DE102005051715A1

DE102005051715A1 - Verfahren zum Härten eines Gussteils

Info

Publication number: DE102005051715A1
Application number: DE102005051715A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kleinkröger
Original assignee: Siempelkamp Giesserei GmbH
Current assignee: Siempelkamp Giesserei GmbH
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2006-05-18

Abstract

Es handelt sich um ein Verfahren zum Härten eines Gussteils aus grafitischem Gusseisen mit Restaustenit. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil nach der Herstellung zumindest bereichsweise einer Kältebehandlung unterzogen wird. Die Kältebehandlung kann beispielsweise durch Eintauchen des Gussteils in flüssigen Stickstoff erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten eines Gussteils aus grafitischem Gusseisen mit vorzugsweise Kugelgraphit.

In der Giesserreitechnik sind Gusswerkstoffe aus Gusseisen mit Restaustenit bekannt. Unter dem Begriff "Restaustenit" versteht man den bei der Abkühlung von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen nicht umgewandelten Austenit. Normalerweise zerfällt der Austenit nach Unterschreiten der A₁-Temperatur in Perlit. In Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt kann das abgeschreckte Gefüge neben Martensit auch Restaustenit enthalten. Auch in Gusseisen – bei dem Legierungselemente die Perlitbildung und Bainitbildung unterdrücken – verbleibt neben dem Ferrit ein kohlenstoffreicher Restaustenit. Der Anteil kann bis zu 50 % betragen. Der Austenit macht den Werkstoff zäh. Im austenitisch-ferritischen Gusseisen mit Kugelgraphit kann sich der Restaustenit kaltverfestigen, wonach die Verschleißbeständigkeit beträchtlich erhöht wird. Unter Kaltverfestigung versteht man eine Steigerung der Festigkeit und Härte durch Kaltverformung. Unter andrem kann auch zwischenstufenvergütetes Gusseisen mit Kugelgraphit durch mechanische Verformung oder durch abrasive Verschleißbeanspruchung kaltverfestigt werden. Diese Verfestigung wird im beanspruchten Oberflächenbereich durch eine Umwandlung bei Raumtemperatur thermisch stabilen, jedoch mechanisch eher instabilen Austenitphase in Martensit verursacht. Es kommt zu einer Härtesteigerung, welche die Verschleißbeständigkeit und Standzeit des betreffenden Bauteils erhöht.

Ferner ist die Herstellung von Gussteilen aus bainitischem Gusseisen mit Kugelgraphit bekannt. Das Gussteil wird dabei nach einer Erwärmung auf 800 °C bis 900 °C aus dem Austenitgebiet über einen verhältnismäßig langen Zeitraum unter Vermeidung der sog. "Perlitnase" kontinuierlich durch das sog. Bainitgebiet abgekühlt. Die optimale Abkühlungszeit ist von der Wanddicke des Gussteils abhängig. Es entsteht ein Grundgefüge, welches aus einem Gemisch aus nadeligem Ferrit, Restaustenit und aus mit zunehmender Haltedauer steigenden Anteilen von Eisenkarbid besteht. Die auf diese Weise hergestellten Gussteile bieten eine Kombination von hoher Festigkeit und Verschleißbeständigkeit. Bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit wird fälschlicherweise oftmals auch als ADI (Austempered Ductile Iron) bezeichnet.

Außerdem ist ein Verfahren zur Herstellung einer Mahlwalze für die Zerkleinerung von spröden Mahlgütern in einer Gutbett-Walzenmühle bekannt, wobei auf einem Walzengrundkörper ein Walzenmantel fest aufgebracht und dieser Walzenmantel aus einem hochverschleißfestem bainitischem Gusswerkstoff herstellt wird. Für die Herstellung des Walzenmantels wird ein bainitischer Sphäroguss aus einer Gusslegierung mit (in Gew.-%) 3,0 bis 3,5 % Kohlenstoff, 1,5 bis 2,0 % Silizium, 0,3 bis 0,4 % Mangan, 0,05 % Phosphor, 1,5 bis 4,0 % Nickel, 0,7 bis 1,0 % Molybdän und 0,04 bis 0,07 % Magnesium ausgewählt. Die Werkstoffeigenschaften des bainitischen Sphärogusses werden durch gesteuerte Abkühlung und/oder Wärmebehandlung des Walzenmantels eingestellt (vgl. EP 0 916 407 B1 ). Die dort angegebenen Bruchdehnungswerte von unter 2,5 % sind typisch für einen bainitischen Werkstoff.

