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DE19629970C1 - Cast iron alloy used e.g.. in the manufacture of actuator sleeves - Google Patents

Cast iron alloy used e.g.. in the manufacture of actuator sleeves

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Publication number
DE19629970C1
DE19629970C1 DE1996129970 DE19629970A DE19629970C1 DE 19629970 C1 DE19629970 C1 DE 19629970C1 DE 1996129970 DE1996129970 DE 1996129970 DE 19629970 A DE19629970 A DE 19629970A DE 19629970 C1 DE19629970 C1 DE 19629970C1
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DE
Germany
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weight percent
cast iron
iron alloy
max
alloy according
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DE1996129970
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German (de)
Inventor
Hans-Juergen Veutgen
Wilfried Dipl Ing Langner
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Federal Mogul Burscheid GmbH
Original Assignee
Goetze GmbH
AE Goetze GmbH
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C37/00Cast-iron alloys
    • C22C37/10Cast-iron alloys containing aluminium or silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C37/00Cast-iron alloys
    • C22C37/04Cast-iron alloys containing spheroidal graphite

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

Cast iron alloy has a perlite base structure with spherical or vermicular graphite deposits and contains (in wt.%): 2.5-4.0C, 1.5-4.0 Si, 0.2-2.0 Mn, max. 0.35 P, max. 0.035 S, max. 3.0 Cr, max. 1.5 V, max. 2.5 Mo, max. 0.2 Ni, 1.0-3.5 Cu, 0.02-2.5 Al, 0.005-0.04 Mg, and a balance of Fe.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gußeisenlegierung für die Herstellung von Kolbenringen für Verbrennungskraftmaschinen mit hoher Temperaturbelastung.The invention relates to a cast iron alloy for the production of piston rings for Internal combustion engines with high temperature load.

Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen bestehen überwiegend aus grauen Gußeisenlegierungen mit Anteilen an kugelförmigen bis lamellaren Graphitausscheidungen. Insbesondere die in der obersten, dem Verbrennungsraum benachbarten Kolbennut angeordneten Kolbenringe sind hohen Temperaturen ausgesetzt, so daß von ihnen mechanische Festigkeitswerte mit hoher Temperaturbeständigkeit verlangt werden. Nach beispielsweise der DE-OS 36 28 157 verwendet man eine kugelgraphitische Gußeisenlegierung mit martensitischem Grundgefüge für auf hohe Temperaturen belastete Kolbenringe, welche 1 bis 15 Gewichtsprozent im Grundgefüge in Kugel- bis Tröpfchenform ausgeschiedenes Kupfer enthält, das auf Grund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit für eine schnelle Wärmeableitung und damit für eine verminderte Temperaturbelastung des Kolbenringwerkstoffes sorgt.Piston rings for internal combustion engines consist predominantly of gray Cast iron alloys with proportions of spherical to lamellar Graphite separations. Especially in the top, the combustion chamber adjacent piston groove arranged piston rings are exposed to high temperatures, so that they have mechanical strength values with high temperature resistance be requested. For example, DE-OS 36 28 157 uses a spherical graphitic cast iron alloy with martensitic basic structure for on high Temperatures loaded piston rings, which 1 to 15 weight percent in the basic structure contained in spherical to droplet form copper due to its high thermal conductivity for rapid heat dissipation and thus for a Reduced temperature load of the piston ring material ensures.

Insbesondere in modernen Verbrennungskraftmaschinen werden zur Verbesserung des Fahr-, Lauf- und Geräuschkomforts bei gleichzeitig deutlicher Leistungssteigerung Kurz­ huber mit Leichtbau-Kastenkolben eingesetzt, bei denen zur Erzielung eines vibrationsarmen Laufs die Kolbenringbestückungen extrem nach oben verlegt sind. Insbesondere der oberste Kolbenring und zum Teil auch der zweite sogenannte Abstreifring werden dadurch höheren Temperaturen ausgesetzt, so daß von ihrem Werkstoff mechanische Festigkeitswerte mit verbesserter Temperaturbeständigkeit verlangt werden. Die Warmfestigkeit der aus der DE-OS 36 28 157 bekannten martensitischen Gußeisenlegierungen reicht für derartig hohe Beanspruchungen nicht aus.In particular, in modern internal combustion engines are used to improve the Driving, running and noise comfort at the same time clearly increased performance short huber used with lightweight box pistons in which to achieve a low-vibration run the piston ring assemblies are laid extremely upwards. In particular, the uppermost piston ring and partly also the second so-called Wiper rings are thus exposed to higher temperatures, so that of their Material mechanical strength values with improved temperature resistance be requested. The heat resistance known from DE-OS 36 28 157 Martensitic cast iron alloys are not sufficient for such high stresses out.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gußeisenlegierung für hohen Temperaturen ausgesetzten Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen mit bei hohen Temperaturen beständigen Festigkeitswerten zu finden.The present invention is therefore based on the object, a cast iron alloy For high temperature exposed piston rings of internal combustion engines with to find stable strength values at high temperatures.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Gußeisenlegierung mit perlitischer Grundstruktur und kugelförmigen oder vermikularförmigen Graphitausscheidungen gelöst, welche ausAccording to the invention this object is achieved by a cast iron alloy with pearlitic Basic structure and spherical or vermicular graphite precipitates solved, which out

