PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60124646T2 13.09.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001191117
Titel Rostfreier Gussstahl mit guter Hitzebeständigkeit und guter Spannbarkeit
Anmelder Daido Steel Co., Ltd., Nagoya, Aichi, JP
Erfinder Hamano, Shuji, Tokai-shi, Aichi-ken, JP;
Okabe, Michio, Chita-shi, Aichi-ken, JP
Vertreter WINTER, BRANDL, FÜRNISS, HÜBNER, RÖSS, KAISER, POLTE, Partnerschaft, 85354 Freising
DE-Aktenzeichen 60124646
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 25.09.2001
EP-Aktenzeichen 011229762
EP-Offenlegungsdatum 27.03.2002
EP date of grant 22.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.09.2007
IPC-Hauptklasse C22C 38/60(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C22C 38/44(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C22C 38/48(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C22C 38/58(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C22C 38/34(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C22C 38/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Bereich der Industrie

Die vorliegende Erfindung betrifft rostfreien Gussstahl mit guter Wärmebeständigkeit und guter maschineller Bearbeitbarkeit. Der rostfreie Gussstahl gemäß der Erfindung ist geeignet als Material für Teile, die einem wiederholten Erwärmen auf eine hohe Temperatur unterzogen werden, wie Abgaskrümmer von Kraftfahrzeugmotoren, Turbinengehäuse, deren Verbindungsteile und Abgasreinigungsvorrichtungen.

Stand der Technik

Bis zum jetzigen Zeitpunkt wurde als Material für Teile wie Abgaskrümmer von Kraftfahrzeugmotoren, für welche eine Wärmebeständigkeit gefordert ist, üblicherweise Gusseisen mit Kugelgraphit verwendet. Für die Verwendung bei extrem hohen Abgastemperaturen wurden "Niresist"-Gusseisen (C: 2,5-3,0%, Si: 1,4-1,8%, Cu: 6-8%, Ni: 13-16%, Cr: 1,5-2,4%, Fe: Rest) oder ferritischer Gussstahl (JIS G SC1 bis SC3) verwendet.

Es besteht seit Kurzem die Nachfrage nach einer Verbesserung der Effizienz von Kraftfahrzeugmotoren, und um dieser Nachfrage zu entsprechen, wird die Temperatur des Abgases erhöht. Ferner werden die Vorschriften hinsichtlich des Kraftfahrzeugabgases immer strenger. Es ist somit notwendig, Abgas von höherer Temperatur zu behandeln. Die oben erwähnten herkömmlichen Materialien können nicht für Teile einer Abgasbehandlungsvorrichtung verwendet werden, da eine durch die Wärme verursachte Verformung und/oder Rissbildung auftreten kann. Bei einer Temperatur von mehr als 950°C kann ein ferritischer Gussstahl aufgrund der verschlechterten Festigkeit nicht länger verwendet werden und muss daher Austenitgussstahl verwendet werden. Bekannter Austenitgussstahl wird jedoch im Hinblick auf eine Verbesserung der Dauerstandfestigkeit hergestellt und wurde sehr selten entwickelt, um der Temperaturwechselbeständigkeit zu genügen, welche für Teile gefordert ist, die einem wiederholten Erwärmen unterzogen werden. Es kann lediglich auf den wärmebeständigen rostfreien Gussstahl als ein Beispiel eines derartigen Stahls hingewiesen werden, der in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 54-96418 offenbart ist.

Der in der oben genannten Patentveröffentlichung offenbarte rostfreie Gussstahl besitzt eine Legierungszusammensetzung, bestehend aus C: 0,1-1,5%, Si: 0,5-5,0%, Mn: bis zu 2,5%, Ni: 8-45%, Cr: 15-35%, W: 0,5-3/0% und gegebenenfalls Mo: 0,5-2,0% oder S: 0,05-0,25% und Fe: Rest. Obwohl der Stahl eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit aufzeigt, ist die Zugfestigkeit des Stahls bei einer Temperatur von mehr als 950 °C unzureichend und ist die maschinelle Bearbeitbarkeit nicht zufriedenstellend. Es ist somit eine Verbesserung dieser Eigenschaften gewünscht.

