Gusseisenlegierung

Beschreibung

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

[0002] Im Kraftfahrzeugbau werden Gusseisenlegierungen verwendet für die Herstellung von Gussteilen, die eine hohe Temperaturbeständigkeit haben müssen, beispielsweise die Teile, die mit den heissen Abgasen des Verbrennungsmotors in Berührung kommen. Da die Verbrennungsmotoren immer höhere Leistungen erbringen, werden die Abgastemperaturen immer höher. Die Auspuffkrümmer und Gehäuse von Turboladern sind Temperaturen von 900 bis über 1000 °C ausgesetzt. Bei diesen hohen Temperaturen spielt die Umwandlungstemperatur, das heisst die Temperatur, wobei sich eine Kristallart der Legierung in einer anderen Kristallart umwandelt, eine wichtige Rolle. Bei der Umwandlungstemperatur erfolgt eine Volumenänderung und diese Volumenänderung führt zu unregelmässigem Dehnungsverhalten der Gussteilen. Die Legierungen, die eingesetzt werden können, müssen Umwandlungstemperaturen haben, die über der maximalen Gebrauchstemperatur liegen. Auch werden für die erwähnten hohen Gebrauchstemperaturen austenitische Stahlgusslegierungen oder Legierungen mit einem hohen Nickelanteil eingesetzt. Nickel ist ein relativ teures Rohmaterial. Oft werden die Auspuffkrümmer auch aus Blechteilen geformt, wobei sich die schlechte Schalldämmung nachteilig bemerkbar macht. Diese Lösungen sind relativ aufwendig in der Herstellung.

[0003] Aus der EP 534 850 B1 ist eine gattungsgemässe Gusseisenlegierung bekannt. Die Legierung enthält etwa 3,1 Gew. % C, 4,6 Gew. % Si, 1,9 Gew. % Al, 1 Gew. % Mo und gegebenenfalls noch Beimengungen von Co und Nb.

[0004] Aus der EP1 386 976 B1 ist eine weitere Gusseisenlegierung mit einer hohen Temperaturbeständigkeit bekannt. Diese Legierung enthält 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 01.0 Gew. % Ni und 0.1 bis 0.4 Gew. % Zr.

[0005] Aus der SU 1 036 786 ist eine weitere hitzebeständige Gusseisenlegierung bekannt. Die Legierung enthält neben 2,8 bis 3,8 Gew. % C, 3,6 bis 4,5 Gew. % Si, 0,2 bis 0,5 Gew. % Ni, 0,1 bis 0,35 Gew. % Mo, 0,1 bis 0,3 Gew. % Al, 0,05 bis 0,2 Gew. % Zr und 0,04 bis 0,1 Gew. % Mg auch noch 0,3 bis 1,0 Gew. % Mn, 0,1 bis 0,8 Gew. % Cr, 0,1 bis 0,3 Gew. % V und 0,01 bis 0,1 Gew. % Ti.

[0006] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Gusseisenlegierung anzugeben, die aus möglichst kostengünstigen Elementen hergestellt wird und wobei die Gussteile eine möglichst hohe Gebrauchstemperatur aufweisen.

[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gusseisenlegierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen Temperaturbeständigkeit wie in Anspruch 1 definiert.

[0008] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

[0009] Es ist von Vorteil, dass die Legierung eine möglichst hohe Strukturstabilität und einen möglichst hohen Widerstand gegen die Oxidation hat. Dies wird dadurch erreicht, dass der Si-Gehalt 5.2 bis 5.9 Gew. % beträgt. Dies wird auch dadurch erreicht, dass der Al-Gehalt 2.2 bis 3.0 Gew. % beträgt.

[0010] Der Kerngedanke der Erfindung ist es eine Gusseisenlegierung anzugeben, die eine Umwandlungstemperatur von mindestens 980 °C aufweist, die beim Einsatz in Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren keine störenden Dehnungseigenschaften hat und die möglichst kostengünstig in einem Giessverfahren hergestellt werden kann. Der Graphit in der Gusseisenlegierung kann sphäroidal (=kugelförmig) oder vermikular (=würmchenförmig) ausgebildet sein.

[0011] Eine Beimengung von Stickstoff im Bereich von 0.004 bis 0.018 Gew. % erhöht durch die Bildung von hochtemperaturbeständigen Nitriden zudem die Warmzugfestigkeit des Werkstoffs.

[0012] Magnesium in der Grössenordnung von 0.020 bis 0.080 Gew. % sind einerseits notwendig, um dem Werkstoff die gewünschte kompakte Graphitform von vermikular bis kugelförmig zu gewährleisten, andrerseits auch mit dem Stickstoff zusammen hochtemperaturbeständige Magnesiumnitride zu bilden.

[0013] Zudem bildet das Magnesium mit den vorhandenen 0.003 bis 0.015 Gew. % Schwefel Magnesiumsulfide, welche keimwirksam sind und so bei der Erstarrung die Graphitausscheidung begünstigen.