2,5-4,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff
1,5-4,0 Gewichtsprozent Silizium
0,2-2,0 Gewichtsprozent Mangan
max. 0,35 Gewichtsprozent Phosphor
max. 0,03 Gewichtsprozent Schwefel
max. 0,3 Gewichtsprozent Chrom
max. 0,2 Gewichtsprozent Vanadium
max. 0,3 Gewichtsprozent Molybdän
max. 0,2 Gewichtsprozent Nickel
0,1-3,5 Gewichtsprozent Kupfer
max. 0, 1 Gewichtsprozent Aluminium
0,005-0,04 Gewichtsprozent Magnesium
und Eisen als Rest besteht.
2.5-4.0 weight percent carbon
1.5-4.0 weight percent silicon
0.2-2.0 weight percent manganese
Max. 0.35 weight percent phosphorus
Max. 0.03 weight percent sulfur
Max. 0.3 weight percent chromium
Max. 0.2 weight percent vanadium
Max. 0.3 weight percent molybdenum
Max. 0.2 weight percent nickel
0.1-3.5 weight percent copper
Max. 0, 1 weight percent aluminum
0.005-0.04 weight percent magnesium
and iron is the remainder.

Mit den erfindungsgemäßen Gußeisenlegierungen werden probeweise Kolbenringe gegossen, die zur Ermittlung über Warmfestigkeit Temperaturen zwischen 500-700°C durch Glühbehandlungen während 30 Minuten ausgesetzt wurden. Es wurde ein normaler Abfall der Härtewerte festgestellt, ohne daß die perlitische Grundstruktur der Gußeisenlegierung wesentlich verändert wurde. Die Festigkeitswerte wurden durch diese Temperaturbelastung nicht wesentlich verändert, so daß der Werkstoff die geforderte hohe Warmfestigkeit besitzt. With the cast iron alloys according to the invention are trial piston rings cast to determine the heat resistance temperatures between 500-700 ° C were exposed by annealing treatments for 30 minutes. It became one normal drop of the hardness values determined, without the pearlitic basic structure of the Cast iron alloy was significantly changed. The strength values were through this Temperature load is not changed significantly, so that the material required has high heat resistance.  

Zur weiteren Perlitisierung kann die Gußeisenlegierung bis zu 0,4 Gewichtsprozent Antimon enthalten, das der Legierung während des Schmelzens oder über das Impfmittel zugegeben sein kann. Ebenso kann der Legierung bis zu insgesamt 4,0 Gewichtsprozent mindestens eines der Elemente Nickel, Cobalt, Zinn, Titan, Niob, Tantal, Bor und/oder Wismuth zulegiert sein. Die Gußeisenlegierung kann zusätzlich bis zu maximal 300 ppm mittels Fülldraht-Injektion eingebrachtes Stickstoff enthalten. Zur verbesserten Bearbeitbarkeit kann die Gußeisenlegierung einer Glühbehandlung bei bis zu 750°C unterzogen werden. Zusätzlich können die Kolbenringe zur Verbesserung ihrer Verschleißfestigkeit ganzflächig oder an den Laufflächen und/oder den Flankenflächen nach einem der üblichen Verfahren wie Badnitrieren, Gasnitrieren, Plasmanitrieren oder Pulsplasmanitrieren einer Nitrierbehandlung unterzogen werden. Dabei werden bevorzugt die erfindungsgemäßen Gußeisenlegierungen mit an der oberen Gehaltsgrenze an Silizium, Chrom, Vanadium, Molybdän und Aluminium liegenden Gehalten innerhalb der erfindungsgemäßen Zusammensetzung für das Nitrieren verwendet, obwohl alle innerhalb der beanspruchten Legierungsbereiche liegenden Gußeisenwerkstoffe zum Nitrieren geeignet sind. Die bevorzugte ohne Nitrieren eingesetzte Gußeisenlegierung besteht dann ausFor further perlitization, the cast iron alloy can be up to 0.4 percent by weight Contain antimony, that of the alloy during melting or via the inoculant can be added. Likewise, the alloy can be up to a total of 4.0 weight percent at least one of the elements nickel, cobalt, tin, titanium, niobium, tantalum, boron and / or Wismuth be zulegiert. The cast iron alloy can additionally be up to a maximum of 300 ppm Contain nitrogen introduced by means of cored wire injection. To the improved Machinability may be the cast iron alloy of an annealing treatment at up to 750 ° C be subjected. In addition, the piston rings can improve their Wear resistance over the entire surface or on the running surfaces and / or the flank surfaces by one of the usual methods such as bath nitriding, gas nitriding, plasma nitriding or Pulse plasma nitriding be subjected to a nitriding treatment. It will be prefers the cast iron alloys according to the invention with at the upper content limit at silicon, chromium, vanadium, molybdenum and aluminum levels within The composition of the invention used for nitriding, although all within the claimed alloying ranges lying cast iron materials for Nitriding are suitable. The preferred cast iron alloy used without nitriding then exists

