AT5381U1 - SPHERICAL CASTING OF HIGH STRENGTH AND DUCTILITY AND TRANSMISSION CASE MADE THEREOF - Google Patents
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Abstract
Ein verbesserter Sphäroguss soll trotz hoher Festigkeit zäh, gut bearbeit- und schweißbar sein. Er enthält: 4 bis 6 Prozent Silizium und einen entsprechend dem Kohlenstoffäquivalent verringerten Anteil an Kohlenstoff, maximal 0,03 Prozent Phosphor und 0,2 bis 0,5 Prozent Nickel. Ein Getriebegehäuse (1) daraus ist mit einem Verzahnungsteil (2) aus legiertem und/oder einsatzgehärtetem Stahl verschweißt.An improved nodular cast iron should be tough, easy to machine and weld, despite its high strength. It contains: 4 to 6 percent silicon and a proportion of carbon reduced according to the carbon equivalent, maximum 0.03 percent phosphorus and 0.2 to 0.5 percent nickel. A gear housing (1) made of it is welded to a toothed part (2) made of alloyed and / or case-hardened steel.
Description
<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft einen Sphäroguss mit einlegiertem Silizium, wie er für stark beanspruchte Gussteile üblicherweise verwendet wird, beispielsweise die Werkstoffe nach DIN beziehungsweise SAE [in eckiger Klammer]: a) EN-GJS-400-16 [D4018], b) EN-GJS-500- 7 [D4512], c) EN-GJS-600- 3 [D5608], d) EN-GJS-700- 2 [D7003].
Von diesen ist der erste (a)) noch ferritisch und daher zähe, aber seine Festigkeit ist nur mittelmässig. Soll die Festigkeit höher sein, greift man zu den Werkstoffen b), c) und d), die der Reihe nach ferritisch-perlitisch bis rein perlitisch sind, bei stark abnehmender Zähigkeit und Schweissbarkeit. Diese Werkstoffe weisen in von a) bis zu d) zunehmendem Masse ein mehrphasiges (ferritisch-perlitisches) Grundgefüge örtlich verschiedener Zusammensetzung auf, was durch die beim Giessen unvermeidlichen örtlich verschiedenen Abkühlbedingungen noch verstärkt wird und zu Problemen bei der nachfolgenden, insbesondere zerspanenden, Bearbeitung führt. Deren Einsatz ist daher auf besondere Anwendungen beschränkt.
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Im Fahrzeugbau ist die Verringerung des Gewichtes ein besonderes Anliegen, was bei Gussteilen geringe Wandstärken - also hohe Festigkeit aber auch Zähigkeit sowie gute Bearbeitbarkeit erfordert. Man ist dann genötigt, Stahl einzusetzen, der aber um etwa 10 Prozent schwerer ist.
Zwar ist es bekannt im Fahrzeugbau für Anwendungen, die eine hohe Hitzebeständigkeit erfordern, Sphäroguss mit hohem Gehalt an Silizium und 0,5 bis 2 Prozent Molybdän einzusetzen. Dieser ist jedoch sehr spröde und überhaupt schwer bearbeitbar.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, Sphäroguss so zu verbessern, dass er trotz hoher Festigkeit zäh, gut bearbeitbar und schweissbar ist.
Ein erfindungsgemässer Sphäroguss enthält : bis 6 Prozent Silizium und einen entsprechend dem Kohlenstoffäquivalent verringerten Anteil an Kohlenstoff, maximal 0,03 Prozent Phosphor und 0,2 bis 0,5 Prozent Nickel. Der hohe Gehalt an Silizium wirkt Ferrit - stabilisierend und erhöht auch die Festigkeit. Das Kohlenstoffäquivalent erfordert eine entsprechende Absenkung des Kohlenstoffgehaltes. Da Phosphor aufgrund der starken Mischkristallverfestigung der mit von ihm eingegangenen Verbindungen versprödend wirkt, ist er möglichst klein zu halten. Auch Nickel verringert die Sprödigkeit und vergrössert die Festigkeit, wobei die erforderlichen Anteile so gering sind, dass die dadurch entstehenden Mehrkosten vernachlässigbar sind.
Die Festigkeit wird hier nicht, wie bei Sphäroguss nach dem Stand der Technik, über einen höheren Gehalt an Perlit erhalten, sondern durch Mischkristallverfestigung. Im Zusammenwirken dieser Massnahmen wird
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eine deutliche Festigkeitssteigerung bei guter Duktilität und Schweissbar- keit erreicht.
Die Mengenverhältnisse, bei denen besonders gute Werte erzielt wurden sind gemäss Ansprüchen 2 und 3 Silizium bei 4,1 bis 4,5 Prozent und Nickel bei 0,25 bis 0,35 Prozent. Die Begrenzung des Gehaltes an Kupfer unter das übliche Mass verstärkt die Wirkung der erfindungsgemässen Massnahmen, da Kupfer ein Perlitbildner ist.
