Gusseisenlegierung mit guter Oxydationbeständigkeit bei hoher Temperaturen

Abstract

 Es wird eine Gusseisenlegierung vorgeschlagen für Gusseisenprodukte mit einer hohen Oxidationsbeständigkeit bei Oberflächentemperaturen von 800 bis 950 °C mit den chemischen Bestandteilen 2,8 bis 3,6 Gew. % C, 2,0 bis 3,0 Gew. % Si, 2,5 bis 4,3 Gew. % Al, bis zu 1,0 Gew. % Ni, bis zu 0,8 Gew. % Mo, bis zu 0,3 Gew. % Mn, 0,002 bis 0,1 Gew. % Ce, 0,023 bis 0,06 Gew. % Mg, bis zu 0,01 Gew. % S, Rest Fe und üblichen Verunreinigungen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Gusseisenlegierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen Oxidationsbeständigkeit bei hohen Oberflächentemperaturen.

[0002] Die Automobilhersteller sind gezwungen, die neuen Abgasnormen einzuhalten. Die Katalysatoren arbeiten besser, wenn die Abgastemperaturen höher sind. Als Katalysatormetall kann Palladium statt Platin eingesetzt werden und die maximale Abgastemperatur wird von heute 850 °C bis auf 950 °C steigen. Bei diesen Temperaturen gibt es bei den bisher bekannten Gusseisenlegierungen Probleme mit der Zunderbeständigkeit. Bei den bisherigen ferritischen Legierungen findet bei Temperaturen ab ca. 860°C eine Phasenumwandlung von einem ferritischen zu einem austenitischen Gefüge statt. Das Dehnungsverhalten eines ferritischen Gefüges unterscheidet sich vom Dehnungsverhalten eines austenitischen Gefüges. Weil der Wärmeausdehnungskoeffizient des austenitischen Gefüges grösser ist und sich stärker ändert als der Wärmeausdehnungskoeffizient des ferritischen Gefüges, erfolgt bei der Umwandlungstemperatur eine Volumenänderung. Diese Volumenänderung führt zu unregelmässigem Dehnungsverhalten und Mikrorissbildung der Gussteile. Die Gussteile, die einem häufigen Temperaturwechsel unterworfen sind, werden durch diese unregelmässige Dehnung und Rissbildung mechanisch beansprucht. Als Folge davon lösen sich dünne Oxidschichten (= Zunder) von der Oberfläche des Gussteiles ab. An den dem Abgas ausgesetzten Flächen des Turboladergehäuses und/oder des Auspuffkrümmers soll sich idealerweise eine dünne Oxidschicht bilden, die gut haften bleibt und die Sauerstoffdiffusion blockiert.

[0003] Aus der EP 076 701 B1 ist ein hitzebeständiges, ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit bekannt. Die Legierung enthält bis zu 3,4 Gew. % C, 3,5 bis 5,5 Gew. % Si, bis 0,6 Gew. % Mn, 0,1 bis 0,7 Gew. % Cr, 0,3 bis 0,9 Gew. % Mo und bis zu 0,1 Gew. % einer Kugelgraphit bildenden Komponente. Die Legierung wird verwendet zur Herstellung von Turboladergehäusen im Kraftfahrzeugbau.

[0004] Aus der EP 1 386 976 B1 ist eine Legierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen Temperaturbeständigkeit bekannt. Die Legierung besteht aus 2,5 bis 2,8 Gew. % C, 4,7 bis 5,2 Gew. % Si, 0,5 bis 0,9 Gew. % Mo, 0,5 bis 0,9 Gew. % Al, bis zu 0,04 Gew. % Mg, bis zu 0,02 Gew. % S, 0,1 bis 1,0 Gew. % Ni, 0,1 bis 0,4 Gew. % Zr, Rest Fe und üblichen Verunreinigungen. Die Legierung wird für Auspuffkrümmer und Turboladergehäuse im Kraftfahrzeugbau verwendet.

[0005] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Gusseisenlegierung anzugeben, die bei möglichst hohen Temperaturen eingesetzt werden kann, die möglichst kostengünstig herstellbar ist und eine möglichst lange Lebensdauer bei häufigem Temperaturwechsel gewährleistet.

