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Die Verwendung von Gußeisenlegierungen als Werkstoff für verschleißfeste
nichtnitrierte Bauteile oder Werkzeuge In dem Gebiet des abschleifenden Verschleißes
kann gewöhnliches Gußeisen mit Erfolg verwendet werden, falls keine starken Stöße
im Betrieb auftreten. Ein derartiges Gußeisen, insbesondere weißes Gußeisen, ist
dabei sehr widerstandsfähig infolge der Gegenwart äußerst harter Karbide in dem
Grundgefüge des Gußeisens. Diese Karbide sind jedoch durchweg grob und machen das
Gußeisen so spröde, daß seine Verwendbarkeit erheblich eingeschränkt ist.
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Man hat zwar durch Legierung beim Gußeisen die Zähigkeit unter Beibehaltung
der Härte etwas verbessert, jedoch ist es noch nicht gelungen, die Ausbildung der
Karbide und des Grundgefüges so sicher zu beeinflussen, um sowohl hohe Härte als
auch hohe Zähigkeit zu gewährleisten.
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Setzt man im weißen Gußeisen den Kohlenstoffgehalt herab, so vermindert
sich die Menge grober Karbide, aber auch die Härte und die Verschleißfestigkeit.
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Für verschleißfeste Zwecke werden auch Stähle, insbesondere austenitische
und andere legierte Stähle verwendet, insbesondere dann, wenn in erster Linie Zähigkeit
verlangt wird. Diese Stähle sind sehr zäh, aber auch im wesentlichen frei von Karbiden,
die für eine gute Verschleißfestigkeit so wesentlich sind. Austenitische Stähle
verdanken vielmehr ihre Verschleißfestigkeit ihrer Fähigkeit, sich während des Betriebes
kalt zu verfestigen.
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Die vorliegende Erfindung geht unter anderem davon aus, daß die Neigung
des Mangans, die Austenitbildung zu begünstigen, bei Gußeisensorten dazu ausgenutzt
werden kann, die Vorzüge austenitischer Stähle mit denen von weißen Gußeisensorten
zu verbinden. Hierzu ist die gemeinsame Anwesenheit von Mangan und Aluminium im
Gußeisen erforderlich, wobei sich eine ganze Reihe von Gußeisensorten von Weiß bis
Grau und mit austenitischem über martensitisches bis zu perlitischem Grundgefüge
für zähe und verschleißfeste Bauteile oder Werkzeuge als geeignet zeigen. Für diese
Zwecke sollen demgemäß Gußeisenlegierungen verwendet werden mit 1 bis 5 °/o Aluminium
und 1,5 bis 15 °/o Mangan. Für nitrierte Gegenstände sind bekannterweise Eisenlegierungen
vorgeschlagen worden, die bis zu 5 °/o Aluminium und ein die Bildung einer harten
Nitrierschicht begünstigendes Legierungselement, nämlich Nickel, Kupfer, Silizium,
Mangan, Molybdän, Titan, Wolfram, Zirkon oder Vanadin bis zu einem Gesamtgehalt
von 8 °/o aufweisen sollen. Dieser bekannte Vorschlag ist jedoch auf Gegenstände
mit einer harten Nitrierschicht beschränkt, so daß zu ihrer Herstellung das Nitrieren
als unerläßliche Behandlung benötigt wird. Die Erfindung betrifft dagegen nur nichtnitrierte
Bauteile und Werkzeuge. Bei verlangter hoher Härte soll der Kohlenstoff vorwiegend
in Karbidform, bei bevorzugter Zähigkeit vorwiegend in Graphitform vorliegen. Die
Grundmasse kann aus Perlit, Ferrit, Martensit, Austenit, Bainit, Anlaß-Martensit,
Sorbit oder Mischgefüge bestehen. Diese Gefüge können sowohl im Gußzustand wie auch
nach Wärmebehandlung vorliegen.
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Die Verwendung von Mangan als Legierungselement bei Gußeisen ist in
der Technik seit langer Zeit bekannt. Bei gewöhnlichen Gußeisensorten beläuft sich
der Mangangehalt in der Regel auf unter 10/, und kommt selten über 11/2°/o hinaus.
