DE3543601A1

DE3543601A1 - Hitzebestaendiger gussstahl

Info

Publication number: DE3543601A1
Application number: DE19853543601
Authority: DE
Inventors: Yuji Okada; Shigetoshi Toyota Aichi Sugimoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1984-12-10
Filing date: 1985-12-10
Publication date: 1986-06-19
Anticipated expiration: 2005-12-11
Also published as: DE3543601C2; JPH0359967B2; JPS61139649A

Description

Hitzebeständiger Guß stahl
Die Erfindung bezieht sich auf hitzebeständigen Guß stahl, der für Teile eines Auspuffsystems einer Fahrzeugmaschine geeignet ist.
Bei den derzeit bestehenden Fahrzeugmaschinen und insbesondere Kraftfahrzeugmaschinen wurde sowohl bei den Benzinmaschinen als auch bei den DieseLmaschinen der Verbrennungswirkungsgrad verbessert, um eine hohe Ausgangsleistung und einen niedrigen Brennstoffverbrauch zu erreichen. Diese Verbesserung wurde durch ein Anheben der Abgastemperatur bewerkstelligt. Insbesondere bei einem solchen Auspuffsystem müssen die Teile wie Sammelleitungen, Turbinengehäuse und Turbinenräder von Turboladern, Dieselmaschinen-Kammern und dergleichen harten Betriebsbedingungen standhalten. Infolgedessen ist die Bedeutung des Wählens der Materialien für diese Teile zu überdenken.
Herkömmlicherweise wurden für Teile eines Auspuffsystems Materialien wie hitzebeständiges Gußeisen, z. B. Gußeisen mit hohem Siliziumgehalt, Ni-Resist-Gußeisen, Aluminium-Gußeisen usw. und insbesondere hitzebeständiges Gußeisen vom System mit hohem Cr-Gehalt (Ferrit-System) oder mit hohem Cr-Gehalt sowie hohem Ni-Gehalt (Austenit-System) verwendet Obgleich die Gießeigenschaften des Gußeisens hervorragend für die Massenproduktion sind, hat das Gußeisen eine geringe Wärmebeständigkeit oder eine geringe Oxidationsbeständigkeit bei hohen Betriebstemperaturen von 8000C und darüber; infolgedessen hat das Gußeisen eine kurze Standzeit bzw. geringe Haltbarkeit. Andererseits ist hitzebeständiger Guß stahl hinsichtlich der Wärmebeständigkeit und der Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen selbst bei 8000C oder darüber hervorragend; der Gußstahl ist jedoch nicht sehr gut für die Massenproduktion geeignet, da er schlechte Gießeigenschaften hat, schwierig zu bearbeiten ist-und unvermeidbar kostspielig ist, weil für die Legierungen ein großer Anteil an teuren Elementen erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hitzebeständigen Gußstahl zu schaffen, der. sowohl hervorragende Wärmebeständigkeit als auch hervorragende Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen hat und der unter verhältnismäßig geringen Kosten gewonnen werden kann.
Der hitzebeständige Guß stahl gemäß der Erfindung enthält als Grundkomponenten in Gewichtsprozenten 0,3 bis 2,5 % an C, 1,5 bis 4,5 % an Si, 1,0 % oder weniger an Mn, 0,05 % oder weniger an P, 0,10 % oder weniger an S und 5,0 bis 14,0 % an Cr, wobei der restliche Teil aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Bei dem hitzebeständigen Gußstahl mit dieser Zusammen- setzung werden durch den C-Gehalt sowohl die Festigkeit als auch die Gießeigenschaften verbessert, jedoch ist die Wirkung gering, wenn der C-Gehalt geringer als 0,3 % ist.
Wenn der Gehalt größer als 2,5 % ist, wird in dem Gußstahl Graphit gebildet. Infolgedessen wird dessen Festigkeit verringert und Cr-Carbid gebildet, wodurch die Cr-Konzentration in einer Matrix vermindert wird. Daher wird der wirkungsvollste Gehalt an C auf 0,3 bis 2,5 % festgelegt.
Mit dem Si werden die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und die Gießeigenschaften verbessert, jedoch ist die Wirkung bei einem Si-Gehalt von 1,5 % gering, während bei einem Gehalt von über 4,5 % das Primärcarbid grob bzw. grobkörnig wird. Infolgedessen werden die mechanische Bearbeitbarkeit und die Härte nachteilig beeinflußt. Daher wird der Si-Gehalt auf 1,5 bis 4,5 % festgelegt. Durch das Mn werden gleichermaßen wie durch das Si die Gießeigenschaften verbessert, jedoch wird der Gehalt auf weniger als 1,0 % festgelegt, weil das Mn vorzugsweise nicht ferritisch sein soll. Falls der Gehalt an P über 0,05 % liegt, besteht die Möglichkeit einer Kristallisierung des Steadits oder einer Förderung eines Perlit-Zustands. Daher wird der P-Gehalt auf weniger als 0,05 t festgelegt. S ist bei dem normalen Gebrauch nicht besonders notwendig, verbessert aber die mechanische Bearbeitbarkeit, da MnS gebildet wird. Daher wird den Komponenten S hinzugefügt. Wenn in diesem Fall der S-Gehalt über 0,1t liegt, wird die Härte des erfindungsgemäßen Stahls beeinträchtigt. Daher wird der S-Gehalt auf weniger als 0,1 % festgelegt. Gleichermaßen wie durch den Si-Gehalt wird durch den Cr-Gehalt die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen verbessert, jedoch ist die Wirkung gering, wenn der Cr-Gehalt weniger als 5,0 % beträgt. Bei einem Gehalt über 14,0 % wird ein großer Anteil an Carbid großer Härte gebildet, wodurch die mechanische Bearbeitbarkeit vermindert wird. Daher wird der Cr-Gehalt auf 5,0 bis 14,0 * festgelegt.
