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    • 专利摘要:
    Dievorliegende Erfindung betrifft einen Gusseisenwerkstoff mit hoherZugfestigkeit und dessen Verwendung in Gießverfahren und zur Herstellungvon Werkstücken.Weiterhin beschreibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zurHerstellung eines Werkstücksaus Gusseisenwerkstoff mit lamellarer Graphitausbildung.
    公开号:DE102004010917A1
    申请号:DE102004010917
    申请日:2004-03-05
    公开日:2005-09-22
    发明作者:Hans-Jürgen Veutgen
    申请人:Federal-Mogul Burscheid GmbH；
    IPC主号:C22C37-10
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft einen Gusseisenwerkstoff mit lamellarerGraphitausbildung und hoher Festigkeit und dessen Verwendung inGießverfahrenoder zur Herstellung von Werkstücken.Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellungeines Werkstücksaus Gusseisenwerkstoff mit lamellarer Graphitausbildung.
    [0002] DieAnforderungen, welche in verschiedensten Bereichen des Maschinen-und Anlagenbaus an Werkstoffe gestellt werden, nehmen immer weiterzu. Ein Bereich, in dem bekanntermaßen sehr hohe und immer weitersteigende Anforderungen an Werkstoffe gestellt werden, ist beispielsweisedie Fertigung von Verbrennungsmotoren und Verbrennungskraftmaschinen.Werkstoffe, die in der Fertigung von Verbrennungsmotoren und Verbrennungskraftmaschinenverwendet werden, müssenbeispielsweise in naher Zukunft Zünddrücken von mehr als 200 bar widerstehenkönnen.Gleichzeitig sollten in diesem Bereich eingesetzte Werkstoffe möglichstdünnwandigdimensionierbar sein, um eine Verringerung des Motorengewichts zuermöglichen.Im Stand der Technik üblicheund im Serienmaßstabhergestellte Gusseisenwerkstoffe sind im Allgemeinen diesen Anforderungennicht mehr gewachsen. So weisen beispielsweise Werkstoffe aus grauemGusseisen (GJL) des Stands der Technik lediglich ZugfestigkeitenRm von bis zu 270 MPa bei einem Elastizitätsmodul von bis zu 100 000MPa auf.
    [0003] EinAnsatz zur Entwicklung neuer Werkstoffe, die den immer weiter steigendenAnsprüchenim Maschinen- und Anlagenbau genügen,besteht in der Entwicklung neuer Werkstoffe auf Basis von leichterenMetallen, beispielsweise auf Basis von Aluminium und Magnesium.Derartige Werkstoffe sind jedoch vergleichsweise teuer und benötigen aufwendigeHerstellungs- und Bearbeitungsverfahren, die derzeit noch nichtimmer vollständigbeherrscht werden.
    [0004] Somitbesteht, obwohl die derzeit erhältlichenWerkstoffe, jeweils unter unterschiedlichen Gesichtspunkten zufriedenstellendeEigenschaften aufweisen, weiterhin ein hoher Bedarf nach der Bereitstellungvon zusätzlichenWerkstoffen, die vergleichsweise günstig hergestellt werden können oderspezifische Eigenschaften aufweisen.
    [0005] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Werkstoffs,der sich füreine Herstellung von Werkstückenim Serienmaßstabeignet, ohne dass er aufwendige Herstellungs- und/oder Bearbeitungsverfahrenzwingend erfordert und der eine hohe Zugfestigkeit bei einem geeignetenElastizitätsmodul undeine zufriedenstellende Wärmeleitfähigkeitaufweist. Ein derartiger Werkstoff sollte zudem vergleichsweisekostengünstigherstellbar sein.
    [0006] DieseAufgabe wird gelöstdurch die Bereitstellung eines Gusseisenwerkstoffs mit lamellarerGraphitausbildung gemäß Anspruch1, wobei der Gusseisenwerkstoff Eisen und die nachstehend angegebeneZusammensetzung umfasst: Kohlenstoff(C) 2,0bis 3,8 Gew.-%, Silizium(Si) und/oder Aluminium (Al) 1,0bis 4,0 Gew.-%,
    [0007] Sikann einzeln oder als Kombination Si und Al vorkommen, wobei dieGew.-%-Angabe dieSumme aus Si und Al darstellt, wovon Al maximal bis zu 2,0 Gew.-%davon ausmachen kann, Mangan(Mn) 0,05bis 1,5 Gew.-%, Phosphor(P) 0bis 0,7 Gew.-%, Schwefel(S) 0bis 0,1 Gew.-%, Chrom(Cr) 0,05bis 1,5 Gew.-%, Kupfer(Cu) 0,05bis 2,5 Gew.-%, Zinn(Sn) 0bis 2,5 Gew.-%, Stickstoff(N) 0bis 0,08 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs.
