DE10049598C2

DE10049598C2 - Verfahren zur Herstellung eines Gußeisenwerkstoffes

Info

Publication number: DE10049598C2
Application number: DE2000149598
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Veutgen
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2020-10-07
Also published as: DE10049598A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hochbruch- und verschleißfesten Gusseisenwerkstoffes für Kraftfahrzeugmotoren. Die Erfindung betrifft ins besondere einen neuen Gusseisenwerkstoff, der eine sphärolitische Graphitausbildung und austenitische Matrixtruktur mit einem bestimmten Anteil an Restcarbiden aufweist und insbesondere für die Herstellung von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen geeignet ist.

Zur Herstellung hoch beanspruchter Teile von Verbrennungskraftmotoren, wie beispielsweise Kolbenringe, werden gewöhnlich Gusseisenwerkstoffe bzw. Gusseisenlegierungen verwendet. Die Kolbenringe haben die Aufgabe, den zwischen Kolbenkopf und Zylinderwand vorhandenen Spalt gegenüber dem Brennraum abzudichten. 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, d. h. die Ober- und Unterseite des Kolbenringes, wechselnd an der oberen oder unteren Nutenflanke der Kolbenring nut anliegen.

In Abhängigkeit von den Materialeigenschaften der jeweils gegeneinander laufenden Gleitpartner tritt bei dem einen oder dem anderen der Gleitpartner mehr oder weniger starker Verschleiss auf, der bei einem Trockenlauf zu sogenannten Fressern, Riefenbildung und schließlich zu einer Zer störung 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.

So werden in dem Kolbenring-Handbuch der Goetzewerke Friedrich Goetze AG, 3. Auflage 1977, Seite 28 ff. die Bereitstellung von Verschleiss-mindernden Schichten auf den Kolben ringen als Laufflächenbewehrungen vorgeschlagen, die aus Chrom, Molybdän, Keramik, aus Bronzeeinlagen oder auch aus zusammengesetzten Schichten verschiedener Werkstoffe bestehen können.

In der DE-OS 21 56 127 wird weiter ein elektrolytisches Aufbringen von Gleitschichten auf Kolbenringe und die Zylinderwandung offenbart, wobei Abriebsfestigkeit der Gleitschichten durch Einschluß harter, suspendierter Partikel erhöht wird. Die partikelförmigen Einlagerungen können hierbei aus Siliciumcarbid oder Diamant bestehen. Jüngere Entwicklungen nützen auch die Möglichkeit der Abscheidung dünner Schichten aus Plasma (Plasma-PVD oder CVD-Ver fahren)

Im Zuge der Energiesparmaßnahmen und dem Bedarf nach Kraftfahrzeugen mit immer geringerem Gewicht und verbesserten Abgaswerten wurden Kraftfahrzeugmotoren entwickelt, die aus den Materialien Aluminium, Magnesium oder Keramik bzw. aus einer Kombination dieser Legierungen gefertigt sind. So offenbaren beispielsweise die JP-246087/1996 und 19757/1997 Zylindereinsätze für hin- und hergehende Verbrennungsmotoren die aus einer hypereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bestehen. Es wurde gefunden, daß derartige Zylinder exzellente Eigenschaften hinsichtlich des Verschleisses, eines geringen Verbrauchs an Schmiermittel bzw. Öl, sowie eines geringeren Abriebs des Kolbens aufweisen.

