DE68929180T2

DE68929180T2 - Gusseisen mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, aus diesem Gusseisen hergestellte Formen und die Verwendung beim Formen

Info

Publication number: DE68929180T2
Application number: DE68929180T
Authority: DE
Inventors: Takanobu Nishimura; Motoo Suzuki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-11-02
Filing date: 1989-11-02
Publication date: 2000-11-09
Anticipated expiration: 2009-11-03
Also published as: JPH02125837A; KR920008956B1; DE68929180D1; US5049354A; EP0368565A1; EP0368565B1; KR900008055A; JPH0699777B2

Description

Diese Erfindung betrifft ein Gußeisen des Austenit-Typs mit geringer thermischer Expansion, und insbesondere betrifft sie ein Gußeisen mit geringer thermischer Expansion, das eine äußerst geringe thermische Expansion aufweist und dessen Gießbarkeit, Verarbeitbarkeit und Fähigkeit zur Schwingungsaufnahme angemessen hoch sind.
Wie gut bekannt ist, ist Gußeisen weit verbreitet als ein industrielles Basismaterial. Die Gründe dafür sind, daß dieses Material gut gießbar ist, so daß es in einer breiten Vielzahl an komplizierten Gestalten leicht geformt werden kann; das Schneiden und die Bearbeitung sind leicht; und die Materialkosten und Schmelzkosten sind vergleichsweise gering, so daß sogar in Arbeiten in kleinem Maßstab leicht Artikel gefertigt werden können.
In letzter Zeit wurden jedoch viele andere organische und anorganische Materialien als Metalle wie neue Kunststoffe entwickelt. Funktionelle Materialien, die ihre jeweiligen Eigenschaften nutzen, verbreiten sich schnell. Insbesondere werden mit der Entwicklung der elektronischen Industrie Materialien zur Verwendung bei Werkzeugmaschinen, Meßvorrichtungen, Gußformen und anderen Maschinen zur Fertigung verlangt, die eine hohe Genauigkeit und überlegene Funktion liefern können.
Um die obigen Forderungen zu erfüllen, werden ebenso Gußeisenmaterialien entwickelt, die zusätzlich zu den bestehenden Eigenschaften von Gußeisen geringere thermische Expansionskoeffizienten, erhöhte Fähigkeit zur Schwingungsaufnahme, wie auch Hitze- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Beispiele sind Invar Gußeisen (36,5% Ni-Fe Legierung) und Ni-Resist D5 (ASTM A439 Typ D-5) Gußeisen, das eine Verbesserung davon ist. Die chemischen Bestandteile typischer Beispiele derartiger Gußeisen werden in Tabelle 1 unten bekanntgegeben. Tabelle 1
Invar enthält 34% bis 37% Nickel im Eisen (hier unten werden die Anteile aller Bestandteile in Form von Gewichts% ausgedrückt). Es weist in der Nähe von normalen Temperaturen (0 bis 200ºC) einen geringen thermischen Expansionskoeffizienten von etwa 1,5 · 10&supmin;&sup6;/ºC auf. Der Mechanismus der geringen Expansion dieser Invar-Legierung beruht auf einer spontanen Volumsmagnetostriktionswirkung, die "Invar-Effekt" genannt wird.
Super-Invar wird hergestellt, indem die Eisen/Nickel-Basis mit 4% bis 6% Kobalt legiert wird. Sein thermischer Expansionskoeffizient in der Nähe von normalen Temperaturen beträgt 0,5 · 10&supmin;&sup6;/ºC, der noch geringer ist als jener von Invar. Da die oben erwähnten Invar und Super-Invar jedoch beide eine geringe Gießbarkeit, Verarbeitbarkeit und Fähigkeit zur Schwingungsaufnahme aufweisen, sind ihre praktischen Anwendungen auf ein ziemlich enges Gebiet begrenzt.
Die Gußeisen mit geringer thermischer Expansion, die in den Zeilen 3, 4 und 5 der Tabelle 1 angegeben werden, wurden ebenso entwickelt. Zum Beispiel wird Ni-Resist D-5 erhalten, indem ein Gußeisen mit Graphitstruktur mit der gleichen Menge an Nickel wie im Fall von Invar legiert wird. Es wird durch Legieren von Eisen mit 34% bis 36% Nickel gebildet, das praktisch die gleiche Menge an Kohlenstoff, Silizium und Mangan aufweist, wie normales Kugelgraphitgußeisen. Es behält die Gießbarkeit, Verarbeitbarkeit und Fähigkeit, zum Widerstehen von Schwingungen, die die Vorteile von Gußeisen sind, und liefert zusätzlich Hitze- und Korrosionsbeständigkeit, wie es aufgrund des "Invar-Effektes" auch einen geringen Expansionskoeffizienten liefert.
Ein weiteres Beispiel eines Materials dieses Typs ist Novinite-Gußeisen. Dieses wurde in der Japanischen Patentschrift Nr. JP-A-58-210149 (Sho. 60-51547) offenbart. In diesem legierten Gußeisen werden die Gießbarkeit, Verarbeitbarkeit und geringe Expansion erzielt, indem normales Kugelgraphitgußeisen mit den gleichen Mengen an Nickel und Kobalt wie im Fall des Super-Invars legiert wird.
