-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine neuartige Gusseisenlegierung, deren Mikrostruktur Kompaktgraphit
und Flockengraphit enthält.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der neuartigen Gusseisenlegierung
bei der Herstellung von Zylinderblöcken, Zylinderköpfen, Grund-
oder Bettplatten, Getriebegehäusen oder
Achsgehäusen.
-
Technischer Hintergrund
-
Gusseisenwerkstoffe sind weitverbreitet
für die
vielfältigsten
Anwendungen im Einsatz. Die grundlegenden Gusseisenarten lassen
sich wie folgt einteilen:
- – Graues Gusseisen (Grauguss),
worin der Graphit als Flocken oder lamellare Partikel vorliegt.
- – Gusseisen
mit Kompaktgraphit (CGI), wobei die Graphitpartikel länglich sind
wie bei grauem Gusseisen, aber kürzer
und dicker sind und gerundete Kanten und unregelmäßige, unebene
Oberflächen
aufweisen.
- – Duktiles
Gusseisen, bei dem sich der Graphit als individuelle Rundteilchen
oder Kugeln ausscheidet, und
- – schmiedbares
Gusseisen, bei dem sich die Graphitpartikel während eines Wärmebehandlungsvorgangs aus
dem festen Zustand abscheiden.
-
Die Erzeugung, die Eigenschaften
und Anwendungen dieser Eisenwerkstoffe sind beispielsweise in Iron
Casting Handbook, C.F. Walton (Herausgeber), Iron Castings Society,
dokumentiert und in den Normen ASTM A 247 und ISO 945-1975 spezifiziert.
-
Bis etwa 1960 konzentrierten sich
die Normen in der Hauptsache auf graues Gusseisen. Idealerweise sollte
graues Gusseisen lange und regellos orientierte Graphitflocken oder
-lamellen enthalten. Jedoch können unter
bestimmten Bedingungen auch entartete Graphitgestalten wachsen.
Die Grauguss-Terminologie bezieht sich deshalb auf fünf verschiedene
Arten von grauem Gusseisen, nämlich
Typ A bis Typ E. Typ A bezeichnet lange Graphitflocken und wird
für die
meisten Anwendungen bevorzugt, während
die Typen B bis E Entartungen sind und die Festigkeit mindern.
-
Mit der Einführung von duktilem Gusseisen
im Jahre 1948 wurden die Normen geändert, so dass sie neue und
andere Graphitformen enthielten. In die ASTM-Norm wurden sieben verschiedene Graphitarten
aufgenommen. Typ I repräsentierte
ideale Graphitkugeln, während
die Typen II bis VI verschiedene Arten von entarteten Kugeln zeigten.
Typ VII war reserviert für
graues Gusseisen, seinerseits untergliedert in die etablierten Kategorien
A bis E. Die ISO-Norm benutzt einen ähnlichen Ansatz mit nur sechs
grundlegenden Graphitformen. Die Form I bezeichnet graues Gusseisen,
und die Form VI repräsentiert
ideale Graphitkugeln. Die Formen II bis V beziehen sich auf entartete
Kugelformen. Ähnlich
wie bei der ASTM-Norm, ist die ISO-Form I für graues Gusseisen weiter untergliedert
in die Kategorien A bis E, um die verschiedenen Graugussarten darzustellen.
Die Definitionen für
A bis E sind in ISO und ASTM gleich.
-
Als ein Ergebnis der Entwicklung
der Mikrostruktur-Klassifizierungsstandards entstanden zwei völlig getrennte
Klassifizierungstechniken. Grauguss wird definiert unter Bezug auf
die verschiedenen Typen A bis E, z.B. 90 % Typ A plus 10 % Typ B.
Duktiles Gusseisen wird klassifiziert nach der prozentualen Kugelbildung, d.h.
dem prozentualen Anteil derjenigen Graphitpartikel, die als perfekte
Kugeln zugegen sind. Kommerzielle duktile Gusseisenwerkstoffe müssen im
Allgemeinen mehr als 85 % Kugeligkeit oder Kugelbildung aufweisen (d.h.
mehr als 85 % Graphit vom Typ I nach ASTM oder Graphit der Form
VI nach ISO). Mikrostruktur-Klassifizierungsdiagramme für einen
Kugelbildungsbereich von 50 bis 100 % sind bereits vielfach veröffentlicht
worden, um die mikroskopischen Evaluierung der Graphitgestalt zu
unterstützen.
