DE3706516A1

DE3706516A1 - Verfahren zur herstellung einer hitzebestaendigen eisenkohlenstoff-legierung mit guter waermeleit-faehigkeit und eisenkohlenstoff-legierung

Info

Publication number: DE3706516A1
Application number: DE19873706516
Authority: DE
Inventors: Raymund Dr Rer Nat Dobbener
Original assignee: Kuepper August & Co KG GmbH
Current assignee: Kuepper August & Co KG GmbH
Priority date: 1987-02-28
Filing date: 1987-02-28
Publication date: 1988-09-08
Anticipated expiration: 2007-03-01
Also published as: DE3706516C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung einer gut wärmeleitenden Eisenkohlenstoff-Legierung, die sich vorzugsweise für thermisch hochbelastete Teile von insbesondere mit Abgas-Katalysatoren ausgerüstete Verbrennungsmotoren eignet.

Bei Verbrennungsmotoren hoher spezifischer Leistung und ausgerüstet mit Abgas-Katalysatoren liegen derzeit die Abgastemperaturen in einem Bereich, der den Einsatz von Grauguß nach DIN 1691, Kugelgraphitguß nach DIN 1693 oder auch Vermiculargraphitguß in unlegierter Qualität nicht mehr erlaubt. In zahlreichen dieser Fälle wird ein Sondergußwerkstoff auf Kugelgraphit-Gußeisen-Basis eingesetzt, bei dem die Warmfestigkeit, die Zunder- und die Volumenbeständigkeit durch Zulegierung von Silicium und Molybdän erhöht wird. Eine bekannte Qualität mit 4 bis 5 Gew.-% Si- und 1 Gew.-% Mo-Gehalt wird als GGG-50- Simo 5.1 bezeichnet. Diese Legierungen enthalten Graphit in Kugelform und kantig ausgebildete Mo-Sonderkarbid- Teilchen in ferritischer Grundmasse mit relativ hoher Härte. Ein Nachteil dieser Legierung ist die mit stei gendem Si-Gehalt abnehmende Kohlenstoff-Löslichkeit. Die erreichbaren C-Gehalte sind so niedrig, daß die Volumen schwindung bei der Erstarrung vergrößert und damit die Gießbarkeit stark beeinträchtigt wird. Die bei Kugelgra phitgußeisen schon relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit wird weiter erniedrigt. Außerdem bewirkt Silicium, z. T. durch Zonenmischkristallbildung, eine Versprödung der metallischen Grundmasse, die auch bei längerer Tempera turbeanspruchung nicht abnimmt. An Auspuffkrümern aus diesen Werkstoffen zeigen sich nach unterschiedlichen Laufzeiten gelegentlich unerklärbare, lange Risse mit grobkristallinem Bruchgefüge.

Nachteilig ist auch die schlechte mechanische Bearbeit barkeit, die sich überwiegend durch die hohe Härte der Fe-Si-Mischkristalle und die eingelagerten harten Molyb dän-Sonderkarbide ergibt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung einer Eisenkohlenstoff-Legierung, deren als Graphit vorliegender Kohlenstoffgehalt in Vermicularform vor liegt und die die o. g. Nachteile der Si-legierten Kugel graphit-Gußeisensorten nicht aufweist.

Vermiculargraphit ist eine Übergangsform zwischen dem Lamellengraphit, der dem Grauguß die gute Wärmeleitfähigkeit verleiht, und dem Kugelgraphit, der eine schlechte Wärmeleitfähigkeit bedingt. Vermiculargraphit gußeisen heutiger Herstellung weist eine dem Kugelgraphitgußeisen ähnlich hohe Festigkeit bei einer dem Grauguß vergleichbaren guten Wärmeleitfähigkeit auf.

Die Ausbildung des Vermiculargraphits wird durch kleine Magnesium-Gehalte unterhalb der für die Kugelgraphit ausbildung erforderlichen Menge (<0,04 Gew.-% Mg) und durch Zulegieren von Titan (<0,25 Gew.-%) erzwungen.