Die oben erwähnten Ni-Resist D-5 und Novinite-Gußeisen weisen jedoch aufgrund der Tatsache, daß sie die gleichen Mengen an Kohlenstoff, Silizium und Mangan wie normales Kugelgraphitgußeisen enthalten, keine so geringe Expansion wie Invar und Super-Invar auf. Gemäß den Messungen, die von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung durchgeführt wurden, wiesen im Bereich der Temperatur von 0ºC bis 200 ºC insbesondere ihre jeweiligen thermischen Expansionskoeffizienten die großen Werte von 5 · 10&supmin;&sup6;/ºC und 4 · 10&supmin;&sup6;/ºC auf.
So können die oben erwähnten Gußeisenlegierungen die modernen Anforderungen für eine weitere Verminderung des thermischen Expansionskoeffizienten nicht befriedigend erfüllen. Für jüngste Präzisionsvorrichtungen und Metall formende Präzisionsmaterialien für FRP werden Materialien mit noch geringerem thermischen Expansionskoeffizienten gefordert.
Um ein Material zu liefern, das den obigen Ansprüchen an einen thermischen Expansionskoeffizienten unter dem Wert des Stands der Technik von 4 · 10&supmin;&sup6; mit Gießbarkeit, Verarbeitbarkeit und Fähigkeit zur Schwingungsaufnahme gewachsen ist, untersuchten die Erfinder der vorliegenden Anmeldung die Beziehung zwischen dem Gehalt unterschiedlicher Legierungselemente und dem thermischen Expansionskoeffizienten und den mechanischen Eigenschaften, wobei eine Anzahl von Versuchen und statistischen Analysen durchgeführt wurde. Als Ergebnis entdeckten sie ein neues Gußeisen mit geringer thermischer Expansion, das Gegenstand ihres Japanischen Patents JP-A-1-111842 (Anmeldung Nr. Sho. 62-268249) ist.
Dieses Gußeisen mit geringer thermischer Expansion weist die Zusammensetzung auf, die in der letzten Zeile der Tabelle 1 angegeben wird. In einem Gußeisen mit austenitischer Eisenmatrix wird insbesondere Gußeisen verwendet, dessen Bestandteile zumindest sind: Kohlenstoff mehr als 1,0% und weniger als 3,5%, Silizium unter 1,5%, Nickel zumindest 32% und weniger als 39,5%, Kobalt zumindest 1,0 % und weniger als 4%, wobei der Gesamtgehalt des oben erwähnten Nickels und Kobalts weniger als 41% beträgt. Die Erfinder entdeckten zum erstenmal daß durch Verwendung dieses Gußeisens ein Material mit geringer thermischer Expansion geliefert werden konnte mit:
(1) einem geringen thermischen Expansionskoeffizienten (2 · 10&supmin;&sup6;/ºC), und
(2) ausgezeichneter Gießbarkeit, Verarbeitbarkeit, Fähigkeit zur Schwingungsaufnahme und mechanischer Festigkeit.
Als Ergebnis einer Serie von Versuchen unterschiedlicher Typen entdeckten die augenblicklichen Erfinder insbesondere, daß ein Gußeisen erhalten wird, dessen thermischer Expansionskoeffizient äußerst gering ist, das aber dennoch eine gute Gießbarkeit und Bearbeitbarkeit aufweist, wenn 1 % bis 4% Kobalt zum Gußeisen zugegeben werden, das. 1% bis 3, 5% Kohlenstoff und 32% bis 39, 5% Nickel enthält, und wenn die Siliziumzugabe auf eine niedrigen Gehalt unter 1,5 % und vorzugsweise unter 1% festgelegt wird. Durch die Entwicklung dieses Gußeisens mit geringer thermischer Expansion können bearbeitete Artikel höherer Präzision geliefert werden.
Aufgrund der erhöhten Ausrüstungsgröße und der Forderungen für eine höhere Präzision werden jedoch häufig Umstände angetroffen, bei denen das bestehende Gußeisen mit geringer thermischer Expansion nicht völlig angemessen ist. Zum Beispiel wurden bei den jüngsten Fortschritten der Kommunikationstechnologie wie Satellitenrundfunk die Parabolantennen, die als Sende- und Empfangsausrüstung verwendet werden, sehr groß, und diese müssen mit hoher Genauigkeit präzisionsbearbeitet werden. Zum Beispiel wird für Antennenreflektoren üblicherweise ein Kohlenstoffaser verstärkter Kunststoff (CFRP) verwendet, der eine hohe Steifheit und Korrosionsbeständikeit aufweist. Da jedoch der thermische Expansionskoeffizient dieses CFRP sehr gering ist (etwa 1,5 · 10&supmin;&sup6;/ºC), muß die Metallform zur Formung aus einem Material gefertigt sein, das einen thermischen Expansionskoeffizienten der gleichen Ordnung aufweist, um eine hohe Dimensionsgenauigkeit des Produkts auch nach dem Formen sicherzustellen. In der Folge ist ein Material erforderlich, dessen thermische Expansion geringer als das der bestehenden Materialien für Metallformen ist, das heißt höchstens 1,5 · 10&supmin;&sup6;/ºC beträgt, und das dennoch ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweist.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Zusammensetzung für ein Gußeisen mit geringer thermischen Expansion zu liefern.
Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Lieferung eines verbesserten Gußeisens, das sowohl eine äußerst geringe thermische Expansion als auch eine hohe Gießbarkeit, Verarbeitbarkeit und Schwingungsaufnahme aufweisen kann.
Es ist ein besonderes Ziel der Erfindung, ein Gußeisen mit geringer thermischer Expansion zu liefern, um ein metallisches Formmaterial zur Formung von CFRP zu besitzen, das einen thermischen Expansionskoeffizienten von etwa 1,5 · 10&supmin;&sup6;/ºC und vorzugsweise geringer und ausgezeichnete Gießbarkeit und Verarbeitbarkeit aufweist.
