EP1865082A1 - Cast iron with good high temperature oxidation resistance - Google Patents

Cast iron with good high temperature oxidation resistance Download PDF

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EP1865082A1
EP1865082A1 EP06011786A EP06011786A EP1865082A1 EP 1865082 A1 EP1865082 A1 EP 1865082A1 EP 06011786 A EP06011786 A EP 06011786A EP 06011786 A EP06011786 A EP 06011786A EP 1865082 A1 EP1865082 A1 EP 1865082A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
cast iron
alloy
alloy according
iron alloy
magnesium
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06011786A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Leonhard F. Zeipper
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Georg Fischer Eisenguss GmbH
Original Assignee
Georg Fischer Eisenguss GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Georg Fischer Eisenguss GmbH filed Critical Georg Fischer Eisenguss GmbH
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Priority to CA002653239A priority patent/CA2653239A1/en
Priority to CNA2007800208544A priority patent/CN101460641A/en
Priority to PCT/EP2007/054506 priority patent/WO2007141108A1/en
Priority to US12/303,857 priority patent/US20100178193A1/en
Priority to RU2008152348/02A priority patent/RU2008152348A/en
Priority to KR1020097000425A priority patent/KR20090037883A/en
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/10—Cast-iron alloys containing aluminium or silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/06—Cast-iron alloys containing chromium
    • C22C37/08—Cast-iron alloys containing chromium with nickel

