DE2915217A1

DE2915217A1 - Verfahren zur herstellung einer hochtemperatur-gusseisenlegierung und deren verwendung

Info

Publication number: DE2915217A1
Application number: DE19792915217
Authority: DE
Inventors: Raymund Dipl Chem Dr Dobbener
Original assignee: Individual
Current assignee: M Busch GmbH and Co KG
Priority date: 1979-04-14
Filing date: 1979-04-14
Publication date: 1980-10-30
Also published as: FR2453909A1; DE2915217C2

Description

DUISBURGER KÜPPERHÜTTE, DUISBURG

Je/bc/kl

12. April 1979

Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperatur-Gußeisenlegierung und deren Verwendung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Gußeisenlegierung, die sich für eine lang anhaltende hohe Temperaturbeanspruchung bei Temperaturen zwischen 500°C und 1000°C eignet.

Unter Grauguß wird eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, deren Kohlenstoffgehalt überwiegend in Form von Graphitlamellen ausgeschieden ist, verstanden. Die GraphitlameIlen weisen in ihrer Längsrichtung eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf, welche die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit des gesamten Graugusses bewirkt. Grauguß wird daher als bevorzugter Werkstoff für Kokillen, Zylinderbüchsen, Ventilführungen und Auspuffteile eingesetzt. Er findet seine Anwendungsgrenze jedoch dann, wenn die Außenkühlung eine lang anhaltende durchgehende Erwärmung der 5 gesamten GußStückwandung bis in den Temperaturbereich

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des Perlitzerfalls nicht mehr verhindern kann. Dieser Fall tritt z.B. bei Auspuffkrummem von Motoren mit einer hohen Abgastemperatur und geringer Außenkühlung auf. Nach der DE-OS 26 08 725 ist es bereits bekannt, eine Hochtemperatur-Gußeisenlegierung herzustellen, indem einer Gußeisenlegierung eine Hochtemperaturlegierung auf Nickelbasis zulegiert wird.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren zr.r herstellung einer Graugußlegierung mit einer hohen Temperaturbeständigkext, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man einer geschmolzenen Graugußlegierung mit einem Gehalt von weniger als 0,2 Gew.-% Phosphor zunächst Chrom, Nickel, Kupfer und Molybdän in Form ihrer Metalle und/oder als Ferrolegierung einzeln oder im Gemisch von 0,1 bis ca. 3 Gew.-% und anschließend Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadin, Niob, Tantal und Wolfram in Form ihrer Metalle und/oder als Ferrolegierung einzeln oder im Gemisch bis zu 0,02 bis 0,5 Gew.-% - bezogen auf die Schmelze - zusetzt und der Schmelze kurz vor dem Vergießen ein Aufstickungsmittel zufügt.

Das erfindungsgemäß hergestellte Gußeisen ist hervorragend als Material für solche Teile geeignet, die einer hohen Temperatur- bzw. Temperaturwechselbeanspruchung unterliegen, z.B. für Auspuffkrümmer. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher die Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gußeisenlegierung für Teile, die einer hohen Temperaturbeanspruchung bzw. einer hohen Temperaturwechselbeanspruchung unterliegen. Desgleichen ist die Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge-

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stellten Legierung für Auspuffteile Gegenstand der Erfindung.

Typisches Merkmal der nach dem erfindungsgemäSen Verfahren hergestellten Legierung ist, daß sie im Gußzustand neben fein lamellarem Perlit, der bei hoher Temperatürbeanspruchung (z.B. im Bereich von 700 bis 800 ⁰C) teilweise zerfallen kann, noch zusätzliche, thermisch stabile, feine CarbonitridausScheidungen enthält. Carbcnitrid ist definiert als Mischverbindung eines Carbides und eines Nitrides des gleichen Elementes, z.B. Niob-Carbonitrid NbC-NbN.

Wegen der lückenlosen Mischbarkeit kann das Verhältnis von Carbid zu Nitrid in beliebig großen Bereichen zwischen reinem Carbid und reinem Nitrid schwanken. Die in Vielstofflagierur.gen auftretenden Carbonitride sind meist komplex 2us^v_-nengesetzt, d.h. sie können mehrere der vorstehend genannten Metalle enthalten.

Die Entstehung von Carbonitriden kann in relativ einfacher Weise durch metallurgraphische Schliffe der Gußstücke erkannt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde eine relativ einfache Methode gefunden, Carbonitride im Gußeisen möglichst fein zu verteilen und auf diese Art und Weise eine hohe Temperaturbeständigkeit erreicht. Dazu wird eine Gußeisenlegierungsschmelze, z.B. in der Güteklasse GG-25 nach DIN 1691, die einen niedrigen Phosphorgehalt, d.h. möglichst unter 0,2, vorzugsweise unter 0,15 Gew.-% Phosphor besitzt, zunächst mit Legierungskombinationsmetallen wie Chrom, Nickel, Kupfer, Molybdän sowohl einzeln oder auch im Gemisch von 0,1 bis zu 3 &ew.-%, z, B_e mit 1 % Ni,

