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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung von karbidarmen, feinkörnigem Manganhartstahlguss mit erhöhtem Verschleisswiderstand, dadurch gekennzeichnet, dass - die Stahlschmelze mit einem Gehalt an Kohlenstoff von mindestens 1,2 Gew.-% mit einem zur vollständigen Austenitisierung ausreichenden Gehalt an Mangan und zusätzlich einem Gehalt an weiteren karbidbildenden Elementen in Kokillen vergossen wird, - die Stahlgussstücke nach Erstarrung der Schmelze, aber vor Erreichen der Karbidausscheidungstemperatur aus der Kokille entnommen werden und - die Stahlgussstücke in Wasser abgeschreckt werden.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschleisswiderstand der Widerstand gegen Kerb- und/oder Mahlverschleiss ist.
3. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Kohlenstoff zwischen 1,2 und 1,5 Gew.-% liegt.
4. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die karbidbildenden Elemente Chrom und/oder Molybdän sind und dass die Summe ihrer Gehalte unter 5 Gew.-% liegt.
5. Verfahren gemäss Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Gehaltes an Mangan zum Gehalt an Kohlenstoff über 8:1 liegt.
6. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Kohlenstoff zwischen 1,4 und 1,8
Gew.-% liegt.
7. Verfahren gemäss Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Gehaltes an Mangan zum
Gehalt an Kohlenstoff über 6,5:1 liegt.
8. Verfahren gemäss den Ansprüchen 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlgussstück anschliessend einem
Lösungsglühen unterworfen wird.
9. Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Lösungsglühen die Aufwärmung des Gussstückes über die Karbidausscheidungstemperatur und das anschliessende Abschrecken desselben in Wasser umfasst.
10. Karbidarmer, feinkörniger Manganhartstahlguss von erhöhtem Verschleisswiderstand, hergestellt mittels des Ver fahrens gemäss Anspruch 1.
II. Manganhartstahlguss gemäss Anspruch 10, hergestellt mittels der Verfahren gemäss den Ansprüchen 2 bis 9.
12. Verwendung des Manganhartstahlgusses gemäss
Anspruch 10 zur Herstellung von Anlageteilen, die hohem
Verschleiss unterworfen sind.
13. Verwendung gemäss Anspruch 12 zur Herstellung von
Mühlenauskleidungselementen, Lagern und Werkzeugen.
Die im folgenden beschriebene Erfindung betrifft ein Ver fahren zur Herstellung von karbidarmem, feinkörnigem
Manganhartstahlguss mit erhöhtem Verschleisswiderstand, den mittels des Verfahrens hergestellten Manganhartstahlguss und dessen Verwendung in Anlageteilen, die hohem Ver schleiss unterworfen sind.
Manganhartstahlguss bleibt dank seiner Eigenschaften wie hohe Festigkeit und Zähigkeit nach wie vor ein bedeutsa mer Verschleisswerkstoff. In der westlichen Welt werden schätzungsweise etwa 600 kt/Jahr Manganhartstahlguss für
Verschleisszwecke hergestellt. Die konventionellen Mangan hartstahlqualitäten werden zurzeit mit ausreichender Qualität fabriziert. Ein geringer Teil des Manganhartstahles wird zu hochqualifiziertem Guss vergossen, z. B. zu Schlagleisten für spezielle Zwecke.
Im Archiv für Metallkunde Heft 1, Januar 1949, beschreibt F. Roll die Eigenschaften von Stahlrohguss mit 12% Mangan. Diese Stahlgussart wird auch nach dem Erfinder Hadfield-Stahlguss genannt.
In der genannten Arbeit wird der Rohguss durch einen Mangangehalt zwischen 10% und 14% und einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,9 und 1,4 Gew.-% charakterisiert. An karbidbildenden Elementen werden nur in vereinzelten Fällen Chrom bis 0,5 Gew.-% genannt. Es wird betont, dass es bei der Herstellung des Manganhartstahles wichtig ist, hohe Karbidausscheidungen zu vermeiden. Diese Karbidausscheidungen hängen primär vom Kohlenstoffgehalt ab. Dieser ist somit eher niedrig zu halten. Eine hohe Karbidausscheidung führt zu Versprödung des Gussstückes.
