DE10320393A1

DE10320393A1 - Tribologisch optimiertes Eisengussstück

Info

Publication number: DE10320393A1
Application number: DE2003120393
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.-Ing. Kleine
Original assignee: HALLBERG GUSS GmbH
Current assignee: HALLBERG GUSS GmbH
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2004-11-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gussstücken aus Eisenlegierungen, insbesondere von Motorblöcken beziehungsweise Zylinderkurbelgehäusen, bei dem der Schmelze insbesondere kurz vor, während oder nach dem Abgießen in eine Form harte, gegenüber der Schmelze zumindest im Zeitraum bis zur Erstarrung stabile Partikel zugesetzt werden, um auf diese Weise eine Einlagerung der Partikel in dem erstarrten Gefüge zu erhalten. Auf diese Weise bildet sich bei dem Gussstück eine homogene Verteilung primärer Hartpartikel im Gefüge aus, die bei Zylinderkurbelgehäusen insbesondere im Bereich der Zylinderlauffläche zur Ausbildung von Mikroöltaschen führt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines insbesondere tribologisch optimierten Gussstücks aus Eisenlegierungen, sowie entsprechende Gussstücke und ein Zylinderkurbelgehäuse aus einer Eisengusslegierung mit Lamellen, Vermicular- oder Kugelgraphit.
Motorblöcke beziehungsweise Zylinderkurbelgehäuse werden nach dem Stand der Technik in großem Umfang aus Eisengusswerkstoffen hergestellt. Da die Zylinderbereiche von Hubkolbenmotoren besondere Anforderungen insbesondere hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften der Zylinderlauffläche stellen, ist es bekannt insbesondere bei hochbelasteten Dieselmotoren harte, kubusförmige Titancarbid-, Titannitrid- und Titan-Carbonitrid-Einschlüsse in Gusseisenwerkstoffen vorzusehen, um den Reibungsbeiwert und den Zylinderverschleiß zu verringern. Ferner bilden die Titancarbid-, Titannitrid- und Titan-Carbonitrid-Einschlüsse beim Herausbrechen aus der Zylinderlauffläche Mikroöltaschen aus, in denen Schmieröl aufgenommen werden kann. Dies trägt ebenfalls zur Reduzierung des Verschleißes aber auch des Ölverbrauchs bei. Diese Mirkroöltaschen werden beispielsweise auch bei der Bearbeitung der Zylinderlauffläche durch Hohnen erzeugt.
Bei den gegenwärtig verwendeten Gusseisenwerkstoffen, bei denen Titancarbid-, Titannitrid- und Titan-Carbonitrid-Einschlüsse vorgesehen sind, ist jedoch nachteilhaft, dass durch die chemische Reaktion von Titan mit Stickstoff zur Bildung der Titannitrid- und Titan-Carbonitrid-Einschlüsse dem Eisengusswerkstoff Stickstoff entzogen wird. Dies wirkt sich jedoch bei Titangehalten von über 0,03 Gewichtsprozent sehr negativ auf die Festigkeit der Gusseisenwerkstoffe aus, da durch den Entzug des im Gefüge gelösten Stickstoffs und der Verhinderung der Bildung von Eisennitriden an den Korngrenzen die Festigkeit stark herabgesetzt werden kann. Nach dem Stand der Technik wird versucht dem entgegenzuwirken, indem festigkeitssteigernde Legierungselemente, wie zum Beispiel Chrom zulegiert werden. Dies erhöht jedoch die Gefahr der Lunkerbildung und führt zu einer schlechteren Bearbeitbarkeit des Gusseisenwerkstoffs.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Gussstücken aus Eisenlegierungen beziehungsweise entsprechende Gussstücke bereit zu stellen, die zum einen die vorteilhaften tribologischen Eigenschaften durch das Vorhandensein von harten Einschlüssen, wie Titancarbid-, Titannitrid- und Titan-Carbonitrid-Einschlüssen, beibehalten und zum anderen aber gleichzeitig eine hohe Festigkeit aufweisen. Die Herstellung soll zudem einfach und wirtschaftlich erfolgen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Gussstück mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie ein Zylinderkurbelgehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Festigkeitsverminderung von Eisengusslegierungen durch Entzug von Stickstoff bei gleichzeitigem Vorsehen von harten Einlagerungen dadurch vermieden werden kann, dass der Schmelze harte Partikel zugesetzt werden, die gegenüber der Schmelze zumindest bis zur Erstarrung stabil sind, so dass weder eine Auflösung der Partikel noch eine Reaktion mit Bestandteilen der Schmelze erfolgt. Auf diese Weise können die Partikel insbesondere kurz vor, während oder direkt nach dem Abgießen der Schmelze in eine Form dieser zugesetzt werden, ohne dass es zu einer Beeinträchtigung der Eigenschaften der Eisengusslegierung durch Reaktion mit Stickstoff kommt. Somit kann der freie Ti-Gehalt in der Eisengusslegierung an sich niedrig, insbesondere unter 0,03 Gew.-%, vorzugsweise unter 0,02 Gew.-% gehalten werden.
Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass gegenüber der Schmelze thermodynamisch stabile Partikel zugesetzt werden, so dass selbst ein längerer Verbleib der Partikel in der Schmelze nicht zu einer Auflösung der Partikel oder Reaktion der Partikel mit anderen Bestandteilen der Legierung führt.
Diese Anforderungen an die Partikel erfüllen insbesondere die bereits bekannten Titancarbid-, Titannitrid- und Titan-Carbonitrid-Partikel, so dass zumindest eine An oder aber Kombination dieser Arten von Partikeln der Schmelze zugesetzt werden.
