Verfahren zur Herstellung eines zähen, abnützungsbeständigen Weissgusses und nach diesem Verfahren hergestellter Weissguss Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dieses Weissgusses, der eine spezielle Car bidstruktur aufweist, wodurch eine grössere Zähigkeit und eine bessere Verschleissfestigkeit erzielt wird.
Der Weissguss ist ein Gusseisen, bei dem ein Überschuss an Kohlenstoff als Eisencarbid aufscheint, und der eine weisse Bruchfläche zeigt, wenn das Guss- stück gebrochen wird. Es ist bekannt, dass Carbide sowohl hart als auch brüchig sind und der Fachmann weiss, dass die Menge und die Art der freien Carbide in den Gussstücken, deren genaues Verhalten in der Ver wendung bestimmt.
Während sowohl die Menge der freien Carbide als auch deren Härte durch die Veränderung der Zusam mensetzung des Gusseisens angepasst werden kann, ins besondere durch die Veränderung des Kohlenstoffgehal tes, bzw. durch die Verwendung von carbidbildenden Elementen, z. B. Chrom, Vanadium, Wismut, Magne sium, Tellur, Schwefel, Mangan usw., ist es dennoch längst bekannt, dass diese Art der Einstellung nicht voll ständig die genauen Eigenschaften und das Verhalten des Endproduktes bestimmt.
Ziel der Erfindung war es ein verbessertes Verfahren zur Carbidbildung und Einstellung im Weissguss zu entwickeln, das die Herstellung eines Weissgusses mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, speziell be züglich der Zähigkeit ermöglicht.
Ferner soll ein Weissguss hergestellt werden, der einen höheren Gehalt an freien Carbiden aufweist, welche eher lamellige Struktur als die des eutektischen Types aufweisen.
Durch Kontrollmittel soll Herstellung eines Weiss gusses ermöglicht werden, der in allen Bereichen des Gusses eine gleichmässige Qualität aufweist.
In einem Weissguss können zwei Grundarten von Carbiden auftreten, nämlich der in Fig. 1 gezeigte eutektische oder ledeburitische Typ oder der in Fig. 2 gezeigte unterkühlte oder lamellige Typ. Der in Fig. 1 gezeigte eutektische Typ ist bei weitem der üblichste und er stellt die wesentliche Komponente jedes Weissgusses dar.
Wenn diese Carbide in beachtlicher Grösse und nahe beisammen liegend auftreten, stellen sie Zonen dar, in denen es leicht zu Brüchen kommt und die zur Brüchigkeit des Weissgusses führen, in welchem sie vorkommen.
Andererseits führen die unterkühlten oder lamelligen Carbide, wenn sie weniger massiv sind und eine grössere Fläche des Grundgefüges zwischen den Carbidpartikeln zeigen, zu einer zäheren Art von Weissguss.
Diese erhöhte Zähigkeit bewirkt im allgemeinen bessere Ab- nützungseigenschaften, denn es ist bekannt, dass die Abnützungsfestigkeit eine Funktion sowohl der Härte als auch der Zähigkeit darstellt, und bei bestimmten Arten der Abnützung, wie z. B. Abnützung durch stossende Schläge, ist die Zähigkeit des Metalles bei weitem der wichtigere Faktor.
Wenn man einen Weissguss sehr weiss macht, oder, mit anderen Worten, er eine derartige Beständigkeit der Carbide aufweist, dass sogar in schwereren oder langsa mer abkühlenden Teilen des Gusses Carbide entstehen, dann besteht die Neigung zur Bildung von massiveren Carbiden, womit zwingend eine Abnahme der Zähigkeit vor sich geht.
Eine der Methoden zur Kontrolle, welche von den Fachleuten bevorzugt wird, besteht darin, dass man ein Gusseisen herstellt, welches keine zu grosse Carbidstabilität im Verhältnis zum Querschnitt des Gusses aufweist.
Das wird durch die Anpassung der Zusammensetzung, oder durch die Zufügung eines gra- phitbildenden Mittels bewirkt, sodass das Eisen bei einem bestimmten Querschnitt des Gussstückes zu Weissguss erstarrt, aber wenn es in eine Gussform mit grösserem Querschnitt gegossen wird, wird es nicht vollständig zu Weissguss erstarren.