    [0008] Inden Unteransprüchensind vorteilhafte Ausführungsformender Erfindung enthalten.
    [0009] Darüber hinausstellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einesWerkstücksaus Gusseisenwerkstoff mit lamellarer Graphitausbildung bereit,wobei der Gusseisenwerkstoff Eisen umfasst, wobei das Verfahrenden Schritt aufweist, Einstellen des Gehalts an Kohlenstoff, Siliziumund/oder anteilig Aluminium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Chrom,Kupfer, Zinn und/oder Stickstoff, um einen Gusseisenwerkstoff zuerhalten, welcher Eisen und die nachstehend angegebene Zusammensetzungumfasst: Kohlenstoff(C) 2,0bis 3,8 Gew.-%, Silizium(Si) und/oder Aluminium (Al) 1,0bis 4,0 Gew.-%, wobei Si einzeln oder als Kombination Si und Alvorkommen kann und die Gew.-%-Angabedie Summe aus Si und Al darstellt, wovon Al maximal bis zu 2,0 Gew.-%davon ausmachen kann Mangan(Mn) 0,05bis 1,5 Gew.-%, Phosphor(P) 0bis 0,7 Gew.-%, Schwefel(S) 0bis 0,1 Gew.-%, Chrom(Cr) 0,05bis 1,5 Gew.-%, Kupfer(Cu) 0,05bis 2,5 Gew.-%, Zinn(Sn) 0bis 2,5 Gew.-%, Stickstoff(N) 0bis 0,08 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs.
    [0010] Die 1 bis 3 zeigendie Gussstruktur eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs, worin:
    [0011] 1 dieGussstruktur mit lamellarer Graphitausbildung eines erfindungsgemäßen, behandeltenund ungeätztenGusseisenwerkstoffs in einer Vergrößerung von 100:1 zeigt,
    [0012] 2 dieMatrix der Gussstruktur eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs ineiner Vergrößerung von500:1 zeigt, der mit HNO3 geätzt wordenist,
    [0013] 3 dieGussstruktur eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffsmit Steadit in einer Vergrößerung von20:1 zeigt, der einem Tiefätzungsverfahrenmit HNO3 unterworfen worden ist.
    [0014] Während zahlreicherVersuche zur Ermittlung spezifischer Werkstoffeigenschaften vonGusseisenwerkstoffen wurde von den Erfindern überraschenderweise ein Gusseisenwerkstoffaufgefunden, der eine höhereZugfestigkeit als im Stand der Technik bekannte Gusseisenwerkstoffeaufweist und der darüberhinaus den Vorteil besitzt, dass durch gezielte Wahl des SchwefelgehaltsGusseisenwerkstoffe unterschiedlicher Zugfestigkeit Rm erhaltenwerden können.Ein erfindungsgemäßer Werkstoffbietet darüberhinaus den Vorteil, dass er im Vergleich zu vielen Werkstoffen desStands der Technik, beispielsweise im Vergleich zu Gusseisenwerkstoffenmit globularer Graphitausbildung, und insbesondere im Vergleichzu Legierungen auf Basis von Magnesium und Aluminium, deutlich einfacherbearbeitet werden kann.
    [0015] Fallsnicht explizit abweichend angegeben, sind alle nachstehend angegebenenProzentangaben Gewichtsprozentangaben, die jeweils auf das Gesamtgewichtdes Gusseisenwerkstoffs bezogen sind.
    [0016] Einerfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoffbietet neben einer hohen Härtebei einem ausreichend hohen Elastizitätsmodul weitere vorteilhafteEigenschaften, insbesondere gute Wärmeleiteigenschaften und einegute Zugfestigkeit, was insbesondere bei hoch beanspruchten Bauteilen,beispielsweise im Motorenbereich, von hoher Wichtigkeit ist.
    [0017] Erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoffeweisen eine lamellare, insbesondere eine kurzlamellare, bei denSpitzen abgerundete Graphitausbildung, mit voll perlitischer Matrixund ein geschlossenes Steaditnetz auf. Insbesondere können sieeine Gefügeausbildungaufweisen, bei der Graphit als Typ A, B und E bei einer ASTM-Form(American Society for Testing and Materials) von 4 bis 6 vorliegtund die ein Grundgefügevon feinstreifigem Perlit mit maximal 5 Gew.-% Ferrit aufweist.Sie könnendarüberhinaus ein aufgelockertes bis netzförmiges Phosphideutektikum aufweisen.Gefügebeurteilungenim Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden anhand eines für Zylinderlaufbuchsenverwendbaren Schleudergussrohres aus dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffauf das innere Drittel der Wandfläche, das heißt auf diegeplante Zylinderlaufzone, bezogen vorgenommen. Am äußeren Durchmesserdes Rohres liegt der Graphit als Typ B und D, bei einer perlitischenMatrixstruktur, vor. Zementische Einstrahlungen (Fe3C)sind nicht zulässig.
