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Dokumentenidentifikation DE10320397B4 29.11.2007
Titel Gusseisenlegierung für Zylinderkurbelgehäuse
Anmelder Halberg Guss GmbH, 66130 Saarbrücken, DE
Erfinder Kleine, Andreas, Dr., 66130 Saarbrücken, DE
Vertreter Grosse, Bockhorni, Schumacher, 80687 München
DE-Anmeldedatum 06.05.2003
DE-Aktenzeichen 10320397
Offenlegungstag 02.12.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.11.2007
IPC-Hauptklasse C22C 33/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C22C 37/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gusseisenlegierung zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 5 sowie entsprechende Zylinderkurbelgehäuse.

Motorblöcke beziehungsweise Zylinderkurbelgehäuse werden nach dem Stand der Technik in großem Umfang aus Eisengusswerkstoffen hergestellt. So ist es beispielsweise aus der DE 197 80 253 C2 bekannt, Motorkolbenringe aus Lamellengrauguss herzustellen. Da an die Zylinderbereiche von Hubkolbenmotoren besondere Anforderungen insbesondere hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften der Zylinderlauffläche gestellt werden, 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 Mikroöltaschen entstehen beispielsweise auch bei der Bearbeitung der Zylinderlauffläche durch Hohnen durch Mikroausbrüche, die durch kubische Mikroeinschlüsse mitverursacht werden.

Der dafür erforderliche Titangehalt von 0,03 bis 0,06 % liegt normaler Weise teilweise in der Basisschmelze mit 0,01 bis 0,02 % im Gleichgewicht mit dem Siliziumgehalt 1,8 bis 2,3 % als Spurenelement vor; der Rest wird durch Zugabe von geeigneten Titanträgern zulegiert.

Auch der Stickstoff liegt in der Basisschmelze als Spurenelement vor, meistens in Gehalten von 60 bis 90 ppm. Der Endgehalt muß mit geeigneten Stickstoffträgern auf einen solchen Wert gebracht werden, der eine ausreichende Bildung TiN, TiC/N und Eisennitrid sichert.

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 Gew.-% 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.

Schließlich sind aus der DE 196 29 970 C1 Gusseisenlegierungen für Motorkolbenringe bekannt, die sich zur Erzielung hoher Festigkeitswerte durch eine perlitische Grundstruktur mit kugelförmigen oder vermikularförmigen Graphitausscheidungen auszeichnet. Zur weiteren Perlitisierung können der Legierung unter anderem Titan, Niob und Tantal bis zu 4,0 Gew.-% zugegeben werden.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Gusseisenwerkstoff für die Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen bzw. entsprechende Motorblöcke bereitzustellen, die auf einfache Weise die Eigenschaften Festigkeit, Verschleißbeständigkeit und gute Zerspanbarkeit vereinen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gusseisenlegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs 5 Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass den Nachteilen des Titangehalts in Gusseisenlegierungen hinsichtlich der Festigkeitsminderung durch Bildung von Titannitriden dadurch begegnet werden kann, dass anstelle des Titans Niob und Tantal als Legierungszusätze verwendet werden, wobei die tribologischen Eigenschaften der Gusseisenlegierung, die insbesondere im Zylinderbereich bei den bekannten Legierungen durch die harten, kubus-förmigen Titancarbid-, Titannitrid- und Titan-Carbonitrid-Einschlüsse erreicht werden, beibehalten werden können. Dies ergibt sich aus den Eigenschaften von Niob und Tantal, welche eine niedrigere Affinität zum Stickstoff und eine höhere Affinität zu Kohlenstoff und Schwefel aufweisen und mit diesen Elementen kubische Mikroeinschlüsse bilden. Aufgrund dieser Eigenschaften wird durch Niob und/oder Tantal weniger Stickstoff, zur Bildung von Titannitriden bzw. Niob- oder Tantalnitriden entzogen, was für die Festigkeitseigenschaften der Gusseisenlegierung wichtig ist. Gleichzeitig bilden aber Niob und/oder Tantal durch die höhere Affinität zu Kohlenstoff und Schwefel harte Einschlüsse aus, zum Beispiel salzartige Carbide, beispielsweise in eckiger, insbesondere in kubischer Form, welche die Rolle der Titancarbid-, Titannitrid und Titan-Carbonnitrid-Einschlüsse für die tribologischen Eigenschaften übernehmen können. Außerdem weisen Niob und Tantal, die als Mikrolegierungsbestandteile in Anteilen von jeweils 0,01 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 0,9 %, beziehungsweise vorzugsweise mit Werten von zusammen maximal 5 Gew.-% zugegeben werden, eine solche Dichte auf, die ein Ausflotieren aus der Schmelze zu vermeidet. Darüber hinaus besitzen Niob und Tantal eine geringe Neigung zur Verschlackung der Gusseisenschmelzen, so dass auch dies die Verarbeitbarkeit der Legierung mit einer höheren Treffsicherheit gegünstigt.

Die Niob- und Tantalanteile, die normalerweise einen höheren Schmelzpunkt als die Gusseisenlegierung aufweisen, können in bekannter Weise über Trägerlegierungen, zum Beispiel Ferroniob, Ferrotantal oder Ferroniobtantal in die Schmelze eingeführt werden, wie zum Beispiel in der DE 19 728 771 C2 beschrieben.