Der erfindungsgemäße hitzebeständige Gußstahl kann andere Komponenten enthalten, die für das Hervorrufen der Wärmebeständigkeit oder Oxidationsbeständigkeit wirkungsvoll sind. Zum Verbessern der Wärmebeständigkeit und der Oxidationsbeständigkeit bei höhen Temperaturen ist es zweckdienlich, wenn der Gußstähl als diese Komponenten Mo und/oder W enthält; wenn zu wenig hinzugefügt wird, wird der Stahl nicht der Zusatzmenge entsprechend verbessert, während die Materialkosten steigen. Daher sollte der Gehalt vorzugsweise 2,0 bis 6,5 % betragen.
Ferner kann als genannte andere Komponenten mindestens eines der Elemente Nb, Ta oder V gewählt werden. Nb, Ta und V können nicht nur durch ein Anheben der eutektoidischen Umwandlungstemperatur die thermische Widerstandsfähigkeit bzw. Wärmebeständigkeit verbessern, sondern auch durch das Einschränken der Abscheidung von sekundärem Cr-Carbid bei hohen Temperaturen die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen; falls zu wenig hinzugefügt wird, ist die Wirkung gering, während bei einer zu hohen Zugabe ein großer Anteil an Hartcarbid gebildet wird. Daher wird die mechanische Bearbeitbarkeit des Gußstahls vermindert und auch dessen Härte herabgesetzt. Infolgedessen sollte der Gehalt vorzugsweise auf 1,0 bis 6,0 % festgelegt werden.
Darüberhinaus können als genannte andere Komponenten mindestens eines der Elemente Nb, Ta oder V und mindestens eines der Elemente Mo oder W unter Überschneidung bzw.
gleichzeitiger Verwendung gewählt werden. Dies dient zu einem zusammenwirkenden Verbessern der Wärmebeständigkeit und der Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, jedoch wird aus den vorstehend angeführten Gründen für Nb, Ta und V der Gehalt vorzugsweise auf 0,5 bis 6,0 æ festgelegt. Falls andererseits zuviel Mo und W hinzugefügt wird, ist es nicht möglich, eine der hinzugefügten Menge entsprechende Verbesserung zu erreichen, während andererseits die Materialkosten unnötigerweise gesteigert sind. Daher wird der Gehalt vorzugsweise auf 0,2 bis 1,0 % festgelegt.
Ferner kann als genannte weitere Komponente Ti gewählt werden. Ti verbessert die Oxidationsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit bei hohen Temperaturen, jedoch ist die Wirkung gering, wenn zu wenig hinzugefügt wird, während eine Kristallisation zu hartem TiC erfolgt, wenn zuviel hinzugefügt wird. Dadurch wird die mechanische Bearbeitbarkeit vermindert. Daher wird der Ti-Gehalt vorzugsweise auf 0,15 bis 4,6 æ festgelegt.
Darüberhinaus kann als andere Komponente Al gewählt werden. Al verbessert die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, jedoch ist die Wirkung gering, wenn zuwenig hinzugefügt wird, während die Gießeigenschaften beeinträchtigt werden, wenn zuviel hinzugefügt wird. Daher wird der Al-Gehalt vorzugsweise auf 0,5 bis 2,0 % festgelegt.
Ferner kann als andere Komponente B gewählt werden. B verbessert die Festigkeit bei hohen Temperaturen durch Verstärkung der Korngrenzen sowie die Oxidationsbeständigkeit, jedoch ist die Wirkung gering, wenn zuwenig hinzugefügt wird, während der hitzebeständige Guß stahl einen höheren Härtewert erhält, wenn zuviel hinzugefügt wird.
Infolgedessen werden sowohl die mechanische Bearbeitbarkeit als auch die Elastizität vermindert. Daher wird der B-Gehalt vorzugsweise auf 0,1 bis 3,8 g festgelegt.
Ferner können als andere Komponenten Al und B gleichzeitig gewählt werden. Mit Al und B wird durch deren Zusammen- wirkung die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen verbessert, jedoch ist die Wirkung gering, wenn zuwenig von dem jeweiligen Element hinzugefügt wird, während die Elastizität verringert ist, wenn zuviel zugefügt wird.
Daher wird jeweils der Gehalt Al bzw. an B vorzugsweise auf 0,5 bis 2,0 % bzw. 0,1 bis 3,0 z festgelegt. Falls in diesem Fall der jeweils angegebene Anteil oder mehr in Verbindung mit Cr hinzugefügt wird, ist die Wirkung kaum erkennbar. Daher werden die beiden Anteile vorzugsweise so festgelegt, daß die Bedingung Al + B ( Cr/2 erfüllt ist.
Ferner kann als genannte andere Komponente Cu gewählt werden. Cu verbessert die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und wirkt einer Zersetzung oder Pulverisierung von Primärcarbid entgegen; falls aber zuwenig Cu hinzugefügt wird, ist die Wirkung gering, während die Gießeigenschaften beeinträchtigt werden, wenn zuviel hinzugefügt wird. Daher wird der Cu-Gehalt vorzugsweise auf 0,5 bis 7,5 % festgelegt.
