DE102022123330A1

DE102022123330A1 - Gusseisenlegierung für automobilmotoranwendungen mit überlegenen hochtemperaturoxidationseigenschaften

Info

Publication number: DE102022123330A1
Application number: DE102022123330.8A
Authority: DE
Inventors: Larry Alan GODLEWSKI; Mei Li; Carlos Engler-Pinto; Simon Naymovich Lekakh
Original assignee: Ford Global Technologies LLC; University of Missouri System
Current assignee: Ford Global Technologies LLC; University of Missouri System
Priority date: 2021-09-21
Filing date: 2022-09-13
Publication date: 2023-03-23
Also published as: CN115838894A; US20230085990A1; US11667995B2

Abstract

Es ist eine Gusseisenlegierung mit einer Zusammensetzung von Folgendem in Gewichtsprozent (Gew.-%) bereitgestellt: Kohlenstoff zwischen 2,6 und 3,4 Gew.-%, Silizium zwischen 2,4 und 3,2 Gew.-%, Mangan zwischen 0,3 und 0,6 Gew.-%, Molybdän zwischen 0,4 und 1,2 Gew.-%, Nickel zwischen 0,6 und 1,75 Gew.-%, Magnesium zwischen 0,01 und 0,075 Gew.-%, Aluminium zwischen 1,8 und 3,5 Gew.-%, Schwefel zwischen 0,003 und 0,025 Gew.-%, Zirkonium zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%, Cer zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%, Lanthan zwischen 0,0005 und 0,02 Gew.-% und einem Rest aus Eisen und unvermeidbaren Spurenelementen. Ein Teil, das aus der Gusseisenlegierung gebildet ist, ist ebenfalls bereitgestellt und das Teil weist eine Ac1-Temperatur von gleich oder größer als 895°C und eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen auf, wenn es zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Offenbarung betrifft Gusseisenlegierungen und insbesondere Gusseisenlegierungen für Automobilanwendungen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und stellen unter Umständen nicht den Stand der Technik dar.
Gusseisenlegierungen werden teilweise aufgrund relativ geringer Kosten, guter Gusseigenschaften, hoher Bearbeitbarkeit, guter Verschleißfestigkeit, guter Vibrationsdämpfungseigenschaften und angemessener Korrosionsbeständigkeit in einer Vielfalt von Branchen verwendet. Bei einigen Anwendungen leiden bekannte Gusseisenlegierungen jedoch unter Hochtemperaturkorrosion und thermomechanischer Ermüdung.
Die vorliegende Offenbarung befasst sich neben anderen Problemen im Zusammenhang mit Gusseisenlegierungen mit Problemen im Zusammenhang mit Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit und/oder thermomechanischer Ermüdung von Gusseisenlegierungen.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollständigen Umfangs oder all ihrer Merkmale.
In einer Form der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine Gusseisenlegierung eine Zusammensetzung in Gewichtsprozent (Gew.-%) von Kohlenstoff zwischen 2,6 und 3,4 Gew.- %, Silizium zwischen 2,4 und 3,2 Gew.-%, Mangan zwischen 0,3 und 0,6 Gew.-%, Molybdän zwischen 0,4 und 1,2 Gew.-%, Nickel zwischen 0,6 und 1,75 Gew.-%, Magnesium zwischen 0,01 und 0,075 Gew.-%, Aluminium zwischen 1,8 und 3,5 Gew.-%, Schwefel zwischen 0,003 und 0,025 Gew.-%, Zirkonium zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%, Cer zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%, Lanthan zwischen 0,0005 und 0,02 Gew.-% und einem Rest aus Eisen und unvermeidbaren Spurenelementen.
In einigen Variationen beträgt der Kohlenstoff zwischen 2,8 und 3,2 Gew.-% und/oder beträgt das Silizium zwischen 2,6 und 3,2 Gew.-%.
In mindestens einer Variation beträgt das Mangan zwischen 0,32 und 0,5 Gew.-%.
In einigen Variationen beträgt das Molybdän zwischen 0,6 und 1,0 Gew.-% und/oder beträgt das Nickel zwischen 0,8 und 1,5 Gew.-%.
In mindestens einer Variation beträgt das Magnesium zwischen 0,02 und 0,05 Gew.-%.
In einigen Variationen beträgt das Aluminium zwischen 2,0 und 3,2 Gew.-%.
In mindestens einer Variation beträgt der Schwefel zwischen 0,005 und 0,015 Gew.-% und/oder beträgt das Cer zwischen 0,002 und 0,02 Gew.-%.
In einigen Variationen beträgt das Lanthan zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%.
In mindestens einer Variation beinhaltet die Gusseisenlegierung ferner eine Vielzahl von Graphitkugeln, die an lanthanhaltigen Keimen gebildet ist. Und in derartigen Variationen können die lanthanhaltigen Keime (La, Ce, Zr)-(O, S)-Keime sein.
In einigen Variationen ist ein Teil aus der Gusseisenlegierung gebildet und weist das Teil eine Ac1-Temperatur gleich oder größer als 875°C auf. Und in mindestens einer Variation ist die Ac1-Temperatur gleich oder größer als 885°C.
In einigen Variationen ist ein Teil aus der Gusseisenlegierung gebildet und weist das Teil eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen auf, wenn es zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird.
In mindestens einer Variation ist ein Teil aus der Gusseisenlegierung gebildet und weist das Teil eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen auf, wenn es zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
Und in einigen Variationen beträgt der Kohlenstoff zwischen 2,8 und 3,2 Gew.-%, beträgt das Silizium zwischen 2,6 und 3,0 Gew.-%, beträgt das Mangan zwischen 0,35 und 0,5 Gew.-%, beträgt das Molybdän zwischen 0,6 und 1,0 Gew.-%, beträgt das Nickel zwischen 0,8 und 1,5 Gew.-%, beträgt das Magnesium zwischen 0,02 und 0,05 Gew.-%, beträgt das Aluminium zwischen 2,0 und 3,2 Gew.-%, beträgt der Schwefel zwischen 0,005 und 0,015 Gew.-%, beträgt das Zirkonium zwischen 0,002 und 0,01 Gew.-%, beträgt das Cer zwischen 0,002 und 0,02 Gew.-%, und beträgt das Lanthan zwischen 0,001 und 0,01 Gew.-%.
In einer weiteren Form der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine Gusseisenlegierung mit einer Zusammensetzung in Gewichtsprozent (Gew.-%) Kohlenstoff zwischen 2,6 und 3,4 Gew.-%, Silizium zwischen 2,4 und 3,2 Gew.-%, Mangan zwischen 0,32 und 0,6 Gew.-%, Molybdän zwischen 0,4 und 1,2 Gew.-%. Nickel zwischen 0,6 und 1,75 Gew.-%, Magnesium zwischen 0,01 und 0,075 Gew.-%, Aluminium zwischen 1,8 und 3,5 Gew.-%, Schwefel zwischen 0,003 und 0,025 Gew.-%, Zirkonium zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%, Cer zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%, Lanthan zwischen 0,0005 und 0,02 Gew.-% und einen Rest aus Eisen und unvermeidbaren Spurenelementen.
In einigen Variationen beträgt der Kohlenstoff zwischen 2,8 und 3,2 Gew.-%, beträgt das Silizium zwischen 2,6 und 3,0 Gew.-%, beträgt das Mangan zwischen 0,35 und 0,5 Gew.-%, beträgt das Molybdän zwischen 0,6 und 1,0 Gew.-%, beträgt das Nickel zwischen 0,8 und 1,5 Gew.-%, beträgt das Magnesium zwischen 0,02 und 0,05 Gew.-%, beträgt das Aluminium zwischen 2,0 und 3,2 Gew.-%, beträgt der Schwefel zwischen 0,005 und 0,015 Gew.-%, beträgt das Zirkonium zwischen 0,002 und 0,01 Gew.-%, beträgt das Cer zwischen 0,002 und 0,02 Gew.-% und beträgt das Lanthan zwischen 0,001 und 0,01 Gew.-%.
In mindestens einer Variation ist ein Teil aus der Gusseisenlegierung gebildet und weist das Teil eine Ac1-Temperatur von gleich oder größer als 885°C, eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen, wenn es zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird, und/oder eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen auf, wenn es zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
In noch einer weiteren Form der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine Gusseisenlegierung mit einer Zusammensetzung in Gewichtsprozent (Gew.-%) Kohlenstoff zwischen 2,6 und 3,4 Gew.-%, Silizium zwischen 2,4 und 3,2 Gew.-%, Mangan zwischen 0,35 und 0,5 Gew.-%, Molybdän zwischen 0,4 und 1,2 Gew.-%, Nickel zwischen 0,6 und 1,75 Gew.-%, Magnesium zwischen 0,01 und 0,075 Gew.-%, Aluminium zwischen 1,8 und 3,5 Gew.-%, Schwefel zwischen 0,003 und 0,025 Gew.-%, Zirkonium zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%, Cer zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%, Lanthan zwischen 0,0005 und 0,02 Gew.-%, einen Rest aus Eisen und unvermeidbaren Spurenelementen und eine Vielzahl von Graphitkugeln, die an (La, Ce, Zr)-(O, S)-Keimen gebildet ist.
In einigen Variationen ist ein Abgaskrümmer aus der Gusseigenlegierung gebildet und weist der Abgaskrümmer eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen, wenn er zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird, und/oder eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen auf, wenn er zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der in dieser Schrift bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich, dass die Beschreibung und spezifische Beispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
Figurenliste
Für ein umfassendes Verständnis der Offenbarung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verschiedene Formen davon beispielhaft beschrieben, wobei Folgendes gilt:

1A ist eine lichtmikroskopische Aufnahme einer handelsüblichen SiMo51-Gusseisenlegierung;
1B ist eine lichtmikroskopische Aufnahme einer Gusseisenlegierung mit 1,8 Gew.-% Aluminium gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
1C ist eine lichtmikroskopische Aufnahme einer Gusseisenlegierung mit 3,0 Gew.-% Aluminium gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
2A ist ein Rasterelektronenmikroskop-(REM-)Bild der Mikrostruktur der handelsüblichen SiMo51-Gusseisenlegierung und einer energiedispersiven Röntgenspektroskopie-(energy dispersive x-ray analysis - EDX-)Analyse (Gew.-%) eines interdendritischen Molybdäncarbids;
2B ist ein REM-Bild der Mikrostruktur der Gusseisenlegierung mit 3,0 Gew.-% Aluminium und einer EDX-Analyse (Gew.-%) eines interdendritischen Molybdäncarbids;
2C ist ein REM-Bild von Graphitkeimen in Form eines Lanthan-, Cer-, Zirkonium-Niederschlags in der Gusseisenlegierung mit 3,0 Gew.-% Aluminium;
3 ist ein Verlauf einer durch ThermoCalc berechneten Dichteänderung in Abhängigkeit von einer Temperatur für die handelsübliche SiMo51-Gusseisenlegierung und die Gusseisenlegierung mit 3,0 Gew.-% Aluminium;
4A ist ein Verlauf einer experimentell gemessenen Änderung der linearen Abmessung in Abhängigkeit von einer Temperatur während drei Wärmezyklen für die handelsübliche SiMo5 1 -Gusseisenlegierung;
4B ist ein Verlauf einer experimentell gemessenen Änderung der linearen Abmessung in Abhängigkeit von einer Temperatur während drei Wärmezyklen für die Gusseisenlegierung mit 1,8 Gew.-% Aluminium;
4C ist ein Verlauf einer experimentell gemessenen Änderung der linearen Abmessung in Abhängigkeit von einer Temperatur während drei Wärmezyklen für die Gusseisenlegierung mit 3,0 Gew.-% Aluminium;
5A ist ein Verlauf einer Sauerstoffmenge, die während einer Oxidation und Entkohlung der handelsüblichen SiMo51-Gusseisenlegierung umgesetzt wird, in Abhängigkeit von einer Temperatur während der Oxidation in Luft für 100 Stunden;
5B ist eine Sauerstoffmenge, die während einer Oxidation und Entkohlung der Gusseisenlegierung mit 1,8 Gew.-% Aluminium umgesetzt wird, in Abhängigkeit von einer Temperatur während der Oxidation in Luft für 100 Stunden;
5C ist eine Sauerstoffmenge, die während einer Oxidation und Entkohlung der Gusseisenlegierung mit 3,0 Gew.-% umgesetzt wird, in Abhängigkeit von einer Temperatur während der Oxidation in Luft für 100 Stunden;
6 ist ein Verlauf der Zugfestigkeit in Abhängigkeit von einer Temperatur für die handelsübliche SiMo51-Gusseisenlegierung, die Gusseisenlegierung mit 1,8 Gew.-% Aluminium und die Gusseisenlegierung mit 3,0 Gew.-% Aluminium; und
7 ist ein Verlauf einer Dehnungsänderung in Abhängigkeit von einer Anzahl der Zyklen bis zum Versagen bei Temperaturen im Bereich von 400°C bis 800°C für thermomechanische Ermüdungstests der handelsüblichen SiMo51-Gusseisenlegierung, einer Gusseisenlegierung mit 1,8 Gew.-%. Al und der Gusseisenlegierung mit 3,0 Gew.-% Aluminium.