Schliesslich betrifft die Erfindung auch ein Getriebegehäuse, das aus einem Sphäroguss nach einem der vorhergehenden Ansprüche besteht. Ein solches Getriebegehäuse kann wegen der hohen Festigkeit des erfindungsgemäss verbesserten Sphäroguss dünnwandiger und leichter sein. Die für die Bildung von Anschlussflanschen und Lagersitzen nötige spanabhebende Bearbeitung ist uneingeschränkt möglich.
Weiters kann ein Getriebegehäuse aus dem erfindungsgemässen Werkstoff mit einem Verzahnungsteil aus legiertem und/oder einsatzgehärtetem Stahl verschweisst sein.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Tafeln beziehungsweise Abbildungen erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1: Eine Gegenüberstellung von Sphäroguss nach dem Stand der
Technik mit einem erfindungsgemäss verbesserten, Fig. 2 : Schnitt durch ein erfindungsgemässes Getriebegehäuse.
In Fig. 1 sind die Eigenschaften der Werkstoffe nach dem Stand der Technik gemäss a) bis d) weiter oben in den ersten vier Spalten denen des erfindungsgemäss verbesserten in der fünften Spalte gegenübergestellt. Die
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Zahlen und Angaben sprechen für sich und untermauern das in der Beschreibungseinleitung gesagte.
Als Beispiel folgt eine Analyse des Werkstoffes in der fünften Spalte der Fig. 1. Die angegebenen Prozentanteile sind die Mittelwerte aus mehreren Gussstücken einer Charge:
EMI4.1
<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> Ni <SEP> Al
<tb> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP>
<tb> X <SEP> 3,142-4,314 <SEP> 0,1922 <SEP> 0,0240 <SEP> 0,0074 <SEP> 0,0252 <SEP> 0,0024 <SEP> 0,3028 <SEP> 0,0035
<tb>
<tb> Co <SEP> Cu <SEP> Nb <SEP> TI <SEP> V <SEP> W <SEP> Pb <SEP> Sn <SEP> Mg
<tb> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP>
<tb> X <SEP> 0,0032 <SEP> 0,2276 <SEP> 0,0015 <SEP> 0,0093 <SEP> 0,0027 <SEP> < 0,0050 <SEP> 0,0017 <SEP> 0,0059 <SEP> 0,
0293
<tb>
<tb> As <SEP> Zr <SEP> Bi <SEP> Ca <SEP> Ca <SEP> Sb <SEP> Se <SEP> Te <SEP> B
<tb> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP>
<tb> X <SEP> 0,0049 <SEP> 0,0078 <SEP> < 0,0010 <SEP> 0,0040 <SEP> 0,0049 <SEP> 0,0028 <SEP> < 0,0010 <SEP> 0,0078 <SEP> < 0,0001
<tb>
<tb> La <SEP> N <SEP> Fe
<tb> % <SEP> % <SEP> %
<tb> X <SEP> < 0,0025 <SEP> > 0,0240 <SEP> < 91,6
<tb>
In Fig. 2 ist das Gehäuse eines Getriebes mit 1 und ein mit diesem zu einem Bauteil verbundenem Zahnrad mit 2 bezeichnet. Das Gehäuse 1 besteht hier aus einem erfindungsgemäss verbesserten Sphäroguss. Das Zahnrad 2 ist aus Stahl und einsatzgehärtet. Das Gehäuse 1 weist eine erste achsnormale zu verschweissende Fläche 3 auf, an die ein zylindrischer Kragen 4 anschliesst, der eine äussere zylindrische Passfläche 5 bildet.
Das Gehäuse 1 kann an einer Stelle grösserer Wandstärke mit einer parallel zur ersten zu verschwei- #enden Fläche verlaufenden Umfangsnut 6 versehen sein, die im Quer- schnitt gerundet ist. Am Zahnrad 2 ist eine in einer Ebene normal zur Achse
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liegende zweite zu verschweissende Fläche 7 und eine zylindrische Passfläche 8 vorgesehen, die auf der zylindrischen Passfläche 5 sitzt.
Die zylindrische Passfläche 8 kann am Übergang zur zweiten zu verschwei- #enden Fläche 7 zurückgenommen sein, sodass sich eine Erweiterung 9 bildet. Diese erleichtert die Fertigung und das Aufschieben des Zahnrades auf den Kragen 4 und verbessert erforderlichenfalls die Durchschweissung der Wurzel. Mit 18 ist die Drehachse des Bauteiles und mit 20 der Schweisskopf bezeichnet.
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The invention relates to a spheroidal cast iron with alloyed silicon, as is usually used for heavily stressed castings, for example the materials according to DIN or SAE [in square brackets]: a) EN-GJS-400-16 [D4018], b) EN-GJS -500- 7 [D4512], c) EN-GJS-600-3 [D5608], d) EN-GJS-700- 2 [D7003].
The first (a)) is still ferritic and therefore tough, but its strength is only moderate. If the strength is to be higher, materials b), c) and d) are used, which are ferritic-pearlitic to purely pearlitic in order, with a strongly decreasing toughness and weldability. These materials have a multiphase (ferritic-pearlitic) basic structure of locally different compositions, which increases from a) to d), which is exacerbated by the locally different cooling conditions which are unavoidable during casting and leads to problems in the subsequent, in particular machining, processing , Their use is therefore limited to special applications.