Zur Erreichung der vorangegangenen Ziele wurde gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Gußeisen mit einer Graphitstruktur in einer austenitischen Eisenmatrix geliefert, das abgesehen von Verunreinigungen, falls sie vorhanden sind, in Gewichts% 1,0% bis 3,5% Kohlenstoff, bis zu 0,9% Silizium, 29% bis 34% Nickel, mehr als 4% bis zu 8 Kobalt, wahlweise 0,04 bis 0,1% Magnesium und/oder bis zu 1% Mangan und den Rest an Eisen enthält.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ebenso ein Formelement zur Formung eines Antennenreflektors aus Kohlenstoffaser verstärktem Kunststoff geliefert, das ein im allgemeinen scheibenförmiges Formelement, das aus einer Gußeisenzusammensetzung mit einem thermischen Expansionskoeffizienten von etwa 1,5 · 10&supmin;&sup6;/ºC (bei 0-200ºC) gefertigt ist, und eine Zusammensetzung umfaßt, wie oben bestimmt wurde.
Damit die Erfindung leichter anerkannt und ausgeführt werden kann, werden jetzt Ausführungen davon mit Hilfe von Beispielen nur mit Hinweis auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen Ni und dem thermischen Expansionskoeffizienten zeigt,
Fig. 2 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der Temperatur und dem thermischen Expansionskoeffizienten zeigt, wobei der Gesamtgehalt an Ni und Co im Gußeisen als ein Parameter genommen wird,
Fig. 3 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen dem Gesamtkohlenstoffgehalt und dem Kohlenstoffgehalt in fester Lösung zeigt,
Fig. 4A ein Grundriß ist, der die Gestalt einer Form für den Formguß von CFRP in Übereinstimmung mit einer Ausführung dieser Erfindung zeigt, und
Fig. 4B eine Ansicht im Querschnitt entlang der Richtung der Pfeile IVB-IVB in Fig. 4A ist.
Die Erfinder entdeckten die minimalen Bestandteilsbedingungen, unter denen Graphit im Gußverfahren in der Legierungsstruktur auskristallisieren kann, um die Gießbarkeit und die Verarbeitbarkeit zu verbessern; und sie entdeckten des weiteren offensichtlich optimale Bestandteilsbedingungen, um eine geringe thermische Expansion zu erhalten.
Insbesondere ist das Gußeisen mit geringer thermischer Expansion gemäß dieser Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß in Gewichts% der Kohlenstoffgehalt vorzugsweise mehr als 1,0% und nicht mehr als 3,5%, vorzugsweise mehr als 2,0% und nicht mehr als 3,0% beträgt, der Siliziumgehalt geringer als oder gleich 0,9%, vorzugsweise geringer als 0,5% ist, der Nickelgehalt mehr als 29% und weniger als 34% ist und der Kobaltgehalt mehr als 4% und weniger als 8% ist. Zusätzlich zu den obigen Bestandteilen enthält das Gußeisen vorzugsweise nicht mehr als 1,0%, vorzugsweise nicht mehr als 0,5% Mangan und nicht mehr als 0,1% Magnesium.
Vorzugsweise beträgt der thermische Expansionskoeffizient der Gußeisenzusammensetzungen der Erfindung bei 0-200ºC nicht mehr als etwa 4 · 10&supmin;&sup6;/ºC, bevorzugter nicht mehr als etwa 3 · 10&supmin;&sup6;/ºC, noch bevorzugter nicht mehr als etwa 2 · 10&supmin;&sup6;/ºC und insbesondere etwa 1,5 · 10&supmin;&sup6;/ºC oder weniger. Der obige Zusammensetzungsbereich wurde auf der Basis einer Serie an Versuchen und der Analyse ihrer Ergebnisse festgelegt.
Das erste dieser Ergebnisse wird vom Nachweis der Beziehung zwischen dem thermischen Expansionskoeffizienten und den Gehalten der unterschiedlichen Elemente abgeleitet. Es wurde dadurch die Beziehung erhalten, die in den Gleichungen 1 und 2 unten gezeigt wird.
Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen dem thermischen Expansionskoeffizienten der Fe-Ni-Legierung und dem Ni-Gehalt. Wie aus dieser Figur gesehen werden kann, wird der thermische Expansionskoeffizient sehr gering, wenn der Ni-Gehalt etwa 36% beträgt. Die Gleichung 1 ist daher die Beziehung für den thermischen Expansiohskoeffizienten, der als Ergebnis der Analyse der unterschiedlichen Legierungselemente im Gebiet erhalten wird, in dem der Ni-Gehalt geringer als der Fe-Gehalt ist, die das Minimum des thermischen Expansionskoeffizienten gibt.
Im Gegensatz dazu ist die Gleichung 2 die Beziehung für den thermischen Expansionskoeffizienten, die durch Analyse der unterschiedlichen Legierungselemente im Gebiet erhalten wird, in dem der Ni-Gehalt größer als der Fe-Gehalt ist, die das Minimum des thermischen Expansionskoeffizienten gibt. Beim Vergleich der unterschiedlichen Koeffizienten in Gleichung 1 und Gleichung 2 kann gesehen werden, daß der Koeffizient des Si-Gehalts (%) am größten ist. Das heißt, es kann gesehen werden, daß der Siliziumgehalt mit einer positiven Korrelation die größte Wirkung auf die Eigenschaft der thermischen Expansion ausübt. Es kann daher verstanden werden, daß durch Absenken des Siliziumgehalts auf das absolute Minimum ein geringerer thermischer Expansionskoeffizient erhalten wird.
