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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
hochfesten duktilen Gussteils aus einer Gusseisenlegierung mit Kugelgraphit
und eine hochfeste, duktile Gusseisenlegierung mit Kugelgraphit.
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Konventionelles
Gusseisen mit Kugelgraphit, sowie ausferritische Gusseisen- bzw.
ADI-(Austtempered duktile Iron) Erzeugnisse sind im Stand der Technik
gut bekannt, wie auch Verfahren zur Herstellung entsprechender Erzeugnisse.
Konventionelles Gusseisen mit Kugelgraphit wird unter anderem in
der Automobilindustrie eingesetzt, wohingegen die ADI-Erzeugnisse
in erster Linie für spezielle Produkte eingesetzt werden, z.
B. in Fahrzeugen für die Kurbelwelle. Das konventionelle
Gusseisen mit Kugelgraphit wird im Allgemeinen durch Gießen
einer duktilen Eisenzusammensetzung ohne zwingend zusätzliche
Wärmebehandlung hergestellt. Durch die Auswahl der Zusammensetzung,
insbesondere der Legierungselemente, wie auch durch das ausgewählte
Herstellungsverfahren, kann die Mikrostruktur des erzielten Gusseisens
beeinflusst werden, um so die Eigenschaften der Produkte in Bezug
auf die Zugfestigkeit, die 0,2% Dehngrenze, wie auch die Bruchdehnungswerte
zu beeinflussen.
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Typische
konventionelle Gusseisen mit Kugelgraphit, die eine gute Kombination
von Festigkeit und Zähigkeit erfordern, weisen in der Regel
eine ferritisch-perlitische Mikrostruktur auf, und keine im wesentlichen perlitische
Mikrostruktur. Die ferritisch-perlitische Mikrostruktur weist überragende
mechanischen Eigenschaften gegenüber einer im Wesentlichen
perlitischen Mikrostruktur auf, wenn die duktile Eisenzusammensetzung gegossen
wird, ohne die duktile Eisenzusammensetzung einer weiteren nachfolgenden
Wärmebehandlung zu unterwerfen. Alternativ können
entsprechende Erzeugnisse durch Normalisieren oder Abschrecken und
Tempern wärmebehandelt werden. Hierbei ist zu berücksichtigen,
dass konventionelles Gusseisen mit Kugelgraphit in der Regel ab
einer bestimmten Wandstärke das nicht gewünschte
Perlit bildet.
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Gusseisen
mit ausferritischer Grundmasse werden mit einer speziellen Wärmebehandlung
hergestellt und besitzen bei gleicher Bruchdehnung eine doppelt
so hohe Festigkeit und Dauerfestigkeit wie konventionelles Gusseisen
mit Kugelgraphit, sowie eine deutliche höhere Verschleißfestigkeit.
Um diese günstigen Eigenschaftskombinationen zu erreichen,
müs sen sowohl die Ausbildung der Primärstruktur,
d. h. die Ausbildung des Erstarrungsgefüges, als auch die
der im Allgemeinen durch Wärmebehandlung eingestellten
metallischen Grundmasse treffsicher beherrscht und eingestellt werden.
Ziel der Wärmebehandlung ist die Einstellung eines Gefüges
aus nadeligem Ferrit in einer mit Kohlenstoff übersättigten
Austenitmatrix.
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Trotz
der überragenden Eigenschaften der ADI-Gusslegierung ist
der Einsatz dieses Materials aufgrund der aufwendigen Herstellung
auf Einzelteile in der Maschinenbau- und Fahrzeugindustrie beschränkt, da
die Herstellung entsprechender Teile mit hohen Kosten verbunden
ist, und das ADI-Verfahren nur bedingt auch für Serienproduktion
im großen Umfang geeignet ist. Hierbei ist zusätzlich
zu berücksichtigen, dass ADI-Gusslegierungen im wärmebehandelten
Zustand hinsichtlich der Bearbeitbarkeit in der Praxis sehr problematisch
sind.