Definitions

  • the invention relates to a cast iron alloy for cast iron products having a high oxidation resistance at high surface temperatures.
  • the alloy contains up to 3.4 wt% C, 3.5 to 5.5 wt% Si, to 0.6 wt% Mn, 0.1 to 0.7 wt% Cr, 0.3 to 0.9 wt.% Mo and up to 0.1 wt.% Of a spheroidal graphite-forming component.
  • the alloy is used to make turbocharger housings in automotive engineering.
  • the alloy consists of 2.5 to 2.8% by weight of C, 4.7 to 5.2% by weight of Si, 0.5 to 0.9% by weight of Mo, 0.5 to 0.9% by weight.
  • Al up to 0.04 wt.% Mg, up to 0.02 wt.% S, 0.1 to 1.0 wt.% Ni, 0.1 to 0.4 wt.% Zr, balance Fe and usual impurities.
  • the alloy is used for exhaust manifolds and turbocharger housings in automotive engineering.
  • This object is achieved by a cast iron alloy for cast iron products with a high oxidation resistance at surface temperatures of 800 to 950 ° C with the chemical constituents 2.8 to 3.6 wt.% C, 2.0 to 3.0 wt.% Si, 2 , 5 to 4.3 wt% Al, up to 1.0 wt% Ni, up to 0.8 wt% Mo, up to 0.3 wt% Mn, 0.002 to 0.1 wt% Ce , 0.023 to 0.06 wt.% Mg, up to 0.01 wt.% S, balance Fe and common impurities.
  • the castings stretch as regularly as possible elastically at the operating temperature.
  • the temperature of the ferritic to austenitic phase transformation of the alloy being above 880 ° C.
  • the thermal expansion of the alloy samples measured in the dilatometer is uniform and constant up to a temperature of 880 ° C.
  • the alloy having a thermal expansion coefficient of 8 to 12 10 -6 / K at 25 ° C and 13.5 to 15.5 10 -6 / K at 900 ° C.
  • the castings do not become brittle at room temperature.
  • the toughness of the cast iron alloy proposed here corresponds to the mean value of commercially available ferritic materials, which, however, can not be used at temperatures above 860 ° C.
  • the castings are easy to work. This is achieved by the alloy samples having a Brinell hardness of 220 to 250.
  • the alloy is composed of inexpensive elements as possible. This is achieved by the alloy containing less than 0.8 wt% Mo, less than 1 wt% Cr, and less than 1 wt% Ni.
  • Ni-resist alloys typically contain about 30 to 35 wt% Ni and about 2 to 5% Cr.
  • Ductile iron alloys alloyed with molybdenum normally contain about 0.8% by weight molybdenum.
  • the castings are thermally insensitive as possible. This is achieved by the alloy samples having a thermal conductivity of about 23 W / mK at 25 ° C. and a thermal conductivity of about 26 W / mK at 900 ° C. Ni-Resist alloys have a 20 to 50% lower thermal conductivity at 400 ° C.
  • the gist of the invention is to provide a cast iron alloy which permitting the highest possible service temperature with a high level of scale resistance in turbocharger housings and exhaust manifolds, as cost-effectively and as simply as possible in a casting process can be produced.
  • Previous standard solutions for higher operating temperatures are the use of more expensive cast steel and austenitic cast iron or in the use of more expensive to manufacture sheet metal structures.
  • An exhaust manifold for an internal combustion engine of a ductile iron passenger car having the following chemical composition in weight percent: 3.02 C, 2.96 Si, 2.53 Al, 0.79 Ni, 0.65 Mo, 0.23 Mn, 0.04 Cu, 0.031 P, 0.026 Cr, 0.023 Mg, 0.017 Ti, less than 0.01 S and 0.002 Ce has a ferritic microstructure.
  • the exhaust manifolds are poured directly into the molds from a melt which has been pretreated with magnesium in the GF converter. A subsequent time-consuming heat treatment such as solution annealing or tempering is not necessary.
  • the treatment with magnesium has a favorable influence on the sulfur content of the alloy and ensures the formation of the graphite in the spherical or vermicular form.
  • the Mg content of about 0.025 wt% is ideal at the present Al content of about 2.5 wt%.
  • the alloy samples have a specific gravity that is at least 5% lower than the specific gravity of conventional comparable cast iron alloys.
  • the carbon content of 2.8 to 3.6% by weight ensures a composition close to the eutectic. Less than 2.8% C is unfavorable for feeding the castings. More than 3.6% C is unfavorable to the high temperature properties of the alloy.
  • Cerium is added in amounts of 0.002 to 0.1% by weight as a nucleating agent. More than 0.1% Ce is unfavorable and leads to the formation of so-called chunky graphite.
  • the content of silicon of 2 to 3% by weight in the present alloy has a positive influence on the formation of the ferritic phase, improves the flowability of the melt, increases the yield strength and improves the heat resistance of the castings. Less than 2% Si is unfavorable to the depth of the wisdom radiation. More than 3% Si increases the brittleness of the castings.
  • the content of aluminum from 2.5 to 4.3 wt.% also has a positive influence on the formation of the ferritic phase and neutralizes the nitrogen. Less than 2.5% Al is unfavorable for graphite stabilization. More than 4.3% Al is unfavorable for the formation of spheroidal graphite.
  • the content of nickel of 0.1 to 1 wt.% Increases the yield strength without significantly increasing the brittleness and improves the corrosion resistance. Less than 0.1% Ni is unfavorable for graphite stabilization. More than 1% Ni is unfavorable for the formation of bainite and martensite in thinner areas of the castings. Nickel is a relatively expensive alloying element.
  • the content of molybdenum from 0.4 to 0.8% by weight has a positive influence on the increase in the yield strength, the heat resistance, the creep resistance and thus on the thermal shock resistance. Less than 0.4% Mo is unfavorable for graphite stabilization. More than 0.8% Mo is unfavorable for the formation of carbides and gas bubbles. Molybdenum is a very expensive alloying element.
  • the manganese content of up to 0.3% by weight has a positive influence on the setting of sulfur. More than 0.3% Mn is unfavorable for the formation of Grain boundary carbides and worsens the nucleation state. Too much Mn promotes the formation of perlite in the crystal structure. The bainitic structure is becoming increasingly brittle.
  • the chromium content of up to 1% by weight has a positive influence on the creep resistance and the heat resistance of the castings.
  • lower levels of the admixtures are beneficial in reducing the formation of grain boundary carbides and brittleness at room temperature. This is the case, for example, for the contents of copper and titanium.
  • melt temperatures of ductile iron are lower by 100 to 200 ° C. This means that less energy is consumed and that fewer alloying elements are released by evaporation to the environment.
  • Figure 1 shows the transformation from the ferritic to austenitic phases of the present alloy as a function of temperature. Here it can be seen how at about 900 ° C an equilibrium phase transformation takes place. It can also be seen here how the alloy changes its state of aggregation at a melting temperature of 1240 to 1280 ° C.
  • Figure 2 shows the coefficient of thermal expansion of the new alloy, designated SiMo1000plus, measured as a function of temperature, in comparison with other cast iron alloys.

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Abstract

Cast iron alloy (I) for cast iron products with high oxidation stability at surface temperature of 800-950[deg] C, comprises carbon (2.8-3.6 wt.%), silicon (2-3 wt.%), aluminum (2.5-4.3 wt.%), nickel (up to 1 wt.%), molybdenum (up to 0.8 wt.%), manganese (up to 0.3 wt.%), cerium (0.002-0.1 wt.%), magnesium (0.023-0.06 wt.%), sulfur (up to 0.01 wt.%), and remainder of iron and usual impurities. An independent claim is included for the preparation of (I) comprising treating the alloy with magnesium in a magnesium converter to obtain a sulfur-poor alloy.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gusseisenlegierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen Oxidationsbeständigkeit bei hohen Oberflächentemperaturen.The invention relates to a cast iron alloy for cast iron products having a high oxidation resistance at high surface temperatures.

