Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung:
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Diese Erfindung betrifft einen ferritischen, wärmebeständigen Gußstahl und insbesondere einen
wärmebeständigen Gußstahl, der für die Herstellung eines Auspuffsammlers für einen
Kraftfahrzeugmotor, eines Turbinengehäuses oder dergleichen geeignet ist.
2. Beschreibung des bisherigen Standes der Technik:
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Für die Herstellung eines Auspuffsammlers oder eines Turbinengehäuses war es üblich,
Kugelgraphitguß mit hohem Siliziumgehalt, Niresist (oder Ni-Resist), usw. einzusetzen. Die
Entwicklung eines Kraftfahrzeugmotors mit einer höheren Leistung und einem niedrigeren
Kraftstoftverbrauch führte jedoch zum Bedarf an Materialien mit einer höheren
Wärmebeständigkeit. Wärmebeständige Austenitstähle mit hohem Nickelgehalt und hohem
Chromgehalt sind für ihre hohe Wärmebeständigkeit gut bekannt, zeigen aber eine zu geringe
Gießbarkeit und Bearbeitbarkeit, um für die effektive Fertigung von Motorteilen zu vernünftigen
Kosten akzeptabel zu sein.
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Auf ferritische, wärmebeständige Gußstähle mit hohem Chromgehalt wurde man infolge ihrer recht
guten Gießbarkeit und Bearbeitbarkeit aufmerksam. Diese Stähle waren jedoch hinsichtlich der
Wärmebeständigkeit noch unbefriedigend, da sie eine deutliche Reduzierung der Festigkeit bei
Temperaturen im Bereich von 550 ºC bis 650 ºC zeigten (siehe beispielsweise "Handbook of
Stainless Steels", Nikkan Kogyo Shinbunsha, Seite 513-521, und "Gakujutsu Geppo"
(Wissenschaftlicher Monatsbericht), Band 41, Nr. 1, Seite 18-22).
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Daher wurden verbesserte ferritische, wärmebeständige Gußstähle vorgeschlagen. Beispielsweise
wurde in der Japanischen Patentoffenlegung Nr. 159354/1989 ein ferritischer, wärmebeständiger
Gußstahl vorgeschlagen, der grundlegend 0,06 biso 0,20 % C, 0,3 bis 1,0 %Mn, 0,4 bis 2,0 % Si und
15 bis 22 % Cr und außerdem etwa 0,01 bis 1,0 % eines weiteren Elementes zur Verbesserung der
Wärmebeständigkeit, wie beispielsweise Nb, V, Ni, Mo oder W, enthält, wobei alle Prozentwerte
gewichtsbezogen sind. Dieser Stahl zeigt jedoch eine Anzahl von Nachteilen. Er enthält W auf
Kosten der Oxydationsbeständigkeit, die einer der großen Vorteile der ferritischen,
wärmebeständigen Gußstähle im allgemeinen ist. Der relativ hohe Anteil an enthaltenem Mangan
soll wahrscheinlich seine Härte verbessern, wodurch seine Bearbeitbarkeit verschlechtert wird. Der
relativ hohe Anteil an Nickel, der enthalten sein kann, ist wahrscheinlich die Ursache dafür, daß er
eine niedrigere eutektische Umwandlungstemperatur aufweist, und daß es ihm dadurch an einer
strukturellen Stabilität fehlt.
Zusammenfassung der Erfindung
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Unter diesen Umständen ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, einen ferritischen,
wärmebeständigen Gußstahl bereitzustellen, der eine verbesserte Wärmebeständigkeit ebenso wie
eine hohe Oxydationsbeständigkeit, eine gute Bearbeitbarkeit und strukturelle Stabilität aufweist,
und der daher als Material für die Teile der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugmotors geeigneter ist
als irgendein bekanntes Material.
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Diese Aufgabe wird durch den ferritischen, wärmebestandigen Gußstahl erreicht, der 0,05 bis 0,5%
C, 1,0 bis 2,0% Si, weniger als 0,6% Mn, weniger als 0,04% P, weniger als 0,04% S, weniger als
0,5% Ni, 10 bis 20 Cr, 0,10 bis 1,0% V, 0,5 bis 1,0% Nb, 0,08 bis 0,50% Mo, weniger als 0,01%
W und 0,01 bis 0,2% Ce enthält, wobei die restlichen Porzente Eisen sind, und wobei alle
Prozentwerte gewichsbezogen sind.
