DE112016002489T5

DE112016002489T5 - Hitzebeständiger austenitischer gussstahl

Info

Publication number: DE112016002489T5
Application number: DE112016002489.4T
Authority: DE
Inventors: Takamichi UEDA; Harumi Ueno; Takumi Hijii; Hitomi Hirai; Takashi Maeshima; Kazuaki Nishino; Hirofumi Ito
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2018-02-15
Also published as: CN107532261B; CN107532261A; WO2016195023A1; US20180155809A1; JP6250895B2; JP2016223000A; US10633729B2

Abstract

Bereitgestellt wird ein hitzebeständiger austenitischer Gussstahl, der sowohl eine hervorragende Hitzebeständigkeit als auch eine hervorragende Bearbeitbarkeit besitzt. Der hitzebeständige austenitische Gussstahl beinhaltet: C: 0,1 bis 0,4 Ma%; Si: 0,8 bis 2,5 Ma%; Mn: 0,8 bis 2,0 Ma%; S: 0,05 bis 0,30 Ma%; Ni: 5 bis 20 Ma%; N: 0,3 Ma% oder weniger; Zr: 0,01 bis 0,20 Ma%; Ce: 0,01 bis 0,10 Ma%; eine oder mehrere Arten der Elemente, ausgewählt aus den folgenden Gruppen (i) bis (iii), welche mindestens (i) beinhalten, (i) Cr: 14 bis 24 Ma%, (ii) Nb: 1,5 Ma% oder weniger, und (iii) Mo: 3,0 Ma% oder weniger; sowie Fe und unvermeidbare Verunreinigungen als Rest.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft hitzebeständigen austenitischen Gussstahl und betrifft insbesondere hitzebeständigen austenitischen Gussstahl mit hervorragender Bearbeitbarkeit und Hitzebeständigkeit.
Stand der Technik
Herkömmlicherweise wird hitzebeständiger austenitischer Gussstahl für die Bauteile einer Abgasanlage in einem Kraftfahrzeug, wie etwa einen Abgaskrümmer und ein Turbinengehäuse, verwendet. Derartige Bauteile werden in schwieriger Umgebung bei hohen Temperaturen verwendet. Für eine hervorragende Beständigkeit gegen thermische Ermüdung benötigen sie hervorragende Hochtemperaturfestigkeit und ebensolche Zähigkeit bei Raumtemperatur genau wie bei hohen Temperaturen.
Diesbezüglich schlägt beispielsweise Patentliteratur 1 einen hitzebeständigen austenitischen Gussstahl vor, der 0,2 bis 0,6 Ma% (Massenprozent) C, 0,1 bis 2 Ma% Si, 0,1 bis 2 Ma% Mn, 0,05 bis 0,2 Ma% S, 0,05 Ma% oder weniger Se, 10,0 bis 45,0 Ma% Ni, 15,0 bis 30,0 Ma% Cr, 8,0 Ma% oder weniger W, und 3,0 Ma% oder weniger Nb, sowie Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen als Rest enthält, und der eine Austenit-Phase, die vorwiegend Fe-Ni-Cr enthält, als die Grundphase beinhaltet.
Für eine bessere Hitzebeständigkeit beinhaltet dieser hitzebeständige austenitische Gussstahl C, Ni, Cr, W und Nb als Zusatz. Für eine bessere Bearbeitbarkeit beinhaltet dieser hitzebeständige Gussstahl Mn und S, um leicht zerspanbare MnS-Partikel zu erzeugen. Dieser hitzebeständige Gussstahl beinhaltet ein leicht zerspanbares Element Se, das für eine viel bessere Bearbeitbarkeit zugesetzt wird.
Liste der Anführungen
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 4504736 B