Die Erfinder führten Untersuchungen und Entwicklungen durch, um diese Anforderung zu erfüllen und stellten fest, dass die Auswahl der Gehalte an C, Ni, Cr, W und Nb eines Austenitgussstahls in Bezug auf bestimmte Bereiche zu einer guten Hochtemperaturfestigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit führt und dass die Zugabe von Se auch bei einer Abnahme des S-Gehalts die maschinelle Bearbeitbarkeit verbessert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben erwähnten Probleme zu lösen und auf Basis der oben erwähnten Entdeckung durch die Erfinder einen Austenitgussstahl mit einer derart guten Wärmebeständigkeit, dass er bei einer hohen Temperatur von über 950 °C verwendet werden kann, und auch einer guten maschinellen Bearbeitbarkeit zur Verfügung zu stellen. Der rostfreie Gussstahl gemäß der Erfindung umfasst als eine Grundlegierungszusammensetzung in Gewichtsprozent C: 0,2-0,4%, Si: 0,5-2,0%, Mn: 0,5-2,0%, P: bis zu 0,10%, S: 0,04-0,2%, Ni: 21,0-42,0%, Cr: 15,0-28,0%, W: 0,5-7,0%, Nb: 0,5-2,0%, Al: bis zu 0,02%, Ti: bis zu 0,05%, N: bis zu 0,15%, Se: 0,001-0,50% und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.

AUSFÜHRLICHE ERLÄUTERUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Der rostfreie Gussstahl gemäß der Erfindung kann zusätzlich zu den oben erwähnten Grundlegierungskomponenten ein Element oder mehrere Elemente der folgenden Gruppen enthalten:

  • I) ein oder mehrere von Mo: bis zu 2,0%, Zr: bis zu 0,05%, B: bis zu 0,100% und Co: bis zu 10,0%; und
  • II) ein oder mehrere von Ca: bis zu 0,10% und REM: bis zu 0,50%.

Die Gründe für eine Beschränkung der Gehaltsbereiche der Legierungszusammensetzungen werden nachfolgend beschrieben:

C: 0,2-0,4%

Kohlenstoff verbindet sich mit Niob und/oder Wolfram unter Ausbildung von Carbiden, welche die Hochtemperaturfestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit verbessern. Um diese Effekte zu erhalten, ist es notwendig, dass Kohlenstoff mit einem Gehalt von 0,2% oder mehr enthalten ist. Ein Überschuss an Kohlenstoff mit einem Gehalt von mehr als 0,4% wird sich mit Chrom verbinden, so dass sich der Cr-Gehalt in der Matrix des Stahls verrringert, und wird die Oxidationsbeständigkeit des Stahls verringern. Ein bevorzugter C-Gehalt liegt im Bereich von 0,25-0,33%.

Si: 0,5-2,0%

Sllicium verbessert die Oxidationsbeständigkeit des Stahls und die Fluidität im geschmolzenen Zustand des Stahls. Diese Vorteile können bei einem Gehalt von 0,5% an Si oder mehr beobachtet werden, während ein Si-Gehalt von mehr als 2,0% die Stabilität der Austenitphase und die Zähigkeit des Stahls verringert.

Mn: 0,5-2,0%.

Mangan verbessert die Oxidationsbeständigkeit und vereinigt sich ferner mit S und Se unter Ausbildung von Einschlüssen im Stahl, welche für eine Verbesserung der maschinellen Bearbeitbarkeit nützlich sind. Um diese Effekte sicherzustellen, ist eine Zugabe von Mn in einer Menge von 0,5% oder mehr notwendig. Eine zu hohe Zugabe von mehr als 2,0% wird zu einer verringerten Zähigkeit führen. Ein bevorzugter Bereich des Mn-Gehalts liegt bei 0,8-1,5%.

P: bis zu 0,10%

Phosphor ist eine der Komponenten, welche zur maschinellen Bearbeitbarkeit des Stahls beiträgt. Wenn die Menge an Phosphor 0,10% übersteigt, wird jedoch die Oxidationsbeständigkeit und Zähigkeit des. Stahls deutlich verschlechtert und sollte daher der P-Gehalt auf einen oberen Grenzwert von 0,10% oder weniger beschränkt werden.

S: 0,04-0,2%

Schwefel bildet mit Mangan MnS, welches die maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahls verbessert. Die kleinste Menge an Schwefel, welche diesen Effekt ergibt, beträgt 0,04%. Ein S-Gehalt von mehr als 0,2% verursacht eine ernste Verschlechterung der Zähigkeit und Duktilität. Ein bevorzugter Bereich des S-Gehalts liegt bei 0,06-0,14%.

