DE10252240A1

DE10252240A1 - Kugelgraphitguss auf Ferritbasis und Verwendung desselben in einer Abgasanlage

Info

Publication number: DE10252240A1
Application number: DE10252240A
Authority: DE
Inventors: Nobuaki Hamamatsu Suzuki; Fumitaka Hamamatsu Yamao; Toshio Hamamatsu Yamauchi; Zhong-Zhi Toyota Zhang; Norihiro Toyota Akita
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: JP2002339033A; JP3936849B2; DE10252240B4; DE10252240C5; US20040091383A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Kugelgraphitguss auf Ferritbasis zur Verfügung, welcher die folgenden Elemente mit den folgenden Gehalten in Gew.-% enthält: C: 3,1 bis 4,0%; Si: 3,6 bis 4,6%; Mo: 0,3 bis 1,9%; V: 0,1 bis 1,0%; Mn: 0,15 bis 1,6% und Mg: 0,02 bis 0,10%, wobei der Gesamtgehalt an V und Mn 0,3 bis 2,0 Gew.-% beträgt, sowie ein Bauteil für eine Abgasanlage unter Verwendung des Kugelgraphitgusses. Damit weist der Kugelgraphitguss auf Ferritbasis eine größere Hitzebeständigkeit auf als ein herkömmlicher stark Si-haltiger Kugelgraphitguss, der sich mit einem einfachen Verfahren billig herstellen lässt.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen äußerste hitzebeständigen Kugelgraphitguss, der dadurch erhalten wird, dass ein stark Si-haltiger, herkömmlicherweise nur bei einer Temperatur von 800°C oder darunter eingesetzter Kugelgraphitguss mit einer Legierungskonzeption so verbessert wird, dass er bei einer hohen Temperatur von 850 bis 900°C eingesetzt werden kann. Der Kugelgraphitguss ist ein stark Si-haltiger Kugelgraphitguss auf Basis von Ferrit und die Rohstoffkosten sind niedriger und die Vergießbarkeit und maschinelle Bearbeitbarkeit sind besser als bei konkurrierendem rostfreiem Stahlguss oder Ni-Resist-Stahlguss. Daher lässt sich der Kugelgraphitguss in weitem Rahmen für Bestandteile von Automobil-Abgasanlagen, wie z.B. Auspuffkrümmer, für Turbogehäuse, für in Turbogehäuse integrierte Auspuffkrümmer oder für Turboabzugsrohre verwenden.
2. Beschreibung des relevanten Standes der Technik
Umweltprobleme gewinnen immer mehr an Bedeutung und zum Zwecke der Reinigungswirkung von Katalysatoren sowie zur Senkung des Benzinverbrauchs steigt die Temperatur von Autoabgasen. Unter diesen Umständen kommen äußerst hitzebeständige Auspuffkrümmerrohre unter Verwendung von Rohren aus rostfreiem Stahl oder durch Weichverarbeitung eines rostfreien Stahlblechs erhaltene Auspuffkrümmerbleche als Auspuffkrümmer eines Motors in Gebrauch.
Zur Steigerung der Reinigungswirkung von Abgasen muss das Abgas mit hoher Temperatur durch einen Katalysator geleitet und ein den Katalysator enthaltender Hochdruckverdichter möglichst nahe am Auspuffkrümmer angebracht werden. Insbesondere ist in einem Turbowagen ein mit einem Turbinenrotor versehenes Turbinengehäuse zwischen dem Abgaskrummer und dem Verdichter angebracht und daher wird die Beschickung im Auspuffkrümmer erhöht, was eine größere Festigkeit erfordert als bei hoher Temperatur.
Die oben beschriebenen Auspuffkrümmerrohre oder Auspuffkrümmerbleche verformen sich leicht bei hohen Temperaturen und wegen der rostfreiem Stahl von geringer Stärke innewohnenden linearen Ausdehnung verfügen sie hinsichtlich ihrer Form über einen geringen Freiheitsgrad, weshalb zur Zeit für Auspuffkrümmer von Turboautos immer noch Gusseisen verwendet werden muss. Bei herkömmlichen Materialien aus Gusseisen für Auspuffkrümmer wird in der Praxis nur ein mit Mo dotierter stark Si-haltiger Kugelgraphitguss mit 3,6 bis 4,0% Si und 0,3 bis 1,0% Mo verwendet.
Als Technik zur Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften im Bereich der Abgastemperatur wird beispielsweise in den vorläufigen japanischen Veröffentlichungsschriften 4-218645, 5-125494 und 7-48653 ein rostfreier Gussstahl offenbart, es gibt jedoch darin keinerlei Offenbarung zu einem Gusseisen mit einem C-Gehalt von 2,1 Gew.-% oder darüber.
Ein weiteres Beispiel, wo die Eigenschaften von einem stark Si-haltigen Kugelgraphitguss verbessert sind, sind Techniken, die darauf abzielen, die Sprödigkeit im mittleren Temperaturbereich zu verbessern, wie dies in den vorläufigen japanischen Veröffentlichungsschriften 10-195587 und 61-73859 offenbart ist.
Dabei tauchen jedoch die folgenden Probleme auf. Obwohl die vorläufige japanische Veröffentlichungsschrift 61-73859 beschreibt, die Zusammensetzung von Mg und P einzustellen, ist es schwierig, die Einstellung in einer jeweiligen Herstellungsstrasse zu überwachen. In dem Verfahren zur Herstellung des in der japanischen Veröffentlichungsschrift 10-195587 offenbarten Kugelgraphitgusses wird Arsen (As), welches äußerst giftig ist, zugesetzt, so dass die Arbeitsbedingungen sehr schädlich sind.