Hierbei hat es sich besonders vorteilhaft, insbesondere für die Herstellung von Zylinderkurbelgehäuse beziehungsweise Motorblöcken, herausgestellt, dass die Partikel in einem Größenbereich von 3 bis 10 μm, insbesondere 3 bis 5 μm gewählt werden. Dies hat zur Folge, dass bei einem Herausbrechen der Partikel bei der Bearbeitung der Zylinderlauffläche beziehungsweise beim Betrieb des Motors Mikroöltaschen entstehen, die für eine Aufnahme von Öl bei gleichzeitiger Vermeidung von hohen Reibbeiwerten die richtige Größe aufweisen.
Als bevorzugt haben sich Partikel erwiesen, die ein spezifisches Gewicht von ca. 5 g/cm³ aufweisen, da dies eine besonders gleichmäßige Verteilung der Partikel in der Schmelze ermöglicht.
Eine homogene Verteilung der Partikel in der Schmelze und damit im fertigen Gussstück wird auch dadurch erleichtert, wenn die Partikel in Form eines Granulats zugesetzt werden, wobei ein Granulatkorn aus einem oder mehreren Partikeln und einem Trägermetall besteht, welches als Metallmatrix die Partikel umschließt. Damit kann sichergestellt werden, dass die Partikel nicht durch thermische Konvektion oder aufgrund von Dichteunterschieden ungleichmäßig in der Schmelze und damit in dem späteren Gussstück verteilt werden. Über das Granulat kann nämlich zum einen der Dichteunterschiede ausgeglichen und somit zum anderen auch die thermische Konvektion vermieden werden. Als Trägermaterial beziehungsweise Trägermetall kommen hierbei sämtliche Metalle in Betracht, die zum einen Eisengusslegierungen zulegiert werden können und insbesondere einen Schmelzpunkt aufweisen, der jedenfalls nicht höher als der Schmelzpunkt der Gusseisenlegierung liegt. Dies führt dazu, dass das Trägermetall und somit das Granulatkorn in der Schmelze aufgeschmolzen wird und die Partikel direkt in das Gefüge eingebaut werden können.
Das Granulat beziehungsweise die Partikel selbst werden vorzugsweise direkt dem Gießstrahl beim Abgießen der Eisengusslegierung beispielsweise durch Eindüsen oder Einblasen zugesetzt oder werden in Form eines Presslings im Eingusstrichter oder im Lauf- und Anschnittsystem positioniert, um durch den Gießstrahl mitgenommen zu werden.
Das Granulat kann auf jede geeignete Weise hergestellt werden, insbesondere auf pulvermetallurgischem Weg über Sinter- Vorgänge oder durch mechanisches Legieren. Auch eine schmelztechnische Route ist denkbar, bei der die Partikel in eine Schmelze des Trägermetalls eingebracht und anschließend zu einem Pulver verdüst werden.
Um das Einbetten der Partikel in das Trägermetall oder in die Eisengusslegierung zu verbessern, können in bekannter Weise Benetzungsmittel oder Inhibitoren, die eine Auflösung der Partikel in der Schmelze verhindern, zugesetzt werden.
Über das erfindungsgemäße Verfahren können aus einer Eisengusslegierung Gussstücke hergestellt werden, die auch nach einem weiteren Aspekt unabhängig beansprucht werden, bei denen im Gefüge primäre harte Partikel in im Wesentlichen homogener Verteilung vorgesehen sind. Unter primären harten Partikeln werden derartige Partikel verstanden, die nicht aus der Schmelze erstarrt sind, sondern bereits als harte Partikel in der Schmelze vorgelegen sind. Durch die primären harten Partikel können auch harte Partikel mit definierter Größe in den Gusseisenwerkstoff eingebracht werden, was ebenfalls zu einer Verbesserung der Eigenschaften insbesondere in tribologischer Hinsicht führt.
Bei Zylinderkurbelgehäusen bzw. Motorblöcken ist es nach einem weiteren Aspekt der Erfindung für den unabhängig Schutz begehrt wird, besonders vorteilhaft, wenn die primären harten Partikel im Bereich der Zylinderlauffläche eingelagert sind, so dass sie dort die entsprechenden Mikroöltaschen bei der Bearbeitung der Zylinderlauffläche, zum Beispiel durch Hohnen, oder beim Betrieb bilden können.
Der Gesamttitangehalt sollte vorzugsweise im Bereich von 0,020 bis 0,08 Gew.-% liegen, da in diesen Gewichtsprozentbereich eine entsprechend große Anzahl von Titancarbid-, Titannitrid- und/oder Titan- Carbonitrid- Partikel vorliegen, die die günstigen tribologischen Eigenschaften bewirken.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich bekannte Gusseisenlegierungen insbesondere zur Herstellung von Motorblöcken mit Lamellen-, Vermicular- oder Kugelgraphit dahingehend zu verbessern, dass sie bei gleichbleibenden Stickstoffgehalt und verringertem Titangehalt in der Legierung an sich, also ohne zugesetzte harte Partikel, eingesetzt werden können, um Gussstücke zu bilden, die durch die zugefügten Partikel sowohl gute Festigkeitswerte als auch günstige tribologische Eigenschaften besitzen.
Ausführungsbeispiel
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind in einem Gusseisenwerkstoff Titancarbid-Partikel mit einer mittleren Größe von ca. 5 μm bei einem spezifischen Gewicht von ca. 5 g/cm³ durch Zufügen in den Gießstrahl eingefügt worden. Die Eisengusslegierung mit den zugefügten Titancarbid- Partikeln ist zu einem Zylinderkurbelgehäuse vergossen worden, wobei die Zylinderlaufflächen nach dem Erstarren gehohnt worden sind. Dadurch sind die Titancarbid- Partikel, die sich an der Oberfläche der Zylinderlauffläche angesammelt haben, teilweise aus der Oberfläche herausgebrochen worden, so dass sich Mikroöltaschen gebildet haben. Ein Zylinderkurbelgehäuse mit einer derartig hergestellten Zylinderlauffläche hat im Betrieb einen verringerten Verschleiß sowie einen reduzierten Ölverbrauch gezeigt.

