DE10101159C2

DE10101159C2 - Gusswerkstoff mit ferritischem Gefüge und Kugelgraphit, insbesondere ferritisches Gusseisen

Info

Publication number: DE10101159C2
Application number: DE2001101159
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kleinkroeger; Jens Stellmacher; Ernst-Peter Warnke; Heinz Robertz; Ulrich Minkner; Hans-Bernd Tenbrink
Original assignee: Siempelkamp Giesserei KG
Current assignee: Siempelkamp Giesserei KG
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2021-01-13
Also published as: DE10101159A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gusswerkstoff mit ferritischem Gefüge und Kugelgraphit, insbes. ein ferritisches Guss eisen.

Ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit und normalem Siliziumgehalt ist in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Ein derartiges Gusseisen ist für hohe Bean spruchungen nicht geeignet. Um die mechanischen Eigenschaften und die Bearbeitbarkeit eines solchen Gusseisens zu verbessern, kennt man Silizium und Molybdän legiertes Gusseisen mit Siliziumgehalten von 3 bis 4% und Molybdängehalten von 0,5 bis 1,5%.

So ist beispielsweise ein mit Silizium verfestigtes ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit bekannt, dessen Zugfestigkeit < 500 N/mm² beträgt (vgl. z. B. "Gießerei-Praxis" Nr. 1/1999 S. 11-17). Tatsächlich wird durch den Legierungsbestandteil Silizium eine Mischkristallverfestigung erreicht, die zugleich aber auch unter Reduzierung der Bruchdehnungswerte zu einer Versprödung führen kann. Verbessert wird durch die Ausbildung des einphasigen Grundgefüges (Ferrit) die sogenannte Wandstärkenabhängigkeit. Insbesondere bei dickwandigem Guss ist die Spanne der gemessenen Festigkeits- und Härtewerte über den Wanddickenverlauf wesentlich geringer als bei zweiphasigem Grundgefüge (Ferrit-Perlit). Das wirkt sich insbesondere auch auf die Duktilität und Zähigkeit sowie auf die spanabhebende Bearbeitbarkeit aus. Die zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit eingesetzten Legierungselemente können beispielsweise im Falle einer Überdosierung Nebenwirkungen mit äußerst schädlichen Folgen haben. Dazu gehört insbesondere die Bildung von Chunky-Graphit, bei dem es sich um einen entarteten Graphit handelt. Da die Bildung von Chunky- Graphit durch Silizium als Legierungselement gefördert wird, werden hohe Siliziumgehalte zur Steigerung der Festigkeitseigenschaften bei dickwandigen Gussteilen regelmäßig nicht eingesetzt. Die Ausbildung von Chunky- Graphit, die insbes. bei dickwandigen Gussstücken auftritt, führt darüber hinaus zu einer ganz erheblichen Reduzierung der Bruchdehnung auf beispielsweise lediglich 2%. Außerdem müssen eben eine Versprödung und reduzierte Zähigkeit in Kauf genommen werden. - Im übrigen kennt man nach DIN EN 1563 einen EN-GJS-600 (GGG-60), der zwar eine Zugfestigkeit von 600 N/mm² aufweist, dessen Bruchdehnungswerte jedoch bei dünnwandigen Gussstücken mit einer Wanddicke < 30 mm maximal 3% und bei dickwandigen Gusstücken mit einer Wanddicke zwischen 60 und 200 mm lediglich noch 1% betragen. Die mechanische Bearbeitbarkeit eines derartigen Gusseisens ist unbefriedigend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gusswerkstoff der eingangs beschriebenen Ausführungsform, insbes. ein mit Silizium verfestigtes ferritisches Gusseisen, zu schaffen, der sich durch extrem hohe Festigkeit und Dehnung nicht nur bei Dünnwandguss, sondern auch bei Dickwandguss auszeichnet und auch unter Berücksichtigung seiner optimierten mechanischen Eigenschaften und Bearbeitbarkeit wanddickenunabhängig ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung einen Gusswerkstoff mit ferritischem Gefüge und Kugelgraphit, insbes. ein ferritisches Gusseisen, mit folgender chemischer Zusammensetzung:
C 2,9 bis 3,2%, vorzugsweise 3,07%
Kohlenstoffäquivalent CE = C + 1/3 Si, mit
CE 4,2 bis 4,4% vorzugsweise 4,3%
Si 3,5 bis 4,0%, vorzugsweise 3,7%
Ni 0,5 bis 1,0%, vorzugsweise 0,7%
Mn maximal 0,25%,
Mg 0,038 bis 0,056%, vorzugsweise 0,045%
Ce maximal bis 0,002%, vorzugsweise 0,001%
Sb 0,001 bis 0,003%, vorzugsweise 0,002%, Rest Fe.

