DE102006038670B4

DE102006038670B4 - Hochsiliziumhaltiger Stahlwerkstoff zur Herstellung von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen

Info

Publication number: DE102006038670B4
Application number: DE102006038670A
Authority: DE
Inventors: Laszlo Pelsoeczy
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2006-08-17
Filing date: 2006-08-17
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2026-08-18
Also published as: DE102006038670A1; JP5669392B2; JP2010501044A; EP2052094A1; WO2008019717A1; EP2052094B1; PT2052094T; BRPI0716492B1; US20100192895A1; US8241559B2; BRPI0716492A2

Abstract

Kolbenring, der als Grundkörper einen hochsiliziumhaltigen Stahlwerkstoff umfasst, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung des Stahlwerkstoffs in Gew.-%: C: 0,5 bis 1,2 Si: 3,0 bis 15,0 Ni: 0,5 bis 4,5 P: 0 bis 0,035 S: 0 bis 0,035 Cr: 0 bis 3,0

Rest: Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen,
wobei der Stahlwerkstoff kein Wolfram enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen siliziumlegierten Stahlgusswerkstoff, der insbesondere für Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen geeignet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen, die als Grundkörper einen derartigen Stahlwerkstoff umfassen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines siliziumlegierten Stahlgusswerkstoffs.
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.
Zur Herstellung hoch beanspruchter Teile von Verbrennungskraftmotoren, wie beispielsweise Kolbenringe, werden meist Gusseisenwerkstoffe bzw. Gusseisenlegierungen verwendet. Kolbenringe, insbesondere Kompressionsringe, unterliegen in hochbeanspruchten Motoren einer zunehmenden Belastung, unter anderem Kompressionsspitzendruck, Verbrennungstemperatur, EGR, Schmierfilmreduzierung, die deren Funktionseigenschaften, wie Verschleiß, Brandspurbeständigkeit, Microwelding und Korrosionsbeständigkeit, maßgeblich beeinflussen.
So offenbart beispielsweise die DE 3717297 einen Kolbenring aus Gusseisen als einzigem Material mit in seiner äußeren Umfangsoberfläche nur in einem Bereich weißerstarrtem Gusseisen, hervorgerufen durch Beaufschlagen des Gusseisenmaterials mit einer Strahlung hoher Energiedichte und mit zwischen dem Gusseisengrundmetall und weißerstarrten Bereich ausgebildetem thermisch beaufschlagtem Zwischenbereich.
In der EP 0 821 073 wird 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 starker Verschleiß und Korrosion an Lauffläche und Flanke.
Höhere Zünddrücke, reduzierte Emissionen sowie die Kraftstoff-Direkteinspritzung bedeuten steigende Belastungen für Kolbenringe. Die Folge sind Beschädigungen und Aufplattierungen von Kolbenmaterial vor allem auf der unteren Kolbenringflanke.
Aufgrund der höheren mechanischen und dynamischen Beanspruchungen von Kolbenringen fordern immer mehr Motorenhersteller Kolbenringe aus hochwertigem Stahl (vergütet und hochlegiert, wie beispielsweise Werkstoff 1.4112). Eisenwerkstoffe mit weniger als 2,08 Gew.-% Kohlenstoff bezeichnet man als Stahl. Liegt der Kohlenstoffgehalt höher, redet man von Gusseisen. Stahlwerkstoffe besitzen gegenüber Gusseisen bessere Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften, da keine Störung durch freien Graphit im Grundgefüge vorhanden ist.
Meist werden hochchromlegierte martensitische Stähle für die Herstellung von Stahlkolbenringen eingesetzt. Der Einsatz dieser Stähle weist aber den Nachteil auf, dass die Herstellungskosten im Vergleich zu Gusseisenbauteilen signifikant höher sind. Da der Stahl als Draht (analytisch definierter Werkstoff) von externen Zulieferern relativ teuer eingekauft wird, wird eine geringe Wertschöpfung erzielt.
Stahlkolbenringe werden aus Profildraht hergestellt. Der angelieferte Profildraht wird rund gewickelt, aufgeschnitten und über einen „Unrund”-Dorn gezogen. Auf diesem Dorn erhält der Kolbenring durch einen Glühprozess seine erwünschte unrunde Form, wodurch die geforderten Tangentialkräfte eingestellt werden. Ein weiterer Nachteil der Herstellung von Kolbenringen aus Stahl ist, dass ab einem gewissen Durchmesser die Ringherstellung (Wickeln) aus Stahldraht nicht mehr möglich. Kolbenringe aus Gusseisen werden dagegen bereits unrund gegossen, so dass sie von Anfang an eine ideale Form aufweisen.
Weitere Nachteile dieses Herstellungsverfahrens von Stahlkolbenringen sind die Abhängigkeit gegenüber dem Zulieferer (da es nur wenige Anbieter gibt) und die Unflexibilität bezüglich Werkstoffänderungen und chemischer Zusammensetzung.
Gusseisen besitzt eine wesentlich niedrigere Schmelztemperatur als Stahl. Der Unterschied kann je nach chemischer Zusammensetzung bis zu 350°C betragen. Gusseisen ist daher einfacher zu schmelzen und zu gießen, da eine niedrigere Schmelztemperatur eine niedrigere Gießtemperatur und damit eine kleinere abkühlungsbedingte Schwindung bedeutet, wodurch der gegossene Werkstoff weniger Lunker bzw. Warm- und Kaltrisse aufweist. Eine niedrigere Gießtemperatur führt weiterhin zu einer geringeren Belastung des Formstoff (Erosion, Gasporositäten, Sandeinschlüsse) und des Ofens sowie zu geringeren Schmelzkosten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen Stahlwerkstoff zur Verfügung zu stellen, der durch die Herstellung im Schwerkraftguss, die Eigenschaften von vergütetem Gusseisen mit Kugelgraphit in mindestens einem der folgenden Punkte übertrifft:

– Mechanische Eigenschaften wie E-modul, Biegefestigkeit
– Wiederstandsfähigkeit gegenüber Brüchen
– Gestaltfestigkeit
– Flankenverschleiß
– Laufflächenverschleiß

Weiterhin soll der Stahlwerkstoff kostengünstig mit den Techniken herstellbar sein, die auch für die Herstellung von Gusseisen verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Gusseisenwerkstoff gemäß Anspruch 1 einen Kolbenring gemäß Anspruch 6, eine Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 8 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung enthalten.
Die Schmelztemperatur des Eisenwerkstoffs hängt nicht nur von seinem Kohlenstoffgehalt, sondern auch von dem „Sättigungsgrad” ab. Es gilt die vereinfachte Formel: Sc = C/(4,26 – 1/3(Si + P)).
Je näher der Sättigungsgrad an 1 liegt, desto niedriger ist die Schmelztemperatur. Bei Gusseisen wird zumeist ein Sättigungsgrad von 1,0 angestrebt, wobei das Gusseisen eine Schmelztemperatur von 1150°C aufweist. Der Sättigungsgrad von Stahl beträgt, abhängig von der chemischen Zusammensetzung, ungefähr 0,18. Eutektischer Stahl weist eine Schmelztemperatur von 1500°C auf.
Der Sättigungsgrad kann durch den Si- und/oder P-Gehalt deutlich beeinflusst werden. Zum Beispiel wird sich ein um 3 Gew.-% höherer Gehalt an Silizium ähnlich wie ein 1 Gew.-% höherer C-Gehalt aus. Es ist somit möglich, einen Stahlwerkstoff mit einem C-Gehalt von 1 Gew.-% und 9,78 Gew.-% Silizium herzustellen, der die gleiche Schmelztemperatur wie Gusseisen mit einem Sättigungsgrad von 1,0 (C: 3,26 Gew.-%, Si: 3,0 Gew.-%) aufweist.
Durch die drastische Erhöhung des Si-Gehalts wird der Sättigungsgrad des Stahlwerkstoffs erhöht und die Schmelztemperatur auf das Niveau von Gusseisen abgesenkt. Somit ist es möglich, Stahl mit Hilfe derjenigen Technik herzustellen, die auch für die Herstellung von Gusseisen, beispielsweise GOE 44, verwendet wird.
In höheren Mengen vorhandenes Silizium beeinflusst die Härtbarkeit des Werkstoffs negativ, da die Austenitumwandlungstemperatur „Ac3” erhöht wird. Gegen diesen negativen „Silizium- Effekt” wird erfindungsgemäß Nickel zugegeben, der als Austenitbildner das Gammagebiet erweitert und die Ac3 nach unten verschiebt, wodurch eine Härtung des hochsiliziumhaltigen Stahls ermöglicht wird.
Ein erfindungsgemäßer Stahlwerkstoff ist durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-% gekennzeichnet:

C: 0,5 bis 1,2

Si: 3,0 bis 15,0

Ni: 0,5 bis 4,5

P: 0 bis 0,035

S: 0 bis 0,035

Cr: 0 bis 3,0

Rest: Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen,
wobei der Stahlwerkstoff kein Wolfram enthält.
Bevorzugt ist, dass weiterhin mindestens einer der Legierungsbestandteile Mo, Mn, Al, Co, Cu, Cr, Nb, Ti, V, Sn oder Mg, in dem Stahlwerkstoff in der entsprechend aufgeführten Menge in Gew.-% enthalten ist:

Mo: 0 bis 0,5 Nb: 0 bis 0,01

Mn: 0 bis 1,0 Ti: 0 bis 0,05

Al: 0 bis 0,05 V: 0 bis 0,05

Co: 0 bis 0,05 Sn: 0 bis 0,05

Cu: 0 bis 0,1 Mg: 0 bis 0,01
Der Stahlwerkstoff kann weiterhin mindestens ein Element enthalten, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Tantal, Bor, Tellur oder Bismut oder deren Kombinationen, insbesondere in einer Menge von bis zu 0,1 Gew.-%.
Weiterhin kann der Stahlwerkstoff mindestens einen Zusatzstoff enthalten, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Zirkonium, Antimon, Calcium, Strontium, Lanthan, Cer, Seltenerdmetallen oder deren Kombinationen, bevorzugt in einer Menge von bis zu 1 Gew.-%.
Seltenerdmetalle, wie auch NiMg, NiSiMg, FeMg oder FeSiMg, werden als Keimbildner und/oder zur Desoxidation benutzt. Besonders bevorzugt ist die Zugabe von FeSiMg. Seltenerdmetalle umfassen auch Gemische aus Lanthanoiden mit Oxiden anderer Metalle. Diese Elemente und Zusatzstoffe können herstellungsbedingte Verunreinigungen sein oder während des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stahlwerkstoffs 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 und Zusatzstoffen kann durch verschiedene, dem Fachmann bekannte Verfahren eingestellt werden. Die chemische Zusammensetzung wird insbesondere in Abhängigkeit vom herzustellenden Werkstück eingestellt.

Bevorzugt ist, dass mindestens einer der Legierungsbestandteile C, Si, Ni, P, S, Mo, Mn, Al, Co, Cu, Cr, Nb, Ti, V, Sn oder Mg in dem Stahlwerkstoff in der entsprechend aufgeführten Menge in Gew.-% enthalten ist:

C:	0,5 bis 1,5	Mo:	0,1 bis 0,5	Nb:	0 bis 0,005
Si:	3,0 bis 10,0	Mn:	0,1 bis 0,5	Ti:	0 bis 0,01
Ni:	0,5 bis 3,5	Al:	0 bis 0,01	V:	0 bis 0,05
P:	0 bis 0,02	Co:	0 bis 0,02	Sn:	0 bis 0,05
S:	0 bis 0,03	Cu:	0 bis 0,05	Mg:	0 bis 0,01

