DD255550A1

DD255550A1 - Gusseisen mit austenitischer gefuegegrundmasse und globulargraphit

Info

Publication number: DD255550A1
Application number: DD29561786A
Authority: DD
Inventors: Roland Woldrich; Hans-Ulrich Feustel; Karin Steiger
Original assignee: Giesserei Anlagenbau Und Gusse
Priority date: 1986-10-27
Filing date: 1986-10-27
Publication date: 1988-04-06

Abstract

Die Erfindung bezweckt, auf wirtschaftlicher Basis, d. h. auch unter teilweiser Substitution kostenintensiver Einsatzmaterialien einen Gusswerkstoff bereitzustellen, der im wesentlichen schweissbar, nichtmagnetisierbar, dynamisch hochbelastbar und korrosionsfest ist. Entsprechend den gewuenschten Eigenschaften sind dabei einzelne Legierungselemente ganz oder teilweise gegeneinander austauschbar. Der Gusswerkstoff besteht aus 75 bis 90% Austenit, 5 bis 10% Globulargraphit und 8 bis 10% Karbid.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Gußeisenlegierung mit austenitischer Gefügegrundmasse und Globulargraphit, die infolge unterschiedlicher Legierungszusätze spezielle Werkstoffeigenschaften aufweist. Diese Gußeisenlegierung ist deshalb für den Einsatz auf dem Gebiet der Elektrotechnik, des Kraftwerksanlagenbaues sowie im Schiffbau besonders geeignet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Herstellung austenitischer Gußwerkstoffe mit gezielt eingestellten Werkstoffeigenschaften ist hinreichend bekannt. Gußeisenlegierungen mit beispielsweise nicht magnetisierbarem und korrosionsbeständigem Verhalten weisen deshalb immer Nickel oder dessen Kombinationen mt anderen Metallen, wie Kupfer und/oder Mangan, auf. In der Praxis werden diese Legierungen unter den Handelsnamen „Ni-Resist", „Nomag" oder auch „Nodumag" geführt. Der Legierungstyp Nickel-Mangan, der neben Nickel gleichzeitig Mangan ajs Hauptlegierungselement enthält, ist z. B. nichtmagnetisierbar und bei extrem hohen Ni-Gehalten als kaltzäher und vor allem als korrosionsbeständiger Werkstoff einsetzbar. Als nachteilig erweist sich jedoch der hohe Bedarf an Nickel. Da dies ein relativ konstenintensives Einsatzmaterial darstellt, ist man gehalten, die Nickelgehalte zu reduzieren. Außerdem führen alleinige, hohe Ni-Gehalte in Gußeisenwerkstoffen zur Herabsetzung der Dehngrenze. So sind in SU-PS 203916, SU-PS 759611 und SU-PS 348635 Gußeisenwerkstoffe mit Ni-Gehalten zwischen 5,0 und 11,0% und Mn-Gehalten von 4,5 bis 7,2% beschrieben, die zwar nichtmagnetisierbar sind und eine relative Permeabilität μ_Γ = 1,01 bis 1,05 aufweisen, jedoch dem Angriff von Seewasser nicht standhalten. Versuche, bestimmte Anteile von Nickel durch Mangan-Kupfer-Zugaben auszugleichen, erwiesen sich nicht als erfolgversprechend. Neben einer mangelnden Korrosionsbeständigkeit zeigten diese Werkstoffe infolge Mangankarbidbildung eine Verschlechterung ihrer angestrebten nichtmagnetisierbaren Eigenschaften.

Von der Herstellung austenitischer Gußwerkstoffe mit Lamellengraphit ist bekannt, daß Nickel teilweise durch Kupfer infolge gleichgearteterWirkung auf die Austenitbildung substituierbar ist. Bei Herstellung austenitischer Gußwerkstoffe mitglobularem Graphit ist dieser Effekt bisher nicht nutzbar, da Kupfer zur Deformierung der Graphitkugeln und damit zur merklichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Dehnung und Zähigkeit, führt. Diesen Nachteilen ist wiederum nur durch Sondermaßnahmen, wie die Verwendung hochreiner Einsatzmaterialieh oder durch Zugaben von Aluminium, zu begegnen. Dies bedeutet andererseits zusätzlichen Aufwand für die Bereitstellung hochreiner Einsatzmaterialien und außerdem die Inkaufnahme von negativen Auswirkungen der mit dem Alumium entstehenden Oxidationsprodukte sowohl auf die Gießeigenschaften als auch auf die Festigkeit der Legierung.