Demgegenüber weist der herkömmlicherweise verwendete stark Si-haltige Kugelgraphitguss einen niedrigen A_c1-Umwandlungspunkt von ca. 850C auf, an welchem die Matrix aus einer Ferrit- und Perlitstruktur durch Erhitzen in die Austenitstruktur umgewandelt wird. Wird daher ein stark Si-haltiger Kugelgraphitguss einem Abgas von hoher Temperatur (880 bis 930°C) ausgesetzt, erhöht sich die Temperatur der Abgasanlage selbst auf 800 bis 880°C und übersteigt den A_c1-Umwandlungspunkt, so dass der stark Si-haltige Kugelgraphitguss geradewegs in die Austenitphase umgewandelt wird und wegen der schnellen Zunahme in der Länge und Abnahme in der Dicke einer thermische Ermüdung oder Verformung unterliegt. Bei der Suche nach besserer Hitzebeständigkeit als bei herkömmlichem stark Si-haltigem Kugelgraphitguss, sind daher zur Zeit nur Ni-Resist-Gusseisen und nichtrostender Stahlguss einsetzbar.
Für das Ausgangsmaterial enthalten jedoch Ni-Resist-Gusseisen und rostfreier Stahlguss große Mengen von Ni, Cr, W oder dergl., so dass die Kosten für das Rohmaterial hoch sind. Da der Schmelzpunkt für das Rohmaterial hoch ist, kann die Herstellung nicht in einer herkömmlichen Fabrik zur Herstellung von Gusseisen erfolgen und die Gießbarkeit, Ausbeute und maschinelle Bearbeitbarkeit sind gering, so dass die einzelnen Komponenten äußerst hohe Kosten verursachen
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das obige Problem zu lösen und einen Kugelgraphitguss auf Ferritbasis zur Verfügung zu stellen, welcher eine größere Hitzebeständigkeit als ein herkömmlicher stark Si-haltiger Kugelgraphitguss aufweist und mit einem einfachen Verfahren billiger hergestellt werden kann.
Zur Lösung der obigen Aufgabe enthält der erfindungsgemäße Kugelgraphitguss auf Ferritbasis C, Si, Mo, V, Mn und Mg und der restliche Anteil setzt sich aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen zusammen.
Der erfindungsgemäße Kugelgraphitguss auf Ferritbasis weist im Bereich von Raumtemperatur bis nahe an 800 biss 900°C eine ausgezeichnete Zerreißfestigkeit und Formänderungsfestigkeit auf. Wird daher dieser Kugelgraphitguss bei einer Abgasanlage, z.B. einem Auspuffkrümmer, eingesetzt, ist das Teil gegen eine hohe Abgastemperatur von ca. 880 bis 930°C genügend widerstandsfähig und deshalb lässt sich die Temperatur des Abgases erhöhen. Somit lasst sich eine ausreichende Reinigung des Abgases und eine Kraftstoffersparnis erzielen, weshalb die vorliegende Erfindung den anstehenden Abgasverordnungen, wie z.B. Post, Post 53 oder dergl. (gesetzliche Bestimmungen von Japan).
Da ferner beim erfindungsgemäßen Kugelgraphitguss auf Ferritbasis das Gießverfahren und die Bedingungen für einen herkömmlichen Kugelgraphitguss unverändert verwendet werden können, lasst sich die vorliegende Erfindung auf einer bestehenden Produktionsstrasse für Gusseisen durchführen und neue Investitionen für Produktionsanlagen sind nicht erforderlich. Ferner sind die Rohmaterial- und Verfahrenskosten niedriger als bei rostfreiem Guss- und Ni-Resist-Stahl, so dass insgesamt die Produktionskosten gesenkt werden können. Anders als bei rostfreiem Guss- und Ni-Resist-Stahl weist der Kugelgraphitguss auf Ferritbasis eine ausgezeichnete maschinelle Bearbeitbarkeit und Gießfähigkeit auf, so dass der Freiheitsgrad für die Form eines Abgasanlagenbauteils erhöht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelgraphitgusses auf Ferritbasis weisen die obigen Elemente die folgenden Gehalte in Gew.-% auf C: 3,1 bis 4,0%; Si: 3,6 bis 4,6%; Mo: 0,3 bis 1,0%; Mg: 0,02 bis 0,10%; V: 0,1 bis 1,0% und Mn: 0,15 bis 1,6%.
Die Gehalte für die unvermeidbaren Verunreinigungen sind wie folgt: S: 0,02% oder weniger und P: 0,1 % oder darunter und der Gesamtgehalt an Cu, Sn und Cr beläuft sich auf 0,8% oder weniger, vorzugsweise 0,4% oder weniger. Der Gehalt von 0,4% oder weniger ergibt sich vorzugsweise aus den folgenden Gründen: Die Elemente Cu, Sn und Cr begünstigen die Ausscheidung von Perlit und wenn daher der Gehalt an dieser Mischung von Elementen erhöht ist, steigt auch der Gehalt an in der Matrix ausgefallenem Perlit. Dadurch erhöht sich die Härte, was zu einer geringeren Dehnung führt. Steigt der Gehalt an ausgeschiedenem Perlit, löst sich bei hoher Temperatur mehr Zementit (Fe₃C) im Perlit und folglich wird das Wachstum von Graphit erschwert und die Qualität nimmt ab.
Ferner beläuft sich in noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelgraphitgusses auf Ferritbasis der Gesamtgehalt an V und Mn auf 0,3 bis 2,0%.
Mn erleichtert die Ausscheidung der Perlit-Mikrostruktur, so dass es zur Verbesserung der Zerreißfestigkeit und der Formänderungsfestigkeit beiträgt und V bildet und scheidet Feincarbide mit einem hohem Schmelzpunkt nahe den Korngrenzen eutektischer Zellen aus, so dass es zur Verbesserung des Korngrenzenpotentials führt und die Perlit-Mikrostruktur daran hindert, bei hohen Temperaturen in Lösung zu gehen. Daher liegt der Gesamtgehalt von Mn und V im Bereich von 0,3 bis 2,0% und die oben beschriebene Wirkung durch die gleichzeitige Zugabe der beiden Elemente größer sein (sog. Mehrfachzugabe).
Ferner ist in noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelgraphitgusses auf Ferritbasis der Si/CE-Wert 0,97 oder darunter.