Der Stahlwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere zur Herstellung von Kolbenringen und/oder Zylinderbuchsen geeignet. Bevorzugt sind hergestellte Kolbenringe und Zylinderbuchsen an den Flanken- und/oder Laufflächen beschichtet.
Der erfindungsgemäße Stahlwerkstoff reduziert die Neigung der daraus hergestellten Werkstücke, unter starker Hitze ihre Form zu verändern und sorgt somit für ein dauerhaft hohes Leistungsvermögen und vermindert darüber hinaus den Ölverbrauch. Der erfindungsgemäße Stahlwerkstoff eignet sich daher aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften insbesondere für die Herstellung von Kolbenringen im automotiven und LB-Bereich, bzw. für Ventilsitzringe und Führungen. Darüber hinaus können damit Laufwerkdichtungen (LWD's), Trägerplatten für Bremsbeläge von Scheibenbremsen (Black Plates) sowie Ringe für Kühlaggregate, Pumpdüsen, sowie Zylinderlaufbuchsen (Liner) und Schonbuchsen bzw. Teile für die chemische Industrie hergestellt werden.
Der erfindungsgemäße Stahlwerkstoff weist weiterhin den Vorteil auf, dass die Herstellung von beispielsweise Stahlkolbenringen und -zylinderlaufbuchsen mit den zur Herstellung von Gusseisen-Werkstücken notwendigen Maschinen und Technologien ermöglicht wird. Zudem entsprechen die Herstellungskosten denen von Gusseisen-Kolbenringen bzw. -Zylinderlaufbuchsen, was dem Hersteller einen Kostenvorteil und eine bessere Wertschöpfung bietet. Ebenso können Werkstoffparameter frei vom Zulieferer eingestellt werden.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlwerkstoffs bereitgestellt, bei dem eine Schmelze bevorzugt die oben genannten chemischen Zusammensetzungen aufweist.
Während des Schmelzprozesses in einem Ofen, vorzugsweise einem Kupolofen, wird die chemische Zusammensetzung der Schmelze je nach Bedarf durch Zugabe von Legierungen angepasst. Die Abstichtemperatur der Schmelze liegt zwischen 1480 und 1640°C. Die Eigenschaften der Schmelze können noch vor dem Vergießen oder während des Gießens durch Impfung der Schmelze gesteuert werden. Bevorzugt werden 650 g FeSiMg und/oder 130 g Al und/oder 650 g FeSiZr pro 130 kg Schmelze als Keimbildner eingesetzt.
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, Stempel-Pressverfahren, Croning oder Grünsandformen als Einzel- oder Mehrfachrohling, anschließend wärmebehandelt und zu einem Kolbenring oder einer Zylinderlaufbuchse weiterverarbeitet werden. Der Fachmann wird aufgrund der Zweckbestimmung des Rohlings und unter Zuhilfenahme seines allgemeinen Fachwissens die geeignete Methode wählen.
Vorzugsweise umfasst eine Wärmebehandlung ein Austenitisieren des Stahlwerkstoffs bei 900 bis 1000°C für eine Stunde, ein Abschrecken des Stahlwerkstoffs in Öl oder einem anderen geeigneten Abschreckmedium und ein Anlassen des Stahlwerkstoffs bei 420 bis 470°C für eine Stunde.
Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung, ohne sie zu beschränken.
Beispiel (erfindungsgemäß)
Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Werkstoff hergestellt, der die folgende Zusammensetzung (Gew.-%) aufweist:

C: 1,05 Mo: 0,487 Nb: 0,0027

Si: 5,91 Mn: 0,464 Ti: 0,0074

Ni: 2,94 Al: 0,0082 V: 0,0148

P: 0,0171 Co: 0,0141 Sn: 0,0082

S: 0,0285 Cu: 0,0433 W: 0

Cr: 0,0331

Rest: Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Die Abstichtemperatur beträgt 1560°C. Die Gießtemperatur beträgt 1448°C. Die Schmelze wird mit 650 g FeSiMg pro 130 kg Schmelze geimpft. Tabelle 1 zeigt die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Rohlings im vergüteten Zustand.
In den Figuren zeigt
1 einen vergrößerten Ausschnitt (100:1) eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstoffes;
2 einen vergrößerten Ausschnitt (500:1) des Werkstoffs aus 1;

