DE102009024785A1

DE102009024785A1 - Cast steel alloys and cast steel castings produced therefrom and method of making the same

Info

Publication number: DE102009024785A1
Application number: DE102009024785A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. Botsch; Timotheus Kaiser; Hermann Dipl.-Ing. Pfeifer (Fh); Hans-Joachim Dipl.-Ing. Porkert; Karl Dr. Weisskopf; Marc Olivier Dr. Ing. Borel
Original assignee: WOLFENSBERGER AG; Daimler AG
Current assignee: Wolfensberger Ag Ch; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2029-11-07
Also published as: WO2011054417A1; DE102009024785B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Stahlgusslegierung, die eine Basislegierung aus 0,2 bis 0,4 Gew.-% Kohlenstoff, 8 bis 22 Gew.-% Nickel, 20 bis 26 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 2 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 2 Gew.-% Wolfram, 0,05 bis 0,3 Gew.-% Stickstoff, 0,05 bis 2 Gew.-% Mangan und 0,1 bis 2 Gew.-% Niob enthält. Die Stahlgusslegierung enthält ferner zumindest ein Element aus der Gruppe, die von Cer, Yttrium und Zirkonium gebildet wird, in einem Anteil von 0,1 bis 0,4 Gew.-%, und einen Anteil an Eisen, der dem Differenzanteil zum Erhalt von 100 Gew.-% der Stahlgusslegierung entspricht. Wenn die Stahlgusslegierung keines der oben genannten Elemente enthält, darf die Basislegierung einen Niob-Gehalt von maximal 0,5 Gew.-% aufweisen. Ferner werden weitere Stahlgusslegierungen basierend auf der Basislegierung, sowie ein Stahlgussbauteil aus den Stahlgusslegierungen und ein Verfahren zur Herstellung von Stahlgussbauteilen aus den Stahlgusslegierungen offenbart.The present invention discloses a cast steel alloy comprising a base alloy of 0.2 to 0.4 wt.% Carbon, 8 to 22 wt.% Nickel, 20 to 26 wt.% Chromium, 0.5 to 2 wt. % Silicon, 0.5 to 2 wt% tungsten, 0.05 to 0.3 wt% nitrogen, 0.05 to 2 wt% manganese, and 0.1 to 2 wt% niobium. The cast steel alloy further contains at least one element selected from the group consisting of cerium, yttrium and zirconium in an amount of 0.1 to 0.4% by weight, and a content of iron equal to the difference ratio of 100 Wt .-% of the cast steel alloy corresponds. If the cast steel alloy does not contain any of the above-mentioned elements, the base alloy may have a maximum niobium content of 0.5% by weight. Further, other cast steel alloys based on the base alloy, as well as a cast steel member made of the cast steel alloys and a method of manufacturing cast steel members from the cast steel alloys are disclosed.

Description

Die Erfindung betrifft austenitische Stahlgusslegierungen, die sich durch einen reduzierten Nickelgehalt auszeichnen, und Stahlgussbauteile, die aus einer solchen Stahlgusslegierung hergestellt werden. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Stahlgussbauteilen aus den erfindungsgemäßen Stahlgusslegierungen.The invention relates to austenitic cast steel alloys characterized by a reduced nickel content and cast steel components made from such a cast steel alloy. Furthermore, the invention relates to a method for producing cast steel components from the cast steel alloys according to the invention.

Bauteile aus Stahlgusslegierungen, die zum Einsatz beispielsweise in Verbrennungsmotoren bei hohen Temperaturen von mehr als 1000°C vorgesehen sind, weisen bekanntermaßen hohe Nickel-Gehalte von über 30 Gew.-% auf, um bei diesen Temperaturen eine ausreichend hohe mechanische Belastbarkeit zu besitzen und nur geringes oder kein Kriechverhalten und gleichzeitige eine hohe Oxidationsbeständigkeit zu zeigen. Da Nickel teuer ist, wurden zur Kostensenkung im Stand der Technik Legierungen vorgeschlagen, die bei einem geringeren Nickelgehalt dennoch die erforderlichen Eigenschaften aufweisen sollen.Components made of cast steel alloys, which are intended for use, for example, in internal combustion engines at high temperatures of more than 1000 ° C., are known to have high nickel contents of more than 30% by weight in order to have a sufficiently high mechanical strength at these temperatures and only show little or no creep behavior and at the same time a high oxidation resistance. Since nickel is expensive, alloys have been proposed for cost reduction in the prior art, which should nevertheless have the required properties at a lower nickel content.

Dazu beschreibt die EP 1 352 983 A1 einen temperaturbeständigen Gussstahl, dessen hauptsächlich austenitisches Eisen-Nickel-Chrom-Gefüge 0,5 bis 3,0 Atomprozent Karbide des MC-Typs und 5 bis 10 Atomprozent Karbide des M₂₃ C₆-Typs aufweist. Neben Eisen weist die Legierungszusammensetzung 0,2 bis 1 Gew.-% (Gewichtsprozent) Kohlenstoff, 8 bis 45 Gew.-%t Nickel, 15 bis 30 Gew.-% Chrom, bis zu 10 Gew.-% Wolfram und 0,5 bis 3 Gew.-% Niob auf.This describes the EP 1 352 983 A1 a temperature-resistant cast steel whose mainly austenitic iron-nickel-chromium structure has 0.5 to 3.0 atomic percent of MC type carbides and 5 to 10 atomic percent of M ₂₃ C ₆ type carbides. In addition to iron, the alloy composition comprises 0.2 to 1 wt .-% (weight percent) carbon, 8 to 45 wt .-% t nickel, 15 to 30 wt .-% chromium, up to 10 wt .-% tungsten and 0.5 to 3 wt .-% of niobium.

