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Verfahren zum Herstellen von hochgekohltem legiertem Stahlguß Die
Erfindung betrifft legierten Stahlguß mit einem Kohlenstoffgehalt von nicht wesentlich
unter 1,30% und nicht wesentlich über 1,65%, welcher im wesentlichen frei von Graphit
ist, d. h. nicht mehr als 0,12% davon enthält, und eine hervorragende Verschleißfestigkeit,
hohe Zugfestigkeit, beträchtliche Kaltbild-"am keit und außerordentliche Widerstandsfähigkeit
gegen Schlag und plötzliche Temperaturveränderungen aufweist und insbesondere zur
Herstellung gegossener Eisenbahnräder u. dgl. geeignet ist.
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Weißes Gußeisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 2,5 bis 3,5% hat bekanntlich
eine hervorragende Verschleißfestigkeit, ist jedoch außerordentlich spröde, da es
ein hartes Zementitnetz enthält, welches sich durch Warmbehandlung allein nicht
völlig auflösen oder in kugeligen Zeinentit umwandeln läßt.
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Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß, wenn inan den Kohlenstoffgehalt
von legiertem Stahlguß zwischen 1,30 und 1,65% hält, im Guß zwar ein sprödes Zementitnetz
gebildet wird, welches sich jedoch mittels des Warinbehandlungsverfahrens gemäß
der Erfindung in die kugelige Form auflösen läßt, ohne daß die Gußstücke geschmiedet
zu werden brauchen und ohne daß sich Graphit bildet, welcher die Verchleißfestigkeit
derartiger Gußstücke vermindert.
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Ziel der Erfindung ist weiterhin, ein Wärmebehandlungsverfahren und
eine Formel für das Bestimmen eines ausgeglichenen Verhältnisses zwischen den Karbidstabilisatoren
oder Karbidbildnern, nämlich Schwefel und/oder Chrom einerseits und den graphitisierenden
und desoxydierenden Legierungszusätzen, nämlich Silizium und Aluminium, andererseits
zu schaffen, v-elclies gewährleistet, daß der wärmebehandelte legierte Stahlguß
nicht mehr als 0,12 Gewichtsprozent Graphit enthält.
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Die Verwendung von Stahl guß mit einem Kohlen-#,toffgehalt zttvischen
1,30 und 1,65% ist bekannt. Derartiger legierter Stahlguß war jedoch bisher insofern
nicht zufriedenstellend. als er entweder eine beträchtliche :Menge unerwünschten
Graphits enthielt oder die Gußstücke geschmiedet werden mußten, um das in ihnen
gebildete unerwünschte Zementitnetz zu zerbrechen.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein Gefügebild (v= 1000), geätzt in
2%iger alkoholischer Salpetersäure, welches den in legiertem Stahlguß mit einem
optimalen Kohlenstoffgehalt von 1..51/o vorhandenen Korngrenzenzementit erkennen
läßt, Fig. 2 ein Gefügebild (v = 1000) einer Probe von legiertem Stahlguß, welcher
die gleiche Zusammensetzung wie die in Fig. 1 gezeigte Probe hat, jedoch 5 Stunden
lang auf eine Temperatur von 1010° C erhitzt und dann in Öl abgeschreckt wurde,
Fig. 3 ein Gefügebild (v = 1000) einer Probe des gleichen legierten Stahlgusses,
nachdem die Probe gemäß der Erfindung 1 Stunde auf eine Temperatur von 1010° C erhitzt,
hierauf in Öl abgeschreckt, anschließend 5 Stunden bei 788° C angelassen und schließlich
im Anlaßofen abgekühlt wurde, Fig. d ein Gefügebild (v=1000) einer Probe des in
Fig. 1 gezeigten legierten Stahlgusses, welche 5 Stunden bei 788g=' C behandelt,
hierauf an der Luft abgekühlt, anschließend 5 Stunden bei 788° C angelassen und
schließlich im Anlaßofen abgekühlt wurde; die Probe war vor der Behandlung nicht
auf eine über dem die Bildung des Zementitnetzes begünstigenden Temperaturbereich
liegende Temperatur, d. 1i. eine Temperatur zwischen etwa 927 und etwa 1010` C erwärmt
worden wie die Probe der Fig. 3.