Beim Betrachten der Wirkung des Kohlenstoffgehalts auf den thermischen Expansionskoeffizienten in einer Fe-Ni-Legierung wurde früher angenommen, daß der Gesamtkohlenstoffgehalt einen erheblichen Einfluß aufweist. Entsprechend den Ergebnissen der Erfinder wurde jedoch entdeckt, daß es nicht der Gesamtkohlenstoffgehalt ist, der diesen Einfluß aufweist, sondern nur der Kohlenstoffgehalt in fester Lösung.
Danach wird in Fig. 2 als zweites Ergebnis die Beziehung zwischen der Temperatur und dem thermischen Expansionskoeffizienten gezeigt, wenn der Gesamtgehalt von Ni und Co wechselte. Wie in dieser Figur gezeigt wird, zeigen die jeweiligen Kurven der Temperatur gegen den thermischen Expansionskoeffizienten für jeden bestimmten Ni + Co-Gehalt einen Wendepunkt B, bei dem die Temperaturabhängigkeit des thermischen Expansionskoeffizienten rasch steigt. Wenn der Ni + Co-Gehalt erhöht wird, verschiebt sich ebenso die Temperatur, die diesem Wendepunkt B (hier unten die Temperatur am Wendepunkt genannt) entspricht, zur Seite der hohen Temperatur.
So kann aus Fig. 2 gesehen werden, daß der Temperaturwendepunkt sich zur Seite der hohen Temperatur verschiebt, wenn der Ni + Co-Gehalt steigt. Als Ergebnis wird der thermische Expansionskoeffizient im Bereich der praktisch verwendeten Temperaturen von normaler Temperatur bis zu 200 ºC hoch. Im Gegensatz dazu kann ein geringer thermischer Expansionskoeffizient erhalten werden, wenn die Zusammensetzung so festgelegt wird, daß die Temperatur am Wendepunkt im praktisch verwendeten Temperaturbereich (0 bis 200 ºC) geringer als 325ºC, vorzugsweise 200ºC bis 250ºC ist.
Durch den Nachweis der Beziehung zwischen dieser Temperatur am Wendepunkt und den unterschiedlichen Elementgehalten in Versuchen erhielten die Erfinder die Gleichung 3 unten.
Temperatur am Wendepunkt (ºC)
= 22, 5 · [Ni (%) + Co (%)] - 22 · Mn (%) - 600, 3
...(3)
Aus Gleichung 3 wurde die Entdeckung erhalten, daß es möglich ist, die Temperatur am Wendepunkt durch Zugabe von Mn weiter zum Bereich der geringen Temperatur zu verschieben.
Als Nächstes wurde als drittes Ergebnis sichergestellt, daß die Gießbarkeit und Verarbeitbarkeit durch Verminderung des Kohlenstoffgehalts in fester Lösung und des Carbidgehalts verbessert werden konnten, und die Fähigkeit zur Schwingungsaufnahme konnte noch weiter erhöht werden. Das heißt, anderer Kohlenstoff als der Kohlenstoff in fester Lösung liegt in Form von Graphit oder Carbiden vor. Je größer von diesen die Menge des auskristallisierenden Graphits ist, desto geringer ist die Anzahl der schrumpfenden Löcher während dem Gießen, wodurch die Schneidbearbeitbarkeit, das heißt die Verarbeitbarkeit verbessert wird; die Fähigkeit zur Schwingungsaufnahme ist ebenso erhöht. Wenn Carbide ausgefällt werden, weist dies auf der anderen Seite, ebenso mit einer nachteiligen Wirkung auf die Verarbeitbarkeit, die entgegengesetzte Wirkung auf, indem Mikrohöhlen erzeugt werden. Es ist daher nötig, den C-Gehalt in fester Lösung und die Menge der ausgefällten Carbide so gering wie möglich zu halten und die Menge an auskristallisierendem Graphit so hoch wie möglich zu halten.
Als viertes Ergebnis wurden die Beziehungen zwischen dem Kohlenstoffgehalt in fester Lösung und der mechanischen Festigkeit erhalten, wie durch die Gleichungen 4 bis 7 angezeigt wird.
Zugfestigkeit (kgf/mm²)
= 19,6 + 93 [C-Gehalt in fester Lösung] (%)
... (4)
Formänderungsfestigkeit (kgf/mm²)
= 4,8 + 135,5 [C-Gehalt in fester Lösung] (%)
... (5)
Elastizitätsmodul (kgf/mm²)
= 6982,5 + 19750 [C-Gehalt in fester Lösung] (%)
... (6)
Härte (HB)
= 128,6 + 133 [C-Gehalt in fester Lösung] (%)
... (7)
Um den thermischen Expansionskoeffizienten zu vermindern, ist es aus Gleichungen 1 und 2 wünschenswert, den C-Gehalt in fester Lösung zu verringern. Wie aus den obigen Gleichungen 4 bis 7 gesehen werden kann, ist es jedoch nötig, den C-Gehalt in fester Lösung zu erhöhen, um die mechanische Festigkeit zu erhöhen. Es wird daher ein optimaler Bereich bestimmt, um gleichzeitig den Eigenschaften der geringen thermischen Expansion und den Eigenschaften der guten mechanischen Festigkeit zu genügen.