Dieser CE-Wert stellt das Kohlenstoffäquivalent dar und wird angegeben als Gehalt von C + (Gehalt an Si + Gehalt an P)/3. Wird der Si/CE-Gehalt auf 0,97 oder darunter eingestellt, wird beim Kugelgraphitguss die Verminderung der Dehnung im Bereich von Raumtemperatur bis zu einer mittleren Temperatur unterdrückt und die Widerstandsfähigkeit gegen Wärmeermüdung lässt sich weiter verbessern. Mg ist ein Element, welches als Mittel zum Kugelglühen eine große Rolle spielt.
Ferner wird ein erfindungsgemäßes Bauteil für eine Abgasanlage unter Einsatz eines Kugelgraphitgusses auf Ferritbasis hergestellt.
In einer Ausführungsform für ein Bauteil einer Abgasanlage kann das Bauteil ein Auspuffkrümmer, ein Turbogehäuse, ein in einem Turbogehäuse integrierter Auspuffkrümmer oder ein Turboauslassrohr für Automobile sein.
Da das Bauteil für eine Abgasanlage aus einem Gussmaterial gefertigt ist, ist der Freiheitsgrad für die Form größer als beispielsweise bei Auspuffkrümmerrohren aus rostfreiem Stahl oder bei aus rostfreiem Stahl gefertigten Auspuffkrümmerblechen. Daher lassen sich komplex geformte Bauteile herstellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist ein Schaubild, welches den Zusammenhang von Si-Gehalt und Transformationstemperatur wiedergibt.
Fig. 2 ist ein Schaubild, welches den Zusammenhang zwischen der Testtemperatur (20 bis 900°C) und der Zerreißfestigkeit in den Beispielen wiedergibt.
Fig. 3 ist ein vergrößertes Schaubild von 2, welches den Zusammenhang zwischen der Testtemperatur (700 bis 900°C) und der Zerreißfestigkeit wiedergibt.
Fig. 4 ist ein Schaubild, welches den Zusammenhang zwischen der Testtemperatur (20 bis 900°C) und der Hochtemperatur-Proportionalitätsgrenze in den Beispielen wiedergibt.
Fig. 5 ist ein vergrößertes Schaubild von 4, welches den Zusammenhang zwischen der Testtemperatur (700 bis 900°C) und der Hochtemperatur-Proportionalitätsgrenze wiedergibt.
Fig. 6 ist ein Schaubild, welches den zugesetzten Ni-Gehalt und die Zerreißfestigkeit in den Beispielen wiedergibt.
Fig. 7 ist ein Schaubild, welches den zugesetzten Mn-Gehalt und die Zerreißfestigkeit in den Beispielen wiedergibt.
Fig. 8 ist ein Schaubild, welches den zugesetzten V-Gehalt und die Zerreißfestigkeit in den Beispielen wiedergibt.
Fig. 9 ist ein Schaubild, welches den Zusammenhang zwischen der Testtemperatur (20 bis 900°C) und der Zerreißfestigkeit bei hoher Temperatur in den Beispielen wiedergibt.
Fig. 10 ist ein vergrößertes Schaubild der 9, welches den Zusammenhang zwischen der Testtemperatur (750 bis 900°C) und der Zerreißfestigkeit bei hoher Temperatur wiedergibt.
Fig. 11 ist ein Schaubild, welches den Zusammenhang zwischen der Testtemperatur (20 bis 900°C) und der Dehnung in den Beispielen wiedergibt.
Fig. 12 ist ein Schaubild, welches den Zusammenhang zwischen dem Si/CE-Wert und der Dehnung in den Beispielen wiedergibt.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Folgenden wird der Kugelgraphitguss auf Ferritbasis von dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform im Detail beschrieben.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, ist es höchst vorteilhaft, einen herkömmlich eingesetzten, stark Si-haltigen und Mo-haltigen Kugelgraphitguss mittels einer zugeschnittenen Legierung zu verbessern. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten gründliche Untersuchungen zu den folgenden Sachpunkten aus, um die Hitzebeständigkeit von stark Si-haltigem und Mo-haltigem Kugelgraphitguss zu verbessern und gelangten so zu der vorliegenden Erfindung. In der folgenden Beschreibung bedeutet „%" in allen Fällen „Gew.-%".

1. Anhebung des A₁-Transformationspunkts.
2. Verbesserung der thermischen Formbeständigkeit.
3. Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Wärmeermüdung.
4. Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation.

Diese Sachpunkte werden nachfolgend beschrieben.
1. Anhebung des A₁-Transformationspunkts.
Um die Hitzebeständigkeit eines Kugelgraphitgusses auf Ferritbasis zu verbessern, ist es zunächst notwendig, insbesondere den A_c1-Transformationspunkt unter den A₁-Transformationspunkten anzuheben. Der A_c1-Transformationspunkt bezieht sich auf die Temperatur, bei welcher die Matrixstruktur, in der Fenit und Perlit gemischt vorliegen, durch Erhitzen in ein Austenit-Gefüge überführt wird. Wird daher der A₁-Transformationspunkt angehoben, wird der Kugelgraphitguss kaum in ein Austenit-Gefüge umgewandelt, was eine bessere Hitzebeständigkeit zur Folge hat. Mit steigendem Gehalt an Si wird der A₁-Transformationspunkt angehoben, so dass Si mit einem Gehalt zugesetzt wird, der so weit als praktisch möglich über dem eines herkömmlichen Kugelgraphitgusses liegt, wobei die Untergrenze auf 3,6% festgelegt wird. Wird Si jedoch im Übermaß mit einem Gehalt von über 4,6% zugegeben, tritt im Kugelgraphitguss eine erhebliche Verminderung der Dehnung auf, so dass die Obergrenze auf 4,6% festgelegt wird. Daher beträgt der Gehalt an zugesetztem Si 3,6 bis 4,6%, vorzugsweise 4,0 bis 4,5%.