-
Sowohl die ASTM- als auch die ISO-Normen
enthalten einen Bezug auf Kompaktgraphit. Kompaktgraphit ist nach
ISO repräsentiert
durch Graphit der Form III oder nach ASTM durch Graphit vom Typ
IV. Hochqualitatives CGI sollte im Allgemeinen mehr als 80 % Kompaktgraphit-Partikel,
weniger als 20 % Kugelgraphit und keinen Flockengraphit enthalten.
Für Gusseisen
mit Kompaktgraphit hat die Industrie demnach eine Spezifikation
von 0 bis 20 % Kugelbildung akzeptiert.
-
Auf Basis der ASTM- und ISO-Normen
wurde demnach ein Kontinuum eingerichtet, von perfektem CGI (100
% Form III nach ISO oder 100 % Typ IV nach ASTM) bis zu perfektem
duktilen Gusseisen (100 % Form VI nach ISO oder 100 % Typ I nach
ASTM). Damit wird eine Kugelbildungsskala von 0 bis 100 % eingerichtet,
wobei diese Skala aber graues Gusseisen vollkommen ausschließt. Für Metallurgen
existiert graues Gusseisen auf einer separaten Skala "A bis E" unterhalb 0 % Kugelbildung.
-
Bisher war der weitaus größte Teil
der Eisengussstücke
durch eine der obengenannten Gusseisenarten charakterisiert, mit
besonderer Forderung nach mikrostruktureller Homogenität, um die
Eigenschaften im gesamten Gussstück
zu vereinheitlichen. In jüngerer
Zeit ist vorgeschlagen worden, dass manche Produkte vom Vorhandensein
verschiedener Graphitarten in verschiedenen Bereichen des Gussstücks profitieren
könnten.
Auf diese Weise können
die mechanischen und physikalischen Eigenschaften einer gegebenen
Art von Gusseisen in den spezifischen Regionen des Gussstücks ausgenutzt
werden, die von eben diesen Eigenschaften am meisten profitieren.
Als spezifische Beispiele hierfür
lassen sich nennen: Zylinderblöcke
mit Flockengraphit oder Kompaktgraphit in den Zylinderbohrungen
wegen der Wärmeübertragung
und des Reibungsverhaltens und Kugelgraphit in den tragenden Teilen
wegen der Steifigkeit und der Dauerhaftigkeit (
EP 0 769 615 A1 und JP 6-106331),
oder ein Schwungrad mit CGI am Umfang wegen der Bearbeitbarkeit
und Kugelgraphit in der Nabe wegen der Festigkeit (WO 93/20969).
Hierzu lassen sich zahlreiche weitere Beispiele nennen. Das Konzept
der verschiedenen Graphitarten in verschiedenen Bereichen der Gusseisenstücke hat
keine breite Akzeptanz gefunden wegen der Schwierigkeit, das Herstellverfahren
zuverlässig
zu kontrollieren. In der Tat ist es leichter, einheitlichen Graphit
im gesamten Gussstück
vorzusehen, und leichter, auf den mittleren Bereich der breiten
Mikrostruktur-Spezifikationen abzuzielen, um den Gießerei-Ausschuss
infolge außerhalb
der Spezifikation liegender Produkte auf ein Minimum zu reduzieren.
Diese traditionelle Praxis erleichtert zwar die Gießereiproduktion,
liefert aber nicht in jedem Fall optimale Eigenschaften und Produkte.
-
Als Antwort auf die immer größer werdenden
Forderungen bezüglich
Drehmomentstärke,
Verringerung der Emissionen und Kraftstoffverbrauchsreduzierung
sind die Motorkonstrukteure gezwungen, nach stärkeren Materialien für die Zylinderblockkonstruktion
zu suchen. Dies gilt ganz besonders für den Dieselsektor, wo Emissions-
und Drehmoment-Ziele nur durch höhere
Spitzendrücke
der Verbrennung im Zylinder erreichbar sind. Während heutige PKW-Dieselmotoren mit
Direkteinspritzung bei ca. 135 bar arbeiten, zielt die nächste Generation
der Diesel-Direkteinspritzer auf 160 bar und mehr ab. In Schwerlastkraftwagen-Anwendungen übersteigen
die Spitzenverbrennungsdrücke
bereits den Wert von 200 bar. Bei diesen Betriebswerten sind die Festigkeit,
Steifigkeit und die Ermüdungseigenschaften
von grauem Gusseisen und den gebräuchlichen Aluminiumlegierungen
möglicherweise
nicht ausreichend, um Leistungs-Package- und Dauerhaltbarkeitskriterien zu
genügen.
