Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gusseisenwerkstoff zur Herstellung von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen, der bestimmte Anteile an Martensit, Primärkarbiden, Perlit und Bainit umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen, die als Grundkörper einen derartigen Gusseisenwerkstoff umfassen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gusseisenwerkstoffs.

Gusseisenwerkstoffe bzw. Gusseisenlegierungen werden zur Herstellung hoch beanspruchter Teile von Verbrennungskraftmotoren, wie beispielsweise Kolbenringen, verwendet. Kolbenringe, insbesondere Kompressionsringe in hochbeanspruchten Motoren, zum Beispiel Dieselmotoren, 2-Takt-Dieselmotoren, werden vorzugsweise als Gusskolbenringe mit einer Laufflächenbeschichtung, beispielsweise einer Chrom-Keramik-Beschichtung oder einer Einlaufschicht ausgelegt. Als geeigneter Gusswerkstoff werden bisher ein vermiculargraphitisches Gusseisen (GOE 50 A) mit Zugfestigkeiten von 400 bis 600 MPa und sphärolitische vergütete Gusswerkstoffe (GEO 52/56) eingesetzt.

Kolbenringe, insbesondere Kompressionsringe, unterliegen in hochbeanspruchten Motoren einer zunehmenden Belastung, wie beispielsweise Kompressionsspitzendruck, Verbrennungstemperatur, EGR, Schmierfilmreduzierung, die deren Funktionseigenschaften, wie Verschleiß, Brandspurbeständigkeit, Microwelding, Korrosionsbeständigkeit, maßgeblich beeinflussen.

Bei höheren mechanischen und dynamischen Beanspruchungen an Kolbenringen werden jedoch meist hochchromlegierte martensitische Stähle eingesetzt. Der Einsatz dieser Stähle weist aber den Nachteil auf, dass die Herstellungskosten im Vergleich zu Gusseisenbauteilen signifikant höher sind, außerdem ab einem gewissen Durchmesser die Ringherstellung (wickeln) aus Stahldraht nicht mehr möglich.

Kolbenringe dichten den zwischen Kolbenkopf und Zylinderwand vorhandenen Spalt gegenüber dem Brennraum ab. 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 wechselnd an der oberen oder unteren Nutenflanke der Kolbenringnut anliegen. Bei den jeweils gegeneinander laufenden Gleitpartnern tritt in Abhängigkeit des Materials ein mehr oder weniger starker Verschleiß auf, der bei einem Trockenlauf zu so genannten Fressern, Riefenbildung und schließlich zu einer Zerstörung des Motors führen kann. Um das Gleit- und Verschleißverhalten von Kolbenringen gegenüber der Zylinderwand zu verbessern, wurden diese an deren Umfangsfläche mit Beschichtungen aus unterschiedlichen Materialien versehen.

Gusseisenwerkstoffe können in verschiedenen Mikrostrukturen vorliegen, die durch Verwendung spezieller Zusammensetzungs- und/oder Verfahrensparameter eingestellt werden können. So ist bekannt, dass die mechanischen Eigenschaften von Gusseisenwerkstoffen durch eine geeignete Wärmebehandlung verbessert werden können.

Ein Gusseisenwerkstoff, der ein bainitisches bis martensitisches Grundgefüge aufweist, das durch eine Wärmebehandlung erzeugt ist, wird beispielsweise in der DE 24 28 821 A beschrieben. In dem Grundgefüge sind lamellare bis knötchenförmige Graphitausscheidungen enthalten, um Notlaufeigenschaften zu gewährleisten.

Ein Verfahren zur Herstellung eines perlitischen und/oder ferritischen Gusseisens wird in der US 3,565,698 beschrieben. Hier wird das Ausgangsmaterial in der Schmelze mit Mischmetall versetzt und zu einem Rohling gegossen. Der Rohling wird nach dem Gießen bei einer Temperatur in einem Bereich von 900°C und 1050°C geglüht, um den Zementit in Lösung zu setzen, um den schwarzen Temperguss zu erzeugen. Wie in der US 3,000,770 beschrieben wird, kann die Glühzeit durch das Zugeben von Schwefel in einer bedeutenden Menge zu dem Ausgangsmaterial reduziert werden.

