DE112014002442B4

DE112014002442B4 - Gusseisen hoher Stärke und hoher Dämpfungsfähigkeit

Info

Publication number: DE112014002442B4
Application number: DE112014002442.2T
Authority: DE
Inventors: Ryousuke Fujimoto; Takumi HAREYAMA
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: US20160053351A1; US10077488B2; JP6131322B2; KR20160006221A; WO2014185455A1; JPWO2014185455A1; KR101727426B1; DE112014002442T5

Abstract

Gusseisen mit hoher Festigkeit und hoher Dämpfungseigenschaft, erhalten durch ein Verfahren, umfassend das Durchführen einer Graphit-Sphäroidisierbehandlung mit einem geschmolzenem Metall, wobei das Gusseisen aus
2-4 % C,
1-5 % Si,
0,2-0,9 % Mn,
≤ 0,1 % P,
≤ 0,1 % S,
4,8-6,0 % Al,
0-1 % Sb,
0-0,5 % Sn,
0,02-0,10 % Mg,
0,001-0,500 % RE, bestehend aus Ce und/oder La in beliebigem Verhältnis,
Fe als Rest und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und
wobei das Gusseisen zumindest eines der Elemente, ausgewählt aus 0,2-1 % Sb und 0,1-0,5 % Sn, enthält.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft ein Gusseisen mit hoher Festigkeit und hoher Dämpfungseigenschaft, das eine hohe Festigkeit/Stärke und hohe Vibrations-Dämpfungseigenschaft hat.
Hintergrund
Gegenwärtig ist ein Rauschen eine größere Ursache für Beschwerden für sieben Hauptarten von Verschmutzung, d.h., Luftverschmutzung, Wasserverschmutzung, Bodenverschmutzung, Vibration, Geräusche, Erdsenkungen und schlechter Geruch. Bei den Klagen bezüglich Geräuschen macht Lärm wegen Bauarbeiten einen hohen Anteil aus. Da Klagen wie diese sich auf Stadtflächen konzentrieren, ist es unbedingt notwendig, die Geräusche von Stadtmaschinen zu reduzieren. Weil die Umweltfreundlichkeit weltweit angesehen wird, werden die EU-Geräuschregulierungen, umfassend die Verkaufsregulierungen, zunehmend strikter. Als solches kann die Geräuschreduzierung nicht die Verstärkung von Geräuschreduzierungen durch Erstrecken existierenden Technologien ersetzen. Es gibt eine Tendenz, Fahrzeuge mit geringem Geräuschpegel als weltweiten Standard für Fahrzeuge anzusehen, um hier dem globalen Trend nachzukommen, die Umweltfreundlichkeit als wichtig anzusehen. Konstruktionsmaschinen müssen bereits den Lärm in einem solchen Ausmaß wie bei den Automobilen reduzieren, und Versuche wurden durchgeführt, um den Lärm von Maschinenlüftern, Schalldämpfern und dergleichen zuverlässig zu reduzieren. Die Lärmreduktion des gesamten hydraulischen Systems muss behandelt werden.
Um die Lärmreduktion eines hydraulischen Systems zu erzielen, kann angenommen werden, dass ein Material für schwere hydraulische Maschinenteile eine Vibrationsdämpfungsleistung ausübt. Jedoch hat Gusseisen aus schuppigem Graphit, das eine Vibrationsdämpfungsleistung (Geräusch-reduzierende Wirkung) entfaltet, eine zu niedrige Festigkeit für die Anwendung bei hydraulischen schweren Maschinenteilen, die aus Gusseisen erzeugt sind. Daher ist ein Material notwendig mit einer Stärke oder Festigkeit, die für die von konventionell verwendetem spheroidalem Graphit-Gusseisen relevant ist.
Mehr spezifisch wird in schweren hydraulischen Maschinenteilen ein Lärm bei einem Steuerventil, Motorabdeckung oder dergleichen erzeugt, und dieser Lärm wird verhältnismäßig auffallend, wenn der Maschinenlärm der schweren Maschine vermindert wird. Alle solche Teile sind aus spheroidalem Graphit-Gusseisen oder CV (Compacted Vermicular)-Graphit-Gusseisen erzeugt, und deren Festigkeiten sind 400-500 MPa. Im Gegensatz dazu ist es schwierig, eine Festigkeit von ≥ 350 MPa für schüppchenförmiges Graphit-Gusseisen zu erzielen.
JP-A-2008-223135 und JP-A-2009-287103 beschreiben Gusseisen mit hoher Steifigkeit und hoher Dämpfungseigenschaft mit hohen Vibrationsdämpfungseigenschaften. Das Gusseisen ist jedoch schüppchenförmiges Gusseisen und daher ist seine Festigkeit unzureichend.
JP-A-2002-146468 beschreibt Gusseisen, umfassend feinkörniges Graphit, das erhalten wird durch Zugabe einer Seltenerd-Si-Eisenlegierung. Dieses Gusseisen, das in JP-A-2002-146468 beschrieben ist, ist relevant für FC200-Klassen-Gusseisen, worin die Vibrationsdämpfungseigenschaft verbessert wurde, ohne die Festigkeit zu vermindern. Jedoch ist die Festigkeit dieses Gusseisens nur etwa wie von FC200.
