DE102011051446A1

DE102011051446A1 - Gusseisen mit Kugelgraphit, insbesondere für Hochtemperaturanwendungen

Info

Publication number: DE102011051446A1
Application number: DE201110051446
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Kleinkröger Wolfgang
Original assignee: Siempelkamp Giesserei GmbH
Current assignee: Siempelkamp Giesserei GmbH
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2013-01-03
Also published as: WO2013000836A1

Abstract

Gusseisen mit Kugelgraphit, insbesondere für Hochtemperaturanwendungen, bestehend aus (in Gewichtsprozent):C 2 % bis 4,5 %, Si 3 % bis 4 %, Mo 0,2 % bis 0,6 %, Nb 0,2 % bis 0,5 %, Mn bis 0,5 %, Mg bis 0,1 %, P bis 0,04 %, S bis 0,015 %, Rest Fe sowie übliche Verunreinigungen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gusswerkstoff, nämlich Gusseisen mit ferritischem bzw. größtenteils ferritischem Gefüge und Kugelgraphit, insbesondere für Hochtemperaturanwendungen.
In der Praxis besteht zunehmend das Bedürfnis, Gusseisenwerkstoffe bei hohen Temperaturen einzusetzen. Dazu wurden Silizium-Molybdän-Gusseisenlegierungen vorgeschlagen, die auch als "SiMo" bezeichnet werden. Sie weisen in der Regel einen Silizium-Gehalt von 3 % bis 5 % auf, um insbesondere eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit sowie gute Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften zu gewährleisten. Die Hochtemperaturbeständigkeit bzw. Warmfestigkeit wird durch den Molybdänzusatz erreicht, wobei der Molybdän-Gehalt in der Regel zwischen 0,3 % und 2 % liegt.
So beschreibt die DE 698 35 099 T2 eine Gusseisenlegierung mit Kugelgraphit mit einem Kohlenstoff-Gehalt von 1,5 % bis 4,5 %, einem Siliziumgehalt von 1,5 % bis 4,5 %, einem Molybdän-Gehalt von 1,2 % bis 6,5 % sowie wahlweise Nickel und/oder Kupfer.
Ausgehend von der Tatsache, dass Molybdän eine recht große Seigerungsneigung zeigt, schlägt die EP 1 808 504 A1 vor, das Molybdän teilweise oder ganz durch Kobalt zu ersetzen. So beschreibt diese Druckschrift eine Legierung mit 2 % bis 4,5 % Silizium, 0,5 % bis 5 % Kobalt, 2 % bis 4,5 % Kohlenstoff sowie Molybdän mit einem Anteil von ≤ 1,5 % vor. Außerdem sind Mangan und Nickel enthalten.
Die DE 698 21 493 T2 schlägt für die Herstellung eines Dampfturbinengehäuses eine wärmebeständige Gussstahlzusammensetzung mit lediglich 0,07 % bis 0,15 % Kohlenstoff und 0,05 % bis 0,3 % Silizium vor, wobei neben einer Vielzahl weiterer Legierungsbestandteile auch Niob eingesetzt wird.
Der Einsatz von Niob als Legierungselement für Gusseisen wurde auch bereits in der DE 10 2004 045 612 A1 erwähnt, ohne dass dabei jedoch Molybdän zum Einsatz kam. Vielmehr handelt es sich um eine Gusseisenlegierung mit einem erheblichen Nickelanteil von bis zu 2,5 %.
Im Übrigen ist es bekannt, Komponenten von Turbinen, z. B. Turbinengehäuse aus verschiedenen Gusslegierungen herzustellen (vgl. DE 44 25 352 C2 , DE 10 2006 002 121 A1 und EP 2 022 951 A1 ).
Nachteilig bei den bekannten SiMo-Legierungen ist die Tatsache, dass neben dem ferritischen Gefüge ggf. unerwünschte Perlit-Gehalte vorkommen, so dass ggf. eine nachträgliche Wärmebehandlung, z. B. eine Glühung erforderlich ist. Außerdem neigen die bekannten SiMo-Legierungen zur Bildung von Lunkern. Ferner können die erwünschten mechanischen Eigenschaften durch eine massive Karbidbildung unterschritten werden. Man hat daher zur Vermeidung dieser Nachteile verschiedene Zusatzmaßnahmen ergriffen, z. B. eine Perlit- bzw. Karbidzerfallsglühung und/oder das Setzen von Speisern. Nachteilig ist dabei auch, dass bei Großguss das Legieren mit höheren Siliziumgehalten (> ca. 3,2 %) wegen des Risikos ausschusserzeugender Graphitentartung (Chunky-Graphit) bislang vermieden wird. Dadurch werden auch die erreichbaren Anwendungstemperaturen gesenkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gusseisen bzw. eine Gusseisen-Legierung zu schaffen, welche grundsätzlich die gute Hitzebeständigkeit einer Silizium-Molybdän-Legierung aufweist, ohne jedoch mit den beschriebenen Nachteilen dieser Legierung behaftet zu sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung ein Gusseisen mit Kugelgraphit, insbesondere für Hochtemperaturanwendungen, bestehend aus (in Gewichtsprozent):