2,5-4,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff
1,5-2,5 Gewichtsprozent Silizium
0,2-2,0 Gewichtsprozent Mangan
max. 0,35 Gewichtsprozent Phosphor
max. 0,03 Gewichtsprozent Schwefel
max. 0,3 Gewichtsprozent Chrom
max. 0,2 Gewichtsprozent Vanadium
max. 0,3 Gewichtsprozent Molybdän
max. 0,2 Gewichtsprozent Nickel
1,0-3,5 Gewichtsprozent Kupfer
max. 0,1 Gewichtsprozent Aluminium
0,005-0,04 Gewichtsprozent Magnesium
und Eisen als Rest.
2.5-4.0 weight percent carbon
1.5-2.5 weight percent silicon
0.2-2.0 weight percent manganese
Max. 0.35 weight percent phosphorus
Max. 0.03 weight percent sulfur
Max. 0.3 weight percent chromium
Max. 0.2 weight percent vanadium
Max. 0.3 weight percent molybdenum
Max. 0.2 weight percent nickel
1.0-3.5 weight percent copper
Max. 0.1 weight percent aluminum
0.005-0.04 weight percent magnesium
and iron as the rest.

Die Legierung kann die zur Verschleißsteigerung, zur Verbesserung der Perlitisierung und zur Verbesserung der Nitrierbarkeit zugesetzten Elemente enthalten.The alloy can be used to increase wear, improve pearlitization and elements added to enhance nitridability.

Durch die Erfindung ist somit eine Gußeisenlegierung geschaffen, die für hohen Temperaturbelastungen ausgesetzte Kolbenringe in Verbrennungskraftmaschinen geeignet ist. Die Gußeisenwerkstoffe zeigen ein gutes Warmsetzverhalten und ihr Gefüge zeigt auch bei längeren hohen Temperaturbelastungen keine wesentlichen Veränderungen. Die Gußeisenlegierungen können zur Herstellung von Kolbenringen aller Durchmesser von bis zu 1 m sowohl im Standguß als auch im Schlenderguß gleichermaßen gut verwendet werden. Ebenso können die Gußeisenlegierungen für ähnlich belastete Maschinenteile von vor allem Verbrennungskraftmaschinen wie Zylinderlaufbuchsen, Kolben, Pleuel, Dichtungsringe generell, Packungsringe, Zahnräder und Getrieberinge verwendet werden. Im Sinne der Erfindung wird bevorzugt die folgende Gußeisenlegierung in nicht nitrierter Form verwendet.By the invention thus a cast iron alloy is created, which is suitable for high Temperature loads exposed piston rings in internal combustion engines suitable is. The cast iron materials show a good warming behavior and their structure shows even with longer high temperature loads no significant changes. The Cast iron alloys can be used to make piston rings of all diameters up to 1 m equally well used both in the casting and in the casting become. Similarly, the cast iron alloys for similarly loaded machine parts from above all internal combustion engines such as cylinder liners, pistons, connecting rods, Sealing rings in general, packing rings, gears and gear rings used become. For the purposes of the invention, the following cast iron alloy is preferably not used nitrided form used.