In der Praxis hat sich gezeigt, dass Gussteile der eingangs beschriebenen Art wegen ihrer optimalen Eigenschaften z. B. als Werkzeuge eingesetzt werden können, die einem nicht unerheblichen Verschleiß unterliegen. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Meißel oder auch Teile einer Baggerschaufel oder dergleichen sowie um Presswalzen handeln. Die Härte derartig hergestellter Gussteile ist jedoch – insbesondere unter Berücksichtigung des zunehmenden Verschleißes – für viele Anwendungen nicht bzw. nicht über einen längeren Zeitraum ausreichend.

Im Übrigen ist es bekannt, Bauteile aus Stahl mit hohem Austenitgehalt oder aus Stahl mit überwiegend austenitischem Gefüge einer Kältebehandlung zu unterziehen, um ihre Verschleißbeständigkeit zu steigern (Sub-Zero Treatment of Steels). Entsprechende Versuche mit Gusseisen zeigten jedoch keine nennenswerten Verbesserungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich Gussteile aus z. B. Sphäroguss auf einfache und kostengünstige Weise herstellen und härten, vorzugsweise auch wiederholt härten lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung ein Verfahren zum Härten eines Gussteils, wobei ein Gussteil aus Gusseisen mit vorzugsweise ferritischem Grundgefüge und mit Restaustenit verwendet wird und wobei das (fertige und ggf. auf etwa Raumtemperatur abgekühlte) Gussteil nach der Herstellung zumindest bereichsweise einer Kältebehandlung unterzogen wird. Kältebehandlung meint im Rahmen der Erfindung insbesondere, dass das Gussteil zumindest bereichsweise mit einem Kältemittel beaufschlagt wird. Bei diesem Kältemittel kann es sich beispielsweise um ein flüssiges Kältemittel handeln, in welches das Gussteil zumindest bereichsweise eingetaucht wird. Das Kältemittel hat eine Temperatur unter 0 °C, z. B. unter –50 °C. Das Kältemittel wird dabei vorzugsweise so ausgewählt, dass es eine Temperatur von weniger als –100 °C, z. B. weniger als –150 °C, vorzugsweise weniger als –190 °C aufweist.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die Härte eines Gussteils aus grafitischem Gusseisen insbesondere im Bereich seiner Oberflächen durch eine gezielte Kältebehandlung verbessert werden kann, wenn als Werkstoff ein Gusseisen mit vorzugsweise ferritischem Grundgefüge und mit Restaustenit verwendet wird. Diese Kältebehandlung schließt sich an die Herstellung des Gussteils an. Sofern ein Abkühlen des Gussteils z. B. auf Raumtemperatur im Zuge der Herstellung vorgesehen ist, erfolgt die gezielte Kältebehandlung, z. B. in bestimmten Oberflächenbereichen, nach diesem Abkühlen.

Durch besondere Einfachheit zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren aus, wenn als Kältemittel flüssiger Stickstoff verwendet wird. Denn flüssiger Stickstoff weist eine Temperatur von in etwa 195 °C auf, so dass in kürzester Zeit eine erhebliche Abkühlung des Gussteils bzw. vorgegebener Oberflächenschichten des Gussteils erfolgen kann. Zudem ist flüssiger Stickstoff kostengünstig herstellbar und gut handhabbar, so dass die hergestellten Gussteile auf einfache und kostengünstige Weise in der erfindungsgemäßen Weise gehärtet werden können. Es können jedoch grundsätzlich auch andere Kältemittel verwendet werden. Es ist auch denkbar, die zu härtenden Oberflächen einer Kryostrahlbehandlung zu unterziehen. Dabei wird die Oberfläche eines Bauteils – ähnlich wie beim Sandstrahlen – mit Trockeneispartikeln beaufschlagt. Trockeneis ist gefrorenes Kohlenstoffdioxid bei –78,5 °C.

