DE112014001570B4

DE112014001570B4 - Austenitischer hitzebeständiger Stahlguss und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE112014001570B4
Application number: DE112014001570.9T
Authority: DE
Inventors: Kazumi Ohtake; Takamichi UEDA; Yoshikazu Genma; Takahiro Sato; Hiroshi Fujii
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2023-04-27
Anticipated expiration: 2034-03-19
Also published as: US20160068936A1; JP6046591B2; DE112014001570T5; CN105074031A; CN105074031B; US10626487B2; WO2014147463A1; JP2014208875A

Abstract

Austenitischer hitzebeständiger Stahlguss, bestehend aus:
0,1 bis 0,6 % Masse-% an C,
1,0 bis 3,0 Masse-% an Si,
0,5 bis 1,5 Masse-% an Mn,
0,05 Masse-% oder weniger an P,
0,05 bis 0,30 Masse-% an S,
14 bis 20 Masse-% an Cr,
9 bis 16 Masse-% an Ni,
0,10 bis 0,20 Masse-% an N,
optional 1,0 bis 3,0 Masse-% an Cu und
als dem Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei eine Matrixstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses aufgebaut ist aus austenitischen Kristallkörnern, eine Ferritphase zwischen den austenitischen Kristallkörnern verteilt und eingelagert ist, um so die austenitischen Kristallkörner zu bedecken, und ein Flächenverhältnis der Ferritphase im Bereich von 1 bis 10 % bezogen auf die Gesamtstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses liegt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen austenitischen hitzebeständigen Stahlguss und insbesondere einen austenitischen hitzebeständigen Stahlguss, der ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der thermischen Ermüdung aufweist.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Ein austenitischer hitzebeständiger Stahlguss wird verwendet für beispielsweise Teile eines Abgassystems an einem Fahrzeug wie beispielsweise einen Auspuffkrümmer und ein Turbinengehäuse. Derartige Komponenten sind hohen Temperaturen und starken Beanspruchungen ausgesetzt. Damit die Komponenten ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der thermischen Ermüdung (Wärmeermüdung) aufzeigen, wird es als notwendig erachtet, dass sie ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der Hochtemperaturfestigkeit und der Zähigkeit von Raumtemperatur bis zu einer hohen Temperatur aufweisen.
Diesbezüglich schlägt beispielsweise die japanische Patentanmeldung JP H07 - 228 950 A einen austenitischen hitzebeständigen Stahlguss vor, der 0,2 bis 0,6 Masse-% an C, 2 Masse-% oder weniger an Si, 2 Masse-% oder weniger an Mn, 8 bis 20 Masse-% an Ni, 15 bis 30 Masse-% an Cr, 0,2 bis 1 Masse-% an Nb, 1 bis 6 Masse- % an W, 0,01 bis 0,3 Masse-% an N und als den Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen einschließt. Ein derartiger hitzebeständiger Stahlguss wird derart erhalten, dass ein geschmolzenes Metall, das erhalten wird durch Schmelzen eines die oben beschriebenen Komponenten enthaltenden Materials als ein Ausgangsmaterial, unter Erwärmungsbedingungen von 1000 °C und 2 Stunden wärmebehandelt wird, um nach dem Guss Restspannung zu entfernen.
Ferner schlägt die japanische Patentanmeldung JP H06 - 256 908 A einen hitzebeständigen Stahlguss vor, der eine Zusammensetzung aufweist mit 0,20 bis 0,60 Masse-% an C, 2,0 Masse-% oder weniger an Si, 1,0 Masse-% oder weniger an Mn, 4,0 bis 6,0 Masse-% an Ni, 20,0 bis 30,0 Masse-% an Cr, 1,0 bis 5,0 Masse-% an W, 0,2 bis 1,0 Masse-% an Nb, 0,05 bis 0,2 Masse-% an N und als den Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen. Der hitzebeständige Stahlguss weist eine Zweiphasenstruktur mit 20 bis 95 % einer austenitischen Phase und als den Rest eine Ferritphase auf.
Da jedoch der in der JP H07 - 228 950 A beschriebene austenitische hitzebeständige Stahlguss in einem großen Teil der Struktur austenitische Kristallkörner enthält, ist, während die Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen hoch ist, der Wärmeausdehnungskoeffizient hoch und sind die Eigenschaften hinsichtlich der thermischen Ermüdung unzureichend, da austenitische Kristallkörner im Übermaß enthalten sind.
Da demgegenüber der in der JP H06 - 256 908 A beschriebene hitzebeständige Stahlguss ein hitzebeständiger Zweiphasenstahlguss mit einer austenitischen Phase und einer Ferritphase ist, kann die wie oben beschriebene Wärmeausdehnung aufgrund von austenitischen Kristallkörnern verringert werden. Jedoch ist in der Struktur die Ferritphase selbst als Kristallkörner vorhanden. Da Ferritkristallkörner weicher sind als die austenitischen Kristallkörner, ist daher die Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen nicht hoch. Während somit der in der JP H06 - 256 908 A beschriebene hitzebeständige Stahlguss die thermische Ausdehnung unterdrückt, ist die Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen geringer als die eines herkömmlichen austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses und sind in der Folge davon die Eigenschaften hinsichtlich der thermischen Ermüdung unzureichend.
Ein austenitischer hitzebeständiger Stahlguss mit einer Zugfestigkeit von ungefähr 90 MPa bei 950 °C ist zudem in der JP H07 - 113 143 A beschrieben mit einer Zusammensetzung von 0,2 bis 0,4 Masse-% an C, 1,5 bis 2,5 Masse-% an Si, 0,09 bis 5,0 Masse-% an Mn, ≤ 0,05 Masse-% an P, < 0,03 Masse-% an S, 16 bis 18 Masse-% an Cr, 13 bis 20 Masse-% an Ni, 0,05 bis 0,30 Masse-% an N und als den Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen austenitischen hitzebeständigen Stahlguss zur Verfügung, der die Eigenschaften hinsichtlich der thermischen Ermüdung (Wärmeermüdungseigenschaften) verbessern kann durch Unterdrücken der thermischen Ausdehnung, während die Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen beibehalten wird, und stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung desselben zur Verfügung.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben viele Experimente und Untersuchungen durchgeführt und kamen zu der Betrachtung, dass es aufgrund der austenitischen Kristallkörner wichtig ist, die Zugfestigkeit eines austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses bei hohen Temperaturen sicherzustellen und die Wärmeausdehnung des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses durch eine Ferritphase zu unterdrücken. Im Speziellen wurde als neuer Aspekt herausgefunden, dass bei austenitischen Kristallkörnern als einer Matrixstruktur die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses bei hohen Temperaturen beibehalten werden kann, indem die Ferritphase um die austenitischen Kristallkörner herum nicht kristallisiert wird (ohne ungleichmäßige Anordnung), sondern zwischen den austenitischen Kristallkörnern eine feine Ferritphase eingelagert wird.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dieser neuen Erkenntnis der Erfinder der vorliegenden Erfindung. Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen austenitischen hitzebeständigen Stahlguss, der 0,1 bis 0,6 Masse-% an C, 1,0 bis 3,0 Masse-% an Si, 0,5 bis 1,5 Masse-% an Mn, 0,05 Masse-% oder weniger an P, 0,05 bis 0,30 Masse-% an S, 14 bis 20 Masse-% an Cr, 9 bis 16 Masse-% an Ni, 0,10 bis 0,20 Masse-% an N, optional 1,0 bis 3,0 Masse-% an Cu und als den Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen einschließt. Die Matrixstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses ist aufgebaut aus austenitischen Kristallkörnern, und es ist eine Ferritphase zwischen den austenitischen Kristallkörnern verteilt und eingelagert, um so die austenitischen Kristallkörner zu bedecken, und ein Flächenverhältnis der Ferritphase liegt im Bereich von 1 bis 10 % bezogen auf die Gesamtstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses.
Wenn die Gesamtheit der Bestandteile des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses der vorliegenden Erfindung auf 100 Masse-% (nachfolgend der Einfachheit halber als „%“ bezeichnet) festgesetzt wird, ist der Grundbestandteil davon ein auf Eisen (Fe) basierender austenitischer hitzebeständiger Stahlguss, und sind die oben beschriebenen Komponenten Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Phosphor (P), Schwefel (S), Chrom (Cr), Nickel (Ni) und Stickstoff (N) in den oben angegebenen Bereichen enthalten. Da die Matrixstruktur aufgebaut ist aus austenitischen Kristallkörnern und die Ferritphase zwischen den austenitischen Kristallkörnern verteilt und eingelagert ist, um so die austenitischen Kristallkörner zu bedecken, können, während die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses während hoher Temperaturen beibehalten wird, die Eigenschaften hinsichtlich der thermischen Ermüdung verbessert werden durch Unterdrücken der Wärmeausdehnung.