In der EP 1 384 794 A1 ist ein Gusseisenwerkstoff für Kolbenringe beschrieben, der eine spezifische chemische Zusammensetzung aufweist und einer Wärmebehandlung unterworfen wird, die eine Austenitisierungsbehandlung, gefolgt von einem isothermalen Härtungsverfahren, umfasst, um eine mechanische Eigenschaften zu erreichen, die zu denen von Stählen vergleichbar sind. Durch den Einsatz von Kugelgraphit-bildenden Zusätzen wird ein sphärolitischer Werkstoff erhalten. Bei Kolbenringen muss dieser Gusseisenwerkstoff eine Matrix aus Perlit mit geringen Anteilen von Ferrit aufweisen, um eine optimale Wärmebehandlung zu erfahren, durch die die mechanischen Eigenschaften des Gusseisenwerkstoffs verbessert werden. Durch die Wärmebehandlung wird ein bainitisch-austenitisches Matrixgefüge erzeugt, jedoch ergibt sich hier der Nachteil einer Entfestigung bei höheren Einsatztemperaturen, bei denen sich die bainitisch-austenitische Struktur in bainitisch-feinperlitisch Strukturen umwandelt. Dieser Effekt verhindert den Einsatz dieses Materials in Verbrennungsmotoren, da somit wesentliche Funktionseigenschaften wie die Tangentialkraft negativ beeinflusst werden.

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.

Die Gusseisenwerkstoffe gemäß dem Stand der Technik weisen jedoch ein hohes Bruchrisiko auf, so dass es bei der Verwendung bisheriger Werkstoffe häufig zu Ringbrüchen kommt. Gestiegene mechanisch-dynamische Belastungen führen zu kürzeren Lebensdauern von Kolbenringen oder Zylinderlaufbuchsen. Ebenso kommt es zu starkem Verschleiß und Korrosion an Lauffläche und Flanke.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Gusseisenwerkstoff mit erhöhter Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie einen Kolbenring bzw. eine Zylinderlaufbuchse mit minimiertem Bruchrisiko bereitzustellen, der bzw. die bei gestiegener mechanisch-dynamischer Belastung das weitere Funktionsverhalten über lange Lebensdauern garantiert und der bzw. die eine erhöhte Verschleiß- und der Korrosionsbeständigkeit an Lauffläche und Flanke aufweist. Eine weitere Aufgabe ist es, Verfahren zur Herstellung eines Gusseisenwerkstoffs mit erhöhter Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Gusseisenwerkstoff gemäß Anspruch 1 und einen Kolbenring gemäß Anspruch 11, eine Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 13 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.

Der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff zeichnet sich insbesondere durch eine höhere Zugfestigkeit, Dauerfestigkeit, Verschleißbeständigkeit und Biegebruchfestigkeit als die bisher angewendeten Werkstoffe aus. Gleichzeitig verfügt der erfindungsgemäße Werkstoff über eine signifikant verbesserte Zähigkeit, was sich insbesondere positiv auf die Bruchneigung auswirkt. Weiterhin ist der Gusseisenwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere zur Herstellung von Kolbenringen und/oder Zylinderbuchsen geeignet.

Aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs kann eventuell die Flanken- und Laufflächenbeschichtung entfallen und damit kostengünstiger produziert werden.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung enthalten.

Erfindungsgemäß wird ein Gusseisenwerkstoff bereitgestellt, der besonders zur Herstellung von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen geeignet ist und ein Mischgefüge aufweist, das einer Wärmebehandlung unterzogen wird und > 50 % überwiegend angelassenen Martensit, < 10 % und > 0,5% Primärkarbide, < 30 % Perlit und < 30 % angelassenen Bainit umfasst, wobei > 70 % der Primärkarbide NbC sind. Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Mischgefüge > 70 % überwiegend angelassenen Martensit, < 7 % und > 0,5% Primärkarbide, < 20 % Perlit und < 20 % angelassenen Bainit umfasst.

Die Wärmebehandlung, der das Mischgefüge unterzogen wird, beinhaltet bevorzugt die folgenden Schritte: Austenitisieren des Gusseisenwerkstoffs bei 900 bis 1000°C für eine Stunde, Abschrecken des Gusseisenwerkstoffs in Öl oder einem anderen geeigneten Abschreckmedium und Anlassen des Gusseisenwerkstoffs bei 420 bis 470°C für eine Stunde.