JP-A-2001-200330 beschreibt ein Gusseisenmaterial, das eine ausgezeichnete Vibrationsdämpfungseigenschaft entfaltet, indem es feine Poren zusätzlich zu schüppchenförmigem Graphit enthält. Mit diesem Gusseisenmaterial kann die Vibrationsdämpfungseigenschaft verbessert werden durch Erhöhung der Porosität in einer Basisstruktur. Als Konsequenz vermindert sich die Festigkeit, wenn sich die Porosität erhöht.
Das Ziel von JP-A-2000-104138 liegt darin, ein Gusseisenmaterial mit ausgezeichneter Vibrationsdämpfungseigenschaft und Festigkeit zu erzielen. Dieses Dokument beschreibt, dass die Vibrationsdämpfungseigenschaft erhöht wird durch Dispergieren von Steadit zusammen mit schüppchenförmigem Graphit.
Keines der Gusseisen mit hoher Dämpfungseigenschaft, beschrieben in den oben genannten Patentdokumenten, hat eine Festigkeit von ≥ 400 MPa, was für schwere hydraulische Maschinenteile von Konstruktionsmaschinen jedoch erforderlich ist.
Offenbarung der Erfindung
Ein Ziel dieser Erfindung liegt darin, ein Gusseisen mit hoher Festigkeit und hoher Dämpfungseigenschaft mit sowohl einer hohen Festigkeit als auch einer hohen Vibrationsdämpfungseigenschaft anzugeben.
Das erfindungsgemässe Gusseisen mit hoher Festigkeit und hoher Dämpfungseigenschaft ist dadurch gekennzeichnet, dass es erhalten wird durch ein Verfahren, umfassend das Durchführen einer Graphit-Sphäroidisierbehandlung mit einem geschmolzenem Metall, und besteht aus
2-4 % C,
1-5 % Si,
0,2-0,9 % Mn,
≤ 0,1 % P,
≤ 0,1 % S,
4,8-6,0 % Al,
0-1 % Sb,
0-0,5 % Sn,
0,02-0,10 % Mg,
0,001-0,500 % RE, bestehend aus Ce und/oder La in beliebigem Verhältnis,
Fe als Rest und unvermeidbaren Verunreinigungen,
wobei das Gusseisen zumindest eines der Elemente, ausgewählt aus 0,2-1 % Sb und 0,1-0,5 % Sn, enthält.
Hierin bedeutet % Gew.% (oder Masse%). Ebenfalls bedeutet RE Seltenerdelement und besteht aus Ce (Selenium) und/oder La (Lanthan).
In der Herstellung dieses spheroidalen Graphit-Gusseisens werden spheroidales Graphit-Gusseisen und CV-Graphit-Gusseisen erhalten durch Spheroidisieren von Graphit durch eine Spherodidisierungsbehandlung. Als Graphit-Spheroidisierbehandlung ist es möglich, alle bekannten Spheroidisierungsbehandlungen wie eine Behandlung in der Form (Sandwich-Verfahren), ein Stahlverteilerverfahren und ein Drahtbehandlungsverfahren anzuwenden. Beispielsweise wird in dem Verfahren in der Form, das allgemein häufig verwendet wird, die Graphit-Spheroidisierungsbehandlung durchgeführt. Zunächst wird eine Reaktionsrille (Tasche) an einem Bodenbereich einer Pfanne mit einem Spheroidisiermittel befüllt und vollständig mit einem Abdeckmittel (Eisenschrott, Fe-Si oder dergleichen) bedeckt. Danach die Spheroidisierbehandlung durchgeführt, indem geschmolzenes Metall bei 1.400-1.500°C in diese Pfanne gegossen wird. Bei dieser Spheroidisierbehandlung kann allgemeines Spheroidisierungsmittel, umfassend Mg und RE (Ce, La), verwendet werden.
Ebenso kann die Festigkeit erhöht werden durch Zugabe eines Impfmittels, umfassend 0-0,01 % Ca und/oder 0-0,01 % Ba zu dem geschmolzenen Metall.
Weiterhin kann die Basisstruktur ebenfalls modifiziert und durch Wärmebehandlung (Abschrecken, Normalisieren oder Vergüten bei ≥ 900°C gleichmäßig gemacht werden. Als Ergebnis dieser Wärmebehandlung kann die Vibrationsdämpfungsleistung von spheroidalem Graphit-Gusseisen weiter verbessert werden.
Figurenliste

1 ist eine Strukturfotografie von mit Al-versetztem spheroidalem Graphit-Gusseisen gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
2 ist eine Strukturfotografie von konventionellem, mit Al versetztem schüppchenförmigem Graphit-Gusseisen.
3 ist eine Strukturfotografie von Al-versetztem spheroidalem Graphit-Gusseisen gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung, bei dem die Vergütung nicht durchgeführt ist.
4 ist eine Strukturfotografie von Al-versetztem spheroidalem Graphit-Gusseisen gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung, die bei 1.000°C vergütet ist.
5 ist eine schematische Perspektivansicht einer Kolbenpumpe.