In Giesserei Nr. 60 (1973), Heft 15, beschreibt I. Henych die Kornfeinung von Manganhartstahl, vor allem mittels Wärmebehandlung. Erwähnt wird in dieser Arbeit auch die Möglichkeit, durch Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit z.B. durch Abschrecken - neben der Erhöhung de Kornfeinung auch eine Verminderung von Karbidausscheidungen zu erreichen. Der Einfluss von Legierungselementen wird nur hinsichtlich der Primärkristallisation untersucht. Es wird dabei festgestellt, dass die Legierungselemente einen eher ungünstigen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des konventionell hergestellten Manganhartstahlgusses zeigen.
In bezug auf die Kornfeinung des Manganhartstahles durch Wärmebehandlung wird am Schluss festgehalten, dass nur Manganhartstahl mit sehr wenigen Nebenelementen wie Chrom, Molybdän und Vanadium sich für die Kornfeinung mittels Wärmebehandlung eignet. Bei höheren Anteilen solcher Elemente wird die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Kornfeinung ziemlich klein.
In Giesserei-Praxis, Heft 7, (1974), zeigt K. Röhrig Möglichkeiten zur Qualitätsverbesserung von Manganhartstahlguss durch Legieren mit Molybdän auf. Auch in dieser Arbeit wird auf die Notwendigkeit hingewiesen, Karbidausscheidungen zu vermeiden. Da aber ein erhöhter Kohlenstoffgehalt wegen dessen positivem Einfluss auf die Kaltverfestigung des Manganhartstahles gewünscht ist, werden zwei Methoden angegeben, um solche Ausscheidungen zu verhindern. Die erste Methode betrifft die Zulegierung von etwa 2 Gew.-% Molybdän zu Manganhartstahl mit etwa 12 Gew.-% Mangan.
Das Molybdän bewirkt dabei eine Verschiebung der Zeit während des Abkühlens des Gussstückes bis zum Ausscheiden von Korngrenzenkarbiden. Die zweite Methode betrifft die Verminderung des Mangangehaltes auf etwa 6%. Diesem Stahl wird zur Erreichung der notwendigen Festigkeitswerte ungefähr 1 Gew.-% Molybdän zugesetzt.
Die möglichst karbidausscheidungsfreie Herstellung von Manganhartstahl bildet also ein Problem, welches zum Stand der Technik gehört. Dabei können für herkömmliche Herstellverfahren zusammenfassend die folgenden Grenz-Kohlenstoffgehalte zur Erzielung eines vorwiegend karbidfreien Gefüges angegeben werden: - ohne Lösungsglühen unter etwa 0,6 Gew.-%, - mit Lösungsglühen unter etwa 1,2 Gew.-%.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von karbidarmem, feinkörnigem Manganhartstahlguss mit erhöhtem Verschleisswiderstand ist nun dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlschmelze mit einem Gehalt an Kohlenstoff von mindestens 1,2 Gew.-%, mit einem zur vollständigen Austenitisierung ausreichenden Gehalt an Mangan und zusätzlich einem Gehalt an weiteren karbidbildenden Elementen in Kokillen vergossen wird, die Stahlgussstücke nach Erstarrung der Schmelze, aber vor Erreichen der Karbidausscheidungstemperatur aus der Kokille entnommen werden und die Stahlgussstücke in Wasser abgeschreckt werden.
Neben dem Verfahren werden erfindungsgemäss auch der
karbidarme, feinkörnige Manganhartstahlguss von erhöhtem Verschleisswiderstand, welcher mittels des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellt worden ist und die Verwendung des genannten Manganhartstahlgusses in Anlageteilen mit hohem Verschleiss beansprucht.
Der Mangangehalt im erfindungsgemäss hergestellten Manganhartstahlguss entspricht derjenigen Menge Mangan, die nötig ist um die möglichst vollständige Austenitisierung des Gusses zu gewährleisten.
