DE2627329B1 - Austenitisches gusseisen - Google Patents

Description

Durch die Erfindung soll ein austenitisches Gußeisen mit folgenden Eigenschaften geschaffen werden:

a) Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen

16,0 · 10-⁶und21,0 · 10~⁶ -^ bei20-100°C;

b) gute Verschleißeigenschaften und Festigkeitswerte, und zwar entsprechend GGL-NiCuCr 15 6 2 (DIN 1694);

c) gute intermetallische Bindung mit Aluminium-Legierungen mit Bindefestigkeiten >50 N/mm²;

d) folgende Bearbeitungseigenschaften: Die statischen und dynamischen Hauptschnittkräfte sollen in einem von GGL-NiCuCr 15 6 2 bekanntem Bereich bzw. nur geringfügig darüberliegen. Ebenso soll der Anteil harter Einlagerungen (Karbide) nicht wesentlich höher liegen, um bei einer mechanischen Bearbeitung ähnliche Werkzeugstandzeiten einhalten zu können;

e) gute Vergießbarkeit, und zwar sollen wie bei GGL-NiCuCr 15 6 2 folgende Forderungen erfüllt sein: Die Lunkerneigung, die Neigung zur Oxidhautbildung, das Fließvermögen und die Weißeinstrahlungsneigung sollen in einem von GGL-NiCuCr 15 6 2 her bekanntem Bereich liegen.
Insbesondere soll die Legierung im Schleuderguß verarbeitbar sein;

f) ausreichende Austenkstabilität, d. h. die Legierung sollte nach einer Wärmebehandlung von mind. 300 h bie 300° C keine Austenitzerfallsphasen aufweisen. Ferner soll die Legierung während kürzerer Wärmebehandlungen bei hohen Temperaturen (bis 8 h bei 500° C) und während des Aufbaus einer Eisenaluminitschicht sowie des Eingießvorganges ebenfalls keinen Austenitzerfall zeigen.

Eine solche Legierung eignet sich z. B. hervorragend für ein Werkstück, das ganz oder teilweise in einen Leichtmetallwerkstoff eingegossen, aufgeschrumpft oder eingepreßt wird. Bei dem Leichtmetall ist dabei insbesondere an Aluminium und seine Legierungen gedacht. Einen besonders vorteilhaften Werkstoff stellt die Legierung beispielsweise für Bewehrungen von Ringnuten (durch sogenannte Ringträger) bei Leichtmetallkolben von Verbrennungsmotoren dar. Denn solche Ringträger werden in den Kolben entweder eingegossen oder eingepreßt und müssen bei höchsten Beanspruchungen einen sicheren festen Sitz in dem

ι ο Leichtmetallwerkstoff gewährleisten.

Den eingangs genannten Forderungen entsprechende

Legierungen sind im Stand der Technik an sich bekannt.

Als Beispiel sei hier — nachfolgend als Legierung A

bezeichnet — genannt GGL-NiCuCr 15 6 2, mit der Zusammensetzung

2,4- 2,8% C, 1,8-2,4% Si, 1,0-1,4% Mn
13,5 -17,0% Ni₁1,0- 3,0% Cr, 5,0- 7,0% Cu

Diese Legierung hat jedoch den Nachteil, daß sie wegen ihres relativ hohen Ni-Anteils relativ teuer ist. Das gleiche gilt für die aus GB-PS 5 58 182 bekannte Legierung, deren Anteil an Ni mindestens bei 8%, in bezug auf den erfindungsgemäßen Anwendungszweck sogar bei wenigstens 12%, liegt.

Aus diesem Grunde sind schon frühzeitig Alternativlegierungen mit niedrigerem Ni-Gehalt vorgeschlagen worden. So in der DT-PS 6 83 699. Dort handelt es sich um ein austenitisches Gußeisen — im weiteren als Legierung B bezeichnet — folgender Zusammensetzung:

2,5- 3,5% C,
2,0- 5,0% Si
4,0-12,0% Mn
1,5- 8,0% Ni
0,0-10,0% Co

Größere Bedeutung erlangt hat unter anderem auch als Ringträgermaterial in Leichtmetallkolben folgender in diese Legierungsbereiche fallender Werkstoff — weiterhin Legierung C genannt — der Zusammensetzung:

2,7- 3,2% C

2,7- 3,9% Si

9,5-12O/o Mn

< 0,008% S

0,2- 0,4% Cr
5,0- 6,0% Ni

<0,3% Cu

Dieser Werkstoff hat folgende Eigenschaften:

Härte: 170 - 220 kp/mm2 HB 30/5.
Zugfestigkeit: 180-220 N/mm².
E-Modul: 100 000-120 000 N/mm².

Wärmeausdehnungskoeffizient

25-100°C : 17,5 · 10~⁶ 1/°C
25-200°C:18,6 · 10~⁶ 1/°C
25-300°C:19,l · 10~⁶ 1/°C
25-400°C:19,3 · 10~⁶1/°C

Spez. Gewicht: 7,4 ρ'cm³.
Wärmeleitfähigkeit: 0,05 cal/cm

⁰C.

Insbesondere bei der Verwendung als in ein Leichtmetall eingesetztes Bauteil, wie z. B. ein Ringträ-

ORIGiNAL INSPECTED

ger, hat dieser Werkstoff folgende Nachteile:

Hohe Härten und daraus resultierend hohe Schnittkräfte bei der Bearbeitung; hoher Werkzeugverschleiß durch große Mengen harter Gefügebestandteile (Zementitgehalte bis ca. 5% zulässig).