Die in dieser Schrift beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder die Verwendungen nicht einschränken. Es versteht sich, dass über alle Zeichnungen hinweg einander entsprechende Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine oder mehrere Gusseisenlegierungen (in dieser Schrift einfach als „Gusseisenlegierung“ bezeichnet) mit verbesserter Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturoxidation und verbesserter Beständigkeit gegenüber thermomechanischer Ermüdung (thermo-mechanical fatigue - TMF) bereit. Wie in dieser Schrift verwendet, bezieht sich der Ausdruck „Hochtemperaturoxidation“ auf eine Oxidation der Gusseisenlegierung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei erhöhten Temperaturen und bezieht sich der Ausdruck TMF auf eine Kombination aus zyklischer mechanischer Belastung, die zu Ermüdung der Gusseisenlegierung führt, und zyklischer thermischer Belastung oder Exposition, die zu einer Hochtemperaturoxidation der Gusseisenlegierung führt.
Die Gusseisenlegierung der vorliegenden Offenbarung beinhaltet Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Molybdän (Mo), Nickel (Ni) und Aluminium (Al) mit einem Rest aus Eisen (Fe) und unvermeidbaren Spurenelementen. Und in einigen Variationen beinhaltet die Gusseisenlegierung Magnesium (Mg), Schwefel (S), Zirkonium (Zr), Cer (Ce) und Lanthan (La). Nicht einschränkende Beispiele für Spurenelemente beinhalten unter anderem Bor (B), Blei (Pb), Bismut (Bi), Titan (Ti), Zink (Zn), Chrom (Cr), Kobalt (Co), Niob (Nb) und Kupfer (Cu).
In Bezug auf die vorstehend erwähnten Legierungselemente beeinflusst die Menge an C das Volumen einer Graphitphase und den Erstarrungsablauf der Gusseisenlegierung. In einigen Variationen ist der Erstarrungsmodus der Gusseisenlegierung untereutektisch. Zusätzlich führen niedrigere Niveaus an C zu einer geringeren Wärmeleitfähigkeit der Gusseisenlegierung und führen hohe Niveaus zu einem übereutektischen Modus der Erstarrung. Dementsprechend beträgt eine Untergrenze für C in der Gusseisenlegierung etwa 2,6 Gewichtsprozent (Gew.-%) und eine Obergrenze für C in der Gusseisenlegierung etwa 3,4 Gew.-%. Und in mindestens einer Variation beträgt C in der Gusseisenlegierung zwischen etwa 2,8 Gew.-% und etwa 3,2 Gew.-%.
Die Menge an Si beeinflusst die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit, die Kohlenstoffaktivität und die Duktilität der Gusseisenlegierung. Insbesondere verbessern hohe Konzentrationen von Si im Allgemeinen die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit, verringern jedoch die Duktilität der Gusseisenlegierung. Dementsprechend beträgt eine Untergrenze für Si in der Gusseisenlegierung etwa 2,4 Gew.-% und eine Obergrenze für C in der Gusseisenlegierung etwa 3,2 Gew.-%. In mindestens einer Variation beträgt Si in der Gusseisenlegierung zwischen etwa 2,6 Gew.-% und etwa 3,2 Gew.-%. Und in einigen Variationen beträgt C in der Gusseisenlegierung zwischen etwa 2,8 Gew.-% und etwa 3,2 Gew.-% und beträgt Si in der Gusseisenlegierung zwischen etwa 2,6 Gew.-% und etwa 3,2 Gew.-%.
Die Menge an Mn beeinflusst die Härtbarkeit, Bearbeitbarkeit, Duktilität und Schlagfestigkeit. Insbesondere reagiert Mn mit S in der Gusseisenlegierung, sodass eine Bildung von spröden Eisensulfiden reduziert wird und der Massen- oder Volumenanteil von Perlit in der Gusseisenlegierung erhöht wird. Und wenn die Menge an Perlit in der Gusseisenlegierung zunimmt, nehmen Härte, Streckfestigkeit und Bruchfestigkeit zu, während die Zugdehnung (Duktilität) abnimmt. Zusätzlich wird, wenn der Mn-Gehalt eine Menge überschreitet, die für eine vollständig perlitische Mikrostruktur erforderlich ist, die Gusseisenlegierung mit einer Abnahme der Bruchfestigkeit und einer fortgesetzten Reduzierung der Duktilität versprödet. Dementsprechend beträgt eine Untergrenze für Mn in der Gusseisenlegierung etwa 0,3 Gew.- % und eine Obergrenze für Mn in der Gusseisenlegierung etwa 0,6 Gew.-%. Und in mindestens einer Variation beträgt Mn in der Gusseisenlegierung zwischen etwa 0,32 Gew.-% und etwa 0,5 Gew.-%.
Die Menge an Mo beeinflusst die mechanischen Hochtemperatureigenschaften, einschließlich Kriechen und Härtbarkeit der Gusseisenlegierung. Insbesondere erhöhen Mo-Zugaben die Festigkeit, Härtbarkeit und Kosten, können jedoch die Duktilität der Gusseisenlegierung reduzieren. Dementsprechend beträgt eine Untergrenze für Mo in der Gusseisenlegierung etwa 0,4 Gew.-% und eine Obergrenze für Mo in der Gusseisenlegierung etwa 1,2 Gew.-%. Und in mindestens einer Variation beträgt Mo in der Gusseisenlegierung zwischen etwa 0,6 Gew.-% und etwa 1,0 Gew.-%.
Die Menge an Ni beeinflusst die Festigkeit, Bearbeitbarkeit und Zähigkeit der Gusseisenlegierung. Insbesondere erhöhen Ni-Zugaben die Festigkeit, Bearbeitbarkeit, Härte und Kosten. Dementsprechend beträgt eine Untergrenze für Ni in der Gusseisenlegierung etwa 0,6 Gew.-% und eine Obergrenze für Ni in der Gusseisenlegierung etwa 1,75 Gew.-%. In mindestens einer Variation beträgt der Ni-Gehalt in der Gusseisenlegierung zwischen etwa 0,8 Gew.-% und etwa 1,5 Gew.-%. Und in einigen Variationen beträgt Mo in der Gusseisenlegierung zwischen etwa 0,6 Gew.-% und etwa 1,0 Gew.-% und beträgt Ni in der Gusseisenlegierung zwischen etwa 0,8 Gew.-% und etwa 1,5 Gew.-%.
Die Menge an Mg beeinflusst die Form des Graphits in dem Gusseisen. Insbesondere führen niedrigere Niveaus an Mg zu Vermicular- oder Flockengraphit in der Gusseisenlegierung und führen höhere Niveaus zu interzellulären Carbiden und Schrumpfungsporosität. Dementsprechend beträgt eine Untergrenze für Mg in der Gusseisenlegierung etwa 0,01 Gew.- % und eine Obergrenze für Mg in der Gusseisenlegierung etwa 0,075 Gew.-%. Und in mindestens einer Variation beträgt der Mg-Gehalt in der Gusseisenlegierung zwischen etwa 0,02 Gew.-% und etwa 0,05 Gew.-%.
Die Menge an Al beeinflusst die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit, die Kohlenstoffaktivität und die Duktilität der Gusseisenlegierung. Insbesondere verbessern hohe Konzentrationen von Aluminium im Allgemeinen die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit, verringern jedoch die Duktilität der Gusseisenlegierung. Dementsprechend beträgt eine Untergrenze für Al in der Gusseisenlegierung etwa 1,8 Gew.-% und eine Obergrenze für Al in der Gusseisenlegierung etwa 3,5 Gew.-%. Und in mindestens einer Variation beträgt Al in der Gusseisenlegierung zwischen etwa 2,0 Gew.-% und etwa 3,2 Gew.-%.
Schwefel liegt typischerweise als Verunreinigung vor und weist einen gewünschten Gehalt von weniger als etwa 0,03 Gew.-% auf. In einigen Variationen liegt S in der Gusseisenlegierung zwischen etwa 0,003 Gew.-% und etwa 0,025 Gew.-% vor. Und in mindestens einer Variation beträgt der in der Gusseisenlegierung vorhandene S zwischen etwa 0,005 Gew.-% und etwa 0,015 Gew.-%.
Zirkonium, Ce und La beeinflussen die Keimbildung von Graphit in der Gusseisenlegierung, indem sie heterogene Keimbildungsstellen für Graphitkugeln unterstützen und/oder bilden. In einigen Variationen beträgt das in der Gusseisenlegierung vorhandene Zr zwischen etwa 0,001 Gew.-% und etwa 0,02 Gew.-%. In mindestens einer Variation beträgt das in der Gusseisenlegierung vorhandene Ce zwischen etwa 0,001 Gew.-% und etwa 0,03 Gew.-%. Und in einigen Variationen beträgt das in der Gusseisenlegierung vorhandene La zwischen etwa 0,0005 Gew.-% und etwa 0,02 Gew.-%.