Die Automobilhersteller sind gezwungen, die neuen Abgasnormen einzuhalten. Die Katalysatoren arbeiten besser, wenn die Abgastemperaturen höher sind. Als Katalysatormetall kann Palladium statt Platin eingesetzt werden und die maximale Abgastemperatur wird von heute 850 °C bis auf 950 °C steigen. Bei diesen Temperaturen gibt es bei den bisher bekannten Gusseisenlegierungen Probleme mit der Zunderbeständigkeit. Bei den bisherigen ferritischen Legierungen findet bei Temperaturen ab ca. 860°C eine Phasenumwandlung von einem ferritischen zu einem austenitischen Gefüge statt. Das Dehnungsverhalten eines ferritischen Gefüges unterscheidet sich vom Dehnungsverhalten eines austenitischen Gefüges. Weil der Wärmeausdehnungskoeffizient des austenitischen Gefüges grösser ist und sich stärker ändert als der Wärmeausdehnungskoeffizient des ferritischen Gefüges, erfolgt bei der Umwandlungstemperatur eine Volumenänderung. Diese Volumenänderung führt zu unregelmässigem Dehnungsverhalten und Mikrorissbildung der Gussteile. Die Gussteile, die einem häufigen Temperaturwechsel unterworfen sind, werden durch diese unregelmässige Dehnung und Rissbildung mechanisch beansprucht. Als Folge davon lösen sich dünne Oxidschichten (= Zunder) von der Oberfläche des Gussteiles ab. An den dem Abgas ausgesetzten Flächen des Turboladergehäuses und/oder des Auspuffkrümmers soll sich idealerweise eine dünne Oxidschicht bilden, die gut haften bleibt und die Sauerstoffdiffusion blockiert.Car manufacturers are forced to comply with the new emission standards. The catalysts work better when the exhaust gas temperatures are higher. Palladium can be used as the catalyst metal instead of platinum, and the maximum exhaust gas temperature will rise from 850 ° C today to 950 ° C. At these temperatures, there are problems with scale resistance in the previously known cast iron alloys. In the previous ferritic alloys takes place at temperatures from about 860 ° C, a phase transformation from a ferritic to an austenitic microstructure. The expansion behavior of a ferritic microstructure differs from the expansion behavior of an austenitic microstructure. Because the coefficient of thermal expansion of the austenitic structure is larger and changes more than the thermal expansion coefficient of the ferritic microstructure, a change in volume occurs at the transformation temperature. This volume change leads to irregular expansion behavior and microcracking of the castings. The castings, which are subject to frequent temperature changes, are mechanically stressed by this irregular stretching and cracking. As a result, thin oxide layers (= scale) detach from the surface of the casting. At the surfaces exposed to the exhaust gas of the turbocharger housing and / or the exhaust manifold should ideally form a thin oxide layer, which adheres well and blocks the oxygen diffusion.

Aus der EP 076 701 B1 ist ein hitzebeständiges, ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit bekannt. Die Legierung enthält bis zu 3,4 Gew. % C, 3,5 bis 5,5 Gew. % Si, bis 0,6 Gew. % Mn, 0,1 bis 0,7 Gew. % Cr, 0,3 bis 0,9 Gew. % Mo und bis zu 0,1 Gew. % einer Kugelgraphit bildenden Komponente. Die Legierung wird verwendet zur Herstellung von Turboladergehäusen im Kraftfahrzeugbau.From the EP 076 701 B1 is a heat resistant, ferritic ductile iron known. The alloy contains up to 3.4 wt% C, 3.5 to 5.5 wt% Si, to 0.6 wt% Mn, 0.1 to 0.7 wt% Cr, 0.3 to 0.9 wt.% Mo and up to 0.1 wt.% Of a spheroidal graphite-forming component. The alloy is used to make turbocharger housings in automotive engineering.