In einem derartigen Aluminiumzylinder befindet sich der Kolben, der gewöhnlich mit einem Satz aus drei Kolbenringen ausgestattet ist. Diese Kolbenringe bestehen jedoch aus einem Material, das unterschiedlich ist zu den genannten Werkstoffen für den Zylinder bzw. den Kolben und folglich einen demgegenüber unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Dies führt jedoch dazu, daß sich bei hoher Beanspruchung des Motors, wie beispielsweise bei Vollast bei einem Dieselmotor, die unterschiedlichen Materialien verschieden ausdehnen. So werden sich die Materialien des Motors (Aluminium, Magnesium, Keramik) deutlich stärker ausdehnen als die Kolbenringe, die gewöhnlich aus Gußeisen oder Stahl gefertigt sind, so daß die Letzt genannten durch die massiveren Kolben aufgespreizt werden, eine Vergrößerung ihres Ausgangs stoßspiels erfahren und somit einen Teil ihrer Funktions-Dichtungsaufgabe verlieren bzw. ein büßen. Als Folge einer derartigen Beanspruchung gelangen ölhaltige Verbrennungsrückstände in den Auspuffund ins Kurbelgehäuse, wobei die heutzutage immer strenger werdenden Abgasauf lagen nicht mehr erfüllt werden können.

Im Stand der Technik werden verschiedene Materialien für Kolbenringe angegeben.

So offenbart beispielsweise die DE 37 17 297 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 weiter 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.

In der DE-OS 26 46 276 werden austenitische Gusseisenlegierungen offenbart, wobei die Gussstücke aus einer Schmelze mit einer grossen Brinellhärte oberhalb von 300 kp/cm² gegossen werden und nachfolgend durch eine Wärmebehandlung bei 550°C-850°C über ¼ bis 2 Std. in den gewünschten Brinellhärtebereich oberhalb 250 kp/cm² weichgegüht werden.

In der DE-OS-42 21 448 wird weiter ein austenitisches Gusseisen mit überwiegend vermicu larer und/oder globularer Graphitausbildung als intermetallisch in dem Aluminiumgrund material eines Kolbens gebundenes Bewehrungsmaterial beschrieben.

Obwohl die im Stand der Technik bekannten Kolbenringen bzw. Materialien vielen der bestehenden Anforderungen genügen besteht immer noch ein Bedarf nach einem Material für Kolbenringe, die für den Einsatz in mit modernen Werkstoffen, wie Aluminium, Magnesium oder Keramik, hergestellten Motoren geeignet sind und insbesondere die Gefahr des erhöhten Verschleisses bei Vollast mindern.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin ein neuartiges Material bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung zu stellen, das zum Einsatz in Motoren der neuen Generation, wie beispielsweise Aluminiummotoren, geeignet ist und insbesondere verbesserte Eigenschaften hinsichtlich eines Verschleisses bei Vollast im Motor zeigt, jedoch gleichzeitig die weiteren, für Kolbenringe erforderlichen Eigenschaften aufweist.

In den langwierigen Untersuchungen, die zu der vorliegenden Erfindung führten, versuchten die Erfinder Gusseisen mit einer austenitischen Matrix, die als solche zwar einen einer Aluminium legierung nahekommenden Ausdehnungskoeffizienten aufweist, jedoch aufgrund ihrer Weichheit für Kolbenringe, insbesondere für den an Brennraum unmittelbar angrenzenden Kolbenring, nicht geeignet ist, derart zu modifizieren, daß der Werkstoff die für derartige Kolbenringe Kolbenringe erforderlichen Eigenschaften, wie beispielsweise keine bleibende Verformung sondern die geforderte, elastische Verformbarkeit usw. aufweist.

