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Dokumentenidentifikation DE102004045613A1 23.03.2006
Titel Gusswerkstoff, insbesondere Gusseisen
Anmelder Siempelkamp Giesserei GmbH, 47803 Krefeld, DE
Erfinder Kleinkröger, Wolfgang, 47802 Krefeld, DE;
Warnke, Ernst-Peter, Prof., 47638 Straelen, DE
Vertreter Andrejewski, Honke & Sozien, 45127 Essen
DE-Anmeldedatum 17.09.2004
DE-Aktenzeichen 102004045613
Offenlegungstag 23.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.03.2006
IPC-Hauptklasse C22C 37/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C22C 37/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Es handelt sich um einen Gusswerkstoff, insbesondere Gusseisen, mit ferritischem Gefüge und Kugelgraphit, bestehend aus (in Gew.-%)
C 2,5 bis 3,5%
Kohlenstoffäquivalent CE = C + 1/3 Si, mit CE 4,2 bis 4,5%
Si 2,5 bis 4,5%
Ni maximal 2,5%
Nb 0,010 bis 0,45%
Mn maximal 0,4%
Mg 0,01 bis 0,10%
Ce maximal 0,004%
Sb 0,001 bis 0,004%,
Rest Fe sowie übliche Verunreinigungen,
wobei Ce über die Zugabe einer Ce-Mischmetallsorte eingebracht wird, welche zumindest Yttrium (Y) und ggf. ein weiteres Element oder weitere Elemente aus der Gruppe der "Seltene Erden".

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Gusswerkstoff, insbesondere Gusseisen, mit ferritischem Gefüge und Kugelgraphit.

Ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit und normalem Silizium-Gehalt ist in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Ein derartiges Gusseisen ist für hohe Beanspruchungen regelmäßig nicht geeignet. Um die mechanischen und physikalischen Eigenschaften, z. B. die Warmfestigkeit, zu verbessern, kennt man ein zusätzlich mit Molybdän legiertes Gusseisen mit Silizium-Gehalten von 3 bis 4 % und Molybdän-Gehalten von 0,5 bis 1,5 %. Zur Ferritisierung wird bei diesem Werkstoff oft eine anschließende Glühung durchgeführt. Die durch das Element Molybdän im Werkstoffgefüge ausgeschiedenen Karbide können insbesondere bei größeren Wanddicken grob sein, wodurch starke Schwankungen der Werkstoffkennwerte verursacht werden.

Ferner kennt man ein mit Silizium verfestigtes ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit, dessen Zugfestigkeit > 500 N/mm2 beträgt (vgl. z. B. "Giesserei-Praxis" Nr. 1/1999 Seiten 11 bis 17). Tatsächlich wird durch den Legierungsbestandteil Silizium eine Mischkristallverfestigung erreicht, die zugleich aber auch unter Reduzierung der Bruchdehnungswerte zu einer Versprödung führen kann. Verbessert wird durch die Ausbildung des einphasigen Grundgefüges (Ferrit) die sogenannte Wandstärkenabhängigkeit. Insbesondere bei dickwandigem Guss ist die Spanne der gemessenen Festigkeits- und Härtewerte für den Wanddickenverlauf oft wesentlich geringer als bei zweiphasigem Grundgefüge (Ferrit-Perlit). Das wirkt sich insbesondere auch auf die Duktilität und Zähigkeit sowie auf die spanabhebende Bearbeitbarkeit aus. Die zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit eingesetzten Legierungselemente können beispielsweise im Falle einer Überdosierung Nebenwirkungen mit äußerst schädlichen Folgen haben. Dazu gehört insbesondere die Bildung von Chunky-Graphit, bei dem es sich um einen entarteten Graphit handelt. Da die Bildung von Chunky-Graphit durch Silizium als Legierungselement gefördert wird, werden hohe Silizium-Gehalte zur Steigerung der Festigkeitseigenschaften bei dickwandigen Gussteilen regelmäßig nicht eingesetzt. Die Ausbildung von Chunky-Graphit, die insbesondere bei dickwandigen Gussstücken auftritt, führt darüber hinaus zu einer ganz erheblichen Reduzierung der Bruchdehnung auf beispielsweise lediglich 2 %. Außerdem müssen eben eine Versprödung und reduzierte Fähigkeiten in Kauf genommen werden.