In der EP 1 741 799 A1 ist ein austenitischer temperaturbeständiger Gussstahl mit hohem Chrom- und Nickel-Gehalt zum Einsatz in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors offenbart, wobei der Gussstahl 0,2 bis 1 Gew.-% Kohlenstoff, bis zu 3 Gew.-% Silizium, bis zu 2 Gew.-% Mangan, 15 bis 30 Gew.-% Chrom, 6 bis 30 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 6 Gew.-% Wolfram und/oder Molybdän und 0,5 bis 5 Gew.-% Niob und Eisen bis zur Bilanz sowie 0,01 bis 0,5 Gew.-% Stickstoff, bis zu 0,23 Gew.-% Aluminium enthält.In the EP 1 741 799 A1 is an austenitic temperature-resistant cast steel with high chromium and nickel content disclosed for use in an exhaust system of an internal combustion engine, wherein the cast steel 0.2 to 1 wt .-% carbon, up to 3 wt .-% silicon, up to 2 wt. % Manganese, 15 to 30% by weight chromium, 6 to 30% by weight nickel, 0.5 to 6% by weight tungsten and / or molybdenum and 0.5 to 5% by weight niobium and iron to to balance and 0.01 to 0.5 wt .-% nitrogen, up to 0.23 wt .-% aluminum.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, eine verbesserte Stahlgusslegierung zum Hochtemperatureinsatz mit verringertem Nickelgehalt bereitzustellen, bei der über eine genaue Einstellung der Legierungsbestandteile ein austenitisches Gefüge mit ausgeprägtem Karbidnetzwerk entsteht. Die Stahlgusslegierung muss dabei Anforderungen bezüglich der mechanischen Belastbarkeit und Oxidationsbeständigkeit erfüllen, sowie unter Belastung ein reduziertes oder vorzugsweise kein Kriechverhalten aufweisen.Based on this prior art, it is desirable to provide an improved steel alloy for high temperature use with reduced nickel content, in which an austenitic structure with a pronounced carbide network is formed through precise adjustment of the alloy constituents. The cast steel alloy must meet requirements with respect to the mechanical strength and oxidation resistance, as well as under load have a reduced or preferably no creep behavior.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, Stahlgussbauteile zu schaffen, die bei Hochtemperatureinsätzen trotz reduziertem Nickelgehalt die gewünschten Eigenschaften wie Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen.Another object is to provide cast steel components which have the desired properties such as oxidation resistance and corrosion resistance in high temperature applications despite reduced nickel content.

Schließlich ist es wünschenswert, ein Verfahren zur Fertigung solcher Stahlgussbauteile bereitzustellen.Finally, it is desirable to provide a method of manufacturing such cast steel components.

Die Aufgabe der Schaffung verbesserter Stahlgusslegierungen wird durch die Stahlgusslegierungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1, 5 und 8 gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object of providing improved cast steel alloys is achieved by the cast steel alloys having the features of independent claims 1, 5 and 8. Further preferred embodiments are the subject of the dependent claims.

Ein Stahlgussbauteil mit verbesserten Eigenschaften wird durch das Stahlgussbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10 bereitgestellt.A cast steel component having improved properties is provided by the cast steel component having the features of claim 10.

Die Aufgabe der Schaffung eines Fertigungsverfahrens für verbesserte Stahlgusslegierungen wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.The object of providing a manufacturing method for improved cast steel alloys is achieved by the method having the features of claim 11.

Weiterbildungen der vorgenannten Gegenstände sind in den Unteransprüchen ausgeführt.Further developments of the aforementioned objects are set forth in the subclaims.

Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf eine Stahlgusslegierung, die sich aus einer Basislegierung mit einer Zusammensetzung von 0,2 bis 0,4 Gew.-% Kohlenstoff, 8 bis 22 Gew.-% Nickel, 20 bis 26 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 2 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 2 Gew.-% Wolfram und 0,05 bis 0,3 Gew.-% Stickstoff und zudem 0,05 bis 2 Gew.-% Mangan und 0,1 bis 2 Gew.-% Niob zusammensetzt. Um die erfindungsgemäße Stahlgusslegierung zu erhalten, werden der Basislegierung Cer, Yttrium und Zirkonium einzeln oder in beliebigen Kombinationen der drei Elemente zugesetzt, und zwar mit einem Anteil von jeweils 0,1 bis 0,4 Gew.-% der einzelnen Elemente oder der Kombinationen davon. Schließlich enthält die Stahlgusslegierung Eisen bis zum Ausgleich der 100 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, wobei es sich durch die Darstellungsverfahren sämtlicher vorgenannter Elemente ergeben kann, dass Verunreinigungsspuren weiterer Elemente enthalten sind.A first embodiment relates to a cast steel alloy consisting of a base alloy having a composition of 0.2 to 0.4% by weight of carbon, 8 to 22% by weight of nickel, 20 to 26% by weight of chromium, 0 , 5 to 2 wt .-% silicon, 0.5 to 2 wt .-% tungsten and 0.05 to 0.3 wt .-% nitrogen and also 0.05 to 2 wt .-% manganese and 0.1 to 2 wt .-% niobium composed. In order to obtain the cast steel alloy of the present invention, cerium, yttrium and zirconium are added to the base alloy singly or in any combination of the three elements in a proportion of 0.1 to 0.4% by weight of each element or combinations thereof , Finally, the cast steel alloy contains iron to balance the 100 wt .-%, based on the total weight of the alloy, and it may result by the representation of all the aforementioned elements that contamination traces of other elements are included.