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Aufgrund
der heutzutage immer steigenden Anforderungen an die Materialien
der einzelnen Produkte richtet sich die derzeitige Forschung insbesondere
auf die Entwicklung von Materialien mit besonders guten Eigenschaften
in Bezug auf die Festigkeit, Dauerfestigkeit sowie Verschleißfestigkeit
und Bearbeitbarkeit, wobei ein Hauptaugenmerk der Verbesserung des
Verfahrens zur Herstellung von ADI Erzeugnissen gilt, um das Verfahren
kostengünstiger und zuverlässiger durchzuführen.
Gleichermaßen besteht immer die Forderung nach besseren
Werkstoffeigenschaften.
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So
beschreibt die
US 7,070,666 ein
bearbeitbares ausferritisches Gusseisenerzeugnis mit verbesserter
Bearbeitbarkeit, Ermüdungseigenschaften, sowie ein Verfahren
zur Herstellung derselben. Bei dem beschriebenen Verfahren wird
der ausferritische Gusseisenartikel aus einer Eisenzusammensetzung
hergestellt, mit einer im Wesentlichen perlitischen Mikrostruktur,
welche Kohlenstoff, Silizium, Nickel, Kupfer und Molybdän umfasst,
wobei die Ausgangszusammensetzung zunächst in einem Temperaturbereich
von 750°C bis 815°C über eine Zeitraum
von wenigstens 10 Minuten austenisiert wird, um eine ferritische
plus austenitische Mikrostruktur zu erzielen. Die erhaltene Mikrostruktur
wird mit einer Rate abgeschreckt, die die Bildung von Perlit verhindert.
Anschließend wird die erzielte Mikrostruktur in einem Temperaturbereich
von 300°C bis 400°C über einen Zeitraum
von wenigstens 8 Minuten behandelt, um eine Mikrostruktur aus einer
kontinuierlichen Matrix aus Ferrit mit Inseln an Austenit zu erzielen.
Abschließend wird die Mikrostruktur mit der kontinuierlichen
Ferritmatrix und Inseln aus Austenit auf Umgebungstemperatur abgekühlt.
Durch die zusätzlichen Wärmebehandlungsschritte
ist es möglich, die Eigenschaften des Ausgangsmaterials deutlich
zu verbessern, des weiteren wird auch der Einfluss der Temperatur
während der Wärmebehandlung kritisch untersucht.
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Zwar
zeigen die gemäß des dort beschriebenen Verfahrens
hergestellten ADI-Erzeugnisse verbesserte Eigenschaften, das Verfahren
ist jedoch aufgrund der Vielzahl der zusätzlichen Verfahrensschritte,
wie auch des erheblichen Einflusses der einzelnen Parameter auf
die Eigenschaften, aufwendig in der Durchführung und mit
hohen Kosten verbunden.
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Ferner
ist aus der
EP0018445 ein
Gusseisen mit Kugelgraphit mit austenitisch-bainitischem Mischgefüge
und ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben. Ziel der Druckschrift
ist es ein Gusseisenmaterial bereitzustellen, mit für die
Anwendung verbesserten Werkstoffwerten. Um dieses Ziel zu erreichen,
wird eine Zusammensetzung umfassend weniger als 0,3% Mangan, 0,26
bis 0,8% Molybdän, ggf. 0,1 bis 1,5% Kupfer und ggf. bis
3% Nickel eingesetzt, das Gussstück auf eine Austenitisierungstemperatur
von 800 bis 860°C gebracht, 10 bis 60 Minuten auf dieser
Temperatur gehalten, danach in einer Zeit von weniger als 2 Minuten
auf die Bainitisierungstemperatur abgekühlt und 5 bis 60
Minuten auf dieser Temperatur gehalten.
