DE3706516C2

DE3706516C2 - Titan- und Aluminium-haltige Gußeisen-Legierung für die Herstellung thermisch hoch belasteter Motorenteile

Info

Publication number: DE3706516C2
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: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2007-03-01
Also published as: DE3706516A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Titan- und Aluminium-haltige Gußeisen-Legierung für die Herstellung thermisch hochbelasteter Motorenteile, insbesondere Abgaskrümmer, Zylinderköpfe und Motorenblöcke, mit Gehalten von

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

in der der als Graphit vorliegende Kohlenstoffanteil in Vermicularform vorliegt.

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, Kugelgraphitgut 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 Zulegieren 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 Legierungen ist die mit steigendem Si-Gehalt abnehmende Kohlenstoff-Löslichkeit. Die erreichbaren C-Gehalte sind so niedrig, daß die Volumenschwindung bei der Erstarrung vergrößert und damit die Gießbarkeit stark beeinträchtigt wird. Die bei Kugelgraphitgußeisen schon relativ schlechte Wärme leitfähigkeit wird weiter erniedrigt. Außerdem bewirkt Silicium, z. T. durch Zonenmischkristallbildung, eine Versprödung der metallischen Grundmasse, die auch bei längerer Temperaturbeanspruchung nicht abnimmt. An Abgaskrümmern 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 Molybdän- Sonderkarbide ergibt.

Vermiculargraphit ist eine Übergangsform zwischen dem Lamellengraphit, der dem Grauguß die gute Wärmeleit fähigkeit verleiht, und dem Kugelgraphit, der eine schlechte Wärmeleitfähigkeit bedingt.

Gußeisen mit Vermiculargraphit ist seit der Entdeckung des Gußeisens mit Kugelgraphit im Jahre 1948 bekannt. Vermicular- oder "compact"-Graphit wurde als unerwünschte und schädliche Übergangsform zwischen Lamellengraphit (im Grauguß) und Kugelgraphit (im "Sphäroguß") angesehen. Das Auftreten wurde auf die Wirkung von unbeabsichtigt im flüssigen Eisen enthaltenen "Störelementen" zurück geführt. Erst in den Jahren zwischen 1968 und 1980 wurde das Vermicular-Gußeisen in unlegierter Qualität vereinzelt angewandt und in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht dargestellt, siehe J. Sissner, W. Thury, R. Hummer, E. Nechtelberger, Gießerei- Rundschau 1972, S. 59-65. Ausführliche, zusammenfassende Berichte über den "Stand der Entwicklung von Gußeisen mit Vermiculargraphit - Herstellung, Eigenschaften und Anwendung" wurden erstmals auf dem Internationalen Gießereikongreß 1982 in Chicago vorgetragen, siehe E. Nechtelberger, H. Puhr, J.B. von Nesselrode, A. Nakayasu, Gießereipraxis 22 und 23/1982, S. 359 ff . . Es folgten weitere detaillierte Untersuchungen über Erstarrungsverhalten, Gießbarkeit und Bildungsmechanismus der Vermiculargraphit-Kristalle auf dem AFS-Kongreß 1983 in Chicago, siehe Gießereipraxis 17/1983, S. 257/258.

Über großtechnische Anwendungen des unlegierten Ver miculargraphitgußeisens bei der Ford Motor Co. und der John Deere Foundry, USA, ist berichtet in Gießereipraxis 17/1983, S. 257/258 (s. oben) sowie in L.L. Fosbinder, S.A. Sauer, Gießereipraxis 18/1984, S. 303.

In der DE 34 32 525 A1 ist ein "hitzenbeständiges kugel förmiges Graphit-Ferrit-Gußeisen" für Turbolader und Abgasrohre mit 3-4,2% Silizium und weniger als 0,6% Molybdän beschrieben.

Entsprechend der oben bereits behandelten Entwicklung mit 4-5% Silizium wird es unter der Bezeichnung GGG-50 SiMo 5.1 von verschiedenen europäischen Motorenherstellern für Abgaskrümmer und Turboladergehäuse eingesetzt. Es weist wegen der kugeligen Graphitausbildungsform insbesondere die Nachteile relativ niedriger Wärme leitfähigkeit und schlechter Gießbarkeit 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 kugelgraphit-haltige Legierungen.