Das heißt, die Ferritphase als solches ist in der Struktur nicht als Kristallkörner vorhanden sondern ist derart verteilt, dass die Ferritphase die austenitischen Kristallkörner bedeckt. Durch die austenitischen Kristallkörner als solches kann daher die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses während hoher Temperaturen verbessert werden. Da die Ferritphase als solches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der geringer als der der austenitischen Phase ist, kann ferner die Wärmeausdehnung des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses unterdrückt werden. Als Folge davon können die Eigenschaften hinsichtlich der thermischen Ermüdung des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses mehr als bisher drastisch verbessert werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen austenitischen hitzebeständigen Stahlguss, der 0,1 bis 0,6 Masse-% an C, 1,0 bis 3,0 Masse-% an Si, 0,5 bis 1,5 Masse-% an Mn, 0,05 Masse-% oder weniger an P, 0,05 bis 0,30 Masse-% an S, 14 bis 20 Masse-% an Cr, 9 bis 16 Masse-% an Ni, 0,10 bis 0,20 Masse-% an N, 1,0 bis 3,0 Masse-% an Cu und als den Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen einschließt. Die Matrixstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses ist aufgebaut aus austenitischen Kristallkörnern, und es ist eine Ferritphase zwischen den austenitischen Kristallkörnern verteilt und eingelagert, um so die austenitischen Kristallkörner zu bedecken, und ein Flächenverhältnis der Ferritphase liegt im Bereich von 1 bis 10 % bezogen auf die Gesamtstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses. Wenn der austenitische hitzebeständige Stahlguss ferner Kupfer (Cu) in dem oben beschriebenen Bereich enthält, ist Cu in den austenitischen Kristallkörnern gelöst. Somit kann die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses weiter verbessert werden. Als Folge davon können die Eigenschaften hinsichtlich einer thermischen Ermüdung des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses weiter verbessert werden.
Wenn nun der Gehalt an Cu weniger als 1 Masse-% beträgt, ist eine Verbesserung der Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses aufgrund des Einbringens von Cu kaum zu erwarten. Wenn demgegenüber der Gehalt an Cu 3 Masse-% übersteigt, ist nicht nur nicht zu erwarten, dass die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses weiter verbessert wird, sondern nimmt auch die Wärmeausdehnung des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses drastisch zu. Als Folge davon können sich im Vergleich mit dem austenitischen hitzebeständigen Stahlguss, der kein Cu enthält, die Wärmeermüdungseigenschaften des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses schnell verschlechtern.
Bei dem erfindungsgemäßen austenitischen hitzebeständigen Stahlguss liegt das Flächenverhältnis der Ferritphase in Bezug auf die gesamte Struktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses im Bereich von 1 bis 10 %. Wie auch anhand der Experimente der Erfinder der vorliegenden Erfindung, welche nachfolgend beschrieben werden, offensichtlich wird, werden die Wärmeermüdungseigenschaften des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses verlässlicher als bisher verbessert, wenn die Ferritphase in einem derartigen Flächenverhältnis enthalten ist.
Das heißt, wenn das Flächenverhältnis der Ferritphase weniger als 1 % bezogen auf die Gesamtstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses beträgt, wird die Wärmeausdehnung des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses größer. Als Folge davon können die Wärmeermüdungseigenschaften des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses verschlechtert sein.
Wenn demgegenüber das Flächenverhältnis der Ferritphase 10 % übersteigt in Bezug auf die Gesamtstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses, tendiert die Ferritphase dazu, als Kristallkörner in der Struktur vorhanden zu sein. Als Folge davon verschlechtert sich die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses bei hohen Temperaturen und können die Wärmeermüdungseigenschaften des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses verschlechtert sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Gießens eines Stahlgusses aus einem geschmolzenen Metall, das 0,1 bis 0,6 Masse-% an C, 1,0 bis 3,0 Masse-% an Si, 0,5 bis 1,5 Masse-% an Mn, 0,05 Masse-% oder weniger an P, 0,05 bis 0,3 Masse-% an S, 14 bis 20 Masse-% an Cr, 9 bis 16 Masse-% an Ni, 0,1 bis 0,2 Masse-% an N, optional 1,0 bis 3,0 Masse-% an Cu und als den Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen einschließt, und einen Schritt des Wärmebehandelns des Stahlgusses unter Erwärmungsbedingungen einer Erwärmungstemperatur von 700 bis 800 °C und eines Erwärmungszeitraums von 20 bis 300 Stunden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden in dem Schritt des Gießens, wenn die Gesamtheit der Komponenten auf 100 Masse-% (nachfolgend der Einfachheit halber als „%“ bezeichnet) festgesetzt wird, einem austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses als einer Basis, wobei Eisen eine Basiskomponente davon ist, die Komponenten Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Phosphor (P), Schwefel (S), Chrom (Cr), Nickel (Ni) und Stickstoff (N) in den oben beschriebenen Bereichen zugegeben, wird die Mischung geschmolzen und ein geschmolzenes Metall hergestellt. Wenn das geschmolzene Metall in eine definierte Form oder dergleichen gegossen und abgekühlt wird, kann aus dem geschmolzenen Metall ein Stahlguss gegossen werden.
Als Nächstes wird in dem Schritt der Wärmebehandlung unter den oben beschriebenen Wärmebehandlungsbedingungen die Wärmebehandlung auf den Stahlguss angewendet. Somit kann eine Struktur erhalten werden, in der eine Matrixstruktur aufgebaut ist aus den austenitischen Kristallkörnern und eine Ferritphase zwischen den austenitischen Kristallkörnern so dispergiert und eingelagert ist, dass die austenitischen Kristallkörner bedeckt sind. Ferner liegt ein Flächenverhältnis der Ferritphase in Bezug auf die Gesamtstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses im Bereich von 1 bis 10 %.
Als Folge davon kann eine Struktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses erhalten werden. Während die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses während hoher Temperaturen beibehalten wird, können daher durch Unterdrücken der Wärmeausdehnung die Wärmeermüdungseigenschaften verbessert werden.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses umfasst einen Schritt des Gießens eines Stahlgusses aus einem geschmolzenen Metall, welches aus 0,1 bis 0,6 Masse-% an C, 1,0 bis 3,0 Masse-% an Si, 0,5 bis 1,5 Masse-% an Mn, 0,05 Masse-% oder weniger an P, 0,05 bis 0,3 Masse-% an S, 14 bis 20 Masse-% an Cr, 9 bis 16 Masse-% an Ni, 0,1 bis 0,2 Masse-% an N, 1,0 bis 3,0 Masse-% an Cu und als den Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen besteht, und einen Schritt des Wärmebehandelns des Stahlgusses unter Erwärmungsbedingungen einer Erwärmungstemperatur von 700 °C bis 800 °C und eines Erwärmungszeitraums von 20 bis 300 Stunden. Wenn in dem geschmolzenen Metall ferner Kupfer (Cu) in dem oben angegebenen Bereich zugegeben wird, wird Cu in den austenitischen Kristallkörnern gelöst. Somit kann die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses weiter verbessert werden. Als Folge davon können die Wärmeermüdungseigenschaften des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses weiter verbessert werden.
Wenn hierbei die Zugabemenge an Cu weniger als 1 Masse-% beträgt, ist kaum zu erwarten, dass die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses aufgrund des Einbringens von Cu verbessert ist. Wenn demgegenüber die Zugabemenge an Cu 3 Masse-% übersteigt, kann nicht nur nicht erwartet werden, dass die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses weiter verbessert ist, sondern ist auch die Wärmeausdehnung des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses drastisch erhöht. Als Folge davon sind im Vergleich mit dem austenitischen hitzebeständigen Stahlguss, der kein Cu enthält, die Wärmeermüdungseigenschaften des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses schneller verschlechtert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können, während die Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen beibehalten wird, die Wärmeermüdungseigenschaften verbessert werden durch Unterdrücken der Wärmeausdehnung.
Figurenliste
Nachfolgend werden Merkmale, Vorteile und technische und industrielle Aspekte der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Ziffern gleichartige Elemente bezeichnen und wobei:

1A eine Fotografie der Struktur eines austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses gemäß Beispiel 4 ist;
1B eine Fotografie der Struktur eines austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses gemäß dem Vergleichsbeispiel 6 ist;
2 eine grafische Darstellung ist, welche eine Beziehung zwischen Ferritflächenverhältnissen der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 12 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 14 und den Erwärmungszeiträumen aufzeigt;
3 eine grafische Darstellung ist, welche Messergebnisse von Wärmeausdehnungskoeffizienten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 12 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 14 aufzeigt;
4 eine grafische Darstellung ist, welche Messergebnisse von Zugfestigkeiten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 12 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 14 aufzeigt;
5 eine grafische Darstellung ist, welche Messergebnisse der Wärmeermüdungsbeständigkeiten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 12 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 14 aufzeigt;
6 eine grafische Darstellung ist, welche Messergebnisse der Wärmeausdehnungskoeffizienten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 12 bis 14 und dem Vergleichsbeispiel 15 aufzeigt;
7 eine grafische Darstellung ist, welche Messergebnisse der Zugfestigkeit der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 12 bis 14 und dem Vergleichsbeispiel 15 aufzeigt;
8 eine grafische Darstellung ist, welche Messergebnisse der Wärmeermüdungsbeständigkeiten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 12 bis 14 und dem Vergleichsbeispiel 15 aufzeigt;
9 eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines Tests der maschinellen Bearbeitbarkeit ist;
10 eine grafische Darstellung ist, welche eine Beziehung zwischen Zugabemengen an S bei austenitischen hitzebeständigen Stahlgüssen gemäß den Beispielen 15 bis 18 und den Vergleichsbeispielen 22 bis 26 und deren Wärmeermüdungsbeständigkeiten aufzeigt; und
11 eine grafische Darstellung ist, welche Ergebnisse eines Freiflächenverschleißes eines Fräswerkzeugs aufzeigt, der in Zusammenhang mit einer Erhöhung der Verarbeitungsdurchläufe bei einem Test der maschinellen Bearbeitbarkeit der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 15 bis 18 und den Vergleichsbeispielen 22 bis 24 auftritt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Verfahren zur Herstellung eines austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses der vorliegenden Ausführungsform umfasst einen Schritt des Gießens von Stahlguss aus einem geschmolzenen Metall, welches 0,1 bis 0,6 Masse-% an C, 1,0 bis 3,0 Masse-% an Si, 0,5 bis 1,5 Masse-% an Mn, 0,05 Masse-% oder weniger an P, 0,05 bis 0,3 Masse-% an S, 14 bis 20 Masse-% an Cr, 9 bis 16 Masse-% an Ni, 0,1 bis 0,2 Masse-% an N und als den Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen einschließt, und einen Schritt des Wärmebehandelns des Stahlgusses unter der Erwärmungsbedingung einer Erwärmungstemperatur von 700 °C bis 800 °C und eines Erwärmungszeitraums von 20 bis 300 Stunden.
Mit den Komponenten in den oben beschriebenen Bereichen als einer Basiskomponente kann somit eine Struktur erhalten werden, in welcher eine Matrixstruktur aufgebaut ist aus austenitischen Kristallkörnern und eine Ferritphase zwischen den austenitischen Kristallkörnern verteilt und eingelagert ist, um so die austenitischen Kristallkörner (das gesamte austenitische Kristallkorn) zu bedecken. Ferner liegt das Flächenverhältnis der Ferritphase in Bezug auf die Gesamtstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses im Bereich von 1 bis 10 %.
In dem auf diese Weise erhaltenen austenitischen hitzebeständigen Stahlguss ist eine Ferritphase als solches nicht ungleichmäßig als Kristallkörner in der Struktur verteilt, sondern ist derart verteilt, dass die Ferritphase die austenitischen Kristallkörner bedeckt. Als Folge davon kann aufgrund der austenitischen Kristallkörner als solches die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses bei hohen Temperaturen verbessert werden. Da darüber hinaus die Ferritphase als solches eine Wärmeausdehnung aufweist, die geringer ist als die der austenitischen Phase, kann die Wärmeausdehnung des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses unterdrückt werden. Als Folge davon können die Wärmeermüdungseigenschaften des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses besser als bisher verbessert werden.
Wenn hierbei das Flächenverhältnis der Ferritphase in Bezug auf Gesamtstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses weniger als 1 % beträgt, kann aufgrund einer Zunahme eines Anteils an austenitischen Kristallkörnern die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses sichergestellt werden. Jedoch wird die Wärmeausdehnung des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses größer. Als Folge davon können die Wärmeermüdungseigenschaften des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses verschlechtert sein.
Wenn demgegenüber das Flächenverhältnis der Ferritphase in Bezug auf die Gesamtstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses 10 % übersteigt, kann aufgrund einer Zunahme der Ferritphase die Wärmeausdehnung des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses unterdrückt sein. Jedoch ist in der Struktur die Ferritphase als Kristallkörner eher ungleichmäßig verteilt. Somit ist die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses bei hohen Temperaturen verschlechtert. Als Folge davon können die Wärmeermüdungseigenschaften des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses verschlechtert sein.
In dem austenitischen hitzebeständigen Stahlguss der vorliegenden Ausführungsform sind die Gründe der wie oben beschrieben Beschränkung der Bereiche der entsprechenden Komponenten wie nachfolgend dargelegt. Unter Bezug auf nachfolgende Beispiele werden die Werte davon speziell erläutert.
C: C fungiert in dem oben beschriebenen Bereich als ein Austenitstabilisierendes Element und ist wirksam bei der Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit und der Gießbarkeit. Wenn jedoch der Gehalt davon weniger als 0,1 Masse-% beträgt, ist die Gießbarkeit weniger verbessert. Wenn demgegenüber der Gehalt 0,6 Masse-% übersteigt, ist aufgrund einer Abscheidung von CrC die Strukturhärte erhöht und ist die Zähigkeit verschlechtert. Als Folge davon kann die maschinelle Bearbeitbarkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses verschlechtert sein.
Si: Si ist in dem oben beschriebenen Bereich wirksam bei der Verbesserung der oxidationsbeständigen Leistungsfähigkeit und Gießbarkeit. Wenn jedoch der Gehalt davon weniger als 1,0 Masse-% beträgt, kann die Gießbarkeit verschlechtert sein. Wenn demgegenüber der Gehalt 3,0 Masse-% übersteigt, ist die maschinelle Bearbeitbarkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses verschlechtert.
Mn: Mn in dem oben beschriebenen Bereich unterstützt eine Desoxidation und stabilisiert die austenitische Phase. Wenn jedoch der Gehalt weniger als 0,5 Masse-% beträgt, wird aufgrund eines fehlenden Desoxidationseffekts ein Gussfehler verursacht. Wenn demgegenüber der Gehalt 1,5 Masse-% übersteigt, wird eine Verformung der austenitischen Phase induziert und ist die maschinelle Bearbeitbarkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses verschlechtert.
P: P in dem oben beschriebenen Bereich kann Gussbrüche und dergleichen vermeiden. Wenn der Gehalt davon 0,05 Masse-% übersteigt, ist auch die Zähigkeit verschlechtert und werden Gussbrüche erzeugt, da es aufgrund eines wiederholten Erwärmens und Abkühlens wahrscheinlicher ist, dass eine thermische Verschlechterung auftritt.