Die Motorkonstrukteure untersuchen deshalb legierte Graugusswerkstoffe
und CGI, um den Betriebsbereich ihrer Konstruktionen zu erweitern.
In vielen Fällen
ist die Festigkeit von legiertem grauem Gusseisen möglicherweise
nicht ausreichend, während
die von CGI größer sein
kann als erforderlich. Konventionelles CGI (5 bis 20 % Kugelbildung)
kann ferner zu Schwindungs- oder Schrumpfungs-Fehlererscheinungen neigen
im Falle von komplizierten Gussstücken.
-
Neben ihren Festigkeitsgrenzen, die
bei ca. 300 MPa liegen, sind legierte Graugusswerkstoffe schwierig
zu bearbeiten und vielfach tritt Rissbildung beim Ausschütteln, Kühlen und
bei der Handhabung auf. Ferner sind dem Recycling von Kreislaufmaterial
innerhalb der Gießerei
durch den hohen Legierungsanteil Grenzen gesetzt.
-
Zwar weist Kompaktgraphit-Gusseisen
mit 5 bis 20 % Kugelbildung eine mehr als ausreichende Festigkeit
auf; seiner Anwendung können
aber aus Bearbeitungsgesichtspunkten Grenzen gesetzt sein, insbesondere
was das Hochgeschwindigkeits-Zylinderbohren anbelangt. Die Wärmeleitfähigkeit
von CGI, die etwa 20 % unter der von grauem Gusseisen liegt, kann
in manchen Konstruktionen ebenfalls problematisch sein. Ein weiteres
Problem, welches beim Gießen
von CGI auftreten kann, ist Schrumpfung. Ein Gussstück, welches Schrumpfung
erfahren hat, kann innere Hohlräume
(Porosität)
oder oberflächliche
Einfallstellen aufweisen, aufgrund derer diese Gussstücke verworfen
werden müssen.
Was noch schlimmer ist: die inneren Schwindungshohlräume werden
möglicherweise
bei der Qualitätsprüfung nicht
erkannt, und bei den aus derartigen Gussstücken hergestellten Fertigteilen
ist mit vorzeitigem Versagen im Gebrauch zu rechnen.
-
Die US,A,5 858 127 offenbart eine
Metalllegierung, welche enthält:
wenigstens ca. 50 Gew.-% einer ferritischen Matrix, bis zu 50 Gew.-%
perlitisches Eisen, Graphit, und zwar wenigstens 10 Gew.-% Kugelgraphit,
Kompaktgraphit und nicht mehr als 20 Gew.-% Flockengraphit, und
weniger als 2,10 Gew.-% Silicium.
-
Es besteht also Bedarf an einem Material,
welches ausreichend stark ist, um den erhöhten Festigkeitsanforderungen
zu genügen,
und welches weniger schrumpfungsanfällig ist.
-
Wenn die Magnesium-Behandlung von
Gusseisen mit Kompaktgraphit nicht ausreicht, um eine vollständige Kompaktgraphit-Morphologie
zu stabilisieren, kann der Graphit beginnen, mit Flockengraphit-Morphologie
zu wachsen. Während
die Erstarrung jeder eutektischen Zelle radial nach außen fortschreitet,
segregiert die Magnesium-Konzentration vor der Erstarrungsfront.
Die Magnesiumkonzentration kann so hoch werden, dass Gusseisen mit
Kompaktgraphit um den Perimeter der eutektischen Zelle stabilisiert
wird. Die resultierende Mikrostruktur wird hierin als CGI mit stellenweisen
Flockenanordnungen bezeichnet (1).