[0006] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gusseisenlegierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen Oxidationsbeständigkeit bei Oberflächentemperaturen von 800 bis 950 °C mit den chemischen Bestandteilen 2,8 bis 3,6 Gew. % C, 2,0 bis 3,0 Gew. % Si, 2,5 bis 4,3 Gew. % Al, bis zu 1,0 Gew. % Ni, bis zu 0,8 Gew. % Mo, bis zu 0,3 Gew. % Mn, 0,002 bis 0,1 Gew. % Ce, 0,023 bis 0,06 Gew. % Mg, bis zu 0,01 Gew. % S, Rest Fe und üblichen Verunreinigungen.

[0007] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

[0008] Es ist von Vorteil, dass die Gussteile sich bei der Betriebstemperatur möglichst regelmässig elastisch dehnen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Temperatur der Umwandlung von ferritischer in austenitische Phase der Legierung oberhalb von 880 °C liegt. Dies wird auch dadurch erreicht, dass die Wärmeausdehnung der Legierungsproben gemessen im Dilatometer bis zu einer Temperatur von 880 °C gleichmässig und konstant verlaufend ist. Dies wird auch dadurch erreicht, dass die Legierung einen Wärmeausdehnungskoeffizient von 8 bis 12 10^-6/K bei 25 °C und 13,5 bis 15,5 10^-6/K bei 900°C aufweist. Dies sind Werte, die, über der Temperatur aufgetragen, konstant etwa 30 % unter den Werten von sogenannten Ni-Resist-Legierungen mit den Normbezeichnungen D5S oder GJSA XNiSiCr35-5-2 liegen.

[0009] Es ist weiter von Vorteil, dass die Gussteile bei Raumtemperatur nicht spröde werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Legierung Festigkeitswerte für die Zugfestigkeit R_m 500 bis 650 MPa, für die Streckgrenze R_p0.2 470 bis 620 MPa und für die Bruchdehnung A₅ 2,0 bis 4,0 % aufweist. Dies sind Festigkeitswerte, die etwa 1,3 bis 1,5 mal so hoch wie bei den sogenannten Ni-Resist-Legierungen liegen. Die Zähigkeit der hier vorgeschlagenen Gusseisenlegierung entspricht dem Mittelwert der marktüblichen ferritischen Werkstoffe, die jedoch nicht bei Temperaturen über 860°C eingesetzt werden können.

[0010] Es ist auch von Vorteil, dass die Gussteile leicht bearbeitbar sind. Dies wird dadurch erreicht, dass die Legierungsproben eine Brinell-Härte von 220 bis 250 aufweisen.

[0011] Es ist auch von Vorteil, dass die Legierung aus möglichst kostengünstigen Elementen zusammengesetzt ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Legierung weniger als 0,8 Gew. % Mo, weniger als 1 Gew. % Cr und weniger als 1 Gew. % Ni enthält. Ni-Resist-Legierungen enthalten typisch etwa 30 bis 35 Gew. % Ni und etwa 2 bis 5 % Cr. Mit Molybdän legierte Sphärogusslegierungen enthalten normalerweise etwa 0,8 Gew. % Molybdän.

[0012] Es ist weiter auch von Vorteil, dass die Gussteile thermisch möglichst unempfindlich sind. Dies wird dadurch erreicht, dass die Legierungsproben bei 25 °C eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 23 W/mK und bei 900 °C eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 26 W/mK aufweisen. Ni-Resist-Legierungen haben bei 400 °C eine 20 bis 50 % niedrigere Wärmeleitfähigkeit.

[0013] Der Kerngedanke der Erfindung ist es, eine Gusseisenlegierung anzugeben, die eine möglichst hohe Einsatztemperatur mit einer hohen Zunderbeständigkeit in Turboladergehäusen und Auspuffkrümmern zulässt, möglichst kostengünstig und möglichst einfach in einem Giessverfahren hergestellt werden kann. Bisherige Standardlösungen für höhere Einsatztemperaturen liegen in der Verwendung von teurerem Stahlguss und austenitischem Gusseisen oder in der Verwendung von aufwendiger herzustellenden Blechkonstruktionen.

