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Dokumentenidentifikation DE10029062A1 01.03.2001
Titel Hypoeutektisches Gusseisen mit Kugelgraphit
Anmelder Honda Giken Kogyo K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Natsume, Takeshi, Wako, Saitama, JP
Vertreter Patentanwaltskanzlei Nöth, 80335 München
DE-Anmeldedatum 13.06.2000
DE-Aktenzeichen 10029062
Offenlegungstag 01.03.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.03.2001
IPC-Hauptklasse C22C 37/04
Zusammenfassung Ein hypoeutektisches Kugelgraphitgusseisen umfasst:
1,5 bis 3,0% C; 1,0 bis 5,5% Si; 0,008 bis 0,25% REM; 0,005 bis 0,015% BN (B-Äquivalent) und Rest im Wesentlichen Fe, bezogen auf Gewicht. Das Gusseisen enthält BN mit der gleichen hexagonalen graphitartigen Kristallstruktur wie Graphit, so dass Graphit gebildet wird unter Verwendung von BN als Kern in einer eutektischen Reaktion und eine Struktur, in der feiner Kugelgraphit dispergiert ist, kann erhalten werden.

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft hypoeutektisches oder untereutektisches Gusseisen mit Kugelgraphit mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit, Zähigkeit, Steifigkeit und dgl. im Gusszustand.

2. Stand der Technik

In den letzten Jahren musste Gusseisen, das für Automobilkomponenten verwendet wird, eine hohe Festigkeit haben aufgrund der Notwendigkeit der Gewichtsreduktion und eine hohe Steifigkeit, um Vibrationen und Lärm zu unterdrücken. Daher wurden verschiedene Verbesserungen an Gusseisen gemacht. Z. B. offenbart die Japanische Patentanmeldung, Erste Veröffentlichung Nr. 112753/87 eine Technologie, bei der mechanische Eigenschaften und Verarbeitbarkeit verbessert sind, indem eine Zwischenstufenvergütung an Gussstahl mit Kugelgraphit durchgeführt wird. Die Japanischen Patentanmeldungen, Erste Veröffentlichungs-Nr. 108342/89 und 152240/89 offenbaren Gusseisen mit Kugelgraphit, bei dem Bainit und Restaustenit in einer metallischen Struktur durch Zwischenstufenvergütung gebildet werden. Diese Gussstähle sollen eine hohe Steifigkeit haben, indem ein geringerer Kohlenstoffgehalt vorgesehen wird, als bei üblichem Gusseisen, um hypereutektoide Zusammensetzungen zu bilden und er soll eine hohe Festigkeit haben durch Zwischenstufenvergütung.

Bei den oben erwähnten üblichen Techniken sind jedoch die Produktionskosten relativ hoch, da eine Zwischenstufenvergütungsbehandlung erforderlich ist. Außerdem ist die Gießtemperatur hoch, da es sich immer um hypereutektoide Gussstähle mit Kugelgraphit mit geringem Kohlenstoffgehalt handelt und diese Probleme aufwerfen, da Formen und Schmelzanlagen mit hoher Wärmebeständigkeit erforderlich sind und die Produktionskosten hierfür weiter erhöht sind. Außerdem wird bei Gussstählen mit Kugelgraphit, bei denen Restaustenit in der metallischen Struktur gebildet wird, der Restaustenit in Verformungsmartensit umgewandelt wird, was Probleme durch Verminderung der Verarbeitbarkeit aufwirft. Daher sind Gusseisen und Gussstähle mit Kugelgraphit mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und einer verbesserten Verarbeitbarkeit im Gusszustand sehr wünschenswert.

Die Japanische Patentanmeldung, Erste Veröffentlichung Nr. 145444/95 offenbart ein Gusseisen mit Kugelgraphit im Gusszustand. Das Gusseisen hat eine hohe Steifigkeit (Elastizitätsmodul 169 bis 171 mm2) im Gusszustand, indem ein Gusseisen mit Elementen, wie Ni, Mo und Cu und dgl. legiert wird. Da jedoch das vorgeschlagene Gusseisen mit Kugelgraphit eine annähernd eutektische Zusammensetzung mit hohem Kohlenstoffgehalt hat, ist die Menge an Graphit groß und deshalb gibt es natürlicherweise eine Grenze für eine hohe Steifigkeit.