Mit dem fein eingestellten Gewichtsverhältnis zwischen Nickel, Chrom und Stickstoff kann ein nahezu vollständiges austenitisches Gefüge erreicht werden. Die Anteile von Kohlenstoff, Wolfram, Chrom und Niob fördern die Ausbildung des Karbidnetzwerks, das bei hohen Temperaturen vorteilhaft festigkeitssteigernd wirkt. Die Wolframatome bauen sich dabei ähnlich wie die Nickelatome in das austenitische Gefüge ein und können das Kriechen verhindern, durch das nachteilig Sigma-Phasen entstehen können. Durch diese Kombination der Legierungselemente entsteht auch keine Sigma-Phase, die den Werkstoff zur Versprödung neigen lassen würdeWith the finely adjusted weight ratio between nickel, chromium and nitrogen, an almost complete austenitic structure can be achieved. The proportions of carbon, tungsten, chromium and niobium promote the formation of the carbide network, which has an advantageous strength-increasing effect at high temperatures. The tungsten atoms, like the nickel atoms, build themselves into the austenitic structure and can prevent creeping, which can disadvantageously result in sigma phases. Through this combination of Alloy elements also creates no sigma phase, which would tend the material to embrittlement

Silizium unterstützt generell die Beständigkeit gegen Hochtemperaturoxidation, während schon geringe Zugaben an Mangan besonders vorteilhaft das Fließverhalten der flüssigen Legierungsschmelze verbessert und bei der Erstarrung zusätzlich noch das Austenitgefüge stabilisiert. Die Verringerung des Niobgehalts wirkt sich positiv auf die Gesamtkosten aus, wobei gleichzeitig die Oxidationsbeständigkeit bei nur geringer Veränderung der Kriechbeständigkeit und -festigkeit verbessert wird.Silicon generally supports resistance to high-temperature oxidation, while even small additions of manganese particularly advantageously improves the flow behavior of the liquid alloy melt and additionally stabilizes the austenite structure during solidification. The reduction in niobium content has a positive effect on the overall cost, while improving the oxidation resistance with little change in creep resistance and strength.

In bevorzugter Ausführung wird der Mn-Gehalt auf unterhalb 0,5 oder gar 0,2% reduziert.In a preferred embodiment, the Mn content is reduced to below 0.5 or even 0.2%.

Die Zugabe von einem Element aus der Gruppe, die Cer, Yttrium und Zirkonium umfasst – wobei hier nicht die Gruppe des Periodensystems sondern eine Gruppe als Gesamtheit gemeint ist – verbessert die Haftfähigkeit der Randschichten bei der Oxidation, wobei Zirkonium zudem als Karbidbildner die Kriechfestigkeit im Hochtemperaturbereich erhöhen kann.The addition of an element from the group comprising cerium, yttrium and zirconium - which is not the group of the periodic system but a group as a whole - improves the adhesion of the boundary layers in the oxidation, zirconium also as a carbide the creep strength in the high temperature range can increase.

Eine solche Stahlgusslegierung weist ein Austenitgefüge mit einem Karbidanteil von 10 bis 30% auf, das vorteilhaft keine oder nur sehr geringe Anteile von Sigma-Phasen oder Ferritgefüge aufweist. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da die Sigma-Phasen, die aus etwa 48 ± 10% Chrom und 52 ± 10% Eisen bestehen, zum Einen als intermetallische Phase sehr spröde sind und zum Anderen der Umgebung Chrom entziehen, was zur Folge hat, dass in der Umgebung der Sigma-Phasen eine Chromverarmung stattfindet, die die Beständigkeit gegenüber Oxidation und Korrosion stark vermindert.Such a cast steel alloy has an austenite structure with a carbide content of 10 to 30%, which advantageously has no or only very small amounts of sigma phases or ferrite structure. This is particularly advantageous because the sigma phases, which consist of about 48 ± 10% chromium and 52 ± 10% iron, on the one hand as an intermetallic phase are very brittle and on the other hand withdraw the environment of chromium, with the result that In the vicinity of the sigma phases a chromium depletion takes place, which greatly reduces the resistance to oxidation and corrosion.

In weiteren Ausführungsformen kann die Stahlgusslegierung neben der oben genannten Basislegierung alternativ oder zusätzlich zu Cer, Yttrium und Zirkonium die Elemente Vanadium oder Aluminium oder beide enthalten. Dazu kann die Stahlgusslegierung Vanadium, Aluminium oder beides jeweils allein oder kombiniert mit einem Anteil von 0,1 bis 0,8 Gew.-% enthalten. Vanadium sorgt als starker Karbidbildner für eine erhöhte Kriechfestigkeit, während sich Aluminium positiv auf das Hochtemperatur-Oxidationsverhalten auswirkt.In further embodiments, in addition to the above base alloy, the cast steel alloy may alternatively or in addition to cerium, yttrium and zirconium contain the elements vanadium or aluminum or both. For this purpose, the cast steel alloy vanadium, aluminum or both in each case alone or combined with a proportion of 0.1 to 0.8 wt .-%. Vanadium, as a strong carbide former, provides increased creep resistance, while aluminum has a positive effect on high-temperature oxidation behavior.

In einer weiteren Ausführungsform, die sich besonders durch einen günstigen Rohstoffeinsatz auszeichnet werden weder Cer noch Yttrium, Zirkonium, Vanadium und Aluminium zugegeben. Dafür wird Niob-Gehalt auf unter 0,5% gehalten. Hierbei hat sich auch ein Mn-Gehalt unterhalb 0,2% als günstig erwiesen.In a further embodiment, which is characterized in particular by a favorable use of raw materials, neither cerium nor yttrium, zirconium, vanadium and aluminum are added. For this, niobium content is kept below 0.5%. In this case, an Mn content below 0.2% has proven to be favorable.