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Wie oben beschrieben, beinhaltet der in Patentliteratur 1 beschriebene hitzebeständige austenitische Gussstahl C, Ni, Cr, W und Nb, welche für eine bessere Hitzebeständigkeit zugesetzt werden, so dass harte Partikel einschließlich Carbid, wie etwa Cr₇C₃, erzeugt werden.
Solche harten Partikel werden jedoch in dem weichen austenitischen Gefüge erzeugt, so dass zum Beispiel beim Zerspanen dieses hitzebeständigen Gussstahls das Zerspanen des austenitischen Gefüges mit Unterbrechungen erfolgt. Infolgedessen kann das verwendete Zerspanungswerkzeug erheblich verschleißen. Um Verschleiß zu vermeiden, beinhaltet der in Patentliteratur 1 beschriebene hitzebeständige austenitische Gussstahl hinzugesetzte leicht zerspanbare Elemente wie etwa Mn, S und Se. Wenn harte Partikel jedoch in einer gewissen Menge vorhanden sind, dann ist die Wirkung der leicht zerspanbaren Elemente aufgrund der starken Einflüsse des unterbrochenen Zerspanens, wie oben ausgeführt, begrenzt.
Angesichts dieser Punkte liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen hitzebeständigen austenitischen Gussstahl mit sowohl hervorragender Hitzebeständigkeit als auch hervorragender Bearbeitbarkeit bereitzustellen.
Lösung des Problems
Hitzebeständiger austenitischer Gussstahl gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet: C: 0,1 bis 0,4 Ma% (Massenprozent); Si: 0,8 bis 2,5 Ma%; Mn: 0,8 bis 2,0 Ma%; S: 0,05 bis 0,30 Ma%; Ni: 5 bis 20 Ma%; N: 0,3 Ma% oder weniger; Zr: 0,01 bis 0,20 Ma%; Ce: 0,01 bis 0,10 Ma%; eine oder mehrere Arten der Elemente, ausgewählt aus den folgenden Gruppen (i) bis (iii), welche mindestens (i) beinhalten, (i) Cr: 14 bis 24 Ma%, (ii) Nb: 1,5 Ma% oder weniger, und (iii) Mo: 3,0 Ma% oder weniger; sowie Fe und unvermeidbare Verunreinigungen als Rest.
Der hitzebeständige austenitische Gussstahl gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Elemente in dem oben angegebenen Bereich und besitzt somit sowohl hervorragende Hitzebeständigkeit als auch hervorragende Bearbeitbarkeit. Die Gründe für die Definition des Bereichs dieser Elemente werden in den folgenden Ausführungsformen beschrieben.
In einem bevorzugten Aspekt beinhaltet der hitzebeständige austenitische Gussstahl die Gruppe (ii) zusätzlich zu der Gruppe (i). Der hitzebeständige austenitische Gussstahl dieses Aspekts beinhaltet Nb im Bereich von 1,5 Ma% oder weniger Nb und kann somit aus den Hitzebeständigkeitseigenschaften eine verbesserte Kriechfestigkeit besitzen.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Der hitzebeständige austenitische Gussstahl gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt sowohl hervorragende Hitzebeständigkeit als auch hervorragende Bearbeitbarkeit.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt die Relation zwischen dem Maximalwert der Dauerbelastung und der Wärmeermüdungslebensdauer des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls gemäß den Beispielen 1 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 13.
2 zeigt den Verschleißbetrag des Zerspanungswerkzeugs beim Zerspanen des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls gemäß den Beispielen 1 bis 10 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 8 und 13.
3 zeigt die Relation zwischen dem Carbidanteil bzw. der Carbidmenge und dem Verschleißbetrag des Zerspanungswerkzeugs für den hitzebeständigen austenitischen Gussstahl gemäß den Beispielen 1 bis 3, 5 und den Vergleichsbeispielen 3 bis 8.
4 zeigt die Relation zwischen dem Parameter Pσ und dem Maximalwert der Dauerbelastung des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls gemäß den Beispielen 1 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 13.
5 zeigt die Relation zwischen dem Parameter Pσ und der Wärmeermüdungslebensdauer des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls gemäß den Beispielen 1 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 13.
6 zeigt die Relation zwischen dem Parameter Pm und dem Verschleißbetrag des Zerspanungswerkzeugs für den hitzebeständigen austenitischen Gussstahl gemäß den Beispielen 1 bis 10 und den Vergleichsbeispieleü 1 bis 8 und 13.
7 zeigt das Ergebnis eines Kriechversuchs fir den hitzebeständigen austenitischen Gussstahl gemäß den Beispielen 3 und 4.
8 zeigt die Relation zwischen dem Zr-Anteil bzw. -Gehalt des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls gemäß den Beispielen 12 bis 15 und den Vergleichsbeispielen 14 bis 16 und dessen Hochtemperatur-Zugfestigkeit, Hochtemperatur-Dehngrenze und Dehnung.
9A erläutert die für den hitzebeständigen austenitischen Gussstahl im Wärmeermüdungsversuch durchgeführte Temperatursteuerung und Verformungssteuerung.
9B zeigt ein Beispiel für das Belastungs-Verformungs-Diagramm des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls, das im Wärmeermüdungsversuch erhalten wurde.
9C erläutert, wie der Maximalwert der Dauerbelastung und die Wärmeermüdungslebensdauer des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls, die im Wärmeermüdungsversuch erhalten wurden, zu berechnen sind.
Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden wird hitzebeständiger austenitischer Gussstahl gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Hitzebeständiger austenitischer Gussstahl gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet: C: 0,1 bis 0,4 Ma%; Si: 0,8 bis 2,5 Ma%; Mn: 0,8 bis 2,0 Ma%; Si: 0,05 bis 0,30 Ma%; Ni: 5 bis 20 Ma%; N: 0,3 Ma% oder weniger; Zr: 0,01 bis 0,20 Ma%; Ce: 0,01 bis 0,10 Ma%; eine oder mehrere Arten der Elemente, ausgewählt aus den folgenden Gruppen (i) bis (iii), welche mindestens (i) beinhalten, (i) Cr: 14 bis 24 Ma%, (ii) Nb: 1,5 Ma% oder weniger, und (iii) Mo: 3,0 Ma% oder weniger; sowie Fe und unvermeidbare Verunreinigungen als Rest. Es folgen Details zu diesen Elementen und ihrem Anteil.
1. Jedes Element und sein Anteil bzw. Gehalt
<C (Kohlenstoff): 0,1 bis 0,4 Ma%>
C in dem oben angegebenen Bereich dient als ein Element zum Stabilisieren des austenitischen Gefüges und ist zum Verbessern der Hochtemperaturfestigkeit und der Gießbarkeit wirksam. Beträgt der Anteil weniger als 0,1 Ma%, dann ist eine solche Wirkung zum Verbessern der Gießbarkeit gering. Übersteigt der Gehalt 0,4 Ma%, dann kristallisieren harte Partikel einschließlich Cr-Carbid, so dass die Härte des austenitischen Gefüges zunimmt. Dies senkt die Bearbeitbarkeit des hitzebeständigen Gussstahls.
<Si (Silizium): 0,8 bis 2,5 Ma%>
Si in dem oben angegebenen Bereich ist wirksam zum Verbessern der Oxidationsbeständigkeit und der Gießbarkeit. Beträgt der Anteil weniger als 0,8 Ma%, dann kann sich die Gießbarkeit des hitzebeständigen Gussstahls verschlechtern. Übersteigt der Anteil 2,5 Ma%, dann nimmt die Bearbeitbarkeit des hitzebeständigen Gussstahls ab.
<Mn (Mangan): 0,8 bis 2,0 Ma%>
Mn in dem oben angegebenen Bereich stabilisiert nicht nur das austenitische Gefüge, sondern erzeugt auch leicht zerspanbare Partikel einschließlich MnS, in dem austenitischen Gefüge. Beträgt der Anteil weniger als 0,8 Ma%, dann werden leicht zerspanbare Partikel, die MnS beinhalten, nicht in ausreichendem Maße in dem austenitischen Gefüge erzeugt. In diesem Fall ist keine ausreichende Wirkung des Verbesserns der Bearbeitbarkeit des hitzebeständigen Gussstahls zu erwarten. Da ferner während der Verarbeitung verformungsbedingter Martensit entstehen kann, verschlechtert sich die Bearbeitbarkeit des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls. Übersteigt der Anteil 2,0 Ma%, dann können aufgrund einer Reaktion mit der aus Siliziumoxid (SiO₂) hergestellten Gussßform während des Gießens Unregelmäßigkeiten beim Gussstück entstehen. Dies kann zu Oberflächenrauheit führen.
<S (Schwefel): 0,05 bis 0,30 Ma%>
S in dem oben angegebenen Bereich bildet leicht zerspanbare Partikel, die MnS beinhalten, so dass der hitzebeständige Gussstahl eine ausreichende Bearbeitbarkeit aufweisen kann. Beträgt der Anteil weniger als 0,05 Ma%, dann werden leicht zerspanbare Partikel, die MnS beinhalten, nicht in ausreichendem Maße in dem austenitischen Gefüge erzeugt. In diesem Fall ist keine ausreichende Wirkung des Verbesserns der Bearbeitbarkeit des hitzebeständigen Gussstahls zu erwarten. Übersteigt der Anteil 0,30 Ma%, dann wird eine große Menge an Sulfid erzeugt, was die Wärmeermüdungslebensdauer verkürzt.
<Ni (Nickel): 5 bis 20 Ma%>