Im Rahmen der Erfindung bildet sich durch Umklappen des Restaustenits Martensit. Die Kältebehandlung verleiht entweder den beaufschlagten Oberflächen oder bei einer Volumenhärtung dem gesamten Bauteil eine außergewöhnliche Härte bei nur wenig verminderter Duktilität. Dieses gilt besonders, wenn ein Gussteil aus Gusseisen mit ferritischem Grundgefüge mit einem Restaustenitgehalt von zumindest 10 % verwendet wird. Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen ein Gussteil aus Gusseisen mit einem Restaustenitgehalt von zumindest 20 %, vorzugsweise zumindest 25 % verwendet wird. Insofern ist es zweckmäßig, wenn der Restaustenitgehalt 10 % bis 50 %, z. B. 20 % bis 40 % beträgt.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass sich nicht nur Bauteile aus Stahl, sondern auch Bauteile aus Gusseisen im Wege einer Kältebehandlung härten lassen, wenn nämlich Bauteile aus einem austenitisch-ferritischen Gusseisen mit z. B. Kugelgraphit verwendet werden. Solche Werkstoffe aus restaustenitischem Gusseisen sind durch eine Kältebehandlung härtbar.

Überraschenderweise erfolgt im Zuge der Kältebehandlung durch Direktkontakt mit einem Kältemittel, z. B. mit flüssigem Stickstoff, keine Beschädigung der Gusswerkstücke. Dieses liegt auch daran, dass ein Gusseisen mit ferritischem Grundgefüge eingesetzt wird. Die Kältebehandlung durch Direktkontakt ermöglicht eine Oberflächenhärtung oder alternativ auch eine Volumenhärtung mit geringem apparativen Aufwand.

Bei dem Gusswerkstoff kann es sich insbesondere um bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit oder auch um ADI (Austempered Ductile Iron) handeln. Derartige Gussteile können insbesondere durch eine geeignete Wärmebehandlung oder auch durch eine geeignete Temperaturführung beim Abkühlen aus dem Gießzustand hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Härtung durch Kältebehandlung schließt sich ggf. an eine Wärmebehandlung nach einer Abkühlung auf z. B. Raumtemperatur an. Das für eine erfolgreiche Härtung durch Kältebehandlung erforderliche Gefüge lässt sich grundsätzlich auch ohne vorhergehende Wärmebehandlung erzeugen, solange ein Gusseisen mit ferritischem Grundgefüge und ausreichendem Restaustenitgehalt vorliegt.