Aus der EP 1 386 976 B1 ist eine Legierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen Temperaturbeständigkeit bekannt. Die Legierung besteht aus 2,5 bis 2,8 Gew. % C, 4,7 bis 5,2 Gew. % Si, 0,5 bis 0,9 Gew. % Mo, 0,5 bis 0,9 Gew. % Al, bis zu 0,04 Gew. % Mg, bis zu 0,02 Gew. % S, 0,1 bis 1,0 Gew. % Ni, 0,1 bis 0,4 Gew. % Zr, Rest Fe und üblichen Verunreinigungen. Die Legierung wird für Auspuffkrümmer und Turboladergehäuse im Kraftfahrzeugbau verwendet.From the EP 1 386 976 B1 is an alloy for cast iron products with a high temperature resistance is known. The alloy consists of 2.5 to 2.8% by weight of C, 4.7 to 5.2% by weight of Si, 0.5 to 0.9% by weight of Mo, 0.5 to 0.9% by weight. Al, up to 0.04 wt.% Mg, up to 0.02 wt.% S, 0.1 to 1.0 wt.% Ni, 0.1 to 0.4 wt.% Zr, balance Fe and usual impurities. The alloy is used for exhaust manifolds and turbocharger housings in automotive engineering.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Gusseisenlegierung anzugeben, die bei möglichst hohen Temperaturen eingesetzt werden kann, die möglichst kostengünstig herstellbar ist und eine möglichst lange Lebensdauer bei häufigem Temperaturwechsel gewährleistet.Based on this prior art, it is an object of the invention to provide a cast iron alloy, which can be used at the highest possible temperatures, which is as inexpensive to produce and ensures the longest possible life with frequent temperature changes.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gusseisenlegierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen Oxidationsbeständigkeit bei Oberflächentemperaturen von 800 bis 950 °C mit den chemischen Bestandteilen 2,8 bis 3,6 Gew. % C, 2,0 bis 3,0 Gew. % Si, 2,5 bis 4,3 Gew. % Al, bis zu 1,0 Gew. % Ni, bis zu 0,8 Gew. % Mo, bis zu 0,3 Gew. % Mn, 0,002 bis 0,1 Gew. % Ce, 0,023 bis 0,06 Gew. % Mg, bis zu 0,01 Gew. % S, Rest Fe und üblichen Verunreinigungen.This object is achieved by a cast iron alloy for cast iron products with a high oxidation resistance at surface temperatures of 800 to 950 ° C with the chemical constituents 2.8 to 3.6 wt.% C, 2.0 to 3.0 wt.% Si, 2 , 5 to 4.3 wt% Al, up to 1.0 wt% Ni, up to 0.8 wt% Mo, up to 0.3 wt% Mn, 0.002 to 0.1 wt% Ce , 0.023 to 0.06 wt.% Mg, up to 0.01 wt.% S, balance Fe and common impurities.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Preferred developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Es ist von Vorteil, dass die Gussteile sich bei der Betriebstemperatur möglichst regelmässig elastisch dehnen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Temperatur der Umwandlung von ferritischer in austenitische Phase der Legierung oberhalb von 880 °C liegt. Dies wird auch dadurch erreicht, dass die Wärmeausdehnung der Legierungsproben gemessen im Dilatometer bis zu einer Temperatur von 880 °C gleichmässig und konstant verlaufend ist. Dies wird auch dadurch erreicht, dass die Legierung einen Wärmeausdehnungskoeffizient von 8 bis 12 10-6/K bei 25 °C und 13,5 bis 15,5 10-6/K bei 900°C aufweist. Dies sind Werte, die, über der Temperatur aufgetragen, konstant etwa 30 % unter den Werten von sogenannten Ni-Resist-Legierungen mit den Normbezeichnungen D5S oder GJSA XNiSiCr35-5-2 liegen.It is advantageous that the castings stretch as regularly as possible elastically at the operating temperature. This is achieved by the temperature of the ferritic to austenitic phase transformation of the alloy being above 880 ° C. This is also achieved by the fact that the thermal expansion of the alloy samples measured in the dilatometer is uniform and constant up to a temperature of 880 ° C. This is also achieved by the alloy having a thermal expansion coefficient of 8 to 12 10 -6 / K at 25 ° C and 13.5 to 15.5 10 -6 / K at 900 ° C. These are values that, above the Temperature applied, constant about 30% below the values of so-called Ni-resist alloys with the standard designations D5S or GJSA XNiSiCr35-5-2 lie.

Es ist weiter von Vorteil, dass die Gussteile bei Raumtemperatur nicht spröde werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Legierung Festigkeitswerte für die Zugfestigkeit Rm 500 bis 650 MPa, für die Streckgrenze Rp0.2 470 bis 620 MPa und für die Bruchdehnung A5 2,0 bis 4,0 % aufweist. Dies sind Festigkeitswerte, die etwa 1,3 bis 1,5 mal so hoch wie bei den sogenannten Ni-Resist-Legierungen liegen. Die Zähigkeit der hier vorgeschlagenen Gusseisenlegierung entspricht dem Mittelwert der marktüblichen ferritischen Werkstoffe, die jedoch nicht bei Temperaturen über 860°C eingesetzt werden können.It is further advantageous that the castings do not become brittle at room temperature. This is achieved by the alloy having strength values for the tensile strength R m 500 to 650 MPa, for the yield strength R p0.2 470 to 620 MPa and for the elongation at break A 5 2.0 to 4.0%. These are strength values which are about 1.3 to 1.5 times as high as in the so-called Ni-resist alloys. The toughness of the cast iron alloy proposed here corresponds to the mean value of commercially available ferritic materials, which, however, can not be used at temperatures above 860 ° C.