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Um die Desoxydationsfunktion des geschmolzenen Stahls zu veranlassen, kann man bei der
vorliegenden Erfindung vorzugsweise den Bereich von Mn bei den vorangegangenen
Grundelementen auf 0,1 bis 1,5% festlegen. Da die Bearbeitbarkeit von Gußstahl infolge des
höheren Gehaltes an Mn verschlechtert wird, wird in diesem Fall vorzugsweise der S-Gehalt auf die
höheren 0,01 bis 0,2% festgelegt, und außerdem wird, wenn es erforderlich ist, die Kombination
von, 0,01 bis 0,2% Te und/oder 0,01 bis 0,3% Al auf Kosten von Fe zugegeben. Um die
Wärmebeständigkeit weiter zu erhöhen, werden außerdem bei der vorliegenden Erfindung
vorzugsweise 0,1 bis 5,0% Co und/oder 0,1 bis 5,0% Ti zu den vorangegangenen Grundelementen
auf Kosten von Fe zugegeben. In diesem Fall ebenso wie bei den vorangegangenen wird
vorzugsweise die zuzugebende Menge an Mn und S in einem etwas höheren Bereich von 0,1 bis 1,5
% und bzw. 0,01 bis 0,20% festgelegt, und zusätzlich dazu kann man außerdem 0,01 bis 1,00% Al
auf Kosten von Fe zugeben. Und da das Al eine Desoxydationswirkung zeigt, ohne daß es mit Mn
oder S verbunden wird, kann es allein zugegeben werden.
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Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren für die Herstellung eines berbesserten
ferritischen, wärmebeständigen Gußeisens zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren erreicht, das aufweist: das Gießen von Stahl mit
Zusammensetzungen, die innerhalb des hierin vorangehend definierten Bereichs liegen, und das
Glühen dieses bei einer Temperatur von 750 ºC bis 1000 ºC über eine Zeit von einer bis fünf
Stunden.
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Mit Bezugnahme auf jedes Element und dessen Anteil erklärt sich eine derartige Begrenzung wie
folgt: Kohlenstoff verbessert die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls und das Fließverhalten (oder
die Gießbarkeit) des geschmolzenen Stahls, bringt aber kein zufriedenstellendes Ergebnis, wenn
sein Anteil niedriger als 0,05 % ist. Wenn sein Anteil andererseits 0,5 % übersteigt, so verringert er
die Oxydationsbeständigkeit des Stahls und seine eutektische Umwandlungstemperatur, wodurch
die strukturelle Stabilität verringert wird. Daher enthält der Stahl dieser Erfindung 0,05 bis 0,50 %
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Silizium verbessert die Oxydationsbeständigkeit von Stahl, erhöht seine eutektische
Umwandlungstemperatur und ist ein wirksames Desoxydationsmittel, liefert aber kein
zufriedenstellendes Ergebnis, wenn sein Anteil kleiner ist als 1,0 %. Wenn andererseits sein Anteil
2,0 % übersteigt, werden die Zähigkeit des Stahls bei niedriger (oder normaler) Temperatur und
seine Festigkeit bei hoher Temperatur verringert. Daher enthält der Stahl dieser Erfindung 1,0 bis
2,0% Si.
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Mangan ist ein Element, das Perlit bildet, und es ist für den ferritischen, wärmebeständigen
Gußstahl nicht sehr erwünscht. Außerdem erhöht es die Härte des Stahls und verschlechtert daher
seine Bearbeitbarkeit. Daher enthält der Stahl dieser Erfindung weniger als 0,6 % Mn. Andererseits,
wenn die Festlegung einer großen Menge an Mn gewünscht wird, um die Desoxydation des
geschmolzenen Stahls zu veranlassen und die Gießbarkeit zu verbessern, muß S zugegeben werden,
um MnS zu bilden und die Bearbeitbarkeit zu verbessern. Wenn Mn kleiner ist als 0,1 %, fehlt in
diesem Fall die absolute Menge an MnS, und wenn es 1,5 % übersteigt, geht das Gleichgewicht mit
S verloren, und die eutektische Umwandlungstemperatur wird stark herabgesetzt, so daß die Menge
davon bei 0,1 bis 1,5 % festgelegt ist.