    [0018] Angenommenwird, dass die hohe Härtebei einem ausreichend hohen Elastizitätsmodul, die guten Wärmeleiteigenschaftenund die gute Zugfestigkeit des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs zumindest teilweisedurch synergistische Effekte und Wechselwirkungen der in der Zusammensetzungdes erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffsin den angegebenen Mengenbereichen vorliegenden Elemente bewirktwird.
    [0019] Einteilweiser oder vollständigerErsatz, der im Periodensystem benachbarten Elemente Aluminium undSilizium, die beispielsweise eine vergleichsweise ähnlichemolekulare Masse aufweisen, kann je nach angestrebter Endbehandlungeines Werkstückserfolgen. Bei einer anschließendenNitrierung ist, wie nachstehend detailliert beschrieben, eine Anwesenheitvon Aluminium von Vorteil. Fürdie meisten Anwendungen, wird der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff jedochausschließlichoder größtenteilsSilizium im angegebenen Mengenbereich umfassen. Weitere vorstehendnicht erwähnteElemente könnenentweder als Verunreinigungen vorhanden sein oder gezielt zugesetztwerden, wie beispielsweise nachstehend beschrieben oder gemäß dem Wissendes Fachmanns.
    [0020] Insbesonderestellt die vorliegende Erfindung einen Gusseisenwerkstoff mit einemMassenanteil von bis zu 0,060 Gew.-% an Schwefel, vorzugsweise vonbis zu 0,030 Gew.-%, bevorzugterweise von mindestens 0,005 Gew.-%an Schwefel, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs,bereit. Durch Veränderungdes Schwefelgehalts kann die Zugfestigkeit Rm des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffgezielt beeinflusst werden. Bei einer Erhöhung des Schwefelgehalts, welchereine graphitisierende Wirkung hat, nimmt die Zugfestigkeit Rm dementsprechendab.
    [0021] Besondersvorteilhafte, synergistische Eigenschaften konnten darüber hinauserhalten werden, wenn mindestens eines, vorzugsweise zwei, dreioder alle der nachstehenden Elemente im nachstehend angegebenenBereich gewähltwerden: Kohlenstoff(C) 2,5bis 3,3 Gew.-%, Silizium(Si) und/oder Aluminium (Al) 1,4bis 2,2 Gew.-%, Mangan(Mn) 0,05bis 1,0 Gew.-%, Phosphor(P) 0,03bis 0,5 Gew.-%, Schwefel(S) 0,005bis 0,060 Gew.-%, Chrom(Cr) 0,05bis 0,5 Gew.-%, Kupfer(Cu) 0,05bis 0,8 Gew.-%, Zinn(Sn) 0,01bis 0,3 Gew.-%, Stickstoff(N2) 0,003bis 0,08 Gew.-%, wobei die angegebenen Wertebereiche jeweils aufdas Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs bezogen sind.
    [0022] DieWahl der Zusammensetzung des Gusseisenwerkstoffs kann in Abstimmungauf das herzustellende Werkstückerfolgen, wobei insbesondere der Kohlenstoff- und Siliziumgehaltin Abhängigkeitvon der Wanddicke oder dem Durchmesser beispielsweise von Zylinderlaufbuchsenanwendungsspezifisch innerhalb der angegebenen Bereiche höher oderniedriger gewähltwerden kann.
    [0023] Erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoffekönnen über beliebige,einem Fachmann bekannte Herstellungsverfahren erhalten werden. Beispielsweisekann ein erfindungsgemäßer Werkstoffdurch ein Verfahren unter Verwendung von Mikrolegierungen erhaltenwerden, wobei stickstoffhaltige Legierungen eingesetzt werden.
    [0024] DasStickstofflegieren (N2) kann nach zwei Verfahrenund/oder Kombinationen durchgeführtwerden:
    [0025] Hierbeihandelt es sich überwiegendum N2-haltige, feste, grobstückige Legierungenwie z.B. FeMnN, FeCrN, usw., die der Schmelze zeitlich verzögert zugesetztwerden können.Um ein Abnehmen des N2 Gehaltes (ppm) inder Schmelze zu verhindern, muss fortwährend mittels Stickstoffanalysatorkontrolliert werden und gegebenenfalls hochlegiert werden. Wobeihier ein Nachlegieren begrenzt ist, da sich dadurch auch ansteigendeMn- bzw. Cr-Endgehalte ergeben, die den gewünschten Bereich überschreitenkönnen.