Es ist auch von Vorteil, dass die Gussteile leicht bearbeitbar sind. Dies wird dadurch erreicht, dass die Legierungsproben eine Brinell-Härte von 220 bis 250 aufweisen.It is also advantageous that the castings are easy to work. This is achieved by the alloy samples having a Brinell hardness of 220 to 250.

Es ist auch von Vorteil, dass die Legierung aus möglichst kostengünstigen Elementen zusammengesetzt ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Legierung weniger als 0,8 Gew. % Mo, weniger als 1 Gew. % Cr und weniger als 1 Gew. % Ni enthält. Ni-Resist-Legierungen enthalten typisch etwa 30 bis 35 Gew. % Ni und etwa 2 bis 5 % Cr. Mit Molybdän legierte Sphärogusslegierungen enthalten normalerweise etwa 0,8 Gew. % Molybdän.It is also advantageous that the alloy is composed of inexpensive elements as possible. This is achieved by the alloy containing less than 0.8 wt% Mo, less than 1 wt% Cr, and less than 1 wt% Ni. Ni-resist alloys typically contain about 30 to 35 wt% Ni and about 2 to 5% Cr. Ductile iron alloys alloyed with molybdenum normally contain about 0.8% by weight molybdenum.

Es ist weiter auch von Vorteil, dass die Gussteile thermisch möglichst unempfindlich sind. Dies wird dadurch erreicht, dass die Legierungsproben bei 25 °C eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 23 W/mK und bei 900 °C eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 26 W/mK aufweisen. Ni-Resist-Legierungen haben bei 400 °C eine 20 bis 50 % niedrigere Wärmeleitfähigkeit.It is also advantageous that the castings are thermally insensitive as possible. This is achieved by the alloy samples having a thermal conductivity of about 23 W / mK at 25 ° C. and a thermal conductivity of about 26 W / mK at 900 ° C. Ni-Resist alloys have a 20 to 50% lower thermal conductivity at 400 ° C.

Der Kerngedanke der Erfindung ist es, eine Gusseisenlegierung anzugeben, die eine möglichst hohe Einsatztemperatur mit einer hohen Zunderbeständigkeit in Turboladergehäusen und Auspuffkrümmern zulässt, möglichst kostengünstig und möglichst einfach in einem Giessverfahren hergestellt werden kann. Bisherige Standardlösungen für höhere Einsatztemperaturen liegen in der Verwendung von teurerem Stahlguss und austenitischem Gusseisen oder in der Verwendung von aufwendiger herzustellenden Blechkonstruktionen.The gist of the invention is to provide a cast iron alloy which permitting the highest possible service temperature with a high level of scale resistance in turbocharger housings and exhaust manifolds, as cost-effectively and as simply as possible in a casting process can be produced. Previous standard solutions for higher operating temperatures are the use of more expensive cast steel and austenitic cast iron or in the use of more expensive to manufacture sheet metal structures.

Beispielexample

Ein Auspuffkrümmer für einen Verbrennungsmotor eines Personenkraftwagens aus Sphäroguss mit der folgenden chemischen Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: 3,02 C, 2,96 Si, 2,53 Al, 0,79 Ni, 0,65 Mo, 0,23 Mn, 0,04 Cu, 0,031 P, 0,026 Cr, 0,023 Mg, 0,017 Ti, weniger als 0,01 S und 0,002 Ce weist ein ferritisches Gefüge auf. Die Auspuffkrümmer werden direkt in die Formen gegossen aus einer Schmelze, die im GF-Konverter mit Magnesium vorbehandelt wurde. Eine nachträgliche zeitaufwendige Wärmebehandlung wie Lösungsglühen oder Austempern ist nicht notwendig.An exhaust manifold for an internal combustion engine of a ductile iron passenger car having the following chemical composition in weight percent: 3.02 C, 2.96 Si, 2.53 Al, 0.79 Ni, 0.65 Mo, 0.23 Mn, 0.04 Cu, 0.031 P, 0.026 Cr, 0.023 Mg, 0.017 Ti, less than 0.01 S and 0.002 Ce has a ferritic microstructure. The exhaust manifolds are poured directly into the molds from a melt which has been pretreated with magnesium in the GF converter. A subsequent time-consuming heat treatment such as solution annealing or tempering is not necessary.