Auf diese Weise lässt sich der A_c1-Transformationspunkt durch Zusatz von ca. 4,5% Si auf ca. 890°C anheben, während der A_c1-Transformationspunkt von herkömmlichem Gusseisen ca. 850°C beträgt.
Im allgemeinen wird die Temperatur des Bauteils einer Abgasanlage, das einer hohen Abgastemperatur von 880 bis 930°C ausgesetzt ist, bis auf nahezu 800 bis 880°C angehoben. Wird daher ein erfindungsgemäßer Kugelgraphitguss auf Ferritbasis für ein Bauteil einer Abgasanlage verwendet, übersteigt die Temperatur nicht den A_c1-Transformationspunkt, selbst nicht während des Betriebs des Motors, so dass sich verhindern lässt, dass eine mit dem Phasenübergang einhergehende große Transformationsbelastung auftritt und sich die Standzeit gegen Wärmeermüdung beträchtlich verbessern lässt.
2. Verbesserung der thermischen Formbeständigkeit
Um eine thermische Verformung zu unterdrücken, die durch Erhitzen oder Kühlen hervorgerufen wird, wenn eine Dehnung oder Kontraktion erzwungen werden, ist es vorteilhaft, die Standfestigkeit bei hoher Temperatur, insbesondere die Formänderungsfestigkeit bei hoher Temperatur oder die Proportionalitätsgrenze bei hoher Temperatur zu verbessern.
Um bei hoher Temperatur die Widerstandsfähigkeit eines Kugelgraphitgusses auf Ferritbasis zu verbessern, ist es daher vorteilhaft, einem Si- und Mo-haltigen Kugelgraphitguss V und Mn zuzusetzen.
Wird beispielsweise für ein Bauteil einer Abgasanlage ein Kugelgraphitgusses auf Ferritbasis verwendet, dann gilt nahe der Obergrenze (ca. 850°C) der Temperatur während des Betriebs des Abgassystembauteils selbst, dass die Zerreißfestigkeit umso größer ist, je höher der Gehalt an zugesetztem Mn und Ni ist. Was demgegenüber V betrifft, lässt sich bei 0,1 % die Wirkung eines V-Zusatzes erkennen, und wenn 0,3% oder mehr V zugesetzt werden, lässt sich im wesentlichen eine konstante Zerreißfestigkeit aufrechterhalten Hierbei fällt Mn die Wichtige Aufgabe zu, die Ausscheidung von Perlit zu erleichtern, womit die Zerreißfestigkeit und Formänderungsfestigkeit verbessert werden, so dass der Mn-Gehalt 0,15% oder darüber ist. Ferner bildet V Feincarbid mit einem hohen Schmelzpunkt und scheidet es nahe der Korngenzen eutektischer Zellen ab, so dass es das Korngrenzenpotential verbessert und Perlit daran hindert, bei hoher Temperatur in Lösung zu gehen. Daher ist der Gehalt an V 0,1 % oder darüber. Die Wirkung von Mn und V verbessert die Festigkeit von Raumtemperatur bis zu hohen Temperaturen.
Werden andererseits Mn in einer Menge über 1,6% und V in einer Menge über 1,0% zugesetzt, wird der Perlitanteil in der Matrix des Kugelgraphitgusses hoch und die Dehnung im Raumtemperatur- sowie im mittleren Temperaturbereich vermindert, so dass es unvorteilhaft ist, Mn und V in größeren Mengen als den obigen zuzusetzen. Daher beträgt die Obergrenze für den Mn-Gehalt 1,6% und für den V-Gehalt 1,0%.
Aus diesen Gründen beträgt der Gehalt an Mn 0,15 bis 1,6%, vorzugsweise 0,15 bis 1,5%. Der Gehalt an V ist 0,1 bis 1,0%, vorzugsweise 0,2 bis 0,5%.
Um die Hochtemperatureigenschaften eines Kugelgraphitgusses zu verbessern, ist es, wie oben beschrieben, vorteilhaft, V und Mn zuzusetzen. V und Mn können zusätzlich für eine vorteilhaftere Wirkung hinsichtlich mechanischer Eigenschaften und dergl. sorgen, wenn sie eher in Kombination als jeweils einzeln zugesetzt werden. Der Gesamtgehalt für Mn und V beträgt 0,3 bis 2,0%, vorzugsweise 0,4 bis 1,8%.
Auch Mo ist darüber hinaus ein Element, das die mechanischen Eigenschaften bei hoher Temperatur, insbesondere die Formänderungsfestigkeit bei hoher Temperatur (oder die Proportionalitätsgrenze bei hoher Temperatur) verbessert. Liegt der Gehalt an Mo unter 0,3%, ist die Wirkung des Zusatzes gering, so dass die Untergrenze für den Mo-Gehalt 0,3% ist. Obwohl der A₁-Transformationspunkt nicht vom Mo-Gehalt abhängt, wird andererseits bei Überschreiten des Mo-Gehalts von 1,0% der Perlitanteil im Kugelgraphitguss erhöht und die Härte nimmt zu, so dass eine beträchtliche Verringerung der Dehnung auftritt. Daher beträgt die Obergrenze für den Mo-Gehalt 1,0%.
Somit ist der Mo-Gehalt 0,3 bis 1,0%, vorzugsweise 0,3 bis 0,7%.
Wird Ni zugesetzt, lassen sich durch diese Zugabe die mechanischen Eigenschaften bei hoher Temperatur verbessern, aber der A₁-Transformationspunkt wird herabgesetzt, so dass Ni für den erfindungsgemäßen Kugelgraphitguss ungeeignet ist. Der A₁-Transformationspunkt wird herabgesetzt, weil Ni ein Element zur Stabilisierung von Austenit ist und daher den A₁-Transformationspunkt herabgesetzt. Darüber hinaus ist nicht sicher, dass die oben beschriebenen zugesetzten Elemente den Kugelgraphitguss daran hindern, kugelig zu werden.