Dies zeigt sich vor allem in einem direkten Vergleich zu der Legierung A.

Legierung A

Legierung C

Härte HB 30
Zugfestigkeit
Graphitausbildung
Grundgefüge

120-160 kp/mm² 145-180 N/mm² Typ A (E) 4 + 5 nach ASTM

Austenit; wenig Karbide

170-220 kp/mm²
180-220 N/mm²
Typ A+ B 3-5 nach ASTM

Austenit;
Karbidmenge bis 5%

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Legierung mit einem gegenüber der Legierung A niedrigeren Ni-Gehalt und Eigenschaften, wie sie eingangs unter a — f angeführt sind, zu schaffen.

Durch die Senkung des Ni-Gehaltes soll der Werkstoff verbilligt werden, was besonders im Vergleich zur Legierung A gilt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Legierung nach Anspruch 1.

Dieser Werkstoff hat folgende mechanische Eigenschaften:

Zugfestigkeit:150-310 N/mm² Streckgrenze: 125-250 N/mm² Bruchdehnung: 1,0-2,0%
Härte HB 30:120-180 kp/mm².

Über das Gefüge läßt sich folgende Aussage machen: Das Gefüge ist in seiner Ausbildung mit dem der Legierung A vergleichbar. In der austenitischen Matrize sind nur wenige Karbide in gleichmäßiger Verteilung eingelagert. Die Graphitausbildung kann nach ASTM-Richtreihe in Typ A (E) Größe 4 — 5 eingeordnet werden. Bei der untersuchten Probe war die Legierung vor dem Vergießen mit 0,3% Ca-haltigem Impfmittel behandelt worden. Je nach Impfmittel und Technik können den Anforderungen entsprechend auch andere Graphitausbildungsformen eingestellt werden, wie z. B. Kugelgraphit.

An weiteren Werkstoffkenndaten lassen sich noch anführen:

E-Modul: 75 000 -110 000 N/mm² (dynamisch gemessen). _m Wärmeausdehnung: 16,5—17,5 · 10~⁶ (20-100⁰C). ^b Wärmeleitfähigkeit:0,065-0,070 kcal/cm -S-⁰C. Dichte: 6,9 kg/cm².
Druckfestigkeit: 1200—1500 N/mm². Bezüglich der die gewünschten Eigenschaften des Werkstoffes am wesentlichsten beeinflussenden Legierungsbestandteile kann im einzelnen noch folgendes gesagt werden:

Aluminium

Al wurde in erster Linie wegen seiner stark grafitisierenden Wirkung zugesetzt, um die normalerweise bei ca. 6% Mn einsetzende höhere Karbidbildung zu höheren Mn-Gehalten zu verschieben. Eine grafitisierende Wirkung könnte man zwar auch über erhöhten Si-Zusatz bewirken. Gegenüber dem entsprechenden Al-Zusatz würde dies jedoch zu einer schlechteren Austenitstabilität führen. Zurückzuführen ist dies auf eine gleichzeitig stark ferritisierende Wirkung des Si, welches die Temperaturen der eutektischen Umwandlung erhöht.

Mangan

Bei fehlendem oder geringem Ni-Gehalt sichert die Zugabe von Mn die erforderliche ausreichende Austenitstabilität. Durch den erfindungsgemäß festgelegten Mn-Gehalt erhält man in bezug auf die eingangs unter a—f genannten Eigenschaften ein gewisses Optimum.

Nickel

Der angegebene Ni-Gehalt ist in erster Linie wichtig für die Bearbeitungseigenschaften der Legierung; andernfalls könnte der Ni-Gehalt nämlich auch noch niedriger gehalten werden.

40

45 Kupfer

In dem erfindungsgemäßen Bereich an Cu erreicht die Austenitstabilität ein Maximum.

Chrom und Titan

Cr-Gehalte über 0,008% bewirken infolge ihrer starken Karbidbildung einen negativen Einfluß auf die Bearbeitbarkeit. Cr kommt hierbei eine katalytische Wirkung zu.

Titan

In kleinen Gehalten ist Titan ein stark grafitierendes Element. Diese Wirkung erreicht bei etwa 0,1% Ti ein Maximum, geht dann wieder zurück und erreicht bei etwa 0,5% wieder den Ausgangszustand. Bei dem erfindungsgemäßen manganaustenitischen Gußeisen haben sich Ti-Anteile zwischen 0,1 und 0,15% als optimal erwiesen. Titan vermag geringe Chromgehalte in ihrer katalytischen Wirkung zu neutralisieren.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Austenitisches Gußeisen mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 16,0 · 10~⁶ und

21,0· 10~⁶—j zwischen 20 und 100⁰C und Verschleiß- und Festigkeitseigenschaften entsprechend GGL-NiCuCr 156 2, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung

2,8 bis 3,4% C

2,0 bis 2,2% Si

8,5 bis 9,5% Mn

3,5 bis 4,0% Ni

weniger als 0,008% Cr

5,0 bis 5,5% Cu

1,5 bis 2,0% Al

0,1 bis 0,15% Ti

weniger als 0,02% P

weniger als 0,02% S

Rest Fe mit herstellungsbedingten Verunreinigungen.

2. Verwendung eines Gußeisens nach Anspruch 1 als Werkstoff zur Herstellung von Bewehrungen von Ringnuten in Aluminiumkolben für Verbrennungsmotore.