Schließlich wurde als fünftes Ergebnis die Beziehung zwischen dem Kohlenstoffgehalt in fester Lösung und dem Gesamtkohlenstoffgehalt nachgewiesen, wie in Fig. 3 gezeigt wird. Wie aus dieser Figur gesehen werden kann, fällt der Kohlenstoffgehalt in fester Lösung mit der Erhöhung des Gesamtkohlenstoffgehalts. Es wird angenommen, daß der Grund dafür ist, daß sich die Menge an auskristallisierendem Graphit im anfänglichen Abschnitt des Festwerdens erhöht, wenn der Gesamt-C-Gehalt hoch ist, wobei es die Rolle spielt, dem C in fester Lösung in der Nachbarschaft Stellen zur Bildung von stabilem Graphit zu liefern. Wenn die Menge an C in fester Lösung zur Zeit abnimmt, wenn das Festwerden beendet ist, nimmt in der Folge gleichzeitig die Menge an C ab, die zu Carbid wird. Die Beziehung zwischen dem C-Gehalt in fester Lösung und dem Gesamt-C-Gehalt in Fig. 3 wird in Gleichung 8 gezeigt.
[C-Gehalt in fester Lösung] (%)
= 0,65 - 0,20 [Gesamt-C-Gehalt] (%)...(8)
Die Gleichungen für die Beziehung zwischen dem Gesamtkohlenstoffgehalt (Gesamt-C-Gehalt) und den unterschiedlichen Eigenschaften werden durch Einsetzen dieser Beziehung aus Gleichung 8 in die Gleichungen 1 bis 7 abgeleitet.
Die Zusammensetzung des Gußeisens mit geringer thermischer Expansion entsprechend dieser Erfindung wurde in Übereinstimmung mit dem Wissen bestimmt, das aus den obigen Versuchsergebnissen erhalten wurde. Eine genauere Beschreibung betreffend der Gehaltsbereiche der unterschiedlichen Elemente wird jetzt gegeben werden.
Zuerst wird der Kohlenstoffgehalt von 1 bis 3,5 Gewichts%, vorzugsweise 1,5 bis 3 Gewichts% und noch bevorzugter von 2, 2 bis 2, 3 Gewichts% festgelegt. Der Kohlenstoff im Gußeisen kann im Eisen als Kohlenstoff, der als Graphit auskristallisierte, und als Kohlenstoff in fester Lösung verteilt sein. Um die Gießbarkeit, Verarbeitbarkeit und die niedrige thermische Expansion zu steigern, was das Ziel dieser Erfindung ausmacht, ist es der wichtige Punkt, die Menge an Kohlenstoff so weit wie möglich zu erhöhen, das als Graphit auskristallisiert ist, und die Menge an Kohlenstoff in fester Lösung so weit wie möglich zu verringern.
Hinsichtlich der Beziehung zwischen dem Gesamtkohlenstoffgehalt und dem Kohlenstoffgehalt in fester Lösung im Gußeisen wäre das Erhöhen des Gesamtkohlenstoffgehalts in Übereinstimmung mit dem Ziel der Erfindung, wie aus Fig. 3 und der Gleichung 8 gesehen werden kann. Der Kohlenstoffgehalt in fester Lösung und die Menge an Kohlenstoff, die als Graphit auskristallisiert, weisen jedoch einen großen Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften des Gußeisenmaterials auf. Insbesondere kann die Beziehung zwischen dem Elastizitätsmodul und dem Gesamtkohlenstoffgehalt erhalten werden, indem als Gleichung 9 unten die Gleichung 8 in die Gleichung 6 eingesetzt wird.
Elastizitätsmodul (kgf/mm²)
= 19820 - 3950 [Gesamtkohlenstoffgehalt] (%)...(9)
Das heißt, es kann gesehen werden, daß das Elastizitätsmodul abnimmt, wenn der Gesamtkohlenstoffgehalt erhöht wird.
Das Produkt, auf das das Material dieser Erfindung angewendet werden soll, ist eine Metallform für CFRP. Wenn das Material dieser Erfindung zu diesem Zweck verwendet wird, wird ein Elastizitätsmodul von zumindest 9000 kgf/mm² benötigt. In der Folge kann aus Gleichung 9 der erforderliche Gesamtkohlenstoffgehalt nicht mehr als 2,8% betragen. Wenn die Möglichkeit einer Anwendung des Materials dieser Erfindung auf Strukturteile betrachtet wird, für die nur ein Elastizitätsmodul im Bereich von jenem einer Aluminiumlegierung erforderlich ist, kann die obere Grenze des Gesamtkohlenstoffgehalts bis 3,5% ausgedehnt werden.
Ebenso kann die Beziehung zwischen dem thermischen Expansionskoeffizienten und den unterschiedlichen Legierungselementen als Gleichung 10 unten aus Gleichung 1 und Gleichung 8 abgeleitet werden.
Aus Gleichung 10 ist klar, daß der thermische Expansionskoeffizient des Materials um so geringer ist, je höher der Gesamtkohlenstoffgehalt ist. Es ist daher wünschenswert, daß der Gesamtkohlenstoffgehalt auf einen Wert festgelegt wird, der so hoch wie möglich ist. Wenn der Gesamtkohlenstoffgehalt jedoch 3,5% überschreitet, wird der Kohlenstoff in fester Lösung herabgesetzt, was einen Rückgang der mechanischen Festigkeit und eine abgesenkte Gießbarkeit verursacht.
Auf der anderen Seite kann die untere Grenze des Gesamtkohlenstoffgehalts aus der Beziehung zwischen der Neigung des Graphits zum Auskristallisieren und dem thermischen Expansionskoeffizienten bestimmt werden. Insbesondere ist die untere Grenze des Gesamtkohlenstoffgehalts etwa 1%, um eine zuverlässige Graphitzusammensetzung zu erhalten. Unter 1% werden während dem Festwerden nicht genügend Graphitkerne erhalten, wodurch sich die Bildung von Carbiden ergibt, was die Verarbeitbarkeit stark beeinträchtigt. Aus diesem Grund beträgt der Gesamtkohlenstoffgehalt 1% bis 3,5%, vorzugsweise 2,0% bis 3,0%.