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Der Stahl dieser Erfindung enthält weniger als 0,04 % P, da der Phosphor wahrscheinlich die
Bildung von Wärmerissen begünstigt, wenn sein Anteil 0,04 % oder mehr beträgt.
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Da der Schwefel ebenso wie der Phosphor nicht nur die Bildung von Wärmerissen im Stahl
begünstigt, sondern auch die Rotwarmbrüchigkeit, werden vorzugsweise weniger als 0,04 %
eingehalten. Andererseits wird er in diesem Fall mit Mangan verbunden, um MnS zu bilden,
wodurch die Bearbeitbarkeit des Stahls verbessert wird, und die davon enthaltene Menge kann in
Übereinstimmung mit der Menge an darin enthaltenem Mn erhöht werden. Wenn die Menge an S
kleiner ist als 0,01 %, wird in diesem Fall das Auftreten der vorangehend angeführten Wärmerisse
und der Rotwarmbrüchigkeit veranlaßt. Daher enthält der Stahl dieser Erfindung 0,01 bis 0,20 %.
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Chrom ist ein sehr wichtiges Element, das die Oxydationsbeständigkeit des Stahls verbessert und
seine eutektische Umwandlungstemperatur erhöht, das aber nicht zu einem zufriedenstellenden
Ergebnis führt, wenn sein Anteil kleiner ist als 10 %. Wenn andererseits sein Anteil 20 %
übersteigt, wird die Zähigkeit des Stahls bei niedriger Temperatur verringert, und es werden grobe
primäre Karbidkristalle erzeugt, die die Bearbeitbarkeit des Stahls verschlechtern. Daher enthält der
Stahl dieser Erfindung 10 bis 20 % Cr.
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Vanadium ist ebenfalls ein sehr wichtiges Element, da es in hohem Maße die eutektische
Umwandlungstemperatur des Stahls erhöht und wahrscheinlicher Karbid bildet als das bei Chrom
der Fall ist, wodurch verhindert wird, daß das primäre Chromkarbid die Bearbeitbarkeit des Stahls
verschlechtert, aber wenn sein Anteil kleiner ist als 0,1 %, führt es zu keinem zufriedenstellenden
Ergebnis. Wenn sein Anteil jedoch 1,0 % übersteigt, verringert es die Oxydationsbeständigkeit des
Stahls und dessen Hochtemperaturfestigkeit. Daher enthält der Stahl dieser Erfindung 0,1 bis 1,0 %
V.
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Niob erhöht in hohem Maße die eutektische Umwandlungstemperatur des Stahls an und bildet
wahrscheinlicher Karbid als das bei Chrom der Fall ist, wodurch verhindert wird, daß das primäre
Chromkarbid die Bearbeitbarkeit des Stahls verschlechtert, und es behindert die Bildung eines
sekundären Karbides, um dadurch die Oxydationsbeständigkeit des Stahls zu verbessern, aber es
führt zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis, wenn sein Anteil kleiner ist als 0,5 %. Wenn sein
Anteil jedoch 1,0 % übersteigt, bildet es eine so große Menge an Karbid, daß der Stahl einen zu
niedrigen Gehalt an Kohlenstoff aufweist. Daher enthält der Stahl dieser Erfindung 0,5 bis 1,0 %
Nb.
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Molybdän verbessert die Festigkeit des Stahls und erhöht seine eutektische
Umwandlungstemperatur, führt aber nicht zu einem zufriedenstellenden Ergebnis, wenn sein Anteil
kleiner ist als 0,08 %. Wenn sein Anteil jedoch 0,50 % übersteigt, werden die Zähigkeit des Stahls
im kalten Zustand und seine Oxydationsbeständigkeit herabgesetzt. Daher enthält der Stahl dieser
Erfindung 0,08 bis 0,50 % Mo.
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Wolfram zeigt einen so hohen Dampfdruck, daß ein dichter Chromoxidfilm auf dem Stahl zerstört
wird, wodurch seine Oxydationsbeständigkeit bedeutend herabgesetzt wird und ebenfalls seine
Zähigkeit im kalten Zustand. Daher enthält der Stahl dieser Erfindung weniger als 0,01 % W.