Es ist hinreichend bekannt, dass diese stellenweisen Flockenanordnungen
einen vorzeitigen Abfall der Zugfestigkeit und Steifigkeit von CGI
verursachen. Aus diesem Grund haben mehrere Autoren klar aufgezeigt,
dass stellenweise Flockenanordnungen in für CGI konstruierten Gussstücken vermieden
werden müssen
(C.R. Reese and W.J. Evans: Development of an inmold treatment process
for compacted graphite iron cylinder blocks, AFS Annual Foundry
Congress, Atlanta, 1998. Ferner R.J. Warrick et al.: Development
and application of enhanced compacted graphite iron for the bedplate
of the new Chrysler 4.7 litre V-8 engine, SAE Paper No. 99P-144).
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Es hat sich nun gezeigt, dass die
obenerwähnte
Festigkeits- und Schrumpfungsproblematik gelöst werden kann durch Bereitstellen
einer Gusseisenlegierung, welche die folgenden Charakteristika aufweist:
Graphitgestalt:
1-10 % Flockengraphit, 90-99 % Kompaktgraphit und höchstens
5 % Kugelgraphit;
Matrixstruktur: kontinuierlich variable Ferrit/Perlit-Mischung
und
Carbide: weniger als 1 %.
-
Eine repräsentative chemische Spezifikation
für eine
solche Legierung lautet: 3,0-3,8 % Kohlenstoff, 1,6-2,5 % Silicium,
0,2-0,65 % Mangan, 0,01-0,1 % Zinn, <0,025 % Schwefel, 0,001-0,020 % Magnesium, 0,1-1,2
% Kupfer, 0,04-0,2 % Chrom und Rest bis 100 % Eisen.
-
Detailbeschreibung der
Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung wird nun
unter Bezugnahme auf die beigefügte
zeichnerische Darstellung beschrieben, wobei:
-
1 zeigt
eine Mikrophotographie einer Gusseisenlegierung. Die Graphit-Mikrostruktur
dieser Legierung enthält
40 % dünne
Lamellen von Flockengraphit (stellenweise Flockenanordnungen) und
60 % Kompaktgraphit;
-
2 ist
ein Diagramm mit der Zugfestigkeit, dem Elastizitätsmodul
und der Bruchdehnung als Funktion der Kugelbildung;
-
3 zeigt
die Wichtigkeit einer guten Prozesskontrolle bei der Erzeugung von
CGI. Eine Zugabe von 0,001 % aktivem Mg ist ausreichend, um eine
Gusseisenmikrostruktur mit 50 % stellenweisen Flockenanordnungen
und 50 % Kompaktgraphit (3a) (Zugfestigkeit
325 MPa) in eine optimale CGI-Struktur mit ca. 3 % Kugelbildung
(Zugfestigkeit: 450 MPa) (3b) umzuwandeln;
und
-
4 offenbart
die Problematik der Oberflächenschrumpfung.
Eine Gusseisenschmelze wurde in eine zur Herstellung eines Gussstücks mit
einem flachen zentralen Rücksprung
geeignete Form gegossen. Wie in der Figur gezeigt, verursachte das
Schrumpfungsverhalten, dass das erstarrte Gusstück einen zentralen Rücksprung
aufweist, der tiefer als gewünscht
und konkav geformt (statt flach) ist.
-
Das Vorhandensein von stellenweisen
Flockenanordnungen in einer voll perlitischen CGI-Mikrostruktur
setzt die Zugfestigkeit von ca. 450 MPa auf ca. 350 MPa herab. In
einer CGI-Konstruktion wird dies mit Sicherheit zu vorzeitigem Versagen
führen.
Das Festigkeitsniveau von 350 MPa stellt aber immer noch eine 40
%ige Steigerung gegenüber
konventionellem Grauguss (GG 25 gemäß der Spezifikation der DIN
1691) dar, und erreicht oder übertrifft
auch die Zugfestigkeitsgrenze von legierten Graugusswerkstoffen.
-
Wie in 2 gezeigt,
wird trotz Abnahme der Zugfestigkeit und Steifigkeit des CGI mit
einsetzender Flockengraphitbildung die Bruchdehnung nicht abträglich beeinflusst.