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Fig. 5 ein Gefügebild (v=1000) einer Probe des in Fig. 1 gezeigten
legierten Stahlgusses, welche jedoch dem Warmbehandlungsverfahren gemäß der Erfindung
unterzogen wurde. wobei die Probe nach Glühen bei 788'e C schnell mittels Luft abgeschreckt
wurde. anstatt sie im Anlaßofen abzukühlen; Fig. 6 stellt ein Gefügebild (v = 1000)
dar, welches die Wirkung zeigt, die beim Wärmebehandlungsverfahren gemäß der Erfindung
ein nach dem Glühen auf kugeligen Zementit erfolgendes Abschrecken in Wasser hat;
Fig. 7 beinhaltet ein Kurvenschaubild, welches die Wirkung des Graphits in einer
Eisenlegierung an Hand von Verschleißversuchen zeigt, welche an einem Güterwagenrad,
welches aus legiertem Stahlguß mit
einem Gesamtkohlenstoffgehalt
von 1,5% und einem Graphitgehalt von 0,5 % (Kurve 7) bestand und an einem vergleichbaren
Eisenbahnrad, das aus legiertem Stahlguß mit einem Kohlenstoffgehalt von 1,5% bestand,
welcher nach dem Verfahren gemäß der Erfindung behandelt worden war und daher nur
0.0-10.:0 Graphit enthielt (Kurve 8). durchgeführt wurden.
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Die Zusammensetzung des wärmebehandelten legierten Stahlgusses gemäß
der Erfindung kann innerhalb der im Beispiel 1 angegebenen Grenzen verändert werden.
| Beispiel 1 |
| Gewichtsprozent |
| C .......................... 1,30 bi-# 1,65 |
| Mn ......................... 0.40 bis 1,00 |
| P ... .. ..................... bis 0,08 |
| S ...............,.......... bis 0,12 |
| Si .......................... 0,15 bis 0.50 |
| A1 ... .. .. .. ................, 0,02 bis 0.10 |
| Cr .. .. .. .. ................. bis 0,60 |
| Fe .. .. ...................., Rest |
Zu den Gehalten an Phosphor und Schwefel ist zu bemerken, daß es im praktischen
Betrieb bei Verwendung handelsüblichen Einsatzes nicht möglich ist, Schmelzen herzustellen,
die überhaupt keinen Schwefel oder Phosphor enthalten.
| Beispiel 2 |
| Gewichtsprozent |
| C ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ......... 1,50 |
| Mn ............,............" ..,.. 0,60 |
| P ................. . ................ 0,07 |
| S .......,.......................... 0,07 |
| Si .. .. .. .. ......................... 0,20 |
| Al .. ............................... 0,04 |
| Cr ................................. 0,30 |
| Fe ................................. Rest |
| Beispiel |
| Gewichtsprozent |
| C ... .. .. ........................... 1,60 |
| Mn ......................,......... 0,60 |
| P .................................. 0,04 |
| S ... .. .. ........................... 0,03 |
| Si ................................. 0,50 |
| Al ................................. 0,04 |
| Cr .. .. .................,........... 0,45 |
| Fe ... . ............................. Rest |
In dem oben angeführten Beispiel 3 kann der Chromgehalt zwischen 0,45 und 0,50%
verändert werden, ohne daß der erzeugte legierte Stahlguß den erwünschten geringen
Graphitgehalt von nicht mehr als 0.12 Gewichtsprozent überschreitet.
| Beispiel 4 |
| Gewichtsprozent |
| C .........,........................ 1,30 |
| Mn ..................... . .......... 0,60 |
| P .................................. 0,04 |
| S ... .. ...............,............. 0,03 |
| Si ................................. 0,20 |
| A1 ................................. 0,04 |
| Cr .. .. .. ........................... 0,10 |
| Fe ........................ ». .. .. .. . Rest |
Bei dem oben angeführten Beispiel 4 kann der Chromgehalt zwischen 0,10 und 0.15
Gewichtsprozent schwanken.