Der hitzebeständige Guß stahl, dessen Komponenten gemäß den vorstehenden Ausführungen bestimmt sind, kann in praktischer Weise eingesetzt werden, nachdem die für Guß stahl normale Ausglühbehandlung vorgenommen wurde. Beispielsweise kann die Ausglühbehandlung derart bewerkstelligt werden, daß der Stahl bei 900 bis 9500C für eine halbe Stunde oder darüber zu Austenit-Stahl geformt wird, auf 680 bis 7500C abgekühlt und für 5 Stunden oder länger bei dieser Temperatur gehalten wird und schließlich luftgekühlt wird.
Der durch diese Ausglühbehandlung geformte erfindungsgemäße hitzebeständige Guß stahl enthält eine Metallstruktur, bei der in einer Ferrit-Grundmasse dendritisches Primärcarbid (eutektisches Carbid) und abgeschiedenes Sekundär- carbid verteilt sind und kein Graphit enthalten ist.
Der erfindungsgemäße hitzebeständige Guß stahl ist wegen seiner Gießeigenschaften und seiner mechanischen Bearbeitbarkeit, die denjenigen des herkömmlichen hitzebeständigen Gußeisens gleich sind, sowie auch wegen seiner Güte und Haltbarkeit ideal für die Massenproduktion, da seine hohe Wärmebeständigkeit (Festigkeit bei hohen Temperaturen) gleich derjenigen des herkömnlichen hochlegierten hitzebeständigen Gußstahls ist, wobei die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen einen angemessenen Ausgleich der angestrebten Eigenschaften ergibt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1, 2, 7, 9, ii, 13, 15 bis 17 und 19 sind grafische Darstellungen, die Ergebnisse von Prüfungen der Oxidationsbeständigkeit des erfindungsgemäßen hitzebeständigen Gußstahls bei hohen Temperaturen im Vergleich zu Vergleichsproben zeigen.
Fig. 3 ist eine grafische Darstellung, die Ergebnisse einer Prüfung der Größenänderung des hitzebeständigen Gußstahls im Vergleich zu Vergleichsproben zeigt.
Fig. 4, 8, 10, 12 und 14 sind grafische Darstellungen, die Ergebnisse von Wärmeermüdungs-Prüfungen des hitzebeständigen Gußstahls im Vergleich zu Vergleichsproben zeigen.
Fig. 5 und 6 sind Mikroskop-Aufnahmen, die die Mikrostruktur des erfindungsgemäßen hitzebeständigen Guß stahls zeigen.
Fig. 8 ist eine grafische Darstellung, die Ergebnisse einer Hochtemperatur-Zugbelastungsprüfung im Vergleich zu Versuchsproben zeigt.
Fig. 18 und 20 sind grafische Darstellungen, die Ergebnisse einer Kriechreißfestigkeitsprüfung des erfindungsgemäßen hitzebeständigen Gußstahls im Vergleich zu Vergleichsproben zeigen.
Fig. 22 ist eine grafische Darstellung, die Ergebnisse einer Fließfähigkeitsprüfung des erfindungsgemäßen hitzebeständigen Gußstahls im Vergleich zu Vergleichsproben zeigt.
Fig. 23 ist eine Vorderansicht einer Gußform für eine Fließfähigkeitsprüfung.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen hitzebeständigen Gußstahls ausführlich im Vergleich zu Vergleichsproben beschrieben.
1. Ausführungsbeispiel Die Tabelle 1 zeigt die chemischen Bestandteile von erfindungsgemäßen Materialien bzw. Stählen 1 bis 3 und Vergleichsmaterialien 1 bis 6, die für die Verwendung in einem Laboratorium zusammengestellt wurden.
Tabelle 1 Probe Chemische Bestandteile (Gew.-%) C Si Mn P S Cr Erfindungsgem.
A 1.0 3.0 0.5 0.002 0.001 8.0 Material 1 B n 2 1.0 3.0 0.5 0.002 0.001 5.0 c 3 0.5 3.0 0.5 0.002 0.001 8.0 Vergleichsa material 1 0.7 3.0 0.5 0.001 0.001 2.0 b " 2 1.0 1.0 0.5 0.001 0.001 8.0 c " 3 3.6 3.8 0.6 0.05 0.01 -Ni d " 4 3.0 2.6 2.1 23.0 -e " 5 0.1 1.0 0.5 0.01 0.01 13.2 f 6 2.9 4.0 0.4 ZU.U 2.0 Bei dem Gießen wurde das Material mittels eines 20 kg-Hochfrequenz-Schmelzofens atmosphärisch geschmolzen, wonach es im Zustand Fe-Si (75 %) desoxidiert wurde. Dann wurde es bei mindestens 15500C angezapft bzw. abgestochen und bei mindestens 1450°C gegossen. Hierfür wurde eine Form des JIS-Typs A verwendet. Die erfindungsgemäßen Materialien 1 bis 3 und die Vergleichsmaterialien 1 und 2 wurden nach dem Erwärmen der gegossenen Probestücke auf 9300C für eine halbe Stunde für 3 Stunden in einen 720°C-Ofen eingelegt und dann auf Normaltemperatur abgekühlt. Danach wurden verschiedenerlei Probestücke, die aus den gegossenen Probestücken hergestellt wurden, jeweils für die Prüfung hinsichtlich der Oxidation bei hohen Temperaturen, der Größenänderungen und der thermischen bzw.
