. 1,0

P: max. 0,3 S: max. 0,05 Cr: max. 0,5 Cu: 0,5 bis 3,0 Mg: max. 0,08 Sn: max. 0,25 V: max. 1,0 Mo: max. 0,08 Ni: 1,0 bis 4,0 Rest: Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Gusseisenwerkstoff gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ferrit zementitfreien nadeligen Ferrit oder zementithaltigen nadeligen Ferrit und deren Mischungen umfasst.
Gusseisenwerkstoff gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er sphärolitisch und/oder , vermiculargraphitisch oder lamellargraphitisch ist.
Gusseisenwerkstoff gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, der weiterhin ein Element enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Nb, Ta, W, Mo, B oder deren Kombinationen.
Gusseisenwerkstoff gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element in einer Menge von bis zu 0,1 Gew.-% enthalten ist.
Gusseisenwerkstoff gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, der weiterhin einen Zusatzstoff enthält, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Ni, Co, Sb, Ca, Ce, Ta, Sr, Al, La, Ce, Seltenerdmetallen oder deren Kombinationen.
Gusseisenwerkstoff gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff in einer Menge von bis zu 0,1 Gew.-% enthalten ist.
Kolbenring, der als Grundkörper einen Gusseisenwerkstoff gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
Kolbenring gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin eine Flanken- und Laufflächenbeschichtung umfasst.