Als nächstes wird der Siliziumgehalt auf unter 0,9% festgelegt. In der in Gleichung 10 gezeigten Beziehung ist der Koeffizient des Siliziumgehalts am größten, wodurch gezeigt wird, daß die Wirkung des Siliziumgehalts auf den thermischen Expansionskoeffizienten groß ist. In der Folge ist der erhaltene thermische Expansionskoeffizient um so geringer, je geringer der Siliziumgehalt ist.
Silizium ist ein Element, das zur Unterstützung der Auskristallisation von Graphit nötig ist. Anders als normales Gußeisen enthält jedoch das Gußeisen mit geringer thermischer Expansion dieser Erfindung etwa 30% Nickel, das ein Element zur Unterstützung der Graphitisierung darstellt. Es wurde daher nachgewiesen, daß der minimale Siliziumgehalt, der zur Erzeugung einer Beimpfungswirkung nötig ist, durch Zugabe von zum Beispiel 0,3% Silizium oder mehr geliefert werden kann. Es wurde ebenso nachgewiesen, daß eine befriedigende Graphitzusammensetzung erhalten werden kann, wenn Graphitteilchen als Impfmittel verwendet werden, sogar wenn der Siliziumgehalt nur eine Spur ist. An einer normalen Gußstelle wird jedoch Eisen-Silizium als Impfmittel verwendet, und in diesem Fall ist eine maximal zugegebene Menge von etwa 0,5% befriedigend.
Als nächstes wird der Mangangehalt auf unter 1,0% festgelegt. Durch die Zugabe von Mangan wird der Wendepunkt B, der in Fig. 2 gezeigt wird, zur Seite der niedrigen Temperatur verschoben, was im praktisch verwendeten Temperaturbereich von normalen Temperaturen bis 200ºC ein Absenken des thermischen Expansionskoeffizienten bewirkt. Wie im Fall von Silizium besteht jedoch die entgegengesetzte Wirkung, daß der thermische Expansionskoeffizient steigt, wenn der Mangangehalt 1% überschreitet. Die zugegebene Menge an Mangan wird daher auf unter 1,0% und vorzugsweise auf weniger als 0,5% festgelegt.
Als nächstes wird der Ni-Gehalt auf 29% bis 34% festgelegt. Der Grund, ihn auf diesen Bereich festzulegen, ist, daß der thermische Expansionskoeffizient in beiden Fällen erhöht wird, wenn der Ni-Gehalt geringer als 29% oder mehr als 34% ist.
Ebenso wird der Co-Gehalt im Bereich von mehr als 4% bis zu 8% festgelegt. Wenn der Co-Gehalt geringer als 4% ist, steigt der thermische Expansionskoeffizient, aber wenn er 8 % überschreitet, wird der Wendepunkt, der in Fig. 2 gezeigt wird, zur Seite der hohen Temperatur verschoben mit dem Ergebnis, daß der thermische Expansionskoeffizient im praktisch verwendeten Temperaturbereich von normalen Temperaturen bis 200ºC steigt.
Es kann angemerkt werden, daß die geeigneten Bereiche für den Ni-Gehalt und den Co-Gehalt von den Kohlenstoff-, Silizium- und Mangangehalten beeinflußt werden. Aus den Versuchsergebnissen ist der Ni-Gehalt, für den der thermische Expansionskoeffizient minimal ist, durch die Gleichung 11 unten gegeben.
Wenn aus den oben beschriebenen Gründen der Gesamtkohlenstoffgehalt 1,5%, der Siliziumgehalt 0% und den Mangangehalt 0% beträgt, ist der Ni-Gehalt (%) bei minimaler thermischer Expansion durch die Gleichung 12 unten gegeben.
Ni-Gehalt (%) bei minimaler thermischer Expansion
= 33 - 0,29 · [Co-Gehalt] (%)...(12)
Auf der anderen Seite beeinflußt der Gesamtgehalt von Ni und Co die Temperatur (Temperatur am Wendepunkt θ), die dem Wendepunkt B in der Kurve des thermischen Expansionskoeffizienten in Fig. 2 entspricht. Es beeinflußt ebenso den Wert des thermischen Expansionskoeffizienten an diesem Wendepunkt B. Im Bereich unter der Temperatur am Wendepunkt θ ist die Temperaturschwankung des Koeffizienten der thermischen Expansion gering, aber im Bereich über der Temperatur am Wendepunkt θ steigt sie schnell.
Die Gleichung 13 unten wurde durch Nachweis der Beziehung zwischen der Temperatur am Wendepunkt θ und dem Gesamtgehalt an Ni und Co in Versuchen erhalten.
Temperatur am Wendepunkt θ (ºC)
= 22,5 · [Ni-Gehalt (%) + Co-Gehalt (%)] - 600,7
...(13)
Unter der Annahme einer Metallform für CFRP, die im praktischen Temperaturbereich von normalen Temperaturen bis etwa 200ºC als die Verwendung verwendet werden soll, bei der dieses Gußeisen der Erfindung angewendet werden soll, ist der geeignete Bereich für den Gesamtgehalt an Ni und Co durch die Gleichung 14 unten gegeben, wenn der Temperaturwendepunkt θ auf 200ºC bis 250ºC festgelegt wird.
Ni-Gehalt (%) + Co-Gehalt (%)
= 36 bis 38 (%)...(14)
Aus den Beziehungen von Gleichung 14 und Gleichung 12 wird der optimale Ni-Gehalt als 29% bis 33% und der optimale Co-Gehalt als von mehr als 4% bis zu 7% berechnet. Diese Gehalte werden daher in diesem Zusammensetzungsbereich festgelegt.
Magnesium ist ein Element, das für das Auskristallisieren von Graphit in Kugelform nötig ist. Sein Gehalt wird als bis zu 0,1 Gewichts% festgelegt. Wenn der Magnesiumgehalt 0,1% überschreitet, ist dies aufgrund der Bildung von Carbiden unerwünscht. Es ist daher wünschenswert, daß der Magnesiumgehalt 0,04% bis 0,1% beträgt.