Ni in dem oben angegebenen Bereich kann das austenitische Gefüge stabilisieren. Beträgt der Anteil weniger als 5 Ma%, dann verschlechtern sich die Oxidationsbeständigkeit und die Stabilisierung des austenitischen Gefüges, so dass die Wärmeermüdungslebensdauer verkürzt wird. Übersteigt der Anteil 20 Ma%, dann verschlechtert sich die Gießbarkeit des hitzebeständigen Gussstahls.
<N (Stickstoff): 0,3 Ma% oder weniger>
N in dem oben angegebenen Bereich ist zum Verbessern der Hochtemperaturfestigkeit, Stabilisieren der Austenit-Phase und Erzeugen eines feineren Gefüges wirksam. Übersteigt der Anteil 0,3 Ma%, dann nimmt das Fließverhalten bzw. die Ausbeute (yield) extrem ab, was ein Faktor für Gasdefekte sein kann. Um die oben angegebene Wirkung zu erhalten, beträgt der Anteil vorzugsweise 0,05 Ma% oder mehr und stärker bevorzugt 0,09 Ma% oder mehr.
<Zr (Zirkonium): 0,01 bis 0,20 Ma%>
Zr in dem oben angegebenen Bereich kann feinere austenitische Kristallkörner ergeben, an der Kristallkorngrenze abgesondertes Cr (Chrom) dispergieren und das austenitische Gefüge stabilisieren. Feinere Kristallkörner führen zur Verteilung von feinerem MnS in dem austenitischen Gefüge, und somit kann die Bearbeitbarkeit verbessert werden.
Beträgt der Anteil weniger als 0,01 Ma%, dann ist die Wirkung des Verbesserns der Bearbeitbarkeit aufgrund von feineren austenitischen Kristallkörnern nicht zu erwarten. Übersteigt der Anteil 0,20 Ma%, dann können zu viele feine austenitische Kristallkörner die Hochtemperaturfestigkeit verschlechtern. Zr-Oxid kann dem Gussstück als Schlacke beigemischt sein, und die Güte des Gussstücks kann sich verschlechtern.
<Ce (Cer): 0,01 bis 0,10 Ma%>
Ce in dem oben angegebenen Bereich erzeugt leicht zerspanbare Partikel, die CeS beinhalten, in dem austenitischen Gefüge. Beträgt der Anteil weniger als 0,01 Ma%, dann werden leicht zerspanbare Partikel einschließlich CeS, nicht in ausreichendem Maße in dem austenitischen Gefüge erzeugt. In diesem Fall ist keine ausreichende Wirkung des Verbesserns der Bearbeitbarkeit des hitzebeständigen Gussstahls zu erwarten. Übersteigt der Anteil 0,10 Ma%, dann kann Ce-Oxid dem Gussstück als oxidbasierter Einschluss beigemischt sein, und die Güte des Gussstücks kann sich verschlechtern.
Nachstehend beschriebenes Cr, Nb und Mo sind Carbid-bildende Elemente, welche Carbid in dem austenitischen Gefüge bilden, und der hitzebeständige austenitische Gussstahl enthält mindestens Cr in dem nachstehend beschriebenen Bereich. Obgleich der hitzebeständige austenitische Gussstahl nicht notwendigerweise Nb und Mo enthält, kann der hitzebeständige austenitische Gussstahl, der eines dieser Elemente in dem nachstehend beschriebenen Bereich enthält, eine verbesserte Hochtemperaturfestigkeit und Hochtemperatur-Dehngrenze aufweisen. Insbesondere kann der hitzebeständige austenitische Gussstahl, der Nb in dem nachstehend beschriebenen Bereich enthält, im Vergleich zu einem solchen, der Mo enthält, auch verbesserte Kriechfestigkeit aufweisen. Es folgt eine Beschreibung von Funktionen der Elemente Cr, Nb und Mo.
<(i) Cr (Chrom): 14 bis 24 Ma%>
Cr in dem oben angegebenen Bereich ist zum Erhöhen der Oxidationsbeständigkeit und Verbessern der Hochtemperaturfestigkeit wirksam und ist somit ein wesentliches Element, das der hitzebeständige austenitische Gussstahl enthalten sollte. Beträgt der Anteil weniger als 14 Ma%, dann verschlechtert sich die Wirkung für die Oxidationsbeständigkeit. Übersteigt der Anteil 24 Ma%, dann kristallisieren harte Partikel einschließlich Cr-Carbid im Übermaß, so dass die Härte des austenitischen Gefüges zunimmt. Dies senkt die Bearbeitbarkeit des hitzebeständigen Gussstahls.
<(ii) Nb (Niob): 1,5 Ma% oder weniger>
Nb ist ein Element, das der hitzebeständige austenitische Gussstahl vorzugsweise enthält. Wenn Nb in dem oben beschriebenen Bereich enthalten ist, dann wird in dem austenitischen Gefüge feines Niobcarbid (NbC) gebildet, von dem die Wirkung des Verbesserns der Hitzebeständigkeit (Hochtemperaturfestigkeit, Kriechfestigkeit, Wärmeermüdungslebensdauer) zu erwarten ist. Insbesondere verbessert zugesetztes Nb in hohem Maße die Kriechfestigkeit. Übersteigt der Anteil 1,5 Ma%, dann nimmt die Bearbeitbarkeit des hitzebeständigen Gussstahls aufgrund einer übermäßigen Erzeugung von harten NbC-Partikeln ab. Um die oben angegebene Wirkung zu erhalten, beträgt der Anteil vorzugsweise 0,01 Ma% oder mehr und stärker bevorzugt 0,3 Ma% oder mehr.
<Mo (Molybdän): 3,0 Ma% oder weniger>
Mo ist ein Element, das der hitzebeständige austenitische Gussstahl vorzugsweise enthält. Wenn Mo in dem oben beschriebenen Bereich enthalten ist, dann wird während des Erhitzens bei hohen Temperaturen die Ausfällung von Molybdäncarbid erhöht, von dem die Wirkung des Verbesserns der Hitzebeständigkeit (Hochtemperaturfestigkeit, Kriechfestigkeit, Wärmeermüdungslebensdauer) zu erwarten ist. Übersteigt der Anteil 3,0 Ma%, dann nimmt die Bearbeitbarkeit des hitzebeständigen Gussstahls aufgrund der übermäßigen Erzeugung von harten MoC-Partikeln ab. Um die oben angegebene Wirkung zu erhalten, beträgt der Anteil vorzugsweise 0,008 Ma% oder mehr und stärker bevorzugt 1 Ma% oder mehr.
<Sonstige Elemente>
Der Anteil an P, das als ein unvermeidbares Verunreinigungselement enthalten ist, beträgt vorzugsweise 0,05 Ma% oder weniger. Wird dieser Anteil überschritten, dann erfolgt aufgrund des wiederholten Erhitzens und Abkühlens leicht eine thermische Verschlechterung, und auch die Zähigkeit verschlechtert sich. Ein Anteil, der diesen übersteigt, kann ein Faktor für Gussrisse sein.
Der hitzebeständige austenitische Gussstahl der vorliegenden Ausführungsform enthält Eisen in dem oben angegebenen Bereich und besitzt somit sowohl hervorragende Hitzebeständigkeit als auch hervorragende Bearbeitbarkeit. Insbesondere enthält der hitzebeständige austenitische Gussstahl der vorliegenden Ausführungsform eine geeignete Menge an enthaltenem Ni, und somit kann das austenitische Gefüge stabilisiert werden und die Hitzebeständigkeit des hitzebeständigen Gussstahls (Wärmeermüdungslebensdauer) kann verbessert werden.
Wenn Ni in dem oben angegebenen Bereich enthalten ist, dann nimmt typischerweise der in dem austenitischen Gefüge gelöste Anteil an C ab und der Anteil an C, der an Cr bindet, nimmt zu. Infolgedessen werden leicht harte Partikel einschließlich Metallcarbid, wie etwa Cr-Carbid, erzeugt. Die vorliegende Ausführungsform definiert die Menge an C, Cr, Nb und Mo derart, dass die Erzeugungsmenge dieser harten Partikel begrenzt wird, und der hitzebeständige Gussstahl enthält Mn, S, Zr und Ce in dem oben beschriebenen Bereich, der die Hitzebeständigkeit nicht beeinträchtigt. Mithin kann der hitze- bzw. wärmebeständige Gussstahl der vorliegenden Ausführungsform eine verbesserte Bearbeitbarkeit aufweisen.
2. Korrelation zwischen den Elementen, die zur Hitzebeständigkeit beitragen
Basierend auf dem Anteil der Elemente wie oben beschrieben wird eine Korrelation zwischen den Elementen wie folgt definiert, um die Hitzebeständigkeit des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls zu beurteilen oder schätzen.
Diesbezüglich haben die vorliegenden Erfinder den nachstehend beschriebenen Wärmeermüdungsversuch des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls anhand von Verformungssteuerung durchgeführt und sich dabei auf eine gewisse Korrelation zwischen dem Maximalwert (Maximalbelastung) σmax der auf den hitzebeständigen Gussstahl wirkenden Dauerbelastung und der Anzahl von Wiederholungen (Wärmeermüdungslebensdauer) Nf, bei der Bruch eintrat, konzentriert. Konkret nimmt während des Wärmeermüdungsversuchs die Wärmeermüdungslebensdauer Nf mit einem Anstieg der Maximalbelastung σmax des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls ab.
Weiterhin konzentrierten sich die vorliegenden Erfinder auf C, Ni, Cr, Mo und Nb als denjenigen Elementen, welche die Maximalbelastung σmax des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls beeinflussen. Dann berechneten die vorliegenden Erfinder den folgenden Ausdruck (1) (Regressionsausdruck) durch mehrfache Regressionsanalyse unter Verwendung des Anteils dieser Elemente in dem hitzebeständigen austenitischen Gussstahl als Parameter, so dass basierend auf diesen Parameter die Maximalbelastung σmax in dem Wärmeermüdungsversuch erhalten werden kann. Pσ = 399,25 + 129,78C – 1,75Ni – 6,23Cr – 9,88Mo – 26,88Nb (1)