Der Verschleisswiderstand des erfindungsgemässen Manganhartstahles ist naturgemäss speziell hoch gegen Kerbund/oder Mahlverschleiss, wie es bei Mühlauskleideelementen, Lagern, Werkzeugen usw. auftritt. Kerbverschleiss entsteht dann, wenn ein Element kerbenartig in ein anderes eingreift und dadurch zur Verschleissbeanspruchung führt.
Im erfindungsgemässen Verfahren können vor allem Stahlschmelzen mit Kohlenstoffgehalten zwischen 1,2 und 1,5 Gew.-% verarbeitet werden. Höhere Kohlenstoffgehalte können in einer speziellen Ausführungsform des Verfahrens erhalten werden, die ein anschliessendes Lösungsglühen des Gussstückes umfassen. In diesem Fall kann der Kohlenstoffgehalt bis zu 1,8 Gew.-% betragen. Das Lösungsglühen umfasst dabei das Aufwärmen des Gussstückes über die Karbidausscheidungstemperatur und das anschliessende Abschrecken in Wasser.
Zur Veranschaulichung der Vorgänge während des Abkühlens wird auf die beiden in der Zeichnung wiedergegebenen Phasendiagramme der Hauptelemente Eisen, Mangan und Kohlenstoff verwiesen, wobei die Fig. 1 und die Fig. 2 das System Fe-C-13 Gew.-% Mn in unterschiedlichen Kohlenstoff- und Temperaturbereichen darstellen.
Durch die beiden Phasendiagramme ist auch die im erfindungsgemässen Verfahren angegebene Karbidausscheidungstemperatur definiert. Es ist diejenige Umwandlungstemperatur zwischen der Gammaphase (Austenit) und der Gammaphase plus dem Eisenmangankarbid.
Das erfindungsgemässe Verfahren relaubt es also, feinkörnigen Manganhartstahlguss herzustellen, welcher gegenüber den heute herstellbaren Qualitäten einen erhöhten Kohlenstoffgehalt und erhöhte Gehalte an karbidbildenden Elementen aufweist.
Die nachfolgend tabellarisch dargestellten Beispiele illustrieren verschiedene spezielle Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens und dessen Produkte. Es sind sowohl Varianten mit mässig erhöhtem Kohlenstoffgehalt mit oder ohne Lösungsglühen und mit zusätzlichem Karbidbildner (Chrom) angeführt. Die Manganhartstahlproben verschiedener Kohlenstoff- und Karbidbildnergehalte wurden dabei.
im 10-kg-Laborinduktionsofen erschmolzen und in Kupferoder GG-Kokillen zu zylindrischen Probekörpern mit 40 mm Durchmesser vergossen. Nach dem Erstarren der Schmelze, aber vor Erreichen der Karbidausscheidungstemperatur im Gussstück, wurde die Kokille geöffnet (Auspacktemperatur und das Gussstück in Wasser abgeschreckt. Beim Lösungsglühen wurden die Gussstücke im Laborglühofen auf Temperaturen über der Karbidausscheidungstemperatur gebracht und anschliessend wiederum in Wasser abgeschreckt. Die Beispiele mit verschiedenen Analysen sind mit Angabe ihrer Herstellungsparameter sowie ihres Gefüges und der erzielten physikalischen Eigenschaften in den folgenden Tabellen zusammengestellt.
Die Tabelle 1 enthält für die verschiedenen Beispiele die jeweiligen Herstellungsparameter und die Analyse während die Tabelle 2 das resultierende Gefüge und die physikalischen Eigenschaften angibt.
Tabelle
Herstellung Analyse Bsp. Schmelz-T. Auspack-T. Glüh-T. C Mn Cr Nr. ("C) ("C) ( C) (Gew.-(Gew.-(Gew. /o) 70) io) 1 1350 1080 - 1,61 12,6 3,30 2 1350 1080 1100 1,61 12,6 3,30
Tabelle 2
Physikalische Bsp. Gefüge Eigenschaften Nr. Makro-G. Mikro-G. Härte Kaltverfesti- Kerschlag (HB) gung zähigkeit (HB) (Jcm-2) 1 sehr fein Austenit 275 780 145 +2%
Karbid 2 sehr fein Austenit 225 780 165
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PATENT CLAIMS
1. A process for the production of low-carbide, fine-grained manganese high-carbon steel casting with increased wear resistance, characterized in that - the steel melt with a carbon content of at least 1.2% by weight with a sufficient manganese content for complete austenitization and an additional content carbide-forming elements are poured into molds, - the steel castings are removed from the mold after the melt has solidified, but before the carbide precipitation temperature is reached, and - the steel castings are quenched in water.