Die Carbidstabilität d. h. der Carbidwert oder der Har tgusswert bzw. Abkühlwert eines Eisens sagt aus, ob ein Eisen, wenn es gegossen wird, bei einem gegebenen Querschnitt entweder ein Weissguss oder ein Grauguss wird. Jeder beliebige Test, bei dem der Hartgusswert oder Abkühlwert eines Eisens bestimmt werden kann kann zur Bestimmung des Carbidwertes dienen, wobei es nur nötig ist, diesen Test entsprechend zu eichen. Man kann hiezu Bruchtests, wie z.
B. den Keiltest anwenden und eine visuelle Beobachtung des Bruches im Zusam menhang mit den herzustellenden Gussstücken durch führen.
Ein zweckmässiger Test zur Bestimmung des Carbid- wertes ist der Keiltest.
Wenn der Keiltest zur Bestimmung des Carbidwer- tes, d. h. zur Bestimmung des Ausmasses an Weissguss herangezogen wird, dann verwendet man eine keilförmi- ge Gussform, die von der Schneide des Keils ausgehend bis zum Keilrücken verschiedene Querschnitte aufweist. Jeder Querschnitt dieses Keiles veranschaulicht also einen bestimmten Querschnitt des Gussstückes und durch eine Beobachtung des Bruches des gegossenen Keiles kann festgestellt werden, ob bei einer bestimmten Keilbreite das Eisen gerade ein Weissguss ist, oder mehr als ein Weissguss ist.
Wenn dieser Keil einen konstanten Öffnungswinkel aufweist, dann kann man das Ausmass der Weissheit mit Hilfe des Keiltestes ausdrücken. Ein Carbidwert, der dem 1 1/4-fachen eines Weissgusses ent spricht bedeutet, dass der gegebene Querschnitt tatsäch lich ein Weissguss ist und dass bei einem Querschnitt, der um das 1 1/2-fache breiter wäre, der Guss ebenfalls noch ein Weissguss wäre.
In gleicher Weise sagt die Bezeichnung, dass ein Guss ein Carbidwert von 3/4 des Weissgusses aufweist, dass ein Gussquerschnitt dieses Gusses, wenn er nur 3/4 des Querschnittes des tatsächlichen Gusses aufweisen würde ein Weissguss wäre. Der gemessene Querschnitt ist natürlich dann in diesem Fall selbst kein Weissguss mehr.
Beim Keiltest stellt also die Breite des Keiles an der Trennungslinie zwischen Weissbruch und Graubruch ein Mass für den Durchmesser dar, bei dem der Guss gerade ein Weissguss wäre. Auf diese Weise zeigt ein Keil, der entlang der Trennungslinie 12,7 mm misst, ein Metall an, welches, wenn es gerade in eine Gussform von 12,7 Durchmesser gegossen wird, einen Weissguss ergibt. Wenn der Wert des Keiltests tiefer liegt, dann ist zu er warten, dass in einer Gussform von 12,7 mm Quer schnitt etwas freier Graphit vorliegen wird.
Wenn ande rerseits der Keilwert grösser ist, dann werden in einer Gussform von 12,7 Durchmesser die Carbide massiver sein und eine wenig erstrebenswerte Struktur aufwei sen.
Es ist bekannt, ein Eisen zu schmelzen, welches einen Keilwert aufweist, der um etwas grösser ist, als der zu giessende Querschnitt, und dann diesen Keilwert durch Zugabe geeigneter Graphitbildner dem erwünsch- ten Wert anzunähern. Auf diese Art kann Weissguss hergestellt werden, indem man endgültige Keilwerte des 1- bis 1 1/4-fachen des Weissgussbereiches, bezogen auf den Gussdurchmesser, anwendet. So wird z. B. bei einem Durchmesser von 25,4 mm der Keilwert 25,4-31,8 mm betragen.