Erfindungsgemäß wird nun ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes bereitgestellt, bei dem eine Schmelze hergestellt wird aus den Materialien (in Gew.-%): Kohlenstoff 1,5-3,5%, Silizium 1,0-5,0%, Mangan 4-18%, Phosphor < 0,5%, Schwefel < 0,05%, Crom 1,0-5%, Nickel 1,0-10%, Kupfer ≦ 1,0%, wobei der Rest Eisen ist einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen. In einem nachfolgenden Schritt wird durch Zugabe einer oder mehreren von NiMg, NiSiMg, FeMg oder FeSiMg, Ce, La oder der anderen Seltenerdenmetallen in einer Menge von < 0,5%, mit der Maßgabe, daß unter (a) angegebenen Mengen an Nickel bzw. Silizium nicht überschritten werden, ein Rohling mit weisser Gußstruktur hergestellt, der anschließend für eine Zeitspanne wärme-be-han-delt wird, bis der Anteil an Restcarbiden in dem so erhaltenen Werkstoff < 30% beträgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, daß die austenitischen Gusseisen statt in üblicher Weise vollständig grau, durch gezielte, Kugelgraphit-keimbildende Zusätze vollständig weisser starrend-zemenitisch-ledeburitisch gegossen werden können. Durch die Wärmebehandlung des Gusses gehen die Fe3C- und Cr-Mischcarbide darüber hinaus soweit in Lösung, daß gezielt prozentuale Restcarbide in der austenitischen Matrix verbleiben. Es wurde nun gefunden, daß diese in den erfindungsgemäßen Mengen eingestellten Restcarbide in der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen sphärolithischen Ausbildung als stabilisierendes Korsett wirken und die ursprünglich weiche austenitische Matrix dahingehend stützen bzw. verstärken, daß deren Elastizität und auch Verschleißbeständigkeit erhöht wird. Die erfindungs gemäß erhältlichen Werkstoffe weisen daher alle für Kolbenringe erforderlichen Eigenschaften auf, wie Hochbrucheigenschaft sowie ausgezeichnete Verschleissbeständigkeit. Darüber hinaus behält der so hergestellte Werkstoff trotz Modifizierung die ursprüngliche, einem Al/Mg/Keramikwerkstoff nahekommende Wärmeausdehnung der austenitischen Matrix, so daß diese auch in Motoren der neueren Generation aus den genannten Materialien eingesetzt werden können. Die Hochbruchfestigkeit und die hohe Verschleißfestigkeit zusammen mit der den modernen Motormaterialien vergleichbaren Wärmeausdehnung machen den Werkstoff für die Herstellung des ersten Kolbenrings in einem Kraftfahrzeugmotor äußerst geeignet, wobei sogar das Erfordernis des in der ersten Nut mit Kolbenmaterial umschlossene Niresist-Ringträgers wegfallen kann.

In den Figuren sind

Fig. 1 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren her-ge stell-ten Werkstoffes bei unterschiedlichen Zeiten der Carbidglühung;

Fig. 2 zeigt vergrößerte Ausschnitte von erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffen, bei einer Carbidglühungsdauer von 20 Minuten;

Fig. 3 zeigt vergrößerte Ausschnitte von erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffen, bei einer Carbidglühungsdauer von 40 Minuten; und

Fig. 4 zeigt vergrößerte Ausschnitte von erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffen, bei einer Carbidglühungsdauer von 60 Minuten.

In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schmelze in beispielsweise einer herkömmlichen Behandlungs- bzw. Vergießpfanne hergestellt, was gewöhnlich durch Erhitzen der vorstehenden Stoffe in den angegebenen Mengen auf eine Temperatur im Bereich von etwa 1450 Grad Celsius und mehr, d. h. bis zur völligen Verflüssigung der Stoffe erfolgt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Schmelze Kohlenstoff 2,09%, Silizium 1,25%, Mangan 0,52%, Phosphor 0,25%, Schwefel 0,009%, Chrom 2,17%, Nickel 15,4%, Kupfer 4,47%, Mg 0,014%, wobei der Rest, wie vorstehend Eisen mit den verfahrensbedingten Verunreinigungen ist.

Zu Steigerung der Verschleißbeständigkeit des Werkstoffes können den Schmelzen weiter die Elemente Co, V, Ti, Nb, Ta, W, Mo, B, Pb, Sn, Al oder Gemische davon in einer Menge bis zu 20% zugesetzt werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Stickstoffgehalt der Schmelze auf bis zu 800 ppm eingestellt, was durch Zusetzen von hochstick stoffhaltigen Legierungen, beispielsweise FeMnN oder FeCrN oder über Fülldrahtinjektion erfolgen kann. Der Stickstoff verfestigt die austenitische Matrix weiter und trägt zusätzlich zur schnellen, gleichmäßigen Schichtbildung beim Nitrierprozess bei.