S: S in dem oben beschriebenen Bereich kann die maschinelle Bearbeitbarkeit sicherstellen. Wenn jedoch der Gehalt davon weniger als 0,05 Masse-% beträgt, ist die maschinelle Bearbeitbarkeit verschlechtert. Wenn der Gehalt 0,3 Masse- % übersteigt, löst sich S in der Mutterphase und ist die Wärmeermüdungsbeständigkeit verschlechtert.
Cr: Cr in dem oben beschriebenen Bereich verbessert eine Oxidationsbeständigkeit und ist wirksam bei der Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit. Wenn der Gehalt davon weniger als 14 Masse-% beträgt, ist der Effekt der Oxidationsbeständigkeit verschlechtert. Wenn demgegenüber der Gehalt 20 Masse-% übersteigt, nimmt die Strukturhärte aufgrund der Abscheidung von CrC zu. Als Folge davon kann die maschinelle Bearbeitbarkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses verschlechtert sein.
Ni: Ni in dem oben beschriebenen Bereich kann die Ferritphase gleichmäßig verteilen, um so die austenitischen Kristallkörner zu bedecken. Wenn der Gehalt davon weniger als 9 Masse-% beträgt, übersteigt der Flächenanteil der Ferritphase 10 %, wobei Kristallkörner der Ferritphase gebildet werden. Als Folge davon nimmt die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses bei hohen Temperaturen ab und sind dadurch die Wärmeermüdungseigenschaften verschlechtert. Wenn demgegenüber der Gehalt 16 Masse-% übersteigt, beträgt das Flächenverhältnis der Ferritphase weniger als 1 % und wird aufgrund der austenitischen Kristallkörner die Wärmeausdehnung des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses größer. Als Folge davon sind die Wärmeermüdungseigenschaften des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses verschlechtert.
N: N in dem oben beschriebenen Bereich ist wirksam beim Verbessern der Hochtemperaturfestigkeit, dem Stabilisieren der austenitischen Phase und dem Miniaturisieren der Struktur. Wenn jedoch der Gehalt davon weniger als 0,1 % beträgt, ist dies ineffektiv, und wenn der Gehalt 0,2 % übersteigt, nimmt die Ausbeute drastisch ab und werden gasförmige Defekte bewirkt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ferner Cu in dem Bereich von 1,0 bis 3,0 Masse-% zu dem geschmolzenen Metall gegeben werden, um einen austenitischen hitzebeständigen Stahlguss herzustellen, der Cu in diesem Bereich enthält. Da zusätzlich Kupfer (Cu) in dem oben beschriebenen Bereich enthalten ist, löst sich Cu in den austenitischen Kristallkörnern. Somit kann die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses weiter verbessert werden. Als Folge davon können die Wärmeermüdungseigenschaften des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses weiter verbessert werden.
Wenn hierbei der Gehalt an Cu weniger als 1 Masse-% beträgt, ist kaum zu erwarten, dass das Einbringen von Cu die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses verbessert. Wenn demgegenüber der Gehalt an Cu 3 Masse-% übersteigt, nimmt die Wärmeausdehnung des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses drastisch zu, da die Bildung der Ferritphase gestört wird. Als Folge davon können die Wärmeermüdungseigenschaften des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses verschlechtert sein gegenüber einem austenitischen hitzebeständigen Stahlguss, der kein Cu enthält.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezug auf Beispiele und Vergleichsbeispiele ausführlicher erläutert.
Beispiel 1
Es wurde als ein Ausgangsmaterial für einen auf Fe basierenden austenitischen hitzebeständigen Stahlguss eine Probe von 50 kg hergestellt, die die in Tabelle 1A gezeigte Zusammensetzung aufweist, und wurde diese unter Verwendung eines Hochfrequenzinduktionsofens an Luft geschmolzen. Das resultierende geschmolzene Metall wurde bei 1600 °C abgelassen, in eine Sandform (ohne Vorheizen) von 25 mm × 25 mm × 300 mm bei 1550 °C gegossen und verfestigt und wurde somit ein Stahlgussprodukt (Rohmaterial) erhalten. Das Stahlgussprodukt wurde bei einer spezifizierten Temperatur (im Speziellen 700 °C und 800 °C), wie in Tabelle 2A gezeigt, während einer spezifizierten Zeitdauer (im Speziellen 20 Stunden) in einem Ofen bei Luftatmosphäre wärmebehandelt und wurde ein Teststück aus dem austenitischen hitzebeständigen Stahlguss gemäß Beispiel 1 hergestellt.
Beispiele 2 bis 14
Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 wurden Teststücke der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse hergestellt. Im Speziellen wurden die Teststücke mit Proben gegossen, die die in Tabelle 1A gezeigten Zusammensetzungen aufweisen, und wurden wärmebehandelt unter Erwärmungsbedingungen, wie sie in Tabelle 2A aufgezeigt sind.
Vergleichsbeispiele 1 bis 5
Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 wurden Teststücke von austenitischen hitzebeständigen Stahlgüssen hergestellt. Im Speziellen wurden die Teststücke mit Proben gegossen, die die in Tabelle 1B gezeigten Zusammensetzungen aufweisen, und wurden wärmebehandelt unter Erwärmungsbedingungen, wie sie in Tabelle 2B gezeigt sind. Die Vergleichsbeispiele 1 bis 5 liegen außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung aufgrund dessen, dass die Erwärmungszeiträume auf weniger als 20 Stunden festgesetzt waren.
Vergleichsbeispiele 6 bis 11
Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 wurden Teststücke von austenitischen hitzebeständigen Stahlgüssen hergestellt. Im Speziellen wurden die Teststücke mit Proben gegossen, die die in Tabelle 1B gezeigten Zusammensetzungen aufweisen, und wurden wärmebehandelt unter Erwärmungsbedingungen, wie sie in Tabelle 2B gezeigt sind. Die Vergleichsbeispiele 6 bis 11 lagen außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung aufgrund dessen, dass die Zugabemengen von Ni auf weniger als 9 Masse-% festgesetzt waren, und die Vergleichsbeispiele 6 und 9 lagen außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung aufgrund dessen, dass ferner die Erwärmungszeiträume auf weniger als 20 Stunden festgesetzt waren.
Vergleichsbeispiele 12 bis 14
Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 wurden Teststücke von austenitischen hitzebeständigen Stahlgüssen hergestellt. Im Speziellen wurden die Teststücke mit Proben gegossen, die die in Tabelle 1B gezeigten Zusammensetzungen aufweisen, und wurden wärmebehandelt unter Erwärmungsbedingungen, wie sie in Tabelle 2B gezeigt sind. Die Vergleichsbeispiele 12 bis 14 lagen außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung aufgrund dessen, dass die Zugabemengen von Ni auf mehr als 16 Masse-% festgesetzt waren, und das Vergleichsbeispiel 12 lag ferner außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung aufgrund dessen, dass der Erwärmungszeitraum auf weniger als 20 Stunden festgesetzt war.
Vergleichsbeispiel 15
Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 wurde ein Teststück des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses hergestellt. Im Speziellen wurde das Teststück mit einer Probe gegossen, die die in Tabelle 1B gezeigte Zusammensetzung aufweist, und wurde wärmebehandelt unter Erwärmungsbedingungen, wie sie in Tabelle 2B gezeigt sind. Im Speziellen lag das Vergleichsbeispiel 15 außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung aufgrund dessen, dass die Zugabemenge an Cu auf mehr als 3 Masse-% festgesetzt war.
Vergleichsbeispiele 16 bis 18
Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 wurden Teststücke der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse hergestellt. Im Speziellen wurden die Teststücke mit Proben gegossen, die die in Tabelle 1B gezeigten Zusammensetzungen aufweisen, und wurden wärmebehandelt unter Erwärmungsbedingungen, wie sie in Tabelle 2B gezeigt sind. Im Speziellen lagen die Vergleichsbeispiele 16 bis 18 außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung aufgrund dessen, dass die Erwärmungstemperaturen auf mehr als 800 °C (im Speziellen 810 °C) festgesetzt waren.
Vergleichsbeispiele 19 bis 21

Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 wurden Teststücke der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse hergestellt. Im Speziellen wurden die Teststücke mit Proben gegossen, die die in Tabelle 1B gezeigten Zusammensetzungen aufweisen, und wurden wärmebehandelt unter Erwärmungsbedingungen, wie sie in Tabelle 2B gezeigt sind. Im Speziellen lagen die Vergleichsbeispiele 19 bis 21 außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung aufgrund dessen, dass die Erwärmungstemperaturen auf weniger als 700 °C (im Speziellen 690 °C) festgesetzt waren. Tabelle 1A

(Masse-%)	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	N	Cu	Fe
Beispiel 1	0,1	1,0	0,5	0,020	0,05	14	9	0,10	0	Rest
Beispiel 2	0,1	1,0	0,5	0,020	0,05	14	9	0,10	0	Rest
Beispiel 3	0,1	1,0	0,5	0,020	0,05	14	9	0,10	0	Rest
Beispiel 4	0,3	2,0	1,0	0,019	0,20	17	12	0,15	0	Rest
Beispiel 5	0,3	2,0	1,0	0,019	0,10	17	12	0,15	0	Rest
Beispiel 6	0,3	2,0	1,0	0,019	0,10	17	12	0,15	0	Rest
Beispiel 7	0,6	2,0	1,5	0,019	0,30	20	14	0,20	0	Rest
Beispiel 8	0,6	2,0	1,5	0,019	0,30	20	14	0,20	0	Rest
Beispiel 9	0,6	2,0	1,5	0,019	0,30	20	14	0,20	0	Rest
Beispiel 10	0,3	3,0	1,0	0,022	0,10	18	16	0,15	0	Rest
Beispiel 11	0,3	2,5	1,0	0,022	0,10	18	16	0,15	0	Rest
Beispiel 12	0,3	2,5	1,0	0,022	0,10	18	16	0,15	0	Rest
Beispiel 13	0,3	2,5	1,0	0,022	0,10	18	16	0,15	1	Rest
Beispiel 14	0,3	2,5	1,0	0,022	0,10	18	16	0,15	3	Rest

Tabelle 1B

(Masse-%)	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	N	Cu	Fe
Vergleichsbeispiel 1	0,2	1,0	0,5	0,020	0,10	17	9	0,10	0	Rest
Vergleichsbeispiel 2	0,2	3,0	0,5	0,020	0,10	17	9	0,10	0	Rest
Vergleichsbeispiel 3	0,2	3,0	1,0	0,019	0,10	19	12	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 4	0,2	3,0	1,5	0,019	0,30	20	14	0,20	0	Rest
Vergleichsbeispiel 5	0,2	3,0	1,0	0,022	0,30	18	16	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 6	0,6	2,0	1,0	0,021	0,05	18	5	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 7	0,6	2,0	1,0	0,021	0,05	18	5	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 8	0,6	2,0	1,0	0,021	0,05	18	5	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 9	0,3	2,0	1,0	0,019	0,10	20	8	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 10	0,3	2,0	1,0	0,019	0,10	20	8	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 11	0,3	2,0	1,0	0,019	0,10	18	8	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 12	0,3	2,0	1,0	0,019	0,10	18	17	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 13	0,3	2,0	1,0	0,019	0,10	18	17	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 14	0,3	2,0	1,0	0,019	0,10	18	17	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 15	0,3	2,5	1,0	0,022	0,10	18	16	0,15	4	Rest
Vergleichsbeispiel 16	0,1	1,0	0,5	0,020	0,05	14	9	0,10	0	Rest
Vergleichsbeispiel 17	0,1	1,0	0,5	0,020	0,05	14	9	0,10	0	Rest
Vergleichsbeispiel 18	0,1	1,0	0,5	0,020	0,05	14	9	0,10	0	Rest
Vergleichsbeispiel 19	0,3	3,0	1,0	0,022	0,10	18	16	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 20	0,3	2,5	1,0	0,022	0,10	18	16	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 21	0,3	2,5	1,0	0,022	0,10	18	16	0,15	0	Rest

Tabelle 2A

	Erwärmungszeitraum (h)	Erwärmungstemperatur (°C)	Ferritflächenverhältnis (%)	Wärmeausdehnungskoeffizient (1/K)	Zugfestigkeit (MPa)	Ermüdungsbeständigkeit (Anzahl)
Beispiel 1	20	700, 800	10	16,0	110	240
Beispiel 2	50	700, 800	10	16,0	111	242
Beispiel 3	300	700, 800	10	16,0	111	242
Beispiel 4	20	700, 800	7	16,0	115	240
Beispiel 5	50	700, 800	7	16,1	114	241
Beispiel 6	300	700, 800	7	16,1	114	240
Beispiel 7	20	700, 800	4	16,1	111	245
Beispiel 8	50	700, 800	4	16,2	112	248
Beispiel 9	300	700, 800	4	16,2	112	247
Beispiel 10	20	700, 800	1	16,2	113	237
Beispiel 11	50	700, 800	1	16,2	115	238
Beispiel 12	300	700, 800	1	16,2	115	237
Beispiel 13	20	700, 800	1	16,0	140	290
Beispiel 14	20	700, 800	1	16,1	142	295

Tabelle 2B

	Erwärmungszeitraum (h)	Erwärmungstemperatur (°C)	Ferritflächen verhältnis (%)	Wärmeausdehnungskoeffizient (1/K)	Zugfestigkeit (MPa)	Ermüdungsbeständigkeit (Anzahl)
Vergleichsbeispiel 1	10	700, 800	0	19,5	110	190
Vergleichsbeispiel 2	19	700, 800	0	19,5	111	186
Vergleichsbeispiel 3	19	700, 800	0	19,8	115	191
Vergleichsbeispiel 4	19	700, 800	0	20,0	111	192
Vergleichsbeispiel 5	19	700, 800	0	20,5	113	190
Vergleichsbeispiel 6	10	700, 800	20	13,0	30	80
Vergleichsbeispiel 7	20	700, 800	20	13,0	30	80
Vergleichsbeispiel 8	300	700, 800	20	13,0	30	80
Vergleichsbeispiel 9	10	700, 800	11	13,1	50	100
Vergleichsbeispiel 10	20	700, 800	11	13,1	50	100
Vergleichsbeispiel 11	300	700, 800	11	13,1	50	100
Vergleichsbeispiel 12	10	700, 800	0	19,5	115	195
Vergleichsbeispiel 13	20	700, 800	0	19,6	116	196
Vergleichsbeispiel 14	300	700, 800	0	19,8	115	196
Vergleichsbeispiel 15	20	700, 800	0	20,0	140	194
Vergleichsbeispiel 16	20	810	11	13,0	51	101
Vergleichsbeispiel 17	50	810	11	13,1	50	101
Vergleichsbeispiel 18	300	810	11	13,1	52	100
Vergleichsbeispiel 19	20	690	0	19,8	116	195
Vergleichsbeispiel 20	50	690	0	19,7	116	195
Vergleichsbeispiel 21	300	690	0	19,8	115	196