Wärmeermüdung gebildet.
Die Fig. 1 und 2 zeigen die Ergebnisse der Prüfung hinsichtlich der Oxidation bei hohen Temperaturen. Die Prüfung wurde derart bewerkstelligt, daß die Materialien für 100 Stunden jeweils bei 8000C bzw. 9000C gehalten wurden und dann die Oxidationsverluste ermittelt wurden.
Gemäß den in Fig. 1 und 2 gezeigten Ergebnissen zeigen die Materialien A, B und C als Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gußstahls nahezu den gleichen Oxidationsverlustgrad wie der Stahl SCSI (e) nach der japanischen Industrienorm (JIS), der ein Ferritsystem-Gußstahl mit hohem Cr-Gehalt ist; dadurch zeigte der Stahl gemäß den Ausführungsbeispielen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation bei hohen Temperaturen. Im Gegensatz dazu haben die Ergebnisse gezeigt, daß das Material a, das das gleiche System wie der erfindungsgemäße Guß stahl ist und einen niedrigen Cr-Teilgehaltvon 2,0 % hat, und das Material b, das einen niedrigen Si-Teilgehalt von 1,0 % hat, derart stark angegriffen wurden, daß sie nicht besser waren als Gußeisen mit hohem Si-Gehalt (C) oder Ni-Resist (d).
Die Fig. 3 zeigt die Ergebnisse einer Größenänderungsprüfung. Die Prüfung wurde in der Weise bewerkstelligt, daß das jeweilige Material mindestens 300-malig einem Temperaturwechsel zwischen 9000C und 5000C und umgekehrt unterzogen wurde und die Größenabweichungen ermittelt wurden. Die Größenänderung wurde nach folgender Gleichung (1) berechnet: Länge nach der Prüfung - Länge vor der Prüfun Größenänderung = --------------------------------------Länge vor der Prüfung x 100 (1) Es wurde ermittelt, daß die Probe A aus dem erfindungsgemäßen Material selbst nach dem 300-maligen Temperaturwechselzyklus kaum eine Größenänderung zeigt und somit seine thermische Beständigkeit hervorragend ist. Andererseits zeigt die Probe c aus dem Gußeisen mit dem hohen Si-Gehalt eine ziemlich große Größenänderung. Ferner zeigt die Probe f aus Ni-Resist eine Größenänderung, die kleiner als diejenige des Gußeisens mit dem hohen Si-Gehalt (Probe c) ist, aber größer als diejenige bei dem erfindungsgemäßen Material.
Die Fig. 4 zeigt das Ergebnis einer Wärmeermüdungsprüfung.
Die Prüfung wurde auf diese Weise bewerkstelligt, daß unter Einspannen eines Probe stücks das Material Temperaturwechseln zwischen 9000 und 4000 unterzogen wurde und die Anzahl der wiederholten Temperaturwechsel bis zum Bruch bei einem Zyklus je 10 Minuten ermittelt wurde. Der Einspannungsfaktor wurde nach folgender Gleichung (2) ermittelt: freie Dehnung - Zwangs dehnung Einspannfaktor = --------------------------------------freie Dehnung x 100 (2) Diese Prüfung hat bewiesen, daß die Probe A aus dem erfindungsgemäßen Material eine weitaus größere Anzahl von Wiederholungszyklen aushält als die Probe f aus Ni-Resist und somit hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischer Ermüdung hervorragend ist. Insbesondere war bei einem Einspannfaktor von 30 % die Probe A selbst bei 6 x 103-facher Wiederholung nicht gebrochen.
Hierbei wurde festgestellt, daß die Proben A, B und C aus dem erfindungsgemäßen Guß stahl das gleiche Ausmaß an Gießeigenschaften wie das Gußeisen c mit dem hohen Si-Gehalt und das gleiche Ausmaß der thermischen Widerstandsfähigkeit wie der Stahl SCSI der Probe e haben.
Ferner wurde festgestellt, daß die Proben A, B und C aus dem erfindungsgemäßen Material bzw. Gußstahl jeweils eine Hv-Härte von 300 oder darunter haben, so daß hinsichtlich der mechanischen Bearbeitbarkeit keine Probleme entstehen.
Ferner wurde ein Turbinengehäuse mit den gleichen Komponenten wie das erfindungsgemäße Material 1 (Probe A) zusammengeschweißt und für eine Haltbarkeitsprüfung an einem Sockel angebracht. Die Prüfung wurde dadurch bewerkstelligt, daß dieses Gehäuse in einen Benzinmotor mit 6 Zylindern bei 2000 cm3 Hubraum und mit einem Temperaturverlauf bis zu einer maximalen Abgas- bzw. Auspufftemperatur von 9500C eingebaut wurde. Dabei hatte im Vergleich zu dem herkömmlichen Material, dem Gußeisen mit hohem Si-Gehalt dieses Turbinengehäuse eine Oxidationsschichtdicke von weniger als 1/5 und eine um 60 % lÄngere Lebenszeit bis zum Entstehen von Rissen. Weiterhin sind in den Fig. 5 und 6 jeweils unter 100-facher bzw. 400-facher Vergrößerung die Mikrostrukturen des erfindungsgemäßen Materials 1 (der Probe A) gezeigt, wobei dendritisches Primärcarbid 2 und körniges Sekundärcarbid 3 in einer weißen Ferritgrundmasse 1 verteilt sind.