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0,5 % Cr₇ 0,3 % Mo und 0,25 % Cu versetzt. Daraufhin wird dieser Legierung Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadin, Ni-cb, Tantal und Wolfram einzeln oder in beliebigem Mischungen von ca. 0,02 bis 0,5 Gew.-% zugesetzt, eine alleinige Zugabe von Titan ist jedoch tür die später erzielten Eigenschaften der herstellten Teile nicht so günstig. Anschließend wird der Legierungsschmelze ein Aufstickungsmittel zugefügt. Das kann z.B. geschehen, wenn das Eisen zum Gießen der Gußstücke aus dem Schute Iz- oder Warmhalteofen in eine Pfanne abgestochen wird. Als Aufstickungsmittel werden die in der Stahlmetallurgie benutzten Materialien verwendet; hierzu gehören z.3. die stickstoffhaltigen Ferrolegierungen mit der Kurzbezeichivjng FeCrN, FeMnN, FeMnVN sowie die Chemikalien auf Cyanamidbasis wie "Mecazote", "Granazote" etc. Die Aufstickungsnittel werden in einer solchen Menge zugesetzt, daß die zugeführte Stickstoffmenge im Bereich von 5 - 50 %, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 50 Gew.-% der für die Bildung von -'einem Metallnitrid stöchiometrisch erforderlichen Menge liegt. Unter Metallnitrid werden hier die Nitride von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadin, Niob, Tantal und/ocer Wolfram verstanden. Als höchster Absolutwert soll jedoch auch bei einem höheren Gehalt an Carbo-..itrid bildenden Elementen eine Zugabemenge von 0,1 Gew.-% Stickstoff (bezogen auf das Eisengewicht) nicht überschritten werden. Ein hierdurch sich errechnender "Überschuß" an Carbonitrid-bildenden Elementen wirkt sich nicht sä tor end; sondern festigkeitssteigernd auf das Gußeisen aus.

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Der exakte Aufstickungsgrad hängt von den Schmelzbedingungen, von den eingesetzten Aufstickungsmitteln, von den zugegebenen Carbonitridbildenden Elementen und von den Zugabemethoden ab." Das Optimum muß daher im jeweiligen Betrieb ermittelt werden. So reichen schon 5 bis 20 % der stöchiometrisch erforderlichen Stickstoffmengen zur Erzielung feiner Carbonitridausscheidangen aus, vorzugsweise werden jedoch 20 bis 50 % der erforderlichen Stickstoffmenqen eingestellt- Es ist auch nicht auszuschließen, daß bei ungünstigen betrieblichen Bedingungen die oben angegebenen Mengen um ca. 50 bis 100 % vergrößert werden müssen.

Die feinen Carbonitridausscheidungen sind gegen thermisehe Belastung im Bereich des Perlitzerfalls stabil, koagulieren nicht und verhindern dadurch ainen übermäßigen Festigkeitsabfall. Die Bearbeitbarkeit des Eisens wird durch diese Art der Ausscheidung praktisch nicht verändert. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hochtemperatur-Gußeisenlegierungen eignen sich besonders gut für solche Gußteile, die einerseits sehr hohen Dauertemperaturen, andererseits aber auch wechselnd hohen Temperaturen, wie z.B. Auspuffanlagen ausgesetzt sind. Der Legierungsgehalt gewährleistet auch nach längerer Belastungszeit, z.B. nach über 100 000 km Fahrstrecke eines PKW, noch eine ausreichende Festigkeit.

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Claims

Patentansprüche

1) Verfahren zur Herstellung einer Graugußlegierung mit einer hohen Temperaturbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß man einer geschmolzenen Graugußlegierung rät einem Gehalt von weniger als 0,2 Gew.-% Phosphor - bezogen auf den Eisengehalt - Chrom, Nickel, Kupfer und Molybdän in Form ihrer Metalle und/oder Ferrolegierung einzeln oder im Gemisch von ca. 0,1 bis 2.U ca. 3 Gew.-% - bezogen auf den Eisengehalt - und zusätzlich Titan, Zirkon, Hafnium, Vandin, Niob, Tantal und Wolfram in Form ihrer Metalle und/oder als Ferrolegierung einzeln oder im Gemisch bis zu 0,02 bis 0,5 Gew.-% - bezogen auf die gesamte Schmelze - zusetzt und der Schmelze kurz vor dem Vergießen ein Aufstickungsmittel zufügt.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, "' 5 daß soviel Auf stickungsmittel zugefügt wird, daß

5 bis 50 % der zugegebenen Carbonitrid-bildenden Elemente zu Nitrid umgesetzt werden können.

3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß maximal 0,1 Gew.-% - bezogen auf die Eisenmenge - als Aufstickungsmittel zugesetzt werden.

4) Verwendung der nach einem oder mehieren der Ansprüche 1 bis 3 hergestellten Legierung für Teile, die einer hohen Temperaturbeanspruchung unterliegen.

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.1) Verblendung der nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 h-3 3 hergestellten Legierung für Teile, die einer hohen Temperaturwechselbeanspruchung unterliegen.

6) Verwendung der nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 hergestellten Legierung für Auspuffteile.

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