| Beispiel 5 |
| Gewichtsprozent |
| C .................................. 1,60 |
| 1Tii ................................ 0,60 |
| P ............................ ... ... 0.04 |
| S .................................. 0.12 |
| Si ................................. 0,50 |
| Al .... ............................. 0.0-1 |
| Cr .,.........,..................... 0,05 |
| Fe ..,..............,............... Rest |
Bei dein oben angeführten Beispiel 5 kann der Chromgehalt zwischen 0.05 und 0.10
Gewichtsprozent #chwanken.
| Beispiel 6 |
| Gewichtsprozent |
| C ... .. ............................. 1,60 |
| 11In ................................ 0,60 |
| P .................................. 0,04 |
| S .................................. 0,12 |
| Si ................................. 0,25 |
| A1 .. .. ............................. 0,04 |
| Cr ................................. keine |
| Fe ................................. Rest |
Zur Bestimmung der Verhältnisse der verschiedenen Bestandteile in den Eisenlegierungen
der in den vorstehenden Beispielen 2 mit 6 angegebenen Art. deren Zusammensetzung
innerhalb der im Beispiel 1 angegebenen Grenzen liegt, wurden etwa dreihundert Schmelzen
hergestellt. Auf Grund dieser dreihundert Schmelzen wurde die folgende Formel aufgestellt,
mit der das erwünschte ausgeglichene Verhältnis zwischen den Karbidstabilisatoren
oder Karbidbildnern, nämlich Schwefel und/oder Chrom, und den graphitisierenden
und desoxvdierenden Legierungszusätzen, nämlich Silizium und Aluminium, welches
die Bildung eines Graphitgehaltes von mehr als 0,12 Gewichtsprozent in gemäß der
Erfindung hergestellten, legiertem Stahlguß verhindert, bestimmt werden kann. Formel
%C + 0,2 (%Si+O/oAl) -f- (%Mn-0,7) - 1.5%Cr - 5 (0% S -0 ,0-1) - 1,14 = % Graphit
ini erzeugten legierten Stahlguß. Es ist jedoch zu bemerken, daß der 11n-Faktor
nur dann eingesetzt zu werden braucht, wenn der Mn-Gehalt der verwendeten Eisenlegierung
0,70 Gewichtsprozent übersteigt. während der S-Faktor mir dann eingesetzt zu werden
braucht, wenn der S-Gehalt der Eisenlegierung 0,0=1 Gewichtsprozent übersteigt.
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Phosphor ist in der vorstehenden Formel nicht aufgeführt, da er in
den Mengen, in welchen er gewöhnlich in den gemäß der Erfindung verwendeten Eisenlegierungen
enthalten ist, nur eine unbedeutende Wirkung hat. Der höchste zulässige Phosphorgehalt
ist durch die Eigenschaft dieses Elements begrenzt, beim Erkalten in der Gußforin
Wärmerisse oder Gußrisse im Gußstück zu bilden.
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Proben des legierten Stahlgu>ses finit der im Beispiel 2 angegebenen
typischen Zusammensetzung wurden von einem die Form eines Eisenbahnradspurkranzes
aufweisenden Gußstück mit einem Querschnitt von 7,62 mm abgeschnitten. Dieses Proben
wiesen das in Fig. 1 dargestellte Gefüge mit Korngrenzenzementit auf, das gewöhnlich
hochgekohlten legierten Stählen (1,5% C-Gehalt) eigen ist und diesen zwar eine gute
Verschleißfestigkeit verleiht. sie jedoch auch außerordentlich
spröde
macht. In diesem Zustand besaß die Probe die in der folgenden Tabelle 1 angegebenen
Eigenschaften
| Tabelle 1 |
| Zugfestigkeit . . . . . , . . . . . . . . . 46,3 kg/nnn2 |
| Kaltbildsamkeit, ausgedrückt |
| in Prozent Dehnung (Länge |
| der Probe 5 cm) . . . . . . . . . . 0,43 |
| Brinellhärte . . . . . . . . . . . . . . . . 300 HB |
In Fig. 1 ist der unerwünschte Korngrenzenzementit 1 zusammen mit dem perlitischen
Gefüge 2 deutlich zri sehen, während Mangansulfidteilchen mit 3 bezeichnet sind.
