DE69929017T2

DE69929017T2 - Rostfreier Stahl für eine Dichtung und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE69929017T2
Application number: DE69929017T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Jyoetsu-shi Adachi; Kazuyoshi Nakakubiki-gun Fujisawa; Kenichi Nakakubiki-gun Goshokubo; Yoshio Koshigaya-shi Yamada; Yuuichi Utsunomiya-shi Kinoshita
Original assignee: Ishikawa Gasket Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Ishikawa Gasket Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1999-10-05
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: EP0994199B1; DE69929017D1; KR100385342B1; US6277215B1; SG82645A1; JP2000109957A; EP0994199A1; KR20000028813A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Motordichtung, die aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, die Verwendung eines rostfreien Stahls zur Herstellung einer Motordichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Motordichtung.
Hintergrund der Erfindung
Motordichtungen sind wichtige Teile von Kraftfahrzeugmotoren. Die Dichtungen werden zwischen dem Zylinderkopf und dem Motorblock angeordnet, die die Verbrennungskammer eines Kraftfahrzeugmotors definieren. Wie in 1(a) und 1(b) dargestellt, stellt eine Motordichtung 1 ein Dichtungsteil dar, das eine Öffnung 2 aufweist, welche im Allgemeinen eine kreisrunde Form mit dem gleichen Durchmesser wie der Zylinder des Motors und eine ringförmige Sicke 3 aufweist, die eine durch Sickenbildung hergestellte Rippe bildet, welche die Öffnung umgibt. Die Sicke 3 wirkt als Dichtung, da sie zwischen dem Zylinderkopf und dem Motorblock zusammengepresst wird und den Zwischenraum dazwischen verschließt, um ein Austreten von Verbrennungsgas, Kühlwasser und Schmieröl aus der Verbrennungskammer zu verhindern.
Ein Material zur Herstellung einer solchen Dichtung erfordert daher eine hohe Festigkeit (hohe Härte), die ausreichend ist, um die Sicke entgegen der Kompression zu erhalten, zusammen mit einer guten Bearbeitbarkeit und guter Korrosionsfestigkeit.
Um die vorstehend beschriebenen Anforderungen zu erfüllen, ist ein metastabiler austenitischer rostfreier Stahl, wie ein rostfreier SUS 301- Stahl, welcher ein rostfreier Stahl ist, dem Cr und Ni zugesetzt sind, zur Herstellung von Motordichtungen verwendet worden. Die Deformation dieses Stahls durch Kaltbearbeitung, wie Kaltwalzen und Sickenbildung, führt dazu, dass der metastabile Austenit in dem verformten Bereich in Martensit umgewandelt wird, welcher eine größere Härte besitzt. Der Stahl kann damit eine hohe Bearbeitungshärtbarkeit zusammen mit einer guten Bearbeitbarkeit besitzen.
Dieser rostfreie Stahl hat jedoch den Nachteil, dass seine Eigenschaften, insbesondere die Härte, stark schwanken kann, da die erhöhte Härte des Stahls, die durch Bearbeitung erhalten wird, erheblich variieren kann, je nach dem Ausmaß der Bearbeitung des Stahls und der Temperatur, bei der der Stahl der Bearbeitung unterworfen worden ist. Die Qualität, insbesondere die Dichtungsqualität der Dichtungen, die aus dem Stahl hergestellt sind, kann daher erheblich schwanken. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der metastabile austenitische Stahl zu Spannungsrisskorrosion neigt. Darüber hinaus enthält der Stahl große Mengen an Nickel, welches teuer ist, wodurch die Produktionskosten der Dichtungen erhöht werden.
Um mit diesen Problemen fertig zu werden, ist ein martensitischer rostfreier Stahl auf Cr-Basis mit einer getemperten martensitischen Struktur zur Herstellung von Motordichtungen nach der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 7-278758 (1995) vorgeschlagen worden. Martensitischer rostfreier Stahl weist im Allgemeinen eine verbesserte Festigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion, verglichen mit dem vorstehend beschriebenen metastabilen austenitischen rostfreien Stahl, auf. Es ist weiterhin verhältnismäßig einfach, eine hohe Härte eines martensitischen rostfreien Stahls durch Abschrecken zu erhalten, was zu einer Umwandlung unter Bildung harter martensitischer Phasen führt. Martensitischer Stahl ist außerdem weniger teuer, da er eine sehr begrenzte Menge des teuren Ni enthält.