Pσ der linken Seite von Ausdruck (1) stellt den Parameter (Indexwert) dar, welcher der Maximalbelastung σmax entspricht. Die rechte Seite von Ausdruck (1) stellt den mathematischen Ausdruck einschließlich des Anteils an C, Ni, Cr, Mo und Nb (Massen-%) als den Parametern dar, und der Wert von Pσ, der der Maximalbelastung σmax entspricht, kann durch Einsetzen der Werte des Anteils der Elemente, welche den chemischen Symbolen in diesem Ausdruck entsprechen, berechnet werden. Die Koeffizienten der Elemente auf der rechten Seite zeigen den Grad, mit dem die Elemente zur Dauerbelastung σmax beitragen.
Der nachstehend beschriebene Wärmeermüdungsversuch der vorliegenden Erfinder zeigt, dass die Bedingung Pσ ≤ 310 zu bevorzugen ist, da in diesem Fall die Maximalbelastung σmax 315 MPa oder weniger beträgt und die Wärmeermüdungslebensdauer 400 Male (Zyklen) übersteigt. Mithin wird der Anteil an C, Ni, C, Mo und Nb so definiert, dass die Bedingung Pσ ≤ 310 erfüllt ist, wodurch die Wärmeermüdungslebensdauer des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls verbessert werden kann.
3. Korrelation zwischen den Elementen, die zur Bearbeitbarkeit beitragen
Basierend auf dem Anteil der oben beschriebenen Elemente wird eine Korrelation zwischen den Elementen wie folgt definiert, um die Bearbeitbarkeit des hitzeständigen austenitischen Gussstahls zu beurteilen oder schätzen.
Die vorliegenden Erfinder haben einen Versuch zur Bearbeitbarkeit des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls durchgeführt und den Verschleißbetrag Vb des in dem Versuch verwendeten Zerspanungswerkzeugs gemessen. Als Nächstes haben die vorliegenden Erfinder die Elemente, die den Verschleißbetrag Vb des Zerspanungswerkzeugs beeinflussen, in die Gruppe aus Ni, Cr, Mo und Nb, welche diejenigen Elemente sind, die den Verschleiß des Zerspanungswerkzeugs beschleunigen, und in die Gruppe aus S, Zr und Ce eingeordnet, welche diejenigen Elemente sind, die die Bearbeitbarkeit des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls verbessern. Dann haben die vorliegenden Erfinder den folgenden Ausdruck (2) (Regressionsausdruck) durch mehrfache Regressionsanalyse unter Verwendung des Anteils dieser Elemente in dem hitzebeständigen austenitischen Gussstahl als Parameter berechnet, so dass der Verschleißbetrag Vb basierend auf diesen Parametern erhalten werden kann. Pm = (0,0038Ni + 0,119C + 0,0014Cr + 0,0136Mo + 0,0344Nb) – (0,3129S + 0,0353Zr + 0,2966Ce) – 0,04225 (2)
Pm der linken Seite von Ausdruck (2) stellt den Parameter (Indexwert) dar, der dem Verschleißbetrag Vb entspricht. Die rechte Seite von Ausdruck (2) stellt den mathematischen Ausdruck einschließlich des Anteils an Ni, C, Cr, Mo, Nb, S, Zr und Ce (Massen-%) als den Parametern dar, und Pm (Indexwert), der dem Verschleißbetrag Vb entspricht, kann durch Einsetzen der Werte des Anteils der Elemente, welche den chemischen Symbolen in diesem Ausdruck entsprechen, berechnet werden.
Von den Koeffizienten der Elemente auf der rechten Seite zeigen die Koeffizienten von Ni, C, Cr, Mo und Nb den Grad an, mit dem diese Elemente zu einem Anstieg des Verschleißbetrags beitragen, und die Koeffizienten von S, Zr und Ce zeigen den Grad an, mit dem diese Elemente zu einer Verringerung des Verschleißbetrags beitragen.
Der nachstehend beschriebene Versuch der vorliegenden Erfinder zur Bearbeitbarkeit zeigt, dass dann, wenn der Verschleißbetrag Vb des Zerspanungswerkzeugs 0,14 mm oder weniger beträgt, die Bearbeitbarkeit günstig ist und in diesem Fall vorzugsweise die Relation Pm ≤ 0,09 erfüllt ist. Mithin wird der Anteil an Ni, C, Cr, Mo, Nb, S, Zr und Ce so definiert, dass er Pm ≤ 0,09 erfüllt, wodurch die Bearbeitbarkeit des hitzebeständigen austenitischen Gussstahls verbessert werden kann.
[Beispiele]
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen im Einzelnen beschrieben.
[Beispiel 1 bis 11]
In Beispiel 1 bis 11 wurden Prüflinge aus dem hitzebeständigen austenitischen Gussstahl (nachstehend hitzebeständiger Gussstahl genannt) wie folgt gefertigt. Konkret wurden 20 kg einer Probe als ein Ausgangsmaterial des hitzebeständigen Gussstahls, der die in Tabelle 1 gezeigte Zusammensetzung besaß und Fe als eine Basis enthielt (einschließlich Fe und unvermeidbare Verunreinigungen als Rest), bereitet, welches dann unter Verwendung eines Hochfrequenz-Induktionsofens einer Luftauflösung unterzogen wurde. Die so erhaltene Metallschmelze wurde bei 1600°C entnommen und dann bei 1500 bis 1530°C zur Verfestigung in eine Sandform (nicht vorgeheizt) von 25 mm × 42 mm × 230 mm gegossen, wodurch ein Blockwerkstück des hitzebeständigen Gussstahls vom B-Typ JIS Y Block erhalten wurde. Aus diesem Blockwerkstück wurde für jeden der nachstehend beschriebenen Versuche ein Prüfling ausgeschnitten.
Der Bereich der Elemente des hitzebeständigen Gussstahls gemäß Beispiel 1 bis 11 betrug C: 0,1 bis 0,4 Ma%, Si: 0,8 bis 2,5 Ma%, Mn: 0,8 bis 2,0 Ma%, S: 0,05 bis 0,30 Ma%, Ni: 5 bis 20 Ma%, N: 0,3 Ma% oder weniger, Zr: 0,01 bis 0,20 Ma%, Ce: 0,01 bis 0,10 Ma%, eine oder mehrere Arten, ausgewählt aus den folgenden Gruppen (i) bis (iii), welche mindestens (i) beinhalten, (i) Cr: 14 bis 24 Ma%, (ii) Nb: 1,5 Ma% oder weniger, und (iii) Mo: 3,0 Ma% oder weniger; sowie Fe und unvermeidbare Verunreinigungen als Rest.
Der hitzebeständige Gussstahl von Beispiel 2 beinhaltete Nb, das anstelle von Mo in Beispiel 1 zugesetzt wurde, um NbC zu erzeugen und so die Hitzebeständigkeit zu erhöhen, und beinhaltete mehr Ce, um CeS zu erhöhen und so die Verschlechterung der Bearbeitbarkeit des Gussstahls aufgrund der Entstehung von NbC zu vermeiden.
Der hitzebeständige Gussstahl von Beispiel 3 beinhaltete mehr Ce als Beispiel 1, um CeS zu erhöhen, und besaß somit eine ausreichende Bearbeitbarkeit.
Der hitzebeständige Gussstahl von Beispiel 4 beinhaltete Nb, das anstelle von Mo in Beispiel 1 zugesetzt wurde, um NbC zu erzeugen und so genügend Hitzebeständigkeit zu besitzen, und beinhaltete mehr Ce, um CeS zu erhöhen, und besaß somit eine ausreichende Bearbeitbarkeit.
Der hitzebeständige Gussstahl von Beispiel 5 beinhaltete weniger Ni und weniger Cr, beinhaltete jedoch mehr Mo als in Beispiel 1 sowie zugesetztes Nb und besaß somit eine ausreichende Hitzebeständigkeit. Dieser hitzebeständige Gussstahl beinhaltete weniger Cr-Carbid, um Cr-Carbid (Cr₇C₃, Cr₂₃C₆) zu verringern, und besaß eine ausreichende Bearbeitbarkeit.
Der hitzebeständige Gussstahl von Beispiel 6 beinhaltete weniger Ni und weniger Cr, beinhaltete jedoch mehr Si als in Beispiel 1 und besaß somit eine ausreichende Hitzebeständigkeit (Oxidationsbeständigkeit). Dieser hitzebeständige Gussstahl beinhaltete weniger Cr-Carbid, um Cr-Carbid (Cr₇C₃, Cr₂₃C₆) zu verringern, und besaß eine ausreichende Bearbeitbarkeit.
Der hitzebeständige Gussstahl von den Beispielen 7 bis 9 beinhaltete weniger Ni als austenitstabilisierendes Element und mehr Mn als ein nicht teures Element, das Austenit stabilisieren kann, als in Beispiel 1 und besaß somit stabilisierten Austenit und eine ausreichende Hitzebeständigkeit.
Insbesondere beinhaltete der hitzebeständige Gussstahl von den Beispielen 7 bis 9 weniger Ni und weniger Cr als in Beispiel 1, beinhaltete jedoch zugesetztes Nb und besaß somit eine ausreichende Hitzebeständigkeit. Dieser hitzebeständige Gussstahl beinhaltete weniger Cr-Carbid, um Cr-Carbid (Cr₇C₃, Cr₂₃C₆) zu verringern, und besaß eine ausreichende Bearbeitbarkeit.
Der hitzebeständige Gussstahl von Beispiel 10 beinhaltete mehr C als in Beispiel 1 und beinhaltete zugesetztes Nb und besaß somit eine ausreichende Hitzebeständigkeit und beinhaltete mehr Mn und mehr Zr sowie Ce und besaß somit eine ausreichende Bearbeitbarkeit gleich jener von Beispiel 1.
Der hitzebeständige Gussstahl von Beispiel 11 beinhaltete weniger Ni als austenitstabilisierendes Element und stattdessen mehr Mn als ein nicht teures Element, das Austenit stabilisieren kann, als in Beispiel 1 und besaß somit stabilisierten Austenit und dementsprechend eine ausreichende Hitzebeständigkeit. Dieser hitzebeständige Gussstahl beinhaltete weniger Cr-Carbid, um Cr-Carbid (Cr₇C₃, Cr₂₃C₆) zu verringern, und besaß eine ausreichende Bearbeitbarkeit.
[Vergleichsbeispiele 1 bis 13]