Detaillierte Beschreibung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung kann sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Vibrationsdämpfungseigenschaft beim Gusseisen erzielt werden. Zusätzlich kann die Verbesserungswirkung für die Vibrationsdämpfungseigenschaft stabilisiert werden durch Durchführen einer Wärmebehandlung. Mehr spezifisch ist es möglich, Gusseisen mit hoher Festigkeit und hoher Dämpfungseigenschaft zu erhalten, das eine hohe Festigkeit erzielt, während eine Vibrationsdämpfungseigenschaft in etwa in gleichem Ausmaß wie bei einem konventionellen schüppchenförmigen Graphit-Gusseisen vorliegt, das eine ausgezeichnete Vibrationsdämpfungseigenschaft hat. Dieses Ausführungsbeispiel ergibt mit Al-versetztes spheroidales Graphit-Gusseisen mit hoher Festigkeit und hoher Dämpfungseigenschaft, das erhalten wird durch Gießen von Gusseisen mit der oben beschriebenen Zusammensetzung unter Verwendung eines Verfahrens, umfassend eine Graphit-Spheroidisierungsbehandlung. Dieses Al-versetzte spheroidale Graphit-Gusseisen hat beispielsweise eine Basisstruktur, die in einer Strukturfotografie von 1 gezeigt ist.
Die Steuerung der Graphitform ist essentiell für die Erhöhung der Festigkeit. Es ist notwendig, die Bildung von schüppchenförmigem Graphit zu unterdrücken, das eine Verminderung der Festigkeit verursacht, so dass Graphit innerhalb von Gusseisen spheroidales Graphit oder spheroidales Graphit + CV-Graphit werden würde. In 1 zeigen die schwarzen kreisförmigen Bereiche spheroidales Graphit (Kugelgraphit) an, und schwarze kleine Bläschen zeigen CV-Graphit an.
Wenn Al (Aluminium) zu Graphit-Gusseisen gegeben wird, wird in der Basisstruktur Fe-Al-Carbid gebildet. Dieses Fe-Al-Carbid erhöht die Vibrationsdämpfungskapazität von Gusseisen. In 1 ist ein grauer Bereich das Fe-Al-Carbid, und es kann bestätigt werden, dass dieses in größerer Menge in Bezug auf eine Ferrit-Basisstruktur (weißer Bereich) erhalten ist. D.h., bei Verwendung als Gusseisenteile, die eine hohe Festigkeit erfordern, beispielsweise schwere hydraulische Maschinenteile, strukturelle Automobilmaterialien oder dergleichen erhöht das Gusseisen gemäß dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung die Dämpfungseigenschaft der Teile oder Materialien. Daher ist es effektiv für die Geräuschunterdrückung. Zusätzlich ist, weil das Gusseisen eine große Menge an Al enthält, dessen Oxidationsresistenz bei hohen Temperaturen vermutlich ausgezeichneter als die von üblichem Gusseisen.
2 zeigt eine Strukturfotografie von mit Al-versetztem schüppchenförmigem Graphit-Gusseisen. Wie Al-versetztes spheroidales Graphit-Gusseisen ist das meiste der Basisstruktur der mit Al-versetztem schüppchenförmigem Graphit-Gusseisen Fe-Al-Carbid. Wie durch den Namen angezeigt, enthält jedoch Al-versetztes schüppchenförmiges Graphit-Gusseisen Graphit, das schüppchenförmig ist. In 2 sind schwarze längliche Bereiche schüppchenförmiges Graphit. Wie in 2 gezeigt ist, besteht schüppchenförmiges Graphit aus kontinuierlich verteilten dünnen Schüppchen. Schüppchenförmiges Graphie induziert eine Aussparungswirkung, weil es eine solche Form hat, und vermindert die mechanische Festigkeit von Gusseisen. Als solches verursacht schüppchenförmiges Graphit eine Festigkeitsverminderung in dem Graphit-Gusseisen, und daher muss Graphit spheroidisiert werden.
In Al-versetztem Graphit-Gusseisen ist, während die Bildung von Fe-Al-carbid durch die Zugabe von Al die Vibrationsdämpfungseigenschaft verbessert, Al ebenfalls ein Element, das die Spheroidisierung von Graphit behindert. Die Al-Zugabemenge ist 4,8-6,0 %. Wenn die Menge von Al, das zum Gusseisen zugegeben wird, graduell erhöht wird, beginnt die Vibrationsdämpfungseigenschaft der Basisstruktur mit einer Verbesserung an dem Punkt, bei dem die Al-Zugabemenge 3 % erreicht. Jedoch wird die Vibrationsdämpfungseigenschaft ziemlich niedriger, wenn die Zugabemenge 7 % übersteigt. Ebenso wird die Spheroidisierung von Graphit verhindert, wenn Al zugegeben wird, und die Festigkeit vermindert sich, wie oben beschrieben. Daher ist eine übermäßige Al-Zugabe nicht bevorzugt.