Da abgeschreckter martensitischer rostfreier Stahl jedoch eine herabgesetzte Dehnung aufweist und schwer zu bearbeiten ist, ist es wesentlich, dass der gequenchte martensitische Stahl einer Wärmebehandlung durch Tempern nach dem Abschrecken unterworfen wird. Diese Wärmebehandlung erhöht die Produktionskosten des Stahls und kann zu einer Versprödung des Stahls durch Ablagerung von Carbiden oder einer Herabsetzung des Korrosionswiderstands aufgrund der Bildung Cr-verarmter Phasen durch die Ablagerung der Carbide führen.
U.S. Patent Nr. 5,624,504 offenbart einen rostfreien martensitischen ferritischen Duplex-Phasen-Stahl, welcher C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr, N, B und Cu als wesentliche Legierungselemente enthält. Der Anteil des Martensits in der Stahlstruktur wird so gewählt, dass dem Stahl eine hohe Festigkeit verliehen wird, wobei der Martensit eine kleine Korngröße von 10 μm oder weniger aufweist, um eine gute Bearbeitbarkeit sicherzustellen. Der Stahl weist einen niedrigen Kohlenstoffgehalt von bis zu 0,10 Gew.-% auf. Dieses Patent lehrt nicht, dass der Stahl zur Herstellung von Dichtungen geeignet ist.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem weniger teuren rostfreien Stahl hoher Leistung für Motordichtungen, die in einer stabilen Weise hergestellt werden können.
Diese und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung wird durch eine Motordichtung nach dem Anspruch 1, die Verwendung eines rostfreien Stahls zur Herstellung einer Motordichtung nach dem Anspruch 4 und ein Verfahren zur Herstellung einer Motordichtung nach dem Anspruch 7 erreicht.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein weniger kostspieliger rostfreier martensitischer ferritischer Duplex-Phasen-Stahl bereitgestellt, der zur Herstellung von Motordichtungen geeignet ist, wobei der Stahl dadurch verbessert ist, dass er eine hohe Festigkeit zusammen mit einer guten Bearbeitbarkeit und hohen Korrosionsfestigkeit im abgeschreckten Zustand (ohne Tempern) aufweist, im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen rostfreien martensitischen Stahl.
Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass, wenn das Abschrecken, ausgehend von einer Temperatur in dem Zwei-Phasen-Bereich aus Austenit plus Ferrit anstelle des austenitischen Ein-Phasen-Bereichs bei höherer Temperatur in einer solchen Weise durchgeführt wird, dass der Austenit in der austenitischen ferritischen Duplex-Phasen-Struktur in Martensit, der eine höhere Festigkeit besitzt, umgewandelt wird, um eine Zwei-Phasen-Struktur aus Martensit plus Ferrit zu bilden, der gebildete abgeschreckte martensitisch-ferritische Duplex-Phasen-Stahl eine gute Bearbeitbarkeit aufweist, die ausreicht, um Dichtungen herzustellen, wobei er seine hohe Härte und hohe Korrosionsfestigkeit beibehält, vorausgesetzt, dass die Härte und der Anteil des Martensits in dem Stahl in bestimmten Bereichen liegen.
Durch die Erfindung wird ein weniger kostspieliger rostfreier Stahl bereitgestellt, der zur Herstellung von Dichtungen geeignet ist, und zwar bei Zusatz einer minimalen Menge teurer Metalle, wie Nickel.
Der Martensit (die martensitischen Phasen) in der Stahlstruktur weist vorzugsweise eine Vickershärte im Bereich von 300 bis 600 auf.
Der Ausdruck „Stahlblech", der hier verwendet wird, umfasst ein Stahlband, einen Wickel und dergleichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1(a) stellt eine schematische Draufsicht auf eine Motordichtung dar, und 1(b) eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Abschnitts, der aus der Motordichtung ausgeschnitten ist.