Es wurde festgestellt, daß Gußeisensorten, welche mehr als 1 % Mangan enthalten,
beim Gießen viele Schwierigkeiten machen, insbesondere durch die Bildung von Lunkern,
feinen Poren, Gaseinschlüssen u. dgl. m. Außerdem ist Mangan, in großen Mengen verwendet,
ein Karbidstabilisator und kann das Gefüge so beeinflussen, daß das Gußeisen schlecht
zu bearbeiten ist. Martensitische Gußeisensorten sind hergestellt worden unter Verwendung
eines Mangangehalts von über 2 °/o sowie von Nickel als zusätzliches Legierungselement.
Infolge der Kosten dieser Legierungszusätze und wegen der vorerwähnten Schwierigkeiten
beim Gießen haben diese Gußeisensorten in der Industrie keine große Aufnahme gefunden.
Wird Mangan als einziges Legierungselement bei Gußeisen verwendet, dann
benötigt
man davon etwa 10°/0, bevor das Gußeisen auste nitisch wird. Bei der Erfindung bringt
ein Mangangehalt von über 1501, keinen Vorteil mehr.
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Aluminium wird bei Gußeisen nicht als ein übliches Legierungselement
angesehen, findet aber häufig Verwendung bei gewissen Spezialsorten von Gußeisen.
Geringe Mengen von Aluminium, d. h. bis zu etwa 0,501, werden als Graphitierungszusatz
benutzt; größere Mengen, d. h. 501, und mehr, werden, mit oder ohne Chrom,
verwendet, um ein besonders warmfestes Gußeisen zu liefern. Aluminiumgehalte von
etwa 5 °/o haben jedoch auf Gußeisen einen sehr versprödend en Einfluß. Bei der
Erfindung hat es keinen Zwe ck, den Aluminiumgehalt über 5 °/o zu halten. Erstdie
gemeinsame Anwesenheit von Mangan und Aluminium in den erfindungsgemäß geforderten
Grenzen ergibt die Summe der günstigen Eigenschaften.
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Für graues Gußeisen, welches verhältnismäßig wenig Karbide enthält,
wird der Aluminiumgehalt hoch genug gehalten, um der Neigung des Mangans zur Karbidbildung
(unter Berücksichtigung weiterer Legierungselemente) entgegenzuwirken. Vorzugsweise
sollte in grauem Eisen etwa 0,5 bis 1,5 Teile Aluminium auf 1 Teil Mangan kommen.
Beiweißem Gußeisen muß umgekehrt derAluminium' gehalt niedrig genug sein, um die
Karbidbildung durch Mangan zu ermöglichen, oder so hoch, daß Aluminium selbst Karbide
bildet. Vorzugsweise soll das Verhältnis etwa 2 bis 4 Teile Mangan zu 1 Teil Aluminium
betragen. Das Gußeisen kann als zusätzliche Ergänzungselemente Chrom, Vanadin und
Molybdän enthalten.
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Auch können Mittel zur Überführung des Graphit-Kohlenstoffs in die
Knötchen- oder Sphärolithenform, wie Magnesium, vorhanden sein. Der Gesamtkohlenstoff
sowie Silizium, Schwefel und Phosphor liegen in den üblichen Grenzen.
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Die Erfindung soll durch einige Beispiele erläutert werden: Die Tabelle
1 bringt die Zusammensetzung typischer erfindungsgemäßer Gußeisensorten mit Angabe
der Gefüge, die in Gußquerschnitten von etwa 2,5 bis 5 cm vorliegen. In den weißen
Gußeisensorten liegt der überschüssige Kohlenstoff vorwiegend in Form von Karbiden
vor, halbierte Gußeisensorten besitzen erhebliche Anteile an Graphit und Karbid,
wohingegen bei den grauen Gußeisensorten der überschüssige Kohlenstoff vorwiegend
in der Form von Graphit auftritt.