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Aus
der
DE 698 35 099
T2 ist ferner eine Kugelgraphitgusseisenlegierung mit Molybdän
und ein daraus hergestellter Rotor für eine Scheibenbremse
bekannt. Die beschriebene Legierung enthält 1,5 bis 4,5% Kohlenstoff,
1,5 bis 4,5% Silizium, 1,2 bis 6,5% Molybdän, wahlweise
Nickel und/oder Kupfer, wobei (% Molybdän und % Nickel
und % Kupfer) 6,5 nicht übersteigt, ein spheroisierendes
Mittel, welches in der Eisenlegierung mit bis zu 0,2% vorliegt,
sowie Chrom, Mangan, Vanadium und Seltenerdmetalle. Das Herstellungsverfahren
umfasst das Bereitstellen einer Schmelze und Gießen der
Schmelze. Die Mikrostruktur des erhaltenen Materials umfasst Kugelgraphit
in Verbindung mit Ferrit-, Perlit- und komplexen Karbidbestandteilen,
wobei ca. 20% der Mikrostruktur von dem Perlit gebildet werden.
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Aus
der
DE 10309386 ist
ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Gußeisenwerkstoffes
mit gezielten Restkarbitanteil bekannt, wobei die Schmelze Kohlenstoff,
Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Chrom, Vanadium und Kupfer
enthält und eine perlitische Matrix mit maximal 5 Gew.-%
Ferritanteilen, 2 bis 25 Gew.-% Restkarbiden umfasst. Hierbei wird
zunächst eine Schmelze hergestellt, ein aus der Schmelze
gebildeter rotglühender Rohling in einen Ofen mit einer
Temperatur in einem Bereich von 950 bis 1100°C überführt,
und der Rohling in dem Ofen getempert und perlitisiert. Das Graphit
liegt in diesem Werkstoff als temperakohleartige Graphitausbildung
vor. Kein Hinweis findet sich in dieser Druckschrift über
die von dem so erzeugten Produkt erzielten Eigenschaften.
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Ferner
beschreibt die
US 2005/018943 ein
Verfahren zur Herstellung von Gusseisenteilen mit Kugelgraphit,
welche im flüssigen Zustand eine Zusammensetzung aufweisen,
umfassend 3 bis 4% C, 1,7 bis 3% Si, 0,1 bis 0,7% Mn, 0–4%
Ni, 0–1,5% Cu, 0–0,5% Mo. Die entsprechende Schmelze
wird bei einer Temperatur in dem Bereich von 1.350°C bis
1.550°C in eine Form gegossen, der Gießkörper
aus der Form bei einer Temperatur zwischen der Solidus-Temperatur
und AR3 entnommen, und der Gießkörper bei einer
Temperatur in dem Bereich von 1.050°C bis zu AR3 Temperatur
geformt und auf eine Temperatur in dem Bereich von 260°C bis
420°C abgekühlt. Durch das Verfahren kann ein
Gusseisen mit Kugelgraphit je nach Durchführung des Verfahrens
mit einem im Wesentlichen bainitischen, im Wesentlichen ferritischen,
im Wesentlichen perlitischen oder ferritisch-perlitischem Gefüge
hergestellt werden. Hierbei wird insbesondere aus Tab. 4 deutlich,
dass sich ein entsprechendes Gusseisen mit perlitischem Gefüge
durch schlechte Bruchdehnungswerte im Vergleich mit dem ferritischen
Gefüge auszeichnet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein kostengünstiges,
hochfestes, duktiles Gusseisen mit Kugelgraphit bereit zu stellen.
Ferner ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung eines entsprechenden Gusseisens bereitzustellen,
welches besonders kostengünstig durchzuführen
ist.