Auch sind nichtmagnetisierbare Gußwerkstoffe mit Kugelgraphit des Typs Ni-Cu-Cr bekannt, Diese Werkstoffe weisen jedoch mit 4% eine nur ungenügende Dehnung auf. Gemäß SU-PS 509 090 waren zwar diese Dehnungswerte durch Wärmebehandlung zu verbessern, aber die magnetischen Eigenschaften blieben nach wie vor ungenügend. Obwohl Zusätze an Chrom in nickelreichen Gußeisenlegierungen gewisse positive Auswirkungen in Richtung Festigkeitssteigerung, Korrosions- und Zunderbeständigkeit sowie Erhöhung der Härte zeigen, bilden diese andererseits in austenitischer Matrix unerwünschte ferromagnetische Karbide, die zur drastischen Senkung der Chromgehalte zwingen, wenn nichtmagnetisierbare Werkstoffe zum Einsatz gelangen sollen.

In der bisherigen Praxis war deshalb die Bereistellung von Gußeis'enlegierungen mit gezielten und gleichzeitig vielseitigen speziellen Werkstoffeigenschaften stets mit zusätzlichem materiellen und finanziellen Aufwand verbunden.

Ziel der Erfindung

Mit der Erfindung wird bezweckt, durch spezielle Legierungszusätze auf wirtschaftlicher Basis eine Gußeisenlegierung mit austenitischer Gefügegrundmasse und Globulargraphit bereitzustellen, die geeignet ist, trotz teilweiser Substitution konstenintensiver Einsatzmaterialien qualitativ hochwertigen Anforderungen zu genügen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Das Wesen der erfinderischen Aufgabe besteht darin, durch gezielten Zusatz geeigneter Legierungselemente eine Gußeisenlegierung bereitzustellen, die im wesentlichen schweißbar, nichtmagnetisierbar, dynamisch hochbelastbar und korrosionsbeständig, insbesondere gegenüber dem Angriff von Meerwasser, ist. Das Grundgefüge dieser Gußeisenlegierung besteht darbei zum überwiegenden Teil aus Austenit mit eingelagertem globularem Graphit sowie diversen Karbiden. Entsprechend den gewünschten Eigenschaften sind einzelne Legierungselemente ganz oder teilweise gegeneinander austauschbar. Diese Gußeisenlegierung soll dabei wanddickenunabhängig im Gußzustand folgende Werte aufweisen:

Zugfestigkeit R_m = 440-500MPa Dehngrenze Rpo,2= 190-240MPa Dehnung A₅= 15-30% Härte HB = 150-200 Permeabilität μ_τ S 1,04

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß diese Gußeisenlegierung zunächst aus 2,3 bis 2,8% C; 1,5 bis 2,5% Si; 0,8 bis ί,5% Mn; § 0,03% P; S 0,02% S; 0,9 bis 1,7% Cr; 17,0 bis 19,0% Ni; 1,0 bis 1,8% Cu; 0,05 bis 1,0% Mo; 0,1 bis 0,3% Nb; 0,03 bis 0,05% Mg; Rest Fe besteht.

Vorzugsweise sollte sie jedoch enthalten 2,6 bis 2,8% C; 2,0 bis 2,5% Si; 1,2 bis 1,5% Mn; g 0,03% P; S 0,02% S; 0,9 bis 1,3% Cr; 18,0 bis 19,0% Ni; 1,2 bis 1,6% Cu; 0,05 bis 0,2% Mo; 0,15 bis 0,2% Nb; 0,03 bis 0,05% Mg; Rest Fe. Des weiteren hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Elementegruppen C, Si und/oder Cr, Mn jeweils in ein definiertes Verhältnis zueinander eingestellt sind. Das Verhältnis der Elementegruppe C und Si sollte dabei 1,1 bis 1,8 zu 1 und das Verhältnis der Elementegruppe Cr und Mn 1,1 zu 1 betragen. Außerdem können die Elemente Cr und Mo sowie Ni und Cu je nach angestrebter Werkstoffeigenschaft zu äquivalenten Teilen ausgetauscht werden.

Es hat sich gezeigt, daß zunächst eine überwiegend austenitische Gefügegrundmasse dadurch eingestellt werden kann, wenn der Schmelze mindestens 17,0%, höchstens jedoch 19,0% Nickel in Verbindung mit 1,0% bis 1,8% Kupfer zur Austenitstabilisierung und Mischkristallhärtung zulegiert werden. Vorteilhafterweise erfolgt dabei die Zugabe des Kupfers in Form von Elektrolytkupfer üblichen Reinheitsgrades. Die in einem solchen Zusammenhang bisher erforderliche Zugabe von Aluminium sowie weiterer Zusätze kann damit entfallen. Damit entfällt ebenfalls die nachteilige Beeinflussung des Legierungsmetälles durch etwaige aus Aluminiumzusätzen resultierende Oxidationsprodukte. Darüber hinaus gewährleistet die gezielte Kupferzugabe eine verbesserte Stabilisierung der globularen Graphitausbildung im austenitischen Grundgefüge. Sehr gute mechanische Eigenschaften sind insbesondere dann wanddickenunabhängig zu erzielen, wenn die Elemente C und Si in einem Verhältnis von 1,1 bis 1,8 zu 1 vorliegen und der Ni-Gehalt dazu vergleichsweise niedriggehalten ist. Diese guten mechanischen Eigenschaften bestehen in hoher Festigkeit sowie vorteilhaften Zähigkeits- und Dehnungswerten. Durch eine Abstimmung der Elemente Cr und Mn zueinander ist eine ausreichende Fertigungsschweißbarkeit dieses Werkstoffes gegeben. Bei einer Wirksumme Ni plus Cu von mindestens 18,8% bis maximal 20,8% ist eine relative Permeabilität von μ._Γ S 1,04% gegeben. Der Austausch eines äquivalenten Teils von Chrom durch Molybdän führt zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Gußwerkstoffes bei insbesondere hohen Temperaturen.