Claims

Verfahren zur Herstellung von insbesondere tribologisch optimierten Gussstücken aus Eisenlegierungen, insbesondere von Motorblöcken aus Gusseisenwerkstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelze insbesondere kurz vor, während oder nach dem Abgießen in eine Form harte, gegenüber der Schmelze zumindest im Zeitraum bis zur Erstarrung stabile Partikel zugesetzt werden, um auf diese Weise eine Einlagerung der Partikel im erstarrten Gefüge zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel gegenüber der Schmelze thermodynamisch stabil sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Partikel aus der Gruppe ausgewählt wird, die Titancarbide, Titannitride und Titancarbonitride umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel eine mittlere Größe von 3 bis 10 μm, insbesondere 3 bis 5 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel ein spezifisches Gewicht von ca. 5 g/cm³ aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel in Form eines Granulats zugesetzt werden, welches neben den Partikeln ein Trägermetall umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel oder Granulate dem Gießstrahl insbesondere durch Eindüsen oder Einblasen oder in Form eines Presslings im Eingusstrichter oder im Lauf- und Anschnittsystem zugesetzt werden, insbesondere die Partikel oder Granulate von Blech umschlossen und zu Draht verarbeitet werden, welcher ebenfalls in den Gießstrahl eingeführt wird und beim Aufschmelzen die Partikel freigibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulate pulvermetallurgisch, durch mechanisches Legieren oder durch Verdüsen hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Eisenlegierung Fe-C-Gusslegierungen zur Ausbildung von Lamellengraphit, Vermiculargraphit oder Kugelgraphit verwendet werden, wobei insbesondere das Trägermetall so gewählt wird, das dieses in der Schmelze aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisengusslegierung vor dem Zuführen der harten Partikel einen Ti-Gehalt von ≤ 0,03 Gew.-%, insbesondere ≤ 0,02 Gew.-% aufweist.
Gussstück aus einer Eisengusslegierung, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, vorzugsweise Motorblock bzw. Zylinderkurbelgehäuse dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge primäre harte Partikel in im Wesentlichen homogener Verteilung aufweist.
Gussstück nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel Eigenschaften nach dem kennzeichnenden Teil einer der Ansprüche 2 bis 5 aufweisen.
Gussstück nach Anspruch 10 oder 11 oder hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamttitangehalt im Bereich von 0,010 bis 0,080 Gew.-% liegt.
Zylinderkurbelgehäuse aus einer Eisengusslegierung mit Lamellen-, Vermicular- oder Kugelgraphit, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere im Bereich der Zylinderlauffläche primäre harte Partikel im Gefüge eingelagert sind.
Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel Eigenschaften nach dem kennzeichnenden Teil einer der Ansprüche 2 bis 5 aufweisen.
Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamttitangehalt im Bereich von 0,010 bis 0,080 Gew.-% liegt.