2 ist eine Querschnittsansicht eines mit einer Sicke versehenden rechteckigen Probestücks aus einem Fe-13Cr-Stahlblech, um die Form der Sicke zu zeigen.
3 ist ein Diagramm, welches den Effekt der Härte eines Stahls auf die Sickenhöhe nach Loslassen einer Kompressionskraft zeigt, die auf das mit der Sicke versehene Probestück in einer solchen Weise ausgeübt worden ist, dass das Probestück vollkommen flach gemacht worden ist.
4 ist ein Diagramm, das den Effekt des Anteils des Martensits und der Härte des Stahls auf die Rissbildung während der Sickenbildung darstellt.
5 ist ein Diagramm, das den Effekt des Anteils und der Härte des Martensits in dem Stahl auf die Rissbildung während der Sickenbildung darstellt.
6 ist ein Diagramm, das den Effekt der Temperatur der Wärmebehandlung auf die Korrosionsfestigkeit eines Probestücks eines Fe-13Cr-Stahls beim Salzsprühtest (JIS Z-2371) darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Der rostfreie erfindungsgemäße Stahl weist eine chemische Zusammensetzung auf, die auf Gewichtsbasis umfasst:
C + N: 0,1 % – 0,3 %,
Si: nicht mehr als 0,5 %,
Mn: nicht mehr als 0,7 %,
Cr: 10 % – 17 %, und
Ni: 0 % – 0,6 %,
wobei er ein abgeschreckter Stahl ist, der (1) eine Zwei-Phasen-Struktur aus Martensit plus Ferrit aufweist, bei dem der Anteil des Martensits 40 bis 80 vol.-% beträgt, und (2) eine Vickershärte (Hv) von wenigstens 300 und höchstens 500 aufweist. Vorzugsweise weist der Martensit in der Zwei-Phasen-Struktur eine Vickershärte von mindestens 300 und höchstens 600 auf.
Die chemische Zusammensetzung des rostfreien Stahls (welche in Gew.-% ausgedrückt ist), wie sie vorstehend beschrieben ist, wird aus folgenden Gründen gewählt.
C + N: 0,1 % – 0,3 %
Sowohl Kohlenstoff (C) wie Stickstoff (N) ermöglichen es, durch ihren Zusatz in kleiner Menge den Martensit zu härten. Die Effekte dieser beiden Elemente sind beinahe äquivalent. Wenn die Gesamtmenge von C + N weniger als 0,1 % beträgt, ist es unmöglich, die gewünschte Härte von wenigstens Hv 300 durch Abschrecken zu erhalten. Ein Gesamtgehalt von C + N von mehr als 0,3 % macht den Stahl zu hart, wodurch die Bearbeitbarkeit negativ beeinflusst wird. Die Gesamtmenge von C + N ist daher wenigstens 0,1 % und höchstens 0,3 %, vorzugsweise mindestens 0,12 % und höchstens 0,25 %.
Der Kohlenstoffgehalt ist vorzugsweise im Bereich von 0,10 bis 0,20 %, und vorzugsweise von 0,10 % bis 0,15 %, und der Stickstoffgehalt ist üblicherweise im Bereich von 0,02 % bis 0,09 %, insbesondere von 0,02 % bis 0,07 %.
Si: ≤ 0,5
Silizium (Si) ermöglicht es ebenfalls, den Martensit zu härten. Ein Zusatz von Si von mehr als 0,5 % führt dazu, dass der Stahl eine verschlechterte Verarbeitbarkeit besitzt. Der Si-Gehalt ist daher nicht größer als 0,5 % und liegt vorzugsweise im Bereich von 0,2 % bis 0,4 %.
Mn: ≤ 0,7
Mangan (Mn) dient dazu, den austenitischen Phasenbereich des Stahls, der bei hoher Temperatur gebildet wird, zu erweitern, und die Temperatur, oberhalb der der Austenit stabil ist, herabzusetzen. Als Ergebnis ist Mn wirksam zur Erhöhung des Anteils des Martensits in der Duplex-Phasen-Struktur des Stahls, die durch Abschrecken gebildet wird. Ein Zusatz von mehr als 0,7 % Mn führt jedoch zur Bildung eines Stahls mit einer martensitischen Ein-Phasen-Struktur durch Abschrecken, wodurch sich die Bearbeitbarkeit des Stahls verschlechtert. Ein Zusatz von einer zu großen Menge an Mn kann zur Bildung eines Stahls führen, bei dem nach dem Abschrecken restlicher Austenit auftritt, der es unmöglich macht, die gewünschte Härte zu erhalten. Der Mn-Gehalt ist daher nicht größer als 0,7 % und liegt vorzugsweise im Bereich von 0,25 % bis 0,5 %.