3 einen vergrößerten Ausschnitt (1000:1) des Werkstoffs aus 1. Tabelle 1 Mechanische Eigenschaften im vergüteten Zustand (nach DIN EN 10083-1, 10/96)

Durchmesser [mm] Dicke [mm]	< 16 < 8	> 16–40 8 < t < 20	> 40–100 20 < t < 60	> 100–160 60 < t < 100	> 160–250 100 < t < 160
Streckgrenze Re [N/mm²]	min. 900	min. 750	min. 650	min. 550	min. 500
Zugfestigkeit Rm [N/mm²]	1100–1400	1000–1300	900–1200	900–1100	750–950
Bruchdehnung A [%]	min. 9	min. 10	min. 11	min. 12	min. 13
Brucheinschnürung Z [%]	min. 40	min. 45	min. 50	min. 50	min. 55
Kerbschlagarbeit ISO-V [J]	min. 30	min. 35	min. 35	min. 35	min. 35

Claims

Kolbenring, der als Grundkörper einen hochsiliziumhaltigen Stahlwerkstoff umfasst, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung des Stahlwerkstoffs in Gew.-%: C: 0,5 bis 1,2 Si: 3,0 bis 15,0 Ni: 0,5 bis 4,5 P: 0 bis 0,035 S: 0 bis 0,035 Cr: 0 bis 3,0

Rest: Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei der Stahlwerkstoff kein Wolfram enthält.
Kolbenring gemäß Anspruch 1, wobei weiterhin mindestens einer der Legierungsbestandteile, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Mo: 0 bis 0,5 Nb: 0 bis 0,01 Mn: 0 bis 1,0 Ti: 0 bis 0,05 Al: 0 bis 0,05 V: 0 bis 0,05 Co: 0 bis 0,05 Sn: 0 bis 0,05 Cu: 0 bis 0,1 Mg: 0 bis 0,01

in der entsprechend aufgeführten Menge in Gew.-% in der Zusammensetzung enthalten ist.
Kolbenring gemäß Anspruch 2, wobei mindestens einer der Legierungsbestandteile, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus C, Si, Ni, P, S, Mo, Mn, Al, Co, Cu, Cr, Nb, Ti, V, Sn und Mg, in dem Stahlwerkstoff in der entsprechend aufgeführten Menge in Gew.-% C: 0,5 bis 1,2 Mo: 0,1 bis 0,5 Nb: 0 bis 0,005 Si: 3,0 bis 10,0 Mn: 0,1 bis 0,5 Ti: 0 bis 0,01 Ni: 2,0 bis 3,5 Al: 0 bis 0,01 V: 0 bis 0,05 P: 0 bis 0,02 Co: 0 bis 0,02 Sn: 0 bis 0,05 S: 0 bis 0,03 Cu: 0 bis 0,05 Mg: 0 bis 0,01

enthalten ist.
Kolbenring gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff weiterhin mindestens ein Element in einer Menge von jeweils bis zu 0,1 Gew.-% enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Tantal, Bor, Tellur und Bismut.
Kolbenring gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff weiterhin mindestens einen Zusatzstoff in einer Menge von jeweils bis zu 1 Gew.-% enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Zirkonium, Antimon, Calcium, Strontium, Lanthan, Cer, Seltenerdmetallen, NiMg, NiSiMg, FeMg und FeSiMg.
Kolbenring gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin an den Flanken- und/oder Laufflächen beschichtet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die folgenden Schritte: a. Herstellen einer Schmelze, b. Abgießen in eine vorgefertigte Form, c. Wärmebehandlung des Rohlings.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Wärmebehandlung die folgenden Schritte umfasst: c1. Austenitisieren des Kolbenrings bei 900 bis 1000°C für eine Stunde, c2. Abschrecken des Kolbenrings in einem geeigneten Abschreckmedium, beispielsweise in Öl, c3. Anlassen des Kolbenrings bei 420 bis 470°C für eine Stunde.