Tabelle 1 stellt einen Bereich der Legierungselemente (in Gew.-%) in der Gusseisenlegierung bereit. Tabelle 1.

Legierungselement	Breiter Bereich	Schmaler Bereich
C	2,6 - 3,4	2,8 - 3,2
Si	2,4 - 3,2	2,6 - 3,2
Mn	0,3 - 0,6	0,32 - 0,5
Mo	0,4 - 1,2	0,6 - 1,0
Ni	0,6 - 1,75	0,8 - 1,5
Mg	0,01 - 0,075	0,02 - 0,05
Al	1,8 - 3,5	2,0 - 3,2
S	0,003 - 0,025	0,005 - 0,015
Zr	0,001 - 0,02	0,001 - 0,01
Ce	0,001 - 0,03	0,002 - 0,02
La	0,0005 - 0,02	0,001 - 0,02
Fe	Gleichgew.	Gleichgew.

Experimente

Eine Reihe von Gusseisenzusammensetzungen (Gew.-%) wurde bewertet, wobei einige Beispiele nachstehend in Tabelle 2 bereitgestellt sind. Tabelle 2.

Legierungselement	Legierung
Legierungselement	SiMo51	SiMo1,8A1	SiMo3A1
C	3,2	3,0	3,0
Si	4,2	3,0	2,9
Mn	0,3	0,2	0,3
Mo	0,7	0,8	0,8
Ni	0,2	0,9	0,9
Mg	0,03	0,05	0,05
Al	-	1,8	3,0
S	0,005	0,008	0,008
Zr	--	0,01	0,01
Ce	-	0,005	0,005
La	-	0,005	0,005
Fe	Gleichgew.	Gleichgew.	Gleichgew.

Unter Bezugnahme auf 1A-1C sind die SiMo1,8A1-Legierung (1B) und die SiMo3A1-Legierung (1C) als gegossene Mikrostrukturen der handelsüblichen SiMo51-Legierung (1A - als Basislegierung oder Basiszusammensetzung verwendet) gezeigt. Jede der drei Legierungen wies eine vorwiegend ferritische Matrix „F“ mit Si und Al in fester Lösung, Graphitkugeln „G“ und Molybdäncarbide „MC“ an eutektischen Korngrenzen auf, wie in 2A-2B gezeigt. Die SiMo51-Legierung wies hauptsächlich kugelförmige Graphitkugeln mit einigen Verzerrungen aufgrund des relativ hohen Si-Gehalts auf. Die Graphitkugeln in dem SiMo1,8A1 und SiMo3A1 waren weniger kugelförmig. Jedoch wurde durch Mikrolegieren (d. h. Legierungszugaben von weniger als 0,1 Gew.-%) der SiMo1,8A1- und SiMo3A1-Legierung mit Ce, La und Zr eine Verzerrung der Graphitkugelform im Vergleich zu Gusseisenlegierungen mit relativ hohen Al-Konzentrationen und keinem Mikrolegieren mit Ce, La und/oder Zr reduziert. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass das Mikrolegieren der SiMo1,8A1- und SiMo3A1-Legierung mit dem Ce, La und Zr La-, Ce-, Zr-reiche Keimbildungsstellen (siehe z. B. 2C) zur Ausfällung von Graphitkugeln bereitstellte, was wiederum zu der reduzierten Verzerrung der Graphitkugelform in diesen Legierungen beitrug.
Ein Faktor, der in Bezug auf die TMF-Beständigkeit einer Gusseisenlegierung berücksichtigt werden kann, ist eine Änderung der Dichte der Legierung in Abhängigkeit von der Temperatur. Insbesondere können relativ große Dichteänderungen mit zunehmender und abnehmender Temperatur zu erheblichen Eigenspannungen innerhalb einer Gusseisenkomponente führen und derartige Eigenspannungen können die Ermüdungsrissbildung verstärken. Dementsprechend wurden ThermoCalc-Simulationen der Dichteänderung in Abhängigkeit von einer Temperatur an der SiMo51-Legierung und der SiMo3A1-Legierung durchgeführt und die Ergebnisse sind in 3 gezeigt. Insbesondere zeigt 3 durch ThermoCalc berechnete Dichteänderungen für eine Umwandlung der ferritischen Matrix in der SiMo51- und SiMo3A1-Legierung zu Austenit (d. h. die eutektoide Reaktion/Umwandlung) bei Temperaturen zwischen etwa 860°C und etwa 940°C. Es versteht sich, dass sich der Ausdruck „ThermoCalc“ auf die Software, Datenbanken, Zusatzmodule und Softwareentwicklungskits (SDKs) bezieht, die von Thermo-Calc Software erhältlich sind. Die Dichteänderung für die SiMo51-Legierung beträgt etwa 0,22 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³), während die Dichteänderung für die SiMo3A1-Legierung etwa 0,08 g/cm³ beträgt. Dementsprechend weist die SiMo3A1-Legierung zwischen etwa 860°C und etwa 940°C eine Dichteänderung von etwa einem Drittel (36 %) der Dichteänderung der SiMo51-Legierung auf. Dementsprechend reduziert das Al in der SiMo3A1-Legierung nicht nur die Dichte des Ferrits in der Legierung (d. h. zwischen 500 und 860°C), sondern reduziert das Al in einem größeren Ausmaß die Dichte des Austenits in der SiMo3 Al-Legierung.
Zusätzlich zur Änderung der Dichte einer Gusseisenlegierung kann die Abmessungsstabilität während thermischen Zyklen eine wichtige Rolle bei der Lebensdauer einer Gusseisenkomponente spielen. Dementsprechend wurden für die SiMo51-Legierung, die SiMo1,8A1-Legierung und die SiMo3A1-Legierung ein Test auf lineare Ausdehnung in Abhängigkeit von zunehmender Temperatur und lineare Kontraktion in Abhängigkeit von abnehmender Temperatur durchgeführt und die Ergebnisse sind in 4A-4C gezeigt. Die Messungen der linearen Ausdehnung und der linearen Kontraktion wurden an SiMo51-, Si1,8A1- und SiMo3A1-Gusseisenlegierungsproben in einer Argon-(Ar-)Atmosphäre mittels Dilatometrie durchgeführt. Zusätzlich wurden die Messungen für die SiMo51-, Si1,8A1- und SiMo3Al-Gusseisenlegierungsproben vorgenommen, die der folgenden Routine mit drei Zyklen unterzogen wurden:

Zyklus 1 => Erwärmen von 20°C auf 930°C bei 5°C pro Minute (°C/min) - Halten auf 930°C für 20 Minuten - Kühlen von 930°C auf 500°C bei -5°C/ min - Halten auf 500°C für 20 Minuten;
Zyklus 2=> Erwärmen von 500°C auf 930°C bei 5°C/min - Halten auf 930°C für 20 Minuten
- - Kühlen von 930°C auf 500°C bei -5°C/ min - Halten auf 500°C für 20 Minuten; und
Zyklus 3 => Erwärmen von 500°C auf 930°C bei 5°C/min - Halten auf 930°C für 20 Minuten
- - Kühlen von 930°C auf 500°C bei -5°C/ min - Halten auf 500°C für 20 Minuten (d. h. Zyklus 3 = Zyklus 2).

4A-4C zeigen die linearen Änderungen für Zyklus 1 und 3 und wie durch den Vergleich von 4A bis 4C gezeigt, wies die SiMo51-Legierung zwischen 500°C und 930°C eine lineare Änderung von etwa 0,25 % auf, während die SiMo3A1-Legierung zwischen 500°C und 930°C eine lineare Änderung von etwa 0,03 % aufwies (d. h. eine Reduzierung um einen Faktor von etwa zehn). Außerdem verringerten die Zugaben von Al die Hysterese der Kühl-Erwärmungs-Zyklen und erhöhten die Temperaturen von Ac1, Ac3, Ar3 und Ar3 (auch als „kritische Temperaturen“ bekannt) im Vergleich zu der SiMo51-Legierung, wie in der nachstehenden Tabelle 3 gezeigt (Kühlgeschwindigkeit = 5°C/min; Kühlgeschwindigkeit = - 5°C/min). Tabelle 3.