Cr: 10 % – 17 %
Chrom (Cr) ist ein wesentliches Element des rostfreien Stahls. Ein Zusatz von mindestens 10 % Cr ist im Allgemeinen notwendig, um einen rostfreien Stahl mit einer wirksamen Korrosionsfestigkeit sicherzustellen. Es wird jedoch angenommen, dass die Anwesenheit von Cr dazu führt, die gewünschte Umwandlung in Martensit von dem Austenit, der bei hohen Temperaturen vorliegt, zu verzögern und ein Zusatz von mehr als 17 % Chrom zur Bildung eines abgeschreckten Stahls mit Abschreck-Austenit-Phasen führen kann, was es schwierig oder unmöglich macht, die gewünschte Härte zu erreichen. Cr ist deshalb in dem Stahl in einer Menge von 10 % bis 17 %, vorzugsweise von 12 % bis 15 % vorhanden.
Ni: 0 % bis 0,6
Wie Mn erweitert auch Nickel (Ni) den austenitischen Phasenbereich des Stahls, der bei hohen Temperaturen auftritt, wobei Ni wahlweise in einer Menge bis 0,6 % zugegeben werden kann, um die Temperatur herabzusetzen, oberhalb der der Austenit stabil ist, und den Anteil des Martensits in der Duplex-Phasen-Struktur des Stahls, der durch Abschrecken gebildet wird, zu erhöhen. Ein Zusatz von mehr als 0,6 % Ni führt jedoch zur Bildung eines abgeschreckten Stahls mit einer martensitischen Einzel-Phasen-Struktur, wodurch die Bearbeitbarkeit des Stahls verschlechtert wird. Wenn es zugegeben wird, ist deshalb Ni in einer Menge von nicht mehr als 0,6 %, vorzugsweise nicht mehr als 0,5 % vorhanden.
Die Härte des erfindungsgemäßen rostfreien Duplex-Phasen-Stahls hängt in erster Linie von der Härte und dem Anteil des Martensits (martensitische Phasen) in dem Stahl ab. Aus dem Vorstehenden kann entnommen werden, dass die Härte des Martensits in erster Linie durch die Gehalte an C, N und Si abgestimmt werden kann, während der Anteil des Martensits in erster Linie durch den Gehalt von Cr, Mn und Ni abgestimmt werden kann.
Die Stahlzusammensetzung kann im Wesentlichen aus den vorstehend beschriebenen Elementen mit Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen als Rest bestehen. Andere Wahlelemente können dem Stahl zugegeben werden. Beispielsweise kann wenigstens ein Element, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Nb (Niob), V (Vanadium) und Ti (Titan) besteht, in einer Menge von insgesamt bis zu 2 % zugegeben werden, um die Festigkeit des Stahls zu erhöhen.
Der Grund für die Definition des Martensitanteils und der Vickershärte des rostfreien Stahls oder Martensits nach der vorliegenden Erfindung wird anhand einiger Versuche beschrieben, deren Ergebnisse in den 3 bis 5 dargestellt sind.
Bei diesen Versuchen wurde ein Fe-13Cr-Stahl mit einer Zusammensetzung, wie sie in der nachstehenden Tabelle 1 wiedergegeben ist, zu einem Barren gegossen, der einem Warmwalzen und einem Kaltwalzen unterworfen worden ist, um ein Blech mit der gewünschten Dicke (= 0,2 mm bei diesen Versuchen) zu bilden. Tabelle 1
Die Proben des erhaltenen Stahlblechs wurden schließlich einem Abschrecken nach dem Erwärmen bei unterschiedlichen Temperaturen unterworfen, um Proben mit unterschiedlichen Werten des Martensit-Anteils und der Härte (Hv) des Martensits und des Stahls zu erhalten.