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Zer ist ein wichtiges Element, das zur Bildung sehr feiner Kristallkörner beiträgt und dadurch die
Zähigkeit des Stahls im kalten Zustand drastisch verbessert, aber wenn sein Anteil kleiner ist als
0,01 %, führt es zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis. Und wenn sein Anteil jedoch 2,0 %
übersteigt, erzeugt es nicht mehr effektiv die feinen Kristallkörner. Daher enthält der Stahl dieser
Erfindung 0,01 bis 2,0 %.
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Te verbessert die Bearbeitbarkeit von Gußstahl durch Adhäsion am MnS, aber wenn dessen Menge
kleiner ist als 0,01 %, führt es zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis. Andererseits, wenn es 0,2
% übersteigt, wird das Fließen bedeutend verschlechtert. Daher enthält der Stahl dieser Erfindung
0,01 bis 0,2 % Te.
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Al ebenso wie Te verbessert nicht nur die Bearbeitbarkeit durch Adhäsion am MnS, sondern trägt
ebenfalls zur Erhöhung der eutektischen Umwandlungstemperatur und der Oxydationsbeständigkeit
bei, um ein wirksames Desoxydationsmittel zu werden. Wenn es andererseits mit weniger als 0,01
% enthalten ist, zeigt es keine zufriedenstellende Wirkung, und wenn es mit über 1,00 % enthalten
ist, verringert es die Zähigkeit bei niedriger Temperatur. Daher enthält der Stahl dieser Erfindung
0,01 bis 1,00 % Al.
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Co erhöht die Festigkeit bei hoher Temperatur, wenn es aber mit weniger als 0,1 % enthalten ist, ist
die Wirkung nicht zufriedenstellend; andererseits, wenn es mit über 5,0 % enthalten ist, wird die
Festigkeit bei hoher Temperatur ziemlich verringert, und die Zähigkeit wird ebenfalls verringert.
Daher enthält der Stahl dieser Erfindung 0,1 bis 5,0 % Co.
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Obgleich Ti die Festigkeit bei hoher Temperatur erhöht, ist die Wirkung aber nicht
zufriedenstellend, wenn es mit weniger als 0,1 % enthalten ist, und andererseits, wenn es mit über
5,0 % enthalten ist, wird die Zähigkeit verringert. Daher enthält der Stahl dieser Erfindung 0,1 bis
5,0% Ti.
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Der Stahl dieser Erfindung enthält nur eine sehr geringe Menge an Wolfram, wenn überhaupt, und
zeigt daher einen zufriedenstellend hohen Grad der Oxydationsbeständigkeit. Er zeigt einen hohen
Grad an Bearbeitbarkeit, da er nur einen geringen Anteil an Mangan enthält, oder da er, wenn er
einen relativ hohen Anteil an Mangan enthält, ebenfalls einen relativ hohen Anteil an Schwefel
enthält. Im letzteren Fall kann er außerdem Tellur oder sowohl Tellur als auch Aluminium
enthalten, um noch einen höheren Grad der Bearbeitbarkeit zu erreichen. Außerdem enthält der
Stahl dieser Erfindung nur eine kleine Menge an Nickel und weist daher eine ausreichend hohe
eutektische Umwandlungstemperatur auf, um einen hohen Grad an struktureller Stabilität
beizubehalten. Durch Zusatz von Co und Ti wird außerdem die Festigkeit bei hoher Temperatur
weiter verbessert. Zusätzlich dazu verbessert das Glühen des Stahls im Gußzustand weiter seine
Bearbeitbarkeit, da es die Zersetzung von Martensit und die Bildung einer Ferritstruktur, in der das
Karbid dispergiert ist, bewirkt.