Da sich die erfindungsgemäße Stahlgusslegierung bei hohen Temperaturen über 1000°C als mechanisch sehr beanspruchbar und oxidationsbeständig erwiesen hat und nahezu kein Kriechverhalten zeigt, ist die Stahlgusslegierung mit dem austenitischen und dendritischen Gefüge, das durch das Karbidnetzwerk verstärkt wird, zur Herstellung eines Stahlgussbauteils geeignet, das beispielsweise als Komponente eines Verbrennungsmotors im Hochtemperaturbereich über 1.000°C zum Einsatz kommt.Since the cast steel alloy according to the invention has proven to be mechanically very stressable and resistant to oxidation at high temperatures above 1000 ° C. and exhibits virtually no creep behavior, the cast steel alloy with the austenitic and dendritic microstructure reinforced by the carbide network is suitable for producing a cast steel component which For example, as a component of an internal combustion engine in the high temperature range above 1000 ° C is used.

Die Legierung ist insbesondere für Schwerkraftguss und Niederdruckguss geeignet.The alloy is particularly suitable for gravity casting and low pressure casting.

Schließlich bezieht sich eine Ausführungsform der Erfindung auf ein Niederdruckgussverfahren zur Herstellung von Stahlgussbauteilen aus den erfindungsgemäßen Stahlgusslegierungen.Finally, one embodiment of the invention relates to a low-pressure casting method for the production of cast steel components from the cast steel alloys according to the invention.

Die geschilderten und weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, in der beispielhaft einige Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.The above and other advantages will become apparent from the following detailed description, in which by way of example some embodiments are illustrated with reference to the accompanying drawings.

Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.The reference to the figures in the description is to support the description. Articles or parts of objects which are substantially the same or similar may be given the same reference numerals. The figures are merely a schematic representation of an embodiment of the invention.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine Abbildung des austenitischen, dendritischen und durch ein Karbidnetzwerk verstärkten Gefüges einer erfindungsgemäßen Stahlgusslegierung in einem ersten Vergrößerungsmaßstab, 1 FIG. 2 shows an illustration of the austenitic, dendritic and carbide network-reinforced structure of a cast steel alloy according to the invention on a first magnification scale, FIG.

2 die Abbildung aus 1 in einem zweiten Vergrößerungsmaßstab, 2 the picture off 1 on a second magnification scale,

3 eine Abbildung des Gefüges einer erfindungsgemäßen Stahlgusslegierung mit den verschiedenen Phasen, 3 an illustration of the structure of a cast steel alloy according to the invention with the different phases,

4 eine Abbildung des Gefüges einer erfindungsgemäßen Erfindung im Gusszustand, 4 an illustration of the structure of an invention in the cast state,

5 eine Abbildung des Gefüges der erfindungsgemäßen Legierung aus 4 nach 100 Stunden bei 700°C, 5 an illustration of the structure of the alloy of the invention 4 after 100 hours at 700 ° C,

6 eine Abbildung des Gefüges der erfindungsgemäßen Legierung aus 4 und 5 nach 200 Stunden bei 1.050°C, 6 an illustration of the structure of the alloy of the invention 4 and 5 after 200 hours at 1050 ° C,

7 ein Diagramm der Gewichtsanteile der verschiedenen Elemente einer erfindungsgemäßen Legierung an verschiedenen Stellen in einem Gefüge gemäß 9, 7 a diagram of the weight fractions of the various elements of an inventive Alloy at various points in a structure according to 9 .

8 eine REM/EDX Abbildung des Gefüges in einem ersten Maßstab, und 8th a REM / EDX image of the fabric on a first scale, and

9 eine der Abbildung aus 8 analoge Abbildung in einem zweiten Maßstab. 9 one of the picture 8th analogue image on a second scale.

10 Schliffbild mit einem Karbid-Gehalte von ca. 20 bis 25% 10 Micrograph with a carbide content of approx. 20 to 25%

Die erfindungsgemäße Stahlgusslegierung bezieht sich auf einen gießbaren, temperaturbeständigen, hochfesten und kriechfesten Werkstoff mit reduziertem Nickelgehalt, der für die Anwendung in einem Motor-Bauteil bei Temperaturen von über 1.000°C geeignet ist. Dazu weist die Stahlgusslegierung eine Basislegierung der Zusammensetzung von 0,2 bis 0,4 Gew.-% Kohlenstoff (C), 8 bis 22 Gew.-% Nickel (Ni), 20 bis 26 Gew.-% Chrom (Cr), 0,5 bis 2 Gew.-% Silizium (Si), 0,5 bis 2 Gew.-% Wolfram (W) und 0,05 bis 0,3 Gew.-% Stickstoff (N), 0,05 bis 2 Gew.-% Mangan (Mn) und 0,1 bis 2 Gew.-% Niob (Nb) auf.The cast steel alloy of the present invention refers to a castable, high temperature, high strength and creep resistant, reduced nickel material suitable for use in a motor component at temperatures in excess of 1000 ° C. For this purpose, the cast steel alloy has a base alloy of the composition of 0.2 to 0.4 wt .-% carbon (C), 8 to 22 wt .-% nickel (Ni), 20 to 26 wt .-% chromium (Cr), 0 , 5 to 2% by weight of silicon (Si), 0.5 to 2% by weight of tungsten (W) and 0.05 to 0.3% by weight of nitrogen (N), 0.05 to 2% by weight. -% manganese (Mn) and 0.1 to 2 wt .-% niobium (Nb) on.