Die Behandlung mit Magnesium hat einen günstigen Einfluss auf den Schwefelgehalt der Legierung und gewährleistet eine Ausbildung des Graphits in der Kugel-oder Vermikularform. Magnesium wirkt entschwefelnd, es muss jedoch genügend Mg in Lösung bleiben um das Wachstum der Sphärolithen (= Kugelgraphitteilchen) zu begünstigen. Der Mg-Gehalt von etwa 0,025 Gew. % ist bei dem vorliegenden Al-Gehalt von etwa 2,5 Gew. % ideal. Die Legierungsproben haben ein spezifisches Gewicht, das mindestens 5% niedriger ist als das spezifische Gewicht herkömmlicher vergleichbarer Gusseisenlegierungen.The treatment with magnesium has a favorable influence on the sulfur content of the alloy and ensures the formation of the graphite in the spherical or vermicular form. Magnesium acts desulphurising, but enough Mg must remain in solution to favor the growth of spherulites (= nodular graphite particles). The Mg content of about 0.025 wt% is ideal at the present Al content of about 2.5 wt%. The alloy samples have a specific gravity that is at least 5% lower than the specific gravity of conventional comparable cast iron alloys.

Der Kohlenstoffgehalt von 2,8 bis 3,6 Gew. % gewährleistet eine Zusammensetzung, die nahe dem Eutektikum liegt. Weniger als 2,8 % C ist ungünstig für die Speisung der Gussteile. Mehr als 3,6 % C ist ungünstig für die Hochtemperatureigenschaften der Legierung.The carbon content of 2.8 to 3.6% by weight ensures a composition close to the eutectic. Less than 2.8% C is unfavorable for feeding the castings. More than 3.6% C is unfavorable to the high temperature properties of the alloy.

Cer wird in Mengen von 0,002 bis 0,1 Gew. % als Keimbildner zugegeben. Mehr als 0,1 % Ce ist ungünstig und führt zur Ausbildung von so genanntem Chunkygraphit.Cerium is added in amounts of 0.002 to 0.1% by weight as a nucleating agent. More than 0.1% Ce is unfavorable and leads to the formation of so-called chunky graphite.

Der Gehalt an Silizium von 2 bis 3 Gew. % hat in der vorliegenden Legierung einen positiven Einfluss auf die Bildung der ferritischen Phase, verbessert die Fliessfähigkeit der Schmelze, steigert die Streckgrenze und verbessert die Hitzebeständigkeit der Gussteile. Weniger als 2 % Si ist ungünstig für die Tiefe der Weisseinstrahlung. Mehr als 3 % Si erhöht die Sprödigkeit der Gussteile.The content of silicon of 2 to 3% by weight in the present alloy has a positive influence on the formation of the ferritic phase, improves the flowability of the melt, increases the yield strength and improves the heat resistance of the castings. Less than 2% Si is unfavorable to the depth of the wisdom radiation. More than 3% Si increases the brittleness of the castings.

Der Gehalt an Aluminium von 2,5 bis 4,3 Gew. % hat ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Bildung der ferritischen Phase und neutralisiert den Stickstoff. Weniger als 2,5 % Al ist ungünstig für die Graphitstabilisierung. Mehr als 4,3 % Al ist ungünstig für die Bildung von Kugelgraphit.The content of aluminum from 2.5 to 4.3 wt.% Also has a positive influence on the formation of the ferritic phase and neutralizes the nitrogen. Less than 2.5% Al is unfavorable for graphite stabilization. More than 4.3% Al is unfavorable for the formation of spheroidal graphite.

Der Gehalt an Nickel von 0,1 bis 1 Gew. % steigert die Streckgrenze ohne wesentliche Erhöhung der Sprödigkeit und verbessert die Korrosionsbeständigkeit. Weniger als 0,1 % Ni ist ungünstig für die Graphitstabilisierung. Mehr als 1 % Ni ist ungünstig für die Bildung von Bainit und Martensit in dünneren Bereichen der Gussteile. Nickel ist ein verhältnismässig teures Legierungselement.The content of nickel of 0.1 to 1 wt.% Increases the yield strength without significantly increasing the brittleness and improves the corrosion resistance. Less than 0.1% Ni is unfavorable for graphite stabilization. More than 1% Ni is unfavorable for the formation of bainite and martensite in thinner areas of the castings. Nickel is a relatively expensive alloying element.

