EP2924138B1 - Gusseisenlegierung - Google Patents

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EP2924138B1
EP2924138B1 EP14161624.3A EP14161624A EP2924138B1 EP 2924138 B1 EP2924138 B1 EP 2924138B1 EP 14161624 A EP14161624 A EP 14161624A EP 2924138 B1 EP2924138 B1 EP 2924138B1
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iron alloy
alloy
temperature
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GF Casting Solutions Herzogenburg Iron GmbH
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/04—Cast-iron alloys containing spheroidal graphite
    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a cast iron alloy for cast iron products having a high temperature resistance and having a compact vermicular to spherical graphite form.
  • cast iron alloys are used for the production of castings which must have a high temperature resistance, for example the parts which come into contact with the hot exhaust gases of the internal combustion engine.
  • the exhaust manifolds and casings of turbochargers are exposed to temperatures of 900 to over 1000 ° C.
  • the transition temperature that is the temperature, whereby one type of crystal of the alloy transforms into another type of crystal plays an important role.
  • a volume change occurs and this volume change leads to irregular expansion behavior of the castings.
  • the alloys that can be used must have transformation temperatures that are above the maximum service temperature. Also, for the high service temperatures mentioned austenitic cast steel alloys or alloys with a high nickel content are used. Nickel is a relatively expensive raw material. Often the exhaust manifolds are also formed from sheet metal parts, which makes the poor soundproofing disadvantageous. These solutions are relatively expensive to manufacture. From the EP 534 850 B1 is a generic cast iron alloy known. The alloy contains about 3.1% by weight of C, 4.6% by weight of Si, 1.9% by weight of Al, 1% by weight of Mo and optionally also admixtures of Co and Nb.
  • the alloy has the highest possible structural stability and the highest possible resistance to the oxidation. This is achieved in that the Si content is 5.2 to 5.9 wt.%. This is also achieved by the Al content being 2.2 to 3.0% by weight.
  • the gist of the invention is to provide a cast iron alloy having a transition temperature of at least 980 ° C, which does not interfere with use in conjunction with internal combustion engines Has elongation properties, and can be produced as inexpensively as possible in a casting process.
  • Addition of nitrogen in the range of 0.004 to 0.018 wt.% also increases the hot tensile strength of the material due to the formation of high temperature resistant nitrides.
  • Magnesium in the order of 0.020 to 0.080 wt.% Is on the one hand necessary to ensure the material of the desired compact graphite form of vermikular to spherical, on the other hand also to form together with the nitrogen high-temperature resistant magnesium nitrides.
  • 0.1 to 0.8 wt.% Mo also improve the creep resistance of the material and thus improve its high-temperature properties.
  • 0.1 to 0.9 wt.% V, 0.1 to 0.5 wt.% Cr, 0.01 to 0.4 wt.% Ti with the nitrogen and the carbon finely distributed carbides, nitrides, as well as mixed carbides and carbonitrides, which impede the dislocation movement and thus the deformation resistance improve the material at high temperatures.
  • the elements V, Cr and Ti may occur singly as well as together in the alloy.
  • 0.1 to 0.4 wt.% Cu are incorporated in the crystal lattice of the ferrite and thus solidify the material in addition to the precipitates by a solid solution hardening.
  • An exhaust manifold for an internal combustion engine of a ductile iron passenger car having the following chemical composition in weight percent: 2.95 C, 5.54 Si, 0.0085 N, 0.15 Mo, 2.9 Al, 0.078 Mg, 0.75 Mo, 0.9 V, 0.15 Cr, 0.3 Ti, 0.2 Cu and 0.003 S has a predominantly ferritic microstructure with numerous finely precipitated carbides and nitrides. Measurements in a dilatometer give a coefficient of linear expansion of 15 * 10 -16 / K at 400 ° C and 21 * 10 -16 / K in the range of 800 to 1'000 ° C. The ferrite / austenite transformation temperature was measured at 1045 ° C.
  • An exhaust manifold for an internal combustion engine of a compact cast iron passenger car with the following chemical composition in weight percent: 3.0 C, 5.3 Si, 0.0055 N, 0.2 Mo, 2.2 Al, 0.037 Mg, 0.3 Mo, 0.4 V, 0.3 Cr, 0.02 Ti, 0.12 Cu and 0.013% S has a predominantly ferritic microstructure with numerous finely precipitated carbides and nitrides. Measurements in a dilatometer give a coefficient of linear expansion of 16 * 10 -16 / K at 400 ° C and 22 * 10 -16 / K in the range of 800 to 1'000 ° C. The ferrite / austenite transformation temperature was measured to be 1,072 ° C.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Gusseisenlegierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen Temperaturbeständigkeit und mit einer kompakten Graphitform von vermikular bis kugelförmig.