| Tabelle I |
| C si Mn AI Gefüge |
| Gesamt |
| 2,90 1,60 6,30 1,30 Weiß - Austenit - Martensit |
| 2,40 1,80 5,20 1,80 halbiert - Austenit - Martensit |
| 3,28 1,22 5,60 2,70 halbiert - Austenit |
| 3,83 1,33 3,50 1,80 Grau - Bainit - Perlit |
| 3,30 0,65 4,83 2,55 halbiert - Austenit - Bainit |
| 3,40 2,10 2,35 2,68 Grau - Perlit |
| 2,85 0,98 1,98 1,70 Grau - Perlit |
| 3,15 1,46 2,63 5,53 Weiß - Bainit - Perlit |
| 3,32 1,10 2,03 4,77 halbiert - Bainit |
| 3,22 1,52 1,62 4,63 halbiert - Perlit - Bainit |
| 3,12 1,60 8,20 3,00 Grau - Austenit |
| 3,20 1,72 6,10 2,90 Grau - Austenit - Martensit |
| 3,42 1,08 3,64 2,88 Grau - Martensit - Bainit |
| 2,86 2,10 4,20 1,10 Weiß - Martensit - Perlit |
| 2,58 2,40 2,55 2,40 Grau - Bainit - Perlit |
| 3,26 3,20 3,10 1,10 Grau - Perlit |
| 3,10 1,22 4,90 3,00 Grau - Austenit |
Chrom und Vanadin sind besonders wertvoll bei weißen und halbierten Gußeisensorten
von hoher Verschleißfestigkeit. Das Vanadium scheint ein zäheres Grundgefüge mit
weniger groben Karbiden zu ergeben. Einige weniger typische verschleißfeste, Chrom
und Vanadium enthaltende Gußeisensorten sind in der Tabelle 2 angeführt.
| Tabelle 2 |
| C Si Mn Al |
| @. v Brinellhärte |
| Gesamt |
| Nr. |
| 3,50 0,30 4,22 1,20 2,00 600 |
| 2,70 0,50 3,72 1,30 1,80 470 |
| 3,40 0,80 5,32 1,32 2,20 0,80 550 |
| 2,80 0,60 4,97 1,40 1,90 0,78 450 |
| 3,24 1,32 6,30 2,20 1,80 1,00 332 |
| 3,32 1,40 5,85 1,90 1,50 0,50 402 |
| 3,10 2,00 3,02 2,00 3,00 364 |
| 3,28 1,10 2,40 1,32 2,24 0,76 500 |
| 3,40 1,62 8,50 2,00 1,60 0,50 321 |
| 3,24 1,22 2,03 5,50 1,10 430 |
| 3,36 1,52 3,50 1,20 4,00 3,00 580 |
Es soll nunmehr auf die Zeichnungen Bezug genommen werden.
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F i g. 1 derselben zeigt die Gefügetypen, die man gemäß der vorliegenden
Erfindung mit verschiedenen Kombinationen der Legierungsbestandteile erzielt; F
i g. 2 zeigt ein Schlifl'bild einer erfindungsgemäß zu verwendenden Gußeisenlegierung
im Gußzustand in 400facher Vergrößerung; F i g. 3 zeigt ein solches Schliff'bild
in 600facher Vergrößerung; sie zeigt das geätzte Gefüge in abgeschrecktem Zustand;
F i g. 4 zeigt ebenfalls in 600facher Vergrößerung ein geätztes Gefüge einer Legierung
in abgeschrecktem Zustand; F i g. 5 zeigt in 400facher Vergrößerung das geätzte
Gefüge einer Legierung im Gußzustand, welches zusätzliche Elemente enthält; F i
g. 6 zeigt in 400facher Vergrößerung das geätzte Gefüge einer zusätzliche Elemente
enthaltenden Legierung in abgeschrecktem Zustand.
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Die kombinierte Wirkung von Mangan und Aluminium auf das Gefüge des
Gußeisens kann der F i g. 1 entnommen werden. Dieses Schaubild ergab sich aus der
Untersuchung einer Anzahl im Rahmen vorliegender Erfindung erzeugter Schmelzen.
