DE3432525A1

DE3432525A1 - Hitzebestaendiges kugelfoermiges graphit-ferrit-gusseisen

Info

Publication number: DE3432525A1
Application number: DE19843432525
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Yokohama Kanagawa Fukuhara; Shinichi Tokio/Tokyo Ohama
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1983-09-27
Filing date: 1984-09-05
Publication date: 1985-04-25
Also published as: DE3432525C2; GB2147007A; CH660754A5; JPS6070162A; FR2552447B1; IT1176831B; GB2147007B; IT8422871A1; IT8422871A0; JPS6250546B2; FR2552447A1; GB8424106D0

Description

PAK; ..« WALTE Dr. rer. na;. BIETER LOUI¹' Dipl.-Phys. ClAUS POHL' Dipl.-Ina. Γ- ANZ LOHt-?' Dipl.-Phy WOLFGANG i,ÜC

KESSLERPLATZ 1

8500 NÜRNBERG 2i 10

Ishikawajima Harima Jukogyo Kabushiki Kaisha No. 2-1 2-chome, Ote-machi, Chiyoda-ku Tokio-to / Japan

Hitzebeständiges kugelförmiges

Graphit-Ferrit-Gußeisen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung von hitzebeständigem kugelförmigem Graphit-Ferrit-Gußeisen und insbesondere hitzebeständiges kugelförmiges Graphit-Ferrit-Gußeisen, welches einen hohen Zähigkeitsgrad in einem Blaubrüchigkeits-Temperaturbereich aufweist.

Kugelförmiges Graphit-Gußeisen (Äquivalent zu JIS FCD 40) ist in weiten Bereichen als Ferrit-Gußeisen verwendet worden zur Herstellung von beispielsweise Turbinengehäusen von Turboladern und Auspuffrohren. Es wurde jedoch

gefunden, daß Ferrit-Gußeisen eine unzureichende Beständigkeit gegenüber Hitze aufweist (insbesondere Oxidationsbeständigkeit) , wenn die Temperatur des Auspuffgases auf so hohe Werte wie 800⁰C ansteigt.

Um dieses Problem zu überwinden, ist vorgeschlagen worden, Gußeisen mit hohem Siliciumgehalt und mit hoher Oxidationsbeständigkeit zu verwenden. Im Vergleich mit dem herkömmlichen kugelförmigen Graphit-Gußeisen besitzt Gußeisen mit hohem Si-Gehalt den Nachteil, daß es gegenüber wiederholtem Erhitzen anfällig ist, so daß sich Risse während der Verwendung ausbilden. Einer der Hauptgründe besteht darin, daß die Bruchdehnung weniger als 2 bis 3 % in dem sogenannten Blaubrüchigkeits-Temperaturbereich zwischen 3 00 und 400⁰C beträgt. ·

Darum wurde die Verwendung von Gußeisen mit hohem Si-Gehalt, welches 4 % Si und 1 % Mo enthält, vorgeschlagen (in dieser Beschreibung wird die Zusammensetzung in Ge-Wichtsprozenten, wie sie üblicherweise angegeben werden, ausgedrückt). Gußeisen mit hohem Si-Gehalt wurde bei der Herstellung von einigen Gehäusen von Turboladern für Autos und bei Auspuffrohren eingesetzt. Es wurde jedoch gefunden, daß bei ausschließlicher Angabe einer chemischen Zusammensetzung die Bruchdehnung bei Temperaturen zwischen 300 und 400°C gering ist und es schwierig ist, eine Bruchdehnung von mehr als 5 % zu erhalten.

Unter Berücksichtigung der voranstehenden Ausführungen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kugelförmiges Graphit-Ferrit-Gußeisen zur Verfügung zu stellen, welches eine hohe Bruchdehnung im Blaubrüchigkeits-Temperaturbereich aufweist und welches einem wiederholten Erhitzen widersteht. Das neue Gußeisen enthält 2,6 bis 3,8 % C, 3 bis 4,2 % Si, weniger als 0,5 % Mn, weniger als

0,1 % P, weniger als 0,03 % S, weniger als 0,6 % Mo und 0,02 bis 0,15 % Mg plus Seltenerdelemente, wobei die mittlere Ferrit-Korngröße weniger als 25 Mikron beträgt.

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen dem Si-Gehalt in kugelförmigem Graphit-Ferrit-Gußeisen und der Beständigkeit gegenüber Oxidation zeigt.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen dem Si-Gohalt in kugelförmigem Graphit-Ferrit-Gußeisen und der Bruchdehnung zeigt.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen dem Mo-Gehalt von kugelförmigem Graphit-Ferrit-Gußeisen und der Bruchdehnung zeigt.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Ferrit-Korngröße und der Bruchdehnung zeigt.