2. Ausführungsbeispiel Auf grundlegend die gleiche Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurden erfindungsgemäße Materialien bzw. Gußstähle 4 bis 6 und Vergleichsmaterialien 7 bis 10 gemäß der Tabelle 2 hergestellt und dann einer gleichartigen Prüfung hinsichtlich der Oxidation bei hohen Temperaturen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel sowie einer Hochtemperatur-Belastungsprüfung bei hohen Temperaturen unterzogen.
Tabelle 2 Probe Chemische Bestandteile (Cew.-%) C Si Mn P S Cr Mo D Erfindungsgem. 1.0 4.0 0.5 0.02 0.001 7.6 2.0 Material 4 F " 5 0.8 2.1 0.7 0.01 0.002 5.2 Mo 4.0 F n 6 2.1 3.7 0.3 0.01 0.002 10. Mo 6.2 Vergleichsg material 7 3.6 3.8 0.2 0.05 0.01 -h " 8 2.9 4.0 0.4 - - 2.1 Ni 20.5 i " 9 0.-1 1.0 0.5 ' 0.01 0.01 13.2 j n 10 0.04 0.7 1.0 0.02 0.01 19.0 Ni 9.7 Die Fig. 7 zeigt die Ergebnisse der Prüfung der Oxidation bei hohen Temperaturen. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Gußstähle der Proben D, E und F eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation bei hohen Temperaturen haben, die den gleichen Wert wie der Stahl SCSI (Ferrit-System) gemäß der japanischen Industrienorm hat und nur geringfügig schlechter als der Stahl SCS13 (Austenit-System) gemäß der japanischen Industrienorm (JIS) ist.
Es ist natürlich ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Stahl im Vergleich zu dem herkömmlichen hitzebeständigen Gußeisen, nämlich dem Gußeisen der Probe g mit hohem Si-Gehalt oder dem Ni-Resist-Gußeisen der Probe h, die die herkömmlichen hitzebeständigen Gußeisen sind, eine weitaus höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation bei hohen Temperaturen hat.
Die Fig. 8 zeigt die Ergebnisse der Hochtemperatur-Zugbelastungsprüfung. Aus der Fig. 8 ist ersichtlich, daß bei Temperaturen über 700C das erfindungsgemäße Material der Probe F die gleiche Festigkeit bei hohen Temperaturen wie der Stahl SCS13 (Probe j) nach der japanischen Industrienorm hat und im Vergleich zu dem Stahl SCS1 (der Probe i) nach der japanischen Industrienorm eine höhere Festigkeit bei hohen Temperaturen hat.
3. Ausführungsbeispiel Auf grundlegend die gleiche Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurden erfindungsgemäße Materialien bzw. Gußstähle 7 bis 9 und Vergleichsmaterialien 11 bis 13 gemäß der Tabelle 3 hergestellt und für die gleiche Prüfung hinsichtlich der Oxidation bei hohen Temperaturen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel sowie für eine Wärmeermüdungsprüfung vorbereitet. Aus diesen Prüfungen sind die Ergebnisse der Prüfung hinsichtlich der Oxidation bei hohen Temperaturen als Oxidationsverlust je Flächeneinheit (in mg/cm2) dargestellt, während bei der Wärmeermüdungsprüfung ein Temperaturwechselzyklus mit einer Ober- grenze von 900°C und einer Untergrenze von 200°C ausgeführt wurde.
Tabelle 3 Chemische Bestandteile (Gew.-%) Probe C Si Mn P S Cr Erfindungsgem.
G 1.0 3.1 0.28 - - 7.8 Nb 3.0 Material 7 R " ß 2.0 4.2 0.23 - - 5.1 Nb 6.0 9 n 9 1.1 3.1 0.21 - - 5.1 V 3.1 k VergleicHs- 3.6 3.8 0.25 0.02 0.0 -material 11 1 " 12 2.9 2.5 1.05 0.02 0.03 2.0 Ni 20.1 m " 13 0.3 1.1 1.27 - - 25.2 Ni 20.3 Die Fig. 9 zeigt die Ergebnisse der Prüfung der Oxidation bei hohen Temperaturen. Es ist ersichtlich, daß im Vergleich zu dem herkömmlichen Gußeisen der Probe k mit hohem Si-Gehalt und dem Ni-Resist-Gußeisen der Probe 1 die erfindungsgemäßen Materialien bzw. Gußstähle der Proben G, H, Q eine weitaus höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation bei hohen Temperaturen haben und eine Widerstandsfähigkeit haben, die so hoch ist wie diejenige von Gußstahl der Probe m nach dem Austenit-System mit hohem Cr-Gehalt und hohem Ni-Gehalt.
Die Fig. 10 zeigt die Ergebnisse der Wärmeermüdungsprüfung. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß im Vergleich zu den Vergleichsmaterialien der Proben k, 1 und m die erfindungsgemäßen Materialien der Proben G, H und Q eine bessere thermische Widerstandsfähigkeit gegenüber Ermüdung haben.
4. Ausführungsbeispiel Nach grundlegend dem gleichen Verfahren wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurden in der Tabelle 4 aufgeführte erfindungsgemäße Materialien bzw. Gußstähle 10 bis 12 hergestellt und für die gleichen Prüfungen hinsichtlich der Oxidation bei hohen Temperaturen sowie der Wärmeermüdung wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel vorbereitet. Ferner wurden bezüglich Vergleichsmaterialien die Ergebnisse der bei dem dritten Ausführungsbeispiel verwendeten Vergleichsmaterialien der Proben k, l und m verwendet, so daß daher deren Prüfung bei diesem vierten Ausführungsbeispiel weggelassen wurde.