Beispiel

[0014] Ein Auspuffkrümmer für einen Verbrennungsmotor eines Personenkraftwagens aus Sphäroguss mit der folgenden chemischen Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: 3,02 C, 2,96 Si, 2,53 Al, 0,79 Ni, 0,65 Mo, 0,23 Mn, 0,04 Cu, 0,031 P, 0,026 Cr, 0,023 Mg, 0,017 Ti, weniger als 0,01 S und 0,002 Ce weist ein ferritisches Gefüge auf. Die Auspuffkrümmer werden direkt in die Formen gegossen aus einer Schmelze, die im GF-Konverter mit Magnesium vorbehandelt wurde. Eine nachträgliche zeitaufwendige Wärmebehandlung wie Lösungsglühen oder Austempern ist nicht notwendig.

[0015] Die Behandlung mit Magnesium hat einen günstigen Einfluss auf den Schwefelgehalt der Legierung und gewährleistet eine Ausbildung des Graphits in der Kugel-oder Vermikularform. Magnesium wirkt entschwefelnd, es muss jedoch genügend Mg in Lösung bleiben um das Wachstum der Sphärolithen (= Kugelgraphitteilchen) zu begünstigen. Der Mg-Gehalt von etwa 0,025 Gew. % ist bei dem vorliegenden Al-Gehalt von etwa 2,5 Gew. % ideal. Die Legierungsproben haben ein spezifisches Gewicht, das mindestens 5% niedriger ist als das spezifische Gewicht herkömmlicher vergleichbarer Gusseisenlegierungen.

[0016] Der Kohlenstoffgehalt von 2,8 bis 3,6 Gew. % gewährleistet eine Zusammensetzung, die nahe dem Eutektikum liegt. Weniger als 2,8 % C ist ungünstig für die Speisung der Gussteile. Mehr als 3,6 % C ist ungünstig für die Hochtemperatureigenschaften der Legierung.

[0017] Cer wird in Mengen von 0,002 bis 0,1 Gew. % als Keimbildner zugegeben. Mehr als 0,1 % Ce ist ungünstig und führt zur Ausbildung von so genanntem Chunkygraphit.

[0018] Der Gehalt an Silizium von 2 bis 3 Gew. % hat in der vorliegenden Legierung einen positiven Einfluss auf die Bildung der ferritischen Phase, verbessert die Fliessfähigkeit der Schmelze, steigert die Streckgrenze und verbessert die Hitzebeständigkeit der Gussteile. Weniger als 2 % Si ist ungünstig für die Tiefe der Weisseinstrahlung. Mehr als 3 % Si erhöht die Sprödigkeit der Gussteile.

[0019] Der Gehalt an Aluminium von 2,5 bis 4,3 Gew. % hat ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Bildung der ferritischen Phase und neutralisiert den Stickstoff. Weniger als 2,5 % Al ist ungünstig für die Graphitstabilisierung. Mehr als 4,3 % Al ist ungünstig für die Bildung von Kugelgraphit.

[0020] Der Gehalt an Nickel von 0,1 bis 1 Gew. % steigert die Streckgrenze ohne wesentliche Erhöhung der Sprödigkeit und verbessert die Korrosionsbeständigkeit. Weniger als 0,1 % Ni ist ungünstig für die Graphitstabilisierung. Mehr als 1 % Ni ist ungünstig für die Bildung von Bainit und Martensit in dünneren Bereichen der Gussteile. Nickel ist ein verhältnismässig teures Legierungselement.

[0021] Der Gehalt an Molybdän von 0,4 bis 0,8 Gew. % hat einen positiven Einfluss auf die Erhöhung der Streckgrenze, der Warmfestigkeit, der Kriechbeständigkeit und damit auf die Temperaturwechselbeständigkeit. Weniger als 0,4 % Mo ist ungünstig für die Graphitstabilisierung. Mehr als 0,8 % Mo ist ungünstig für die Bildung von Karbiden und Gasblasen. Molybdän ist ein sehr teures Legierungselement.

[0022] Der Gehalt an Mangan von bis zu 0,3 Gew. % hat einen positiven Einfluss auf die Abbindung von Schwefel. Mehr als 0,3 % Mn ist ungünstig für die Bildung von Korngrenzkarbiden und verschlechtert den Keimbildungszustand. Zu viel Mn fördert die Bildung von Perlit im Kristallgefüge. Das bainitische Gefüge wird zunehmend spröder.