Die Japanische Patentanmeldung, Erste Veröffentlichung Nr. 339675/93 offenbart ein ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit. Der vorgeschlagene Gussstahl hat eine hohe Steifigkeit, da er einen geringeren Kohlenstoffgehalt aufweist als übliche Gusseisen, um eine hypereutektoide Zusammensetzung zu erhalten, und hat eine hohe Festigkeit und eine hohe Zähigkeit, indem ein Graphit-sphäroidisierendes Mittel, das ein Selten- Erd-Metall als Hauptkomponente enthält, zugegeben wird, um eine Kugelgraphitstruktur im Gusszustand zu erhalten. Da jedoch der Gussstahl ein Gusseisen mit Kugelgraphit mit einer hypereutektoiden Zusammensetzung ist, ist der Kohlenstoffgehalt gering und die Gießtemperatur ist hoch, so dass es ein Problem gibt, da Formen und Schmelzanlagen mit hoher Wärmebeständigkeit erforderlich sind und die Produktionskosten daher erhöht sind.

Somit erzeugen der hypereutektoide Gussstahl mit Kugelgraphit (JP '339675/83) und der eutektische Gussstahl mit Kugelgraphit (JP '145444/85) die oben erwähnten Probleme aufgrund des Kohlenstoffgehalts und ein hypoeutektisches Gusseisen mit Kugelgraphit mit einem zwischen diesen Stählen liegenden Kohlenstoffgehalt wurde daher erhofft. Es wurde jedoch angenommen, dass die Graphitsphäroidisierung bei hypoeutektischem Gusseisen mit Kugelgraphit im Gusszustand schwierig ist.

Obwohl bisher Mg hauptsächlich Gusseisen für die Graphitsphäroidisierung zugegeben wurde, wurde gezeigt, dass durch die Graphitsphäroidisierung leicht Carbide gebildet werden. Wenn Mg einer hypoeutektischen Zusammensetzung zugegeben wird, wird die Graphitisierung gehemmt und eine große Menge an Carbiden gebildet und es kann daher praktisch Zähigkeit im Gusszustand nicht erhalten werden. Als Grund hierfür wird angenommen, dass Verunreinigungen wie Pb, Sb, Te, Cs und As, die die Graphitisierung hemmen, in einem geschmolzenen Metall aufgrund des Wachstums des primär kristallisierten Austenits direkt vor der eutektischen Reaktion durch Abkühlen beim Guss konzentriert werden, so dass Mg nicht intensiv für die Graphitbildung in der eutektischen Reaktion angewendet wird und die Bildung von Carbiden gefördert wird.

Weiterhin muss in Betracht gezogen werden, dass das Graphitsphäroidisierende Mittel, das ein Selten-Erd-Metall als Hauptkomponente enthält, das in der Japanischen Patentanmeldung, Erste Veröffentlichung Nr. 339675/93 und der Japanischen Patentanmeldung, Erste Veröffentlichung Nr. 103049/88 offenbart wird, für hypoeutektische Zusammensetzungen angewendet wird. In diesem Fall bildet sich jedoch leicht grober Graphit und es bilden sich Carbide und Zähigkeit kann praktisch nicht erhalten werden. Es wird angenommen, dass der Grund hierfür darin liegt, dass die eutektische Reaktion in einer hypoeutektischen Zusammensetzung stattfindet, obwohl eutektische Reaktionen zur Kristallisierung von Carbiden und Graphit nicht in einer hypereutektoiden Zusammensetzung auftreten, und die oben erwähnte Konzentrierung von Verunreinigungen die Bildung von Carbiden fördert.

Zusammenfassung der Erfindung

Daher wurde die Bildung einer Kugelgraphitstruktur in einer hypoeutektischen Zusammensetzung im Gusszustand tatsächlich nicht realisiert. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein hypoeutektisches Kugelgraphitgusseisen oder hypoeutektisches sphärolithisches Gusseisen bereitzustellen, das keine Wärmebehandlung erfordert und im Gusszustand eine hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit vermitteln kann und den Anstieg der Gießtemperatur verhindern kann, wodurch eine Herstellung unter Verwendung allgemein üblicher Formen und Schmelzeinrichtungen möglich wird.