Es ist für die Praxis sehr nützlich, da man ihm die für ein verlangtes Gefüge notwendige
Zusammensetzung entnehmen kann.
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In dem von den Linien E-B und B-A sowie der vertikalen Bezugskoordinate
zwischen A und R begrenzten Gebiet 1 besteht dieselbe Legierung im wesentlichen
aus Perlit mit Karbiden im Grundgefüge.
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Im Gebiet 2, das von den Linien A-B, B-C, C-H, H-E und E-A umgrenzt
ist, besteht das Gefüge aus Perlit mit Bainit.
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Im Gebiet 3, das von den Linien H-C, C-D, D-C, G-I und I-H umgrenzt
ist, besteht das Gefüge aus Austenit mit Bainit.
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Im Gebiet 4, das von den Linien G-D, D-F und F-G umgrenzt ist,
besteht das Gefüge aus Austenit.
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Im Gebiet 5, das von den Linien F-P, P-K, K-J, J-1,
1-G
und G-F umgrenzt ist, besteht das Gefüge aus Austenit und Karbiden.
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Im Gebiet 6, das von den Linien L-N, N-J, J-K, K-S sowie der horizontalen
Bezugskoordinate zwischen S und L umgrenzt ist, besteht das Gefüge
aus Karbid und Perlit.
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Im Gebiet 7, das von den Linien E-H, HJ, 1-J, J-N und N-E umgrenzt
ist, besteht das Gefüge aus Bainit und Karbid.
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Im Gebiet 8, das von den Linien A-E, E-N, N-L, der horizontalen
Bezugskoordinate zwischen O und L sowie der vertikalen Bezugskoordinate zwischen
O und A umgrenzt ist, besteht das Gefüge aus Perlit.
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Legierungen, welche in irgendeine der in F i g. 1 angegebenen Zonen
hineinfallen, können einen Anteil freien Graphits enthalten, dessen Größe unter
anderen Faktoren von der restlichen Zusammensetzung sowie von der Abkühlungsgeschwindigkeit
abhängt. Die F i g. 1 soll lediglich dazu dienen, einen allgemeinen Überblick über
die Mangan- und Aluminiumgehalte für die verschiedenen Gefüge zu geben. Die Lage
der verschiedenen, das Schaubild in den einzelnen Zonen unterteilenden Linien kann
schwanken, je nach der restlichen Zusammensetzung aus den anderen Bestandteilen
des Gußeisens und in Abhängigkeit von anderen Faktoren, die dem Fachmann bekannt
sind. Das erfindungsgemäß zu verwendende Gußeisen ist insbesondere zugänglich für
alle dem Fachmann wohlbekannten Verfahren der Wärmebehandlung. Das beim Gießen erzielte
Perlit- oder Bainitgefüge kann leicht in austenitisches Gefüge umgewandelt werden,
und zwar durch Abschrecken aus einer Temperatur von etwa 871 bis 1038°C, je nach
der restlichen Zusammensetzung des Gußeisens. Bei gewissen Zusammensetzungen der
restlichen Bestandteile kann man ein austenitisches Gefüge sogar durch Abschrecken
von noch niedrigeren Temperaturen erhalten.
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Das austenitische Erzeugnis kann einer Ausscheidungshärtung unterzogen
werden, indem man es auf eine Temperatur von etwa 482 bis 649°C erhitzt. Bei gewissen
Zusammensetzungen der restlichen Bestandteile kann auch eine Erhitzungstemperatur
oberhalb oder unterhalb dieses Bereiches wirksam sein. Die Fähigkeit eines mit Mangan
und Aluminium legierten Gußeisens zum Härten durch Erhitzen macht es zu einem sehr
vielseitigen Werkstoff. So ist z. B. möglich, das Gußeisen weich und gut bearbeitbar
zu gießen oder es abzuschrecken, um es weich zu machen und auf die Bearbeitung ein
einfaches Erhitzen folgen zu lassen, und zwar ohne nennenswerte Änderung in den
Abmessungen.
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Die Fähigkeit der Härtung durch Erhitzen ist ebenfalls sehr von Nutzen,
wo das Gußeisen warmverschleißfest sein muß, z. B. bei Warmgesenken.