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Diese und weitere Merkmale sowie die Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen sichtbar.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine grafische Darstellung, die die Zugfestigkeit des ferritischen, wärmebeständigen
Gußstahls im Vergleich mit der Vergleichsprobe zeigt;
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Fig. 2 ist eine Mikrofotografie, die die Struktur des ferritischen, wärmebeständigen Gußstahls zeigt,
der diese Erfindung verkörpert, und im Gußzustand;
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Fig. 3 ist eine Mikrofotografie, die die Struktur des Stahls im geglühten Zustand zeigt;
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Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, die die Stähle, die diese Erfindung verkörpern, und
Vergleichsstähle hinsichtlich der thermischen Dauerfestigkeit vergleicht;
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Fig. 5 ist eine grafische Darstellung, die die Stähle, die diese Erfindung verkörpern, und den
Vergleichsstahl hinsichtlich der Bearbeitbarkeit vergleicht;
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Fig. 6 ist eine grafische Darstellung, die die Stähle, die diese Erfindung verkörpern, und weitere
Vergleichsmaterialien hinsichtlich der Bearbeitbarkeit vergleicht;
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Fig. 7 ist eine grafische Darstellung, die die eutektischen Umwandlungstemperaturen der Stahle in
Beziehung zu deren Vanadiumgehalt zeigt;
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Fig. 8 ist eine grafische Darstellung, die die eutektischen Umwandlungstemperaturen der Stähle in
Beziehung zu deren Nickelgehalt zeigt;
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Fig. 9 ist eine grafische Darstellung, die die Härte der Stähle in Beziehung zu deren Mangangehalt
zeigt;
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Fig. 10 ist eine grafische Darstellung, die die Dehnung der Stähle in Beziehung zu deren Zergehalt
zeigt;
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Fig. 11 ist eine grafische Darstellung, die die Oxydationsbeständigkeit der Stähle in Beziehung zu
deren Wolframgehalt zeigt;
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Fig. 12 ist eine grafische Darstellung, die die Zugfestigkeit in Beziehung zu deren Co-Gehalt zeigt;
und
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Fig. 13 ist eine grafische Darstellung, die die Zugfestigkeit in Beziehung zu deren Ti-Gehalt zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung wird jetzt spezieller mit Bezugnahme auf die Zeichnungen und die Beispiele
beschrieben.
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Legierte Stähle mit unterschiedlichen Zusammensetzungen wurden durch Gießen hergestellt, um
Beispiele zu liefern, die für die Definition der grundlegenden Zusammensetzung des Stahls
entsprechend dieser Erfindung verwendet werden. Sie wurden durch Zugabe von unterschiedlichen
Anteilen an Vanadium, Nickel, Mangan, Zer und Wolfram zu Stahl hergestellt, der 0,20 % C, 1,50
% Si, nicht mehr als 0,020 % P, nicht mehr als 0,020 % S, 16,0 % Cr, 0,70 % Nb und 0,20 % Mo
enthält, wobei die restlichen Prozent Eisen sind. Die Einflüsse, die die Legierungselemente auf die
verschiedenen Eigenschaften des Stahls haben könnten, wurden untersucht.
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Fig. 7 zeigt die Einflüsse, die das Vanadium den Ermittlungen zufolge auf die eutektische
Umwandlungstemperatur des Stahls ausübt. Es wird bestätigt, daß die eutektische
Umwandlungstemperatur des Stahls linear mit der Zunahme des Anteils an Vanadium ansteigt. Es
ist daher klar, daß das Vorhandensein einer geeigneten Menge wunschgemäß die Bildung einer
stabilen Ferritstruktur ohne die Bildung von Austenit sichert.
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Fig. 8 zeigt die Einflüsse, die das Nickel den Ermittlungen zufolge auf die eutektische
Umwandlungstemperatur des Stahls ausübt. Es wird bestätigt, daß die eutektische
Umwandlungstemperatur des Stahls in einer Kurve zweiten Grades mit der Zunahme des Anteils an
Nickel absinkt, und daß ihre Abnahme bei Stahl besonders steil ist, der 0,5 % oder mehr Nickel
enthält. Es ist daher klar, daß das Vorhandensein von weniger als 0,5 % Ni wünschenswert ist.
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Fig. 9 zeigt die Einflüsse, die das Mangan den Ermittlungen zufolge auf die Härte des Stahls im
Gußzustand ausübt. Die Härte des Stahls im Gußzustand zeigt einen steilen Anstieg bei einer
Zunahme des Anteils an Mangan von 0,5 bis 0,7 %. Es ist daher klar, daß die Herstellung mit
weniger als 0,6 % Mn wünschenswert ist, um die Herstellung von Stahl mit einem zufriedenstellend
hohen Grad an Bearbeitbarkeit zu sichern.