    [0026] DasElement N2 kann mikrolegiert werden durchZusatzstoffe wie beipielsweise Siliziumnitrid (Si3N4) oder technischen Kalkstickstoff, welcherzu über50% Calziumcyanamid CaCN2 und etwa 15% Calziumoxid (CaO)enthalten kann. Diese Zusatzstoffe gelten als starke Schlackenbildner.Diese Legierungen lassen sich nahezu konstant, ohne größere ppm-Streuungenlegieren. Die Legierungen könnenals Pulver, Pellets einzeln oder in Kombination eingesetzt werden.Ebenfalls bietet sich das effektivere Injektionsverfahren, über einen gefüllten Hohldraht,an.
    [0027] Nacheinem Pfannenlegierungsverfahren beträgt der höchst erzielbare N-Endgehalt450 ppm bei konstanten Rm-Zugfestigkeitswerten.
    [0028] Einerfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoffweist eine hohe Zugfestigkeit Rm auf, die für viele Anwendungen in unterschiedlichstenBereichen von hohem Interesse ist. Insbesondere kann der Gusseisenwerkstoff eineZugfestigkeit Rm im Bereich von mehr als 380 MPa, vorzugsweise 380bis 530 MPa, bevorzugterweise im Bereich von 395 bis 511 MPa, insbesondereim Bereich vom 438 bis 502 MPa aufweisen. Eine Zugfestigkeit Rmkann durch E-Modul, Bruchdehnung, Einschnürung über DIN-Normproben ermitteltwerden.
    [0029] Gleichzeitigzu den vorstehend angegebenen guten Zugfestigkeitseigenschaftenweist ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoffein Elastizitätsmodulim Bereich von über100 MPa, insbesondere von über110 MPa, beispielsweise im Bereich von 100 bis 150 MPa auf. Das Elastizitätsmoduleines Gusseisenwerkstoffs kann durch DIN-Normproben ermittelt werden.
    [0030] Weiterhinzeigt ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoffeine Zugfestigkeit von mindestens 380 N/mm2,insbesondere von mindestens 430 N/mm2. DieZugfestigkeit des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffskann durch eine Zugprobe nach DIN 50 109-10 ermittelt werden. ImRahmen der vorliegende Erfindung erfolgte die Ermittlung auf Basiseiner aus dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffhergestellten Zylinderlaufbuchse, beispielsweise in Form eines Schleuderguss-,Strangpress- oder Sandgussrohres wobei die Zugprobe derart herausgearbeitetwird, dass der Bruchquerschnitt im wesentlichen in der Mitte derBuchsenwanddicke liegt.
    [0031] Einerfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoffweist darüberhinaus eine Brinell-Härteim Bereich von 270–370HB 2,5/187,5 auf, das heißteine Brinell-Härte,die bei einem Kugeldurchmesser von 2,5 mm einer Prüfkraft von187,5 kp und einer Einwirkungszeit von mindestens 30 Sek. erhaltenwird, beziehungsweise eine Brinell-Härte im Bereich von 240–340 HB5/750 auf. Bei einer Ermittlung einer Rockwell-Härte weist ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoffeine Härteim Bereich von 102 bis 116 HRB auf.
    [0032] DieWärmeleitfähigkeiteines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffsist vergleichbar mit der Wärmeleitfähigkeitvon üblichemGusseisen mit lamellarem Graphit (GJL) und höher als die Wärmeleitfähigkeitvon üblichemGusseisen GJV oder Gusseisen GJS.
    [0033] Anwendungsspezifischkann ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoffweiter Antimon, Wolfram, Molybdän,Nickel und/oder Cobalt enthalten. Beispielsweise fördert einZusatz von Mangan, Kupfer, Antimon, Wolfram, Molybdän, Nickelund/oder Cobalt eine Perlitisierung.
    [0034] Zueiner weiteren Verbesserung der Verschleißbeständigkeit kann ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoffdarüberhinaus mindestens eines der Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehendaus Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Wolfram, Molybdän, Bor enthalten.Insbesondere wurden Gusseisenwerkstoffe mit sehr guter Verschleißbeständigkeiterhalten, wenn Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Wolfram, Molybdän, Bor,einzeln oder in Kombination in einer Menge von bis zu 10 Gew.-%,vorzugsweise von bis zu 8 Gew.-%, bevorzugter von bis zu 3 Gew.-%des Gusseisenwerkstoffs, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs, vorliegen.