Im Übrigen kennt man nach DIN EN 1563 einen EN-GJS-600 (GGG-60), der zwar eine Zugfestigkeit von 600 N/mm2 aufweist, dessen Bruchdehnungswerte jedoch bei dünnwandigen Gussstücken mit einer Wanddicke < 30 mm maximal 3 % und bei dickwandigen Gussstücken mit einer Wanddicke zwischen 60 und 200 mm lediglich noch 1 % betragen. Die mechanische Bearbeitbarkeit eines derartigen Gusseisens ist unbefriedigend.

Ferner kennt man einen Gusswerkstoff mit ferritischem Gefüge und Kugelgraphit, insbesondere ferritisches Gusseisen, das sich durch eine Mindestzugfestigkeit von 550 N/mm2 auszeichnet, während die Bruchdehnung dennoch 8 bis 15 % beträgt (vgl. DE 101 01 159 C2). Allerdings ist die 0,2%-Dehngrenze verbesserungsbedürftig. Zwar steigt die 0,2%-Dehngrenze mit zunehmendem Silizium-Gehalt, jedoch sinkt dann die Bruchdehnung in entsprechendem Maße.

Schließlich kennt man aus der DE 31 47 461 C2 eine verschleißfeste Gusseisenlegierung hoher Festigkeit mit sphärolithischer Graphitausscheidung, bestehend aus Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Chrom, Vanadium, Molybdän, Nickel und/oder Kobalt, Kupfer, Wolfram, Titan, Niob und/oder Tantal, Magnesium, Stickstoff, sowie wahlweise Aluminium, Zinn und/oder Antimon, Bor, Zirkon und/oder Wissmuth. Diese Gusseisenlegierung besitzt ein Vergütungsgefüge, in dem der Graphit durch einen Glühprozess durch Zerfall von Ledeburit gebildet ist und in extrem feiner Form mit hoher Sphärolithenzahl von etwa 300.000 bis 900.000/cm2 vorliegt. Im Impfmittel kann das Magnesium ganz oder teilweise durch mindestens eines der seltenen Erdmetalle wie Cer, Yttrium, Lanthan, Neodym und/oder Praseodym ersetzt sein. Die gewünschten Festigkeitswerte werden durch eine besondere Wärmebehandlung erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gusswerkstoff der eingangs beschriebenen Ausführungsform zu schalten, der sich durch hohe Festigkeitswerte in Bezug auf die 0,2%-Dehngrenze und zugleich durch hohe Bruchdehnungswerte und Verschleißbeständigkeit auszeichnet. Der Gusswerkstoff soll unter Berücksichtigung seiner optimierten mechanischen Eigenschaften und Bearbeitbarkeit weitgehend wanddickenunabhängig sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung einen Gusswerkstoff, insbesondere Gusseisen mit ferritischem Gefüge und Kugelgraphit, bestehend aus (in Gew.-%)

Rest Fe sowie übliche Verunreinigungen,

wobei Ce über die Zugabe einer Ce-Mischmetallsorte eingebracht wird, welche zumindest Yttrium und ggf. ein weiteres Element oder weitere Elemente aus der Gruppe der seltenen Erden enthält.

Nach bevorzugter Ausführungsform besteht der Gusswerkstoff aus:

Rest Fe sowie übliche Verunreinigungen,

wobei Ce über die Zugabe einer Ce-Mischmetallsorte eingebracht wird, welche zumindest Yttrium und ggf. ein weiteres Element und/oder weitere Elemente aus der Gruppe der seltenen Erden enthält.

Im Rahmen der Erfindung wird ein hochfester, duktiler, mit Niob legierter Gusswerkstoff mit ferritischem Gefüge und Kugelgraphit zur Verfügung gestellt. Durch den Zusatz von Niob werden überraschenderweise besonders gute Ergebnisse erzielt. Die Anteile von Kohlenstoff (C) und Silizium (Si) werden dabei so aufeinander abgestimmt, dass der Werkstoff sehr nahe am Eutektikum erstarrt. Von besonderer Bedeutung ist im Rahmen der Erfindung, dass das Element Cer (Ce) durch Zugabe einer Mischmetallsorte bzw. eines Mischmetalls eingebracht wird, welches weitere Elemente aus der Gruppe der "Seltene Erden" umfasst. Unter den Begriff "Seltene Erden" werden in die Gießereitechnik folgende Elemente verstanden, die jeweils in folgende Untergruppen zusammengefasst sind:

Ceriterden: Lanthan (Ia), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd) und Samarium (Sm)

Yttererden: Scandium (Sc) und Yttrium (Y)

Terbindererden: Promethium (Pm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd) und Terbium (Tb)

Erbinerden: Dyoprosiun (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er) und Thulium (Tm)

Ytterbinerden: Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu).