2. The method according to claim 1, characterized in that the wear resistance is the resistance to notch and / or grinding wear.
3. The method according to claim 1, characterized in that the carbon content is between 1.2 and 1.5 wt .-%.
4. The method according to claim 1, characterized in that the carbide-forming elements are chromium and / or molybdenum and that the sum of their contents is less than 5% by weight.
5. The method according to claim 1 and 5, characterized in that the ratio of the manganese content to the carbon content is above 8: 1.
6. The method according to claim 1, characterized in that the carbon content is between 1.4 and 1.8
% By weight.
7. The method according to claim 1 and 6, characterized in that the ratio of the content of manganese to
Carbon content is above 6.5: 1.
8. The method according to claims 1, 6 and 7, characterized in that the steel casting then one
Solution annealing is subjected.
9. The method according to claim 8, characterized in that said solution annealing comprises heating the casting above the carbide precipitation temperature and then quenching the same in water.
10. Low-carbide, fine-grained manganese high-carbon steel casting with increased wear resistance, produced by means of the method according to claim 1.
II. Manganese steel casting according to claim 10, produced by the method according to claims 2 to 9.
12. Use of the manganese high-carbon steel cast according to
Claim 10 for the production of plant parts, the high
Are subject to wear.
13. Use according to claim 12 for the production of
Mill lining elements, bearings and tools.
The invention described below relates to a process for the production of low-carbide, fine-grained
Manganese steel casting with increased wear resistance, the manganese steel casting produced by the process and its use in system parts that are subject to high wear.
Thanks to its properties such as high strength and toughness, manganese steel casting remains a significant wear material. In the western world, it is estimated that around 600 kt / year of high-carbon manganese steel castings
Wear purposes made. The conventional manganese hard steel grades are currently manufactured with sufficient quality. A small part of the high manganese steel is cast into highly qualified castings, e.g. B. to blow bars for special purposes.
In the Archive for Metallurgy, Issue 1, January 1949, F. Roll describes the properties of cast steel with 12% manganese. This type of steel casting is also named after the inventor Hadfield steel casting.
In the work mentioned, the raw casting is characterized by a manganese content between 10% and 14% and a carbon content between 0.9 and 1.4% by weight. Chromium-forming elements of up to 0.5% by weight are only mentioned in isolated cases. It is emphasized that it is important in the production of high manganese steel to avoid high carbide deposits. These carbide deposits primarily depend on the carbon content. It should therefore be kept rather low. A high carbide excretion leads to embrittlement of the casting.
In Foundry No. 60 (1973), No. 15, I. Henych describes the grain refinement of high manganese steel, especially by means of heat treatment. This work also mentions the possibility of increasing the cooling rate e.g. by quenching - in addition to increasing the grain refinement, achieving a reduction in carbide deposits. The influence of alloying elements is only examined with regard to primary crystallization. It is found that the alloying elements have a rather unfavorable influence on the mechanical properties of the conventionally produced manganese steel casting.
With regard to the grain refinement of the manganese hard steel by heat treatment, it is concluded at the end that only manganese hard steel with very few secondary elements such as chromium, molybdenum and vanadium is suitable for grain refinement by means of heat treatment. With higher proportions of such elements, the probability of successful grain refinement becomes rather small.
In Giesserei-Praxis, Issue 7, (1974), K. Röhrig shows ways to improve the quality of manganese steel casting by alloying with molybdenum. This work also points out the need to avoid carbide deposits. However, since an increased carbon content is desired because of its positive influence on the strain hardening of the manganese steel, two methods are given to prevent such precipitations. The first method relates to the addition of about 2% by weight of molybdenum to high manganese steel with about 12% by weight of manganese.