Nach Herstellung der Schmelze wird dieser Kugelgraphit-keimbildende Zusätze beigefügt, wie NiMg, NiSiMg, FeMg, FeSiMg, Ce, La oder die weiteren seltenen Erdmetalle, oder Gemische davon. Diese werden in einer Menge von maximal 0,5% zugesetzt, mit der Maßgabe, daß die vorstehend angegeben Grenzwerte für die jeweiligen Elemente nicht überschritten werden. Es wurde gefunden, dass diese Zusätze zur Modifizierung der Guss-Weisserstarrung der Schmelze dienen und ermöglichen, daß der Werkstoff weisserstarrend-zemenitisch-ledeburitisch erstarrt.

Der Rohling kann dabei mit im Stand der Technik bekannte Methoden gegossen werden, wie beispielsweise Schleuderguss, Strangguss als rundes oder unrundes Rohr mit/ohne Zentrierkerbe, Stempelpressverfahren, Croning oder Grünsandformen als Einzel oder Mehrfahrohling. Der Fachmann wird aufgrund der Zweckbestimmung des Rohlings und unter Zuhilfenahme seines allgemeinen Fachwissens die geeignete Methode wählen.

Falls die Carbidbildung des Vorlegierungsmaterials nicht ausreicht, so können diesem zusätzlich in Kombination die Stoffe Tellur, Bor, oder Wismuth zugesetzt werden. Der so erhaltene Werkstoff stellt sich als eine Guss-Gefügestuktur dar, die in einer vollständig karbidischen, zemenitisch-ledeburitischen Ausscheidung ohne jegliche D-Graphitnester vorliegt.

Die Gussteile werden dann bei einer Temperatur von über 750°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 900 bis 1050°C für eine Zeitspanne gehalten, die ausreichend ist, damit der Gehalt an Restcarbiden bei ≦ 30% liegt.

Die Erfindung betrifft weiter die mit dem Verfahren erhältlichen Werkstoffe, die die in den An sprüchen angegeben Inhaltsstoffe aufweisen, wobei der Rest Eisen und die während des Verfahrens zugesetzten Stoffe ist. Aufgrund der sphärolithischen bis temperkohleartigen Graphitausbildung ist der Werkstoff ein hochfestes, verschleissbeständiges Gusseisen mit gezielt vorliegenden Restcarbiden in einer austenitischen Matrixstruktur. Das Gusseisen zeigt die folgenden Eigenschaftswerte:
Elastizitätsmodul < 140.000 Mpa
Biegefestigkeit < 600 Mpa (Rm ca < 400 Mpa)
Härte-HRB < 90-110 (variierend je nach Restcarbidanteilen)

Der erfindungsgemäße Werkstoff eignet sich daher als schwachmagnetisierendes, korrosionsbe ständiges Gußeisen 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.

Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung ohne sie zu beschränken.

Ausführungsbeispiel

Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde ein Werkstoff hergestellt, der die folgende Zusammensetzung aufwies:

Kohlenstoff	2,090%
Silizium	1,250%
Mangan	0,520%
Phosphor	0,250%
Schwefel	0,009%
Chrom	2,170%
Vanadium	0,030%
Molybdän	0,010%
Nickel	15,400%
Kupfer	4,470%
Titan	0,010%
Wolfram	0,030%
Niob	0,010%
Zinn	0,020%
Aluminium	0,006%
Magnesium	0,014%

Dabei wurde Schritt (c) bei 950°C für 20, 40 und 60 Minuten an Luft durchgeführt. Die Ergeb nisse hinsichtlich des Restcarbidanteils und dessen Verteilung sind in den Fig. 1 bis 4 gezeigt. Wie daraus ersichtlich
Variante Nr. 1-02, Teil 1, Prüfattest 2000-10, Karbidglühung: 950 Grad Celsius, 20 min.
Variante Nr. 1-02, Teil 2, Prüfattest 2000-11, Karbidglühung: 950 Grad Celsius, 40 min.
Variante Nr. 1-02, Teil 3, Prüfattest 2000-12, Karbidglühung: 950 Grad Celsius, 60 min.