    [0035] Einweiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff ist,dass dieser Werkstoff zur gezielten Veränderung bestimmter Werkstoffeigenschaftenim wesentlichen allen fürGusseisenwerkstoffe geeigneten Oberflächenbehandlungs- und/oder Nachbehandlungsverfahrenunterworfen werden kann. Klar ist, dass derartige Oberflächenbehandlungs- und/oder Nachbehandlungsverfahrenzu einer Veränderungder Zusammensetzung des Gusseisenwerkstoffs, insbesondere in dessenOberflächenbereichführenkönnen,so dass ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoffnach einer derartigen Behandlung eine Zusammensetzung aufweisenkann, die von der beanspruchten Zusammensetzung abweicht.
    [0036] Beispielsweisekann der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoffoder ein Werkstück,das mindestens teilweise aus dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff besteht,einem Induktivhärtungsverfahrenoder einem Nitrierungsverfahren unterworfen werden, beziehungsweisemit einer Beschichtung, beispielsweise einer Chrom-Beschichtung,welche auch Hartstoffeinlagen aufweisen kann, versehen werden. DerartigeVerfahren könneneine noch weiter verbesserte Verschleißbeständigkeit aufweisen.
    [0037] Beieinem Induktivhärtungsverfahrenwird das zu härtendeWerkstückdem Einfluss eines elektromagnetischen Wechselfeldes ausgesetzt,wobei ein elektrischer Strom in dem Werkstück induziert wird. Der Stromin der Mittel- bis Hochfrequenzphase bewirkt dabei eine Erwärmung desMetalls. Hierbei wird ein zu härtendesWerkstückauf eine geeignete Temperatur, beispielsweise im Bereich von 800–1000°C, erwärmt und anschließend sofortwieder durch ein Kühlmittelabgeschreckt, welches durch eine nachfolgende Brause erfolgen kann.Durch diesen Abschreckvorgang kann eine Veränderung der Struktur des Metallgitterserreicht werden und insbesondere kann hierdurch die Härte desMaterials gesteigert werden.
    [0038] Beieinem Nitrierungsverfahren wird die Werkstoffoberfläche mitStickstoff bei erhöhterTemperatur, beispielsweise im Bereich von 490°C bis 650°C, angereichert. Dabei entstehtein Verbundwerkstoff, dessen Eigenschaften von der Nitrierschichtin Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff als Grundwerkstoffbestimmt werden. Analog hierzu könnenNitrocarburierungsverfahren durchgeführt werde, wobei hierbei dieWerkstoffoberflächemit Stickstoff und Kohlenstoff bei erhöhter Temperatur angereichertwird.
    [0039] Zueiner Verbesserung der Nitrierfähigkeitkann der Ausgangs-Rinneneisen-Siliziumanteil, das heißt der Anteilan Silizium in dem Gusseisenwerkstoff, teilweise oder vollständig durcheinen gleichen molaren Anteil an Aluminium, insbesondere an Hüttenaluminiumersetzt werden.
    [0040] 2 und 3 zeigenvergrößerte Aufnahmender Gussstruktur eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs. Derin 2 gezeigte Gusseisenwerkstoff wurde mit HNO3 geätzt.Der in 3 gezeigte Gusseisenwerkstoff wurde einem Tiefätzungsverfahrenmit HNO3 unterworfen.
    [0041] Darüber hinauskann der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoffmit einer galvanischen Beschichtung, beispielsweise einer Hartchrom-Beschichtungversehen werden. Eine Hartchrom-Beschichtung bietet den Vorteileiner hohen Härte,einer guten Verschleißbeständigkeitund eines guten Korrosionsverhaltens, wobei verschiedene im Standder Technik bekannte Verfahren eingesetzt werden können. Anwendungsspezifisch kannbeispielsweise eine Hartchromschicht mit eingelagerten KeramischenPartikeln (CKS) oder eine Hartchromschicht mit eingelagerten Diamantpartikeln(GDC) aufgebracht werden.
    [0042] Einerfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoffkann bei beliebigen Gießverfahreneingesetzt werden, beispielsweise bei einem Schleudergussverfahren,einem Schwerkraftgussverfahren, oder einem Stranggussverfahren.