C 2 % bis 4,5 %,

Si 3 % bis 4 %,

Mo 0,2 % bis 0,6 %,

Nb 0,2 % bis 0,5 %,

Mn bis 0,5 %,

Mg bis 0,1 %,

P bis 0,04 %,

S bis 0,015 %,

sowie ggf. Ni 0 bis 0,5 % und/oder oder CR bis 1,0 %,
Rest Fe sowie übliche Verunreinigungen. – Verunreinigungen meint insbesondere solche Elemente, die Bestandteil des verwendeten Roheisens sind und nicht als Legierungselement zugegeben werden.
Das Kohlenstoffäquivalent CE = C + 1/3 Si beträgt vorzugsweise 4,1 % bis 4,5 %, z. B. etwa 4,3 %. Das Kohlenstoffäquivalent, welches die Mischungsanteile von C und Si wiedergibt, liegt folglich vorzugsweise sehr nahe am Eutektikum.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass sich die Eigenschaften von SiMo-Werkstoffen erheblich verbessern lassen und insbesondere die bekannten Nachteile vermeiden lassen, wenn das Legierungselement Molybdän teilweise durch das Legierungselement Niob ersetzt wird. Der erfindungsgemäße Werkstoff zeichnet sich zunächst einmal durch eine sehr hohe Temperaturbelastbarkeit aus. Die bei herkömmlichen SiMo-Werkstoffen beobachteten Nachteile können darüber hinaus vermieden werden. So ist eine Glühung zur Beseitigung des Perlitgefüges oder der Karbidbildung nicht mehr erforderlich. Von besonderer Bedeutung ist im Rahmen der Erfindung u. a. der verhältnismäßig hohe Silizium-Gehalt, welcher eine Erhöhung der Neigung zur Grauerstarrung bewirkt. Das bislang häufig vermiedene Legierungselement Niob trägt folglich überraschenderweise nicht zur Versprödung durch Kugelgraphit bei, und zwar insbesondere dann nicht, wenn mit einem ausreichend hohen Silizium-Gehalt gearbeitet wird. Dann bildet Niob Ausscheidungen, die höchst feinverteilt sind. Dieses führt durch entsprechende Keimbildung zu hoher Kugelzahl und damit zu einer hohen Werkstoffqualität durch Vermeidung einer groben Graphitstruktur. Der Niob-Anteil führt im Übrigen dazu, dass der erfindungsgemäße Werkstoff nicht nur hervorragend in Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden kann, sondern darüber hinaus auch gut schweißbar ist. Es war zwar im Stand der Technik vorgeschlagen worden, einen hohen Molybdänanteil vollständig durch Niob zu ersetzen, im Rahmen der Erfindung kommt es jedoch in besonderem Maße darauf an, lediglich einen Teil des Molybdäns durch Niob zu ersetzen, so dass sich die hervorragenden Eigenschaften des erfindungsgemäßen Werkstoffes insbesondere durch die Kombination von Molybdän einerseits und Niob andererseits bei gleichzeitig verhältnismäßig hohem Siliziumgehalt ergeben.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Anteil von Mo und Nb insgesamt 0,4 % bis 1,2 %, z. B. 0,5 % bis 1,0 % beträgt. Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn Mo und Nb in einem Verhältnis von 1:0,5 bis 1:2, z. B. 1:1 bis 1:1,5 enthalten sind. Der Mo-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,3 % bis 0,5 %, z. B. etwa 0,4 %. Der Nb-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,2 % bis 0,4 %, z. B. 0,25 % bis 0,35 %, vorzugsweise etwa 0,3 %.