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Diese
Aufgabe wird in Bezug auf das Verfahren gelöst durch ein
Verfahren zur Herstellung eines duktilen und hochfesten Gusseisens
umfassend 3,1 bis 3,6 Gew.-% Kohlenstoff, 2,2 bis 3,5 Gew.-% Silizium,
bis zu 0,3 Gew.-% Mangan, weniger als 0,03 Gew.-% Phosphor, weniger
als 0,01 Gew.-% Schwefel, 0,03 bis 0,07 Gew.-% Magnesium, 0,30 bis
0,85 Gew.-% Kupfer, 1,0 bis 2,0 Gew.-% Nickel, 0,04 bis 0,07 Gew.-%
Chrom, Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen und
Spurenelemente, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Vollständiges Aufschmelzen und Aufheizen der Ausgangsstoffe
auf 1.400°C, Überhitzen der Schmelze zur Einstellung
eines reproduzierbaren Sauerstoffgehaltes, Abstehenlassen, Abschlacken,
Einstellen der Abstichtemperatur, Abstechen einschließlich
einer Magnesiumbehandlung, erneutes Abschlacken, Gießen
der Schmelze in Sandformen, und Ausformen der Gusslegierung unterhalb
der eutektoiden Temperatur nach vollständiger Austenitumwandlung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch
ein Minimum an notwendige Verfahrensschritten aus, die zudem keine
aufwendigen zusätzlichen Verfahrensmaßnahmen,
insbesondere keine zusätzliche Wärmebehandlung,
notwendig machen. Ferner sind zur Durchführung des Verfahrens
keine zusätzlichen Vorrichtungen notwendig, sondern das
Verfahren kann an bereits existierenden Ofen- und Gießanlagen
durchgeführt werden. Entsprechend hergestellte Produkte
zeichnen sich durch eine besonders gute Kombination ihrer Eigenschaften,
insbesondere Festigkeit und Zähigkeit, aus, die durchaus
mit den Eigenschaften von ADI-Produkten vergleichbar sind, jedoch
viel kostengünstiger hergestellt werden können.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsformen kann das Verfahren
die Herstellung eines duktilen und hochfesten Gusseisens umfassen,
mit 3,30 bis 3,45 Gew.-% Kohlenstoff, 2,3 bis 2,45 Gew.-% Silizium,
0,2 bis 0,3 Gew.-% Mangan, weniger als 0,03 Gew.-% Phosphor, weniger
als 0,01 Gew.-% Schwefel, 0,035 bis 0,05 Gew.-% Magnesium, 0,7 bis
0,85 Gew.-% Kupfer, 1,3 bis 1,8 Gew.-% Nickel, 0,04 bis 0,07 Gew.-%
Chrom, Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen und
Spurenelemente. Eine entsprechende Gusslegierung zeichnet sich durch
eine besonders gute Kombination von Festigkeit und Zähigkeit
aus.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform kann vor bzw. bei
dem Gießen der Schmelze die Schmelze mit wenigstens einem
Impfmittel behandelt werden. Vorzugsweise kann hierbei ein Impfmittel
in das fließende Metall eingeführt werden und/oder
Inmould-Impfung durchgeführt werden. Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform kann ein Impfmittel
in Form einer Pfannenimpfung und/oder Gießstrahlimpfung
und ein zweites, unterschiedliches Impfmittel in Form einer Inmould-Impfung
eingesetzt werden.
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Durch
den Einsatz von Impfmitteln können zusätzliche
Keime im Gusseisen mit Kugelgraphit geschaffen werden und so die
Graphitkugelzahl erhöht werden und die Nodularität
verbessert werden. Gleichzeitig kann die Karbidbildung verringert
werden.
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Vorteilhafterweise
weist das in das fließende Metall eingeführte
Impfmittel, welches z. B. zur Pfannenimpfung oder zur Gießstrahlimpfung
eingesetzt wird, 62 bis 76% Silizium, 0,7 bis 1,5% Aluminium, 0,5
bis 2,0% Calcium, 0 bis 2,5% Cer, 0 bis 6,7 Gew.-% Zirkonium und
0–6,7% Mangan auf. Ein entsprechendes Impfmittel hat sich
als besonders geeignet erwiesen. Besonders gute Ergebnisse wurden
hierbei mit einem Impfmittel erhalten umfassend 70 bis 76% Silizium,
0,75 bis 1,25% Calcium, 1,5 bis 2,5% Cer und 0,75 bis 1,25% Aluminium.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Inmould-Impfmittel
65 bis 76% Silizium, 3,2 bis 5,0% Aluminium, 0,3 bis 1,5% Calcium,
sowie 0 bis 1,7% Zirkonium umfassen. Ein bevorzugtes Impfmittel
enthält 65 bis 75% Silizium, 3,3 bis 5,0% Aluminium, 0,5
bis 1,5% Calcium, sowie 0,7 bis 1,7% Zirkonium.