Die chemische Zusammensetzung des erfindungsgemäßen hitzebeständigen kugelförmigen Graphit-Ferrit-Gußeisens wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4, .die in von den Erfindern durchgeführten ausgedehnten Untersuchungen und Experimenten erhalten wurden, beschrieben.

Si besitzt die höchste Beständigkeit gegenüber Oxidation. Fig. 1 zeigt ein Beispiel der ausgedehnten Untersuchungen und Experimente, die von den Erfindern durchgeführt wurden, wobei die Beziehung zwischen dem Si-Gehalt und der Oxidationsbeständigkeit gezeigt wird. In Fig. 1 ist ent-

lang der Ordinate das Verhältnis in Prozent zwischen der Dicke eines unbeeinflußten Teils und der ursprünglichen Dicke abgetragen, die durch mikroskopische Untersuchung eines Querschnitts jeder Probe nach deren 6 00-fachen Erhitzung von Raumtemperatur auf 800⁰C erhalten wurden. Aus Fig. 1 ist zu sehen, daß bei einem Si-Gehalt von mehr als 3,5 % die Dicke-Änderung geringer wird; wenn jedoch in der Praxis angenommen wird, daß die Dicke eines unbeeinflußten Teils mehr als 85 % betragen muß, so muß der Si-Gehalt mehr als 3 % betragen.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Si-Gehalt und der Bruchdehnung. Aus Fig.· 2 ist abzulesen, daß bei einem Si-Gehalt von mehr als 3 % die Bruchdehnung bei 300 bis 400⁹C verringert wird und daß bei einem Si-Gehalt von mehr als 3,9 % die Bruchdehnung auf ein Minimum abnimmt.

Es folgt daher, daß der Si-Gehalt als 3 bis 4 % bestimmt wird, damit die Dicke eines unbeeinflußten Teils größer als 85 % werden kann und damit die Bruchdehnung mehr als 5 % bei 400⁰C betragen kann unter den Bedingungen, daß die Ferrit-Korngröße verringert wird, wie anschließend beschrieben wird, und eine geeignete Menge Mo zugesetzt wird.

Fig. 3 zeiqt die Beziehung zwischen dem Mo-Gehalt in einem Gußeisen und der Bruchdehnung in Prozent, wobei das Gußeisen einen derartigen Si-Gehalt aufweist, daß die Bruchdehnung bei 4 00⁰C weniger als 5 % wäre, wenn es keinen Mo-Gehalt gäbe. Fig.3 kann entnommen werden, daß die Bruchdehnung sehr verbessert wird, wenn der Mo-Gehalt zwischen 0,1 und 0,4 % liegt und daß bei einem Mo-Gehalt zwischen 0,05 und 0_#5 % die Bruchdehnung auf unterhalb von 5 % steigt. Jedoch kann aufgrund des Effektes, der durch Verringerung der Ferrit-Korngröße erzielt wird, der Mo-Gehalt von 0,6 und 0,7 % erweitert werden. Jedoch sind die C-Gehalte in

Gußeisen allgemein hoch, so daß eine Tendenz zur Carbid-Bildung besteht und somit die Zähigkeit abnimmt. Darum muß erfindungsgemäß der Mo-Gehalt weniger als 0,6 % betragen.
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Anschließend werden andere Elemente beschrieben. Wenn der C-Gehalt weniger als 2,6 % beträgt, wird die Anzahl an kugelförmigem Graphit unzureichend, so daß es schwierig wird, die Kristall-Teilchengröße auf ein gewünschtes Maß zu verringern. Darüber hinaus wird die Gießfähigkeit ungünstig beeinflußt. Wenn der C-Gehalt höher als 3,8 % liegt werden andererseits die Graphit-Teilchen vergrößert, wodurch sich eine Abnahme der Zähigkeit ergibt und ein Ansteigen der Schlackenmenge nach dem Gießen. Demzufolge muß erfindungsgemäß der C-Gehalt 2,6 bis 3,8 % betragen.

Wenn der Mn-Gehalt oberhalb von 0,5 % liegt, besteht eine Tendenz zur Pearlit-Erzeugung und die Bruchdehnung wird ungünstig beeinflußt. Das bedeutet, daß es schwierig wird, eine Bruchdehnung von mehr als 5 % zu erzielen. Demzufolge liegt das obere Limit des Mn-Gehaltes bei 0,5 %.