Strukturbeobachtung und Messung des Ferritflächenverhältnisses
Die Struktur von jedem der Teststücke der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 14 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 21 wurde mittels eines Electron Back Scatter Diffraction-Verfahrens (EBDS-Verfahren) (Elektronenrückstreuungsbeugungsverfahren) beobachtet und wurde davon ein Ferritflächenverhältnis gemessen. Das Ferritflächenverhältnis wurde mittels Bildverarbeitung berechnet. Das Ferritflächenverhältnis ist ein Verhältnis einer Fläche, die durch Ferrit besetzt ist, in Bezug auf eine Fläche der Gesamtstruktur (des gesamten Blickfelds) in einem rechteckigen Beobachtungsfeld von 30 µm × 30 µm. Die Ergebnisse davon sind in den Tabellen 2A und 2B gezeigt. Da bei den Beispielen 1 bis 14 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 15 bei den Erwärmungstemperaturen von 700 °C und 800 °C kaum Unterschiede festzustellen waren, wurden in den Tabellen 2A und 2B Mittelwerte davon angegeben.
1A ist eine Fotografie der Struktur eines austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses gemäß Beispiel 4, und 1B ist eine Fotografie der Struktur eines austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses gemäß dem Vergleichsbeispiel 6. 2 zeigt eine Beziehung zwischen den Ferritflächenverhältnissen der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse der Beispiele 1 bis 12 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 14 und deren Erwärmungszeiträumen.
Messung des Wärmeausdehnungskoeffizienten
Es wurde der Wärmeausdehnungskoeffizient von jedem der Teststücke der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 14 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 21 gemessen. Im Speziellen wurde der Wärmeausdehnungskoeffizient bei 900 °C unter Verwendung eines Schubstangendilatometers gemessen. Es wurde eine Teststückform mit 6 mm Durchmesser mal 50 mm verwendet, und die Messung wurde unter Vergleich mit der Wärmeausdehnung von Quarzglas durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in den Tabellen 2A und 2B gezeigt. Da bei den Beispielen 1 bis 14 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 15 kaum Unterschiede zwischen den Werten bei den Erwärmungstemperaturen von 700 °C und 800°C gefunden wurden, werden in den Tabellen 2A und 2B deren Mittelwerte gezeigt.
3 zeigt die Messergebnisse der Wärmeausdehnungskoeffizienten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 12 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 14, und 6 zeigt die Messergebnisse der Wärmeausdehnungskoeffizienten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse der Beispiele 12 bis 14 und des Vergleichsbeispiels 15.
Messung der Zugfestigkeit
Die Zugfestigkeitsmessung wurde durchgeführt an Teststücken der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 14 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 21. Im Speziellen wurde der Test gemäß JIS Z2241 und JIS G0567 durchgeführt und wurde die Zugfestigkeit bei einer Temperatur von 900 °C gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in den Tabellen 2A und 2B aufgezeigt.
4 ist ein Diagramm, welches die Messergebnisse der Zugfestigkeiten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 12 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 14 aufzeigt, und 7 ist ein Diagramm, welches die Messergebnisse der Zugfestigkeiten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 12 bis 14 und dem Vergleichsbeispiel 15 aufzeigt. Bei den Beispielen 1 bis 14 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 15 konnte kaum ein Unterschied zwischen den Erwärmungstemperaturen von 700 °C und 800 °C gefunden werden, so dass daher in den Tabellen 2A und 2B die Mittelwerte davon gezeigt werden.
Messung der Wärmeermüdungsbeständigkeit
An jedem der Teststücke der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 14 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 21 wurde ein Wärmeermüdungstest durchgeführt. Bei diesem Wärmeermüdungstest, welcher mit einer Wärmeermüdungstestvorrichtung des Typs mit elektrohydraulischem Servo und unter Verwendung eines Teststücks (Abstand 15 mm; Durchmesser 8 mm) durchgeführt wurde, wurden die Wärmeausdehnung und Elongation des Teststücks gemessen, indem dieses von einem Temperaturmittel zwischen der oberen Grenztemperatur und der unteren Grenztemperatur unter einem 100 %-Beschränkungsverhältnis (ein mechanisch vollständig beschränkter Zustand) erhitzt wurde, und wurden Erwärmungs-Abkühlungs-Zyklen in Dreieckwellenform (untere Grenztemperatur 200 °C, obere Grenztemperatur 900 °C) über eine Dauer von 9 Minuten pro Zyklus wiederholt. Die Wärmeermüdungseigenschaften wurden basierend auf der Anzahl an Zyklen bis zum vollständigen Bruch des Teststücks bewertet. Die erhaltenen Ergebnisse sind in den Tabellen 2A und 2B aufgezeigt. Bei den Beispielen 1 bis 14 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 15 wurde kaum ein Unterschied zwischen den Werten bei der Erwärmungstemperatur von 700 °C und 800 °C gefunden und werden somit in den Tabellen 2A und 2B die Mittelwerte davon gezeigt.
5 ist ein Diagramm, welches die Messergebnisse der Wärmeermüdungsbeständigkeiten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 12 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 14 aufzeigt, und 8 ist ein Diagramm, welches die Messergebnisse der Wärmeermüdungsbeständigkeiten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 12 bis 14 und dem Vergleichsbeispiel 15 aufzeigt.
Ergebnis 1: Ferritphase und Ferritflächenverhältnis
Wie in den Tabellen 2A und 2B und in 2 gezeigt, besaßen die austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 12 Flächenverhältnisse der Ferritphase im Bereich von 1 bis 10 % bezogen auf die Gesamtstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses. Es wird angenommen, dass dies darin begründet ist, dass der Gehalt an Ni auf 9 bis 16 Masse-% festgesetzt war und zur Wärmebehandlung die Bedingungen einer Erwärmungstemperatur von 700 bis 800 °C und eines Erwärmungszeitraums von 20 bis 300 Stunden verwendet wurden.
In einer auf diese Weise erhaltenen Struktur, wie sie in 1A dargestellt ist, war die Matrixstruktur aufgebaut aus austenitischen Kristallkörnern und war eine Ferritphase zwischen den austenitischen Kristallkörnern verteilt und eingelagert, um die austenitischen Kristallkörner zu bedecken.
Demgegenüber wurde in den austenitischen hitzebeständigen Stahlgüssen gemäß den Vergleichsbeispielen 1 bis 5 (Erwärmungszeitraum weniger als 20 Stunden) und den Vergleichsbeispielen 12 bis 14 (Zugabemenge von Ni mehr als 16 Masse-%) keine Ferritphase gebildet. Ferner überstiegen in den austenitischen hitzebeständigen Stahlgüssen gemäß den Vergleichsbeispielen 6 bis 11 (Zugabemenge an Ni weniger als 9 Masse-%) die Flächenverhältnisse der Ferritphase 10 %. Zudem wurden als Kristallkörner sowohl austenitische Kristallkörner wie auch Ferritkristallkörner gebildet.
Ferner besaßen, wie in den Tabellen 2A und 2B gezeigt, austenitische hitzebeständige Stahlgüsse gemäß den Vergleichsbeispielen 16 bis 18 (Erwärmungstemperatur höher als 800 °C) ein Flächenverhältnis der Ferritphase von mehr als 10 %. Die austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Vergleichsbeispielen 19 bis 21 (Erwärmungstemperatur weniger als 700 °C) besaßen ein Flächenverhältnis der Ferritphase von weniger als 1 %.
Ergebnis 2: Wärmeausdehnungskoeffizient
Wie in 3 gezeigt, sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 12 geringer als die der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 12 bis 14 und höher als die der Vergleichsbeispiele 6 bis 11. Das heißt, die Wärmeausdehnungskoeffizienten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 12 wiesen Werte zwischen denen der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 12 bis 14 und denen der Vergleichsbeispiele 6 bis 11 auf.