Tabelle 4 Probe Chemische Bestandteile (Gew.-%) c si Mn P S Cr Erfindungsgem. 1.0 3.0 0.24 - - Nb Mo Material 10 1.0 3.0 0.24 E - - - 8.0 3.0 0.5 S " 11 1.2 3.1 0.21 - - 5.2 V O 1.1 1.2 0.1 - - 3.2 3.0 0.5 T " 12 1.0 3.1 0.24 - - 7.8 Nb W 3.0 0.5 Die Fig. 11 zeigt die Ergebnisse der Prüfung hinsichtlich der Oxidation bei hohen Temperaturen. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß im Vergleich zu dem herkömmlichen Gußeisen der Probe k mit dem hohem Si-Gehalt und dem Ni-Resist-Gußeisen der Probe 1 die erfindungsgemäßen Materialien bzw. Gußstähle der Proben R, S und T eine weitaus höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation bei hohen Temperaturen haben und daß sie den gleichen Widerstandsgrad gegenüber der Oxidation bei hohen Temperaturen haben wie der Guß stahl der Probe m mit dem Austenit-System mit hohem Cr-Gehalt und hohem Ni-Gehalt.
Die Fig. 12 zeigt die Ergebnisse der Wärmeermüdungsprüfung. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß im Vergleich zu den Vergleichsmaterialien der Proben k, 1 und m die erfindungsgemäßen Materialien der Proben R, S und T eine hervorragende thermische Widerstandsfähigkeit gegenüber Ermüdung haben.
5. Ausführungsbeispiel Auf grundlegend die gleiche Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurden erfindungsgemäße Materialien bzw. Gußstähle 13 bis 15 sowie Vergleichsmaterialien 14 bis 17 gemäß Tabelle 5 hergestellt und für die gleiche Prüfung hinsichtlich der Oxidation bei hohen Temperaturen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel sowie für eine Wärmeermüdungsprüfung vorbereitet. Bei der Wärmeermüdungsprüfung wurden Temperaturwechselzyklen mit einer Obergrenze von 9O00C und einer Untergrenze von 500C festgelegt.
Tabelle 5 Chemische Bestandteile (Gew-.%) Probe C Si Mn P S Cr Erfindungsgem.
U 2.0 4.1 0.5 0.01 0.001 9.7 Ti 2.65 Material 13 V - " - 14 1.0 3.6 0.2 0.01 0.002 8.1 Ti 1.25 W - " - 15 0.7 2.7 0.1 0.01 0.001 11.0 Ti 3.85 Vergleichs-O material 14 3.6 4.2 0.3 0.05 0.003 -p " 15 2.8 4.0 0.7 - - 2.0 Ni 21.2 g " 16 0.1 1.5 0.8 0.01 0.01 14.2 r n 17 0.04 0.7 1.0 0.02 0.01 19.0 Ni 8.5 Die Fig. 13 zeigt die Ergebnisse der Prüfung hinsichtlich der Oxidation bei hohen Temperaturen. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Materialien der Proben U, V und W eine weitaus höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation bei hohen Temperaturen im Vergleich mit dem Gußeisen der Probe o mit hohem Si-Gehalt oder dem Ni-Resist-Gußeisen der Pobe p haben und den gleichen Grad der Widerstandsfähigkeit gegenüber der Oxidation bei hohen Temperaturen wie der Ferrit-System-Gußstahl der Probe q mit dem hohem Cr-Gehalt oder der Austenit-System-Gußstahl der Probe r mit dem hohem Cr-Gehalt und dem hohen Ni-Gehalt.
Die Fig. 14 zeigt die Ergebnisse der Wärmeermüdungsprüfung. Aus der Fig. 14 ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Material der Probe V bei einem Einspannungsfaktor von 70 % eine thermische Widerstandsfähigkeit gegenüber Brüchen hat, die geringfügig schlechter als diejenige des Vergleichsmaterials 17 der Probe r, nämlich des dem JIS-Normstahls SCHl3 entsprechenden Austenit-System-Gußstahls sowie nahezu gleich derjenigen des Ni-Resist-Gußeisens der Probe p ist, während aber bei einer relativ schwachen Einspannung mit einem Einspannfaktor von 30 8 die thermische Widerstandsfähigkeit gegenüber Brüchen im Vergleich zu dem Austenit-System-Gußstahl der Probe r mit hohem Cr-Gehalt und hohem Ni-Gehalt weitaus besser ist.
6. Ausführungsbeispiel Nach grundlegend dem gleichen Verfahren wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurden erfindungsgemäße Materialien 16 bis 18 sowie Vergleichsmaterialien 18 bis 21 gemß-Tabelle 6 hergestellt und für die gleiche Prüfung hinsichtlich der Oxidation bei hohen Temperaturen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel vorbereitet.
Tabelle 6 Probe Chemische Bestandteile (Gew.-%) C Si .J P S Cr Erfindugsgem. 1.0 3.0 0.5 0.02 0.001 8.0 Al 1.0 Material 16 Y n 17 0.8 2.7 0.7 0.01 0.002 5.2 Al 1.8 Z " 18 2.1 3.7 0.3 0.01 0.002 8.1 Al 0.8 Vergleichs-S material 18 3.6 3.8 0.6 0.05 0.01 -t 19 2.9 4.0 0.4 - - 2.0 Ni 21.0 u " 20 0.1 1.0 0.5 0.01 0.01 13.2 v " 21 0.04 0.7 1.0 0.02 0.01 19.0 Ni 9.5 Die Fig. 15 und 16 zeigen die Ergebpisse der Prüfung der Oxidation bei hohen Temperaturen.