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Fig.2 zeigt das Gefüge einer Probe des gleichen legierten Stahlgusses
mit 1,5% Kohlenstoffgehalt und der im Beispiel 1 angegebenen Zusammensetzung, nachdem
die Probe 5 Stunden bei 10l0° C geglüht und dann in Öl abgeschreckt wurde. Nach
dieser Warmbehandlung besaß die Probe die in der nachfolgenden Tabelle 2 angeführten
Eigenschaften:
| Tabelle 2 |
| Zugfestigkeit ...... verhältnismäßig hoch |
| Kaltbildsamkeit, aus- |
| gedrückt in Pro- |
| zent Dehnung |
| (Länge der Probe |
| 5 cm) . . . . . . . . . . . sehr gering |
| Brinellhärte ....... 450 HB |
@Vie aus Fig.2 ersichtlich, ist das unerwünschte Korngrenzenzementitnetz nach dieser
Behandlung immer noch im Guß vorhanden; es ist jedoch, wie bei 1 angedeutet, etwas
feiner, nicht mehr so ausgeprägt wie in Fig. 1, und tritt zusammen mit dem Perlit
2 auf. Durch diese Behandlung wurde der Guß für den niichsten Arbeitsgang der Warmbehandlung
gemäß der Erfindung vorbereitet, welcher nunmehr beschrieben werden soll.
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Eine Probe des warmbehandelten legierten Stahlgusses gemäß der Erfindung
mit den in Fig. 1 gezeigten Merkmalen und der im Beispiel
1. angegebenen
Zusammensetzung wurde auf eine Temperatur von 1010° C erwärmt, welche über dem die
Bildung des Korngrenzenzementits begünstigenden Temperaturbereich liegt, 2 Stunden
auf dieser Temperatur gehalten und hierauf durch Abschrecken in
Öl schnell
abgekühlt, um die Bildung eines starken Zementitnetzes zu vermeiden. Die Abkühlung
wurde bei einer Temperatur von 650 C unterbrochen, worauf die Probe in den Glühöfen
gebracht, auf 788° C angelassen, 5 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten und
dann im Ofen abgekühlt wurde. Die so gemäß der Erfindung «armbehandelte Probe zeigte
(Fig. 3) kugeligen Zementft und besaß die in der folgenden Tabelle 3 aufgeführten
Eigenschaften:
| Tabelle 3 |
| Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 71,7 leg/m1-n2 |
| Kaltbildsamkeit. ausgedrückt |
| in Prozent Dehnung (Länge |
| der Probe 5 cm) . .. . . . . . . . 6,0 |
| Brinellhärte . . . . . . . .. . . . . . . . 220 HB |
In Fig. 3 zeigt sich die völlige Umwandlung in kugeligen Zementft dadurch, daß der
ganze vorhandene Zenientit die Form einer Unzahl kleiner Kugeln 5 im ferritischen
Grundgefüge 4 aufweist. Fig. 4 -neigt das Gefüge einer Probe des legierten Stahlgusses
gemäß der Erfindung mit der im Beispiel 1 angegebenen Zusammensetzung, welcher auf
788'J C erwärmt, 5 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten und dann im Ofen
abgekühlt wurde. In diesem Falle wurde die Probe vorher nicht der wesentlichen Stufe
der Warmbehandlung gemäß der Erfindung unterzogen, welche darin besteht, daß die
Probe zuerst auf eine Temperatur von 1010° C erwärmt wird, welche über dein die
Bildung von Korngrenzenzementit begünstigenden Temperaturbereich liegt, worauf sie
(uni die Bildung eines starken Zeinentitnetzes zu verhindern) schnell auf 650.`C
abgekühlt wird, bevor sie in den Glühofen kommt.