Wenn der P-Gehalt höher als 0,1 % liegt, so besteht eine Tendenz zur Entmischung an den Grenzen, woraus sich eine Abnahme der Bruchdehnung ergibt. Dadurch wird es unmöglich, eine Bruchdehnung von mehr als 5 % zu erzielen. Als Ergebnis muß erfindungsgemäß der P-Gehalt weniger als 0,1 %, wie in herkömmlichem Gußeisen betragen.

S tendiert zur Bewirkung einer Entmischung an den Grenzen und beeinflußt nachteilig die-Kugelbildung von Graphit. Wenn der S-Gehalt recht hoch ist, wird es schwierig, eine Streckung von mehr als 5 % zu erreichen. Somit muß der S-Gehalt weniger als 0,03 %, wie in dem herkömmlichen Gußeisen betragen.

Erfindungsgemäß ist der Rest, d.h. Mg plus Seltenerdelemente 0,02 bis 0,15 %. Wenn deren Gehalte weniger als 0,02 % betragen wird der Graphit nicht hinreichend kugelförmig. Wenn deren Gehalte höher als 0,15 % liegen können im wesentlichen ähnliche Effekte erzielt werden, jedoch besteht eine Tendenz zur Erzeugung von zu viel Manganoxiden. Als ein Ergebnis muß der Gehalt von Mg plus Sel~ tenerdelementen weniger als 0,15 % betragen. Es ist bedeutsam, daß lediglich Mg nicht als ein Mittel zum Erhalt von kugelförmigem Gußeisen verwendet wird und daß zusätzlich zu Mg Seltenerdelemente verwendet werden, so daß kugelförmiger Graphit fein verteilt und dispergiert ist.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der mittleren oder durchschnittlichen Ferrit-Korngröße, die aus kugelförmigem Gußeisen erhalten wird, welches 2,6 bis 3,8 % C, 3 bis 4,2 % Si und weniger als 1 % Mo enthält gemäß dem Testverfahren, welches in JIS G 0552 angegeben ist und dessen . Bruchdehnung bei 300 bis 400⁰C. Aus Fig. 4 kann abgelesen werden, daß mit kleiner werdender durchschnittlicher Ferrit-Korngröße die Bruchdehnung ansteigt· Daraus folgt, daß zum Erhalt einer Bruchdehnung von mehr als 5 % mit der oben angegebenen chemischen Zusammensetzung die durchschnittliche Ferrit-Korngröße weniger als 25 Mikron betragen muß.

Um die Ferrit-Korngröße zu verringern können herkömmliche Hitzebehandlungsverfahren angewendet werden oder es können Mittel eingesetzt werden, welche die kugelförmige Ausgestaltung unterstützen; so können beispielsweise Seltenerdelemente verwendet werden, so daß kugelförmiger Graphit fein verteilt und dispergiert werden kann.

Anschließend sollen die Ergebnisse von Vergleichstests zwischen dem erfindungsgemäßen Gußeisen und herkömmlichem

Gußeisen beschrieben werden. Tabelle 1 zeigt die chemischen Zusammensetzungen von typischen Testteilen; Tabelle 2 zeigt die mechanischen Eigenschaften und Tabelle 3 zeigt den Widerstand gegenüber Oxidation, Ferrit-Korngrößen und die Bedingungen der Hitzebehandlung. Die Teststücke Nr. 1 bis 3 wurden aus erfindungsgemäßem Gußeisen hergestellt und ihre Si-Gehalte wurden in der genannten Reihenfolge ersteigert. Mg plus Seltenerdelemente (RE) wurden als Mittel zur Erzielung der kugelförmigen Gestalt eingesetzt. Die Teststücke Nr. 4 bis 6 wurden aus herkömmlichem Gußeisen hergestellt. Das Teststück Nr. 4 enthielt den höchsten Mo-Gehalt, das Teststück Nr. 5 enthielt den höchsten Si-Gehalt und besaß eine große Korngröße und das Teststück Nr. 6 besaß den niedrigsten Si-Gehalt unter den Teststükken, die mit dem kugelförmigen Graphit-Gußeisen nach JIS äquivalent sind. Das Teststück Nr. 6 zeigt eine hohe Bruchdehnung bei 400⁰C, ist jedoch hinsichtlich seiner Beständigkeit gegenüber Oxidation unterlegen gegenüber dem erfindungsgemäßen Gußeisen. Das Teststück Nr. 6 enthält Mg als ein die Kugelform förderndes Mittel.