Es gibt verschiedene Theorien, die die Funktion erläutern, bei der Graphit bei der Verfestigung von Kugelgraphitgusseisen sphäroidisiert. Gemäß einer dieser Theorien werden Blasenkerne in geschmolzenem Eisen gebildet aufgrund von Zusatzelementen, wie REM, und Graphit wird in den Blasenkernen während der Verfestigung gebildet. Die Erfinder haben wiederholt untersucht, ob eine Sphäroidisierung durch feste Kerne zusätzlich zu den üblichen Blasenkernen verursacht werden kann oder nicht. Die Erfinder haben in Betracht gezogen, eine geringe Menge von Bornitrid (im Folgenden als "BN" bezeichnet) zusätzlich zu REM zuzugeben und haben zahlreiche Versuche durchgeführt. Als Ergebnis haben sie gefunden, dass BN als Festkern dient und die Reaktion der Bildung von Graphit in einer Verfestigungsreaktion im hypoeutektischen Bereich fördert und die Bildung von Carbiden hemmt, so dass die Sphäroidisierung von feinem Graphit gefördert wird und die Matrix Ferrit sein kann.

Die vorliegende Erfindung erfolgte auf Basis der oben erwähnten Erkenntnisse. Die Erfindung liefert ein hypoeutektisches Kugelgraphitgusseisen mit 1,5 bis 3,0% C; 1,0 bis 5,5% Si; 0,008 bis 0,25% REM; 0,008 bis 0,25% BN (B-Äquivalent) und Rest im Wesentlichen Fe, bezogen auf Gewicht.

Das erfindungsgemäß verwendete BN hat die gleiche hexagonale graphitartige Kristallstruktur und die gleichen elektronischen Eigenschaften wie Graphit und hat eine Schmelzpunkt von etwa 3000°C, wodurch es in geschmolzenem Eisen bei der Abstichtemperatur (etwa 1600°C) stabil ist. Daher wird Graphit gebildet, wobei BN als Kern in einer eutektischen Reaktion dient. Als Ergebnis kann die Matrix der endgültigen Verfestigungsstruktur, die bis dahin aus Zementit und Pearlit besteht, Ferrit, das duktiles Eisen ist, und eine metallische Struktur sein, in der feiner kugeliger Graphit in der Matrix dispergiert ist. Die Dehnung und Zähigkeit des Materials können verbessert werden, da die Matrix aus Ferrit besteht, die Verarbeitbarkeit, insbesondere die Steifigkeit, des Materials kann verbessert werden, da es keine nachteiligen Wirkungen aufgrund von grobem Graphit gibt. Daher kann das erfindungsgemäße hypoeutektische Kugelgraphitgusseisen feinen Graphit sogar im Gusszustand dispergieren und kann die mechanischen Eigenschaften verbessern. Es ist anzumerken, dass Wärmebehandlungen, wie eine Zwischenstufenvergütung, erfindungsgemäß angewendet werden können.

Um die Bildung von Kugelgraphit und dessen Verfeinerung zu fördern, enthält das Gusseisen bevorzugt weiterhin eines oder mehrere der folgenden Elemente: 0,0005 bis 0,02% Bi; 0,005 bis 0,08% Al; 0,002 bis 0,04% Ca. Wenn solche Elemente enthalten sind, können die Wirkungen der Kühlungsrate verbessert werden und eine feine kugelige Graphitstruktur kann zuverlässig erhalten werden, sogar wenn Körper mit komplizierten Formen oder große Körper gegossen werden, die das Kühlen verlangsamen würden. Der Grund für die numerischen Beschränkungen wird im Folgenden erläutert. Bei der Erläuterung unten bezieht sich "%" auf "Gew.-% ".