Durch den Einsatz von Cer (Ce), Yttrium (Y) oder Zirkon (Zr) oder verschiedene Kombinationen der drei Elemente mit einem Anteil von jeweils 0,1 bis 0,4 Gew.-% – stets bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung – und durch den Zusatz von Eisen (Fe), um den bis zu 100 Gew.-% fehlenden Anteil aufzufüllen, kann durch die genaue Abstimmung der Legierungskomponenten ein nahezu vollständiges Austenitgefüge erhalten werden, das 10 bis 30% Karbidanteile umfasst, wobei vor allem Niob-, Wolfram- und Chrom-Karbide gebildet werden. Das Austenitgefüge weist quasi keine Sigma-Phasen und keine Ferritgefügebereiche auf. Das Hinzufügen von Ce, Y oder Zr oder verschiedene Kombinationen der drei mit einem jeweiligen Anteil von 0,1 bis 0,4 Gew.-% verbessert in erster Linie die Oxidationsbeständigkeit, Zirkonium wirkt allerdings auch als Karbidbildner und trägt somit zur Erhöhung der Kriechfestigkeit bei. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Anteil von Ce, Y und/oder Zr bevorzugt zwischen 0,15 und 0,3 Gew.-% liegen.Through the use of cerium (Ce), yttrium (Y) or zirconium (Zr) or various combinations of the three elements in a proportion of 0.1 to 0.4 wt .-% - always based on the total weight of the alloy - and by the addition of iron (Fe) to fill the up to 100 wt .-% missing portion, can be obtained by the exact vote of the alloying components, a nearly complete Austenitgefüge comprising 10 to 30% carbide, in particular niobium, Tungsten and chromium carbides are formed. The austenite structure has virtually no sigma phases and no ferrite microstructures. The addition of Ce, Y or Zr or various combinations of the three in a respective proportion of 0.1 to 0.4 wt .-% improves primarily the oxidation resistance, zirconium, however, also acts as a carbide former and thus contributes to increasing the creep resistance , In an advantageous embodiment, the proportion of Ce, Y and / or Zr may preferably be between 0.15 and 0.3% by weight.

1 und 2 stellen das Gefüge einer solchen Stahlgusslegierung dar, aus der das austenitische, dendritische und durch das Karbidnetzwerk verstärkte Gefüge ersichtlich wird. Der Karbidtanteil liegt dabei bei diesen metallographischen Schliffen zwischen 10 und 15%, das Karbidnetzwerk ist in 1 und 2 als die dunklen Bereiche erkennbar. Aus dem in den 1 und 2 abgebildeten Maßstab kann eine Korngröße des Austenits von ungefähr 50 μm entnommen werden. 1 and 2 represent the structure of such a cast steel alloy, from which the austenitic, dendritic and reinforced by the carbide network structure is evident. The carbide content of these metallographic cuts is between 10 and 15%, the carbide network is in 1 and 2 recognizable as the dark areas. From the into the 1 and 2 As shown, a grain size of the austenite of about 50 μm can be taken.

Durch eine weitere Anpassung des Niob und Chrom-Gehaltes kann eine Erhöhung des Karbid-Gehaltes auf 20 bis 25% realisiert werden. (10) Eine Dendritengröße von ca. 50 μm in x-Richtung und ca. 100 μm in y-Richtung kann gemessen werden. Mit dem vollaustenitischen Gefüge ist die Voraussetzung für gute n geforderten Werkstoffeigenschaften im Hochtemperaturbereich erfüllt. Vorteilhaft sind in dem Gefüge einer erfindungsgemäßen Stahlgusslegierung keine Sigma-Phasen und kein Ferrit vorhanden, da sich diese nachteilig auswirken würden, da Ferrit einen sehr hohen Diffusionskoeffizienten im Vergleich zum Austenit besitzt und daher im Hochtemperaturbereich nicht kriechbeständig ist. Die Sigma-Phasen besitzen als intermetallische Phase aus Chrom und Eisen eine hohe Härte und sind sehr spröde und bilden sich bevorzugt aus Deltaferrit. Neben der versprödenden Wirkung ist auch die oben genannte Chromverarmung in der Umgebung zu der Sigma-Phase als Nachteil zu nennen.By further adjustment of the niobium and chromium content, an increase of the carbide content to 20 to 25% can be realized. ( 10 ) A dendrite size of approx. 50 μm in the x-direction and approx. 100 μm in the y-direction can be measured. With the fully austenitic structure, the prerequisite for good n required material properties in the high temperature range is fulfilled. Advantageously, no sigma phases and no ferrite are present in the microstructure of a cast steel alloy according to the invention, since these would have an adverse effect, since ferrite has a very high diffusion coefficient compared to austenite and is therefore not creep resistant in the high temperature range. The sigma phases have a high hardness as the intermetallic phase of chromium and iron and are very brittle and are preferably formed from delta ferrite. In addition to the embrittling effect, the abovementioned chromium depletion in the vicinity of the sigma phase is also a disadvantage.

Die erfindungsgemäße Stahlgusslegierung weist weder direkt nach dem Guss, wie 4 zeigt, noch nach Auslagerungen bei einer 100-stündigen Beaufschlagung mit 700°C (5) oder 200-stündigen Beaufschlagung mit 1.050°C (6) die nachteiligen Sigma-Phasen auf, während immer noch 5 bis 10% Karbide im Phasengefüge vorhanden sind. Die Karbide haben sich nicht aufgelöst und sind somit stabil.The cast steel alloy according to the invention has neither directly after casting, as 4 even after aging at 100 ° C exposure to 700 ° C ( 5 ) or exposure to 1050 ° C. for 200 hours ( 6 ) the adverse sigma phases while still 5 to 10% carbides are present in the phase structure. The carbides have not dissolved and are therefore stable.