Der Martensit-Anteil (in Vol.-%) des gebildeten abgeschreckten Stahls wurde bestimmt, indem der Anteil des Ferrits in dem Stahl mittels eines Ferritmeters bestimmt wurde, und der Ferrit-Anteil (in Vol.-%) von 100 abgezogen wurde.
Die Vickershärte des Stahls wurde mit einem Vickershärte-Messgerät mit einem pyramidenförmigen Diamant-Eindrückstempel in bekannter Weise gemessen. Das Vickershärte-Messgerät wurde auch verwendet, um die Härte des Martensits in dem Stahl auf folgende Weise zu messen. Eine Stahlblechprobe wurde poliert und dann geätzt, um die martensitischen Phasen zu zeigen, die von den ferritischen Phasen leicht unterschieden werden können. Der Diamant-Eindrückstempel wurde an einer martensitischen Phase der Probe positioniert, um einer Belastung ausgesetzt zu werden, die niedrig genug ist, um eine kleine Vertiefung zurückzulassen, die sich nicht über die martensiti sche Phase hinaus erstreckt, und die Vickershärte wird dann anhand der Größe dieser Vertiefung bestimmt.
Rechteckige Probestücke wurden aus jedem Probestahlblech geschnitten. Jedes Probestück wurde durch Sickenbildung mit einem Presswerkzeug verformt, um eine gerade Sicke zu bilden, welche eine Querschnittsform aufweist, wie sie in 2 dargestellt ist, und welche senkrecht zu den langen Seiten des Rechtecks verläuft. Die mit einer Sicke versehenen Probestücke wurden visuell betrachtet, um einen Riss in dem gebildeten deformierten Bereich festzustellen.
Die Sicke des Probestücks wurde dann in einer Kompressionstestmaschine zusammengedrückt, bis die Sicke vollständig flach gemacht worden war. Nachdem die Kompressionskraft auf das Teststück 5 Minuten ausgeübt worden ist, wurde es losgelassen und die Höhe der Sicke gemessen.
Die Ergebnisse der Sickenhöhe nach dem Loslassen der Kompressionskraft sind in 3 als Funktion der Härte des Probestücks (Stahl) dargestellt. Wie aus 3 entnommen werden kann, lag die Sickenhöhe, welche den gleichen Wert von 0,3 mm bei allen Teststücken vor der Kompression hatte, im Bereich von 0,06 mm bis 0,15 mm nach der Kompression.
Die Teststücke, die einen Hv-Wert von wenigstens 300 aufweisen, behielten eine Sickenhöhe von 0,10 mm oder mehr nach der Kompression, was darauf hinweist, dass sie als wirksame Dichtungselemente verwendet werden können. Einige der Teststücke mit einem Hv-Wert über 500 rissen, während die Sicke gebildet wurde.
4 zeigt die Wirkung des Martensit-Anteils und der Härte des Stahls auf die Rissbildung während der Sickenbildung. Ob gleich die Härte des Stahls dazu tendiert, mit der Zunahme des Martensit-Anteils zuzunehmen, ergaben Stähle mit einem vorgegebenen Martensit-Anteil Härtewerte, die in einem relativ großen Bereich variieren. Risse in dem verformten Bereich wurden häufig bei jenen Proben beobachtet, die einen Martensit-Anteil von mehr als 80 Vol.-% oder eine Härte von mehr als Hv 500 aufweisen.
5 zeigt die Wirkung des Martensit-Anteils und der Härte des Martensits und jene des Stahls auf die Rissbildung während der Sickenbildung. Wie dieser Figur entnommen werden kann, tritt keine oder geringe Rissbildung auf, wenn der Martensit eine Vickershärte von nicht mehr als 600 aufweist und der Martensit-Anteil nicht größer als 80 % ist.
Die Bearbeitbarkeit des rostfreien martensitisch-ferritischen Duplex-Phasen-Stahls scheint sowohl durch die Härte des Martensits wie den Anteil des Martensits beeinflusst zu werden.