    [0043] Vielfältige Verwendungsmöglichkeitenbestehen füreinen erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff. Beispielsweisekann ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoffzur Herstellung von Laufwerksdichtungen, Kolbenringen, beispielsweiseAutomotive Ringe, < 150mm Durchmesser und Ringe für2- und 4-Takt Großmotoren, > 150 mm Durchmesser,Zylinderlaufbuchsen, Zylinderkurbelgehäusen, Ventilsitzen, Schonbuchsen, Trägerplattenfür Bremsbeläge, Ringenfür Kühlaggregate,oder von Pumpendüseneingesetzt werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoffbei der Herstellung von Zylinderlaufbuchsen.
    [0044] Dererfindungsgemäße Gusseisenwerkstoffbietet den Vorteil einer guten Wärmeleitfähigkeitund einer hohen Härtebei einem bestimmten, minimalen Elastizitätsmodul. Darüber hinauskönnenerfindungsgemäße Gusseisenwerkstoffegut mit spanenden Bearbeitungsverfahren behandelt werden.
    [0045] Vorteilhafterweisebieten die erfindungsgemäßen GusseisenwerkstoffeEigenschaften, beispielsweise in Bezug auf das Elastizitätsmodul,die im wesentlichen mittig zwischen den Materialeigenschaften von üblichenGusseisenwerkstoffen mit lamellarer und globularer Graphitausbildungliegen. Bei einer spanenden Bearbeitung weisen Werkstücke ausdem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffein Verhalten auf, das vergleichbar mit dem von Gusseisen mit lamellaremGraphit (GJL) ist. Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten in Bezugauf eine Bearbeitung ist ein erfindungsgemäßer Gusseisenwerkstoff somit üblichemGusseisen GJV oder Gusseisen GJS überlegen.
    [0046] Weiterhinstellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einesWerkstücksaus Gusseisenwerkstoff mit lamellarer Graphitausbildung bereit,wobei der Gusseisenwerkstoff Eisen umfasst, wobei das Verfahrenden Schritt aufweist, Einstellen des Gehalts an Kohlenstoff, Siliziumund/oder Aluminium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Chrom, Kupfer, Zinnund/oder Stickstoff, um einen Gusseisenwerkstoff zu erhalten, welcherEisen und die im unabhängigenVerfahrensanspruch angegebenen Elemente in der aufgeführten Zusammensetzungumfasst. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren können, wievorstehend erläutert,durch Variation des Schwefelgehalts unterschiedliche ZugfestigkeitenRm erhalten werden können,wobei die Zugfestigkeiten Rm im Bereich von 380 bis 530 MPa, vorzugsweiseim Bereich von 395 bis 511 MPa, bevorzugterweise im Bereich von438 bis 502 MPa ausgewähltwerden können.
    [0047] Daserfindungsgemäße Verfahrenkann darüberhinaus einen weiteren Schritt umfassen, wobei unter Verwendung einesGießverfahrens,vorzugsweise eines Schleudergussverfahrens, eines Schwerkraftgussverfahrens,oder eines Stranggussverfahrens ein Werkstück hergestellt wird.
    [0048] Einderartiges erfindungsgemäßes Verfahrenstellt den Vorteil bereit, dass – bei im wesentlichen gleicherchemischer Zusammensetzung – Werkstoffeunterschiedlicher Härtegewonnen werden können,die anwendungsspezifisch gezielt eingesetzt und/oder miteinanderkombiniert werden können.
    [0049] Dasnachfolgende Beispiel erläutertdie Erfindung ohne diese zu beschränken.
    [0050] Nachstehendwird ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs mitlamellarer Graphitausbildung angegeben. 1 zeigteine vergrößerte Aufnahmender Oberflächeeines Schleudergussrohres aus dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff (Vergrößerung:100:1).
    [0051] DerGusseisenwerkstoff umfasst Eisen und weist weiterhin folgende Zusammensetzungauf: Kohlenstoff(C) 2,900Gew.-% Silizium(Si) 1,870Gew.-% Mangan(Mn) 0,810Gew.-% Phosphor(P) 0,201Gew.-% Schwefel(S) 0,006Gew.-% Chrom(Cr) 0,350Gew.-% Kupfer(Cu) 0,480Gew.-% Zinn(Sn) 0,127Gew.-% Stickstoff(N) 0,028Gew.-% Vanadium(V) 0,024Gew.-% Molybdän (Mo) 0,002Gew.-% Nickel(Ni) 0,040Gew.-% Titan(Ti) 0,020Gew.-% Wolfram(W) 0,001Gew.-% Niob(Nb) 0,003Gew.-% Magnesium(Mg) 0,001Gew.-% Aluminium(Al) 0,004Gew.-% Blei(Pb) 0,001Gew.-% Zink(Zn) 0,001Gew.-%
    [0052] Dervorstehend angegebene Gusseisenwerkstoff weist einen Sc-Wert von0,80 und einen CE-Wert von3,62 auf. Sc bezeichnet den Sättigungsgrad,SättigungsgradeSc = 1,0 bedeutet, dass das Eisen exakt der eutektischen Zusammensetzungentspricht. SättigungsgradeSc < 1,0 zeigenein untereutektisches und SättigungsgradeSc > 1,0 ein übereutektischesGusseisen an (siehe Eisen-Kohlenstoff-Diagramm). Der Sc-Wert hatauch Einfluss auf die technologischen Werkstoffeigenschaften jenach Wanddicke bzw. V/O-Model. Der Sc-Wert kann sich durch die weiterenElemente, vorallem Phosphor (P), verändern.