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Durch
die Kombination zweier unterschiedlicher Impfmittel ist es möglich,
einige Spurenelemente in die Schmelze einzubringen und so die Gefügeausbildung
positiv zu beeinflussen.
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Vorteilhafterweise
wird hierbei 0,1 bis 0,7 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 0,4% Gew.-%
des ersten Impfmittels in Bezug auf das Gesamtgewicht der Schmelze
eingesetzt. Eine entsprechende Menge hat sich in der Praxis als
besonders geeignet erwiesen.
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Ferner
kann das zweite Impfmittel mit 0,05 bis 0,15 Gew.-%, insbesondere
0,09 bis 0,11 Gew.-% in Bezug auf das Gesamtgewicht der Schmelze
eingesetzt werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Schmelze
auf 1.500 bis 1.550°C überhitzt. Ein entsprechender
Wert hat sich als geeignet erwiesen, einen reproduzierbaren Sauerstoffgehalt
einzustellen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführung zur Form wird die Abstichtemperatur
durch Zugabe von Kühlschrott der gleichen chemischen Zusammensetzung
eingestellt. Hierdurch kann die Abstichtemperatur gezielt eingestellt
werden. Gleichzeitig ist es möglich, Produktionsabfälle
aus anderen Verfahren einzusetzen, so dass sich die Kosten der Rohstoffe
verringern.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Abkühlen
der Schmelze in der Sandform und/oder nach der Entformung mit einer
Temperatur, welche die Einstellung eines im Wesentlichen perlitischen
Gefüge sicherstellt. Hierbei soll die Umwandlung zum Perlit
noch in der Form erfolgen, um eine Reproduzierbarkeit der Eigenschaften
sicherzustellen. Das Gussteil kann nach der Ausformung an Luft abgekühlt werden,
so dass hier auf kostspielige Abkühlverfahren, z. B. Abschrecken,
oder zusätzliche Verfahrensschritte verzichtet werden kann.
Gleichermaßen ist es jedoch je nach späterer Verwendung
des Gussteils möglich, die Abkühlung zu beeinflussen,
z. B. durch Einsatz von Kühlkokillen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein hochfestes, duktiles
Gusseisen mit Kugelgraphit gelöst, umfassend 3,1 bis 3,6
Gew.-% Kohlenstoff, 2,2 bis 3,5 Gew.-% Silizium, bis zu 0,3 Gew.-%
Mangan, weniger als 0,03 Gew.-% Phosphor, weniger als 0,01 Gew.-%
Schwefel, 0,03 bis 0,07 Gew.-% Magnesium, 0,30 bis 0,85 Gew.-% Kupfer,
1,0 bis 2,0 Gew.-% Nickel, 0,04 bis 0,07 Gew.-% Chrom, Rest Eisen
sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen und Spurenelemente.
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Eine
entsprechende Legierung zeichnet sich durch hohe Festigkeit und
Zähigkeit aus, wobei kostengünstige Legierungselemente
zur Erzielung des Gusseisens eingesetzt werden, so dass das Gusseisen
relativ kostengünstig erhalten werden kann. Hierbei sind
die Mengen der einzelnen Legierungsbestandteile optimal eingestellt
um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten.
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Ohne
an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein nimmt man an, dass hier
insbesondere der gemeinsame Einsatz von Silizium, Kupfer, Nickel
in Verbindung mit Mangan und Magnesium zu den vorteilhaften Eigenschaften
führt. Hierbei dient der Siliziumanteil zur Verfestigung
des Ferrits, welcher als Ferritlamellen als Bestandteil des Perlits
wirksam ist. Das Kupfer hat eine stark perlitisierende Wirkung,
wodurch es möglich wird ein weitgehend oder vollständig
perlitisches Gusseisen herzustellen. Nickel wird zur Verfeinerung
des Perlits verwendet, und hat damit eine festigkeitssteigernde
Wirkung ohne signifikanten Verlust an Zähigkeit. Mangan dient
ebenfalls als Perliststabilisator, wobei jedoch nur begrenzte Werte
eingesetzt werden, um die Bildung versprödender Korngrenzenkarbide
zu vermeiden. Magnesium unterstützt die Ausbildung von
Kugelgraphit und reduziert damit die Kerbwirkung des Graphits.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform kann das duktile und hochfeste
Gusseisens 3,30 bis 3,45 Gew.-% Kohlenstoff, 2,3 bis 2,45 Gew.-%
Silizium, 0,2 bis 0,3 Gew.-% Mangan, weniger als 0,03 Gew.-% Phosphor,
weniger als 0,01 Gew.-% Schwefel, 0,035 bis 0,05 Gew.-% Magnesium,
0,7 bis 0,85 Gew.-% Kupfer, 1,3 bis 1,8 Gew.-% Nickel, 0,04 bis
0,07 Gew.-% Chrom, Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen
und Spurenelemente umfassen. Eine entsprechende Legierung hat in
der Praxis besonders gute mechanischen Eigenschaften, insbesondere
eine optimale Kombination von Zähigkeit und Festigkeit,
gezeigt.