Wenn der Anteil des Martensits weniger als 40 Vol.-% beträgt, ist es schwierig, dem Stahl eine Härte von wenigstens Hv 300 durch Abschrecken zu verleihen.
Aufgrund der oben erörterten Versuchsergebnisse sollte der erfindungsgemäße rostfreie Duplex-Phasen-Stahl eine Vickershärte im Bereich von 300 bis 500 als Stahl aufweisen und einen Martensit-Anteil im Bereich von 40 bis 80 Vol.-%, um einen Stahl mit einer guten Bearbeitbarkeit unter Aufrechterhaltung wirksamer Dichtungseigenschaften zu erhalten. Vorzugsweise weisen die martensitischen Phasen des Stahls eine Vickershärte von 300 bis 600 auf.
Der rostfreie martensitisch-ferritische Duplex-Phasen-Stahl mit der vorstehend beschriebenen chemischen Zusammensetzung, Härte und Martensit-Anteil kann hergestellt werden, indem ein Stahl mit der oben angegebenen chemischen Zusammensetzung erzeugt wird, der Stahl einer Bearbeitung ausgesetzt wird, um ein Blech mit vorgegebener Dicke zu erhalten, und schließlich das Stahlblech nach dem Erwärmen auf eine Temperatur im Bereich von 850 °C bis 1000 °C einem Abschrecken unterworfen wird.
Das Stahlblech, das dem Abschrecken unterworfen wird, kann ein kaltgewalztes Stahlblech sein, welches üblicherweise eine Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm besitzt.
6 zeigt die Wirkung der Erwärmungstemperatur beim Abschrecken auf die Korrosionsfestigkeit der Stahlblechproben, die in der vorstehenden Weise hergestellt worden sind. D.h., die Proben waren kaltgewalzte Stahlbleche, die eine chemische Zusammensetzung hatten, wie in der vorstehenden Tabelle 1 dargestellt, und die nach dem Erwärmen auf unterschiedliche Temperaturen abgeschreckt worden sind. Einige der Stahlblechproben, die nach dem Erwärmen auf 1000 °C abgeschreckt worden sind, wurden dann einem Tempern in einem Temperaturbereich von 400 °C bis 600 °C unterworfen. Die Korrosionsfestigkeit wurde nach dem Salzsprühtest, der in der Norm JIS Z-2371 angegeben ist, getestet und einer Bewertung von 0 (am schlechtesten) bis 10 (am besten) nach dieser Norm unterzogen.
Wie aus 6 ersichtlich, wurde die Korrosionsfestigkeit deutlich schlechter, wenn die Erwärmungstemperatur zum Abschrecken unter 850 °C lag. Die Korrosionsfestigkeit war in ähnlicher Weise deutlich schlechter, wenn das abgeschreckte Stahlblech einem Tempern unterworfen wurde. Es wird angenommen, dass dies der Bildung von Cr-verarmten Phasen aufgrund der Abscheidung von Chromcarbiden zuzuschreiben ist.
Wenn die Erwärmungstemperatur zum Abschrecken 1000 °C überschreitet, wird angenommen, dass die Erwärmung zu einer austenitischen Ein-Phasen-Struktur führt, die zur Bildung einer abgeschreckten Struktur führen kann, welche mehr als 80 Vol.-% Martensit umfasst, wodurch die Bearbeitbarkeit des abgeschreckten Stahls nachteilig beeinflusst wird.
Die Erwärmungstemperatur zum Abschrecken beträgt deshalb zwischen 850 °C und 1000 °C. Die Dauer der Erwärmung beträgt vorzugsweise 10 Sekunden und das anschließende Abschrecken wird vorzugsweise mit einer Abkühlgeschwindigkeit von wenigstens 10 °C pro Sekunde durchgeführt, obgleich diese Parameter je nach Stahlzusammensetzung und Erwärmungstemperatur zum Abschrecken variieren können.
Durch die Erfindung wird in stabiler Weise ein weniger kostspieliger rostfreier Stahl bereitgestellt, der sich zur Herstellung von Dichtungen mit wenigstens einer Sicke (einer durch Sickenbildung gebildeten Rippe) zum Abdichten hervorragend eignet, insbesondere für Motordichtungen, geeignet zur Verwendung für Benzinmotoren von Automobilen oder dergleichen.