Die Erfinder dieser Erfindung haben jedoch festgestellt, dass dann, wenn Si (Silicium), Sb (Antimon) oder Sn (Zinn) bei einer angemessenen Menge in Bezug auf Fe-Al-Carbid, das in der Basisstruktur gebildet ist, zugegeben wird, sowohl die Bildung von Fe-Al-Carbid als auch die Spheroidisierung von Graphit gefördert werden kann. Auf der Grundlage dieser Feststellung haben die Erfinder festgestellt, dass durch Zugabe einer angemessenen Menge von Si, Sb oder Sn zu Al-versetztem Graphit-Gusseisen eine erhöhte Festigkeit realisiert werden kann, während eine Vibrationsdämpfungseigenschaft vorhanden ist. D.h., wenn eine angemessene Menge an Si, Sb oder Sn zugegeben wird, verbessern sich die Vibrationsdämpfungseigenschaft und Festigkeit von Al-versetztem Graphit-Gusseisen mit der Zugabe von Al, selbst wenn die Zugabemenge von Al 7 % übersteigt. Wenn die Al-Zugabemenge 10 % übersteigt, gibt es jedoch eine Möglichkeit, dass sich eine intermetallische Fe-Al-Verbindung bildet, was unvorteilhaft ist, weil das Gusseisen sehr spröde wird. Erfindungsgemäß ist die Zugabemenge an Al 4,8-6,0 %.
Der Mechanismus zur Verbesserung der Vibrationsdämpfungseigenschaft von schüppchenförmigem Graphit-Gusseisen durch Zugabe von Al kann erläutert wird durch die Theorie, dass die Verbesserung unter Bildung einer Eisenlegierung erfolgt, worin Al fest gelöst vorliegt, oder durch die Theorie, dass die Verbesserung aufgrund der Bildung von Fe-Al-Carbid erfolgt. In jeder Theorie wird angenommen, dass die Vibrationsdämpfungseigenschaft sich verbessert durch den ferromagnetischen Dämpfungsmechanismus von solchen Substanzen, die durch die Zugabe von Al gebildet sind. Die Vibrationsdämpfungskapazität von Al-versetztem spheroidalem Graphit-Gusseisen gemäß dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird vermutlich verbessert durch den Dämpfungsmechanismus von Fe-Al-Carbid auf gleiche Weise wie in der zuletzt genannten Theorie.
Der Sb-Gehalt wird mit 0-1 % und der Sn-Gehalt mit 0-0,5 % aus dem unten beschriebenen Grund definiert. Selbst wenn weder Sb noch Sn zugegebenen werden, entfaltet Gusseisen eine Vibrationsdämpfungseigenschaft, weil sich Fe-Al-Carbid bildet. Wie oben beschrieben, werden durch die Zugabe von Sb oder Sn eine Festigkeitserhöhungswirkung und Verbesserungswirkung für die Vibrationsdämpfungskapazität durch die Graphit-Spheroidisierung erzielt. Somit wird die Leistung von Gusseisen verbessert. Mit Zunahme der Additionsmengen von Sb und Sn treten Wirkungen zur Verbesserung der Festigkeit und Vibrationsdämpfungseigenschaft auf, wenn die Zugabemenge von Sb etwa 0,2 % ist und die von Sn etwa 0,1 % ist. Die Wirkungen treten besonders signifikant auf, wenn die Zugabemenge von Sb etwa 0,5 % und die von Sn etwa 0,1 % ist. Wenn die Zugabemenge von Sb oder Sn größer wird, vermindern sich die Wirkungen graduell. Wenn Sb 1 % oder Sn 0,5 % übersteigen, wird keine Verbesserungswirkung erhalten. Wenn die Zugabemenge von Sb oder Sn groß ist, tritt ein Mangel, wie eine Schrumpfung, leicht in dem Gusseisen auf. Selbst wenn weder Sb noch Sn zugegeben werden, werden etwa 0,01 % Sb oder Sn als unvermeidbare Komponente in dem Gusseisen enthalten sein. Wenn Sb und Sn absichtlich zugegeben werden, ist daher der Gehalt von Sb normalerweise ≥ 0,01 % und der von Sn ist normalerweise ≥ 0,01 %.
Der Mechanismus der Verbesserungswirkung durch Zugabe von Sb oder Sn wird wie folgt angenommen. Wie oben beschrieben, wird, wenn Al zu Gusseisen gegeben wird, Fe-Al-Carbid durch Reaktion von Eisen, Al und Kohlenstoff gebildet. Weil Fe-Al-Carbid als ferromagnetische Substanz zugegeben wird, entfaltet es einen ferromagnetischen Vibrationsdämpfungsmechanismus. Entsprechend der Forschung dieser Erfinder erhöht sich die Menge von Fe-Al-Carbid, wenn die Zugabemenge von Al erhöht wird. Jedoch hört die Menge von Fe-Al-Carbid auf mit der Erhöhung bei einer Al-Additionsmenge von etwa 6 %. Strikt gesprochen erhöht sich die Bildungsmenge von Fe-Al-Carbid, bis die Al-Additionsmenge 7 % erreicht. Der Anteil der Erhöhung der Menge von Fe-Al-Carbid in Bezug auf die Erhöhung der Al-Zugabemenge ist niedriger, wenn die Al-Zugabemenge 6 % übersteigt im Vergleich zu dem Fall, wenn die Al-Zugabemenge 6 % oder weniger ist. Zusätzlich ist es unvorteilhaft für die Al-Zugabemenge, dass sie in diesem Bereich ist, weil die Basisstruktur sehr hart wird. Wenn Sb oder Sn zugegeben werden, wird eine größere Menge an Fe-Al-Carbid gebildet im Vergleich zu der Zugabe von Al alleine. Als solches wird vermutet, dass die Verbesserungswirkung für die Vibrationsdämpfungseigenschaft auftritt, weil die Menge von Fe-Al-Carbid sich erhöht. Obwohl die Zugabe von Al klobiges Graphit bildet, kann die Addition von Sb oder Sn die Bildung von diesem klobigen Graphit unterdrücken. Wenn die Zugabemenge von Sb oder Sn übermäßig wird, ist die Spheroidisierung von Graphit behindert. Demzufolge werden eine optimale Basisstruktur und optimale Graphitstruktur innerhalb des oben erwähnten Zugabemengenbereiches erzielt.