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In vehicle construction, the reduction in weight is a particular concern, which requires small wall thicknesses for cast parts - i.e. high strength but also toughness and good machinability. You are then forced to use steel, which is about 10 percent heavier.
It is known in automotive engineering for applications that require high heat resistance to use nodular cast iron with a high content of silicon and 0.5 to 2 percent molybdenum. However, this is very brittle and difficult to machine at all.
It is therefore an object of the invention to improve nodular cast iron in such a way that it is tough, easy to machine and weld, despite its high strength.
A spheroidal graphite cast iron according to the invention contains: up to 6 percent silicon and a proportion of carbon reduced corresponding to the carbon equivalent, a maximum of 0.03 percent phosphorus and 0.2 to 0.5 percent nickel. The high silicon content has a stabilizing effect on the ferrite and also increases the strength. The carbon equivalent requires a corresponding reduction in the carbon content. Since phosphorus has an embrittling effect due to the strong solid solution strengthening of the compounds it has received, it should be kept as small as possible. Nickel also reduces the brittleness and increases the strength, whereby the required proportions are so small that the resulting additional costs are negligible.
The strength is not obtained here, as in the case of spheroidal cast iron according to the prior art, via a higher content of pearlite, but rather by solid-solution strengthening. In the interaction of these measures
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achieved a significant increase in strength with good ductility and weldability.
The proportions at which particularly good values were achieved are silicon at 4.1 to 4.5 percent and nickel at 0.25 to 0.35 percent according to claims 2 and 3. Limiting the copper content below the usual level increases the effect of the measures according to the invention, since copper is a pearlite former.
Finally, the invention also relates to a gear housing which consists of a spheroidal graphite cast iron according to one of the preceding claims. Such a gear housing can be thin-walled and lighter because of the high strength of the spheroidal cast iron improved according to the invention. The machining required for the formation of connecting flanges and bearing seats is possible without restriction.
Furthermore, a gear housing made of the material according to the invention can be welded to a toothed part made of alloyed and / or case-hardened steel.
The invention is explained below with the aid of tables or illustrations. They represent:
Fig. 1: A comparison of nodular cast iron according to the state of the
Technology with an improved according to the invention, Fig. 2: section through an inventive transmission housing.
In FIG. 1, the properties of the prior art materials according to a) to d) above in the first four columns are compared to those of the improved in the fifth column. The
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Numbers and details speak for themselves and underpin what was said in the introduction to the description.
As an example, an analysis of the material follows in the fifth column of FIG. 1. The percentages given are the mean values from several castings of a batch:
EMI4.1
<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> Ni <SEP> Al
<tb>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>
<tb> X <SEP> 3.142-4.314 <SEP> 0.1922 <SEP> 0.0240 <SEP> 0.0074 <SEP> 0.0252 <SEP> 0.0024 <SEP> 0.3028 <SEP> 0 , 0035
<Tb>
<tb> Co <SEP> Cu <SEP> Nb <SEP> TI <SEP> V <SEP> W <SEP> Pb <SEP> Sn <SEP> Mg
<tb>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>
<tb> X <SEP> 0.0032 <SEP> 0.2276 <SEP> 0.0015 <SEP> 0.0093 <SEP> 0.0027 <SEP> <0.0050 <SEP> 0.0017 <SEP> 0.0059 <SEP> 0,
0293
<Tb>
<tb> As <SEP> Zr <SEP> Bi <SEP> Ca <SEP> Ca <SEP> Sb <SEP> Se <SEP> Te <SEP> B
<tb>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>% <SEP>
<tb> X <SEP> 0.0049 <SEP> 0.0078 <SEP> <0.0010 <SEP> 0.0040 <SEP> 0.0049 <SEP> 0.0028 <SEP> <0.0010 <SEP > 0.0078 <SEP> <0.0001
<Tb>
<tb> La <SEP> N <SEP> Fe
<tb>% <SEP>% <SEP>%
<tb> X <SEP> <0.0025 <SEP>> 0.0240 <SEP> <91.6
<Tb>
In Fig. 2, the housing of a transmission with 1 and a gear connected to a component with 2 is designated. The housing 1 here consists of an improved spheroidal cast iron according to the invention. The gear 2 is made of steel and case hardened. The housing 1 has a first axially normal surface 3 to be welded, to which a cylindrical collar 4 adjoins, which forms an outer cylindrical fitting surface 5.
At a point of greater wall thickness, the housing 1 can be provided with a circumferential groove 6 which runs parallel to the first surface to be welded and which is rounded in cross section. On gear 2, one is normal to the axis in one plane
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lying second surface 7 to be welded and a cylindrical fitting surface 8 is provided, which sits on the cylindrical fitting surface 5.
The cylindrical fitting surface 8 can be withdrawn at the transition to the second surface 7 to be welded, so that an extension 9 is formed. This facilitates the manufacture and the sliding of the gear onto the collar 4 and, if necessary, improves the welding through of the root. 18 the axis of rotation of the component and 20 the welding head.
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