Die Bedingungen für die Herstellung grösserer Men gen von lamellierten Carbiden in Weissguss sind nicht vollständig bekannt, aber man nimmt an, dass solche la- mellierte Carbide aufgrund von Unterkühlungen im Metall entstehen. Es folgt daraus, dass konventionelle Kontrollmethoden, so z. B. die Verwendung von Gra- phitbildnern, welche die Unterkühlung verhindern, eben so die Bildung der erstrebenswerteren lamellierten Car= bidtypen in der Struktur verhindern.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine neue Kontrollmethode und auf einen Gusszusatz, durch welchen eine wesentli che Vergrösserung des Anteils von unterkühltem oder lamelliertem Carbid in der Struktur des erhaltenen Weissgusses erreicht wird.
Es hat sich nun herausgestellt, dass unter geeigneten Bedingungen ein später Gusszusatz von carbidstabilisie- renden oder carbidmetastabilisierenden Mitteln einen ho hen Grad von unterkühlten oder lamellierten Carbiden in der Struktur hervorruft. Unter spätem Zusatz versteht man einen Zusatz nach dem Schmelzen aber vor dem Giessen. Vorzugsweise ist dieser Zusatz der letzte, der vor dem Giessen gemacht wird.
Ferner wurde gefunden, dass die richtige Bedingung für einen geeigneten späten Zusatz eine anfängliche Instabilität der Carbide in der Schmelze ist. Es wurde ferner gefunden, dass man eine Schmelze herstellen kann, welche eine geringe Menge Graphit in der Struktur enthält, z.
B. einen Carbidwert aufweist, der unter dem einfachen Wert des Weissgusses liegt, und einen späten Zusatz an Carbidbildner so auswählen kann, dass der Graphit aus der Struktur entfernt wird und somit der Carbidwert grösser wird als das einfache des Weissguss- wertes, wobei dann in diesem Fall ein grosser Anteil von erwünschten lamellierten Carbiden in der Struktur ent steht.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines zähen abnützungsbeständigen Weiss gusses, der einen grösseren Anteil an lamellenartigen Carbiden und einen geringeren Anteil an Carbiden des eutektischen Typs aufweist, das sich dadurch auszeich net, dass man von einer anfänglichen Schmelze ausgeht,
die einen ersten Carbidwert von weniger als dem einfachen des Weissgusses und freien Graphit von nicht über 25 % in der Struktur aufweist, und zu dieser Schmelze eine ausreichende Menge an carbidbildenden Elementen zugibt, sodass sich ein zweiter Carbidwert im Bereich des 1 bis 1 1/4-fachen eines Weissgusses ausbil det,
der im wesentlichen keinen freien Graphit in der Struktur aufweist, und dass man sodann die Schmelze giesst.
Ferner betrifft die Erfindung einen nach dem erfin dungsgemässen Verfahren hergestellten zähen abnüt zungsbeständigen Weissguss.
Der erste Schritt des erfindungsgemässen Verfahrens umfasst die Herstellung einer Schmelze, welche, wenn sie in einen gegebenen Querschnitt gegossen wird, einen geringen Anteil, nämlich bis zu 25 %, vorzugsweise bis zu 20 0/0, an freiem Graphit in der Struktur aufweisen würde. Dies ergibt den bekannten gemaserten Bruch, welcher, im Mass des Keilbruchtests bzw.
des Carbid- wertes einen Wert von 3/4 bis 1 des Weissgusses ergeben würde. Bei einem Gussquerschnitt von 25,4 mm ent spricht dies einem Keilwert von 19 bis 25,4 mm. Diese Schmelze kann in verschiedener Zusammensetzung her gestellt werden, und die Mengen an Kohlenstoff, Sili- cium, Mangan und anderen allgemein üblichen Elemen ten, wie sie in Weissguss oder Halbweissguss auftreten, umfassen.
Der zweite erfindungsgemässe Schritt umfasst den späten Zusatz von carbidstabilisierenden Mitteln zum geschmolzenen Metall, oder metastabilisierenden Ele menten, z. B. Wismut, Chrom, Mangan, Molybdän, Wolfram, Vanadin, Uran, Niob, Tellur, Bor, Tantal oder von knotenbildenden Metastabilisatoren, wie z.