Gusseisen, das Kugelgraphit und CV-Graphit enthält, hat eine ausgezeichnetere Festigkeit als konventionelles schüppchenförmiges Graphit aus dem folgenden Grund. Bei schüppchenförmigem Graphit-Gusseisen wird eine Kerbwirkung induziert, weil schüppchenförmiges Graphit in der Basisstruktur sowie ein sich kontinuierlich verteilendes dünnes Schüppchen geformt ist. Diese Kerbwirkung verursacht eine Verminderung der mechanischen Festigkeit des schüppchenförmigen Graphit-Gusseisens. Wenn Graphit spheroidisiert wird, geht die kontinuierliche Form von Graphit verloren, und die Kerbwirkung verschwindet. Daher kann bei Gusseisen, bei dem Graphit spheroidisiert ist, die mechanische Festigkeit sichergestellt werden. Insbesondere, wenn das Spheroidisierungsverhältnis, das das Zahlenverhältnis, worin spheroidales Graphit und CV-Graphit, gebildet durch die Spheroidisierung, von dem Graphit, das im Gusseisen enthalten ist, ≥ 40 % ist, tritt eine Verbesserungswirkung für die Gusseisenfestigkeit durch die Spheroidisierung von Graphit auf. Das Spheroidisierungsverhältnis von Graphit, das hierin erwähnt ist, wird durch JIS G 5520 (2001) definiert.
Neben dem oben beschriebenen Al, Sb und Sn enthält das Gusseisen mit hoher Festigkeit und hoher Dämpfungseigenschaft gemäß dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung C, Si, Mn, P, S, Mg und RE (Ce, La).
In dem mit Al versetzten Graphit-Gusseisen hat C Einfluss auf die Bildung von Graphit, und Fe-Al-Carbid und Si hat Einfluss auf die Graphitform. Der Gehalt von C sollte 2-4 % sein, wie bei dem konventionellen spheroidalen Graphit-Gusseisen. Si kann in einer Menge von 1-5 % zugegeben werden. Wenn Al zu Graphit-Gusseisen, das Si enthält, zugegeben wird, wird die Spheroidisierung von Graphit behindert und klobiges Graphit bildet sich. Die Zugabemenge von Si ist bevorzug 1-2 %, weil Si die Bildung von klobigem Graphit verursacht. Wenn die Zugabemenge von Si ≤ 1,0 % ist, ist dies nicht bevorzugt, weil Gusseisen leicht schrumpft.
Der Gehalt an Mn sollte 0,2-0,9 % sein, wie bei dem konventionellen spheroidalen Graphit-Gusseisen. Bei einem Mn-Gehalt von ≥ 0,2 % erhöhen sich die Festigkeit und Härte von Gusseisen. Wenn auf der anderen Seite der Gehalt von Mn 0,9 % übersteigt, bildet sich großes massiges Zementit in einem endgültigen verfestigten Bereich, und daher vermindern sich die mechanischen Eigenschaften.
Der Gehalt an P sollte auf ≤ 0,1 % wie bei dem konventionellen spheroidalen Graphit-Gusseisen eingestellt werden. Der Grund hierfür liegt darin, dass dann, wenn der Gehalt von P 0,1 % übersteigt, P mit Eisen reagiert und Steadit bildet, das eine harte Verbindung ist, wodurch Gusseisen spröde gemacht wird.
Der Gehalt an S sollte auf ≤ 0,1 % wie bei dem konventionellen spheroidalen Graphit-Gusseisen eingestellt werden. Der Grund hierfür ist, dass, wenn der S-Gehalt 0,1 % übersteigt, es die Graphit-Spheroidisierung behindert und eine Verminderung der Festigkeit verursacht.
Die Zugabemenge von Mg sollte 0,02-0,10 % sein, weil bei diesem Wert eine Spheroidisierung möglich wird. Eine Mg-Zugabemenge von ≥ 0,10 % ist unpraktisch, weil die Spheroidisierung von Graphit behindert wird, und die Reaktion während des Gießens wird violent.