Wie gefunden wurde, ist die vorteilhafteste gefügeseitige Zusammensetzung der Werkstoffe dann gegeben, wenn das Gefüge aus 75 bis 90% Austenit, 5 bis 15% globularem Graphit und 5 bis 10% Karbid besteht.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es waren Gehäuse für Kreiskolbenpumpen zur Förderung von Meerwasser herzustellen. Als Gußwerkstoff war Gußeisen mit Globulärgraphit vorgesehen. Der Werkstoff wurde im basischen Lichtbogenofen erschmolzen und bei 1 510⁰C mit Reinmagnesium nach der Stabeinschubmethode behandelt. Bei einer Temperatur von 1470°C erfolgte eine Impfung der Schmelze mit 0,67% aluminiumfreien FeSi75. Die Gießtemperatur des Flüssigmetalls betrug T440°C.

Die fertigen Gußstücke wiesen folgende Zusammensetzung auf:

2,58%C;2,10%Si;1,33%Mn;0,024%P; 0,016%S; 1,1 % Cr; 18,6% Ni; 1,4%Cu; 0,05% Mo; 0,17% Nb; 0,037% Mg.

Das Gefüge dieser Legierung weist im Mittel 10 bis 15% globularen Graphit, 1 bis 5% eingelagerte Karbide und als Rest eine

austenitische Grundmasse auf. .

Infolge dieser Eigenschaftskombination wurde bei einem vertretbaren Kostenaufwand erreicht, daß die gefertigten Kreiskolbenpumpen eine minimale Magnetisierbarkeit, Meerwasserkorrosionsbeständigkeit, Druckdichtheit sowie Beständigkeit gegen Kavitation und Erosion aufwiesen. Der hohe Anteil an austenitischer Grundmasse mit den\geringen Anteil eingelagerter Karbide führte zu einer Permeabilität μ_τ = 1,031.

An getrennt gegossenen Proben wurden im Gußzustand folgende mechanische Eigenschaften ermittelt:

Zugfestigkeit R_m = 471 MPa .

Dehngrenze Rpo,2 = 218MPa Dehnung A₅ = 27% Härte HB = 172

Schließlich ergab eine Prüfung auf Druckdichtheit mit einem Prüfdruck von 6 · 10⁵Pa, daß Leckagen nicht auftraten.

Claims

1. Gußeisenlegierung mit austenitischer Gefügegrundmasse und Globulargraphit, enthaltend neben C, Si sowie den üblichen Verunreinigungen vorwiegend Mn, Cr, Ni, Cu, Mo, Nb und Mg, gekennzeichnet dadurch, daß die Gußeisenlegierung aus 2,3 bis 2,8% C; 1,5 bis 2,5% Si; 0,8 bis 1,5% Mn; = 0,03% P; = 0,02% S; 0,9 bis 1,7% Cr; 17,0 bis 19,0% Ni; 1,0 bis 1,8% Cu; 0,05 bis 1,0% Mo; 0,1 bis 0,3% Nb; 0,03 bis 0,05% Mg; Rest Fe besteht, vorzugsweise jedoch 2,6 bis 2,8% C; 2,0 bis 2,5%Si;1,2bis1,5%Mn; = 0,03% P; = 0,02%S; 0,9 bis 1,3%Cr; 18,0 bis 19,0% Ni; 1,2 bis 1,6%Cu; 0,05 bis 0,2% Mo; 0,15 bis 0,2% Nb; 0,03 bis 0,05% Mg, Rest Fe enthält.

2. Gußeisenlegierung mit austenitischer Gefügegrundmasse und Globulargraphit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in der Gußeisenlegierung die Elementegruppen C, Si und/oder Cr, Mn jeweils in ein definiertes Verhältnis zueinander eingestellt sind, wobei das Verhältnis der Elementegruppe C und Si 1,1 bis 1,8 zu 1 und das Verhältnis der Elementegruppe Cr und Mn 1,1 zu 1 beträgt.

3. Gußeisenlegierung mit austenitischer Gefügegrundmasse und Globulargraphit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die in der Gußeisenlegierung enthaltenen Elemente Cr und Mo sowie Ni und Cu zu äquivalenten Teilen gegeneinander austauschbar sind.