Analog zu Beispiel 1 wurden Prüflinge aus hitzebeständigem Gussstahl gefertigt. Konkret wurden die Prüflinge durch Gießen unter Verwendung von Proben mit den Bestandteilen wie in Tabelle 1 bereitet, und die Prüflinge mit der gleichen Form wie jener von Beispiel 1 wurden ausgeschnitten. Es sei hier darauf hingewiesen, dass diese Vergleichsbeispiele 1 bis 13 einige der Elemente der vorliegenden Erfindung beinhalteten, welche über den Gehaltsbereich der vorliegenden Erfindung hinaus enthalten waren, wie nachstehend beschrieben. Die Elemente Nb und Mo sollten in der vorliegenden Erfindung selektiv zugesetzt werden, wie oben beschrieben.
Der hitzebeständige Gussstahl von Vergleichsbeispiel 1 beinhaltete kein Zr und Ce.
Der hitzebeständige Gussstahl von Vergleichsbeispiel 2 beinhaltete kein Ce und beinhaltete mehr Zr als im Bereich der vorliegenden Erfindung.
Der hitzebeständige Gussstahl von Vergleichsbeispiel 3 beinhaltete kein Zr und Ce und beinhaltete weniger S als im Bereich der vorliegenden Erfindung.
Der hitzebeständige Gussstahl von den Vergleichsbeispielen 4, 5 beinhaltete mehr Cr als im Bereich der vorliegenden Erfindung.
Der hitzebeständige Gussstahl von Vergleichsbeispiel 6 beinhaltete kein Zr und Ce, beinhaltete mehr C und Cr als im Bereich der vorliegenden Erfindung und beinhaltete weniger Mn und S als im Bereich der vorliegenden Erfindung.
Der hitzebeständige Gussstahl von Vergleichsbeispiel 7 beinhaltete kein Zr und Ce, beinhaltete mehr Ni und Cr als im Bereich der vorliegenden Erfindung und beinhaltete weniger S als im Bereich der vorliegenden Erfindung.
Der hitzebeständige Gussstahl von Vergleichsbeispiel 8 beinhaltete kein Zr und Ce, beinhaltete mehr Ni und Cr als im Bereich der vorliegenden Erfindung und beinhaltete weniger Mn und S als im Bereich der vorliegenden Erfindung. Da dieser hitzebeständige Gussstahl mehr Ni beinhaltete als im Bereich der vorliegenden Erfindung, kann eine Schrumpfung bzw. Schwindung während der Verfestigung beeinträchtigt sein.
Der hitzebeständige Gussstahl von Vergleichsbeispiel 9 beinhaltete kein N, Zr und Ce, beinhaltete mehr Cr als im Bereich der vorliegenden Erfindung und beinhaltete weniger Mn und S als im Bereich der vorliegenden Erfindung.
Der hitzebeständige Gussstahl von Vergleichsbeispiel 10 beinhaltete kein N und Ce, beinhaltete mehr Cr als im Bereich der vorliegenden Erfindung und beinhaltete weniger Mn und S als im Bereich der vorliegenden Erfindung.
Der hitzebeständige Gussstahl von Vergleichsbeispiel 11 beinhaltete kein Zr und Ce, beinhaltete mehr Ni und Cr als im Bereich der vorliegenden Erfindung und beinhaltete weniger Mn und S als im Bereich der vorliegenden Erfindung.
Der hitzebeständige Gussstahl von Vergleichsbeispiel 12 beinhaltete kein Ce, beinhaltete mehr Ni und Cr als im Bereich der vorliegenden Erfindung und beinhaltete weniger Mn und S als im Bereich der vorliegenden Erfindung.
Der hitzebeständige Gussstahl von Vergleichsbeispiel 13 beinhaltete kein Ce und beinhaltete mehr Cr als im Bereich der vorliegenden Erfindung. [Tabelle 1]
<Messung des Anteils bzw. der Menge der Elemente>
Der Anteil an Kohlenstoff und Schwefel in dem in Tabelle 1 gezeigten hitzebeständigen Gussstahl wurde unter Verwendung eines infrarotbasierten Hochfrequenzverbrennungs-Kohlenstoff-/Schwefel-Analysegeräts (hergestellt von Horiba, Ltd. EMIA-3200) gemessen. Konkret wurde eine Probe bereitet, enthaltend Wolfram-Verbrennungsverbesserer (Chip-Form, Kohlenstoffgehaltsrate: 0,01% oder weniger), Magnesiumperchlorat (wasserfrei, Korngröße: 0,7 bis 1,2 mm) und Ascharit. Diese Probe und der hitzebeständige Gussstahl, wie oben aufgeführt, wurden unter der Sauerstoffatmosphäre (trockener Sauerstoff mit einer Reinheit von 99,999% oder mehr) in einem Hochfrequenztiegel (Keramiktiegel) für die Messung geschmolzen. Der verwendete Staubfilter war aus Glasfaser.
Der Anteil an Stickstoff in dem in Tabelle 1 gezeigten hitzebeständigen Gussstahl wurde unter Verwendung eines Sauerstoff-/Stickstoff-Analysegeräts (hergestellt von LECO, Typ TC-436) gemessen. Konkret wurde eine Probe aus Anhydron (Magnesiumperchlorat), Ascharit (Kohlenstoffdioxidabsorber), Kupferoxid (granuliert) und metallischem Kupfer (Bandform) bereitet. Diese Probe und der hitzebeständige Gussstahl, wie oben aufgeführt, wurden für die Messung von Stickstoff in einem Graphittiegel unter der Mischgasatmosphäre, welche das Gemisch aus Helium (weniger als 99,99 Ma%) und Argon (weniger als 99,99 Ma%) enthielt, geschmolzen. Der verwendete Staubfilter war aus Glasfaser.
Der Anteil an Silizium in dem in Tabelle 1 gezeigten hitzebeständigen Gussstahl wurde anhand eines gravimetrischen Siliziumdioxidverfahrens gemessen. Konkret wurde eine Probe aus dem hitzebeständigen austenitischen Gussstahl wie oben aufgeführt mit Königswasser zersetzt, dem zum Verdampfen durch Erhitzen Perchlorsäure zugesetzt wurde, um aus dem Silizium unlösliches Siliziumdioxid zu bilden. Nach Filtration wurde der Rückstand zum Zweck der Massenkonstanz einer Zündung unterzogen. Als Nächstes wurde zur Verdampfung und Verflüchtigung des Siliziumdioxids Fluorwasserstoffsäure zugesetzt, und die Menge an Silizium wurde aus der Abnahmemenge bestimmt. Der Gehalt an anderen Elementen in dem in Tabelle 1 gezeigten hitzebeständigen Gussstahl wurde durch eine typische IPC-Emissionsspektrometrie gemessen.
<Wärmeermüdungsversuch>
Ein Wärmeermüdungsversuch wurde für die Prüflinge des hitzebeständigen Gussstahls gemäß den Beispielen 1 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 13 unter Verwendung eines hydraulischen Wärmeermüdungsprüfgeräts (Servopulser, hergestellt von Shimadzu Corporation) und einer Hochfrequenzspule mit Kühlfunktion durchgeführt. Für diese Prüflinge wurde ein hantelartiger massiver Rundstab (n = 1) mit einem parallelen Teil mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge von 20 mm aus dem B-Typ Y-Block wie oben ausgeführt ausgeschnitten.
Wie in 9A gezeigt, wurde ein wiederholter Versuch durchgeführt, in dem die Erhitzungstemperatur der Prüflinge derart gesteuert wurde, dass sie ein Temperaturprofil in einer trapezförmigen Wellenform zwischen 200 bis 1000°C (11 Min. für einen Zyklus) besaß. Die Prüflinge wurden unter der 50%-Zwangsbedingung zwangsbeaufschlagt, und die Verformung wurde phasenverschoben gesteuert. Die 50%-Zwangsbedingung bezeichnet den Zustand, in dem der Prüfling mit dem Betrag zwangsbeaufschlagt wird, der 50% der Verformung einer Wärmeausdehnung ΔL beträgt, wenn der Prüfling erhitzt wird. Die Verformung hin zu einer Verdichtung wird so gesteuert, dass sie mit einem Anstieg der Temperatur zunimmt.
Dadurch wurde, wie in 9B gezeigt, eine Belastungs-Verformungs-Hystereseschleife für jeden Zyklus erhalten, und die größte Belastung aller Zyklen, der Maximalwert der Dauerbelastung (Maximalbelastung) σmax, wurde gemessen. 9B zeigt die plastische Verformung εp, die Gesamtverformung εT und auch den Minimalwert der Dauerbelastung (Minimalbelastung) σmin. In 9C ist die Wärmeermüdungslebensdauer Nf die Anzahl von Zyklen bei einer Abnahme der Belastung um 25% gegenüber der Maximalbelastung σmax.
Tabelle 2 zeigt das Messergebnis der Maximalbelastung σmax und die Wärmeermüdungslebensdauer Nf des hitzebeständigen Gussstahls gemäß den Beispielen 1 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 13. 1 zeigt die Relation zwischen dem Maximalwert der Dauerbelastung und der Wärmeermüdungslebensdauer des hitzebeständigen Gussstahls nach den Beispielen 1 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 13.
<Bearbeitbarkeitsversuch>
Für die Prüflinge des hitzebeständigen Gussstahls gemäß den Beispielen 1 bis 10 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 8 und 13 wurde ein Bearbeitbarkeitsversuch durchgeführt. Für diese Prüflinge wurde ein Rundstab (n = 1) mit einem Durchmesser von 66 mm und einer Länge von 190 mm aus dem B-Typ Y-Block wie oben aufgeführt ausgeschnitten.
Der Prüfling wurde durch eine Klemme auf einer Seite gesichert und wurde in einem Mittelloch einer Rotationsvorrichtung auf der anderen Seite gelagert. In diesem Zustand wurde der Prüfling von einem Zerspanungswerkzeug gedreht (zerspant). Die Umfangsgeschwindigkeit des zu drehenden Prüflings betrug 125 m/Min., und der Verschleißbetrag Vb des Zerspanungswerkzeugs wurde an der Flanke des Zerspanungswerkzeugs nach 2 km des Drehens gemessen. Tabelle 2 und 2 zeigen den Verschleißbetrag Vb des Zerspanungswerkzeugs für die Prüflinge des hitzebeständigen Gussstahls gemäß den Beispielen 1 bis 10 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 8 und 13.
<Erzeugter Anteil bzw. erzeugte Menge an Cr₇C₃ und Nb>