Der gezielte Zusatz von Ce über eine Zugabe einer Cer-Mischmetall-Sorte, welche Yttrium sowie ggf. weitere Elemente aus der Gruppe der "Seltenen Erden" beinhaltet sowie die Zugabe von Antimon (Sb) erhöht die Toleranz gegen diejenigen Spurenelemente, die in Fachkreisen als "graphitentartend" gelten. Der Zusatz von Yttrium ist dabei von besonderer Bedeutung, da er die Wirkung des Cer über die Zugabe als Mischmetall fördert bzw. verstärkt.

Vorzugsweise wird dabei eine Mischmetallsorte verwendet, bei welcher der Anteil X der Metalle der seltenen Erden in der Mischmetallsorte zumindest 98,0 % vorzugsweise zumindest 99,0 % beträgt. Darüber hinaus kann die Mischmetallsorte maximal 0,5 % Fe, maximal 0,4 % Si, maximal 0,3 % Mg und maximal 0,2 % Al enthalten. Der Gesamtanteil X der Metalle der seltenen Erden in der Mischmetallsorte setzt sich in Gew-% vorzugsweise wie folgt zusammen:

Ce 40 % bis 60 %, z. B. ca. 50 %

La 15 % bis 30 %, z. B. 20 % bis 26 %

Nd 10% bis 25%, z.B. 15% bis 19%

Pr 4,0 % bis 7,0 %, z. B. 5,0 % bis 6, 0 %

Der Rest des Anteils X der Mischmetalle enthält zu 1,0 % bis 7 %, z. B. 2,0 % bis 5,0 % Metalle der anderen seltenen Erden, einschließlich Yttrium.

Jedenfalls werden durch den Einsatz einer yttriumhaltigen Cer-Mischmetall-Sorte Graphitentartungen bei dem mit nioblegierten Gusswerkstoff mit ferritischem Gefüge und Kugelgraphit zuverlässig vermieden.

Während bisher festigkeitssteigernde Maßnahmen durch Legierungselemente erreicht wurden, die eine Zunahme des spröden Gefügebestandteiles Perlit hervorrufen, geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass zunächst einmal über verhältnismäßig hohe Silizium-Gehalte eine Mischkristallverfestigung bewirkt und zugleich die Neigung zur sogenannten Grauerstarrung massiv unterstützt wird. Das Gefüge erstarrt einphasig mit ferritischer Grundmasse in Abwesenheit der spröden Phase Perlit bei gleichzeitig erhöhter Festigkeit und – im Vergleich zu Sphäroguss in vergleichbarer Festigkeitsklasse – wesentlich höheren Duktilitätseigenschaften. Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass bei herkömmlichen Gusswerkstoffen Niob als Legierungselement regelmäßig unerwünscht ist, und zwar wegen seiner Karbidneigung und Perlitbildung, die im Wege einer Steigerung zur Versprödung führt. Überraschenderweise wird bei dem erfindungsgemäßen Gusswerkstoff eine solche Versprödung jedoch vermieden, und zwar wegen des verhältnismäßig hohen Silizium-Gehaltes. Denn wie sich herausgestellt hat, werden bei einem hinreichend hohen Silizium-Anteil Niob/Carbonitride ausgeschieden, die sich in feiner Verteilung in der ferritischen Matrix befinden und nicht etwa von Perlit umgegeben sind, sondern gleichsam als Impfkeime zur Bildung weiterer Graphitkugeln dienen, so dass der Kugelgraphitanteil erhöht wird. Daraus resultiert zunächst einmal eine deutliche Erhöhung der 0,2%-Dehngrenze bei gleichzeitiger Beibehaltung einer verhältnismäßig hohen Bruchdehnung. Hinzu kommt, dass durch die eingelagerten Niob/Carbonitride die Verschleißbeständigkeit des erfindungsgemäßen Gusswerkstoffes auch ohne die Bildung von Eisenkarbiden deutlich erhöht wird, und zwar unter Verzicht auf einen zusätzlichen Impfstoff.

Die Zugfestigkeit variiert nicht nur in Abhängigkeit vom Silizium-Gehalt, sondern auch vom Nickel-Gehalt als Legierungsbestandteil. Während Silizium für eine Grundverfestigung des Ferrits sorgt, hat Nickel die Aufgabe, kornfeinend zu wirken und somit die Festigkeit weiter zu steigern. Erfindungsgemäß steigert zusätzlich legiertes Niob weiterhin die Festigkeit durch die Ausscheidung von winzigen Niobkarbid-Partikeln und außerdem durch die Erhöhung der bei der Erstarrung der Schmelze ausgeschiedenen Graphitkugeln aufgrund von niobinitiierter Keimwirkung.