Aus den Fig. 15 und 16 ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Materialien der Proben X, Y und Z den gleichen Grad an Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation wie der Ferrit-System-Gußstahl der Probe u mit hohem Cr-Gehalt haben und eine derart hervorragende Widerstandsfähigkeit gegenüber der Oxidation haben, daß diese geringfügig schlechter als diejenige des Austenit-System-Gußstahls der Probe v mit hohem Cr-Gehalt und hohem Ni-Gehalt ist.
Es ist ferner ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Mate- rialien selbstverständlich eine weitaus bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber der Oxidation haben als das herkömmliche hitzebeständige Gußeisen, nämlich das Gußeisen der Probe s mit hohem Si-Gehalt oder das N-Resist-Gußeisen der Probe t.
7. Ausführungsbeispiel Nach grundlegend dem gleichen Verfahren wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurden erfindungsgemäße Materialien 19 bis 21 und Vergleichsmaterialien 22 bis 25 gemäß Tabelle 7 hergestellt und für die gleiche Prüfung hinsichtlich der Oxidation bei hohen Temperaturen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel sowie für eine Kriechbruchprüfung vorbereitet.
Die Kriechbruchprüfung wurde derart vorgenommen, daß bei 7000C und Belastung eines Prüfstücks mit verschiedenerlei Belastungsgraden der Zeitpunkt des Brechens bzw. Reißens ermittelt wurde.
Tabelle 7 Chemische Bestandteile (Gew.-%) Probe C Si .Mn P S Cr Erfindungsgem. 0.7 3.0 0.5 0.005 0.01 8.0 B 2.7 Material 19 B' " " 20 1.4 3.1 0.2 0.005 0.01 6.2 B 3.1 ct n 21 0.4 2.8 0.5 0.005 0.01 9.2 3 0.5 a Vergleichs- 3.8 4.0 0.3 0 0 3 23 2.1 4.0 0.4 - - 1.8 Ni 21.5 c' " 24 0.1 1.0 0.5 0.01 0.01 14.5 d' n 25 0.03 0.7 1.0 - - 19.0 Ni 9.5 Die Fig. 17 zeigt die Ergebnisse der Prüfung hinsichtlich der Oxidation bei hohen Temperaturen. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Materialien der Proben A', B'und C' jeweils nachzu die gleiche Widerstandsfähigkeit gegenüber der Oxidation bei hohen Temperaturen bieten wie der Ferrit-System-Gußstahl der Probe c' mit hohem Cr-Gehalt oder der Austenit-System-Gußstahl der Probe d' mit hohem Cr-Gehalt und hohem Ni-Gehalt.
Es ist ferner ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Materialien selbstverständlich eine weitaus bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber der Oxidation bei hoher Temperatur im Vergleich mit dem herkömmlichen hitzebeständigen Gußeisen haben, nämlich dem Gußeisen der Probe a' mit hohem Si-Gehalt oder dem Ni-Resist-Gußeisen der Probe b'.
In der Fig. 18 sind auf der Ordinate die Spannungsbelastung in kg/mm2 und auf der Abszisse in logarithmischem Maßstab die Zeit bis zum Kriechbruch aufgetragen.
Aus der Fig. 18 ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Materialien der Proben B' und C' eine weitaus höhere Kriechbruchfestigkeit im Vergleich zu dem Vergleichsmaterial 23, nämlich dem Ni-Resist-Gußeisen der Probe b' haben und mindestens den gleichen Kriechbruchfestigkeitsgrad wie die Vergleichsmaterialien der Proben c' und d' haben.
8. Ausführungsbeispiel Nach grundlegend dem gleichen Verfahren wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurden erfindungsgemäße Materialien 22 bis 24 sowie Vergleichsmaterialien 26 bis 29 gemäß Tabelle 8 hergestellt und für die gleiche Prüfung hinsichtlich der Oxidation bei hohen Temperaturen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel sowie für eine nachfolgend erläuterte Kriechbruchprüfung vorbereitet.
Die Kriechbruchprüfung wurde derart vorgenommen, daß ein Prüfling unter Einhalten einer Prüftemperatur von 9000C unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt wurde und der Zeitpunkt des Brechens bzw. Reißens ermittelt wurde.
Tabelle 8 Probe Chenische Bestandteile (Gew.-%) C Si Mn P S Cr Erfindungsgem. 2.0 4.0 0.5 0.005 0.01 9.7 Al B Material 22 1.5 1.8 " 23 1.0 2.3 0.2 0.005 0.01 6.8 Al B 0.8 0.5 " 24 0.7 3.0 0.2 0.005 0.01 5.0 Al B 2.0 3.0 Verq le ichse' material 26 0.1 1.0 0.5 0.001 0.01 14.5 fg n 27 0.03 0.7 1.0 . - - 19.0 Ni 9.5 g' " 28 0.4 1.5 1.0 - - 30.0 Ni 21.0 29 0.1 0.7 0.7 Mo Co Fe W 9.1 1.8 22.1 17.6 0.75 B Al Ni Die Fig. 19 zeigt die Ergebnisse der. Prüfung der Oxidation bei hohen Temperaturen. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Materialien der Proben D', E' und F' eine Widerstandsfähigkeit gegenüber der Oxidation bei hohen Temperaturen haben, die schlechter als diejenige des Vergleichsmaterials 25 der Probe d' ist und nahezu den gleichen Wert wie diejenige von Austenit-System-Gußstählen der Proben f' und g' mit hohem Cr-Gehalt und hohem Ni-Gehalt hat.