Der Phosphorgehalt P beträgt regelmäßig maximal 0,05%, der Schwefelgehalt S maximal 0,02%.

Ein derartiger Gusswerkstoff zeichnet sich durch eine Mindestzugfestigkeit von 550 N/mm² aus, die unschwer auch 600 N/mm² und mehr erreichen kann, während die Bruchdehnung dennoch 8% bis 15% beträgt. Zugfestigkeit und Bruchdehnung variieren nicht nur in Abhängigkeit von dem Siliziumgehalt, sondern auch von dem Nickelgehalt als Legierungsbestandteil. Während das Silizium für die Verfestigung sorgt, hat Nickel die Aufgabe kornfeinend zu wirken. Die Ferritphase des Gusseisens beträgt regelmäßig mehr als 95%, so dass die Perlitphase auf < 5% reduziert ist. In diesem Zusammenhang muss überraschen, dass die Bildung von Chunky-Graphit mit Sicherheit vermieden wird, obwohl der Siliziumgehalt verhältnismäßig hoch ist und Nickel als zusätzlicher Legierungsbestandteil Verwendung findet. Dieser überraschende Effekt ist im Rahmen der Erfindung auf das Verhältnis der Legierungselemente Cer und Antimon zurückzuführen. Die Bildung von Chunky-Graphit wird unerwarteterweise selbst bei Dickwandguss vermieden. Unter Dickwandguss sind im Rahmen der Erfindung Gussteile bzw. -stücke mit einer Wandstärke < 60 mm zu verstehen. Folglich zeichnet sich der erfindungsgemäße Gusswerkstoff durch seine Wandstärkenunabhängigkeit und dennoch hohe Zugfestigkeit und hohe Bruchdehnung aus.

Neben hoher Zugfestigkeit und Bruchdehnung zeichnet sich der erfindungsgemäße Gusswerkstoff aber auch noch durch weitere folgende mechanische Eigenschaften aus. So wird eine Zug/Druck-Wechsel-Dauerfestigkeit von 380 bis 420 N/mm² bei 10⁷-Schwingspielen erreicht. Die Schwingfestigkeit beträgt ±190 bis ±210 N/mm². Die Kaltzähigkeit beträgt bei einer Temperatur von -20°C mindestens 4 Joule. - Die Warmfestigkeit liegt bei 300°C in Bezug auf die Zugfestigkeit bei 400 N/mm², in Bezug auf die Streckgrenze bei 300 N/mm² und selbst die Dehnung beträgt noch mindestens 5%.

Ferner wird mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff ein bruchmechanischer Kennwert K_Ic von 40 MPa.m^½ erreicht. Die Bruchzähigkeit für den ebenen Dehnungszustand K_Ic stellt bekanntlich den Widerstand eines Materials gegen Rissausbreitung dar, und zwar für den Fall, dass der Spannungszustand nahe der Rissspitze näherungsweise durch den ebenen Dehnungszustand beschrieben werden kann und die plastische Dehnung auf einen kleinen Materialbereich begrenzt ist. K_Ic bezeichnet den kritischen K_I-Wert, bei dem mit steigender Belastung und bei hoher Dehnungsbehinderung signifikante Rissausbreitung stattfindet. - Diese mechanischen Eigenschaften werden sowohl bei Dünnwandguss als auch bei Dickwandguss mit dem erfindungsgemäßen Gusswerkstoff erreicht, der sich neben hoher Zugfestigkeit auch durch hohe Warmfestigkeit sowie gute Bruchdehnung und Zähigkeit unter Berücksichtigung der erreichten Wanddickenunempfindlichkeit auszeichnet. Auch die spanabhebende Bearbeitbarkeit wird gegenüber einem EN-GJS- 600 mit perlitischem Gefüge und geringer Dehnung verbessert.

Claims

1. Gusswerkstoff mit ferritischem Gefüge und Kugelgraphit, insbesondere ferritisches Gusseisen, welcher folgende Legierungselemente enthält:
C 2,9 bis 3,2%
Kohlenstoffäquivalent CE = C + 1/3 Si, mit
CE 4,2 bis 4,4%
Si 3,5 bis 4,0%
Ni 0,5 bis 1,0%
Mn maximal 0,25%
Mg 0,038 bis 0,056%
Ce maximal bis 0,002%
Sb 0,001 bis 0,003%.

2. Gusswerkstoff nach Anspruch 1, wobei der C-Gehalt 3,07% beträgt.

3. Gusswerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kohlenstoffäquivalent CE 4,3% beträgt.

4. Gusswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Si-Gehalt 3,7% beträgt.

5. Gusswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ni-Gehalt 0,7% beträgt.

6. Gusswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Mg-Gehalt 0,045% beträgt.

7. Gusswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Sb-Anteil 0,002% beträgt.