Zusammengefasst lasst sich sagen, dass die folgende Komponentenzusammenstellung die Hochtemperatureigenschaften eines erfindungsgemäßen Kugelgraphitgusses verbessern kann.

i) V und Mn werden einem Kugelgraphitguss auf Ferritbasis zugesetzt, welcher 3,6 bis 4,6% Si und 0,3 bis 1,0% Mo enthält, welche als Hauptbestandteil dienen.
ii) Die zugesetzten Mengen von V und Mn sind 0,1 bis 1,0% bzw. 0,15% bis 1,6% und der Gesamtgehalt von zugesetztem V und Mn beläuft sich auf 0,3 bis 2,0%, vorzugsweise 0,4 bis 1,8%.

3. Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Wärmeermüdung
Für einen stark Si-haltigen, Mo enthaltenden Kugelgraphitguss kommen die beiden folgenden Methoden in Betracht, um die Widerstandfähigkeit gegen Wärmeermüdung zu verstärken: die Methode, die einem Kugelgraphitguss innewohnende Verringerung bei der Dehnung abzustellen, welche um 400 bis 500°C auftritt; und die Methode, die Zerreißfestigkeit oder die Formänderungsfestigkeit ab Raumtemperatur bis zu hohen Temperaturen zu verbessern. Die in den vorläufigen japanischen Veröffentlichungsschriften 61-73859 und 10-195587 offenbarten Techniken, welche im Abschnitt „Beschreibung des relevanten Standes der Technik" beschriebenen sind, verwenden die erstere Methode, während die vorliegende Erfindung auf der letzteren Methode beruht. Genauer ausgedrückt zielt die vorliegende Erfindung auf die Unterdrückung der plastischen Deformation in Bezug auf die bei cyclischem Erhitzen und Kühlen auftretende Zugbelastung, indem die Formänderungsfestigkeit (Fließpunkt oder Proportionalgrenze) erhöht wird, so dass sich die Standzeit erhöht, welche die Zeitspanne bis zu dem Zeitpunkt ist, wo der erste Riss auftritt.
Um die Wärmeermüdungseigenschaften weiter zu verbessern oder zu stabilisieren, ist jedoch für den erfindungsgemäßen Kugelgraphitguss eine Methode untersucht worden, wie die Dehnung von Raumtemperatur bis mittlere Temperatur (nahe 400 bis 500°C) sichergestellt werden kann. Wenn die Dehnung gering ist, ist die Wärmeermüdungshaltbarkeit grundsätzlich vermindert. Dies ist deshalb der Fall, weil bei geringer Dehnung die Empfindlichkeit für Risse in Bezug auf die mit einer plastischen Verformung unter Druck bei hoher Temperatur einhergehende Zugbelastung im Bereich von Raumtemperatur bis zu mittlerer Temperatur groß wird. Als Ergebnis der Untersuchung von Bauteilen zur Sicherstellung der Dehnung, ohne dass der Gesamtgehalt und das Zusammensetzungsverhältnis von zugesetztem V und Mn verkleinert wurden, wurde sodann ermittelt, dass die Dehnung von stark Si-haltigem Kugelgraphitguss, dem Mo zugesetzt worden war, in beträchtlichem Maße vom Mischungsverhältnis von C und Si, d.h. dem C/Si-Wert (oder C/CE-Wert), abhängt. Hierbei bedeutet „CE-Wert" ein Kohlenstoffäquivalent und wird nach der folgenden Gleichung berechnet: Gehalt an C + 1/3 (Gehalt an Si + Gehalt an P).
Die Dehnung von stark Si-haltigem Kugelgraphitguss mit Mo-Zusatz unterliegt einer drastischen Verminderung, wenn der Si/CE-Wert 0,97 oder darüber ist. Daher beträgt der Si/CE-Wert höchstens 0,97, vorzugsweise 0,82 bis 0,96. Bei dieser Untergrenze (0,82) für der Si/CE-Wert ist der Gehalt von C 3,5%, der Gehalt von Si 4,0% und der Gehalt von P 0,06%. Die Obergrenze (0,96) wird auf Grundlage der in 7 wiedergegebenen Ergebnisse festgesetzt.
Gemäß dem oben festgesetzten Bereich für den Si/CE-Wert ist die Untergrenze für einen bevorzugten C-Gehalt 3,1 % und die Obergrenze für Si 4,5%. Demgegenüber wird die Löslichkeit in festem Zustand von C mit steigendem Si-Gehalt vermindert und im Kugelgraphitguss tritt eine Flotation von Graphit auf was zu einer Veränderung der Partikelgröße von Graphit und zu einer Verminderung der Anzahl an Graphitkügelchen führt. Aus diesem Grund ist die Obergrenze für den C-Gehalt 4,0%, d.h. der C-Gehalt beträgt 3,1 bis 4,0%, vorzugsweise 3,1 bis 3,7%.
Ferner ist der Gesamtgehalt an V und Mn, wie oben beschrieben, 0,3 bis 2,0%. Der Grund hierfür wird im Folgenden kurz beschrieben. Es ist wichtig, den Anteil von Perlit im Kugelgraphitguss auf 40% oder weniger zu beschränken, indem die Obergrenzen für V und Mn auf 1,0 bzw. 1,6% und die Obergrenze für den Gesamtgehalt auf 2,0% festgelegt werden. Damit der Mehrfachzusatzes eine ausreichende Wirkung zeigt, beträgt die Untergrenze für den Gesamtgehalt an V und Mn 0,3%.
Ferner wird der Gesamtgehalt an Cu, Sn und Cr, welche unvermeidbare Verunreinigungen darstellen und den Perlitanteil erhöhen und somit die Härte verbessern und die Dehnung vermindern, auf 0,8% oder weniger beschränkt, vorzugsweise 0,4% oder weniger. Aus dem folgenden Grund ist ein Anteil von 0,4% oder weniger bevorzugt: Diese Element fördern dis Ausscheidung von Perlit und daher ist der Anteil an ausgeschiedenem Perlit in der Matrix erhöht, wenn der Gehalt an diesen gemischten Elementen erhöht ist. Somit erhöht sich die Härte, was zu einer Verminderung der Dehnung führt. Wird ferner der Gehalt an ausgeschiedenem Perlit erhöht, löst sich bei hoher Temperatur mehr Zementit (Fe₃C) in dem Perlit und in Folge davon ist das Graphitwachstum erleichtert und die Qualität wird zerstört.