Die Form der Dichtung ist nicht kritisch. Im Allgemeinen weist eine Motordichtung eine rechteckige oder quadratische Form auf und besitzt eine oder mehrere Öffnungen, deren Anzahl der Anzahl der Zylinder des Motors entspricht. Jede Öffnung ist von wenigstens einer Sicke zum Abdichten umgeben, welche normalerweise eher einen halbkreisförmigen, halbelliptischen oder rechteckigen Querschnitt als einen dreieckigen Querschnitt aufweist, wie er in 1(b) dargestellt ist. Im Allgemeinen liegt die Höhe der Sicke im Bereich von 0,15 mm bis 0,40 mm, während ihre Breite 1,0 mm bis 5,0 mm beträgt.
Die Motordichtungen können aus dem vorstehend beschriebenen rostfreien Stahlblech auf herkömmliche Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann das Stahlblech einem Ausstanzen zur Bildung eines Rohlings mit einer oder mehreren Öffnungen und dann einer Sickenbildung, um eine Sicke zu bilden, die jede Öffnung umgibt, und gegebenenfalls einem Falten unterworfen werden, um ein gefaltetes Ende zu bilden. Normalerweise wird ein solcher mit einer Sicke versehener Rohling mit einem oder mehreren mit Sicken versehenen oder nicht mit Sicken versehenden Rohlingen durch Stapeln vereinigt, um eine Motordichtung herzustellen. Die Oberfläche des Stahlblechs, ausgenommen der Bereich mit der Sicke, kann mit einem Gummi beschichtet werden, um die Dichtungseigenschaften der Dichtung, insbesondere gegenüber Kühlwasser zu verbessern.
Beispiel
Rostfreie Stähle, welche die Zusammensetzungen aufweisen, die in Tabelle 2 dargestellt sind, werden durch Schmelzen in einem 10 kg-Vakuum-Schmelzofen hergestellt, und sie werden nacheinander einem Warmwalzen, Glühen, Entzundern durch Beizen und schließlich einem Warmwalzen unterworfen, um ein Stahlblech mit einer Dicke von 0,2 mm zu ergeben. Jedes erhaltene kaltgewalzte Stahlblech wird auf eine Temperatur im Bereich von 750 °C bis 1050 °C 10 Sekunden erwärmt und dann durch Abschrecken an der Luft abgekühlt.
Das abgeschreckte Stahlblech wird dann hinsichtlich der Vickershärte (Hv) des Stahls und der martensitischen Phasen sowie des Martensit-Anteils in der vorstehend beschriebenen Weise überprüft, sowie hinsichtlich der Korrosionsfestigkeit durch einen Salzspraytest (JIS Z-2371).
Fünf rechteckige Probestücke wurden aus dem abgeschreckten Stahlblech geschnitten und durch Sickenbildung mit einem Presswerkzeug verformt, um eine gerade Sicke mit einer Querschnittsform zu bilden, die in 2 dargestellt ist, und sie wurden visuell untersucht, um zu bestimmen, ob Risse in dem verformten Bereich des Blechs entstanden sind.
Die Testergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 2 angegeben, in der die Ergebnisse der Rissbildung als die Anzahl der gerissenen Teststücke unter den fünf getesteten Teststücken ausgedrückt sind. Die Ergebnisse der Korrosionsfestigkeit werden als Bewertung von 0 (am schlechtesten) bis 10 (am besten) nach der JIS-Norm ausgedrückt.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, wiesen die erfindungsgemäßen Stahlbleche (A2 bis A5 und B2 bis B5) eine hohe Härte und gute Korrosionsbeständigkeit mit minimaler oder keiner Rissbildung bei Sickenbildung auf.
Im Gegensatz dazu wiesen jene Stähle mit einem Martensit-Anteil von mehr als 90 % und einer Härte von mehr als Hv 500 (D4, F4, G4 und H4) häufig eine Rissbildung bei Sickenbildung auf. Eine derartige Rissbildung trat auch bei einem Stahl mit einer Härte von mehr als Hv 500 auf, obwohl sein Martensit-Anteil nicht größer als 80 % war (E4), und bei einem Stahl, der zum Abschrecken auf eine Temperatur von über 1000 °C erhitzt worden war (A7 und B6). Jene Stähle, die zum Abschrecken auf eine Temperatur unter 850 °C erhitzt worden waren (A1 und B1), konnten durch Abschrecken nicht eine erwünschte Härte von mindestens Hv 300 erzielen und wiesen eine verschlechterte Korrosionsbeständigkeit auf.