Von besonderer Bedeutung ist ferner die Tatsache, dass im Rahmen der Erfindung das Gussteil im Zuge einer beanspruchenden Verwendung nach vorgegebener Zeit erneut und sogar mehrfach wiederholt einer Kältebehandlung unterzogen werden kann. So besteht grundsätzlich die Möglichkeit, dass beispielsweise ein einer Beanspruchung unterliegendes Werkzeug, z. B. ein Meißel, in vorgegebenen Zeitabständen während seiner Verwendung in ein Kältemittelbad, z. B. in einen Behälter mit flüssigem Stickstoff eingetaucht und auf diese Weise nachgehärtet wird. Es ist folglich im Rahmen der Erfindung unproblematisch, wenn es im Zuge der Kältebehandlung zu einer gewissen Versprödung der Oberflächenbereiche kommt, da nach gewisser Zeit eine Nachbehandlung im Wege eines Nachhärtens erfolgen kann. Hinzu kommt, dass das Gussteil im Zuge einer beanspruchenden Verwendung einer Selbsthärtung durch schlagende und/oder stoßende oder auch durch Druckbeanspruchung unterzogen wird. Selbst wenn es evtl. zu Rissbildungen kommt, so erfolgt gleichsam im Wege einer Autofrettage eine Selbsthärtung.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden 1 und 2 erläutert. Es zeigen
1 schematisch den Vergütungsprozess eines Gussteils durch Erzeugung eines bainitischen Gefüges,
2 beispielhaft Härtegrade eines Gussteils nach erfolgter Kältebehandlung und
3 schematisch einen Vergütungs- bzw. Herstellungsprozess eines Gussteils in abgewandelter Ausführungsform.
Die im Zuge der Fertigung zunächst eventuell erfolgende Vergütung des Gussteils, d. h. die Erzeugung eines Gussteils mit bainitischem Gefüge soll anhand der 1 erläutert werden. 1 zeigt dabei die Temperatur des Gussteils als Funktion der Zeit am Beispiel eines Gussteils einer Wandstärke von 250 mm. Es ist erkennbar, dass – ausgehend von Raumtemperatur – am Punkt A zunächst eine Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 800 °C und 900 °C an dem Punkt B erfolgt. Bei dem Gussteil mit einer Wandstärke von 250 mm erfolgt diese Erwärmung in einem Zeitraum über in etwa 10 Stunden. Der Steigungswinkel α des Temperaturverlaufs ist angedeutet. Anschließend wird die Temperatur über einen Zeitraum von 2 bis 5 Stunden auf diesem Niveau gehalten (Punkt C). Danach erfolgt eine Abkühlung auf eine Temperatur zwischen 350 °C und 400 °C, und zwar in einem Zeitraum von 3 bis 6 Stunden auf den Punkt D' bzw. D. Der Steigungswinkel beträgt hier z. B. –α. Beim Halten auf diesem Niveau von 350 bis 400 °C erfolgt die Umwandlung von Austenit in Bainit. Angestrebt wird dabei ein Restaustenitgehalt von 20 bis 30 %.
Restaustenit wirkt einerseits selbsthärtend und kann andererseits in situ gehärtet werden. Die minimale Haltezeit beträgt in etwa 3 Stunden. Im Ausführungsbeispiel erfolgt dann nach einer Haltezeit von 3 Stunden bis zu 6 Stunden eine weitere Abkühlung auf Raumtemperatur, und zwar über einen Zeitraum von mehr als 5 Stunden. Der Steigungswinkel –β des Temperaturverlaufs ist angedeutet. Bei Gussteilen mit geringerer Wandstärke verlaufen die angegebenen Prozesse entsprechend kürzer. Wird beispielsweise ein Gussteil mit einer Wandstärke von 25 mm hergestellt, so erfolgt die Erwärmung von Punkt A zu Punkt B in etwa in einer Stunde.
Nach der fertigen Herstellung und Abkühlung des Gussteils erfolgt nun im Rahmen der Erfindung die Härtung z. B. in einem Stickstoffbad bei Temperaturen von etwa minus 195 °C. Die Ergebnisse sind beispielhaft in 2 dargestellt. Dort ist die Härte HV (Vickers-Härte) in Abhängigkeit von dem Abstand d von der Oberfläche des gehärteten Gussteils aufgetragen. Es ist erkennbar, dass unmittelbar im Bereich der Oberfläche eine Härte HV von ca. 400 bis 450 erreicht wird. Im Bereich von 2 mm unterhalb der Oberfläche werden noch Härtewerte von HV 300 erreicht. Nach entsprechendem Verschleiß im Zuge der Verwendung des Gussteils kann dann die "freigesetzte" Oberfläche nachgehärtet werden.
Das Ausführungsbeispiel nach 1 betrifft beispielhaft die Herstellung und das Härten eines Gussteils aus bainitischem Gusseisen, welches – vor dem Härten durch Kältebehandlung – einem Vergütungsprozess durch Wärmebehandlung und entsprechendes Abkühlen auf Raumtemperatur unterzogen wird. Der erfindungsgemäße Härteprozess lässt sich jedoch auch an anderen Bauteilen mit einem ausreichenden Restaustenitgehalt erfolgreich durchführen. Entsprechende Versuche bei Bauteilen mit einem Restaustenitgehalt von mindestens 25 % ergaben durch die Kältebehandlung eine Matrixhärte von 44 Rockwell C. Dieses entspricht einer Vickers-Härte HV von ca. 440. Erfindungsgemäß werden Matrixhärten von 40 bis 50 Rockwell C erreicht, was einer Vickers-Härte HV von ca. 390 bis 510 entspricht. Eine anschließende Wärmebehandlung ist nicht erforderlich.
In 3 sind verschiedene Möglichkeiten zur Ausbildung von geeigneten Gefügen dargestellt. Das Bauteil kann von einer beliebigen Temperatur in den Bereich der Austenitisierungstemperatur Au aufgeheizt werden. Es ist aber ebenfalls möglich, die Gießhitze auszunutzen und entlang der gestrichelten Linie G die Wärmebehandlung in Situ zu starten. Dabei ist es wichtig, die Temperatur so schnell abzusenken, dass die Perlitzone Pe nicht durchfahren wird. Die Abkühlgeschwindigkeit muss an geeigneter Stelle so weit verlangsamt werden, dass sich Ausferrit Af bilden kann. Das Prozessfenster P erstreckt sich in 3 von a nach b. Wird die Temperatur dann sofort weiter abgesenkt entsteht ADI. Ansonsten scheiden sich beim Durchfahren der Bainitzone Ba nach und nach Eisenkarbide aus und man erhält bainitisches Gusseisen. Die Abkühlung auf Raumtemperatur nach der Bainitisierung ist unkritisch und daher auch nicht besonders dargestellt. Zur Vermeidung der Bainitbildung muss bei der Herstellung von ADI lediglich darauf geachtet werden, dass die Temperatur ausreichend schnell abgesenkt wird.
ADI (Austempered Ductile Iron) meint im Rahmen der Erfindung ein duktiles Gusseisen, welches durch eine (separate) kontrollierte Wärmebehandlung oder durch eine kontrollierte Abkühlung aus der Gießhitze erzeugt wurde. Daraus resultiert eine Mikrostruktur der Matrix, die überwiegend aus nadeligem Ferrit und hochkohlenstoffhaltigem Austenit besteht.
Ausferrit meint im Rahmen der Erfindung ein Gefüge in einem Gusseisen, welches vorwiegend aus nadeligem Ferrit und hochkohlenstoffhaltigem Austenit besteht und üblicherweise das Ergebnis einer Wärmebehandlung ist.