Eine übermäßige Mischung von S hindert den Graphit daran, kugelig zu werden und bewirkt eine Verminderung der Dehnung, so dass ein Gehalt an S von 0,02% oder weniger nötig ist.
Der Gehalt an Mg, welches ein Mittel zum Kugeligformen ist, beträgt 0,02 bis 0,10%, vorzugsweise 0,02 bis 0,06%. Der Gehalt an P ist 0,1% oder weniger.
4, Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation
Die Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation eines Kugelgraphitgusses hängt von Si-Gehalt ab, so dass ein stark Si-haltiger Kugelgraphitguss eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation aufweist als gewöhnliche Materialien aus Gusseisen. Die Menge an einer dünnen Oxidschicht, die auf der Oberfläche eines einen Kugelgraphitguss verwendenden Bauteils einer Abgasanlage oder dergl. gebildet wird, ist gering, wenn der Si-Gehalt größer ist. Folglich wird das Auftreten durchgehender Risse infolge von Rissen in der dünnen Oxidschicht unterdrückt, was zur Verbesserung der Standzeit beiträgt. daher kann der Gehalt an Si in den unter den Punkten 1 bis 3 beschriebenen Bereich festgelegt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Kugelgraphitguss auf Ferritbasis lässt sich ein Material zur Verfügung stellen, welches eine bessere Hitzebeständigkeit aufweist als das herkömmlich verwendete, eine hohe Konzentration an Si und Mo aufweisende Gussmaterial. Da es ein Material aus Gusseisen ist, weist der Kugelgraphitguss auf Ferritbasis, anders als Guss- oder Ni-Resiststahl, eine ausgezeichnete maschinelle Bearbeitbarkeit und Vergießbarkeit auf. Daher lässt sich erfindungsgemäß z.B. ein hoch leistungsfähiges Bauteil einer Abgasanlage mit niedrigen Kosten herstellen.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Hilfe der Beispiele näher erläutert.
Auf Grundlage der folgenden vier Methoden wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt:

1. Erhöhung des A₁-Transformationspunktes.
3. Verbesserung der thermischen Formbeständigkeit.
3. Verbesserung der thermischen Wärmeermüdungsbeständigkeit.
4. Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation.

1. Erhöhung des A_c1-Transformationspunktes
Es wurden Untersuchungen zur Erhöhung des A_c1-Transformationspunktes durchgeführt, bei welchem das strukturelle Gefüge, in welchem Ferrit und Perlit gemischt sind, durch Erhitzen in ein Austenit-Gefüge überführt wird.
In Tabelle 1 sind die Ergebnisse der Messung des Si-Gehalts und der Transformationstemperaturen der für die Messung der Transformationstemperatur verwendeten Proben wiedergegeben und 1 ist eine Darstellung, welche die Ergebnisse zeigt. Tabelle 1 Zur Messung der Transformationstemperatur verwendete Proben und Messergebnisse
Wie in 1 ebenfalls gezeigt, nimmt der A₁-Transformationspunkt mit steigendem Si-Gehalt zu, so dass der Si-Gehalt vorzugsweise größer als der bei herkömmlicherweise verwendetem Gusseisenmaterial ist, und er wird in der Praxis so groß wie möglich gehalten, beispielsweise bei 3,6 bis 4,6%. Der größte A_c1-Transformationspunkt von herkömmlichem Gusseisen beträgt 889°C (Vergleichsmaterial 3), wird der Si-Gehalt jedoch auf 4,4 bis 4,5% erhöht, steigt der A_c1-Transformationspunkt auf 908 bis 911 °C (Testmaterialien 1 und 2). Wird somit der erfindungsgemäße Kugelgraphitguss für das Bauteil einer Abgasanlage von Automobilen verwendet, ist die Metalltemperatur des hohen Abgastemperaturen (880 bis 930°C) ausgesetzten Bauteils der Abgasanlage niedriger als der A_c1-Transformationspunkt. Da er kaum über diesem Transformationspunkt liegt, selbst nicht beim Erhitzen oder Kühlen während des Betriebs der Maschine unter Volllast, wird daher das Auftreten einer mit dem Phasenübergang einhergehenden Transformationsverformung unterdrückt, was sehr nützlich zur Verbesserung der Standzeit gegen Wärmeermüdung ist.
2. Verbesserung der thermischen Formbeständigkeit
Bei kombinierten und miteinander verbunden Bauteilen im Zustand erzwungener Ausdehnung und Kontraktion, wie z.B. in Bauteilen für Abgasanlagen von Automobilen, ist es zur Unterdrückung der durch Erhitzen und Kühlen mit Abgas verursachten Hitzeverformung vorteilhaft, die Standfestigkeit bei hohen Temperaturen, insbesondere die Formänderungsfestigkeit oder die Proportionalitätsgrenze bei hohen Temperaturen zu verbessern. Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurden neben dem 0,5% Mo enthaltenden Vergleichsmaterial 4 (herkömmliches Material) das Testmaterial 3 mit einem Si-Gehalt von 4,4%, welcher höher ist als bei Vergleichsmaterial 4, und verschiedene das Testmaterial 3 und zusätzliche Elemente verschiedener Art enthaltenden Gusseisenproben (Testmaterialien 4 bis 9) hergestellt und ihre mechanischen Eigenschaften von 20°C (Raumtemperatur) bis 900°C miteinander verglichen und ausgewertet. Die Tabellen 3 bis 5 sowie die 2 bis 5 zeigen diese Ergebnisse. Tabelle 2 Probennummer und Komponenten-Zusammensetzung
Tabelle 3 Temperatur und Zerreißfestigkeit der Proben
Tabelle 4 Temperatur und Proportionalgrenze der Proben
Tabelle 5 Temperatur und Dehnung der Proben
Diese Tabellen und graphischen Darstellungen zeigen, dass es von Vorteil ist, dem stark Si-haltigen Gusseisenmaterial auf Mo-Basis V, Mn und Ni zuzusetzen, um die Standfestigkeit bei hoher Temperatur zu verbessern.