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Die Probe, deren Gefüge Fig. 4 zeigt, wies immer noch den schädlichen
Korngrenzenzementit ? auf, wenn auch nicht mehr in so starkem =Maße, und besaß die
in der folgenden Tabelle 4 angegebenen Eigenschaften:
| Tabelle 4 |
| "Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 63,6 kg/nim2 |
| Kaltbildsamkeit, ausgedrückt |
| in Prozent Dehnung (Länge |
| der Probe 5 cm) . .. .. .. . . . 2,34 |
| Brinellhärte . . . . . . . . . . . . .... 229 HB |
Die Zähigkeit des völlig auf kugeligen Zementit geglühten, graphitfreien, hochgekohlten
legierten Stahlgusses gemäß der Erfindung wird deutlich, wenn man die Kaltbildsamkeit
der Legierung im Gußzustand (Tabelle 1) und diejenige der nach dem Verfahren geinäß
der Erfindung warmbehandelten Probe (Tabelle
3)
vergleicht.
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Das in Fig.3 gezeigte, völlig auf kugeligen Zementft geglühte Gefüge
weist zwar die größtmögliche Zähigkeit auf, besitzt jedoch einen etwas geringeren
Fließwiderstand als ein härteres und verschleißfesteres Gefüge, welch letzteres
in gewissen Fällen, beispielsweise wenn der legierte Stahlguß gemäß der Erfindung
für Eisenbahnräder verwendet wird, erwünscht sein kann. Gemäß der Erfindung kann
daher dem legierten Stahlguß durch schroffere Abkühlung eine größere Härte und Verschleißfestigkeit
mitgeteilt werden, beispielsweise durch Luftabkühlung oder Wasserabschreckung.
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Fig. 5 zeigt eine Probe des hochgekohlten (1,5% C) legierten Stahlgusses
mit der im Beispiel 1 angegebenen Zusammensetzung, welche auf eine Temperatur erwärmt
wurde, die über dem die Bildung des Zeinentitnetzes begünstigenden Temperaturbereich
liegt.
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In diesem Falle gelangte eine Temperatur von 927°' C zur Anwendung,
wobei die Probe 2 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten, hierauf an der Luft
auf 650° C abgekühlt, in den Anlaßofen gebracht, auf 788'° C angelassen, 5 Stunden
lang auf dieser Temperatur gehalten und schließlich an der Luft gekühlt wurde. Die
so behandelte Probe besaß die in der nachstehenden Tabelle 5 aufgeführten Eigenschaften:
| Tabelle 5 |
| Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 78.7 kg/min2 |
| Kaltbildsamkeit, ausgedrückt |
| in Prozent Dehnung (Länge |
| der Probe 5 cm) . .. .. .. .. . 4,0 |
| Brinellhärte . . . . . . . . . . . . . . . . 255 HB |
Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß im Gefüge zwar Zeinentit in feinverteilter Form
vorhanden ist, wie die im ganzen verhältnismäßig feinen perlitischen Gefüge
2
verteilten kleinen Kugeln 5 zeigen, sich jedoch kein schädliches Netz von Korngrenzenzementit
mehr gebildet hat. Die auf diese Weise erzeugte Probe besaß eine gute Dehnung, und
ihre Zugfestigkeit war auf Grund ihrer größeren Härte um ein Beträchtliches höher
als diejenige des in Fig.3 gezeigten, völlig auf kugeligen Zementfit geglühten Gefüges,
wie sich durch Vergleichen der Tabellen 5 und 3 feststellen läßt.
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Fig. 6 ist ein Gefügebild (v = 1000), welches die Wirkung einer verhältnismäßig
schnellen Abkühlung bei dem Warmbehandlungsverfahren gemäß der Erfindung zeigt.
In diesem Falle wurde der 1,5% Kohlenstoff enthaltende legierte Stahlguß auf 927°
C erwärmt, 2 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten, dann an der Luft abgekühlt,
auf 788 C angelassen, 5 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten. im Ofen abgekühlt,
erneut auf 816' C angelassen. 1 Stunde lang auf dieser Temperatur gehalten
und schließlich 1 Minute lang in Wasser abgeschreckt. Das auf diese Weise erzeugte
Gefüge enthält kugeligen Zementfit 5 in einem harten martensitischen Grundgefüge
6.