The molybdenum causes a shift in the time during the cooling of the casting until the grain boundary carbides precipitate out. The second method involves reducing the manganese content to around 6%. About 1% by weight of molybdenum is added to this steel to achieve the necessary strength values.
The production of manganese hard steel which is as free as possible from carbide precipitation forms a problem which belongs to the prior art. For conventional manufacturing processes, the following limit carbon contents can be summarized in order to achieve a predominantly carbide-free structure: - without solution annealing below approximately 0.6% by weight, - with solution annealing below approximately 1.2% by weight.
The process according to the invention for producing low-carbide, fine-grained manganese high-carbon steel casting with increased wear resistance is now characterized in that the steel melt has a carbon content of at least 1.2% by weight, a sufficient manganese content for complete austenitization and an additional content additional carbide-forming elements are cast in molds, the steel castings are removed from the mold after the melt has solidified, but before the carbide precipitation temperature has been reached, and the steel castings are quenched in water.
In addition to the method according to the invention, the
low-carbide, fine-grained manganese steel casting with increased wear resistance, which was produced by means of the method according to the invention and which claims the use of said manganese steel casting in plant parts with high wear.
The manganese content in the manganese high-carbon steel casting produced according to the invention corresponds to the amount of manganese that is necessary to ensure the most complete austenitization of the casting.
The wear resistance of the manganese high-carbon steel according to the invention is naturally particularly high against notch wear or grinding wear, as occurs with mill lining elements, bearings, tools, etc. Notch wear occurs when one element engages with another in a notch-like manner and thus leads to wear.
In the process according to the invention, steel melts with carbon contents between 1.2 and 1.5% by weight can be processed. Higher carbon contents can be obtained in a special embodiment of the method, which include subsequent solution annealing of the casting. In this case the carbon content can be up to 1.8% by weight. Solution annealing involves heating the casting to above the carbide precipitation temperature and then quenching it in water.
To illustrate the processes during cooling, reference is made to the two phase diagrams of the main elements iron, manganese and carbon shown in the drawing, with FIG. 1 and FIG. 2 the system Fe-C-13% by weight Mn in different carbon - and display temperature ranges.
The carbide precipitation temperature specified in the process according to the invention is also defined by the two phase diagrams. It is the transition temperature between the gamma phase (austenite) and the gamma phase plus the iron manganese carbide.
The method according to the invention therefore makes it difficult to produce fine-grained manganese steel castings which, compared to the qualities which can be produced today, have an increased carbon content and increased contents of carbide-forming elements.
The examples shown in the table below illustrate various special embodiments of the method according to the invention and its products. Variants with a moderately increased carbon content with or without solution annealing and with an additional carbide former (chromium) are listed. The manganese high-carbon steel samples of various carbon and carbide former contents were included.
Melted in a 10 kg laboratory induction furnace and cast in copper or GG molds into cylindrical test specimens with a diameter of 40 mm. After the melt solidified, but before the carbide precipitation temperature in the casting was reached, the mold was opened (unpacking temperature and the casting quenched in water. During solution annealing, the castings were brought to temperatures above the carbide precipitation temperature in the laboratory annealing furnace and then again quenched in water. The examples with Various analyzes are listed in the following tables with details of their manufacturing parameters, their structure and the physical properties achieved.
Table 1 contains the respective manufacturing parameters and the analysis for the various examples, while Table 2 gives the resulting structure and the physical properties.
table
Production Analysis Ex. Melting T. Unpack-T. Glow-T. C Mn Cr No. ("C) (" C) (C) (wt. (Wt. (W / o) 70) io) 1 1350 1080 - 1.61 12.6 3.30 2 1350 1080 1100 1.61 12.6 3.30
Table 2
Physical Ex. Structure Properties No. Macro-G. Micro-G. Hardness work hardening (HB) toughness (HB) (Jcm-2) 1 very fine austenite 275 780 145 + 2%
Carbide 2 very fine austenite 225 780 165