    [0053] InEuropa wird ausschließlichder Sc-Wert angewandt, währendbeispielsweise in den USA der CE-Wert Anwendung findet. Der CE-Wert,auch als Kohlenstoffäquivalentbezeichnet, berechnet sich nach der Formel CE = %Cmax + 1/3 (%Si+ %P), wobei die %-Anteile Istwerte aus der Werkstoffanalyse sind.
    [0054] DieserGusseisenwerkstoff wurde zur Herstellung eines Schleudergussrohresfür Zylinderlaufbuchsen verwendet.Dieses Schleudergussrohr weist folgende Maße auf 117/86 × 1800 (Durchmesser-Außen/Durchmesser-Innen × Länge, alleAngaben in mm) und hat etwa ein Gewicht von 65–66 Kg.
    [0055] Folgendemechanische Eigenschaften konnten bei Messungen an diesem Schleudergussrohrermittelt werden: Härte: 320HB 2,5/187,5 Zugfestigkeit – Rm (N/mm2): 451,8 Elastizitätsmodul(N/mm2): 119667
    [0056] DieHärte dererfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffewurde nach DIN EN ISO 6506-1 (Ausgabe 1999-10), "Härtemessungnach Brinell" ermittelt.Die Bruchdehnung und der Elastizität-Modul wurde aus dem Zugversuch,beschrieben in DIN EN 10002-1 Teil 1 (Ausgabe 2001-12) ermittelt.
    [0057] Darüber hinauswurden beispielhaft zwei Nachbehandlungen des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffsvorgenommen. 2 zeigt die Gussstruktur desvorstehend beschriebenen Schleudergussrohres aus dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffnach einem Ätzenmit HNO3 (in einer Vergrößerung von 500:1), während 3 dieGussstruktur nach einem Tiefätzenmit HNO3 abbildet (in einer Vergrößerung von 20:1).
    权利要求:
    Claims (13)
    [1] Gusseisenwerkstoff mit lamellarer Graphitausbildung,wobei der Gusseisenwerkstoff Eisen und die nachstehend angegebeneZusammensetzung umfasst: Kohlenstoff(C) 2,0bis 3,8 Gew.-%, Silizium(Si) und/oder Aluminium (Al) 1,0bis 4,0 Gew.-%, wobei Si einzeln oder als Kombination Si und Alvorkommen kann und die Gew.-%-Angabedie Summe aus Si und Al darstellt, wovon Al maximal bis zu 2,0 Gew.-%davon ausmachen kann, Mangan(Mn) 0,05bis 1,5 Gew.-%, Phosphor(P) 0bis 0,7 Gew.-%, Schwefel(S) 0bis 0,1 Gew.-%, Chrom(Cr) 0,05bis 1,5 Gew.-%, Kupfer(Cu) 0,05bis 2,5 Gew.-%, Zinn(Sn) 0bis 2,5 Gew.-%, Stickstoff(N) 0bis 0,08 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs.
    [2] Gusseisenwerkstoff nach Anspruch 1, wobei der Gusseisenwerkstoffeinen Anteil von bis zu 0,060 Gew.-% an Schwefel, vorzugsweise vonbis zu 0,030 Gew.-%, besonders bevorzugt von bis zu 0,005 Gew.-% anSchwefel, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs,aufweist.
    [3] Gusseisenwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder2, wobei der Gusseisenwerkstoff mindestens eines der nachstehendenElemente im angegebenen Bereich aufweist: Kohlenstoff(C) 2,5bis 3,3 Gew.-%, Silizium(Si) und/oder Aluminium (Al) 1,4bis 2,2 Gew.-%, Mangan(Mn) 0,05bis 1,0 Gew.-%, Phosphor(P) 0,03bis 0,5 Gew.-%, Schwefel(S) 0,005bis 0,006 Gew.-%, Chrom(Cr) 0,05bis 0,5 Gew.-%, Kupfer(Cu) 0,05bis 0,8 Gew.-%, Zinn(Sn) 0,10bis 0,3 Gew.-%, Stickstoff(N) 0,003bis 0,08 Gew.-%,jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs.