Der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff weist bevorzugt die folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% auf Kohlenstoff 3,0 bis 4,2; Silizium 1,5 bis 3,0; Mangan max. 0,5; Phosphor max. 0,05; Schwefel max. 0,02; Chrom max. 0,3; Kupfer 0,5 bis 1,8; Molybdän max. 0,5; Magnesium max. 0,03; Nickel max. 1,0; Niob 0,3 bis 3,0; wobei der Rest Eisen einschließlich herstellungsbedingte Verunreinigungen ist. Der Gusseisenwerkstoff enthält bevorzugt kein Zinn. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff die folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% auf: Kohlenstoff 3,0 bis 4,2; Silizium 1,5 bis 3,0; Mangan 0,02 bis 0,5; Phosphor 0,005 bis 0,05; Schwefel 0,005 bis 0,02; Chrom 0,02 bis 0,3; Kupfer 0,5 bis 1,8; Molybdän 0,02 bis 0,5; Magnesium 0,005 bis 0,03; Nickel 0,02 bis 1,0; Niob 0,3 bis 3,0; wobei der Rest Eisen einschließlich herstellungsbedingte Verunreinigungen ist. Der Gusseisenwerkstoff enthält bevorzugt kein Zinn.

Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs können weiterhin spezifisch gesteuert werden, in dem die Art der im Werkstoff vorliegenden Graphitausbildung sphärolitisch und/oder vermicular variiert wird.

Vermiculargraphit ist „wurmförmiger" Graphit, welcher in seiner Morphologie zwischen Lamellengraphit und Kugelgraphit liegt und wird im Allgemeinen mit GJV abgekürzt. Aufgrund der vermicularen Graphitausbildung weichen die Eigenschaften im Wesentlichen vom Ferrit-/Perlit-Verhältnis im Grundgefüge sowie vom Anteil des begleitenden Kugelgraphits ab. Üblich sind hier 80 bis 90% Vermiculargraphit, der Rest besteht aus Kugelgraphit. GJV eignet sich daher für thermisch beanspruchte, insbesondere temperaturwechselbeanspruchte Bauteile wie Kolbenringe.

Gusseisen mit sphärolitischer bzw. „kugelförmiger" Graphitausbildung ist auch als GJS bekannt. Bei diesem Werkstoff ist der Hauptanteil des Kohlenstoffs im Gusszustand in Form von Kugelgraphit ausgeschieden.

Ein sphärolitischer Gusseisenwerkstoff weist den Vorteil einer deutlich geminderten Kerbwirkung und deutlich höheren Zugfestigkeit und Duktilität auf. Ein vermiculargraphitischer Gusseisenwerkstoff weist höhere Festigkeitseigenschaften als andere Graphitausbildungen auf. Natürlich ist es möglich, einen Gusseisenwerkstoff mit verschiedenen Graphitausbildungen alleine sowie als Gemisch bereitzustellen. Verfahren sind dem Fachmann bekannt. Eine Graphitüberführung zu einem Gusseisenwerkstoff mit vermicularer Graphitausbildung (GJV) oder sphärolitischer Graphitausbildung (GJS) kann beispielsweise durch eine Mg-Behandlung, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, erreicht werden. Beispiele für Modifikationsverfahren sind GF(Georg-Fischer)-Konverter, Sandwich, Durchfluss, Fülldraht-Injektionsbehandlung.

Der Gusseisenwerkstoff kann weiterhin ein Element enthalten, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Titan, Tantal, Wolfram, Bor, Tellur oder Bismut oder deren Kombinationen, insbesondere in einer Menge von bis zu 1 Gew.-%. Derartige Elemente bilden leicht Karbide und verbessern die Verschleißbeständigkeit.