Sodann wurde die Veränderung der mechanischen Eigenschaften zwischen Raumtemperatur (20°C) bis zu 900°C in Abhängigkeit vom Verhältnis der Zusammensetzung der zusätzlichen Elemente untersucht. Die Ergebnisse werden in den Tabellen 6 bis 9 und den 6 bis 8 gezeigt. Tabelle 6 Proben, die zusätzlichen Tests hinsichtlich ihrer Zusammensetzung unterzogen wurden
Tabelle 7 Veränderung der mechanischen Eigenschaften durch Zugabe von Ni
Tabelle 8 Veränderung der mechanischen Eigenschaften durch Zugabe von Mn
Tabelle 9 Veränderung der mechanischen Eigenschaften durch Zugabe von V
Diese Ergebnisse zeigen, dass mit größerem Mn- oder Ni-Gehalt die Zerreißfestigkeit zu höheren Werten neigt, selbst in der Nähe von ca. 850°C, was die Obergrenze für die Metalltemperatur ist, welcher ein Bauteil einer Abgasanlage unterworfen wird. Demgegenüber vermag der Zusatz von 0,1 % V eine Wirkung zu zeigen, doch selbst wenn V in einer Menge von 0,3% oder darüber zugesetzt wird, gibt es keine große Veränderung.
Im Testmaterial 13 (1,46% Mn) und im Testmaterial 15 (0,96% V) ist jedoch der Anteil an Perlit im Gefüge erhöht, was zu der Annahme führt, dass die Dehnung im niederen und mittleren Temperaturbereich vermindert ist. Es wurde daher gefunden, dass der Zusatz von Mn und V in Mengen, die über jene hinausgehen, nicht angebracht ist.
Für das Vergleichsmaterial 4 sowie für die erfindungsgemäßen Materialien 3, 5, 6 und 9 wurden die Transformationstemperaturen gemessen. Tabelle 10 zeigt die Ergebnisse. Tabelle 10 Transformationstemperatur der Hauptproben
Somit wurde im Testmaterial 6, welchem Ni zugesetzt wurde, eine Verminderung des A₁-Transformationspunkts erkannt und es wurde gefunden, dass das Testmaterial 6 nicht als Material für ein Bauteil einer Abgasanlage geeignet war. Der Grund liegt darin, weil Ni ein Element zur Stabilisierung von Austenit ist und den A₁-Transformationspunkt im niederen Temperaturbereich herabsetzt. Daher wurde befunden, dass ein Anwachsen der Standfestigkeit, die in der Nähe von 850°C im Testmaterial zu beobachten war, auf die Standfestigkeit des Gefüges zurückzuführen war, welches bereits in Austenit überführt worden war; daraufhin wurde auf eine Auswertung des Materials, das Ni als zusätzliches Element enthielt, verzichtet.
Die Auswertung zeigt, dass es von Vorteil ist, V und Mn zuzusetzen, um die Eigenschaften bei hoher Temperatur zu verbessern. Dann wurde die Wirkung der Mehrfachzugabe von V und Mn untersucht. In den Tabellen 11 bis 13 und den 9 bis 11 sind die Ergebnisse wiedergegeben Tabelle 11 Chemische Zusammensetzung der Proben mit Mehrfachzusatz-Effekt
Tabelle 12 Mechanische Eigenschaften der Proben, denen V + Mn zugesetzt wurde
Tabelle 13
Die Ergebnisse zeigen, dass eine größere Wirkung entsteht, wenn V und Mn gleichzeitig in Kombination zugesetzt werden, als wenn V oder Mn allein zugegeben werden. Das Testmaterial 17 weist eine große Härte und einen hohen Perlit-Anteil auf, so dass bei Raumtemperatur die Dehnung gering ist. Da jedoch im in Frage stehenden mittleren Temperaturbereich eine Verminderung der Dehnung nicht erkennbar ist, lässt sich das Testmaterial 17 für ein Bauteil einer Abgasanlage einsetzen. Falls eine weitere Dehnung nötig ist, lässt sich ferner eine Hitzebehandlung unter Glühen durchführen, um Perlit abzubauen. In sämtlichen oben beschriebenen Beispielen konnte keine Hinderung einer Sphärolitbildung durch zusätzliche Elemente beobachtet werden.
3. Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Wärmeermüdung
Für einen stark Si-haltigen, Mo enthaltenden Kugelgraphitguss kommen die beiden folgenden Methoden in Betracht, um die Widerstandfähigkeit gegen Wärmeermüdung zu verstärken: die Methode, die diesem Material innewohnende Verringerung bei der Dehnung abzustellen, welche in der Nähe von mittleren Temperaturen (400 bis 500°C) auftritt; und die Methode, die Zerreißfestigkeit oder die Formänderungsfestigkeit ab Raumtemperatur bis zu hohen Temperaturen zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der letzteren Methode. Genauer ausgedrückt zielt die vorliegende Erfindung auf die Unterdrückung der plastischen Deformation in Bezug auf die bei cyclischem Erhitzen und Kühlen auftretende Zugbelastung, indem die Formänderungsfestigkeit (Fließpunkt oder Proportionalgrenze) erhöht wird, so dass sich die Standzeit erhöht, welche die Zeitspanne bis zu dem Zeitpunkt ist, wo der erste Riss auftritt.