Legierung Kritische Temperatur

Ac1 Ac3 Ar3 Ar1

SiMo51 855 890 825 765

SiMo1,8A1 900 910 880 830

SiMo3A1 895 945 900 880
Es versteht sich, dass die „Ac1-Temperatur“ die Temperatur ist, bei der Ferrit beginnt, sich beim Erwärmen mit einer vorgegebenen Erwärmungsrate in Austenit umzuwandeln, die Ac3-Temperatur die Temperatur ist, bei der Ferrit beim Erwärmen mit einer vorgegebenen Erwärmungsrate vollständig in Austenit umgewandelt wird, die Ar3-Temperatur die Temperatur ist, bei der Austenit beim Kühlen mit einer vorgegebenen Kühlrate beginnt, sich in Ferrit umzuwandeln, und die Ar1-Temperatur die Temperatur ist, bei der sich Austenit bei einer vorgegebenen Kühlrate vollständig in Ferrit umwandelt.
Die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit kann auch ein wichtiger Faktor für die Lebensdauer einer Gusseisenkomponente sein. Dementsprechend wurde ein Hochtemperaturoxidationstest in Luft an der SiMo51-, SiMo1,8A1- und SiMo3A1-Legierung im gegossenen Zustand durchgeführt und die Ergebnisse sind in 5 gezeigt. Insbesondere wurden Proben der SiMo51-, SiMo1,8A1- und SiMo3A1-Legierung im gegossenen Zustand platziert und 100 Stunden lang in einem Ofen bei 700°C, 750°C und 800°C der Luft ausgesetzt. Das angewendete Testverfahren beinhaltete Steuern einer Gewichtsänderung und eine Kohlenstoffanalyse, um zwei Hauptoxidationsprozesse zu entkoppeln, d. h. die Oxidation von metallischen Komponenten, um einen Oxidzunder auf der Gusseisenlegierung und eine Entkohlung (decarburization - de-C) der Gusseisenlegierung zu bilden. Für die handelsübliche SiMo51-Legierung erhöhte eine Erhöhung der Testtemperatur über 750 °C die Entkohlung erheblich, während das Ausmaß der Oxidzunderbildung stetig zunahm (5A). Für die SiMo3A1-Legierung war die Gesamtmenge an reagiertem Sauerstoff für die Oxidzunderbildung und Entkohlung im Vergleich zu der herkömmlichen SiMo51-Legierung erheblich reduziert und hatte die Temperatur eine minimale Auswirkung auf die Menge an gebildetem Oxidzunder (5C). Für die SiMo1,8A1-Legierung wurde ein Zwischenverhalten zwischen der SiMo51- und der SiMo3A1-Legierung beobachtet (5C).
Erhöhte Temperaturfestigkeit kann auch ein wichtiger Faktor bei der Auswahl und Verwendung einer Gusseisenlegierung bei hohen Temperaturen sein. Dementsprechend wurden mechanische Hochtemperaturtests der SiMo51-, SiMo1,8A1- und SiMo3A1-Legierung durchgeführt und die Ergebnisse sind in 6 gezeigt. Insbesondere wurden Zugtests der SiMo51-, SiMo1,8A1- und SiMo3A1-Legierung bei 600, 700, 750 und 800°C durchgeführt und ein Verlauf der Zugfestigkeit (in dieser Schrift auch einfach als „Bruchfestigkeit“ bezeichnet) in Abhängigkeit von diesen Temperaturen ist in 6 gezeigt. Und wie in 6 gezeigt, wies die SiMo3A1-Legierung im Vergleich zu der SiMo51-Legierung bei 600°C eine Erhöhung der Zugfestigkeit um ungefähr 50 %, bei 700°C eine Erhöhung der Zugfestigkeit um ungefähr 68 %, bei 750°C eine Erhöhung der Zugfestigkeit um ungefähr 36 % und bei 800°C eine Erhöhung der Zugfestigkeit um ungefähr 52 % auf.
Dementsprechend versteht es sich, dass die SiMo3A1-Legierung eine Kombination aus verbesserter Abmessungsstabilität, Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit im Vergleich zu der SiMo51-Legierung aufweist. Zusätzlich bestätigten TMF-Tests des SiMo3A1 dessen verbesserte Leistung bei erhöhten Temperaturen. Insbesondere wurden TMF-Tests der SiMo51-, SiMo0,5Cr-, SiMo1Cr- und SiMo3A1-Legierung durchgeführt und die Ergebnisse sind in 7 gezeigt. Die TMF-Tests bestanden aus folgenden Zyklen: 2-minütiger Wärmezyklus von 400 auf 800°C - 2-minütiger Kühlzyklus von 800 auf 400°C in Kombination mit einer Belastung, denen die Proben ausgesetzt sind. Die mechanische Belastung „ΔE“, die während eines gegebenen Tests auf eine Probe ausgeübt wird, ist auf der vertikalen Achse gezeigt und die Gesamtzahl der Zyklen bis zum Versagen „Nf” (d. h., wenn ein Riss in der Probe auftritt) ist auf der horizontalen Achse gezeigt (logarithmische Skala zur Basis 10). Zusätzlich war die auferlegte Belastung „phasenverschoben“, indem bei 400°C eine Zugdehnung und bei 800°C eine Druckdehnung aufgebracht wurde, und simulierte der phasenverschobene TMF-Test Bedingungen von Automobilkomponenten (z. B. einem Abgaskrümmer) während des normalen Start-/Abschaltbetriebs des Motors. Und wie in 7 gezeigt, ist die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen Nf für die SiMo1,8AI- und SiMo3A1-Legierung ungefähr 20-mal größer als die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen Nf für die SiMo51-Legierung. Anders ausgedrückt, wiesen die Legierungen SiMo1,8A1 und SiMo3A1 eine 20-fache Zunahme der TMF-Beständigkeit im Vergleich zu der handelsüblichen SiMo51-Legierung auf.
Dementsprechend stellt die vorliegende Offenbarung eine Gusseisenlegierung mit verbesserten physikalischen, mechanischen und Hochtemperaturoxidationseigenschaften bereit, die für eine Reihe von Anwendungen verwendet werden kann. Zum Beispiel wird die Gusseisenlegierung gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung in einigen Variationen in einer Automobilanwendung verwendet, wie etwa unter anderem für Abgaskrümmer und Turbogehäuse.
In einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung eine chemische Zusammensetzung von Folgendem auf: C zwischen 2,6 und 3,4 Gew.-%, Si zwischen 2,4 und 3,2 Gew.-%, Mn zwischen 0,3 und 0,6 Gew.-%, Mo zwischen 0,4 und 1,2 Gew.-%, Ni zwischen 0,6 und 1,75 Gew.-%, Mg zwischen 0,01 und 0,075 Gew.-%, Al zwischen 1,8 und 3,5 Gew.-%, S zwischen 0,003 und 0,025 Gew.-%, Zr zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%, Ce zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%, La zwischen 0,0005 und 0,02 Gew.-% und einem Rest aus Fe und unvermeidbaren Spurenelementen. Zusätzlich weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung in mindestens zwei Variationen eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird. Und in einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
In einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung eine chemische Zusammensetzung von Folgendem auf: C zwischen 2,8 und 3,2 Gew.-%, Si zwischen 2,6 und 3,2 Gew.-%, Mn zwischen 0,3 und 0,6 Gew.-%, Mo zwischen 0,4 und 1,2 Gew.-%, Ni zwischen 0,6 und 1,75 Gew.-%, Mg zwischen 0,01 und 0,075 Gew.-%, Al zwischen 1,8 und 3,5 Gew.-%, S zwischen 0,003 und 0,025 Gew.-%, Zr zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%, Ce zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%, La zwischen 0,0005 und 0,02 Gew.-% und einem Rest aus Fe und unvermeidbaren Spurenelementen. Zusätzlich weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung in mindestens zwei Variationen eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird. Und in einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
In mindestens einer Variation weist die Gusseisenlegierung eine chemische Zusammensetzung von Folgendem auf: C zwischen 2,6 und 3,4 Gew.-%, Si zwischen 2,4 und 3,2 Gew.-%, Mn zwischen 0,32 und 0,5 Gew.-%, Mo zwischen 0,4 und 1,2 Gew.-%, Ni zwischen 0,6 und 1,75 Gew.-%, Mg zwischen 0,01 und 0,075 Gew.-%, Al zwischen 1,8 und 3,5 Gew.-%, S zwischen 0,003 und 0,025 Gew.-%, Zr zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%, Ce zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%, La zwischen 0,0005 und 0,02 Gew.-% und einem Rest aus Fe und unvermeidbaren Spurenelementen. Zusätzlich weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung in mindestens zwei Variationen eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird. Und in einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
In einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung eine chemische Zusammensetzung von Folgendem auf: C zwischen 2,6 und 3,4 Gew.-%, Si zwischen 2,4 und 3,2 Gew.-%, Mn zwischen 0,3 und 0,6 Gew.-%, Mo zwischen 0,6 und 1,0 Gew.-%, Ni zwischen 0,8 und 1,5 Gew.-%, Mg zwischen 0,01 und 0,075 Gew.-%, Al zwischen 1,8 und 3,5 Gew.-%, S zwischen 0,003 und 0,025 Gew.-%, Zr zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%, Ce zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%, La zwischen 0,0005 und 0,02 Gew.-% und einem Rest aus Fe und unvermeidbaren Spurenelementen. Zusätzlich weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung in mindestens zwei Variationen eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird. Und in einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