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Fig. 10 zeigt die Einflüsse, die das Zer den Ermittlungen zufolge auf die Dehnung des Stahls bei
normaler Temperatur ausübt. Während der Stahl, der weniger als etwa 0,01 % Ce enthält, einen
niedrigen und kaum variierenden Wert der Dehnung aufweist, beginnt der Stahl, der etwa 0,01 %
Ce enthält, einen steilen Anstieg der Dehnung zu zeigen. Der Stahl, der etwa 0,2 % Ce enthält, zeigt
den höchsten Grad der Dehnung, und der Stahl, der mehr Zer enthält, zeigt einen niedrigeren Grad
der Dehnung. Es ist daher klar, daß der Bereich des Zers von 0,01 bis 2,0 % vom Standpunkt der
Dehnung aus wünschenswert ist.
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Fig. 11 zeigt die Einflüsse, die das Wolfram den Ermittlungen zufolge auf den Gewichtsverlust
durch Oxydation oder die Oxydationsbeständigkeit des Stahls ausübt. Der Stahl, der mehr als 0,008
% W enthält, zeigt einen steilen Anstieg beim Gewichtsverlust durch Oxydation. Es ist daher klar,
daß die Grenze des Wolframanteils bei weniger als 0,01 % wünschenswert ist, um jeglichen
unerwünschten Anstieg des Gewichtsverlustes des Stahls durch Oxydation oder jegliche
unerwünschte Reduzierung seiner Oxydationbeständigkeit zu verhindern. Der Gewichtsverlust des
Stahls durch Oxydation wurde dadurch ermittelt, daß er bei einer Temperatur von 950 ºC über 100
Stunden in Luft gelassen wurde.
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Legierte Stähle mit den grundlegenden Zusammensetzungen von 0,05 % C, 1,1 % Si, 0,3 % Mn,
0,01 % P, 0,01 % S, 15,3 % Cr, 0,10 % V, 0,80 % Nb, 0,31 % Mo, 0,005 % W, 0,05 % Ce, wobei
die restlichen Prozent Eisen sind, wurden hergestellt, indem unterschiedliche Anteile von Co und Ti
zugegeben wurden. Die Einflüsse, die die Legierungselemente auf die Zugfestigkeit bei hoher
Temperatur haben könnten, wurden untersucht. Die Untersuchung wurde bei 950ºC durchgeführt.
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Die Figuren 12 und 13 zeigen die Einflüsse, die Co und Ti den Ermittlungen zufolge auf die
Zugfestigkeit der legierten Stähle ausüben. Dadurch wird klar, daß, obgleich die Zugfestigkeit einen
hohen Wert bei mehr als 0,1 % Co oder Ti zeigt, er eine Neigung der Abnahme bei über 5,0 %
zeigt, so daß die stabile Zugfestigkeit bei 0,1 bis 5,0 % Co oder Ti erhalten wird.
Beispieie und Vergleichsbeispiele
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Die Stahlproben 1 bis 16 und 21 bis 33, die in den Tabellen 1 und 2 gezeigt werden, und die diese
Erfindung verkörpern, sowie die Vergleichsproben 1 bis 3, die in der Tabelle 3 gezeigt werden,
wurden durch Gießen hergestellt. Jede Probe, die die nachfolgende Zusammensetzung aufweist,
wurde hinsichtlich der Zugfestigkeit bei hoher Temperatur, der Härte, Mikrostruktur, thermischen
Dauerfestigkeit, Bearbeitbarkeit und Oxydationsbeständigkeit geprüft oder untersucht. Die
Zugfestigkeit bei hoher Temperatur wurde bei 950 ºC ermittelt. Die Prüfüng der thermischen
Dauerfestigkeit wurde durchgeführt, indem ein Prüfling mit einem Durchmesser von 10 mm und
einer Länge von 15 mm aus jeder Stahlprobe oder Materialprobe angefertigt, an beiden Enden
eingespannt, um ihn vollständig an einer Bewegung zu hindern, einem Wärmzyklus zwischen 250
ºC und 950 ºC ausgesetzt und die Anzahl der Zyklen gezählt wurde, die wiederholt wurden, bis der
Prüfling zerriß. Die Prüfung der Bearbeitbarkeit wurde durchgeführt, indem in jeden Prüfling ein
Loch gebohrt wurde, um seinen Widerstand gegen den Schub und das Drehmoment, die durch den
Bohrer hervorgerufen wurden, als Maß seines Schnittwiderstandes zu ermitteln, ebenso wie durch
Messen des Verschleißgrades, der am Bohrer zu verzeichnen war. Die Prüfung der
Oxydationsbeständigkeit wurde durchgeführt, indem jeder Prüfling bei einer Temperatur von 950
ºC über 100 Stunden in Luft gelassen und dessen resultierender Gewichtsverlust durch die
Oxydation gemessen wurde.