Die obigen Werkstoffatteste enthalten die jeweilige spährolitische Graphitausbildung und das in der austenitischen Matrixstruktur befindliche sog. Karbid-Korsett. Bildtafel Nr. 2000-1 zeigt die prozentualen Karbidanteile im Werkstoff entsprechend der Glühzeiten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes, welches die Schritte umfaßt:

a) Herstellen einer Schmelze welche die folgenden Inhaltsstoffe aufweist:
Kohlenstoff 1,5-3,5% Silizium 1,0-5,0% Mangan 4,0-18,0% Phosphor < 0,5% Schwefel < 0,05% Chrom 1,0-5,0% Nickel 1,0-10% Kupfer < 1,0%
b) Herstellen eines Rohlings mit weisser Gußstruktur durch Zugabe einer oder mehreren von NiMg, NiSiMg, FeMg oder FeSiMg oder der Seltenerdenmetallen in einer Menge von < 0,5%, mit der Maßgabe, daß unter (a) angegebenen Mengen an Nickel und/oder Silizium nicht überschritten werden, und
c) Halten des Rohlings bei erhöhten Temperaturen, bis der Anteil an Restcarbiden < 30% beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schmelze die folgenden Inhaltsstoffe aufweist:
Kohlenstoff 2,090% Silizium 1,250% Mangan 0,520% Phosphor 0,250% Schwefel 0,009% Crom 2,170% Nickel 15,400% Kupfer 4,470% Magnesium 0,014%

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schmelze weiter V, Ti, Co, Nb, Ta, W, Mo, B, Pb, Sn, Al oder Gemische davon in einer Menge bis zu 20% enthält.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schmelze einen Stickstoffgehalt von bis zu 800 ppm aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schmelze weiter Te, B und/oder Bi zugegeben wird ≦ 3%

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt (c) bei einer Temperatur von < 750°C durchgeführt wird.

7. Gußeisenwerkstoff mit zemenitisch-ledeburitischer Struktur und sphärolithischer Graphit ausbildung ohne D-Graphitnester, welche die folgenden Inhaltsstoffe aufweist:
Kohlenstoff 1,5-3,5% Silizium 1,0-5,0% Mangan 4,0-18,0% Phosphor < 0,5% Schwefel < 0,05% Chrom 1,0-5,0% Nickel 1,0-10% Kupfer < 1,0% AL=L<oder Kohlenstoff 2,09% Silizium 1,25% Mangan 0,52% Phosphor < 0,25% Schwefel 0,009% Chrom 2,17% Nickel 15,4% Kupfer 4,47% Magnesium 0,014%

8. Gußeisenwerkstoff nach Anspruch 7, welcher einen Stickstoffgehalt von maximal 800 ppm aufweist.

9. Gußeisenwerkstoff nach einem der Ansprüche 7 oder 8, welcher Co, V, Ti, Nb, Ta, W, Mo, B, Pb, Sn, Al oder Gemische davon in einer Menge bis zu 20% enthält.

10. Verwendung eines Gußeisenwerkstoffes nach einem der Ansprüche 7 bis 9 zur Her stellung von Kolbenringen, Zylinderlaufbuchsen, Ventilsitzen und Schonbuchsen, Laufwerks dichtungen, Trägerplatten für Bremsbeläge, Ringe für Kühlaggregate oder Pumpendüsen.