Ni: 21,0-42,0%

Nickel macht die Matrixaustenitphase des Stahls stabil und erhöht die Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Legierung. Die Effekte sind höher bei einem höheren Ni-Gehalt und es werden daher mindestens 21,0% an Ni zum Stahl gegeben. Bei einer größeren Menge an Ni werden die Effekte gesättigt sein und werden die Kosten ansteigen. Der obere Grenzwert wird somit auf 42,0% gesetzt. Ein bevorzugter Bereich des Ni-Gehalts liegt bei 21-40%.

Cr: 15,0-28,0%

Chrom bildet mit Kohlenstoff Carbide, welche die Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit des Stahls merklich verbessern. Der Vorteil wird bei einer Zugabe an Chrom von 15% oder mehr auftreten. Bei einem höheren Cr-Gehalt wird sich der Effekt sättigen und wird ferner die Bildung einer &sgr;-Phase beschleunigt, welches den Stahl spröde macht. Somit liegt die obere Grenze bei 28,0%. Ein bevorzugter Bereich des Cr-Gehalts liegt bei 19-26%.

W: 0,5-7,0%

Wolfram bildet mit Kohlenstoff Carbide, um die Hochtemperaturfestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit beträchtlich zu verbessern. Die Carbidbildungsfähigkeit von W ist höher als die von Cr und somit verhindert Wolfram eine Abnahme an Cr, das in der Austenitphase der Matrix existiert, und trägt zur Aufrechterhaltung einer hohen Oxidationsbeständigkeit bei. Dieser Effekt des W kann erhalten werden durch Zugabe von 0,5% oder mehr. Ein zu große Zugabe wird andererseits die Oxidationsbeständigkeit und Zähigkeit des Stahls verschlechtern. Vor diesem Hintergrund wird der obere Grenzwert auf 7,0% gesetzt. Ein bevorzugter W-Gehalt liegt im Bereich von 1-6%.

Nb: 0,5-2,0%

Niob bildet, wie Wolfram, mit Kohlenstoff Carbide und erhöht in hohem Maße die Hochtemperaturbeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit. Die Carbidbildungsfähigkeit von Niob ist, wie die von Wolfram, ebenfalls höher als die von Chrom und verhindert daher eine Abnahme der Cr-Menge in der Austenitphase, welche die Matrix bildet, und hält die Oxidationsbeständigkeit des Stahls auf einem hohen Niveau.

Al: bis zu 0,02%

Aluminium trägt zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit des Stahls bei. Eine Zugabe von Al von mehr als 0,02% verschlechtert die Fluidität des geschmolzenen Stahls und verschlechtert beträchtlich die Zähigkeit.

Ti: bis zu 0,05%

Titan bildet mit Kohlenstoff ebenfalls Carbide, um zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit beizutragen.

N: bis zu 0,15%

Stickstoff trägt zur Festigkeit und Stabilität der Austenitphase des Stahls bei. Bei einem N-Gehalt von mehr als 0,15% nimmt die Temperaturwechselbeständigkeit des Stahls ab und nehmen auch die Zähigkeit und Duktilität ab.

Se: 0,001-0,50%

Selen ist notwendig, da es, wie Schwefel, sich mit Mangan verbindet, um Einschlüsse zu bilden, welche die maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahls verbessern. Dieser Effekt kann bei einem so niedrigen Gehalt an Se von 0,001% beobachtet werden, und bei einem höheren Gehalt von mehr als 0,50% werden die Hochtemperaturfestigkeit, Zähigkeit und Duktilität und die Temperaturwechselbeständigkeit verschlechtert. Auch werden die Kosten des Edelstahls höher sein.

Nachfolgend werden die Wirkungen weiterer Legierungskomponenten erläutert, welche optional zugegeben werden können, und die Gründe für eine Einschränkung der Bereiche der Gehalte im Stahl.

Mo: bis zu 2,0%

Molybdän löst sich in der Austenitphase, um die Hochtemperaturfestigkeit des Stahls zu erhöhen. Mo in einer Menge von mehr als 2,0% verringert deutlich die Oxidationsbeständigkeit bei einer Temperatur von mehr als 900 °C, und es nehmen ferner die Zähigkeit und Duktilität des Stahls ab. Der Mo-Gehalt wird somit auf bis zu 2,0% festgelegt. Ein bevorzugter Mo-Gehalt reicht bis zu 1,8%.

Zr: bis zu 0,05%

Zirconium hindert Kristallkörner und eutektische Carbidteilchen an einer Vergröberung und verbessert die Hochtemperaturfestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit. Eine Zugabe einer großen Menge an Zr verringert signifikant die Zähigkeit und Duktilität des Stahls, und es wird daher der obere Grenzwert der Zr-Zugabe auf 0,05% gesetzt.