Obwohl Kugelgraphit gebildet wird, selbst wenn kein RE (Ce, La) zugegeben wird, bildet sich RE als Nukleus für die Graphitbildung, und somit sollte die Zugabemenge 0,001-0,500 % sein. Bei einer Zugabemenge von ≤ 0,001 % vermindert sich das Spheroidisierungsverhältnis von Graphit, und bei einer Zugabemenge von ≥ 0,050 %, wird die Bildung von klobigem Graphit in einem dicken Grußprodukt gefördert. Daher ist die Zugabemenge bevorzugt 0,001-0,50%. Es ist allgemein bekannt, dass Ce und La als Re zur Bildung einer Verbindung effektiv sind, die ein Kern für Graphit wird. In dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung kann entweder Ce oder La verwendet werden. Ce oder La können alleine verwendet werden, oder Ce und La können zusammen in beliebigem Verhältnis verwendet werden. Bei dem konventionellen Gusseisen hat die Tatsache, ob Ce oder La alleine verwendet wird oder beide zusammen verwendet werden (bei irgendeinem Verhältnis) keinen Einfluss auf das Ergebnis der Graphit-Spheroidisierung.
Obwohl die Zugabe von Ca oder Ba nicht erforderlich ist, erhöht sich, wenn 0,0001-0,01 % Ca und/oder Ba zugegeben werden, die Festigkeit weiterhin aufgrund einer Impfwirkung. Eine Zugabemenge von ≥ 0,01 % fördert die Erzeugung von Schlacke während des Gießens oder die Kristallisierung von klobigem Graphit in einem dicken Gussprodukt, und daher ist dies unvorteilhaft. Ca oder Ba können alleine verwendet werden oder zusammen bei einem willkürlichen Verhältnis verwendet werden. Die Impfwirkung unmittelbar nach dem Impfen ist im Allgemeinen am höchsten. Eine späte Impfung, durch die ein Impfmittel in der letzten Hälfte des Gießens zugegeben wird, ist effektiver und Beispiele davon umfassen ein Schmelz-Impfverfahren, wie ein Strom-Impfverfahren oder ein Impfverfahren in der Form.
Obwohl Gusseisen mit der oben beschriebenen chemischen Zusammensetzung sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Dämpfungseigenschaft als Guss hat, wird die Vibrationsdämpfungsleistung weiter verbessert durch Durchführung einer Wärmebehandlung, wie Vergüten, dieses Gusseisens bei ≥ 900°C. Der Grund, dass die Vibrationsdämpfungseigenschaft sich durch die Hochtemperatur-Wärmebehandlung verbessert, liegt darin, dass die Basisstruktur modifiziert und gleichmäßig gemacht wird. Die Struktursteuerung wird durchgeführt durch Wärmebehandlung bei etwa 800°C für normales Gusseisen. Erfindungsgemäß wird jedoch die Eutektoid-Temperatur erhöht, weil eine große Menge an Al zugegeben wird. Daher ist eine Wärmebehandlungstemperatur von ≥ 900°C notwendig. Durch Erhöhung der Wärmebehandlungstemperatur wird Fe-Al-Carbid gleichmäßig und fein gemacht, so dass die Vibrationsdämpfungseigenschaft von Gusseisen sich weiter verbessert. Demzufolge kann die Vibrationsdämpfungsleistung durch Wärmebehandlung bei 950°C oder 1.000°C oder mehr weiter verbessert werden.
3 zeigt eine Strukturfotographie der Basisstruktur von mit Al versetztem spheroidalem Graphit-Gusseisen, das nicht vergütet ist. 4 zeigt eine Strukturfotographie der Basisstruktur von mit Al versetztem spheroidalem Graphit-Gusseisen, das bei 1.000°C vergütet ist. Durch Vergleichen der Basisstrukturen, die in 3 und 4 gezeigt sind, kann bestätigt werden, dass Fe-Al-Carbid durch Vergüten fein gemacht wird und gleichmäßiger mit dem ganzen Bereich der Basisstruktur verteilt ist.
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung wird ein Teil einer Konstruktionsmaschine oder dergleichen, das ein oder mehrere Gusseisen mit hoher Festigkeit und hoher Dämpfungseigenschaft enthält, angegeben. Ein Teil, das das Gusseisen gemäß dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung enthält, ist beispielsweise ein schweres hydraulisches Maschinenteil.
5 ist eine schematische Perspektivansicht einer Kolbenpumpe (1), ausgerüstet mit einem Gehäuse (11), Schaft (12) und Zylinderblock (13). Als Beispiel des Teils der Konstruktionsmaschine gemäß dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung kann das Gehäuse (11) aus einem oder mehreren Gusseisenprodukten mit hoher Festigkeit und hoher Dämpfungseigenschaft gemäß dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung erzeugt werden. Ein solches Gehäuse (11) hat eine hohe Vibrationsdämpfungseigenschaft und unterdrückt effektiv das Geräusch der Kolbenpumpe (1).
Nachfolgend werden spezifische Beispiele dieser Erfindung zusammen mit Vergleichsbeispielen erläutert.