B. Li- thium, Kalzium, Magnesium, Schwefel, Cer, Lanthan, Neodym, Praseodym und Yttrium in solchem Masse, dass der Keilwert des Metalles -so ansteigt, dass kein freier Graphit in der Struktur auftritt. In Carbidwerten (Bruch- oder Keilwerten) ausgedrückt, würde dies dem 1-11/= fachen des Weissgusses entsprechen, beziehungs weise einem Keilwert von 25,4 bis 31,8 mm für einen Gussquerschnitt von 25,4 mm gleichkommen.
Es konnte ferner festgestellt werden, dass es nicht wesentlich ist, welches carbidstabilisierende Mittel ver wendet wird, da alle Carbidstabilisatoren lamellierte Carbide hervorrufen. Jedoch hat sich gezeigt, dass die metastabilisierenden Mittel, wie z. B. Wismut, Cer oder Magnesium im allgemeinen besonders wirksam sind und es scheint, dass sie grössere Anteile von unterkühlten oder lamellierten Carbiden im entstehenden Metall her vorrufen.
Diese Mittel sollten in ausreichendem Masse zugege ben werden, um alle Neutralisationseffekte zu überwie gen und ein erhöhtes Ausmass an Weissguss in der Schmelze zu bewirken. So müssen beispielsweise schwe felbindende Elemente wie Lithium, Cer oder Magnesium in ausreichender Menge zugegeben werden, sodass zuerst der Schwefel gebunden und dann eine Erhöhung der Carbidstabilität gewährleistet wird. In gleicher Weise müssen Elemente wie Schwefel in ausreichendem Masse zugegeben werden, sodass zuerst die Neutralisation von Mangan bewirkt wird, bevor erwartet werden kann, dass eine Weissguss fördernde Wirkung eintritt.
Bei der Betrachtung der carbidstabilisierenden Ele mente erscheinen Chrom und Molybdän als die wirk samsten zur Erreichung eines hohen Gehaltes an lamel lierten Carbiden.
Die zugesetzte Menge richtet sich nach den ange- wandten Bedingungen und während ein geringer Zusatz oft kleine Mengen von lamellierten Carbiden erzeugt, wird ein grösserer Zusatz normalerweise mehr von diesen Carbiden hervorrufen, vorausgesetzt, dass der endgültige Keilwert des Metalls nicht wesentlich grösser ist, als der durch den Querschnitt erforderliche.
Für Chrom wurden beispielsweise Zusätze von 0,25-1,5 0/0 angewandt, je nach dem Keilwert vor der Behandlung und ebenso in Abhängigkeit zum Keilwert nach der Behandlung.
Es :erscheint vorteilhaft den Grad der Weissgussbil- dung durch späten Zusatz von carbidstabilisierenden oder metastabilisierenden Elementen zur Schmelze zu begrenzen. So wird ein besonders starker später Zusatz die Neigung zur Bildung von stabileren Carbiden eutek- tischen Types erhöhen, während ein geringerer Zusatz eine ausreichende Unterkühlung zur Herstellung eines grösseren Anteiles von lamellierten Carbiden ermöglicht.
Aus diesem Grund geht man bei einer bevorzugten Ausführungsart dieser Erfindung von einem gemaserten Eisen aus, welches man dann durch Gusszusatz von carbidbildenden Materialien gerade zu Weissguss um formt.
Die Erfindung wird anhand eines Beispieles genauer erläutert. <I>Beispiel</I> Es wurde eine Schmelze folgender Zusammenset zung hergestellt:
EMI0003.0067
Gesamtkohlenstoffgehalt <SEP> <B>3,201/0</B>
<tb> Silicium <SEP> 1,281/o
<tb> Mangan <SEP> 1,461V0
<tb> Schwefel <SEP> 0,06 <SEP> %
<tb> Phosphor <SEP> <B>0,1011/0</B>
<tb> Chrom <SEP> 0,34% Ein Teil der Schmelze wurde in einen Testbarren von 30,5 mm Durchmesser gegossen sowie in eine Keiltestform mit einem Keilrücken von 50,8 mm und einem Keilwinkel von 28,5 . Ein zweiter Teil wurde in einen Barren von 30,5 mm Durchmesser gegossen und ein Keil wurde in Kohlengriess (zur Beschleunigung der Abkühlung) hergestellt.