Die Tests zur Wärmeermüdung wurden zwischen 200 bis 850°C bei einem Abhängigkeitsverhältnis von 50% durchgeführt. Die Ergebnisse werden in Tabelle 14 wiedergegeben. Tabelle 14 Standfestigkeit gegen Wärmeermüdung und Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation der Testprodukte
Tabelle 14 zeigt klar, dass das Material mit V, das Material mit Mn und das Material mit V und Mn, in denen die Zerreißfestigkeit und die Proportionalgrenze verbessert sind, eine bessere Standfestigkeit gegen Wärmeermüdung aufweisen als diejenige des Vergleichsmaterials 4, welches ein herkömmliches Material ist.
Um die Wärmeermüdungseigenschaften des erfindungsgemäßen Kugelgraphitgusses zu verbessern oder zu stabilisieren, wurden für die Dehnung von Raumtemperatur bis mittlere Temperatur gründliche Untersuchungen durchgeführt. Bei geringer Dehnung wird, wie oben beschrieben, die Wärmeermüdungsstandzeit vermindert. Sodann wurde als Ergebnis bei der Untersuchung von Mitteln zur Sicherstellung der Dehnung ohne Verringerung des Gesamtgehalts oder des Zusammensetzungsverhältnisses von V und Mn gefunden, dass die Dehnung von stark Si-haltigem und Mo enthaltendem Kugelgraphitguss deutlich vom Mischungsverhältnis C zu Si abhängt, genauer gesagt vom Si/CE-Wert (oder (C/CE-Wert). In anderen Worten wurde, wie dies in Tabelle 15 und 12 gezeigt wird, die Dehnung von stark Si-haltigem Kugelgraphitguss verringert, wenn der Si/CE-Wert 0,97 oder darüber war. Tabelle 15 Zusammenhang zwischen Si/CE-Wert und Dehnung
4. Verbesserung der Widerstandfähigkeit gegen Oxidation
Wie in Tabelle 14 gezeigt, weisen die Ergebnisse des Oxidationstests, bei welchem die Proben bei 850°C über 100 Stunden unter Lust gehalten wurden, darauf hin, dass das V enthaltende Material, das Mn enthaltende Material sowie das V und Mn enthaltende Material in Bezug auf den Betrag für den Oxidationsanstieg, den Betrag für die Oxidationsabnahme und die prozentuale Dickenabnahme im wesentlichen gleich dem herkömmlichen Material (Vergleichsmaterial 4) war und es wurde gefunden, dass die Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation eher vom Si-Gehalt abhängt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen beschränkt und kann auf Grundlage des Erfindungsgedankens abgeändert oder modifiziert werden. Im Folgenden werden Abänderungen in der Anwendung kurz beschrieben, in denen der erfindungsgemäße Kugelgraphitguss für ein Bauteil einer Abgasanlage eingesetzt wird.
Ein Bauteil einer Abgasanlage unterliegt einmal einer großen thermischen Belastung, ein andermal einer kleinen thermischen Belastung, und manchmal kann eine thermische Ausdehnung nicht hingenommen werden, während sie in einem anderen Fall erlaubt sein kann. Wird der erfindungsgemäße Kugelgraphitguss in Fällen einer großen thermischen Belastung eingesetzt, weil Schweißarbeiten oder eine mechanische Verbindung durchgeführt werden oder in Fällen, wo eine thermische Ausdehnung nicht zugelassen werden kann, lässt sich die Hitzebeständigkeit des Bauteils der Abgasanlage verbessern. Ferner werden der Auspuffkrümmer und das Turbogehäuse oder ein in das Turbogehäuse integrierter Auspuffkrümmer gussgeformt, um die Hitzebeständigkeit zu verbessern und die Kosten für das Bauteil zu senken. Ferner weist ein erfindungsgemäßer Kugelgraphitguss nicht nur eine bessere Hitzebeständigkeit auf, sondern auch eine dem Gusseisen inhärente Druckfestigkeit, lässt sich die vorliegende Erfindung auch bei einem durch Pressguss bei von Aluminium bei niedrigem Druck hergestelltes Material einsetzen, welches Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation und gegen Druckverformung bei hoher Temperatur erfordert.
Der erfindungsgemäße Kugelgraphitguss auf Ferritbasis weist eine ausgezeichnete Zerreißfestigkeit und Formänderungsfestigkeit im Bereich von 20°C, d.h. Raumtemperatur, bis zu hoher Temperatur (um 800 bis 900°C) auf. Wird daher dieser Kugelgraphitguss für das Bauteil einer Abgasanlage, z.B. einen Auspuffkrümmer, eingesetzt, kann das Bauteil in ausreichendem Maße hohen Abgastemperaturen widerstehen. Daher kann die Abgastemperatur erhöht und eine wirksame Reinigung des Abgases und Kraftstoffeinsparung erzielt werden.

Claims

Kugelgraphitguss auf Ferritbasis, welcher C, Si, Mo, V, Mn und Mg umfasst und worin sich der verbleibende Anteil aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen zusammensetzt.
Kugelgraphitguss auf Ferritbasis nach Anspruch 1, in welchem die in Gew.-% ausgedrückten Gehalte der Elemente wie folgt sind: C: 3,1 bis 4,0 %; Si: 3,6 bis 4,6 %; Mo: 0,3 bis 1,0 % V: 0,1 bis 1,0 % Mn: 0,15 bis 1,6 %; und Mg: 0,02 bis 0,10 %.
Kugelgraphitguss auf Ferritbasis nach Anspruch 1 oder 2, in welchem der Gesamtgehalt von V und Mn 0,3 bis 2,0 Gew.-% beträgt.
Kugelgraphitguss auf Ferritbasis nach jedem der Ansprüche 1 bis 3, in welchem der Si/CE-Wert 0,97 oder darunter ist.
Bauteil einer Abgasanlage, hergestellt unter Verwendung des Kugelgraphitgusses auf Ferritbasis nach jedem der Ansprüche 1 bis 4.
Bauteil einer Abgasanlage nach Anspruch 5, in welchem das Bauteil der Abgasanlage ein Auspuffkrümmer, ein Turbogehäuse, ein in ein Turbogehäuse integrierter Auspuffkrümmer oder ein Turboabzugsrohr ist.