    [4] Gusseisenwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis3, wobei der Gusseisenwerkstoff eine Zugfestigkeit Rm von mehr als380 MPa aufweist, vorzugsweise im Bereich von 380 bis 530 MPa, besondersbevorzugt im Bereich von 395 bis 511 MPa, ganz besonders bevorzugtim Bereich von 438 bis 502 MPa aufweist.
    [5] Gusseisenwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis4, wobei der Gusseisenwerkstoff ein Elastizitätsmodul von mindestens 110MPa aufweist.
    [6] Gusseisenwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis5, wobei der Gusseisenwerkstoff weiter mindestens eines der Elemente,ausgewähltaus der Gruppe aus Antimon, Wolfram, Molybdän, Nickel und/oder Cobalt,umfasst.
    [7] Gusseisenwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis6, wobei der Gusseisenwerkstoff weiter mindestens eines der Elementeausgewähltaus der Gruppe, bestehend aus Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Wolfram,Molybdän,Bor, wobei Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Wolfram, Molybdän, Bor,einzeln oder in Kombination von bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise vonbis zu 8 Gew.-%, besonders bevorzugt von bis zu 3 Gew.-% des Gusseisenwerkstoffs,bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs, umfasst.
    [8] Gusseisenwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis7, wobei der Gusseisenwerkstoff einem Induktivhärtungsverfahren, einem Nitrierungsverfahren,einem Nitrocarburierungsverfahren oder einer galvanischen Beschichtung,vorzugsweise einer Chrombeschichtung, unterworfen wurde.
    [9] Verwendung eines Gusseisenwerkstoffs nach einem dervorstehenden Ansprüche1 bis 8 in einem Gießverfahren,vorzugsweise in einem Schleudergussverfahren, einem Schwerkraftgussverfahren,oder einem Stranggussverfahren.
    [10] Verwendung eines Gusseisenwerkstoffs nach einemder vorstehenden Ansprüche1 bis 9 zur Herstellung von Laufwerksdichtungen, Kolbenringen, LBE-Ringen,Zylinderlaufbuchsen, Zylinderkurbelgehäusen, Ventilsitzen, Schonbuchsen,Trägerplattenfür Bremsbeläge, Ringenfür Kühlaggregate,oder Pumpendüsen.
    [11] Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks ausGusseisenwerkstoff mit lamellarer Graphitausbildung, wobei der GusseisenwerkstoffEisen umfasst, wobei das Verfahren den Schritt aufweist. Einstellendes Gehalts an Kohlenstoff, Silizium und/oder Aluminium, Mangan,Phosphor, Schwefel, Chrom, Kupfer, Zinn und/oder Stickstoff, umeinen Gusseisenwerkstoff zu erhalten, welcher Eisen und die nachstehendangegebene Zusammensetzung umfasst: Kohlenstoff(C) 2,0bis 3,8 Gew.-%, Silizium(Si) und/oder Aluminium (Al) 1,0bis 4,0 Gew.-%, Mangan(Mn) 0,05bis 1,5 Gew.-%, Phosphor(P) 0bis 0,7 Gew.-%,Schwefel(S) 0bis 0,1 Gew.-%, Chrom(Cr) 0,05bis 1,5 Gew.-%, Kupfer(Cu) 0,05bis 2,5 Gew.-%, Zinn(Sn) 0bis 2,5 Gew.-%, Stickstoff(N) 0bis 0,08 Gew.-%,jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gusseisenwerkstoffs.
    [12] Verfahren nach Anspruch 11, wobei durch Variationdes Schwefelgehalts unterschiedliche Zugfestigkeiten Rm erhaltenwerden können,wobei die Zugfestigkeiten Rm ausgewählt sind aus dem Bereich von380 bis 530 MPa, vorzugsweise aus dem Bereich von 395 bis 511 MPa,besonders bevorzugt aus dem Bereich von 438 bis 502 MPa.
    [13] Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis12, wobei das Verfahren weiter umfasst. Herstellen eines Werkstücks unterVerwendung eines Gießverfahrens,vorzugsweise eines Schleudergussverfahrens, eines Schwerkraftgussverfahrens,oder eines Stranggussverfahrens.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004010917C5|2018-05-17|
    DE102004010917B4|2008-11-20|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-09-22| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2009-05-07| 8363| Opposition against the patent|
    2016-12-01| R011| All appeals rejected, refused or otherwise settled|
    2018-05-17| R206| Amended patent specification|
    2021-10-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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