In mindestens einer Variation weist die Gusseisenlegierung eine chemische Zusammensetzung von Folgendem auf: C zwischen 2,6 und 3,4 Gew.-%, Si zwischen 2,4 und 3,2 Gew.-%, Mn zwischen 0,3 und 0,6 Gew.-%, Mo zwischen 0,4 und 1,2 Gew.-%, Ni zwischen 0,6 und 1,75 Gew.-%, Mg zwischen 0,02 und 0,05 Gew.-%, Al zwischen 1,8 und 3,5 Gew.-%, S zwischen 0,003 und 0,025 Gew.-%, Zr zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%, Ce zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%, La zwischen 0,0005 und 0,02 Gew.-% und einem Rest aus Fe und unvermeidbaren Spurenelementen. Zusätzlich weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung in mindestens zwei Variationen eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird. Und in einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
In einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung eine chemische Zusammensetzung von Folgendem auf: C zwischen 2,6 und 3,4 Gew.-%, Si zwischen 2,4 und 3,2 Gew.-%, Mn zwischen 0,3 und 0,6 Gew.-%, Mo zwischen 0,4 und 1,2 Gew.-%, Ni zwischen 0,6 und 1,75 Gew.-%, Mg zwischen 0,01 und 0,075 Gew.-%, Al zwischen 2,0 und 3,2 Gew.-%, S zwischen 0,003 und 0,025 Gew.-%, Zr zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%, Ce zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%, La zwischen 0,0005 und 0,02 Gew.-% und einem Rest aus Fe und unvermeidbaren Spurenelementen. Zusätzlich weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung in mindestens zwei Variationen eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird. Und in einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
In mindestens einer Variation weist die Gusseisenlegierung eine chemische Zusammensetzung von Folgendem auf: C zwischen 2,6 und 3,4 Gew.-%, Si zwischen 2,4 und 3,2 Gew.-%, Mn zwischen 0,3 und 0,6 Gew.-%, Mo zwischen 0,4 und 1,2 Gew.-%, Ni zwischen 0,6 und 1,75 Gew.-%, Mg zwischen 0,01 und 0,075 Gew.-%, Al zwischen 1,8 und 3,5 Gew.-%, S zwischen 0,005 und 0,015 Gew.-%, Zr zwischen 0,002 und 0,02 Gew.-%, Ce zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%, La zwischen 0,0005 und 0,02 Gew.-% und einem Rest aus Fe und unvermeidbaren Spurenelementen. Zusätzlich weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung in mindestens zwei Variationen eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird. Und in einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
In einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung eine chemische Zusammensetzung von Folgendem auf: C zwischen 2,6 und 3,4 Gew.-%, Si zwischen 2,4 und 3,2 Gew.-%, Mn zwischen 0,3 und 0,6 Gew.-%, Mo zwischen 0,4 und 1,2 Gew.-%, Ni zwischen 0,6 und 1,75 Gew.-%, Mg zwischen 0,01 und 0,075 Gew.-%, Al zwischen 1,8 und 3,5 Gew.-%, S zwischen 0,003 und 0,025 Gew.-%, Zr zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%, Ce zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%, La zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-% und einem Rest aus Fe und unvermeidbaren Spurenelementen. Zusätzlich weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung in mindestens zwei Variationen eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird. Und in einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
In mindestens einer Variation weist die Gusseisenlegierung eine chemische Zusammensetzung von Folgendem auf: C zwischen 2,8 und 3,2 Gew.-%, Si zwischen 2,6 und 3,2 Gew.-%, Mn zwischen 0,32 und 0,5 Gew.-%, Mo zwischen 0,6 und 1,0 Gew.-%, Ni zwischen 0,8 und 1,5 Gew.-%, Mg zwischen 0,02 und 0,05 Gew.-%, Al zwischen 2,0 und 3,2 Gew.-%, S zwischen 0,005 und 0,015 Gew.-%, Zr zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%, Ce zwischen 0,002 und 0,02 Gew.-%, La zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-% und einem Rest aus Fe und unvermeidbaren Spurenelementen. Zusätzlich weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung in mindestens zwei Variationen eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird. Und in einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
Und in einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung eine chemische Zusammensetzung von Folgendem auf: C zwischen 2,8 und 3,2 Gew.-%, Si zwischen 2,6 und 3,0 Gew.-%, Mn zwischen 0,35 und 0,5 Gew.-%, Mo zwischen 0,6 und 1,0 Gew.-%, Ni zwischen 0,8 und 1,5 Gew.-%, Mg zwischen 0,02 und 0,05 Gew.-%, Al zwischen 2,0 und 3,2 Gew.-%, S zwischen 0,005 und 0,015 Gew.-%, Zr zwischen 0,002 und 0,01 Gew.-%, Ce zwischen 0,002 und 0,02 Gew.-%, La zwischen 0,001 und 0,01 Gew.-% und einem Rest aus Fe und unvermeidbaren Spurenelementen. Zusätzlich weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung in mindestens zwei Variationen eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird. Und in einigen Variationen weist die Gusseisenlegierung mit ihrer Zusammensetzung eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen auf, wenn sie zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
Sofern in dieser Schrift nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, sind alle numerischen Werte, die mechanische/thermische Eigenschaften, Prozentanteile von Zusammensetzungen, Abmessungen und/oder Toleranzen oder andere Charakteristiken angeben, so zu verstehen, dass sie durch das Wort „etwa“ oder „ungefähr“ modifiziert sind, wenn sie den Umfang der vorliegenden Offenbarung beschreiben. Diese Modifikation ist aus verschiedenen Gründen wünschenswert, einschließlich industrieller Praxis, Material, Herstellung und Montagetoleranzen sowie Testfähigkeit.
Im vorliegenden Zusammenhang ist die Formulierung mindestens eines von A, B und C so auszulegen, dass sie ein logisches (A ODER B ODER C) bedeutet, wobei ein nicht ausschließendes logisches ODER verwendet wird, und sollte nicht dahingehend ausgelegt werden, dass sie „mindestens eines von A, mindestens eines von B und mindestens eines von C“ bedeutet.
Die Beschreibung der Offenbarung ist rein beispielhafter Natur und somit ist beabsichtigt, dass Variationen, die nicht vom Kern der Offenbarung abweichen, innerhalb des Umfangs der Offenbarung liegen. Derartige Variationen sind nicht als Abweichung vom Wesen und Umfang der Offenbarung zu betrachten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Gusseisenlegierung mit einer Zusammensetzung in Gewichtsprozent (Gew.-%) bereitgestellt, die Folgendes aufweist: Kohlenstoff zwischen 2,6 und 3,4 Gew.-%; Silizium zwischen 2,4 und 3,2 Gew.-%; Mangan zwischen 0,32 und 0,6 Gew.-%, Molybdän zwischen 0,4 und 1,2 Gew.-%; Nickel zwischen 0,6 und 1,75 Gew.-%, Magnesium zwischen 0,01 und 0,075 Gew.-%; Aluminium zwischen 1,8 und 3,5 Gew.-%, Schwefel zwischen 0,003 und 0,025 Gew.-%, Zirkonium zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%; Cer zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%; Lanthan zwischen 0,0005 und 0,02 Gew.-%; und einen Rest aus Eisen und unvermeidbaren Spurenelementen.
Gemäß einer Ausführungsform gilt Folgendes: Kohlenstoff beträgt zwischen 2,8 und 3,2 Gew.- %; Silizium beträgt zwischen 2,6 und 3,0 Gew.-%, Mangan beträgt zwischen 0,35 und 0,5 Gew.-%, Molybdän beträgt zwischen 0,6 und 1,0 Gew.-%; Nickel beträgt zwischen 0,8 und 1,5 Gew.-%, Magnesium beträgt zwischen 0,02 und 0,05 Gew.-%, Aluminium beträgt zwischen 2,0 und 3,2 Gew.-%, Schwefel beträgt zwischen 0,005 und 0,015 Gew.-%; Zirkonium beträgt zwischen 0,002 und 0,01 Gew.-%, Cer beträgt zwischen 0,002 und 0,02 Gew.-%, und Lanthan beträgt zwischen 0,001 und 0,01 Gew.-%.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch ein Teil gekennzeichnet, das aus der Gusseisenlegierung gebildet ist, wobei das Teil mindestens eines von Folgenden aufweist: einer Ac1-Temperatur von gleich oder größer als 885°C, einer thermomechanischen Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen, wenn es zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird, und einer thermomechanischen Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen, wenn es zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Gusseisenlegierung mit einer Zusammensetzung in Gewichtsprozent (Gew.-%) bereitgestellt, die Folgendes aufweist: Kohlenstoff zwischen 2,6 und 3,4 Gew.-%; Silizium zwischen 2,4 und 3,2 Gew.-%; Mangan zwischen 0,35 und 0,5 Gew.-%, Molybdän zwischen 0,4 und 1,2 Gew.-%; Nickel zwischen 0,6 und 1,75 Gew.-%, Magnesium zwischen 0,01 und 0,075 Gew.-%; Aluminium zwischen 1,8 und 3,5 Gew.-%, Schwefel zwischen 0,003 und 0,025 Gew.-%, Zirkonium zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%; Cer zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%; Lanthan zwischen 0,0005 und 0,02 Gew.-%; einen Rest aus Eisen und unvermeidbaren Spurenelementen; und eine Vielzahl von Graphitkugeln, die an (La, Ca, Zr)-(O, S)-Keimen gebildet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch ein Teil gekennzeichnet, das aus der Gusseisenlegierung gebildet ist, wobei das Teil Folgendes umfasst: eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen, wenn es zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird, und eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen, wenn es zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.