Der C-Gehalt beträgt nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung bevorzugt 2,5 % bis 3,5 %, besonders bevorzugt 3,0 % bis 3,5 %, z. B. etwa 3,2 %. Der Si-Gehalt beträgt vorzugsweise 3,2 % bis 3,7 %, z. B. etwa 3,5 %.
Neben C, Si, Mo und Nb sind in der erfindungsgemäßen Legierung Mn, Mg, P und S enthalten. Der Mn-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,05 % bis 0,5 %, besonders bevorzugt 0,05 % bis 0,2 %, z. B. 0,1 % bis 0,15 %. Der Mg-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,01 % bis 0,1 %, besonders bevorzugt 0,02 % bis 0,06 %, z. B. etwa 0,04 %. Mg wird dabei in dem Maße beigegeben, dass sich Kugeln bilden. Mg trägt dabei zur Entschwefelung bei, d. h. der Schwefelgehalt stellt sich in Abhängigkeit von dem Mg-Gehalt ein.
Der P-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,005 % bis 0,04 %, z. B. 0,01 % bis 0,03 %, z. B. etwa 0,02 %. Der S-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,0015 % bis 0,01 %, z. B. 0,003 % bis 0,008 %, z. B. etwa 0,006 %.
Der erfindungsgemäße Werkstoff eignet sich besonders bevorzugt zur Herstellung dickwandiger Großgussteile. Im Rahmen der Erfindung lassen sich folglich Großgussteile mit einer maximalen Wandstärke von mehr als 100 mm, vorzugsweise mehr als 200 mm, ggf. sogar mehr als 300 mm herstellen, wobei die Großgussteile eine besonders hohe Hitzebeständigkeit aufweisen. Großgussteile weisen dabei viele unterschiedliche Wandstärken auf, die stark variieren können. Entscheidend ist die vorkommende maximale Wandstärke, da auch diese noch fehlerfrei sein muss. Es lassen sich beispielsweise warmgehende Teile von Dampfturbinen und Gasturbinen, insbesondere schwere, dickwandige Gussteile herstellen, welche bei Temperaturen von über 300 °C, vorzugsweise über 400 °C und in der Regel bis zu etwa 550 °C dauernd, ggf. kurzzeitig sogar höher beansprucht werden. Der Verwendung eines hitzebeständigen Gusseisens der beschriebenen Art für die Herstellung von dickwandigen Großgussteilen, z. B. für Dampfturbinen oder Gasturbinen kommt folglich besondere Bedeutung zu.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Gusseisens bzw. eines Gussteils aus diesem Gusseisen gleicht im Großen und Ganzen der Herstellung eines handelsüblichen Gusseisens mit Kugelgraphit. Die Erschmelzung kann in jedem geeigneten Ofen, beispielsweise einem Elektroinduktionsofen, erfolgen. Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Legierungskombination von Molybdän einerseits und Niob andererseits im Ofen eingestellt, um eine gute Auflösung und Verteilung der Elemente zu garantieren. Zur Erzeugung von kugeligen Graphitausscheidungen erfolgt die Behandlung mit magnesiumhaltigem spheroidisierendem Mittel in einem Behandlungsgefäß. Je nach Wanddicke kann auch außer einer FeSi-Animpflegierung ein Nodularitätsmodifikator, etwa Spherix, eingesetzt werden. Dieses wird ggf. auch im Gießbecken zugesetzt. Die Gießtemperatur sollte einen Wert von 1400 °C nicht überschreiten, um den selbstspeisenden Effekt zu gewährleisten.
Eine typische Analyse des erfindungsgemäßen Werkstoffes für die Herstellung eines Großgussteils in einer maximalen Wandstärke von 300 mm kann wie folgt aussehen (in Gewichtsprozent):