Weiterhin kann der Gusseisenwerkstoff einen Zusatzstoff enthalten, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Cobalt, Antimon, Calcium, Strontium, Aluminium, Lanthan, Cer, Seltenerdmetallen oder deren Kombinationen, bevorzugt in einer Menge von bis zu 0,1 Gew.-%. Seltenerdmetalle, die als Kugelgraphit-keimbildende Zusätze, wie auch NiMg, NiSiMg, FeMg oder FeSiMg, wirken, werden bevorzugt. Seltenerdmetalle umfassen Gemische aus Lanthanoiden mit Oxiden anderer Metalle. Diese Elemente und Zusatzstoffe können herstellungsbedingte Verunreinigungen sein oder während des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs zu der Schmelze zugegeben werden.

Die Inhaltsstoffe sind derart enthalten, dass die Summe aller genannten oder nicht explizit genannten Ausgangsmaterialien, Bestandteile, Inhaltstoffe, Elemente, Zusatzstoffe in jedem Fall 100 Gew.-% ergeben. Der Anteil an Ausgangsmaterialien, Bestandteilen, Inhaltstoffen, Elementen, Zusatzstoffen kann durch verschiedene, dem Fachmann bekannte Verfahren eingestellt werden. Die chemische Zusammensetzung wird insbesondere in Abhängigkeit vom Gussstückmodul eingestellt.

Der erfindungsgemäße Gusseisenwerkstoff weist eine Zugfestigkeit im Bereich von (700–1200MPa) auf, seine Bruchdehnung ist größer als 0,5%, was sich insbesondere positiv auf die Bruchneigung auswirkt. Die Dauerfestigkeit und die Biegebruchfestigkeit von Kolbenringen und Zylinderbuchsen aus dem erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoff liegen im Bereich von (min. 250MPa) bzw. Biegefestigkeit min. 900MPa.

Bei dem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffs wird zuerst eine Schmelze hergestellt. Die Schmelze weist bevorzugt die oben genannten chemischen Zusammensetzungen auf. Anschließend wird ein Rohling unter Erstarrung der Schmelze hergestellt.

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, Stempel-Pressverfahren, Croning oder Grünsandformen als Einzel- oder Mehrfachrohling und zu einem Kolbenring oder einer Zylinderlaufbuchse weiterverarbeitet werden. Der Fachmann wird aufgrund der Zweckbestimmng des Rohlings und unter Zuhilfenahme seines allgemeinen Fachwissens die geeignete Methode wählen.

Das Verfahren zur Herstellung des Gusseisenwerkstoffs umfasst weiterhin eine Wärmebehandlung, bestehend aus einer Austenitisierung für eine Stunde bei 900 bis 1000°C mit nachfolgendem Abschrecken des Gusseisenwerkstoffs in Öl oder einem anderen geeigneten Abschreckmedium und einer Anlassbehandlung bei 420 bis 470°C für eine Stunde.

Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung, ohne sie zu beschränken.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Gusseisenwerkstoffes wird zunächst eine Gusseisen-Schmelze in einem Ofen, vorzugsweise Kupolofen, hergestellt. Anschließend wird ein Rohling unter Erstellung der Schmelze erzielt. Der Rohling kann dabei mit bekannten Verfahren, wie zum Beispiel Schleuderguss, Strangguss etc. gegossen werden und dann später zu einem Kolbenring oder zu einer Zylinderlaufbuchse weiterverarbeitet werden. Der Gusseisen-Werkstoff kann weiter in einer Wärmebehandlung, bestehend aus einer Austenitisierung für eine Stunde bei 900°C–1000°C mit nachfolgendem Abschrecken des Gusseisenwerkstoffs in Öl oder einem anderen geeigneten Abschreckungsmedium und einer Anlassbehandlung bei 420°C–470°C für eine Stunde weiterbehandelt werden.

Auf diese Weise wird ein Gusseisenwerkstoff mit vermicularem Graphit und einem Grundgefüge aus Martensit, Primärkarbiden, Perlit und Bainit, mit maximal 3% Ferriten hergestellt, welcher folgende chemische Zusammensetzung (Gew.-%) aufweist:

C 3,9

SI 1,86

Mn 0,10

P 0,033

S 0,009

Cu 1,50

Mo 0,008

Ni 0,33

Cr 0,022

V 0,008

Nb 0,5–1,0

Mg 0,010

Rest Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Der gewonnene Gusseisenwerkstoff weist eine Härte von 330–490 HB und eine Zugfestigkeit von mindestens 700 MPa auf.