[0023] Der Gehalt an Chrom von bis zu 1 Gew. % hat einen positiven Einfluss auf die Kriechbeständigkeit und die Warmfestigkeit der Gussformteile.

[0024] Allgemein sind niedrigere Gehalte der Zulegierungen günstig für die Verringerung der Bildung von Korngrenzkarbiden und der Sprödigkeit bei Raumtemperatur. Dies ist beispielsweise der Fall bei den Gehalten an Kupfer und Titan.

[0025] Im Vergleich zu Stahlguss liegen die Schmelzetemperaturen bei Sphäroguss um 100 bis 200 °C niedriger. Dies bedeutet, dass weniger Energie verbraucht wird und dass weniger Legierungselemente durch Abdampfen an die Umwelt abgegeben werden.

[0026] In Figur 1 ist die Umwandlung von der ferritischen in die austenitische Phase der vorliegenden Legierung in Abhängigkeit der Temperatur dargestellt. Hier ist ersichtlich, wie bei ca. 900 °C eine Gleichgewichtsphasenumwandlung stattfindet. Hier ist auch ersichtlich, wie die Legierung bei einer Schmelztemperatur von 1240 bis 1280 °C den Aggregatszustand wechselt.

[0027] In Figur 2 ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der neuen Legierung mit der Bezeichnung SiMo1000plus, gemessen als Funktion der Temperatur, im Vergleich mit anderen Gusseisenlegierungen dargestellt.

[0028] In Figur 3 ist die Wärmeleitfähigkeit der Legierung Simo 1000plus im Vergleich mit anderen Gusseisenlegierungen als Funktion der Temperatur dargestellt. D5S steht hier für die sogenannten Ni-Resist-Legierungen, GJV SiMo und SiMoNi stehen für die bisher bekannten mit etwa 1 % Mo legierten Sphärogusslegierungen.

Ansprüche

1. Gusseisenlegierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen Oxidationsbeständigkeit bei Oberflächentemperaturen von 800 bis 950 °C mit den chemischen Bestandteilen 2,8 bis 3,6 Gew. % C, 2,0 bis 3,0 Gew. % Si, 2,5 bis 4,3 Gew. % Al, bis zu 1,0 Gew. % Ni, bis zu 0,8 Gew. % Mo, bis zu 0,3 Gew. % Mn, 0,002 bis 0,1 Gew. % Ce, 0,023 bis 0,06 Gew. % Mg, bis zu 0,01 Gew. % S, Rest Fe und üblichen Verunreinigungen.

2. Gusseisenlegierung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,1 bis 1 Gew. % Ni, 0,4 bis 0,8 Gew. % Mo und bis zu 1,0 Gew. % Cr enthält.

3. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Umwandlung von der ferritischen in die austenitische Phase der Legierung oberhalb von 880 °C liegt.

4. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeausdehnung der Legierung gemessen im Dilatometer bis zu einer Temperatur von 880 °C gleichmässig und konstant verlaufend ist.

5. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung einen Wärmeausdehnungskoeffizient von 8 bis 12 10^-6/K bei 25 °C und 13,5 bis 15,5 10^-6/K bei 900 °C aufweist.

6. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Festigkeitswerte für die Zugfestigkeit R_m 500 bis 650 MPa, für die Streckgrenze Rp_0.2 470 bis 620 MPa und für die Bruchdehnung A₅ 2,0 bis 4,0 % aufweist.

7. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Brinell-Härte von 220 bis 250 aufweist.

8. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bei 25 °C eine Wärmeleitfähigkeit von 20 bis 25 W/mK und bei 900 °C eine Wärmeleitfähigkeit von 23 bis 29 W/mK aufweist.

9. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung ein spezifisches Gewicht aufweist, das mindestens 5% niedriger ist als das spezifische Gewicht herkömmlicher vergleichbarer Gusseisenlegierungen.

10. Verfahren zur Herstellung einer Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung in einem Magnesiumkonverter mit Magnesium derart behandelt wird, dass eine sehr schwefelarme Legierung erhalten wird.

11. Verfahren zur Herstellung einer Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung nach der Vorbehandlung im Magnesiumkonverter in die Formen abgegossen wird und keiner thermischen Nachbehandlung unterworfen wird.

12. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie für Auspuffkrümmer und/oder Turboladergehäuse im Automobilbau verwendet wird.

Zeichnung