C: 0,5 bis 3,0%

C ist zur Bildung von Graphit unerlässlich und trägt zu einer verbesserten Duktilität der Matrix bei, indem es als Kugelgraphit darin dispergiert wird. Die Starttemperatur der Verfestigung wird durch die C-Konzentration bestimmt und die Starttemperatur der Verfestigung nimmt ab, wenn die C-Konzentration im hypoeutektischen Bereich zunimmt. Die Graphitkonzentration nimmt zu, wenn die C-Konzentration zunimmt, dies verursacht eine Abnahme der Steifigkeit (Elastizitätsmodul). Wenn der C-Gehalt geringer als 1,5% ist, ist die Starttemperatur der Verfestigung hoch und für Formen und Schmelzeinrichtungen ist eine hohe Wärmebeständigkeit erforderlich. Wenn im Gegensatz dazu der C-Gehalt 3,0% übersteigt, kann das erforderliche Elastizitätsmodul nicht vermittelt werden. Daher ist der C-Gehalt auf einen Bereich von 1,5 bis 3,0% beschränkt.

Si: 1,0 bis 5,5%

Si hat die Wirkung, die Bildung von Graphit zu fördern. Wenn der Si-Gehalt kleiner als 1,0% ist, kann diese Wirkung nicht erhalten werden und eine gute Verarbeitbarkeit kann nicht vermittelt werden. Wenn im Gegensatz dazu der Si-Gehalt 5,5% übersteigt, wird übermäßig viel Silicium-Ferrit gebildet und die Härte des Materials nimmt zu, so dass Dehnung und Steifigkeit abnehmen. Daher ist der Si-Gehalt auf einen Bereich von 1,0 bis 5,5% beschränkt.

REM: 0,008 bis 0,25%

REM fördert die Bildung von Graphit und die Wirkung kann nicht erhalten werden, wenn sein Gehalt geringer als 0,008% ist. Wenn im Gegensatz dazu der REM-Gehalt 0,25% übersteigt, wird nicht nur die Wirkung der Graphitbildung nicht erreicht, sondern die Graphitbildung wird auch noch gehemmt. Daher ist der REM-Gehalt auf einen Bereich von 0,008 bis 0,25% beschränkt. Es ist anzumerken, dass REM sich auf Selten-Erd- Metalle bezieht von La mit einer Atomzahl von 57 bis Lu mit einer Atomzahl von 71 und eine oder mehrere Arten angewendet werden können.

BN: 0,005 bis 0,015% (B-Äquivalent)

BN kann ein Kern sein, um die Bildung von feinem Kugelgraphit zu fördern und kann die Bildung von Carbiden hemmen. Wenn der BN-Gehaltskleiner als 0,005% als B-Gehalt (B-Äquivalent) ist, kann diese Wirkung nicht erhalten werden. Im Gegensatz dazu können weitere Wirkungen auf die Graphitbildung nicht erwartet werden, auch wenn der BN-Gehalt (B-Äquivalent) 0,015% übersteigt. Daher ist der BN-Gehalt auf einen Bereich von 0,005 bis 0,015% begrenzt. Es ist anzumerken, dass BN enthalten sein kann, indem B geschmolzenem Eisen zugegeben wird und B sich dort mit N vereinigt.

Eine oder mehrere Arten der unten erwähnten Elemente können gegebenenfalls zugegeben werden, um die Bildung und die Verfeinerung von Kugelgraphit weiter zu fördern.

Bi: 0,0005 bis 0,02%

Bi fördert die feine Dispersion von Graphit und die Wirkung kann nicht erwartet werden, wenn der Bi-Gehalt geringer als 0,0005% ist. Wenn im Gegensatz dazu der Bi-Gehalt 0,02% übersteigt, wird die Graphitsphäroidisierung gehemmt und die Form des Graphits wird nicht kugelförmig und die Festigkeit und die Steifigkeit des Materials werden beeinträchtigt. Daher liegt der Bi-Gehalt bevorzugt in einem Bereich von 0,0005 bis 0, 02%.

Al: 0,005 bis 0,08%

Al wird als Desoxidationsmittel zugegeben. Die Desoxidation ist nicht wirksam, wenn sein Gehalt kleiner als 0,005% ist und die Graphitisierung durch REM wird bei einer bestimmten Abkühlrate bei der Verfestigung gehemmt. Wenn im Gegensatz dazu der Al-Gehalt 0,08 übersteigt, wird die Graphitsphäroidisierung gehemmt und die Form des Graphits wird nicht kugelförmig, so dass die Festigkeit und Steifigkeit des Gusseisens beeinträchtigt werden. Daher liegt der Al-Gehalt bevorzugt in einem Bereich von 0,005 bis 0,08%.