Obwohl die Erfindung durch Erläuterung und ein Beispiel ausführlich beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen speziellen Ausführungsformen begrenzt. Es versteht sich für Fachleute, dass eine Vielzahl von Veränderungen und Abwandlungen vorgenommen werden kann, ohne dabei den Erfindungsgedanken oder Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Eine Motordichtung, die aus rostfreiem Stahl hergestellt ist und wenigstens eine Rippe zur Abdichtung aufweist, wobei der rostfreie Stahl eine chemische Zusammensetzung aufweist, die, bezogen auf das Gewicht, besteht aus: C + N: 0,1 % – 0,3 %, Si: nicht mehr als 0,5 %, Mn: nicht mehr als 0,7 %, Cr: 10 % – 17 %, und Ni: 0 % – 0,6 %, und gegebenenfalls einem oder mehreren Elementen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Nb, V und Ti: insgesamt 0 % bis 2,0 %, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen ist, wobei der Stahl eine Struktur aufweist, die aus 40 bis 80 Vol.-% Martensit besteht, während der Rest Ferrit ist, und eine Vickershärte im Bereich von 300 bis 500.
Motordichtung nach Anspruch 1, wobei der Kohlenstoffgehalt des rostfreien Stahls 0,10 bis 0,20 Gew.-% beträgt.
Motordichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Martensit des Stahls eine Vickershärte im Bereich von 300 bis 600 aufweist.
Verwendung eines rostfreien Stahls, der eine chemische Zusammensetzung aufweist, die, bezogen auf das Gewicht, besteht aus: C + N: 0,1 % – 0,3 %, Si: 0,2 % – 0,4 %, Mn: nicht mehr als 0,7 %, Cr: 10 % – 17 %, und Ni: 0 % – 0,6 %, und gegebenenfalls einem oder mehreren Elementen, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Nb, V und Ti: insgesamt 0 % bis 2,0 %, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen ist, und der eine Stahlstruktur aufweist, die aus 40 bis 80 Vol.-% Martensit besteht, während der Rest Ferrit ist, und der Stahl eine Vickershärte im Bereich von 300 bis 500 ausweist, zur Herstellung einer Motordichtung.
Verwendung nach Anspruch 4, wobei der Martensit des Stahls eine Vickershärte im Bereich von 300 bis 600 aufweist.
Verwendung nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Kohlenstoffgehalt des rostfreien Stahls 0,10 bis 0,20 Gew.-% beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Motordichtung, welches die Schritte umfasst: Herstellen eines Stahls mit einer chemischen Zusammensetzung, die, bezogen auf das Gewicht, besteht aus: C + N: 0,1 % – 0,3 %, Si: 0,2 % – 0,4 %, Mn: nicht mehr als 0,7 %, Cr: 10 % – 17 %, und Ni: 0 % – 0,6 %, und gegebenenfalls einem oder mehreren Elementen, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Nb, V und Ti: insgesamt 0 % bis 2,0 %, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen ist, Anwenden einer Bearbeitung des Stahls, um ein Blech mit einer vorgegebenen Dicke zu bilden, Unterwerfen des Stahls einer Wärmeendbehandlung bei einer Temperatur in einem Bereich von 850 °C bis 1000 °C, gefolgt von einem Abschrecken, um eine Struktur zu bilden, die aus 40 bis 80 Vol.-% Martensit besteht, wobei der Rest Ferrit ist, Unterwerfen des Stahlblechs einem Stanzen zur Bildung eines unbearbeiteten Werkstücks, das eine oder mehrere Öffnungen aufweist, und dann der Rippenbildung, um eine Rippe zu bilden, die jede Öffnung umgibt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Kohlenstoffgehalt des rostfreien Stahls 0,10 bis 0,20 Gew.-% beträgt.