Aus dem in 3 dargestellten Gefügebild kann für die drei markierten unterschiedlichen Phasen die Mikrohärte verglichen werden, die durch eine Härtemessung mit einer Prüfkraft von 490,4 mN und einer Haltezeit von 15 Sekunden ermittelt wurde. Für die Austenit-Phase A wurde eine Mikrohärte von 178 HV, für eine Karbid-Phase B von 160 HV und für eine weitere Karbid-Phase C von 211 HV ermittelt. Die Makrohärte des Gesamtgefüges ergab sich bei einer Prüfkraft von 294,3 N und einer Haltezeit von 15 Sekunden mit einem Kugeldurchmesser von 1 mm zu 161,3 HB.From the in 3 The micrograph for the three marked different phases can be compared with the microhardness determined by a hardness measurement with a test force of 490.4 mN and a holding time of 15 seconds. For the austenite phase A, a microhardness of 178 HV was determined, for a carbide phase B of 160 HV and for another carbide phase C of 211 HV. The macrohardness of the overall microstructure was found to be 161.3 HB with a test force of 294.3 N and a holding time of 15 seconds with a sphere diameter of 1 mm.

Aus den Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop, mit dem die Abbildungen der 8 und 9 erstellt wurden, und der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX), mittels derer eine Verteilung der Gewichtsanteile der Elemente (siehe 7) im Gefüge entsprechend der auf der Abbildung aus 9 angezeigten Stellen ermittelt wurde, wird ersichtlich, dass neben dem Basiselement Eisen auch Chrom und Niob weitere Gewichtsprozentspitzen in der EDX-Analyse bilden.From the investigations with the Scanning Electron Microscope, with which the pictures of the 8th and 9 and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), by means of which a distribution of the weight fractions of the elements (see 7 ) in the structure as shown in the picture 9 In addition to the basic element iron, chromium and niobium also form further weight percentage peaks in the EDX analysis.

Die Gefügestellen 1, 2, 3, für die die Verteilung der Elemente ermittelt wurde, sind in 9 dargestellt. In 7 ist für den Gewichtsanteil eines jeweiligen Elements ein Übersichtswert jeweils links angeordnet. Die Gewichtsanteile der Elemente, die an der Gefügestelle 1 ermittelt wurden, sind in zweiter Position mit den gepunkteten Balken angezeigt. Die hauptsächliche Zusammensetzung der Gefügestelle 1 besteht aus Fe-Cr-Ni und bildet damit das austenitische Grundgefüge. Die Gewichtsanteile der Gefügestelle 2 mit den mittigen, quer gestreiften Balken zeigen einen maximalen Cr-Anteil, mittleren Fe-Anteil und eine W-Spitze. In den Rasterelektronenmikroskopbildern von 8 und 9 erscheinen die leichten Elemente wie Chrom an der in 9 markierten Gefügestelle 2 dunkel.The microstructures 1, 2, 3, for which the distribution of the elements was determined, are in 9 shown. In 7 is an overview value for the weight fraction of each element on the left. The weight proportions of the elements that at the microstructure 1 are displayed in second position with the dotted bars. The main composition of the microstructure 1 consists of Fe-Cr-Ni and thus forms the austenitic basic structure. The weight fractions of the microstructure 2 with the central, cross-striped bars show a maximum Cr content, average Fe content and a W peak. In the scanning electron microscope images of 8th and 9 The light elements such as chrome appear on the in 9 marked structure 2 dark.

Die Gefügestelle 3 aus 9 wurde zweimal mit der EDX-Analyse untersucht die Ergebnisse der Gewichtsanteile für die Elemente sind mit den jeweils beiden rechts angeordneten Balken (Stelle 3(1) und Stelle 3(2)) in 7 aufgezeigt. Daraus wird die helle Gefügestelle 3 aus 9 in ein Niob-Maximum ersichtlich.The microstructure 3 off 9 was analyzed twice with the EDX analysis the results of the weight fractions for the elements are in each case with the two right-hand bars (site 3 (1) and site 3 (2)) in 7 demonstrated. From this, the bright microstructure 3 is made 9 in a niobium maximum visible.

In den Rasterelektronenmikroskopbildern von 8 und 9 erscheinen damit die schweren Elemente wie beispielsweise Niob hell und die leichten Elemente wie Chrom dunkel. In 8 und 9 sind hauptsächlich zwei Ausscheidungstypen vorhanden. Die hellen Stellen kennzeichnen die Niobkarbide, während die dunklen Stellen die Chromkarbide darstellen. Zurückkommend auf 4 bis 6, bei denen der Gesamtvolumenanteil aller Karbide 10 bis 20% beträgt, überwiegt dort durch den höheren Chromgehalt der Anteil der Chromkarbide gegenüber den Niobkarbiden.In the scanning electron microscope images of 8th and 9 Thus, the heavy elements such as niobium appear bright and the light elements such as chrome dark. In 8th and 9 There are mainly two excretion types. The bright spots characterize the niobium carbides, while the dark spots represent the chromium carbides. Coming back to 4 to 6 , in which the total volume fraction of all carbides is 10 to 20%, dominates there by the higher chromium content, the proportion of chromium carbides compared to the niobium carbides.