Ca: 0,002 bis 0,04%

Ca ist ein Element, das die Bildung und Verfeinerung von Graphit fördert und die Wirkung wird nicht erwartet, wenn der Ca-Gehalt kleiner als 0,002% ist. Wenn im Gegensatz dazu der Ca-Gehalt 0,04% übersteigt, wird nicht nur die Wirkung der Bildung und Verfeinerung von Graphit nicht erhalten, sondern die Graphitisierung wird negativ beeinträchtigt und die Bildung von grobem Graphit wird gefördert und die Steifigkeit des Materials wird daher beeinträchtigt. Daher liegt der Ca- Gehalt bevorzugt in einem Bereich von 0,002 bis 0,04%.

Kurze Erläuterung der Zeichnungen

Die Fig. 1A bis 1C sind Mikrogefügeaufnahmen, die metallische Strukturen von Gusseisen zeigen, wobei Fig. 1A ein Beispiel ist und die Fig. 1B und 1C Vergleichsbeispiele sind.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung Beispiel

Ein Beispiel der Erfindung wird im Folgenden erläutert.

Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung (Gew.-%) für das Gusseisen des Beispiels und der Vergleichsbeispiele. Die Fig. 1A bis 1C sind Mikrogefügeaufnahmen, die metallische Strukturen zeigen, die von gegossenem geschmolzenen Eisen mit der chemischen Zusammensetzung von Tabelle 1 gebildet werden. Wie die Fig. 1A bis 1C deutlich zeigen, hat das hypoeutektische Gusseisen (B) von Vergleichsbeispiel 1 eine Struktur, die aus Zementit und Pearlit besteht und es gibt nur eine geringe Menge an Graphit. Das bedeutet, dass in Fig. 1B der Anteil, der als weißes Netzwerk erscheint, Zementit ist und der graue Anteil Pearlit ist. Der Anteil, in dem schwarze Punkte in der weißen Matrix dispergiert sind, besteht aus Ferrit und Graphit. In Vergleichsbeispiel 2 (Fig. 1C), das ein übliches Kugelgraphitgusseisen ist, wird eine große Menge an Graphit gebildet; da es eine eutektische Zusammensetzung hat, und dessen Form ist grob. Im Gegensatz dazu hat das hypoeutektische Kugelgraphitgusseisen (Fig. 1A) des Beispiels. eine Struktur, bei der feiner Kugelgraphit in einer ferritischen Matrix dispergiert ist. Daher kann das erfindungsgemäße hypoeutektische Kugelgraphitgusseisen eine Struktur liefern, in der feiner Kugelgraphit dispergiert ist ohne die Bildung von Carbiden, sogar im Gusszustand, indem es BN zusätzlich zu REM enthält. Tabelle 1



Die mechanischen Eigenschaften des hypoeutektischen Kugelgraphitgusseisens des Beispiels wurden gemessen und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Die mechanischen Eigenschaften eines allgemein üblichen Kugelgraphitgusseisens sind als Daten für Vergleichsbeispiel 2 in Tabelle 2 gezeigt. Wie in Tabelle 2 gezeigt, hat das hypoeutektische Kugelgraphitgusseisen ein besseres Elastizitätsmodul und eine bessere Zugfestigkeit im Vergleich zu eutektischem Kugelgraphitgusseisen von Vergleichsbeispiel 2 und die Wirkung der Dispersion des feinen Kugelgraphits wurde bestätigt. Das Gusseisen von Vergleichsbeispiel 1 war sehr hart und spröde und die Dehnung war praktisch Null. Daher schienen die anderen mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt zu sein ohne weitere Tests. Tabelle 2




Anspruch[de]
  1. 1. Hypoeutektisches Kugelgraphitgusseisen umfassend: 1,5 bis 3,0% C; 1,0 bis 5,5% Si; 0,008 bis 0,25% REM; 0,005 bis 0,015% BN (B-Äquivalent) und Rest im Wesentlichen Fe, bezogen auf Gewicht.
  2. 2. Hypoeutektisches Kugelgraphitgusseisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gusseisen weiterhin eines oder mehrere der folgenden Elemente umfasst: 0,0005 bis 0,02% Bi; 0,005 bis 0,08% Al; 0,002 bis 0,04% Ca.






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