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Das in Fig.7 wiedergegebene Kurvenschaubild zeigt die Wirkung von
Graphit in legiertem Stahlguß mit 1,5% Kohlenstoffgehalt. In Fig.7 ist der an einem
Güterwagenrad auftretende radiale Verschleiß in mm als Ordinate und die von dem
Eisenbahnwagen während des Versuches unter einer Radbelastung von 9525 kg zurückgelegte
Wegstrecke in km - 103 als Abszisse aufgetragen.
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In Fig. 7 zeigt die Kurve 7 die Auswirkung des Versuches auf ein Güterwagenrad
aus 1,5% Kohlenstoff enthaltendem legiertem Stahlguß, in welchem der Kohlenstoff
mit Ausnahme von 0,500% Graphit größtenteils in kugeligem Zementfit gebunden war.
während die Kurre 8 die Auswirkung des gleichen Versuchs auf ein anderes Rad des
gleichen Güterwagens zeigt, welches jedoch aus einem 1,5% Kohlenstoff enthaltenden
legierten Stahlguß bestand, der gemäß der Erfindung wärmebehandelt worden war und
in welchem der gesamte Kohlenstoff in kugeligem Zementfit gebunden war, mit Ausnahme
eines verhältnismäßig geringen Anteils, nämlich 0,04% Graphit. Wie aus Fig. 7 ersichtlich,
zeigte das Güterwagenrad (Kurve 7), das aus einem auf kugeligen Zementfit geglühten,
1,5% Kohlenstoff enthaltenden legierten Stahlguß bestand, welcher 0,50% Graphit
enthielt. nach 16000km einen radialen Verschleiß von 2,16 mm. während unter gleichen
Bedingungen beim gleichen Versuch das auf kugeligen Zementfit geglühte, nur 0,04%
Graphit enthaltende Güterwagenrad nach etwa 15300 km bei einer konstanten Radbelastung
von 9525 kg einen radialen Verschleiß von lediglich 0,813 mm aufwies.
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Bei der praktischen Anwendung der Erfindung ist bei der Wärmebehandlung
ein gewisser Spielraum zulässig; im allgemeinen wird jedoch der 1,30 bis 1,650/0
Kohlenstoff enthaltende legierte Stahlguß auf eine Temperatur von 871 bis 1038°
C erwärmt, welche über dem die Bildung des Zementitnetzes begünstigenden Temperaturbereich
liegt, wobei der Stahlguß mindestens 2 Stunden, vorzugsweise jedoch 5 Stunden lang
auf dieser Temperatur gehalten, sodann je nach der Abkühlungsgeschwindigkeit auf
eine dicht unter der Austenit-Umwandlungstemperatur (etwa 718= Cj liegende Temperatur
abgekühlt, hierauf auf eine nicht wesentlich unter 732° C und nicht wesentlich über
816- C liegende Temperatur angelassen, mindestens 2, vorzugsweise jedoch 5 Stunden
lang auf dieser Temperatur gehalten und schließlich abgekühlt. wobei die Abkühlungsgeschwindigkeit
entsprechend der in dein erzeugten, auf kugeligen Zeinentit geglühten und abgekühlten
legierten Stahlguß erwünschten Härte gewählt wird.
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Gemäß der Erfindung wurde ferner festgestellt, daß, wenn hochgekohlter
legierter Stahlguß der oben beschriebenen Art, nachdem er mindestens 2 Stunden lang
auf eine Temperatur von 732 bis 788'°' C angelassen wurde, in Öl oder Wasser abgeschreckt,
anstatt an der Luft abgekühlt wird, ein martensitisch-bainitisches Gefüge entsteht,
welches nach dem nachfolgenden Tempern die gleichen erwünschten Eigenschaften für
eine Verwendung in Eisenbahnrädern u. dgl. aufweist wie das vorstehend beschriebene
perlitische Gefüge.