TABELLE 1

Nr. C Si Mn Mo Mg + RE ^:

1	3,27	3,21	0,15	0,29	0	,06
2	3,55	3,52	0,11	0,32	0	,10
3	3,32	4,13	0,15	0,32	0	,06
4	2,84	3,55	0,35	1 ,10	. Mg	0,04
5	3,00	4,01	0,30	-	Mg	0,04
6	3,42	2,45	0,25	-	Mg	0,05

Anmerkungen: Nr. 1-3: ρ = 0,04 - 0,06, S = 0,01 - 0,02 Nr. 4-6: ρ = 0,01 - 0,06, S = 0,01 - 0,02

	0,2 % Festigkeit kg f/min²	(370)	9	(494)	Dehnung Raumtempe ratur	343252
	37,8	(370)	I	(506)	12,7 ·
	37,8	(485)	TABELLE 2	(613)	19,1
Nr.	49,5	(468)		(543)	17,3	(%) 400°C
1	47,8	(443)		(566)	10,0	16,4
2	45,2	(258)	Zugfestig keit kg f/mm²	(403)	18,9	17,1
3	26,2	50,4		25,8	15,0
4	51,6		5,3
5	62,5	3,0
6	55,4	15,0
	57,8
	41,4

Anmerkung: Die Werte in Klammern sind die MPa-Angaben

	Oxidations- Charakte ristik (Variation der Dicke) <%)	TABELLE 3	750⁰C	H it zeb ehandlung
	88,7			χ 3h, Ofenkühlung (FC)
Nr.	92,8	Ferrit- Korn größe (um)		ditto
1	94,0	20	920⁰C χ	ditto
2	-	16	950⁰C	10h, FC und 800⁰C χ 2h,FC
3	-	18	750⁰C	χ 5h, FC
4	79,8	35		χ 3h, FC
5	32
6	23

Den obigen Tabellen ist zu entnehmen, daß die erfindungs-' 35 gemäßen kugelförmigen Gußeisen-Teststücke Nr. 1 bis Nr.

feine Ferrit-Kristallkörner aufweisen, ausgezeichnet hinsichtlich ihrer Beständigkeit gegenüber Oxidation sind und die höchste Bruchdehnung bei 4 00⁰C aufweisen.

Die Teststücke Nr. 4 und Nr. 5 entsprechen der chemischen Zusammensetzung, die durch die Erfindung angegeben wird, jedoch ist die Bruchdehnung bei 4 00⁰C bemerkenswert gering aufgrund der großen Korngröße.

Das Teststück Nr. 6, welches äquivalent zu JIS FCD 40 ist, besitzt eine hohe Bruchdehnung bei 400⁰C, ist jedoch unterlegen hinsichtlich seiner Oxidationsbeständigkeit im Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Gußeisen.

Wie zuvor beschrieben wurde, besitzt das erfindungsgemäße kugelförmige Gußeisen einen höheren Si-Gehalt als das kugelförmige Gußeisen nach JIS, jedoch geringer als ein Gußeisen mit hohem Si-Gehalt. Jedoch besitzt das erfindungsgemäße Gußeisen ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und die Duktilität oder Zähigkeit wird gesteigert, da die Korngröße gering ist. Darüber hinaus besitzt das erfindungsgemäße Gußeisen eine hohe Bruchdehnung im Blaubrüchigkeits-Temperaturbereich. Darum kann bei seiner Verwendung in der Herstellung von mechanischen Teilen, wie Turboladern, Auspuffrohren, oder ähnlichen Teilen, die wiederholt hohen Temperaturen ausgesetzt werden, Oxidation und Rißbildung verhindert und eine lange Gebrauchsdauer gewährleistet werden.

-/ΙΑ. - Leerseite -

Claims

PATENTANWÄLTE
Dr. rer. nai. DIETE R LOUIS Dfpl.-Phys. CtAUS PÖHLAU Dipl.-Ing. FRANZ LOHRENTZ Dipl.-Phys.WOLFGANG SEGETH _in KESSLERPLATZ 1

8500 NÜRNBERG 20

Ishikawajima" Häfiffiä TTükogyo Kabushiki Kaisha
No. 2-1 2-chome, Ote-machi, Chiyoda-ku
Tokio-to / Japan

Hitzebeständiges kugelförmiges

Graphit-Ferrit-Gußeisen

Patentanspruch

Hitzebeständiges kugelförmiges Graphit-Ferrit-Gußeisen,
enthaltend . 2,6 -3,8 % C, 3-4,2% Si, weniger als
0,5 % Mn, weniger als 0,1 % P, weniger als 0,03 % S,
weniger als 0,6 % Mo und 0,02 - 0,15 % Mg plus Seltenerdelemente, wobei die mittlere Ferrit-Korngröße weniger als 25 Mikron beträgt.