Die Volumenschwindung während der Erstarrung ist beim Vermiculargußeisen relativ gering, so daß sich diese Legierungen besser gießen und speisen lassen, als kugel graphit-haltige Legierungen.

Bei der erfindungsgemäßen Legierung wird die Warmfestigkeit und Zunderbeständigkeit gemäß Patentanspruch 1 ebenfalls durch Zulegierung von Silicium und ggfls. Molybdän erhöht; ein Teil des Siliciums wird aber - im Vergleich zu den bekannten Legierungen auf Kugelgraphit basis - durch Nickel ersetzt. Dieser teilweise Ersatz des Siliciums durch Nickel in Gehalt von z. B. 0,5 Gew.-% Ni bringt mehrere Vorteile:

Die Kohlenstoff-Löslichkeit der Legierung wird nicht so stark erniedrigt, so daß Wärmeleitfähigkeit, Schwindung und Speisung nur wenig beeinflußt werden; die Duk tilität der Legierung ist aber wegen des geringen Ge haltes an dem versprödend wirkenden Silicium und durch die Wirkung des Nickels selbst höher; der Rißgefahr bei Auspuffkrümmern wird damit vorgebeugt. und die Bear beitbarkeit ist wesentlich besser. Außerdem führt Nickel mit dem zur Vermiculargraphitbildung zugegebenen Titan zu einer Aushärtung der metallischen Grundmasse, die durch Glühung bei Temperaturen im Bereich von 800°C nicht zerstört wird. Vermutlich geht diese Aushärtung auf "einphasige Entmischung" Ni-Ti- und Ni-Al-haltiger Anreicherungen im Eisen-Kristall (Guinier-Preston-Zonen) zurück.

Bei sehr hohen Anforderungen an die Warmfestigkeit kann der Legierung noch Molybdän zugesetzt werden, vorteil hafterweise aber nur etwa halb so viel, wie es bei den Si-legierten Kugelgraphiteisen üblich ist, also etwa 0,5 Gew.-% Mo. Hierdurch wird die Ausscheidung größerer Mengen an Molybdänsonderkarbiden mit hoher Härte vermie den.

In PKW-Fahrversuch bereits erfolgreich getestete Aus puffkrümmer wiesen die folgende bevorzugte chemische Zusammensetzung auf:

C3,60% Si3,50% Ni0,50% Mo0,45% S0,010% Mg0,025% Ti0,18% Al0,015%

neben den für diese Legierung üblichen Nebenelement- Gehalten.

Der Werkstoff weist folgende Eigenschaften auf:

Prüftemperatur 20°C

Die Glühbehandlung führt nur zu geringfügigen Änderungen der Materialeigenschaften und zu minimalen Längenän derungen.

Ein bevorzugtes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine hochgekühlte, titan- und aluminiumhaltige Eisenlegierung mit Gehalten zwischen

3,2 und 3,8 Gew.-% C
0,05 und 0,25 Gew.-% Ti
0,01 und 0,05 Gew.-% Al,

in der der als Graphit vorliegende Kohlenstoffanteil in Vermicularform vorliegt, mit Silicium und Nickel legiert wird, und daß bei Nickelgehalten von 0,2 bis 1 Gew.-% die Summe von Si+Ni zwischen 3,6 und 4,5 Gew.-% liegt.

Ein bevorzugtes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß bei Nickelgehalten von 0,2 bis 0,8 Gew.-% die Summe von Si+Ni zwischen 3,2 bis 3,8 Gew.-% liegt.

Ein bevorzugtes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelgehalt maximal 0,8 Gew.-% und der Si- Gehalt maximal 3,8 Gew.-% beträgt.

Ein bevorzugtes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung Molybdän in Gehalten zwischen 0,2 und 0,8 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 Gew.-% zulegiert wird.