Der Anteil an erzeugtem Cr₇C₃, Cr₂₃C₆ und NbC in dem hitzebeständigen Gussstahl wurde anhand einer Analyse unter Verwendung eines Gleichgewichtsdiagramms basierend auf dem Anteil der in dem hitzebeständigen Gussstahl gemäß den Beispielen 1 bis 3, Beispiel 5 und den Vergleichsbeispielen 3 bis 8 zugesetzten Elemente berechnet. Die Analyse erfolgte unter Verwendung handelsüblicher integrierter thermodynamischer Berechnungssoftware (Thermo-Calc.), hergestellt von Thermo-Calc Software Inc. Tabelle 1 zeigt das Ergebnis. 3 zeigt die Relation zwischen dem Verschleißbetrag des Zerspanungswerkzeugs und dem Gesamtanteil (Carbidanteil) aus dem Anteil an erzeugtem Cr₇C₃, Cr₂₃C₆ und dem Anteil an erzeugtem NbC. [Tabelle 2]

	Bearbeitbarkeit Vb(mm)	Wärmeermüdungseigenschaft
	Bearbeitbarkeit Vb(mm)	σmax (MPa)	Nf (Zyklus)
Bsp. 1	0,116	295	550
Bsp. 2	0,128	245	609
Bsp. 3	0,100	280	480
Bsp. 4	0,110	287	570
Bps. 5	0,123	269	463
Bsp. 6	0,080	290	406
Bsp. 7	0,090	294	542
Bsp. 8	0,140	295	450
Bsp. 9	0,130	274	401
Bsp. 10	0,110	245	900
Bps. 11	-	315	422
Vergl. bsp. 1	0,095	301	350
Vergl. bsp. 2	0,080	308	330
Vergl. bsp. 3	0,150	271	558
Vergl. bsp. 4	0,159	204	1189
Vergl. bsp. 5	0,169	204	1180
Vergl. bsp. 6	0,156	276	700
Vergl. bsp. 7	0,156	276	700
Vergl. bsp. 8	0,160	217	1274
Vergl. bsp. 9	-	249	1001
Vergl. bsp. 10	-	231	891
Vergl. bsp. 11	-	226	1206
Vergl. bsp. 12	-	211	1354
Vergl. bsp. 13	0,156	248	690