Tabelle 1
Chemische Zusammensetzung (Gew.-%)
Probe Nr.
Probe der Erfindung
Tabelle 2
Chemische Zusammensetzung (Gew.-%)
Probe Nr.
Probe der Erfindung
Tabelle 3
Zusammensetzung (Gew.-%)
Vergleichsbeispiel Nr.
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Nr. 1 ist Kugelgraphitguß mit hohem Siliziumgehalt
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Nr. 2 ist Niresist
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Nr. 3 ist JIS SCH1
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Fig. 1 zeigt das Ergebnis der Prüfüng der Zugfestigkeit bei hoher Temperatur. In dieser Fig. wird
deutlich, daß jede Probe entsprechend der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit zeigt, einen
bedeutenden Anstieg der Zugfestigkeit aufzuweisen, wenn man mit dem Vergleichsbeispiel 1
(Kugelgraphitguß mit hohem Siliziumgehalt) und ebenfalls mit den Vergleichsbeispielen 2
(Niresist) und 3 (JIS SCH1) vergleicht. Außerdem zeigen von den Proben der vorliegenden
Erfindung diejenigen, die Co und Ti enthalten, eine hohe Zugfestigkeit, verglichen mit denjenigen,
die kein Co oder Ti enthalten, und diese wird im Verhältnis zur Zunahme der davon enthaltenen
Menge größer.
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Die Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse der Härteprüfüngen, die bei den Proben 1 und 5 bis 8 dieser
Erfindung im Gußzustand und bei 980 ºC über drei Stunden lang geglüht durchgeführt wurden. Wie
aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, zeigten die Proben 1, 5 und 6 dieser Erfindung eine ausreichend
geringe Härte im Gußzustand, und sie zeigten eine weitere Reduzierung der Härte, wenn sie geglüht
wurden. Die Proben 7 und 8 dieser Erfindung, die mehr Kohlenstoff als irgendeine andere Probe
dieser Erfindung enthalten, zeigten eine größere Härte im Gußzustand, konnten aber durch Glühen
zufriedenstellend weich gemacht werden.
Tabelle 4
Vickershärte (Hv)
Probe
im Gußzustand
im geglühten Zustand
Probe der Erfindung
Vergleichsprobe
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Die Figuren 2 und 3 zeigen die Mikrostrukruren der Probe 1 dieser Erfindung im Gußzustand und
bzw. im geglühten Zustand. Während Fig. 2 das Vorhandensein von Nadelkristallen des Martensits
im Stahl im Gußzustand zeigt, bestätigt Fig. 3, daß dessen Glühen die Zersetzung des Martensits
und die Bildung einer Struktur bewirkte die Karbid enthält, das im Ferrit dispergiert ist. Diese
Veränderung der Struktur war unverkennbar für die Reduzierung der Härte verantwortlich, die
durch das Glühen bewirkt wurde, wie in Tabelle 4 gezeigt wird.
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Fig. 4 zeigt die Ergebnisse der Prüfungen der thermischen Dauerfestigkeit. Die Proben 1 und 2
dieser Erfindung konnten eine bei weitem größere Anzahl von Heiz- und Kühlzyklen ohne
Zerreißen aushalten, als das bei irgendeiner der Vergleichsproben der Fall war. Diese Ergebnisse
bestätigen die bedeutend hohe thermische Dauerfestigkeit des Stahls entsprechend dieser
Erfindung.