Ferner sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 14 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 21 in den Tabellen 2A und 2B aufgezeigt. Aus 3 und den Tabellen 2A und 2B ist ersichtlich, dass die Ferritflächenverhältnisse der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 14 im Bereich von 1 bis 10 % liegen, dass die Ferritflächenverhältnisse der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Vergleichsbeispielen 1 bis 5, den Vergleichsbeispielen 12 bis 15 und den Vergleichsbeispielen 19 bis 21 weniger als 1 % betragen und dass die Ferritflächenverhältnisse der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Vergleichsbeispielen 6 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 16 bis 18 10 % übersteigen. Es wird angenommen, dass dies darin begründet ist, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses von dem Ferritflächenverhältnis abhängt.
Das heißt, es wird angenommen, dass je höher die Belegungsrate der Ferritphase eines austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses ist, desto geringer der Wärmeausdehnungskoeffizient des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses ist. Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses geringer wird, ist die Wärmeausdehnung unterdrückt und neigt dazu, vorteilhaft in Bezug auf die Wärmeermüdungseigenschaften zu sein.
Ergebnis 3: Zugfestigkeit
Wie in 4 und den Tabellen 2A und 2B gezeigt, waren die Zugfestigkeiten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 12 auf demselben Niveau wie die der Vergleichsbeispiele 1 bis 5, der Vergleichsbeispiele 12 bis 14 und der Vergleichsbeispiele 19 bis 21 und waren höher als die der Vergleichsbeispiele 6 bis 11 und der Vergleichsbeispiele 16 bis 18. Die Zugfestigkeiten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 14 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 21 sind ferner in den Tabellen 2A und 2B aufgezeigt. Die Ursache, weswegen die Zugfestigkeiten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Vergleichsbeispielen 6 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 16 bis 18 geringer waren als die der anderen, wird darin gesehen, dass in dem austenitischen hitzebeständigen Stahlguss Ferritkristallkörner erzeugt wurden.
Demgegenüber wird angenommen, dass bedingt dadurch, dass in den austenitischen hitzebeständigen Stahlgüssen gemäß den Beispielen 1 bis 12 eine Ferritphase zwischen den austenitischen Kristallkörnern verteilt und eingelagert ist, um so die austenitischen Kristallkörner zu bedecken (in der Umgebung der Korngrenzen der austenitischen Kristallkörner ist eine Ferritphase ausgebildet), sichergestellt ist, dass die Zugfestigkeiten auf demselben Niveau sind wie diejenigen der Vergleichsbeispiele 1 bis 5, der Vergleichsbeispiele 12 bis 14 und der Vergleichsbeispiele 19 bis 21.
Ergebnis 4: Wärmeermüdungseigenschaften
Wie in 5 gezeigt, waren die Ermüdungsbeständigkeiten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 12 länger als die der anderen Vergleichsbeispiele. In den Tabellen 2A und 2B sind ferner die Ermüdungsbeständigkeiten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen1 bis 14 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 21 aufgezeigt. Anhand von 5 und den Tabellen 2A und 2B wird angenommen, dass aufgrund der Tatsache, dass in dem Fall der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Vergleichsbeispielen 1 bis 5, den Vergleichsbeispielen 12 bis 15 und den Vergleichsbeispielen 19 bis 21 die Zugfestigkeiten davon auf demselben Niveau waren wie die der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 12, die Wärmeausdehnungskoeffizienten davon jedoch höher waren als die der Beispiele 1 bis 12 und deren Wärmeermüdungsbeständigkeiten geringer wurden als die der Beispiele 1 bis 12.
In dem Fall der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Vergleichsbeispielen 6 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 16 bis 18 wird demgegenüber angenommen, dass aufgrund der Tatsache, dass deren Zugfestigkeiten drastisch geringer waren als die der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 1 bis 12, die Wärmeermüdungsbeständigkeiten geringer wurden als die der Beispiele 1 bis 12.
Ergebnis 5: Effekt, wenn ferner Cu zugegeben wird
Wie in 6 gezeigt, sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 12 bis 14 geringer als die des Vergleichsbeispiels 15. Es wird angenommen, dass aufgrund der Tatsache, dass in Vergleichsbeispiel 15 der Gehalt an Cu 3 Masse-% übersteigt, keine Ferritphase erzeugt wird und die Wärmeausdehnung des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses stark erhöht ist.
Wie in 7 gezeigt, waren die Zugfestigkeiten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 13 und 14 und dem Vergleichsbeispiel 15 höher als die des Beispiels 12. Es wird angenommen, dass dies darin begründet ist, dass Cu in den austenitischen Kristallkörnern des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses gelöst ist.
Wie in 8 gezeigt, waren die Ermüdungsbeständigkeiten der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse gemäß den Beispielen 13 und 14 länger als die des Beispiels 12 und des Vergleichsbeispiels 15. Es wird angenommen, dass dies darin begründet ist, dass durch eine Zugabe von 1,0 bis 3,0 Masse-% an Cu die Zugfestigkeit des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses verbessert war.
Beispiele 15 bis 18
Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 wurden Teststücke des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses hergestellt. Im Speziellen wurden Teststücke gegossen unter Verwendung von Proben mit den in Tabelle 3 gezeigten Komponenten und wurden wärmebehandelt unter den in Tabelle 4 gezeigten Bedingungen. Dabei wurde als eine Gussform für den nachfolgend beschriebenen Test der maschinellen Bearbeitbarkeit eine Gussform angewendet, mit der es möglich war, ein Rohmaterial von 20 mm × 40 mm × 2200 mm zu erhalten.
Darüber hinaus entspricht Beispiel 15 dem Beispiel 1 aus Tabelle 1, entspricht Beispiel 16 dem Beispiel 13 aus Tabelle 1, entspricht Beispiel 17 dem Beispiel 14 aus Tabelle 1 und entspricht Beispiel 18 dem Beispiel 7 aus Tabelle 1. Als die Messergebnisse des Ferritflächenverhältnisses und der Wärmeermüdungsbeständigkeit wurden die Ergebnisse der oben beschriebenen entsprechenden Beispiele (siehe Tabelle 1) übernommen und in Tabelle 4 und 10 aufgezeigt.
Test der maschinellen Bearbeitbarkeit
Der Test der maschinellen Bearbeitbarkeit wurde durchgeführt an Teststücken gemäß den Beispielen 15 bis 18. Im Speziellen wurde, wie in 9 gezeigt, eine Fräsmaschine eingestellt auf eine Umdrehungsgeschwindigkeit von 20 mm/min, eine Vorschubgeschwindigkeit von 0,2 mm/Umdrehung und eine Bearbeitungszugabe von 1,0 mm und wurde die Anzahl, wie oft eine Fläche von 40 mm × 220 mm maschinell bearbeitet wurde, als eine Bahn genommen. Dabei wurde als Bewertung der maschinellen Bearbeitbarkeit (Drehbearbeitbarkeit) eine Freiflächenverschleißmenge einer Fräsmaschine in der Anzahl an Werkstücken (150 Bahnen als maximale Bahnen) gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in 11 aufgezeigt.
11 ist ein Diagramm, welches die Ergebnisse der Flankenverschleißmenge einer Fräsmaschine im Zuge einer Erhöhung der Anzahl der Bearbeitungsbahnen aufzeigt. In den Beispielen 15 bis 18 waren die Werte bei Erwärmungstemperaturen von 700 °C und 800 °C kaum voneinander verschieden. Daher sind in 11 Mittelwerte dieser Ergebnisse gezeigt. Die Fälle, bei denen die Freiflächenverschleißmenge bei einer Anzahl von 100 Bahnen 0,1 mm oder weniger betrug, wurden in Tabelle 4 ferner mit „OK“ bezeichnet, und die Fälle, bei denen die Freiflächenverschleißmenge 0,1 mm überstieg, wurden mit „nicht bestanden“ bezeichnet.
Vergleichsbeispiele 22 bis 26
Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 wurden Teststücke aus austenitischen hitzebeständigen Stahlgüssen hergestellt. Im Speziellen wurden die Teststücke mit Proben gegossen, die die in Tabelle 3 gezeigten Komponenten aufweisen, und wurden unter den in Tabelle 4 gezeigten Erwärmungsbedingungen wärmebehandelt. Insbesondere die Vergleichsbeispiele 22 bis 24 lagen außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung aufgrund dessen, dass die Zugabemenge an S auf weniger als 0,05 Masse-% festgesetzt war, und die Vergleichsbeispiele 25 und 26 lagen außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung aufgrund dessen, dass die Zugabemenge an S auf mehr als 0,3 Masse-% festgesetzt war.

Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 wurden die Ferritflächenverhältnisse und die Wärmeermüdungseigenschaften der Teststücke der Vergleichsbeispiele 22 bis 26 gemessen. Ferner wurde an den Teststücken der Vergleichsbeispiele 22 bis 26 derselbe Test der maschinellen Bearbeitbarkeit durchgeführt wie bei den Beispielen 15 bis 18. Tabelle 3

(Masse-%)	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	N	Cu	Fe
Beispiel 15	0,1	1,0	0,5	0,020	0,05	14	9	0,10	0	Rest
Beispiel 16	0,3	2,5	1,0	0,022	0,10	18	16	0,15	1	Rest
Beispiel 17	0,3	2,0	1,0	0,019	0,20	17	12	0,15	0	Rest
Beispiel 18	0,6	2,0	1,5	0,019	0,30	20	14	0,20	0	Rest
Vergleichsbeispiel 22	0,1	1,0	0,5	0,020	0,01	20	14	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 23	0,1	2,0	0,5	0,020	0,02	20	14	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 24	0,2	2,0	1,0	0,022	0,04	18	16	0,15	0	Rest
Vergleichsbeispiel 25	0,4	2,5	1,0	0,022	0,32	18	16	0,20	0	Rest
Vergleichsbeispiel 26	0,6	3,0	1,5	0,022	0,40	14	9	0,10	0	Rest

Tabelle 4

	Erwärmungs zeitraum (h)	Erwärmungstemperatur (°C)	Ferritflächenverhältnis (%)	Ermüdungsbeständigkeit (h)	Maschinelle Bearbeitbarkeit Bewertung der Drehbearbeitbarkeit (Freiflächenverschleißmenge) 0,01 mm oder weniger bei 100 Bahnen der Werkstücke
Beispiel 15	20	700, 800	10	240	OK
Beispiel 16	20	700, 800	1	290	OK
Beispiel 17	20	700, 800	7	240	OK
Beispiel 18	20	700, 800	4	245	OK
Vergleichsbeispiel 22	20	700, 800	5	290	nicht bestanden
Vergleichsbeispiel 23	20	700, 800	5	280	nicht bestanden
Vergleichsbeispiel 24	20	700, 800	1	270	nicht bestanden
Vergleichsbeispiel 25	20	700, 800	1	80	OK
Vergleichsbeispiel 26	20	700, 800	8	40	OK

Ergebnis 6: Effekt der Zugabe von S
Wie in 10 gezeigt, verschlechterte sich die Wärmeermüdungsbeständigkeit rapide, wenn die Zugabemenge an S 0,3 Masse-% überstieg, wie in den Vergleichsbeispielen 25 und 26. Es wird angenommen, dass, wenn die Zugabemenge an S 0,3 Masse-% übersteigt, S in einer Majoritätsphase gelöst ist.
Wenn demgegenüber, wie in 11 gezeigt, die Zugabemenge an S weniger als 0,05 Masse-% war, wie in den Vergleichsbeispielen 22 bis 24, war die Freiflächenverschleißmenge der Fräsmaschine groß und war die maschinelle Bearbeitbarkeit der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse verschlechtert. Es wird angenommen, dass der Effekt einer guten maschinellen Bearbeitbarkeit aufgrund von in dem austenitischen hitzebeständigen Stahlguss enthaltenem MnS nicht in ausreichendem Maße erhalten werden kann, wenn die Zugabemenge an S weniger als 0,5 Masse-% beträgt.
Anhand derartiger Ergebnisse wird angenommen, dass, wenn in den austenitischen hitzebeständigen Stahlgüssen gemäß den Ausführungsformen die Zugabemenge an S auf 0,05 bis 0,3 Masse-% festgesetzt ist, die maschinelle Bearbeitbarkeit der austenitischen hitzebeständigen Stahlgüsse verbessert werden kann und die Wärmeermüdungseigenschaften an einer Verschlechterung gehindert werden können.
Vorstehend wurden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und lässt verschiedene Gestaltungsänderungen zu.

Claims

Austenitischer hitzebeständiger Stahlguss, bestehend aus: 0,1 bis 0,6 % Masse-% an C, 1,0 bis 3,0 Masse-% an Si, 0,5 bis 1,5 Masse-% an Mn, 0,05 Masse-% oder weniger an P, 0,05 bis 0,30 Masse-% an S, 14 bis 20 Masse-% an Cr, 9 bis 16 Masse-% an Ni, 0,10 bis 0,20 Masse-% an N, optional 1,0 bis 3,0 Masse-% an Cu und als dem Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei eine Matrixstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses aufgebaut ist aus austenitischen Kristallkörnern, eine Ferritphase zwischen den austenitischen Kristallkörnern verteilt und eingelagert ist, um so die austenitischen Kristallkörner zu bedecken, und ein Flächenverhältnis der Ferritphase im Bereich von 1 bis 10 % bezogen auf die Gesamtstruktur des austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses liegt.
Verfahren zur Herstellung eines austenitischen hitzebeständigen Stahlgusses, umfassend die Schritte: Gießen eines Stahlgusses aus einem geschmolzenen Metall, das besteht aus 0,1 bis 0,6 Masse-% an C, 1,0 bis 3,0 Masse-% an Si, 0,5 bis 1,5 Masse-% an Mn, 0,05 Masse-% oder weniger an P, 0,05 bis 0,3 Masse-% an S, 14 bis 20 Masse-% an Cr, 9 bis 16 Masse-% an Ni, 0,1 bis 0,2 Masse-% an N, optional 1,0 bis 3,0 Masse-% an Cu und als dem Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen; und Wärmebehandeln des Stahlgusses unter Erwärmungsbedingungen einer Erwärmungstemperatur von 700 °C bis 800 °C und eines Erwärmungszeitraums von 20 bis 300 Stunden.