Bestimmte, bevorzugte Ausführungen

Eine Beschreibung mit Hinweis auf bestimmte, bevorzugte Ausführungen dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren und Tabellen wird jetzt gegeben.

Ausführung 1

Eine Metallform zum Formen von CFRP wurde gegossen, wie in den Fig. 4a und b gezeigt wird. Die Metallform war 70 cm hoch, 65 cm breit, 6 cm dick und wog 130 kg. Zum Schmelzen wurde ein elektrischer Hochfrequenzofen mit 300 kg Fassungsvermögen verwendet, um das Material zu schmelzen, das in Tabelle 2 unten gezeigt wird. Tabelle 2
Wie in Tabelle 3 unten angegeben wird, war die Zusammensetzung ein austenitisches Gußeisen, das 2,0% Kohlenstoff, 0,15% Silizium, 0,03% Mangan, 30% Nickel, 6% Kobalt und 0,05% Magnesium und einen Rest an Verunreinigungen enthielt. Proben wurden mit einer Sandgußform für einen Stapelklotz von einem Inch genommen. Die Ergebnisse der Messung der unterschiedlichen Eigenschaften werden in Tabelle 4 gezeigt. In Tabelle 4 wurden ein thermischer Expansionskoeffizient von 1,5 · 10&supmin;&sup6;/ºC, eine Zugfestigkeit von 40 kgf/mm², eine Dehnung von 22% und ein Elastizitätsmodul von 12000 kgf/mm² erhalten.
Die so erhaltene Metallform wurde in einem Verfahren zur Preßformung eines vorgeformten CFRP-Körpers unter Erhitzen auf 200ºC verwendet. Da der thermische Expansionskoeffizient von CFRP 1,0 bis 1,5 · 10&supmin;&sup6;/ºC ist, war es möglich, die Genauigkeit der Dimensionen des CFRP-Produktes durch Verwendung der Form dieser Ausführung stark zu verbessern, die einen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, der nahe dem von CFRP ist.
Wie oben mit dem Gußeisen der Zusammensetzung dieser Erfindung beschrieben wurde, kann ein niedriger Expansionskoeffizient erhalten werden, der nahe jenem der Invar-Legierung ist, während die Gießbarkeit, die Verarbeitbarkeit und die mechanischen Eigenschaften in der gleichen Ordnung wie jener von normalem Gußeisen bewahrt werden.

Ausführung 2

Wie in Tabelle 3 gezeigt wird, wurden der Gesamt-C-Gehalt auf 2,8% und der Si-Gehalt auf 0,4% gesetzt. Ein Gußeisen dieser Zusammensetzung wird verwendet, wenn eine verbesserte Fähigkeit zur Schwingungsaufnahme gesucht wird. Insbesondere wird eine spezifische Dämpfungsleistung von 17 % erhalten, das heißt eine Fähigkeit zur 4 bis 5fachen Schwingungsaufnahme von jener von normalem Gußeisen, indem der Gesamt-C-Gehalt auf 2,8% angehoben wird. Ebenso ist die Härte etwa HB 125 bis 135, das heißt, das Material zeigt eine Weichheit der gleichen Ordnung wie jene einer Aluminiumlegierung. In Kombination mit der Schmierwirkung aufgrund von Graphit ist dieses als ein Kupplungsglied zum Kuppeln und Greifen verwendbar, ohne das gegenüberliegende Glied zu zerkratzen. Es kann so als ein Material für Halbleiter und elektronische Fertigungsvorrichtungen verwendet werden, die hohe Präzision erfordern.
Wie oben beschrieben wurde, wird ein Material mit der Fähigkeit zur etwa 4 bis 5fachen Schwingungsaufnahme von jener von normalem Gußeisen (FC 30 Material) und mit einer Weichheit der Ordnung wie jener einer Aluminiumlegierung erhalten.

Ausführung 3

Wie in Tabelle 3 gezeigt wird, wurde der Kohlenstoffgehalt des Gußeisens auf den niedrigen Wert von 1,20% festgelegt. Die anderen Bestandteile waren praktisch die Gleichen wie in der obigen Ausführung. In diesem Fall gab es eine Spur einer Graphitkristallisation. Wie in Fig. 4 gezeigt wird, lag die Bearbeitbarkeit innerhalb eines annehmbaren Bereichs.

Ausführung 4

Wie in Tabelle 3 gezeigt wird, wurde der Siliziumgehalt auf den hohen Wert von 0,9% festgelegt. Die Mengen der anderen Bestandteile waren praktisch die Gleichen wie in den obigen Ausführungen. In diesem Fall war der thermische Expansionskoeffizient etwas höher, wie in Tabelle 4 gezeigt wird, aber noch innerhalb des erlaubten Bereichs.

Ausführung 5

Wie in Tabelle 3 gezeigt wird, wurde der Mangangehalt auf 0,9% festgelegt. Die Werte der anderen Bestandteile waren praktisch die Gleichen wie in den obigen Ausführungen. In diesem Fall war der thermische Expansionskoeffizient eher hoch, wie in Tabelle 4 gezeigt wird, aber noch innerhalb des erlaubten Bereichs.

Ausführung 6

Wie in Tabelle 3 gezeigt wird, wurde der Mangangehalt auf 0,7% festgelegt. Die Werte der Gehalte der anderen Bestandteile waren praktisch die Gleichen wie in den obigen Ausführungen. In diesem Fall lag der thermische Expansionskoeffizient ebenso innerhalb des erlaubten Bereichs. Es sollte angemerkt werden, daß Gußeisen mit ausgezeichneten Eigenschaften ähnlich dem obigen erhalten wurde, wenn die Erfindung mit unterschiedlichen Gehalten der Legierungselemente in die Praxis umgesetzt wurde, die sich von jenen der obigen Elemente unterschieden, aber innerhalb des Rahmens der Erfindung lagen.