C 3,2 %,

Si 3,5 %,

Mo 0,4 %,

Nb 0,3 %,

Mn 0,13 %,

P 0,02 %,

S 0,006 %.

Rest Fe sowie übliche Verunreinigungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69835099 T2 [0003]
EP 1808504 A1 [0004]
DE 69821493 T2 [0005]
DE 102004045612 A1 [0006]
DE 4425352 C2 [0007]
DE 102006002121 A1 [0007]
EP 2022951 A1 [0007]

Claims

Gusseisen mit Kugelgraphit, insbesondere für Hochtemperaturanwendungen, bestehend aus (in Gewichtsprozent): C 2 % bis 4,5 %, Si 3 % bis 4 %, Mo 0,2 % bis 0,6 %, Nb 0,2 % bis 0,5 %, Mn bis 0,5 %, Mg bis 0,1 %, P bis 0,04 %, S bis 0,015 %,

sowie ggf. Ni bis 0,5 % und/oder Cr bis 1,0 %, Rest Fe sowie übliche Verunreinigungen.
Gusseisen nach Anspruch 1, mit einem Kohlenstoffäquivalent CE = C + 1/3 Si von 4,1 % bis 4,5 %, z. B. 4,3 %.
Gusseisen nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Anteil von Molybdän und Niob von insgesamt 0,4 % bis 1,2 %, z. B. 0,5 % bis 1,0 %.
Gusseisen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Mo und Nb in einem Verhältnis von 1:0,5 bis 1:2, vorzugsweise 1:1 bis 1:1,5 enthalten sind.
Gusseisen nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Mo-Gehalt von 0,3 % bis 0,5 %, z. B. etwa 0,4 %.
Gusseisen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Nb-Gehalt von 0,2 % bis 0,4 %, z. B. 0,25 % bis 0,35 %, vorzugsweise etwa 0,3 %.
Gusseisen nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem C-Gehalt von 2,5 % bis 3,5 %, vorzugsweise 3,0 % bis 3,5 %, z. B. etwa 3,2 %.
Gusseisen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem Si-Gehalt von 3,2 % bis 3,7 %, z. B. etwa 3,5 %.
Gusseisen nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem Mn-Gehalt von 0,05 % bis 0,5 %, vorzugsweise 0,05 % bis 0,2 %, z. B. 0,1 % bis 0,15 %.
Gusseisen nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einem Mg-Gehalt von 0,01 % bis 0,1 %, vorzugsweise 0,02 % bis 0,06 %, z. B. etwa 0,04 %.
Gusseisen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem P-Gehalt von 0,005 % bis 0,04 %, z. B. etwa 0,02 %.
Gusseisen nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit einem S-Gehalt von 0,001 % bis 0,015 %, vorzugsweise 0,003 % bis 0,008 %, z. B. etwa 0,006 %.
Verwendung eines hitzebeständigen Gusseisens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für die Herstellung von dickwandigen Großgussteilen, z. B. für die Herstellung von Gussteilen von Dampfturbinen oder Gasturbinen.
Verwendung nach Anspruch 13 für die Herstellung von Großgussteilen mit Wandstärken von mehr als 200 mm, vorzugsweise mehr als 300 mm.