Die erfindungsgemäße titan- und aluminiumhaltige Eisen legierung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie neben 3,2 bis 3,8 Gew.-% C, 0,05 bis 0,25 Gew.-% Ti und 0,01 bis 0,05 Gew.-% Al als weitere Legierungsbestandteile Silicium und Nickel enthält, wobei bei Nickelgehalten von 0,2 bis 1 Gew.-% die Summe von Si+Ni zwischen 3,6 und 4,5 Gew.-% liegt.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß bei Nickelgehalten von 0,2 bis 0,8 Gew.-% die Summe von Si+Ni zwischen 3,2 und 3,8 Gew.-% liegt.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß der Nickelgehalt maximal 0,8 Gew.-% und der Si-Gehalt maximal 3,8 Gew.-% beträgt.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß der Nickelgehalt maximal 0,8 Gew.-% und der Si-Anteil maximal 3,8 Gew.-% beträgt.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß sie Molybdän in Gehalten zwischen 0,2 und 0,8 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 Gew.-% enthält.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer hitzebeständigen, gut zu gießenden und zu speisenden Eisenkohlenstoff- Legierung für thermisch hochbelastete Motorenteile, z. B. Auspuffkrümmer, dadurch gekennzeichnet, daß eine hochgekohlte, titan- und aluminiumhaltige Eisenlegierung mit Gehalten zwischen 3,2 und 3,8 Gew.-% C
0,05 und 0,25 Gew.-% Ti
0,01 und 0,05 Gew.-% Al,in der der als Graphit vorliegende Kohlenstoffanteil in Vermicularform vorliegt, mit Silicium und Nickel legiert wird, und daß bei Nickelgehalten von 0,2 bis 1 Gew.-% die Summe von Si+Ni zwischen 3,6 und 4,5 Gew.-% liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Nickelgehalten von 0,2 bis 0,8 Gew.-% die Summe von Si+Ni zwischen 3,2 bis 3,8 Gew.-% liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelgehalt maximal 0,8 Gew.-% und der Si- Gehalt maximal 3,8 Gew.-% beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung Molybdän in Gehalten zwischen 0,2 und 0,8 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 Gew.-%, zulegiert wird.

5. Titan- und aluminiumhaltige Eisenlegierung mit 3,2 bis 3,8 Gew.-% C
0,05 bis 0,25 Gew.-% Ti
0,01 bis 0,05 Gew.-% Al,in der der als Graphit vorliegende Kohlenstoffanteil in Vermicularform vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß sie als weitere Legierungsbestandteile Silicium und Nickel enthält, wobei bei Nickelgehalten von 0,2 bis 1 Gew.-% die Summe von Si+Ni zwischen 3,6 und 4,5 Gew.-% liegt.

6. Titan- und aluminiumhaltige Eisenlegierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Nickelgehalten von 0,2 bis 0,8 Gew.-% die Summe von Si+Ni zwischen 3,2 und 3,8 Gew.-% liegt.

7. Titan- und aluminiumhaltige Eisenlegierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelgehalt maximal 0,8 Gew.-% und der Si-Gehalt maximal 3,8 Gew.-% beträgt.

8. Titan- und aluminiumhaltige Eisenlegierung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelanteil maximal 0,8 Gew.-% und der Si- Anteil maximal 3,8 Gew.-% beträgt.

9. Titan- und aluminiumhaltige Eisenlegierung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie Molybdän in Gehalten zwischen 0,2 und 0,8 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 Gew.-% enthält.

10. Titan- und aluminiumhaltige Eisenlegierung, gekennzeichnet durch die folgenden Legierungsbestandteile (in Gew.-%): Cetwa 3,6% Sietwa 3,5% Nietwa 0,50% Moetwa 0,45% Setwa 0,010% Mgetwa 0,025% Tietwa 0,18% Aletwa 0,015%