Aus 7 geht weiter hervor, dass der Wolframanteil auch eine wichtige Rolle spielt, da Wolfram neben der maximalen Ansammlung in der Chromausscheidung von Steile 2 sowohl in der Niobausscheidungsstelle 3 als auch in der austenitischen Grundmatrix (Stelle 1) zu finden ist. Wolframatome werden daher analog zu Nickelatomen in die Grundmatrix eingebaut und verzerren deren Gitter auf Grund ihrer Größe. Gerade in dieser Mischkristallhärtung kann eine Ursache für die gesteigerten mechanischen Eigenschaften gesehen werden. Zudem trägt Wolfram als Karbidbildner zur Ausscheidungshärtung bei. Die speziell und genau festgelegte Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Stahlgusslegierung gewährleistet damit die vollaustenitische Matrix mit einem hohen Anteil an Karbidnetzwerk, wodurch auch im Hochtemperaturbereich eine gute mechanische Belastbarkeit, und eine hohe Kriech- und Oxidationsbeständigkeit erreicht werden kann.Out 7 It also shows that the tungsten content also plays an important role, since besides the maximum accumulation in the chromium precipitate of Steile 2, tungsten can be found both in the niobium precipitation site 3 and in the austenitic matrix (site 1). Tungsten atoms are therefore incorporated into the basic matrix analogously to nickel atoms and distort their lattice due to their size. Especially in this solid solution hardening can be seen a cause for the increased mechanical properties. In addition, tungsten carbide forming contributes to precipitation hardening. The specially and precisely defined composition of the cast steel alloy according to the invention thus ensures the fully austenitic matrix with a high content of carbide network, whereby a good mechanical strength, and a high creep and oxidation resistance can be achieved even in the high temperature range.

Aus 8 und 9 kann zudem noch entnommen werden, dass die hellen Niob- und Wolfram-Karbide eine eher lamellenförmige Struktur mit einer Länge von durchschnittlich 10 μm aufweisen bei einem geringen Anteil von Kugelstrukturen mit einem Durchmesser von durchschnittlich 1,1 μm. Ein größerer Anteil der Chromkarbide besitzt eine Mischstruktur aus lamellenförmig und kugelig, wobei hier eine durchschnittliche Länge der Chromkarbidlamellen im Bereich von 6,8 bis 13,2 μm liegt, während die Kugeln einen durchschnittlichen Durchmesser von 2,1 bis 10,5 μm aufweisen.Out 8th and 9 can also be found that the bright niobium and tungsten carbides have a rather lamellar structure with an average length of 10 microns with a small proportion of spherical structures with a diameter of 1.1 microns average. A larger proportion of the chromium carbides has a mixed structure of lamellar and spherical, here an average length of the chromium carbide lamellae in the range of 6.8 to 13.2 microns, while the balls have an average diameter of 2.1 to 10.5 microns.

Eine weitere erfindungsgemäße Stahlgusslegierung bezieht sich auf eine Basislegierung der oben genannten Zusammensetzung, die Ce, Y oder Zr oder verschiedene Kombinationen der drei mit einem Anteil von 0,1 bis 0,4 Gew.-%, und zusätzlich Al (Aluminium) und/oder Vanadium (V) mit 0,1 bis 0,8 Gew.-% umfasst, und Fe als Rest bis zum Ausgleich der 100 Gew.-% enthält. V verbessert die Karbidbildung und damit die Kriechfestigkeit, während Al das Hochtemperatur-Oxidationsverhalten verbessert. Insbesondere können die Anteile für Ce, Y und/oder Zr bei 0,15 bis 0,3 Gew.-% liegen, während Al und/oder V bevorzugt mit einem Anteil von 0,3 bis 0,6 Gew.-% enthalten sind.Another cast steel alloy according to the invention relates to a base alloy of the above composition, Ce, Y or Zr or various combinations of the three in a proportion of 0.1 to 0.4 wt .-%, and additionally Al (aluminum) and / or Vanadium (V) comprises 0.1 to 0.8 wt .-%, and Fe as the balance to compensate for the 100 wt .-%. V improves carbide formation and thus creep resistance, while Al improves high temperature oxidation behavior. In particular, the proportions of Ce, Y and / or Zr may be 0.15 to 0.3 wt%, while Al and / or V are preferably contained in a proportion of 0.3 to 0.6 wt% ,

Eine erfindungsgemäße Stahlgusslegierung kann als Zusatz lediglich Al und/oder V in den genannten Anteilen ohne Ce, Y und Zr enthalten.A cast steel alloy according to the invention can contain as additive only Al and / or V in the stated proportions without Ce, Y and Zr.

Eine weitere erfindungsgemäße Stahlgusslegierung enthält weder Cer noch Yttrium, Zirkonium, Vanadium und Aluminium aber Nb mit bis zu 0,5% Niob.Another cast steel alloy according to the invention contains neither cerium nor yttrium, zirconium, vanadium and aluminum but Nb with up to 0.5% niobium.

Die beschriebenen Gewichtsanteile gelten dabei jeweils für die einzelnen Elemente oder für eine Kombination daraus. So kann eine erfindungsgemäße Stahlgusslegierung basierend auf der Basislegierung entweder Ce, Y oder Zr mit 0,1 bis 0,4 Gew.-%, bzw. bevorzugt 0,15 bis 0,3 Gew.-% enthalten; eine andere erfindungsgemäße Stahlgusslegierung hingegen kann eine Kombination aus Ce, Y und Zr mit 0,1 bis 0,4 Gew.-%, bzw. bevorzugt 0,15 bis 0,3 Gew.-% enthalten. Entsprechendes gilt für die alternative oder zusätzliche Ausführung der Stahlgusslegierung mit Al oder V. Es kann erfindungsgemäß nur Al oder V mit einem Anteil von 0,1 bis 0,8 Gew.-%, bzw. bevorzugt 0,3 bis 0,6 Gew.-% enthalten sein, es kann aber auch eine Kombination von Al und V mit einem Anteil von 0,1 bis 0,8 Gew.-%, bzw. bevorzugt 0,3 bis 0,6 Gew.-% enthalten sein.The weight fractions described here apply in each case to the individual elements or to a combination thereof. Thus, a cast steel alloy according to the invention based on the base alloy may contain either Ce, Y or Zr at 0.1 to 0.4% by weight, or preferably 0.15 to 0.3% by weight; On the other hand, another cast steel alloy according to the invention may contain a combination of Ce, Y and Zr with from 0.1 to 0.4% by weight, or preferably from 0.15 to 0.3% by weight. The same applies to the alternative or additional embodiment of the cast steel alloy with Al or V. It can according to the invention only Al or V in a proportion of 0.1 to 0.8 wt .-%, or preferably 0.3 to 0.6 wt. -% may be included, but it can also be a combination of Al and V in a proportion of 0.1 to 0.8 wt .-%, or preferably 0.3 to 0.6 wt .-% may be included.