Claims

Gusseisenlegierung mit einer Zusammensetzung in Gewichtsprozent (Gew.-%), umfassend: Kohlenstoff zwischen 2,6 und 3,4 Gew.-%; Silizium zwischen 2,4 und 3,2 Gew.-%, Mangan zwischen 0,3 und 0,6 Gew.-%; Molybdän zwischen 0,4 und 1,2 Gew.-%, Nickel zwischen 0,6 und 1,75 Gew.-%, Magnesium zwischen 0,01 und 0,075 Gew.-%; Aluminium zwischen 1,8 und 3,5 Gew.-%, Schwefel zwischen 0,003 und 0,025 Gew.-%; Zirkonium zwischen 0,001 und 0,02 Gew.-%; Cer zwischen 0,001 und 0,03 Gew.-%, Lanthan zwischen 0,0005 und 0,02 Gew.-%; und einen Rest aus Eisen und unvermeidbaren Spurenelementen.
Gusseisenlegierung nach Anspruch 1, wobei mindestens eines von Kohlenstoff, das zwischen 2,8 und 3,2 Gew.-% beträgt, und Silizium, das zwischen 2,6 und 3,2 Gew.-% beträgt, vorhanden ist.
Gusseisenlegierung nach Anspruch 1, wobei Mangan zwischen 0,32 und 0,5 Gew.-% beträgt.
Gusseisenlegierung nach Anspruch 1, wobei mindestens eines von Folgenden gilt: Molybdän beträgt zwischen 0,6 und 1,0 Gew.-% und Nickel beträgt zwischen 0,8 und 1,5 Gew.-%.
Gusseisenlegierung nach Anspruch 1, wobei Magnesium zwischen 0,02 und 0,05 Gew.-% beträgt.
Gusseisenlegierung nach Anspruch 1, wobei Aluminium zwischen 2,0 und 3,2 Gew.- % beträgt.
Gusseisenlegierung nach Anspruch 1, wobei mindestens eines von Folgenden gilt: Schwefel beträgt zwischen 0,005 und 0,015 Gew.-% und Cer beträgt zwischen 0,002 und 0,02 Gew.-%.
Gusseisenlegierung nach Anspruch 1, wobei Lanthan zwischen 0,001 und 0,02 Gew.- % beträgt.
Gusseisenlegierung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vielzahl von Grafitkugeln, die an lanthanhaltigen Keimen gebildet ist.
Gusseisenlegierung nach Anspruch 9, wobei die lanthanhaltigen Keime (La, Ce, Zr)-(O, S)-Keime sind.
Gusseisenlegierung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Teil, das aus der Gusseisenlegierung gebildet ist, wobei das Teil eine Ac1-Temperatur von gleich oder größer als 875°C umfasst.
Gusseisenlegierung nach Anspruch 11, wobei die Ac1-Temperatur gleich oder größer als 885°C ist.
Gusseisenlegierung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Teil, das aus der Gusseisenlegierung gebildet ist, wobei das Teil eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen umfasst, wenn es zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,001 m/m zykliert wird.
Gusseisenlegierung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Teil, das aus der Gusseisenlegierung gebildet ist, wobei das Teil eine thermomechanische Ermüdungslebensdauer von mindestens 2.000 Zyklen umfasst, wenn es zwischen 400°C und 800°C mit einer zyklischen Gesamtdehnung gleich 0,002 m/m zykliert wird.
Gusseisenlegierung nach Anspruch 1, wobei: Kohlenstoff zwischen 2,8 und 3,2 Gew.-% beträgt; Silizium zwischen 2,6 und 3,0 Gew.-% beträgt; Mangan zwischen 0,35 und 0,5 Gew.-% beträgt; Molybdän zwischen 0,6 und 1,0 Gew.-% beträgt; Nickel zwischen 0,8 und 1,5 Gew.-% beträgt; Magnesium zwischen 0,02 und 0,05 Gew.-% beträgt; Aluminium zwischen 2,0 und 3,2 Gew.-% beträgt; Schwefel zwischen 0,005 und 0,015 Gew.-% beträgt; Zirkonium zwischen 0,002 und 0,01 Gew.-% beträgt; Cer zwischen 0,002 und 0,02 Gew.-% beträgt; und Lanthan zwischen 0,001 und 0,01 Gew.-% beträgt.