Die Tatsache, dass die stellenweisen Flockenanordnungen am Perimeter
von Kompaktgraphit-Partikeln umgeben sind, reduziert die Risseinleitung und
-fortsetzung und führt
zu einem mehr duktilen als spröden
Versagensmodus. Während
eine Gusseisenmikrostruktur, welche eine Mischung von stellenweisen
Flockenanordnungen und Kompaktgraphit enthält, eine Bruchdehnung von 1
bis 3 % liefert, weisen Grauguss- und legierte Graugusswerkstoffe
effektiv keine Duktilität
auf. Diese Kombination von Festigkeit und Duktilität eröffnet zahlreiche
Anwendungsmöglichkeiten.
-
Wie bereits erwähnt, stellt die Erfindung eine
neue Gusseisenlegierung bereit, welche die folgende Zusammensetzung
aufweist:
Graphitgestalt: 1-10 % Flockengraphit, 90-99 % Kompaktgraphit
und höchstens
5 % Kugelgraphit;
Matrixstruktur: kontinuierlich variable Ferrit/Perlit-Mischung
und
Carbide: weniger als 1 %.
-
Bevorzugt ist die Graphitgestalt
der Gusseisenlegierung 1-10 % Flockengraphit, 90-99 % Kompaktgraphit
und höchstens
1 % Kugelgraphit. Die hierin offenbarten prozentualen Anteile betreffend
die Graphitgestalt beziehen sich auf die relativen Mengen der Graphitpartikel
in dem Gusseisen, die als Flockengraphit bzw. Kompaktgraphit vorliegen.
-
Diese Mikrostruktur kann mit einer
Vielfalt von chemischen Zusammensetzungen erzeugt werden, und die
chemische Spezifikation ist demnach der Mikrostruktur und den Eigenschaften
untergeordnet. Eine repräsentative
chemische Spezifikation für
die vorstehende Legierung mit stellenweisen Flockenanordnungen lautet jedoch:
Kohlenstoff:
3,0 bis 3,8 %, bevorzugt 3,5 bis 3,7 %;
Silicium: 1,6 bis 2,5
%, bevorzugt 2,1 bis 2,4 %;
Mangan: 0,2 bis 0,65 %, bevorzugt
0,3 bis 0,5 %;
Zinn: 0,01 bis 0,1 %;
Schwefel: <0,025 %;
Magnesium:
0,001 bis 0,020 %;
Kupfer: 0,1 bis 1,2 %;
Chrom: 0,04
bis 0,2 %;
Eisen: Rest bis 100 %
-
Andere Begleitelemente können innerhalb
des normalen Bereichs für
die Erzeugung von Gusseisen mit Kompaktgraphit oder duktilem Gusseisen
vorhanden sein, wie an sich bekannt. Die Legierung kann in einer Vielfalt
von Applikationen verwendet werden, zu denen beispielsweise Zylinderköpfe, Zylinderblöcke, Bettplatten
und verschiedene Gehäuse
nach Bedarf gehören.
Einer der wichtigsten Vorzüge
der neuen Legierung ist ein erheblich vergrößerter Magnesium-Kontrollbereich.
Der stabile Mg-Bereich ist bis zu 2,5mal größer als der für konventionelles
CGI (5 bis 20 % Kugelbildung) und in etwa so groß wie der für duktiles Gusseisen.
-
Zwar ist die vorliegende Erfindung
auf die Herstellung einer Gusseisenlegierung gerichtet, deren Graphitmikrostruktur
Flockengraphit und Kompaktgraphit enthält; es wird sich jedoch stets
eine gewisse Menge an Kugelgraphit in Bereichen zwischen den eutektischen
Erstarrungszellen bilden. Gusseisenschmelzen erstarren nicht homogen.
Die positive Segregation von Magnesium vor der Fest-Flüssig-Grenzfläche führt zu einem graduellen
Aufbau von Magnesium in der Flüssigphase.
Schließlich
kann die lokale Magnesiumkonzentration zwischen den Erstarrungszellen
ausreichend groß werden,
um kugeligen Graphit entstehen zu lassen.