Aus den erfindungsgemäßen Stahlgusslegierungen können Stahlgussbauteile zum Einsatz bei einer Temperatur von mehr als 1.000°C, auch als Komponenten eines Verbrennungsmotors gefertigt werden.From the cast steel alloys according to the invention cast steel components for use at a temperature of more than 1,000 ° C, as components of an internal combustion engine can be manufactured.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahlgussbauteils ist das Niederdruckverfahren: Nachdem eine Schmelze aus der Stahlgusslegierung hergestellt wurde, wird diese über ein Steigrohr in eine Gießform eingebracht, wobei ein Gasüberdruck von etwa 0,1 bis 0,9 bar, insbesondere 0,2 bis 0,5 bar von unten entgegen der Schwerkraft der Schmelze aufgebracht wird. Die Gießform wird aufgefüllt, so dass die Schmelze erstarren gelassen werden kann. Nach dem Füllen der Gießform, kann die Schmelze erstarren.A preferred method for producing such a cast steel component is the low-pressure method: After a melt has been produced from the cast steel alloy, it is introduced via a riser into a casting mold, wherein a gas overpressure of about 0.1 to 0.9 bar, in particular 0.2 to 0.5 bar is applied from below against the gravity of the melt. The casting mold is filled up so that the melt can be solidified. After filling the mold, the melt may solidify.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1352983 A1 [0003]
EP 1741799 A1 [0004]

Claims

Cast steel alloy, which made up a base alloy 0.2 to 0.4% by weight of carbon, 8 to 22 wt.% Nickel, 20 to 26% by weight of chromium, 0.5 to 2% by weight of silicon, 0.5 to 2 wt.% Tungsten, From 0.05 to 0.3% by weight of nitrogen, 0.05 to 2 wt .-% manganese and 0.1 to 2 wt.% Niobium, and in which at least one of the group comprising cerium, yttrium and zirconium is contained in a proportion of 0.1 to 0.4% by weight, the steel casting alloy containing a content of iron corresponding to a difference ratio to obtain 100% by weight. -% of cast steel alloy.

Cast steel alloy according to claim 1, characterized in that the proportion of cerium, yttrium and / or zirconium is 0.15 to 0.3 wt .-%.

Cast steel alloy according to claim 1 or 2, characterized in that the cast steel alloy has an austenite structure with a carbide content of 10 to 30% and.

Cast steel alloy according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the average grain size of the alloy is in a range of 50 to 100 microns.

Cast steel alloy, which made up a base alloy 0.2 to 0.4% by weight of carbon, 8 to 22 wt.% Nickel, 20 to 26% by weight of chromium, 0.5 to 2% by weight of silicon, 0.5 to 2 wt.% Tungsten, From 0.05 to 0.3% by weight of nitrogen, 0.05 to 2 wt .-% manganese and 0.1 to 2 wt.% Niobium, and in the at least one element from the group comprising cerium, yttrium and zirconium in a proportion of 0.1 to 0.4 wt .-% and in which at least one element from the group comprising vanadium and aluminum is contained in a proportion of 0.1 to 0.8% by weight, the cast steel alloy containing a proportion of iron which corresponds to a difference proportion to obtain 100% by weight corresponds to the cast steel alloy.

The cast steel alloy of claim 5, wherein the proportion of the at least one element selected from the group consisting of cerium, yttrium and zirconium is 0.15 to 0.3% by weight.

Cast steel alloy according to claim 5 or 6, wherein the proportion of at least one element selected from the group consisting of vanadium and aluminum is 0.3 to 0.6 wt .-%.

Cast steel alloy, which made up a base alloy 0.2 to 0.4% by weight of carbon, 8 to 22 wt.% Nickel, 20 to 26% by weight of chromium, 0.5 to 2% by weight of silicon, 0.5 to 2 wt.% Tungsten, From 0.05 to 0.3% by weight of nitrogen, 0.05 to 2 wt .-% manganese and Comprises 0.1 to 2% by weight of niobium, and in which at least one member selected from the group consisting of vanadium and aluminum is contained in a proportion of 0.1 to 0.8% by weight and no member of the group comprising cerium, yttrium and zirconium, and wherein the cast steel alloy contains a content of Contains iron corresponding to the difference ratio for obtaining 100% by weight of the cast steel alloy.

The cast steel alloy of claim 8, wherein the proportion of the at least one member selected from the group consisting of vanadium and aluminum is 0.3 to 0.6 wt%.

Cast steel alloy, which made up a base alloy 0.2 to 0.4% by weight of carbon, 8 to 22 wt.% Nickel, 20 to 26% by weight of chromium, 0.5 to 2% by weight of silicon, 0.5 to 2 wt.% Tungsten, From 0.05 to 0.3% by weight of nitrogen, 0 to 2 wt .-% manganese and Max. Comprises 0.5% by weight of niobium,

Cast steel component for use at a temperature of more than 1000 ° C as a component of an internal combustion engine, characterized in that the cast steel component is made of a cast steel alloy according to at least one of claims 1 to 10.

Method for producing a cast steel component according to claim 11, comprising the steps: - Producing a melt of the cast steel alloy and Introducing the melt via a riser pipe into a casting mold, wherein a gas overpressure of 0.1 to 0.9 bar is introduced from below against the gravity of the melt, - filling the mold and - solidification of the melt.