Claims

Verfahren zum Härten eines Gussteils, wobei ein Gussteil aus Gusseisen mit Restaustenit verwendet wird und wobei das Gussteil nach der Herstellung zumindest bereichsweise einer Kältebehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gussteil im Zuge der Kältebehandlung zumindest bereichsweise mit einem Kältemittel beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Gussteil zumindest bereichsweise in ein z. B. flüssiges Kältemittel eingetaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Kältemittel eine Temperatur von weniger als –50 °C, z. B. weniger als –100 °C, vorzugsweise weniger als –150 °C, besonders bevorzugt weniger als –190 °C aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei als Kältemittel flüssiger Stickstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Gussteil aus Gusseisen mit ferritischem Grundgefüge und einem Restaustenitgehalt von zumindest 10 % verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Restaustenitgehalt zumindest 20 %, vorzugsweise zumindest 25 % beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Gussteil aus Gusseisen mit ferritischem Grundgefüge und einem Restaustenitgehalt von 10 % bis 50 %, z. B. 20 % bis 40 %, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Gussteil aus bainitischem Gusseisen mit Kugelgraphit oder aus ADI verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Gussteil im Zuge einer beanspruchenden Verwendung nach vorgegebener Zeit erneut bzw. wiederholt einer Kältebehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Gussteil im Zuge einer beanspruchenden Verwendung einer Selbsthärtung durch schlagende und/oder stoßende Beanspruchung unterzogen wird.