-
Wie bereits erwähnt, ist die erfindungsgemäße Legierung
wesentlich weniger anfällig
für Schrumpfen, sei
es äußerlich
oder innerlich, als CGI, duktiles Gusseisen oder legiertes graues
Gusseisen. Die Erstarrung, sowohl innerlich (Porosität) als auch äußerlich
(oberflächliche
Einfallstellen) wird verursacht durch die Umverteilung von Metall
und/oder Kontraktion während
der letzten Erstarrungsstadien. Im Einzelnen erstarren dünne Partien
des Gussstücks
relativ schnell und zeigen die Neigung, bei ihrer Erstarrung und
Kontraktion das flüssige
Eisen von benachbarten dicken Partien anzuziehen. Diese Schrumpfungskräfte können Hohlräume in den sich
langsam abkühlenden
Bereichen (innere Porosität)
und oberflächliche
Einfallstellen in den Kontraktionsbereichen verursachen.
-
Die Geometrie eines Gussteils spielt
also eine wichtige Rolle bei der Beurteilung des Risikos von Schwindungsfehlern.
Komplizierte Gussstücke,
wie Zylinderblöcke,
weisen typische viele Bereiche auf, wo dünne Abschnitte (3 bis 5 mm)
direkt mit relativ dicken Abschnitten (>10 mm) verbunden sind. Solche Geometrien
sind mit legiertem grauem Gusseisen oder konventionellem CGI (5
bis 20 %) schwer zu gießen,
weit das Vorhandensein der Legierungselemente (z.B. Cr und Mo im
Falle von legiertem grauem Gusseisen oder erhöhtes Mg beim konventionellen
CGI) den Erstarrungsbereich erweitert und daher den Schrumpfungs-
oder Schwindungserscheinungen mehr Zeit zur Entwicklung lässt. Derartige
Probleme treten jedoch nicht auf, wenn man die erfindungsgemäße Gusseisenlegierung
verwendet.
-
Im Vergleich zu CGI und legierten
Graugusseisenwerkstoffen wird mit einem Gusseisen mit einer Kombination
von Flocken- und Kompaktgraphit folgendes erhalten:
-
Sicherlich ist eine genaue Prozesskontrolle
erforderlich, um die optimale Menge an Flockengraphit zu sichern.
Der Übergang
von einer CGI-Legierung mit vollständiger Kompaktgraphitausbildung
(5 % Kugelbildung, kein Flockengraphit) zu einer CGI-Legierung mit
30 % Flockengraphit kann schon mit dem Verlust von nur 0,001 % Mg
auftreten. Dies ist in 3 aufgezeigt
für Proben
in einem Probestab von 30 mm Durchmesser, gegossen aus einer 1-t-Pfanne
in einer Produktionsgießerei.
Die Impfmittelmenge hat ebenfalls einen wesentlichen Einfluss auf
die letztendlich erhaltene Graphit-Mikrostruktur. Aus diesen Gründen ist
es wichtig, das geschmolzene Eisen sorgfältig zu bereiten, zu behandeln
und zu kontrollieren, um sicherzustellen, dass weder zu viel Flockengraphit
noch zu viel CGI oder Kugelbildung entstehen. Zu viel Flockengraphit
führt zu
unzureichenden mechanischen Eigenschaften, während zu viel CGI oder Kugelbildung
die physikalischen Eigenschaften, die Gießbarkeit und die Bearbeitbarkeit
unzureichend ausfallen lässt.
Dies ist besonders wichtig bei den höheren Kohlenstoffgehalten,
wie sie in der erfindungsgemäße Legierung
empfohlen werden, da ein Gusseisen mit vollständiger Flockengraphitausbildung
bei einem Kohlenstoffgehalt von 3,6 bis 3,8 % eine Zugfestigkeit
von weniger als 200 MPa haben kann.
-
Die vorliegende Legierung stützt sich
auf den Lehren der WO 99/25888, WO 00/37699 und PCT/SE98/02122 zur
zuverlässigen
Kontrolle des Eisens innerhalb des erforderlichen Bereichs. Die
Minimierung des Magnesiums, im Zusammenspiel mit kontrollierten
Impfmittel- und Kohlenstoffäquivalent-Größen führen zu
einer starken Erstarrungshaut, die Expansions- und Kontraktionskräften widersteht
und damit Schrumpfung verhindert. Diese Fähigkeit ermöglicht es, die Legierung und
das Verfahren in Einklang mit der vorliegenden Erfindung erfolgreich
für die
Serienproduktion von komplizierten Gussstücken, wie Motorblöcken und
Zylinderköpfen,
einzusetzen.