Die Fig. 20 zeigt die Ergebnisse der Kriechbruchprüfung.
Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Material 22 der Probe D' eine geringere Kriechbruchfestigkeit hat als das Vergleichsmaterial 29 der Probe h', aber einen geringeren Belastungsabfall je Zeiteinheit hat, wodurch es im Langzeitbetrieb im Vergleich zu dem Vergleichsmaterial 27 der Probe f' hervorragend ist.
Ferner ist zwar das erfindungsgemäße Material 22 infolge der Funktionen von Cr, Al und B ein Ferrit-System-Material, jedoch ist es hinsichtlich der Kriechbruchfestigkeit unter 900 oder dergleichen weitaus verbessert im Vergleich zu dem Vergleichsmaterial 26 der Probe e', das das gleiche Ferrit-System-Material wie das erfindungsgemäße Material ist.
9. Ausführungsbeispiel Nach grundlegend dem gleichen Verfahren wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurden erfindungsgemäße Materialien 25 und 26 sowie Vergleichsmaterialien 30 bis 33 gemäß Tabelle 9 hergestellt und für die gleiche Prüfung der Oxidation bei hohen Temperaturen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel vorbereitet.
Andererseits wurde durch Vergleichen der erfindungsgemäßen Materialien mit den Vergleichsmaterialien nach Fig. 9 die Fließfähigkeit bewertet. Die Fließfähigkeitsbewertung wurde derart vorgenommen, daß für die Fließfähigkeitsprüfung eine in Fig. 23 gezeigte Form 11 verwendet wurde, aus einem Eingußteil 12 Schmelze eingegossen wurde und die Strecke des Fließens bzw. Fließstrecke 1 der Schmelze durch einen horizontal angeordneten Fließkanal 13 mit dem Durchmesser d von 5 mm gemessen wurde.
Tabelle 9 Chemische Bestandteile (Gew.-%) Probe C Si Mn P S Cr Erfindungsgem. 1.8 4.0 0.3 - - 8.5 Cu 5.6 G' Material 25 H' n 26 1.1 2.6 ' 0.5 - - 12.4 Cu 1.3 Vergleichsmaterial 30 3.9 4.2 0.3 - - -j " 31 2.8 3.1 0.8 - - 2.2 Ni 23.0 k' " 32 0.1 1.5 0.8 - - 12.8 1' " 33 0.04 0.7 1.0 - - 19.0 Ni 9.5 Die Fig. 21 zeigt die Ergebnisse der Prüfung der Oxidation bei hohen Temperaturen. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Materialien der Proben G' und H' nahezu die gleiche Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation bei hohen Temperaturen haben wie der Gußstahl der Probe k' mit hohem Cr-Gehalt oder der Gußstahl der Probe 1' mit hohem Cr-Gehalt und hohem Ni-Gehalt.
Die Fig. 22 zeigt die Ergebnisse der Fließfähigkeitsprüfung. Aus der Fig. 22 ist ersichtlich, daß die Gießeigenschaften der erfindungsgemäßen Materialien 25 der Probe G' bzw. 26 der Probe H' zwischen diejenigen der hitzebeständigen Gußeisen der Proben i' und j' und diejenigen der hochlegierten hitzebeständigen Gußstähle der Proben k' und 1' fallen.
Es wird ein hitzebeständiger Guß stahl angegeben, der als Grundkomponenten in Gewichtsprozenten 0,3 bis 2,5 % an C, 1,5 bis 4,5 g an Si, 1,0 % oder weniger an Mn, 0,05 * oder weniger an P, 0,10 t oder weniger an S sowie 5,0 bis 14,0 g an Cr enthält, wobei der restliche Teil aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht; der Guß stahl ist für den praktischen Einsatz nach einer Ausglühbehandlung vorgesehen und hat eine Metallstruktur, bei der kristallines Primärcarbid und abgeschiedenes Sekundärcarbid in einer Ferrit-Grundmasse verteilt sind und kein Graphit enthalten ist; der Guß stahl hat Gießeigenschaften und eine mechanische Bearbeitbarkeit, die gleich denjenigen von hitzebeständigem Gußeisen sind, sowie eine Wärmebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen mit gleichen Werten wie hitzebeständiger hochlegierter Guß stahl.

Claims

Patentansprüche 1. Hitzebeständiger Gußstahl, gekennzeichnet durch jeweilige Gewichtsprozent-Gehalte von 0,3 bis 2,5 % an C, von 1,5 bis 4,5 % an Si, von 1 % oder weniger an Mn, von 0,05 % oder weniger an P, von 0,10 % oder weniger an S und von 5,0 bis 14,0 % an Cr, wobei der übrige Teil Fe mit unvermeidbaren Verunreinigungen ist.
2. Gußstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl einer Ausglühbehandlung unterzogen ist.
3. Gußstahl nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Metallstruktur, bei der in einem Ferrit-Grundstoff ohne Graphitgehalt kristallisiertes Primärcarbid und abgeschiedenes Sekundärcarbid verteilt sind.