Zunächst wurde ein geschmolzenes Metall unter Verwendung eines Schmelzofens mit hoher Frequenz hergestellt. Roheisen, ein Verkohlungsmittel und Ferromangan wurden in einem Graphittiegel angeordnet und geschmolzen, danach wurden die Kohlenstoff- und Siliciummmenge mit einem Ferrosilicium und dem Verkohlungsmittel eingestellt, und somit wurden etwa 5 kg geschmolzenes Metall erhalten. Die Al-Menge des erhaltenen Gussproduktes wurde eingestellt durch Zugabe eines Aluminiumbarrens. Die Sb-Menge und Sn-Menge wurden eingestellt durch Zugabe von reinem Antimon und reinem Zinn. Bei Zugabe von RE wurde ein kommerziell erhältliches Mischmetall (Legierungsprodukt, worin das Gewichtsverhältnis von Ce : La 2 : 1 war) als RE-Quelle verwendet. Die Schmelztemperatur wurde auf etwa 1.450°C eingestellt. Eine Spheroidisierbehandlung und Zugabe eines Impfmittels zu dem geschmolzenen Metall wurden in einer Pfanne durchgeführt, und das geschmolzene Metall wurde in eine Furan-Selbsthärtungsform mit ϕ30 × 200 mm gegossen. Ca + Ba wurden als Impfmittel verwendet.
Bei den Beispielen 12 und 13 wurde zusätzlich zu der Addition des Impfmittels zu dem geschmolzenen Metall in der Pfanne eine späte Impfung unter Verwendung von Ca + Ba als Impfmittel durchgeführt.
Das erhaltene Gussprodukt wurde zu einer Größe von 4 × 20 × 200 mm verarbeitet und dann bezüglich Festigkeit und Vibrationsdämpfungseigenschaft ausgewertet. Die Zugfestigkeit wurde als Auswertungswert der Festigkeit erhalten. Ein Zugfestigkeitstest wurde durchgeführt durch Verarbeiten des Gussproduktes in eine Nr. 4-Probe (JIS Z 2201) und die Wertung erfolgte unter Verwendung eines Universaltestgerätes. Ebenfalls wurde ein logarithmisches Dekrement erhalten als Auswertungswert der der Vibrationsdämpfungseigenschaft. Ein Vibrationsdämpfungstestverfahren erfolgte gemäß JIS G 0602. Spezifisch wird das Teststück bei zwei Punkten abgehängt und eine Dehnungsamplitude mit 1 × 10⁴ ε wurde durch einen elektromagnetischen Vibrator auferlegt. Die Vibration wurde dann bezüglich freies Dämpfen gestoppt und das logarithmische Dekrement wurde bestimmt. Die Eigenschaften der resultierenden Gussprodukte sind unten in den Tabellen 1 und 2 zusammen mit den Zusammensetzungen gezeigt. Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften und Zusammensetzungen der Beispiele dieser Erfindung, und Tabelle 2 zeigt die Eigenschaften und Zusammensetzungen der konventionellen Materialien und der Vergleichsbeispiele.
Das „Gusseisen mit hoher Festigkeit“ zeigt Gusseisen an, dessen Zugfestigkeit bewertet wurde und etwa das 1,5- bis 2,5-fach von dem von FC300 (Zugfestigkeit 0 300 MPa). In dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird eine Zugfestigkeit von ≥ 400 MPa als hohe Festigkeit bezeichnet. Ebenfalls zeigt“ „Gusseisen mit hoher Dämpfung“ Gusseisen an, dessen Dämpfungseigenschaft etwa das 2- bis 4-fache von der von FCD450 ist (logarithmisches Dekrement = 20-30 Np × 10^-4). In dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird ein logarithmisches Dekrement mit 4 Np × 10^-4 als hohe Dämpfung bezeichnet. D.h., gemäß einem Aspekt dieser Erfindung ist ein Gusseisen mit hoher Festigkeit und hoher Dämpfung ein Gusseisen mit sowohl einer hohen Zugfestigkeit mit ≥ 400 MPa als auch einem logarithmischen Dekrement von ≥ 40 Np × 10^-4.
<Beispiele>
Die Beispiele 1 und 2 sind Proben, zu denen weder Sn noch Sb gegeben sind (die Zugabemenge davon war jeweils 0,00 %), und mit denen keine Wärmebehandlung durchgeführt war. Diese Proben erfüllen die hohe Festigkeit und hohe Dämpfungseigenschaft, die in der obigen Beschreibung definiert sind.
Die Beispiele 3 und 6 sind Proben, zu denen eine angemessene Menge von Sn zugegeben war und Beispiel 9 ist eine Probe, zu der eine angemessene Menge von Sb zugegeben war. Wie die Beispiele 1 und 2 erfüllen diese Proben die Standards von Gusseisen mit hoher Festigkeit und hoher Dämpfung.
Die Beispiele 4 und 5 sind Beispiele, worin Gussprodukte mit der gleichen Zusammensetzung wie bei Beispiels 3 zur Untersuchung der Wirkung der Vergütung verwendet wurden. Gleichermaßen sind die Beispiele 7 und 8 Beispiele, worin das Vergüten mit dem gleichen Gussprodukt wie bei Beispiel 6 durchgeführt wurde. Beispiel 10 ist ein Beispiel, bei dem die Vergütung mit dem gleichen Gussprodukt wie bei Beispiel 9 durchgeführt wurde. Wenn die Vergütung bei ≥ 900°C durchgeführt wird, verbessert sich das logarithmische Dekrement, obwohl sich die Zugfestigkeit etwas vermindert. Ebenfalls war die Wärmebehandlungstemperatur 900°C bei Beispiel 4 und 1.000°C bei Beispiel 5. Wie durch einen Vergleich der Beispiele 4 und 5 gezeigt ist, wird durch Verwendung einer höheren Wärmebehandlungstemperatur die Verbesserungswirkung des logarithmischen Dekrementes noch besser. Ein Vergleich der Beispiele 7 und 8 zeigt ein ähnliches Ergebnis.