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Das erfindungsgemäß zu verwendende austenitische Gußeisen besitzt
auch die Fähigkeit, während seines Gebrauchs kalt zu härten.
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Ein weißes oder halbiertes, erfindungsgemäß zu verwendendes Gußeisen
erhält durch Abschrecken von etwa 871'C eine beträchtliche Zähigkeit. Diese
Verbesserung der Zähigkeit ist zurückzuführen auf die Sphärolithisierung der Karbide
und die Austenisierung des Grundgefüges. Diese Eigenschaft ist von außerordentlichem
Nutzen, wo im Betriebe eine gute Verschleißfestigkeit unter schweren Stößen verlangt
wird. Das Verhalten von Gußeisen mit einem Gehalt an Mangan und Aluminium unter
der Wärmebehandlung wird am besten an Hand einer Reihe von Beispielen erläutert.
Ein Probestab von 3,1 cm Durchmesser wurde aus einer Schmelze der folgenden Zusammensetzung
gegossen Gesamtkohlenstoff' . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,12 Silicium ...........................
1,34 Mangan ........................... 2,68
Aluminium ...............:........2,35
Im gegossenen Zustand war ein Teil dieses Probestabes martensitisch; das Gefüge
ist in F i g. 2 der Zeichnung dargestellt. Die Brinellhärte dieses Musters belief
sich auf 420, Ein zweiter Teil dieses Stabes wurde auf 1007°C erhitzt und von dieser
Temperatur in 01 abgeschreckt. Das Gefüge des abgeschreckten Stückes war
austenitisch und ist in der F i g. 3 der Zeichnungen dargestellt, es hatte eine
Brinellhärte von 230.
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Ein drittes Stück dieses Stabes wurde aus einer Temperatur von 1007°C
abgeschreckt und dann auf 538°C angelassen. Das Gefüge dieses abgeschreckten und
angelassenen Stückes war martensitisch und ist in der F i g. 4 der Zeichnungen dargestellt.
Dieses Stück hatte eine Brinellhärte von 450.
Bei einem weiteren
Beispiel wurde ein Probestab aus einer Schmelze der folgenden Zusammensetzung gegossen:
Gesamtkohlenstoff ..... . ... ......... 3,35 Silicium ...........................
1,32 Mangan ........................... 4,80 Aluminium ........................
1,99 Chrom ........... ................. 2,18 Vanadin ...........................
1,16
Das Gefüge dieses Stabes war halbiert bei perlitischem Grundgefüge, dargestellt
in F i g. 5. Die regellose Verteilung dieser Karbide ist kennzeichnend für diese
Art der Zusammensetzung. Die Brinellhärte des gegossenen Stückes belief sich auf
411.
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Ein Teil dieses Stabes wurde auf 816'C erhitzt und von dieser
Temperatur abgeschreckt. Diese Behandlung ergab sphärolithisierte Karbide in austenitischem
Grundgefüge, in F i g. 6 dargestellt. Nach dieser Behandlung belief sich die Brinellhärte
auf 387. Das auf diese Weise vergütete Stück zeigte ungewöhnlich hohe Zähigkeit.
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Die erfindungsgemäß zu verwendenden Gußeisensorten sprechen nicht
nur auf die bereits erwähnten Wärmebehandlungsarten an, sondern auch auf alle Arten
der Vergütung.