Vergleichsbeispiel 1

Wie in Fig. 3 gezeigt wird, wurde der Kohlenstoffgehalt auf den äußerst niedrigen Wert von 0,71% festgelegt. Die Werte der Gehalte der anderen Bestandteile waren praktisch die Gleichen wie in den obigen Ausführungen. In diesem Fall waren die Bearbeitbarkeit, die Gießbarkeit und die Fähigkeit zur Schwingungsaufnahme schlecht, wie in Tabelle 4 gezeigt wird.

Vergleichsbeispiel 2

Wie in Tabelle 3 gezeigt wird, wurde der Kohlenstoffgehalt auf den hohen Wert von 3,6% festgelegt. Die anderen Bestandteile waren praktisch die Gleichen wie in den obigen Ausführungen. In diesem Fall waren die Dehnung und die Festigkeit abgesenkt und eine große Anzahl an Gußfehlern wurden erzeugt, wie in Tabelle 4 gezeigt wird.

Vergleichsbeispiel 3

Wie in Tabelle 3 gezeigt wird, wurde der Siliziumgehalt auf den hohen Wert von 1, 2% festgelegt. Die anderen Bestandteile waren praktisch die Gleichen wie in den obigen Ausführungen. In diesem Fall war der thermische Expansionskoeffizient zu hoch, wie in Tabelle 4 gezeigt wird.

Vergleichsbeispiel 4

Wie in Tabelle 3 gezeigt wird, wurde der Nickelgehalt auf den niedrigen Wert von 28,0% festgelegt. Die anderen Bestandteile waren praktisch die Gleichen wie in den obigen Ausführungen. In diesem Fall war der thermische Expansionskoeffizient hoch, wie in Tabelle 4 gezeigt wird.

Vergleichsbeispiel 5

Wie in Tabelle 3 gezeigt wird, wurde der Nickelgehalt auf den hohen Wert von 37,0% festgelegt. Die anderen Bestandteile waren praktisch die Gleichen wie in den obigen Ausführungen. In diesem Fall war der thermische Expansionskoeffizient hoch, wie in Tabelle 4 gezeigt wird.

Vergleichsbeispiel 6

Wie in Tabelle 3 gezeigt wird, wurde der Kobaltgehalt auf den niedrigen Wert von 3,5% festgelegt. Die Gehalte der anderen Bestandteile waren praktisch die Gleichen wie in den obigen Ausführungen. In diesem Fall war der thermische Expansionskoeffizient hoch, wie in Tabelle 4 gezeigt wird.

Vergleichsbeispiel 7

Wie in Tabelle 3 gezeigt wird, wurde der Kobaltgehalt auf den hohen Wert von 8,2% festgelegt. Die anderen Bestandteile waren annähernd wie in den obigen Ausführungen. In diesem Fall war der thermische Expansionskoeffizient hoch, wie in Tabelle 4 gezeigt wird.

Vergleichsbeispiel 8

Wie in Fig. 3 gezeigt wird, wurde der Gesamtgehalt an Nickel und Kobalt auf den hohen Wert von 42,5% festgelegt.
Die anderen Bestandteile waren praktisch wie in den obigen Ausführungen. In diesem Fall war der thermische Expansionskoeffizient hoch, wie in Tabelle 4 gezeigt wird. Tabelle 3 Tabelle 4
Wie oben mit dem Gußeisen mit den Bestandteilen entsprechend dieser Erfindung beschrieben wurde, kann eine niedrige thermische Expansionseigenschaft von 1,5 bis 3,0 · 10&supmin;&sup6;/ºC erhalten werden, während eine Gießbarkeit und eine Verarbeitbarkeit in der gleichen Ordnung wie jener von normalem Gußeisen erhalten werden können. Ebenso kann die Fähigkeit zur Schwingungsaufnahme auf das 4 bis 5fache von jenem von normalem Gußeisen erhöht werden, wenn erfordert, und es kann eine Weichheit der gleichen Ordnung wie jener einer Aluminiumlegierung erhalten werden.

Claims

1. Gußeisen mit einer Graphitstruktur in einer austenitischen Eisenmatrix, das in Gewichtsprozent

1 bis 3, 5% Kohlenstoff,

0 bis 0,9% Silizium,

29 bis 34% Nickel,

mehr als 4% bis zu 8,0% Kobalt und wahlweise ferner 0,04 bis 0,1% Magnesium und/oder bis zu 1,0% Mangan enthält, und wobei der Rest neben irgendwelchen anwesenden Verunreinigungen Eisen ist.

2. Gußeisen nach Anspruch 1, das 0,15 bis 0,9% Silizium enthält.

3. Gußeisen nach Anspruch 1 oder 2, das 5, 5 bis 8,0% Kobalt enthält.

4. Gußeisen nach einem vorhergehenden Anspruch, das Mangan in einer Menge von 0,04 bis 0,5 Gewichts-% enthält.

5. Gußeisen nach einem vorhergehenden Anspruch, das Magnesium in einer Menge von 0,04 bis 0,052% enthält.

6. Gußeisen nach einem vorhergehenden Anspruch, das 2,0 bis 3,0% Kohlenstoff, vorzugsweise 2,0 bis 2, 33% Kohlenstoff enthält.

7. Gußeisen nach einem vorhergehenden Anspruch, das 0,15 bis 0,56% Silizium enthält.

8. Gußeisen nach einem vorhergehenden Anspruch, das 5, 5 bis 7,0% Kobalt enthält.

9. Formelement, das sich für die Formung von mit Kohlenstofffaser verstärktem Kunststoff eignet, mit einem im allgemeinen scheibenförmigem Formelement, das aus einem Gußeisen hergestellt wurde, wie es in einem vorhergehenden Anspruch beansprucht wurde.

10. Verwendung eines Formelements nach Anspruch 9 beim Formen eines mit Kohlenstofffaser verstärkten Kunststoff-Antennenreflektors.