In Beispiel 11 war die Vibrationsdämpfungsleistung verhältnismäßig niedrig. Beispiel 12 ist ein Beispiel, bei dem eine späte Impfung in einem geschmolzenen Metall mit der gleichen Zusammensetzung wie bei Beispiel 11 unter Verwendung von Ca + Ba als Impfmittel durchgeführt wurde. Beispiel 13 ist ein Beispiel, bei dem eine späte Impfung mit einer erhöhten Menge des Impfmittels durchgeführt wurde. Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wird durch Durchführen einer späten Impfung die Vibrationsdämpfungsleistung verbessert. Die Ergebnisse der Beispiele 11-13 demonstrieren, dass durch die späte Impfung Variationen der Leistung unterdrückt werden können.
<Konventionelle Beispiele>
Wie aufgrund von Tabelle 2 ersichtlich ist, gibt es kein Gusseisen mit sowohl hoher Festigkeit als auch hoher Dämpfungsleistung unter den konventionellen Materialien.
<Vergleichsbeispiele>
Die Vergleichsbeispiele 1 und 2 sind Proben, zu denen Al gegeben wurde, aber worin Graphit nicht spheroidisiert war. D.h., die Vergleichsbeispiele 1 und 2 sind Al-versetztes schüppchenförmiges Graphit-Gusseisen. Diese Proben, die schüppchenförmiges Graphit enthalten, zeigen eine hohe Vibrationsdämpfungsleistung, aber niedrige Zugfestigkeit.
Die Zugabemenge von Sb überstieg 1 % bei Vergleichsbeispiel 3, und die Zugabemenge von Sn überstieg 0,5 % bei Vergleichsbeispiel 4. In den Vergleichsbeispielen 3 und 4 trat eine Schrumpfung auf, und Gusseisen mit Mangel wurde erhalten.
Vergleichsbeispiel 5 ist ein Beispiel, bei dem die Zugabemenge von Al weniger als 3 % war. Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, erreicht weder die Zugfestigkeit noch das logarithmische Dekrement von Vergleichsbeispiel 5 die Standards dieser Erfindung.
Die obigen Ergebnisse zeigen, dass bei dem schüppchenförmigen Graphit-Gusseisen, das eine große Menge an Al enthält, d.h., Al-versetztes schüppchenförmiges Graphit-Gusseisen, eine hohe Festigkeit nicht erzielt werden konnte. Durch Spheroidisieren von Graphit, unter Erhalt von gegossenem, mit Al versetztem spheroidalem Graphit-Gusseisen wurde ein Gusseisen mit hoher Dämpfungseigenschaft und hoher Festigkeit erhalten.

Claims

Gusseisen mit hoher Festigkeit und hoher Dämpfungseigenschaft, erhalten durch ein Verfahren, umfassend das Durchführen einer Graphit-Sphäroidisierbehandlung mit einem geschmolzenem Metall, wobei das Gusseisen aus 2-4 % C, 1-5 % Si, 0,2-0,9 % Mn, ≤ 0,1 % P, ≤ 0,1 % S, 4,8-6,0 % Al, 0-1 % Sb, 0-0,5 % Sn, 0,02-0,10 % Mg, 0,001-0,500 % RE, bestehend aus Ce und/oder La in beliebigem Verhältnis, Fe als Rest und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und wobei das Gusseisen zumindest eines der Elemente, ausgewählt aus 0,2-1 % Sb und 0,1-0,5 % Sn, enthält.
Gusseisen gemäß Anspruch 1, worin der Gehalt an Sb 0,5-1 % ist.
Gusseisen gemäß Anspruch 1 oder 2, worin der Gehalt an RE 0,001-0,050 % ist.
Gusseisen gemäß mindestens einem der Ansprüche 1-3, worin das Verfahren weiterhin eine Impfbehandlung mit Zugabe eines Impfmittels zu dem geschmolzenen Metall enthält, bestehend aus zumindest einem Element von Ca und Ba, so dass in dem Gusseisen der Gehalt an Ca 0,0001-0,01 % oder der Gehalt an Ba 0,0001-0,01 % ist.
Gusseisen gemäß Anspruch 4, worin die Impfbehandlung ein spätes Impfen umfasst.
Gusseisen gemäß mindestens einem der Ansprüche 1-5, worin das Verfahren weiterhin die Durchführung des Abschreckens, Normalisierens oder Vergütens bei ≥ 900°C umfasst.
Gusseisen gemäß mindestens einem der Ansprüche 1-5, worin das Verfahren weiterhin die Durchführung des Abschreckens, Normalisierens oder Vergütens bei ≥ 1.000°C umfasst.
Gusseisen gemäß mindestens einem der Ansprüche 1-7, worin das Sphäroidisierungsverhältnis von Graphit in der Graphit-Sphäroidisierungsbehandlung ≥ 40 % ist.
Verwendung von Gusseisen gemäß mindestens einem der Ansprüche 1-8 für ein Gusseisenteil.
Kolbenpumpengehäuse aus Gusseisen gemäß mindestens einem der Ansprüche 1-8.