Zu einem dritten Teil dieser Schmelze wurde ein Gusszusatz von Ferrochrom gege- ben, sodass der Chromgehalt der Schmelze um 0,60 % anstieg. Dieser so behandelte Teil wurde ebenso zu einem Testbarren von 30,5 mm gegossen und ein Keil mit einem 50,8 mm breiten Rücken wurde hergestellt.
Zu einem vierten Teil dieser Schmelze wurde ein Gusszusatz von 0,25 Wismuth zugegeben und diese so behandelte Probe wurde zu einem Testbarren von 30,5 mm Durchmesser und zu einem Keil mit einem 50,8 mm breiten Rücken gegossen.
Die Test-Keilstücke wurden gebrochen und an der Grenzlinie gemessen, während die Testbarren mit 30,5 mm Durchmesser in einer Schlagtestmaschine, die eine Schlagenergie von 34,5 m/kg entwickelte, gebro chen wurden. Alle gebrochenen Barren wurden an- schliessend poliert und unter dem Mikroskop geprüft.
Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle I dar gestellt.
EMI0003.0098
<I>Tabelle <SEP> 1</I>
<tb> BH <SEP> Keil- <SEP> Stossfestig- <SEP> 0/0 <SEP> lamellierte
<tb> Nr. <SEP> wert <SEP> keit <SEP> Carbide
<tb> Ausgangsmetall <SEP> 450 <SEP> 20,6 <SEP> mm <SEP> 5,51 <SEP> m/kg <SEP> weniger <SEP> als <SEP> 10 <SEP> 0/0
<tb> Probe <SEP> mit <SEP> 0,60%
<tb> Chromzusatz <SEP> 520 <SEP> 34,0 <SEP> mm <SEP> 5,65 <SEP> m/kg <SEP> 25%
<tb> Probe <SEP> mit <SEP> 0,25 <SEP> '/o <SEP> Wis muthzusatz <SEP> 505 <SEP> 31,8 <SEP> mm <SEP> '6,06 <SEP> m/kg <SEP> 45 <SEP> 0/0
<tb> Ausgangsmetall <SEP> in
<tb> Kohlenform <SEP> gegossen <SEP> 505 <SEP> 33,2 <SEP> mm <SEP> 4,
41 <SEP> m/kg <SEP> weniger <SEP> als <SEP> 10 <SEP> 0/0 Die Probe des Ausgangsmetalles zeigte einigen freien Graphit und verminderten Carbidgehalt, wodurch ihre relativ hohe Schlagfestigkeit bedingt wurde. Das gleiche Metall, das schneller abgekühlt wurde, um einen voll ständigen Weissguss zu erreichen, zeigte verminderte Schlagfestigkeit. Beide Proben der Schmelze, die erfin dungsgemäss behandelt wurden, zeigten eine höhere Schlagfestigkeit und einen grösseren Anteil von lamel- lierten Carbiden.
Es wurde gefunden, dass Güsse, die nach dem vorliegenden erfindungsgemässen Verfahren hergestellt wurden, einen hohen Grad von Zähigkeit und eine ausgezeichnete Abnutzungsbeständigkeit bei Betriebsbe dingungen, die Abrieb hervorriefen, zeigten. Diese ver besserten Eigenschaften scheinen auf den höheren Anteil an lamellierten Carbiden in der Struktur zurückzuführen zu sein. Struktur aufweist, und dass man sodann die Schmelze giesst.
UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass man der Schmelze als carbidbilden- des Element Wismut, Chrom, Mangan, Molybdän, Wolf ram, Vanadin, Uran, Niob, Tellur, Bor, Tantal, Li- thium, Kalzium, Magnesium, Schwefel, Cer, Lanthan, Neodym,
Praseodym und/oder Yttrium zusetzt.
2. Verfahren nach Patentanspruch I oder Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das carbid- bildende Element unmittelbar vor dem Giessen zu setzt.