Der erfindungsgemäße Gusswerkstoff mit Kugelgraphit erreicht Festigkeitswerte für die 0,2%-Dehngrenze von 450 N/mm2, wobei unschwer auch 500 N/mm2 erreicht werden können. Dabei werden bei dickwandigen Gussstücken Bruchdehnungswerte von mehr als 5 % erreicht. Dieses gilt für Kennwerte aus dem Inneren einer im Sandgussverfahren hergestellten 300 mm dicken Wandung. Bei geringeren Wandstärken werden noch höhere Kennwerte erreicht. Material aus normmäßig gleichzeitig angeformten Angussproben mit einem Querschnitt von 70 × 70 mm2 weist beispielsweise eine Bruchdehnung von 14 bis 15 % auf.

Insgesamt wird ein hochfester, duktiler und vor allem mit Niob legierter Gusswerkstoff mit ferritischem Gefüge und Kugelgraphit auf der Grundlage erhöhter Silizium-Gehalte geschaffen, bei dem Cer über eine Mischmetallsorte zugegeben wird, die unter anderem Yttrium enthält. Dabei bildet sich ohne nachträgliche Wärmebehandlung während der Erstarrung ein einphasiges Gefüge (ohne Perlitphase) aus. Der Werkstoff weist damit eine überraschend geringe Wanddickenempfindlichkeit (Schwankungsbreite der matrixabhängigen Werkstoffkennwerte) auf. Die sonst bei derartig hohen Silizium-Gehalten in größeren Wanddicken oft vorkommende Entartung der Graphitausscheidung (Chunky-Graphit, mit der Folge einer erheblichen Reduktion der mechanischtechnologischen Werkstoffdaten) wird durch geeignete metallurgische Maßnahmen prinzipiell verhindert. Es werden mechanisch-technologische Materialkennwerte unter Verwendung geeigneter Legierungspartner und -konzentrationen erreicht, die in ihrer Kombination einzigartig sind.


Anspruch[de]
  1. Gusswerkstoff, insbesondere Gusseisen, mit ferritischem Gefüge und Kugelgraphit, bestehend aus (in Gew.-%)
    Rest Fe sowie übliche Verunreinigungen,

    wobei Ce über die Zugabe einer Ce-Mischmetallsorte eingebracht wird, welche zumindest Yttrium (Y) und ggf. Element oder weitere Elemente aus der Gruppe der "Seltenen Erden" enthält.
  2. Gusswerkstoff nach Anspruch 1, mit einem C-Gehalt von 2,9 bis 3,3 % und/oder mit einem Si-Gehalt von 3,0 bis 4,0 %.
  3. Gusswerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mischungsanteile von C und Si sehr nahe am Eutektikum liegen.
  4. Gusswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Ni-Gehalt von 0,2 bis 2,0 %.
  5. Gusswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Nb-Gehalt von 0,15 bis 0,40 %.
  6. Gusswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Mn-Gehalt von 0,05 bis 0,3 %.
  7. Gusswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Mg-Gehalt von 0,03 bis 0,07 %.
  8. Gusswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Ce-Gehalt von 0,001 bis 0,004 %, vorzugsweise von etwa 0,003 %, und/oder einem Sb-Gehalt von 0,001 bis 0,003 %.
  9. Gusswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Anteil X der Metalle der seltenen Erden in der Mischmetallsorte zumindest 98,0 %, vorzugsweise zumindest 99,0 % beträgt und der Rest Fe, Si, Mg und/oder Al aufweist.
  10. Gusswerkstoff nach Anspruch 9, wobei sich der Gesamtanteil X der Metalle der seltenen Erden in der Mischmetallsorte wie folgt zusammensetzt (in Gew-%):

    Ce 40 % bis 60 %, z. B. ca. 50 %

    La 15 % bis 30 %, z. B. 20 % bis 26 %

    Md 10 % bis 25 %, z. B. 15 % bis 19 %

    Pr 4,0 % bis 7,0 %, z. B. 5,0 % bis 6,0 %

    Rest andere Metalle der seltenen Erden, einschließlich Ytrrium,

    1,0 bis 7,0 %, z. B. 2,0 bis 5,0 %.
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