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Vorteilhafterweise
kann das hochfestes, duktiles Gusseisen mit Kugelgraphit im Gusszustand
eine Zugfestigkeit Rm von wenigstens 900 MPa, vorzugsweise 930 MPa
und beson ders bevorzugt 950 Mpa, und eine Bruchdehnung A5 von wenigstens 6% aufweisen. Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform kann das hochfeste,
duktile Gusseisen im Gusszustand eine Zugfestigkeit Rm von 900 MPa,
vorzugsweise 930 MPa und besonders bevorzugt 950 MPa, eine Dehngrenze
Rp0,2 von wenigstens 550 MPa und/oder eine Bruchdehnung
A5 von wenigstens 6,25% aufweisen. Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Gusseisen
eine Dehngrenze Rp0,2 von wenigstens 600
MPa und/oder eine Bruchdehnung A5 von wenigstens
6,5% aufweisen. Entsprechende Eigenschaften konnten bisher lediglich
von einer ADI Legierung bereitgestellt werden, nicht jedoch von
einem von einem Gusseisen mit Kugelgraphit und einem perlitischen
Gefüge. Eine entsprechende Legierung kann auch aufgrund
der im Vergleich zu der ADI-Legierung sehr viel kostengünstigen
Herstellung vielseitiger eingesetzt werden und insbesondere für
Anwendungen genutzt werden, für welches die ADI-Legierung
aus Kostengründen nicht verwendet werden konnte, so dass
man bisher in Bezug auf die Eigenschaften der gewählten
Gusserzeugnisse immer Kompromisse eingehen musste.
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Gemäß einer
weitern bevorzugten Ausführungsform kann das Gusseisen
ein im Wesentlichen perlitisches Gefüge aufweisen, wobei
der Perlitanteil mehr als 70%, vorzugsweise mehr als 80%, besonders
bevorzugt mehr als 85% beträgt, Rest Ferrit. Das bereitgestellte
Gusseisen mit perlitischem Gefüge zeichnet sich sowohl
durch eine gute Festigkeit wie auch gute Zähigkeit aus.
Hierbei kann das perlitische Gefüge trotz des relativ hohen
Siliziumgehaltes, welches bekanntermaßen als Ferritstabilisator
wirkt, erzielt werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Gusseisen
eine Sphärolithendichte von wenigstens 80 bis 100, besonders
bevorzugt 150 bis 250 auf. Das erfindungsgemäße
Gusseisen zeichnet sich durch ein besonders gleichmäßiges
Gefüge aus, welches durch die gezielt eingestellte Zusammensetzung,
sowie die Sphärolithendichte beeinflussbar ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Legierung
durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich.
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Im
Gegensatz zu der bisher im Stand der Technik herrschenden Auffassung,
ist es mit der erfindungsgemäßen Legierung, sowie
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erstmalig
gelungen, ein kostengünstiges, hochfestes, duktiles Gusseisen
mit Kugelgraphit bereitzustellen, welches eine gute Kombination
von Festigkeit und Zähigkeit bereitstellt, ohne dass aufwendige
separate Wärmebehandlungen, wie z. B. bei den ausferritischen
Gusseisen, not wendig werden. Hierbei ist insbesondere bemerkenswert,
dass bisher im Stand der Technik davon ausgegangen wurde und auch
durch Versuche nachgewiesen wurde, dass perlitische Gusseisen mit Legierungszusammensetzungen,
die in der Nähe der erfindungsgemäßen
Legierung liegen, weder eine ausreichende Festigkeit noch eine ausreichende
Zähigkeit bereitstellen, so dass ausgehend von diesen Materialien
zusätzliche Wärmebehandlungen durchgeführt
wurden um die Materialien mit gezielten Eigenschaften zu versehen.