Gußeisenlegierung 1Cast iron alloy 1 Gew.-%Wt .-% Kohlenstoffcarbon 3,763.76 Siliziumsilicon 2,162.16 Manganmanganese 0,880.88 Phosphorphosphorus 0, 100, 10 Schwefelsulfur 0,0080,008 Chromchrome 0,040.04 Vanadiumvanadium 0,010.01 Molybdänmolybdenum 0,020.02 Nickelnickel 0,050.05 Kupfercopper 2,462.46 Titantitanium 0,010.01 Wolframtungsten 0,030.03 NioNio - -   Magnesiummagnesium 0,0110.011 Rest EisenRest iron

Claims (7)

1. Gußeisenlegierung für die Herstellung von Kolbenringen für Verbrennungskraftmaschinen mit hoher Temperaturbelastung, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung eine perlitische Grundstruktur mit kugelförmigen oder vermikularförmigen Graphitausscheidungen besitzt und aus 2,5-4,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff
1,5-4,0 Gewichtsprozent Silizium
0,2-2,0 Gewichtsprozent Mangan
max. 0,35 Gewichtsprozent Phosphor
max. 0,03 Gewichtsprozent Schwefel
max. 0,3 Gewichtsprozent Chrom
max. 0,2 Gewichtsprozent Vanadium
max. 0,3 Gewichtsprozent Molybdän
max. 0,2 Gewichtsprozent Nickel
0,1-3,5 Gewichtsprozent Kupfer
max. 0,1 Gewichtsprozent Aluminium
0,005-0,04 Gewichtsprozent Magnesium
sowie Eisen als Rest besteht.
1. cast iron alloy for the production of piston rings for internal combustion engines with high temperature load, characterized in that the cast iron alloy has a pearlitic basic structure with spherical or vermicular graphite precipitates and 2.5-4.0 weight percent carbon
1.5-4.0 weight percent silicon
0.2-2.0 weight percent manganese
Max. 0.35 weight percent phosphorus
Max. 0.03 weight percent sulfur
Max. 0.3 weight percent chromium
Max. 0.2 weight percent vanadium
Max. 0.3 weight percent molybdenum
Max. 0.2 weight percent nickel
0.1-3.5 weight percent copper
Max. 0.1 weight percent aluminum
0.005-0.04 weight percent magnesium
and iron is the remainder.
2. Gußeisenlegierung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung bis zu 0,4 Gewichtsprozent Antimon enthält.2. cast iron alloy according to claim 1, characterized in that the Cast iron alloy contains up to 0.4 percent by weight of antimony. 3. Gußeisenlegierung nach den Patentansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung mindestens eines der Elemente Nickel, Cobalt, Zinn, Titan, Niob, Tantal, Bor und/oder Wismuth in einer Menge von insgesamt bis zu 4,0 Gewichtsprozent enthält. 3. Cast iron alloy according to claims 1 and / or 2, characterized characterized in that the cast iron alloy comprises at least one of the elements nickel, Cobalt, tin, titanium, niobium, tantalum, boron and / or bismuth in an amount of total up to 4.0 percent by weight.   4. Gußeisenlegierung nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung mittels Fülldrahtinjektion in die Schmelze eingebrachtes Stickstoff in einer Menge von maximal 300 ppm enthält.4. cast iron alloy according to at least one of the claims 1 to 3, characterized characterized in that the cast iron alloy by means of Fülldrahtinjektion in the Melt contains introduced nitrogen in a maximum amount of 300 ppm. 5. Gußeisenlegierung nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Legierung gegossenen Werkstücke einer Glühbehandlung von bis zu 750°C unterzogen sind.5. cast iron alloy according to at least one of the claims 1 to 4, characterized characterized in that the cast of the alloy workpieces a Annealing treatment of up to 750 ° C are subjected. 6. Gußeisenlegierung nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Legierung gegossenen Werkstücke einer Nitrierbehandlung nach einem der üblichen Verfahren unterzogen sind.6. Cast iron alloy according to at least one of the claims 1 to 5, characterized characterized in that the cast of the alloy workpieces a Nitriding treatment are subjected to one of the usual methods. 7. Verwendung der Gußeisenlegierung nach mindestens einem der vorangegangenen Patentansprüche für die Herstellung von Zylinderlaufbüchsen, Kolben, Pleuel, Getrieberinge, Dichtungsringe generell, Zahnräder und Packungsringe.7. Use of the cast iron alloy according to at least one of the preceding Claims for the production of cylinder liners, pistons, connecting rods, Gear rings, gaskets in general, gears and packing rings.
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