<Ergebnis 1>
Wie in 1 gezeigt, besaß der hitzebeständige Gussstahl gemäß den Beispielen 1 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 3 bis 13 die Wärmeermüdungslebensdauer von 400 Zyklen oder mehr, wohingegen der hitzebeständige Gussstahl gemäß den Vergleichsbeispielen 1, 2 die Wärmeermüdungslebensdauer von weniger als 400 Zyklen besaß. Wie in 2 gezeigt, war der Verschleißbetrag des Zerspanungswerkzeugs für den hitzebeständigen Gussstahl gemäß den Beispielen 1 bis 10 geringer als jener der Vergleichsbeispiele 3 bis 8 und Vergleichsbeispiel 13. Der Bearbeitbarkeitsversuch wurde nicht für den hitzebeständigen Gussstahl gemäß den Vergleichsbeispielen 9 bis 12 durchgeführt. Da der hitzebeständige Gussstahl gemäß den Vergleichsbeispielen 9 bis 12 mehr Cr aufwies als in den Beispielen 1 bis 11 (mehr als 24 Ma%), wurden leicht harte Partikel, welche Cr-Carbid beinhalteten, erzeugt. Darüber hinaus wies der hitzebeständige Gussstahl gemäß den Vergleichsbeispielen 9 bis 12 weniger S als ein leicht zerspanbares Element auf als in den Beispielen 1 bis 11 und beinhaltete kein Ce. Mithin besaß der hitzebeständige Gussstahl gemäß dieser Vergleichsbeispiele naheliegenderweise eine geringere Bearbeitbarkeit als in den Beispielen 1 bis 11.
Da der hitzebeständige Gussstahl gemäß den Vergleichsbeispielen 3 bis 8 weniger S als ein leicht zerspanbares Element zum Verbessern der Bearbeitbarkeit beinhaltete als in den Beispielen 1 bis 11 und kein Zr und Ce beinhaltete, war der Verschleißbetrag des Zerspanungswerkzeugs größer als in den Beispielen 1 bis 3 und 5, wie in 3 gezeigt. Für Vergleichsbeispiel 4 war Cr das einzige Element, das über den Bereich der vorliegenden Erfindung hinaus enthalten war. In Anbetracht des Gleichgewichts mit den anderen Elementen war der nachstehend beschriebene Parameter Pm jedoch sehr verschieden. Die Bearbeitbarkeit dieses Vergleichsbeispiels war den anderen gegenüber vermutlich aufgrund eines derart verschiedenen Parameters unterlegen.
<Pσ>
Wie in 1 gezeigt, besteht zwischen dem Maximalwert (Maximalbelastung) σmax der auf den hitzebeständigen Gussstahl gemäß den Beispielen 1 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 13 wirkenden Dauerbelastung und der Anzahl von Wiederholungen (Wärmeermüdungslebensdauer) Nf, bei der Bruch eintrat, eine gewisse Korrelation. Das heißt, die Wärmeermüdungslebensdauer Nf nahm mit einem Anstieg der Maximalbelastung σmax des hitzebeständigen Gussstahls ab.
Dann wählten die vorliegenden Erfinder C, Ni, Cr, Mo und Nb als die Elemente aus, welche die Maximalbelastung σmax des hitzebeständigen Gussstahls beeinflussen, und untersuchten die Wechselwirkung zwischen diesen Elementen im Hinblick auf die Maximalbelastung σmax des hitzebeständigen Gussstahls. Konkret berechneten die vorliegenden Erfinder den folgenden Ausdruck (1) (Regressionsausdruck) durch eine mehrfache Regressionsanalyse unter Verwendung des Anteils dieser Elemente in dem hitzebeständigen austenitischen Gussstahl als Parameter, so dass der Indexwert, welcher der Maximalbelastung σmax entspricht, erhalten werden kann. Pσ = 399,25 + 129,78C – 1,75Ni – 6,23Cr – 9,88Mo – 26,88Nb (1)
Aus diesem Ausdruck wurde Pσ des hitzebeständigen Gussstahls gemäß den Beispielen 1 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 13 berechnet. Tabelle 1 zeigt das Ergebnis. 4 zeigt die Relation zwischen Pσ des hitzebeständigen Gussstahls gemäß den Beispielen 1 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 13 und dem Maximalwert (Maximalbelastung) σmax der Dauerbelastung. Wie ebenfalls aus 4 ersichtlich ist, besitzen Pσ und die Maximalbelastung σmax eine im Wesentlichen lineare Beziehung, und daher kann der Wert, welcher der Maximalbelastung σmax entspricht, durch Berechnen von Pσ unter Verwendung von Ausdruck (1) basierend auf dem Anteil an C, Ni, Cr, Mo und Nb erhalten werden.
5 zeigt die Relation zwischen Pσ des hitzebeständigen Gussstahls gemäß den Beispielen 1 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 13 und der Anzahl von Wiederholungen (Wärmeermüdungslebensdauer) Nf bei der Bruch eintrat. Wie in 5 gezeigt, verbesserten die Beispiele 1 bis 11, welche Pσ ≤ 310 erfüllten, die Wärmeermüdungslebensdauer Nf zuverlässig. Da auch die Vergleichsbeispiele 3 bis 13 Pσ ≤ 310 erfüllten, war ihre Wärmeermüdungslebensdauer Nf verbessert. Jedoch lag jedes der in diesen Vergleichsbeispielen beinhalteten Elemente jenseits des Bereichs der vorliegenden Erfindung, und somit waren diese Vergleichsbeispiele in anderen Eigenschaften als der Wärmeermüdungslebensdauer unterlegen. Auf diese Weise lässt sich zumindest die Wärmeermüdungslebensdauer basierend auf dem Wert von Pσ beurteilen oder schätzen.
<Pm>
Als Nächstes haben die vorliegenden Erfinder die Elemente, die den Verschleißbetrag Vb des Zerspanungswerkzeugs beeinflussen, in die Gruppe aus Ni, C, Cr, Mo und Nb, welche die Elemente sind, die den Verschleiß des Zerspanungswerkzeugs beschleunigen, und in die Gruppe aus S, Zr und Ce eingeordnet, welche die Elemente sind, die die Bearbeitbarkeit verbessern. Dann berechneten die vorliegenden Erfinder den folgenden Ausdruck (2) (Regressionsausdruck) durch mehrfache Regressionsanalyse unter Verwendung des Anteils dieser Elemente in dem hitzebeständigen Gussstahl als Parameter, so dass der Verschleißbetrag Vb des Zerspanungswerkzeugs gemäß den Beispielen 1 bis 10 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 8 und 13 basierend auf diesen Parameter erhalten werden kann. Pm = (0,0038Ni + 0,119C + 0,0014Cr + 0,0136Mo + 0,0344Nb) – (0,3129S + 0,0353Zr + 0,2966Ce) – 0,04225 (2)
Aus diesem Ausdruck wurde Pm des hitzebeständigen Gussstahls gemäß den Beispielen 1 bis 10 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 8 und 13 berechnet. Tabelle 1 und 6 zeigen das Ergebnis. 6 zeigt die Relation zwischen Pm des hitzebeständigen Gussstahls gemäß den Beispielen 1 bis 10 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 8 und 13 und dem Verschleißbetrag des Zerspanungswerkzeugs. Beträgt der Verschleißbetrag Vb des Zerspanungswerkzeugs 0,14 mm oder weniger, dann ist die Bearbeitbarkeit günstig, und die Relation Pm ≤ 0,09 ist in diesem Fall vorzugsweise erfüllt. Mithin wird der Anteil an Ni, C, Cr, Mo, Nb, S, Cr und Ce so definiert, dass er Pm ≤ 0,09 erfüllt, wodurch die Bearbeitbarkeit des hitzebeständigen Gussstahls verbessert werden kann.
Obwohl Vergleichsbeispiel 13 Pm ≤ 0,09 erfüllte, lag der Anteil der Elemente, wie etwa Cr und Ce, jenseits des oben angegebenen Bereichs (des Bereichs der vorliegenden Erfindung). Infolgedessen war der Verschleißbetrag Vb des Zerspanungswerkzeugs höher als jener in den Beispielen 1 bis 10.
Da auch die Vergleichsbeispiele 1, 2 Pm ≤ 0,09 erfüllten, war ihre Bearbeitbarkeit (Verschleißbetrag Vb des Werkzeugs) verbessert. Jedoch lag jedes der in diesen Vergleichsbeispielen beinhalteten Elemente jenseits des Bereichs der vorliegenden Erfindung, und somit waren diese Vergleichsbeispiele in den anderen Eigenschaften als der Bearbeitbarkeit unterlegen. Auf diese Weise kann zumindest die Bearbeitbarkeit basierend auf dem Wert von Pm beurteilt oder geschätzt werden.
<Kriechversuch>
Für die Prüflinge des hitzebeständigen Gussstahls gemäß den Beispielen 3 und 4 wurde ein Kriechversuch durchgeführt. Für diese Prüflinge wurde ein hantelartiger massiver Rundstab mit einem parallelen Teil mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge von 30 mm aus dem B-Typ JIS Y-Block wie oben ausgeführt ausgeschnitten. Dann wurde ihre Kriechverformung gemessen, während eine Zugbelastung an beiden Enden des Prüflings in der Hochtemperaturatmosphäre bei 1000°C angelegt wurde, und die Relation zwischen der Zeit und der Kriechverformung (Kriechrate) wurde festgestellt. Zwei Grade der Belastung wurden angelegt, welche 20 MPa und 30 MPa umfassten. Tabelle 3 und 7 zeigen das Ergebnis. [Tabelle 3]