Zumindest wurde bisher jedoch das Augenmerk insbesondere auf ausferritische
Legierungen gelegt, welche wenigstens eine ausreichende Festigkeit
bereitstellen konnten.
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Um
so überraschender war es, dass durch die gezielte Auswahl
der einzelnen Bestandteile sowie deren Mischungsverhältnis
zueinander wie auch durch die konkret eingesetzten Verfahrensschritte
sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Zähigkeit
in Kombination mit einem perlitischen Gefüge erzielt werden konnte.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass es gerade auf dem
Gebiet entsprechender Legierungen eine intensive Forschung gibt.
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Nachfolgend
wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
Legierung im Einzelnen beschrieben.
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Bei
der eingesetzten Form handelt es sich um eine Sandgussform aus Nassgusssand
für die überwiegende Fläche der Außenkontur
sowie herkömmliche Kernsande für die Geometrie
der Innenkontur.
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Als
Ausgangsmaterialien wurden zunächst Stahlschrott und/oder
Roheisen, Kohlenstoff, SiC und Quarzsand eingefüllt, gefolgt
von der Zugabe von Stahlschrott sowie den restlichen Legierungselementen.
Die Ausgangsstoffe wurden zunächst vollständig
aufgeschmolzen und auf eine Temperatur bis zu 1.400°C unter Überwachung
der Temperatur aufgeheizt. Die erhaltene Schmelze wurde mittels
Spektrometer chemisch analysiert. Je nach erhaltener Analyse wurde
die Zusammensetzung so lange korrigiert, bis eine Zielzusammensetzung
ermittelt werden konnte.
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Eine
beispielhafte Zielanalyse der Schmelze umfasst 3,45% Kohlenstoff,
1,4% Silizium, weniger als 0,3% Mangan, weniger als 0,035% Phosphor,
weniger als 0,01% Schwefel, 0,8% Kupfer, weniger als 0,003% Magnesium,
weniger als 0,05% Chrom, weniger als 1,6% Nickel, weniger als 0,002%
Blei, weniger als 0,015 Aluminium, weniger als 0,01% Titan, weniger
als 0,01% Sn, weniger als 0,01% V, weniger als 0,01% Zn, weniger
als 0,002% Bi, weniger als 0,03% Se, weniger als 0,02% Te, weniger
als 0,03% Ce, weniger als 0,002% Sb.
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Anschließend
wurde die Schmelze auf 1.510°C überhitzt, um einen
reproduzierbaren Sauerstoffgehalt einzustellen, gefolgt von einem
Abstehenlassen für 3 Minuten. Nach dem Abschlaken wurde
die Abstichtemperatur von 1.480°C eingestellt. Zum Einstellen
der Abstichtemperatur wurde hierbei Kreislaufmaterial der gleichen
chemischen Zusammensetzung zugegeben. Nach dem Durchführen
einer Magnesiumbehandlung wurde beim Umschütten der Schmelze
von der Behandlungspfanne in die Vergießeinrichtung ein
erstes Impfmittel zugesetzt, wobei hier ein Impfmittel eingesetzt
wurde, welches einen relativ hohen Anteil an Silizium aufweist. Zusätzlich
zu der durchgeführten Pfannenimpfung kann eine Inmould-Impfung
mit einem anderen Impfmittel durchgeführt werden, welches
ebenfalls einen relativ hohen Anteil an Silizium enthalten kann.
Durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Impfmittel ist es
hierbei möglich, eine besonders gute Impfung zu erzielen und
gleichzeitig Spurenelemente in die Schmelze einzuführen.