Der Gehalt an Molybdän von 0,4 bis 0,8 Gew. % hat einen positiven Einfluss auf die Erhöhung der Streckgrenze, der Warmfestigkeit, der Kriechbeständigkeit und damit auf die Temperaturwechselbeständigkeit. Weniger als 0,4 % Mo ist ungünstig für die Graphitstabilisierung. Mehr als 0,8 % Mo ist ungünstig für die Bildung von Karbiden und Gasblasen. Molybdän ist ein sehr teures Legierungselement.The content of molybdenum from 0.4 to 0.8% by weight has a positive influence on the increase in the yield strength, the heat resistance, the creep resistance and thus on the thermal shock resistance. Less than 0.4% Mo is unfavorable for graphite stabilization. More than 0.8% Mo is unfavorable for the formation of carbides and gas bubbles. Molybdenum is a very expensive alloying element.

Der Gehalt an Mangan von bis zu 0,3 Gew. % hat einen positiven Einfluss auf die Abbindung von Schwefel. Mehr als 0,3 % Mn ist ungünstig für die Bildung von Korngrenzkarbiden und verschlechtert den Keimbildungszustand. Zu viel Mn fördert die Bildung von Perlit im Kristallgefüge. Das bainitische Gefüge wird zunehmend spröder.The manganese content of up to 0.3% by weight has a positive influence on the setting of sulfur. More than 0.3% Mn is unfavorable for the formation of Grain boundary carbides and worsens the nucleation state. Too much Mn promotes the formation of perlite in the crystal structure. The bainitic structure is becoming increasingly brittle.

Der Gehalt an Chrom von bis zu 1 Gew. % hat einen positiven Einfluss auf die Kriechbeständigkeit und die Warmfestigkeit der Gussformteile.The chromium content of up to 1% by weight has a positive influence on the creep resistance and the heat resistance of the castings.

Allgemein sind niedrigere Gehalte der Zulegierungen günstig für die Verringerung der Bildung von Korngrenzkarbiden und der Sprödigkeit bei Raumtemperatur. Dies ist beispielsweise der Fall bei den Gehalten an Kupfer und Titan.Generally, lower levels of the admixtures are beneficial in reducing the formation of grain boundary carbides and brittleness at room temperature. This is the case, for example, for the contents of copper and titanium.

Im Vergleich zu Stahlguss liegen die Schmelzetemperaturen bei Sphäroguss um 100 bis 200 °C niedriger. Dies bedeutet, dass weniger Energie verbraucht wird und dass weniger Legierungselemente durch Abdampfen an die Umwelt abgegeben werden.In comparison with cast steel, the melt temperatures of ductile iron are lower by 100 to 200 ° C. This means that less energy is consumed and that fewer alloying elements are released by evaporation to the environment.

In Figur 1 ist die Umwandlung von der ferritischen in die austenitische Phase der vorliegenden Legierung in Abhängigkeit der Temperatur dargestellt. Hier ist ersichtlich, wie bei ca. 900 °C eine Gleichgewichtsphasenumwandlung stattfindet. Hier ist auch ersichtlich, wie die Legierung bei einer Schmelztemperatur von 1240 bis 1280 °C den Aggregatszustand wechselt.Figure 1 shows the transformation from the ferritic to austenitic phases of the present alloy as a function of temperature. Here it can be seen how at about 900 ° C an equilibrium phase transformation takes place. It can also be seen here how the alloy changes its state of aggregation at a melting temperature of 1240 to 1280 ° C.

In Figur 2 ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der neuen Legierung mit der Bezeichnung SiMo1000plus, gemessen als Funktion der Temperatur, im Vergleich mit anderen Gusseisenlegierungen dargestellt.Figure 2 shows the coefficient of thermal expansion of the new alloy, designated SiMo1000plus, measured as a function of temperature, in comparison with other cast iron alloys.

In Figur 3 ist die Wärmeleitfähigkeit der Legierung Simo 1000plus im Vergleich mit anderen Gusseisenlegierungen als Funktion der Temperatur dargestellt. D5S steht hier für die sogenannten Ni-Resist-Legierungen, GJV SiMo und SiMoNi stehen für die bisher bekannten mit etwa 1 % Mo legierten Sphärogusslegierungen.In Figure 3, the thermal conductivity of the alloy Simo 1000plus is shown in comparison with other cast iron alloys as a function of temperature. D5S stands here for the so-called Ni-Resist alloys, GJV SiMo and SiMoNi stand for the previously known with approximately 1% Mo alloyed nodular cast iron alloys.