[0014] 0.1 bis 0.8 Gew. % Mo bewirken zudem eine verbesserte Kriechbeständigkeit des Werkstoffs und verbessern so seine Hochtemperatur-Eigenschaften.

[0015] Vorzugsweise bilden 0.1 bis 0.9 Gew. % V, 0.1 bis 0.5 Gew. % Cr, 0.01 bis 0.4 Gew. % Ti mit dem Stickstoff und dem Kohlenstoff fein verteilte Karbide, Nitride, sowie Mischkarbide und Karbonitride, welche die Versetzungsbewegung behindern und somit den Verformungswiderstand des Werkstoffs bei hohen Temperaturen verbessern. Die Elemente V, Cr und Ti können in der Legierung einzeln wie auch zusammen auftreten.

[0016] 0.1 bis 0.4 Gew. % Cu werden im Kristallgitter des Ferrits eingebaut und verfestigen den Werkstoff damit zusätzlich zu den Ausscheidungen durch eine Mischkristallverfestigung.

[0017] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der untenstehenden Beispiele beschrieben, wobei sich die Erfindung nicht nur auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.

Beispiel 1

[0018] Ein Auspuffkrümmer für einen Verbrennungsmotor eines Personenkraftwagens aus Sphäroguss mit der folgenden chemischen Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: 2,95 C, 5,54 Si, 0.0085 N, 0,15 Mo, 2.9 Al, 0.078 Mg, 0.75 Mo, 0.9 V, 0.15 Cr, 0.3 Ti, 0.2 Cu und 0.003 S weist ein überwiegend ferritisches Gefüge mit zahlreichen fein ausgeschiedenen Karbiden und Nitriden auf. Messungen in einem Dilatometer ergeben einen Längenausdehnungskoeffizienten von 15*10^-16 / K bei 400 °C und 21 *10^-16 / K im Bereich von 800 bis 1'000 °C. Die Ferrit/Austenit-Umwandlungstemperatur wurde zu 1'045 °C gemessen. In einem Warmzugversuch bei einer Temperatur von 800 °C wurden folgende mechanischen Festigkeitswerte bestimmt: Rp_0.2 = 55.3 N/mm², Rm = 58.3 N/mm² und A = 21.6 % (Prüfgeschwindigkeit = 0.2 mm/Min.)

Beispiel 2

[0019] Ein Auspuffkrümmer für einen Verbrennungsmotor eines Personenkraftwagens aus Gusseisen mit Vermiculargraphit mit der folgenden chemischen Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: 3.0 C, 5,3 Si, 0.0055 N, 0,2 Mo, 2.2 Al, 0,037 Mg, 0.3 Mo, 0.4 V, 0.3 Cr, 0.02 Ti, 0.12 Cu und 0,013 % S weist ein überwiegend ferritisches Gefüge mit zahlreichen fein ausgeschiedenen Karbiden und Nitriden auf. Messungen in einem Dilatometer ergeben einen Längenausdehnungskoeffizient von 16*10^-16 / K bei 400 °C und 22*10^-16 / K im Bereich von 800 bis 1'000 °C. Die Ferrit/Austenit-Umwandlungstemperatur wurde zu 1'072 °C gemessen. In einem Warmzugversuch bei einer Temperatur von 800 °C wurden folgende mechanischen Festigkeitswerte bestimmt: Rp = 53.1 N/mm², Rm = 53.9 N/mm² und A = 32.2 % (Prüfgeschwindigkeit = 0.2 mm/Min.)

Ansprüche

1. Gusseisenlegierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen Temperaturbeständigkeit, bestehend aus 2,9 bis 3.3 Gew. % C, 5.2 bis 5,9 Gew. % Si, 2.2 bis 3.0 Gew. % Al, 0.004 bis 0.018 Gew. % N, 0.1 bis 0.8 Gew. % Mo, 0.02 bis 0.08 Gew. % Mg, 0.003 bis 0.015 Gew. % S, Rest Fe und übliche Verunreinigungen.

2. Gusseisenlegierung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.1 bis 0.9 Gew. % V enthält.

3. Gusseisenlegierung nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.1 bis 0.5 Gew. % Cr enthält.

4. Gusseisenlegierung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.01 bis 0.4 Gew. % Ti enthält.

5. Gusseisenlegierung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.1 bis 0.4 Gew. % Cu enthält.

6. Gusseisenlegierung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitanteil kugelförmig ausgebildet ist.

7. Gusseisenlegierung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitanteil würmchenförmig ausgebildet ist.

8. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie für Gussteile, die mit dem Abgas von Verbrennungsmotoren in Berührung kommen, verwendet wird.

9. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass sie für Auspuffkrümmer oder Turboladergehäuse in Kraftfahrzeugen verwendet wird.