    Im Kraftfahrzeugbau werden Gusseisenlegierungen verwendet für die Herstellung von Gussteilen, die eine hohe Temperaturbeständigkeit haben müssen, beispielsweise die Teile, die mit den heissen Abgasen des Verbrennungsmotors in Berührung kommen. Da die Verbrennungsmotoren immer höhere Leistungen erbringen, werden die Abgastemperaturen immer höher. Die Auspuffkrümmer und Gehäuse von Turboladern sind Temperaturen von 900 bis über 1000 °C ausgesetzt. Bei diesen hohen Temperaturen spielt die Umwandlungstemperatur, das heisst die Temperatur, wobei sich eine Kristallart der Legierung in einer anderen Kristallart umwandelt, eine wichtige Rolle. Bei der Umwandlungstemperatur erfolgt eine Volumenänderung und diese Volumenänderung führt zu unregelmässigem Dehnungsverhalten der Gussteilen.
    Die Legierungen, die eingesetzt werden können, müssen Umwandlungstemperaturen haben, die über der maximalen Gebrauchstemperatur liegen. Auch werden für die erwähnten hohen Gebrauchstemperaturen austenitische Stahlgusslegierungen oder Legierungen mit einem hohen Nickelanteil eingesetzt. Nickel ist ein relativ teures Rohmaterial. Oft werden die Auspuffkrümmer auch aus Blechteilen geformt, wobei sich die schlechte Schalldämmung nachteilig bemerkbar macht. Diese Lösungen sind relativ aufwendig in der Herstellung.
    Aus der EP 534 850 B1 ist eine gattungsgemässe Gusseisenlegierung bekannt. Die Legierung enthält etwa 3,1 Gew. % C, 4,6 Gew. % Si, 1,9 Gew. % AI, 1 Gew. % Mo und gegebenenfalls noch Beimengungen von Co und Nb.
  • Aus der EP1 386 976 B1 ist eine weitere Gusseisenlegierung mit einer hohen Temperaturbeständigkeit bekannt. Diese Legierung enthält 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 01.0 Gew. % Ni und 0.1 bis 0.4 Gew. % Zr.
    Aus der SU 1 036 786 ist eine weitere hitzebeständige Gusseisenlegierung bekannt. Die Legierung enthält neben 2,8 bis 3,8 Gew. % C, 3,6 bis 4,5 Gew. % Si, 0,2 bis 0,5 Gew. % Ni, 0,1 bis 0,35 Gew. % Mo, 0,1 bis 0,3 Gew. % Al, 0,05 bis 0,2 Gew. % Zr und 0,04 bis 0,1 Gew. % Mg auch noch 0,3 bis 1,0 Gew. % Mn, 0,1 bis 0,8 Gew. % Cr, 0,1 bis 0,3 Gew. % V und 0,01 bis 0,1 Gew. % Ti.
    Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Gusseisenlegierung anzugeben, die aus möglichst kostengünstigen Elementen hergestellt wird und wobei die Gussteile eine möglichst hohe Gebrauchstemperatur aufweisen.
    Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gusseisenlegierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen Temperaturbeständigkeit wie in Anspruch 1 definiert.
  • Es ist von Vorteil, dass die Legierung eine möglichst hohe Strukturstabilität und einen möglichst hohen Widerstand gegen die Oxidation hat. Dies wird dadurch erreicht, dass der Si-Gehalt 5.2 bis 5.9 Gew. % beträgt. Dies wird auch dadurch erreicht, dass der Al-Gehalt 2.2 bis 3.0 Gew. % beträgt.
  • Der Kerngedanke der Erfindung ist, eine Gusseisenlegierung anzugeben, die eine Umwandlungstemperatur von mindestens 980 °C aufweist, die beim Einsatz in Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren keine störenden Dehnungseigenschaften hat, und die möglichst kostengünstig in einem Giessverfahren hergestellt werden kann. Der Graphit in der Gusseisenlegierung kann sphäroidal (=kugelförmig) oder vermikular (=würmchenförmig) ausgebildet sein.
    Eine Beimengung von Stickstoff im Bereich von 0.004 bis 0.018 Gew. % erhöht durch die Bildung von hochtemperaturbeständigen Nitriden zudem die Warmzugfestigkeit des Werkstoffs.
  • Magnesium in der Grössenordnung von 0.020 bis 0.080 Gew. % ist einerseits notwendig, um dem Werkstoff die gewünschte kompakte Graphitform von vermikular bis kugelförmig zu gewährleisten, andrerseits auch um mit dem Stickstoff zusammen hochtemperaturbeständige Magnesiumnitride zu bilden.