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Hierbei
wird die Inmould-Impfung insbesondere bei der Herstellung dickwandiger
Bauteile eingesetzt, um ein feines Gefüge und eine entsprechend
geringere Ausbildung von Seigerungsprofilen zu erreichen.
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Die
Abkühlung der Schmelze erfolgte in der Sandform mit den
im Eisen-Sandguss üblichen Abkühlgeschwindigkeiten.
Hierbei hängen die exakten Geschwindigkeiten, wie Fachleuten
auf diesem Gebiet bekannt sind, stark von der Geometrie der Bauteile,
wie auch des Formstoffs. Während des Abkühlens
können zusätzlich Kühlkokillen eingesetzt
werden, um die Abkühlgeschwindigkeit zu beeinflussen.
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Die
Ausformung des Gussteils erfolgt unterhalb der eutektoiden Temperatur
nach vollständiger Austenitumwandlung. Im Mittel liegt
eine durchschnittliche Abkühldauer bei 3 Stunden, wobei
jedoch berücksichtigt werden muss, dass für dickwandige
Bauteile bzw. für sehr dünne Bauteile andere Abkühlzeiten
notwendig werden.
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Einige
Zusammensetzungen der solchermaßen erzielten Gussteile
sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt. Hierbei wurden die
Zusammensetzungen spektrometrisch ermittelt.
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An
den solchermaßen erhaltenen Proben wurden die mechanischen
Kennwerte, d. h. die Zugfestigkeit, Dehngrenze, Bruchdehnung gemessen
und sind in der nachfolgenden Tab. 2 angeführt. Tabelle 2
| Probe
Nr. | Rm
(MPa) | Rp0,2 (MPa) | A(%) |
| 1 | 943 | 630 | 7,12 |
| 2 | 933 | 617 | 7,26 |
| 3 | 970 | 644 | 8,76 |
| 4 | 944 | 635 | 6,48 |
| 5 | 949 | 620 | 8,27 |
| 6 | 950 | 625 | 7,45 |
| 7 | 964 | 646 | 7,87 |
| 8 | 966 | 640 | 8,9 |
| 9 | 946 | 627 | 9,04 |
| 10 | 933 | 613 | 7,26 |
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Es
wird deutlich, dass sich die Gussteile durch hohe Zugfestigkeit,
Dehngrenze sowie auch Bruchdehnung auszeichnen.
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Um
die im Vergleich zu den bekannten Gusslegierungen deutlich verbesserten
Werkstoffeigenschaften deutlicher zu machen, wurden die Eigenschaften
eines vergossenen Standardwerkstoff, d. h.
EN-GJS-700-2 überprüft.
Bei diesem Werkstoff handelt es sich um einen kommerziell erhältlichen
Werkstoff der bereits seit langer Zeit vertrieben wird. In der Tabelle
3 sind die Eigenschaften dieser Legierung zusammengefasst, wobei
die Versuchsanordnung den Versuchen der erfindungsgemäßen
Legierungen entsprach. Tabelle 3
| Probe
Nr. | Rm
(MPa) | Rp0,2 (MPa) | A(%) |
| EN-GJS-700-2 | 700 | 420 | 2 |
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Wie
aus einem der Vergleich der Werte der erfindungsgemäßen
Legierungen gemäß der Tabelle 2 mit den Werten
der bekannten Legierung gemäß Tabelle 3 deutlich
wird, konnte eine beträchtliche Steigerung sämtlicher
Werte, insbesondere der Bruchdehnung bei gleichzeitiger Verbesserung
der Werte der Zugfestigkeit und der Dehngrenze, erzielt werden,
so dass die erfindungsgemäßen Legierungen in Bezug
auf ihre Eigenschaften mit ADI-Legierungen vergleichbar sind, ohne
dass die kostenintensive und aufwendige Wärmebehandlung
erforderlich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 7070666 [0007]
- - EP 0018445 [0009]
- - DE 69835099 T2 [0010]
- - DE 10309386 [0011]
- - US 2005/018943 [0012]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - EN-GJS-700-2 [0048]
- - EN-GJS-700-2 [0048]