Obwohl bereits die Vorteile der vorliegenden Erfindung erreicht werden, wenn Titan nur teilweise durch Niob und/oder Tantal ersetzt wird, ist es bevorzugt den Titangehalt ≤ 0,02 Gew.-% zu halten, also Titan im Wesentlichen über den Spurenelementgehalt hinaus vollständig zu ersetzen.

Um eine ausreichende Festigkeit der Gusseisenlegierung zu erreichen, ist es bevorzugt den Stickstoffanteil in einem Bereich von 0,01 bis 0,025 Gew.-% zu wählen. Mit diesem Stickstoffgehalt können die gewünschten Festigkeitswerte in besonders günstiger Weise erzielt werden.

Eine bevorzugte untereutektische Gusseisenlegierung weist gemäß der Erfindung folgende Zusammensetzung in Gew.-% auf:

Kohlenstoff 2 bis 4 %, insbesondere 2,5 bis 3,4 %, vorzugsweise 2,8 bis 3,3 %

Silicium 0,5 bis 3 %, insbesondere 1,7 bis 2,6 %, vorzugsweise 1,8 bis 2,3 %

Niob 0,3 bis 5 %, insbesondere 0,5 bis 5,0 %, vorzugsweise 0,3 bis 1,0 %

Tantal 0,3 bis 5 %, insbesondere 0,5 bis 5,0 %, vorzugsweise 0,3 bis 1,0 %

Titan 0,01 bis 0,02 % (Spurenpegel)

Chrom 0,15 bis 0,35 %

Schwefel 0,10 bis 0,17 %

Rest Eisen, Eisenbegleiter, Spurenelemente und unvermeidbare Verunreinigungen.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die oben beschriebenen Gusseisenlegierungen zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen für Hubkolbenmotoren, insbesondere für Dieselmotoren eingesetzt. Durch die Ausbildung der harten, vorzugsweise eckigen, insbesondere kubischen Einschlüsse aus Niob- und/oder Tantal-Carbiden kommt es bei der Bearbeitung der Zylinderlauffläche in Nähe der vorliegenden Graphitlamellen zu kleinen Ausbrüchen der harten Partikel, so dass sich Mikroöltaschen ausbilden. Dies vermindert den Ölverbrauch und verbessert die Verschleißbeständigkeit. Außerdem werden durch die harten Partikel in der Zylinderlauffläche niedrige Reibungsbeiwerte und damit ebenfalls eine erhöhte Verschleißbeständigkeit gewährleistet.

Ausführungsbeispiel für dir Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen aus der erfindungsgemäßen Legierung:

Solche Teile werden nach dem Stand der Technik im Sandgussverfahren mit Kunstharz gebundenen Kernen und Außenformen aus Kunstharz- oder Bentonith-gebundenem Sand hergestellt. Diese Formstoffe und die Sanddicke legen die Erstarrungs- und Abkühlverhältnisse und damit wesentlich die Gefügeausbildung fest. Auch die mechanischen Eigenschaften werden durch diese Verhältnisse charakterisiert. Für Zylinderkurbelgehäuse mit einem Rohteilgewicht von 35 bis 250 kg und Wanddicken von 7 bis 15 mm im Zylinderrohrbereich im Gusszustand werden mit der erfindungsgemäßen Legierung bei Wahrung der Tribologischen Vorteile und guter Zerspanbarkeit Zugfestigkeiten von 260 bis 320 MPa erreicht.


Anspruch[de]
Gusseisenlegierung für Lamellengrauguss zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen mit Stickstoff und einem Titan-, Niob- und/oder Tantalanteil und mit einer Struktur mit Mikroeinschlüssen aus Niob- und/oder Tantalcarbiden, bei der der Titan-Anteil über dem Spurengehalt durch Zugabe von Niob und/oder Tantal mit jeweils oder gesamt 0,01, insbesondere 0,3 bis 5 Gew.-% zumindest teilweise ersetzt ist. Gusseisenlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Titan-Gehalt ≤ 0,02 Gew.-% ist. Gusseisenlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff-Anteil 0,01 bis 0,025 Gew.-% beträgt. Gusseisenlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Niob- und Tantal-Anteil zusammen maximal 5 Gew.-% beträgt. Gusseisenlegierung für Lamellengrauguss zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen,

gekennzeichnet, durch

folgende Zusammensetzung in Gew.-%:

Kohlenstoff 2 bis 4 %, insbesondere 2,5 bis 3,4 %, vorzugsweise 2,8 bis 3,3 %

Silicium 0,5 bis 3 %, insbesondere 1,7 bis 2,6 %, vorzugsweise 1,8 bis 2,3 %

Niob 0,3 bis 5 %, insbesondere 0,5 bis 5,0 %, vorzugsweise 0,3 bis 1,0 %

Tantal 0,3 bis 5 %, insbesondere 0,5 bis 5,0 %, vorzugsweise 0,3 bis 1,0 %

Titan 0,01 bis 0,02 % (Spurenpegel)

Chrom 0,15 bis 0,35 %

Schwefel 0,10 bis 0,17 %

Rest Eisen, Eisenbegleiter, Spurenelemente und unvermeidbare Verunreinigungen.






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