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Die Figuren 5 und 6 zeigen die Ergebnisse der Prüfungen der Bearbeitbarkeit. Diese Prüfungen
wurden durchgeführt, indem die Proben 1 bis 4 dieser Erfindung und die Vergleichsprobe 3 betreffs
ihres Schnittwiderstand bewertet wurden, während die Proben 1 und 5 bis 8 im Gußzuständ und im
geglühten Zustand und die Vergleichsproben 1 und 2 im Gußzustand benutz wurden, um den
Verschleißgrad am Bohrer zu ermitteln. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, wurde, während die Probe 1
dieser Erfindung im wesentlichen eine gleiche Bearbeitbarkeit wie die Vergleichsprobe 3 (JIS
SCH1) autwies, eine stark verbesserte Bearbeitbarkeit bei den Proben 2 bis 4 dieser Erfindung
erreicht, die höhere Anteile an Mangan und Schwefel enthalten, und die außerdem Tellur oder
Tellur und Aluminium enthalten oder nicht enthalten, wie aus Fig 5 ersichtlich ist. Wie aus Fig 6
ersichtlich ist, waren die Proben 1 und 5 bis 8 dieser Erfindung im Gußzustand hinsichtlich der
Bearbeitbarkeit dem Vergleichsbeispiel 2 (Niresist) bei weitem überlegen, und wenn sie geglüht
wurden, zeigten sie einen noch höheren Grad der Bearbeitbarkeit, die sich der des
Vergleichsbeispiels 1 (Kugelgraphitguß mit hohem Siliziumgehalt) nähert.
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Die Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse der Prüfungen der Oxydationsbeständigkeit. Aus der Tabelle 5
wird ersichtlich, daß die Zugfestigkeit der Beispiele 1 und 2 der vorliegenden Erfindung größer ist,
nicht nur mit dem Vergleichsbeispiel 1 (Kugelgraphitguß mit hohem Siliziumgehalt), sondern auch
mit dem Vergleichsbeispiel 3 (JIS SCH1) verglichen. Die Proben 1 und 2 dieser Erfindung zeigten
sehr geringe Gewichtsverluste durch Oxydation, verglichen mit jeder der Vergleichsproben 1 bis 3.
Tabelle 5
Gewichtsverlust durch Oxydation (mg/cm³)
Probe der Erfindung
Vergleichsprobe
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Entsprechend dem ferritischen, wärmebeständigen Gußstahl der vorliegenden Erfindung zeigte der
legierte Stahl, da er eine kleine Menge an W, Ni und Mn und wahlweise Elemente mit einer
besseren Bearbeitbarkeit, wie beispielsweise S, Te und Al oder Co und Ti, enthält, wie
vorangehend erklärt wird, daß eine Zunahme der Wärmebeständigkeit erhalten wurde, ohne daß die
Oxydationsbeständigkeit, die Bearbeitbarkeit und die strukturelle Stabilität verlorengingen,
wodurch er dazu beiträgt, eine hohe Leistung und Absenkung des Kraftstoftverbrauchs des
Kraftfahrzeugmotors zu erreichen. Entsprechend dem Herstellungsverfahren für den ferritischen,
wärmebeständigen Gußstahl der vorliegenden Erfindung wird der Gußstahl außerdem nach dem
Glühen ausreichend erweicht, um eine verbesserte Bearbeitbarkeit zu erlangen.
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Der ferritische, wärmebeständige Gußstahl, dessen Einsetzbarkeit im Auspuffsammler eines
Kraftfahrzeugmotors erweitert werden soll, ohne daß er die Oxydationsbeständigkeit, die
Bearbeitbarkeit und strukturelle Stabilität verliert, enthält in Gewichtsprozent 0,05 bis 0,5 % C, 1,0
bis 2,0 % Si, weniger als 0,6 % Mn, weniger als 0,04 % P, weniger als 0,04 % S, weniger als 0,5 %
Ni, 10 bis 20 % Cr, 0,1 bis 1,0 % V, 0,5 bis 1,0 % Nb, 0,08 bis 0,50 % Mo, weniger als 0,01 % W
und 0,01 bis 0,2 % Ce, wobei die restlichen Prozente seiner Zusammensetzung Eisen sind.
Alternativ dazu kann er 0,1 bis 1,5 % Mn und 0,01 bis 0,2 % S enthalten, und er kann außerdem
0,01 bis 0,2 % Te und/oder 0,01 bis 0,3 % Al auf Kosten von Fe enthalten. Außerdem kann er 0,1
bis 5,0 % Co und/oder 0,1 bis 5,0 % Ti auf Kosten von Fe enthalten. Der Gußstahl wird bei einer
Temperatur von 850 ºC bis 1000 ºC über eine Zeit von einer bis fünf Stunden geglüht.