Kriechverformunge nach 100 h (%)

Belastung 30 MPa Belastung 20 MPa

Bsp. 3 6,0% 0,23%

Bsp. 4 0,21% 0,09%
<Ergebnis 2>
Im Vergleich zu Beispiel 3, welches kein Nb beinhaltete, wies Beispiel 4, welches Nb beinhaltete, nach 100-stündigem Halten bei 1000°C eine geringere Kriechverformung, d. h. eine geringe Kriechrate, auf. Diese beiden Beispiele besaßen in Bezug auf die Wärmeermüdung und die Bearbeitbarkeit ähnliche Eigenschaften wie im oben angegebenen Versuchsergebnis, und die Kriechrate war in jenem Beispiel, welches Nb beinhaltete, stark verbessert. Auf diese Weise zeigt das Ergebnis des Kriechversuchs, dass der hitzebeständige Gussstahl vorzugsweise Nb als ein wesentliches Element beinhaltet, um sowohl die Wärmeermüdung als auch die Kriechrate zu verbessern.
[Beispiele 12 bis 15]
Analog zu Beispiel 7 wurden Prüflinge aus hitzebeständigem Gussstahl gefertigt. Die Beispiele 12 bis 15 unterschieden sich von Beispiel 7 im Anteil an Zr, wie in Tabelle 4 gezeigt. Jeder dieser Prüflinge war ein hantelartiger massiver Rundstab mit einem parallelen Teil mit einem Durchmesser von 8 mm und einer Länge von 124 mm und wurde aus dem B-Typ Y-Block wie oben ausgeführt ausgeschnitten.
[Vergleichsbeispiele 14 bis 16]
Analog zu Beispiel 7 wurden Prüflinge aus hitzebeständigem Gussstahl gefertigt. Die Beispiele 14 bis 16 unterschieden sich von Beispiel 7 im Anteil an Zr wie in Tabelle 4 gezeigt.
<Hochtemperaturzugversuch>

Ein Hochtemperaturzugversuch wurde für die Prüflinge (n = 2) des hitzebeständigen Gussstahls von den Beispielen 12 bis 15 und den Vergleichsbeispielen 14 bis 16 durchgeführt. Der Versuch wurde unter Verwendung eines Autographs bzw. Autoklavs und einer Konstanttemperaturkammer, hergestellt von Shimadzu Corporation, und bei der konstanten Temperatur von 900°C und Zugrate von 0,6 mm/Min. durchgeführt. 8 und Tabelle 4 zeigen die Zugfestigkeit, die Dehngrenze und die Dehnung des hitzebeständigen Gussstahls der Beispiele 12 bis 15 und der Vergleichsbeispiele 14 bis 16. [Tabelle 4]

	Zr-Anteil (Ma%)	Festigkeit (MPa)	Dehngrenze (MPa)	Dehnung (%)
Bsp. 12	0,01	148	128,5	33,8
Bsp. 13	0,05	140,5	123,5	51,75
Bsp. 14	0,10	141,5	125,5	49,45
Bsp. 15	0,20	140	122,5	42,15
Vergl. bsp. 14	0,30	134	119,5	50,1
Vergl. bsp. 15	0,40	131,5	115,5	49,15
Vergl. bsp. 16	0,50	119	107	52,5

<Ergebnis 3>
Das Ergebnis zeigt, dass dann, wenn der Anteil an Zr 0,01 bis 0,20 Ma% wie in den Beispielen 12 bis 15 betrug, die Hochtemperaturfestigkeit (Zugfestigkeit, Dehngrenze) anders als in den Vergleichsbeispielen 14 bis 16 hoch war. Es kann davon ausgegangen werden, dass der hitzebeständige Gussstahl gemäß den Beispielen 12 bis 15 einen geeigneten Anteil an Zr beinhaltete und somit feinere Austenitkristallkörner aufwies, an der Kristallkorngrenze abgesondertes Cr (Chrom) dispergierte und das austenitische Gefüge stabilisierte. Wenn hingegen, wie in dem hitzebeständigen Gussstahl der Vergleichsbeispiele 14 bis 16, der Anteil 0,20 Ma% überstieg, dann kann davon ausgegangen werden, dass übermäßig viele feine Austenitkristallkörner die Hochtemperaturfestigkeit verschlechterten.
Dies ist eine detaillierte Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben angegebene Ausführungsform beschränkt, und die Ausführung kann verschiedenartig modifiziert werden, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen, die in den angehängten Ansprüchen definiert wird.

Claims

Hitzebeständiger austenitischer Gussstahl, umfassend: C: 0,1 bis 0,4 Ma%; Si: 0,8 bis 2,5 Ma%; Mn: 0,8 bis 2,0 Ma%; S: 0,05 bis 0,30 Ma%; Ni: 5 bis 20 Ma%; N: 0,3 Ma% oder weniger; Zr: 0,01 bis 0,20 Ma%; Ce: 0,01 bis 0,10 Ma%; eine oder mehrere Arten der Elemente, ausgewählt aus den folgenden Gruppen (i) bis (iii), welche mindestens (i) beinhalten, (i) Cr: 14 bis 24 Ma%, (ii) Nb: 1,5 Ma% oder weniger, und (iii) Mo: 3,0 Ma% oder weniger; sowie Fe und unvermeidbare Verunreinigungen als Rest.
Hitzebeständiger austenitischer Gussstahl nach Anspruch 1, ferner umfassend die Gruppe (ii) zusätzlich zu der Gruppe (i).