Die DE 24 28 821 C3 beschreibt eine verschleißfeste Gußeisen-Legierung mit lamellen- oder knötchenförmiger Graphitausbildung, d. h. entweder Grauguß oder tempergußartiger Sonderguß mit Carbid-, Nitrid- oder Borid-Einschlüssen. Knötchen-förmiger Graphit ist kennzeichnend für Temperguß: "Temperkohle-Knoten" sind die entscheidenden Merkmale für Temperguß.

Die verwendeten Legierungselemente wie Al, Ni oder Ta dienen der Ausscheidung von harten Bestandteilen im Gefüge in Form von Perlit, Ledeburit, Sonderkarbid, Nitrid oder harten Mischphasen. Diese Gesichtspunkte sind für Gußeisen-Legierungen in legierter Vermiculargraphitform für die Herstellung thermisch hoch belasteter Motorenteile nicht relevant.

Die DE 31 47 461 C2 behandelt eine verschleißfeste Gußeisenlegierung mit Vergütungsgefüge auf Tempergußbasis durch ledeburitisches Gußgefüge, das erst durch eine Glühung graphitisiert wird. Diese Werkstoff-Art ist für Abgaskrümmer oder andere Motor-Teile im Prinzip nicht einsetzbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Titan- und Aluminium-haltige Gußeisen-Legierung zu schaffen, deren als Graphit vorliegender Kohlenstoff gehalt in Vermicularform vorliegt und die die o.g. Nachteile der Si-legierten Kugelgraphit-Gußeisensorten nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Gußeisen-Legierung gemäß Patentanspruch 1, wodurch die Warmfestigkeit und auch Zunderbeständigkeit erhöht wird. Im Vergleich zu bekannten Legierungen auf Kugelgraphitbasis wird ein Teil des Siliciums durch Nickel ersetzt. Dieser teilweise Ersatz des Siliciums durch Nickel bringt mehrere Vorteile:

Die Kohlenstoff-Löslichkeit der Legierung wird nicht so stark erniedrigt, so daß Wärmeleitfähigkeit, Schwin dung und Speisung nur wenig beeinflußt werden; die Duktilität der Legierung ist aber wegen des geringeren Gehaltes an dem vorsprödend wirkenden Silicium und durch die Wirkung des Nickels selbst höher; der Rißgefahr bei Abgaskrümmern wird damit vorgebeugt, und die Bearbeit barkeit 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 vermieden.

In PKW-Fahrversuch bereits erfolgreich getestete Abgas krümmer wiesen die folgende bevorzugte chemische Zusammensetzung auf:

C\|3,60%
Si	3,50%
Ni	0,50%
Mo	0,45%
S	0,010%
Mg	0,025%
Ti	0,10%
Al	0,015%

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 Längenänderungen.

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 die Molybdän in Gehalten zwischen 0,2 und 0,8 Gew.-% vorzugsweise 0,5 Gew.-% enthält.

Claims

1. Titan- und Aluminium-haltige Gußeisen-Legierung für die Herstellung thermisch hoch belasteter Motorenteile, mit Gehalten von 3,2-3,8 Gew.-% C
0,05-0,25 Gew.-% Ti
0,01-0,05 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 0,2-1 Gew.-% die Summe von Si + Ni zwischen 3,6 und 4,5 Gew.-% liegt.

2. Titan- und Aluminium-haltige Gußeisen-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als weitere Legierungsbestandteile Silicium und Nickel enthält, wobei bei Nickelgehalten von 0,2 bis 0,8 Gew.-% die Summe von Si + Ni zwischen 3,2 und 3,8 Gew.-% liegt.

3. Titan- und Aluminium-haltige Gußeisen-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Nickel gehalten von 0,2 bis 1 Gew.-% die Summe von Si + Ni zwischen 3,6 und 3,8 Gew.-% liegt.

4. Titan- und Aluminium-haltige Gußeisen-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickel gehalt maximal 0,8 Gew.-% und der Si-Gehalt maximal 3,8 Gew.-% beträgt.

5. Titan- und Aluminium-haltige Gußeisen-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelanteil maximal 0,8 Gew.-% und der Si-Anteil maximal 3,8 Gew.-% beträgt.

6. Titan- und Aluminium-haltige Gußeisen-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie Molybdän in Gehalten zwischen 0,2 und 0,8 Gew.-%. enthält.

7. Titan- und Aluminium-haltige Gußeisen-Legierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,5 Gew.-% Molybdän enthält.

8. Titan- und Aluminium-haltige Gußeisen-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,010 Gew.-% Schwefel und 0,025% Magnesium enthält.