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Auf Grund der erzielbaren Struktur und der physikalischen Eigenschaften
des erfindungsgemäß zu verwendenden Gußeisens ist dieses für Verwendungszwecke geeignet,
bei denen schwierige Betriebsbedingungen gebräuchliche Gußeisensorten oft vollkommen
.unverwendbar machen. Bei grauem Mangan-Aluminium-Gußeisen kann je nach Zusammensetzung
in gegossenem Zustande eine Zugfestigkeit von 17,5 bis zu 70 kg/mm2 vorliegen. Ist
die Zusammensetzung derart, daß ein nadelförmiges Grundgefüge zustande kommt, dann
geht die Zugfestigkeit in der Regel über 42 kg/mm2 hinaus, ist die Zusammensetzung
aber so, daß der Graphit knötchenförmig oder sphärolithisch wird, dann beträgt die
Zugfestigkeit in der Regel mehr als 56 kg/mm2. Das Betriebsverhalten von Mangan-Aluminium-Gußeisensorten
kann durch eine Reihe von Ergebnissen belegt werden. Probestäbe wurden mit hoher
Geschwindigkeit bzw. Drehzahl in abschleifend wirkenden Teilchen von Siliciumkarbid
gedreht. Unter diesen Werkstoffen befand sich ein Probestab Nr. 5 aus einem erfindungsgemäß
zu verwendenden Gußeisen der folgenden Zusammensetzung: Gesamtkohlenstoff . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 3,14 Silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 1,42 Mangan
........................... 4,60 Aluminium
........................ 2,20 Chrom
............................ 1,85
Vanadium
.......... . .............. 0,52 Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 3
miteinander verglichen, wobei für den kaltgewalzten mittleren Kohlenstoffstahl ein
Verschleißfaktor von 100 angenommen wurde.
| Tabelle 3 |
| Probe- Vergleichs- |
| stab Art des Werkstoffes Verschleiß- |
| Nr. faktor |
| 1 Kaltgewalzter mittlerer 100 |
| Kohlenstoffstahl |
| 2 Graues Gußeisen 90 |
| 3 Weißes Gußeisen 66 |
| 4 Martensitisches weißes Gußeisen 42 |
| 5 Mangan-Aluminium-Gußeisen 25 |
| 6 Gußeisen mit sphärolithischem 84 |
| Graphit |
| 7 Vergütetes Gußeisen 75 |
| 8 Austenitischer Manganstahl 55 |
Die Tabelle 3 zeigt deutlich die ausgezeichneten Verschleißeigenschaften des erfindungsgemäß
zu verwendenden Gußeisens.
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Zur Prüfung der Hitzebeständigkeit wurden Probestäbe aus diesen Werkstoffen
in einem Ofen 300 Stunden auf einer Temperatur von 896°C gehalten. Die Versuchsergebnisse
sind in der Tabelle 4 zusammengestellt. Probestab Nr.4 war ein erfindungsgemäß zu
verwendendes Gußeisen der folgenden Zusammensetzung: Gesamtkohlenstoff ..................
2,80 Silicium
........................... 2,00 Mangan
...........................
2,50
Aluminium ........................ 4,00 Chrom
............................
1,50
| Tabelle 4 |
| Probe- Zunahme Zunder- |
| stab Art des Werkstoffes der vertust |
| Nr. Länge |
| 1 Kaltgewalzter Stahl 00/, 250/, |
| 2 Graues Gußeisen 90/0 200/0 |
| 3 Weißes Gußeisen 70/0 60/, |
| 4 Mangan-Aluminium- 10/0 30/0 |
| Gußeisen |
| 5 Austenitisches Gußeisen 10/0 5010 |
| 6 Ferntisches Silicium- 00/0 100/0 |
| Gußeisen |
Ferner wurde festgestellt, daß das erfindungsgemäß zu verwendende austenitische
Gußeisen eine ausgezeichnete Korrosionsfestigkeit besitzt; es widersteht außerordentlich
gut den Rost verursachenden Einflüssen der Atmosphäre, vermutlich wegen einer stets
vorhandenen dünnen Oxydhaut, die besonders ausgeprägt ist, wenn der Aluminiumgehalt
mehr als 3,00/0 beträgt.
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Die Gußeisensorten mit Mangan- und Aluminiumgehalt widerstehen auch
der Einwirkung gewisser Säuren, Alkalien sowie sonstiger Chemikalien. Aus diesem
Grunde werden Gußstücke aus diesem neuartigen Werkstoff in ausgedehntem Maße in
der chemischen Industrie und verwandten Gewerben benutzt.
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Je nach Zusammensetzung kann das Eisen magnetisch oder unmagnetisch
sein. Dies verleiht den Gußstücken vorteilhafte elektrische Kennwerte.