    Zudem bildet das Magnesium mit den vorhandenen 0.003 bis 0.015 Gew. % Schwefel Magnesiumsulfide, welche keimwirksam sind und so bei der Erstarrung die Graphitausscheidung begünstigen.
    0.1 bis 0.8 Gew. % Mo bewirken zudem eine verbesserte Kriechbeständigkeit des Werkstoffs und verbessern so seine Hochtemperatur-Eigenschaften.
    Vorzugsweise bilden 0.1 bis 0.9 Gew. % V, 0.1 bis 0.5 Gew. % Cr, 0.01 bis 0.4 Gew. % Ti mit dem Stickstoff und dem Kohlenstoff fein verteilte Karbide, Nitride, sowie Mischkarbide und Karbonitride, welche die Versetzungsbewegung behindern und somit den Verformungswiderstand des Werkstoffs bei hohen Temperaturen verbessern. Die Elemente V, Cr und Ti können in der Legierung einzeln wie auch zusammen auftreten.
    0.1 bis 0.4 Gew. % Cu werden im Kristallgitter des Ferrits eingebaut und verfestigen den Werkstoff damit zusätzlich zu den Ausscheidungen durch eine Mischkristallverfestigung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der untenstehenden Beispiele beschrieben, wobei sich die Erfindung nicht nur auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
    • Beispiel 1
  • Ein Auspuffkrümmer für einen Verbrennungsmotor eines Personenkraftwagens aus Sphäroguss mit der folgenden chemischen Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: 2,95 C, 5,54 Si, 0.0085 N, 0,15 Mo, 2.9 AI, 0.078 Mg, 0.75 Mo, 0.9 V, 0.15 Cr, 0.3 Ti, 0.2 Cu und 0.003 S weist ein überwiegend ferritisches Gefüge mit zahlreichen fein ausgeschiedenen Karbiden und Nitriden auf. Messungen in einem Dilatometer ergeben einen Längenausdehnungskoeffizienten von 15*10-16/K bei 400 °C und 21*10-16/K im Bereich von 800 bis 1'000 °C. Die Ferrit/Austenit-Umwandlungstemperatur wurde zu 1'045 °C gemessen. In einem Warmzugversuch bei einer Temperatur von 800 °C wurden folgende mechanischen Festigkeitswerte bestimmt: Rp0.2 = 55.3 N/mm2, Rm = 58.3 N/mm2 und A = 21.6 % (Prüfgeschwindigkeit = 0.2 mm/Min.)
    • Beispiel 2
  • Ein Auspuffkrümmer für einen Verbrennungsmotor eines Personenkraftwagens aus Gusseisen mit Vermiculargraphit mit der folgenden chemischen Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: 3.0 C, 5,3 Si, 0.0055 N, 0,2 Mo, 2.2 AI, 0,037 Mg, 0.3 Mo, 0.4 V, 0.3 Cr, 0.02 Ti, 0.12 Cu und 0,013 % S weist ein überwiegend ferritisches Gefüge mit zahlreichen fein ausgeschiedenen Karbiden und Nitriden auf. Messungen in einem Dilatometer ergeben einen Längenausdehnungskoeffizient von 16*10-16/K bei 400 °C und 22*10-16/K im Bereich von 800 bis 1'000 °C. Die Ferrit/Austenit-Umwandlungstemperatur wurde zu 1'072 °C gemessen. In einem Warmzugversuch bei einer Temperatur von 800 °C wurden folgende mechanischen Festigkeitswerte bestimmt: Rp = 53.1 N/mm2, Rm = 53.9 N/mm2 und A = 32.2 % (Prüfgeschwindigkeit = 0.2 mm/Min.)

Claims (2)

  1. Gusseisenlegierung für Gusseisenprodukte mit einer hohen Temperaturbeständigkeit und mit einer kompakten Graphitform von vermikular bis kugelförmig, bestehend aus 2,9 bis 3.3 Gew. % C, 5.2 bis 5,9 Gew. % Si, 2.2 bis 3.0 Gew. % Al, 0.004 bis 0.018 Gew. % N, 0.1 bis 0.8 Gew. % Mo, 0.02 bis 0.08 Gew. % Mg, 0.003 bis 0.015 Gew. % S, 0.1 bis 0.4 Gew. % Cu, 0.1 bis 0.9 Gew. % V, 0.1 bis 0.5 Gew. % Cr, 0.01 bis 0.4 Gew. % Ti, wobei die Elemente V, Cr und Ti in der Legierung einzeln wie auch zusammen auftreten können, Rest Fe und übliche Verunreinigungen.
  2. Verwendung einer Gusseisenlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gusseisenlegierung für Auspuffkrümmer oder Turboladergehäuse in Kraftfahrzeugen verwendet wird.
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