B: bis zu 0,100%

Bor festigt die Kristallgrenzen des Stahls, um die Hochtemperaturfestigkeit zu verbessern. Eine Zugabe einer großen Menge an B von mehr als 0,10% verringert beträchtlich die Oxidationsbeständigkeit, Zähigkeit und Duktilität ebenso wie die Temperaturwechselbeständigkeit des Stahls.

Co: bis zu 10,0%

Cobalt stabilisiert die Austenitphase des Stahls, erhöht die Hochtemperaturfestigkeit durch Lösungsverfestigung und verbessert die Korrosionsbeständigkeit. Diese Effekte sind bei einem höheren Co-Gehalt gesättigt und eine Zugabe von mehr als 10,0% verliert an Signifikanz und erhöht die Kosten des Stahls.

Ca: bis zu 0,10%

Calcium vereinigt sich mit Sauerstoff unter Ausbildung des Oxids, welches die maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahls verbessert. Eine Zugabe von Ca in einer Menge von über 0,10% verschlechtert die Zähigkeit und Duktilität und die Temperaturwechselbeständigkeit des Stahls.

REM: bis zu 0,50%

REM verbessert die Oxidationsbeständigkeit des Stahls. Eine Zugabe von REM in einer Menge von mehr als 0,50% verschlechtert die Zähigkeit und Duktilität und verschlechtert beträchtlich die Temperaturwechselbeständigkeit des Stahls.

BEISPIELE

Es wurden rostfreie Gussstähle mit den in Tabelle 1 (Beispiele) und Tabelle 2 (Kontrollen) aufgezeigten Legierungszusammensetzungen hergestellt durch Schmelzen in einem HF-Induktionsofen, und die geschmolzenen Stähle wurden zu JIS-A-Testmaterialien gegossen. Die Testmaterialien wurden durch Erwärmen während 30 Minuten auf 1100 °C einem Glühen unterzogen und aus den geglühten Materialien wurden dann Teststücke für Hochtemperaturzugtests, Teststücke für Temperaturwechselbeständigkeitstests und Teststücke für einen Test auf maschinelle Bearbeitbarkeit hergestellt. Unter Verwendung dieser Teststücke wurden gemäß den nachfolgend beschriebenen Verfahren und Testbedingungen die Hochtemperaturzugfestigkeitstests, die Temperaturwechselbeständigkeitstests und die Tests hinsichtlich einer maschinellen Bearbeitbarkeit durchgeführt.

[Hochtemperaturzugfestigkeitstest]

  • Teststück: Messlänge 30 mm, Durchmesser 6 mm
  • Temperatur: 1050 °C

[Temperaturwechselbeständigkeitstest]

  • Scheibenförmiges Teststück. Durchmesser 60 mm, Dicke 10 mm

Die Teststücke wurden während 3 Minuten in ein auf 1050 °C erwärmtes Fließbett aus Aluminiumoxidpulver getaucht und dann schnell in ein Fließbett aus Aluminiumoxidpulver bei 150°C übertragen und darin während 4 Minuten gehalten. Nach einem 500-maligen Wiederholen dieses Zyklus wurde die Summe der Risslänge in jedem Teststück gemessen.

[Test auf maschinelle Bearbeitbarkeit]

Es wurde ein Mahlen durchgeführt unter Verwendung von zementierten Carbidwerkzeugen mit Carbidspitzen, und es wurde die Gesamtschnittlänge bis zu einem Abtrag der Carbidspitzen bis auf 200 &mgr;m gemessen. Die Ergebnisse werden in Relation zu den Daten auf HK40 (Kontrolle 5), einem typischen Austenitgussstahl, aufgezeigt.

Tabelle 1 Beispiele (Gew.-%, Rest Fe)
  • *) Vergleichsbeispiel
Tabelle 2 Kontrollen (Gew.-%, Rest Fe)
Tabelle 3 Beispiele
  • *) Vergleichsbeispiel
Tabelle 4 Kontrollen

Die Probleme der in Tabelle 4 aufgezeigten Kontrollen wurden aufgrund der nachfolgend beschriebenen Gründe verursacht:

Bei der Kontrolle 1 ist der S-Gehalt zu gering und ist somit, obwohl die Hochtemperaturzugfestigkeit gut ist, die maschinelle Bearbeitbarkeit unzureichend. Im Gegensatz dazu enthält die Kontrolle 2 zu viel Schwefel, um eine gute maschinelle Bearbeitbarkeit aufzuzeigen, und ist die Hochtemperaturzugfestigkeit unbefriedigend. Die Kontrolle 3 ist aufgrund des geringen W-Gehalts und Nb-Gehalts bei der Hochtemperaturzugfestigkeit verschlechtert. Demgegenüber enthält die Kontrolle 4 zu viel W und Nb, und, obwohl die Hochtemperaturfestigkeit hoch ist, neigt sie zum Auftreten von Rissen aufgrund einer Wärmeermüdung. Die Kontrolle 5, welche weder W noch Nb enthält, und aufgrund des geringen S-Gehalts, zeigt eine geringe Temperaturbeständigkeit und eine unzureichende maschinelle Bearbeitbarkeit auf. Bei der Kontrolle 6 ist aufgrund einer zu geringen Zugabe an Ni die Hochtemperaturfestigkeit gering und treten leicht Risse auf. Die Kontrolle 7 ist aufgrund einer verringerten Menge an Cr ebenfalls hinsichtlich der Hochtemperaturfestigkeit und der Neigung zur Rissbildung unbefriedigend.

Die Beispiele 1 bis 12 und 15 gemäß der Erfindung sind im Vergleich mit den Kontrollen hervorragend hinsichtlich der Hochtemperaturfestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit bei 1050°C. Auch ist die maschinelle Bearbeitbarkeit der vorliegenden Stähle so gut, dass die Standzeiten basierend auf der maschinellen Bearbeitbarkeit von HK40 zweimal so hoch oder noch höher sind.

Diese hervorragenden Eigenschaften werden durch die Auswahl der oben beschriebenen speziellen Legierungszusammensetzungen erreicht.


Anspruch[de]
Rostfreier Gussstahl mit guter Wärmebeständigkeit und guter maschineller Bearbeitbarkeit, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl in Gew.-% C: 0,2-0,4%, Si: 0,5-2,0%, Mn: 0,5-2,0%, P: bis zu 0,10%, S: 0,04-0,2%, Ni: 21,0-42,0%, Cr: 15,0-28,0%, W: 0,5-7,0%, Nb: 0,5-2,0%, Al: bis zu 0,02%, Ti: bis zu 0,05%, N: bis zu 0,15%, Se: 0,001-0,50% und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst. Rostfreier Gussstahl mit guter Wärmebeständigkeit und guter maschineller Bearbeitbarkeit, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl in Gew.-% C: 0,2-0,4%, Si: 0,5-2,0%, Mn: 0,5-2,0%, P: bis zu 0,10%, S: 0,04-0,2%, Ni: 21,0-42,0%, Cr: 15,0-28,0%, W: 0,5-7,0%, Nb: 0,5-2,0%, Al: bis zu 0,02%, Ti: bis zu 0,05%, N: bis zu 0,15%, Se: 0,001-0,50%, und ferner eines oder mehrere von Mo: bis zu 2,0%, Zr: bis zu 0,05%, B: bis zu 0,10% und Co: bis zu 10,0% und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst. Rostfreier Gussstahl mit guter Wärmebeständigkeit und guter maschineller "Bearbeitbarkeit, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl in Gew.-% C: 0,2-0,4%, Si: 0,5-2,0%, Mn: 0,5-2,0%, P: bis zu 0,10%, S: 0,04-0,2%, Ni: 21,0-42,0%, Cr: 15,0-28,0%, W: 0,5-7,0%, Nb: 0,5-2,0%, Al: bis zu 0,02%, Ti: bis zu 0,05%, N: bis zu 0,15%, Se: 0,001-0,50%, und ferner eines oder mehrere von Ca: bis zu 0,10% und REM: bis zu 0,50%, und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst. Rostfreier Gussstahl mit guter Wärmebeständigkeit und guter maschineller Bearbeitbarkeit, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl in Gew.-% C: 0,2-0,4%, Si: 0,5-2,0%, Mn: 0,5-2,0%, P: bis zu 0,10%, S: 0,04-0,2%, Ni: 21,0-42,0%, Cr: 15,0-28,0%, W: 0,5-7,0%, Nb: 0,5-2,0%, Al: bis zu 0,02%, Ti: bis zu 0,05%, N: bis zu 0,15%, Se: 0,001-0,50%, und ferner eines oder mehrere von Mo: bis zu 2,0%, Zr: bis zu 0,05%, B: bis zu 0,10% und Co: bis zu 10,0%, ebenso wie eines oder beide von Ca: bis zu 0,10% und REM: bis zu 0,50% und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.






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