Claims (12)

Gusseisenlegierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen Oxidationsbeständigkeit bei Oberflächentemperaturen von 800 bis 950 °C mit den chemischen Bestandteilen 2,8 bis 3,6 Gew. % C, 2,0 bis 3,0 Gew. % Si, 2,5 bis 4,3 Gew. % Al, bis zu 1,0 Gew. % Ni, bis zu 0,8 Gew. % Mo, bis zu 0,3 Gew. % Mn, 0,002 bis 0,1 Gew. % Ce, 0,023 bis 0,06 Gew. % Mg, bis zu 0,01 Gew. % S, Rest Fe und üblichen Verunreinigungen.Cast iron alloy for cast iron products with a high oxidation resistance at surface temperatures of 800 to 950 ° C with the chemical constituents 2.8 to 3.6 wt.% C, 2.0 to 3.0 wt.% Si, 2.5 to 4.3 Wt% Al, up to 1.0 wt% Ni, up to 0.8 wt% Mo, up to 0.3 wt% Mn, 0.002 to 0.1 wt% Ce, 0.023 to 0.06 % By weight of Mg, up to 0.01% by weight of S, remainder Fe and usual impurities. Gusseisenlegierung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,1 bis 1 Gew. % Ni, 0,4 bis 0,8 Gew. % Mo und bis zu 1,0 Gew. % Cr enthält.Cast iron alloy according to claim 1, characterized in that the alloy contains 0.1 to 1 wt.% Ni, 0.4 to 0.8 wt.% Mo and up to 1.0 wt.% Cr. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Umwandlung von der ferritischen in die austenitische Phase der Legierung oberhalb von 880 °C liegt.Cast iron alloy according to at least one of claims 1 or 2, characterized in that the temperature of the transformation from the ferritic to the austenitic phase of the alloy is above 880 ° C. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeausdehnung der Legierung gemessen im Dilatometer bis zu einer Temperatur von 880 °C gleichmässig und konstant verlaufend ist.Cast iron alloy according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the thermal expansion of the alloy measured in the dilatometer to a temperature of 880 ° C is uniform and constant. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung einen Wärmeausdehnungskoeffizient von 8 bis 12 10-6/K bei 25 °C und 13,5 bis 15,5 10-6/K bei 900 °C aufweist.Cast iron alloy according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the alloy has a thermal expansion coefficient of 8 to 12 10 -6 / K at 25 ° C and 13.5 to 15.5 10 -6 / K at 900 ° C. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Festigkeitswerte für die Zugfestigkeit Rm 500 bis 650 MPa, für die Streckgrenze Rp0.2 470 bis 620 MPa und für die Bruchdehnung A5 2,0 bis 4,0 % aufweist.Cast iron alloy according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the alloy strength values for the tensile strength R m 500 to 650 MPa, for the yield strength Rp 0.2 470 to 620 MPa and for the elongation at break A 5 2.0 to 4.0% having. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Brinell-Härte von 220 bis 250 aufweist.Cast iron alloy according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the alloy has a Brinell hardness of 220 to 250. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bei 25 °C eine Wärmeleitfähigkeit von 20 bis 25 W/mK und bei 900 °C eine Wärmeleitfähigkeit von 23 bis 29 W/mK aufweist.Cast iron alloy according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the alloy at 25 ° C has a thermal conductivity of 20 to 25 W / mK and at 900 ° C has a thermal conductivity of 23 to 29 W / mK. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung ein spezifisches Gewicht aufweist, das mindestens 5% niedriger ist als das spezifische Gewicht herkömmlicher vergleichbarer Gusseisenlegierungen.Cast iron alloy according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the alloy has a specific gravity that is at least 5% lower than the specific gravity of conventional comparable cast iron alloys. Verfahren zur Herstellung einer Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung in einem Magnesiumkonverter mit Magnesium derart behandelt wird, dass eine sehr schwefelarme Legierung erhalten wird.Method for producing a cast iron alloy according to at least one of Claims 1 to 9, characterized in that the alloy is treated with magnesium in a magnesium converter in such a way that a very low-sulfur alloy is obtained. Verfahren zur Herstellung einer Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung nach der Vorbehandlung im Magnesiumkonverter in die Formen abgegossen wird und keiner thermischen Nachbehandlung unterworfen wird.A process for producing a cast iron alloy according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that the alloy is poured into the molds after the pretreatment in the magnesium converter and is not subjected to a thermal aftertreatment. Gusseisenlegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie für Auspuffkrümmer und/oder Turboladergehäuse im Automobilbau verwendet wird.Cast iron alloy according to at least one of claims 1 to 11, characterized in that it is used for exhaust manifold and / or turbocharger housing in the automotive industry.
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