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Betr.: Patentanmeldung Verfahren zum Herstellen eines Graugusses mit
höherem Mangan-Gehalt über 1, 5 1.
Der Geräteleichtbau verlangt immer weniger
Gewicht der notwendigen Gußstücke,bei immer höherer Festigkeit, Druckdichtheit und
Verschleißfestigkeit, sowohl beim Sandguß, als auch beim -Schleuder-und Strangguß,
als auch beim Spezialgrauguß aus Kokillenformen. Man versuchte, durch Zulegieren
von allen möglichen Elementen zum Gußeisen die hohen Anforderungen zu erfüllen,
kam aber nicht zu Einheitslegierungen, weil Gußeisen in verschiedenen Querschnitten
verschieden erstarrt, wodurch Spannungen im Übergang von dünnen nach starken Gußquerschnitten,
oder Mikrolunker, oder harte Stellen und Kanten auftraten, wenn die Wandstärkenunterschiede
sehr erheblich waren.
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Es wurde. auch versucht, durch höheren Mangang-Gehalt im Gußeisen
dessen Eigenschaften zu verbessern, aber dann traten Schwierigkeiten auf, welche
zum Einstellen dieser Versuche führten.
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Dementsprechend ist auch die Beurteilung des erhöhten Mangangehalts
im Gußeisen nicht einheitlich, insbesondere, was Mangangehalte von über 1 % betrifft.
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Piwowarsky sagt im Buch: "Hochwertiges Gußeisen" , 2. Auflage 1958
auf Seite 255 in Abs. 2: "Versuche von F. Wüst und H. Meißner ließen erkennen, daß
die Wahl eines Mangangehalts in Höhe von O, 6 - 1, 4. % im höherwertigen, niedrig
oder mäßig Bekohlten Grauguß von Vorteil ist.
Festigkeit und Härte
wurden bis etwa 1,4 % Mn günstig beeinflußt, während Kerbzähigkeit und Durchbiegung
nur bis 0,6 % Mn verbessert wurden. " Weiter wird auf Seite 255 im letzten Satz
festgelegt: " ° Die Werte für die Dauerschlagzahl (Kruppsches Schlagwerk
mit 2,47 kg bei 30 mm Fallhöhe) stiegen bis etwa 1, 5 % Mn stark an, um alsdann
mehr oder weniger schnell wieder abzusinken. " Abb. 297 auf Seite 255 zeigt nur
Zugfestigkeiten von 20,5 kp/mm2. Die auf Seite 256 erwähnten martensitischen
Hartgußsorten mit 5, O - 8 % Mn sind kein Grauguß.
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Auf Seite 597 in Abs. 2 sagt Piwowarsky, daß bei 1,4 - 1,5 % Mn im
Bremsklotzguß der Bestwert des Verschleißwiderstands vorliegt" Die Zahlentafel 114
auf Seite 597 befaßt sich nur mit manganreichem Hartguß.
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Weiter sagt Piwowarsky auf Seite 547 Mitte, daß siliziumarme
weiße
Gußeisensorten durch 2 - 5,5 % Manganzusatz wachstumsfester würden,
daß aber beim üblichen Gußeisen, also Grauguß, durch den Zusatz von 1, 5 % Mn kein
vermindernder Einfluß auf das Wachsen des Gußeisens eintritt, ebenso, daß Bauer
und Sipp fanden, daß Mn bis 1, 5 % auf die Verminderung des Wachsens von Gußeisen
Einfluß hat. Auch die auf Seite 988 Zahlentafel 220 und 221 und Seite 989, Zahlentafel
222 usw. bringen keinerlei Empfehlung von Grauguß mit über 1, 5 Mn. Im Gegenteil
bleiben die Angaben von Piwowarsky bezüglich des Graugusses im Mn-Gehalt weit unter
1,5 %.
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Im "Werkstoffhandbuch" 1965 ist unter L 11-1 bezüglich Graugusses
folgendes gesagt: °' Mn ist gewöhnlich in den Grenzen von O, 3 - rund 1, 2 % vorhanden.
Es wirkt karbidbildend und damit der Wirkung des Si entgegen."
Im
"Handbuch der Gießereitechnik" von Roll, 1960, 1. Band, 2. Teil "Werkstoffe"
ist auf Seite 167 bezüglich "Grauguß und Mn" zu lesen: c) Mangan. Mangan hemmt in
seiner karbidstabilisierenden Eigenschaft die Graphitabscheidung, wodurch sein an
sich günstiger Einfluß auf die Hitzebeständigkeit erklärt werden kann; auch entstehen
gute Zunderschichten. Größere Mangangehalte sind jedoch zu vermeiden, da die technologischen
und mechanischen Eigenschaften ungünstig beeinflußt werden könnten." In Übereinstimmung
damit zeigt Tabelle 38 die sehr schlechte Hitzebeständigkeit eines Graugusses mit
1,49 % Mn bei 850 o und schlägt Piwowarsky dafür weißhartes Gußeisen mit
0,6 °%o Mn bei 6 - 7 % Si vor, das 8 - 25mal hitzebeständiger
als der Grauguß mit 1, 49 % Mn.
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In "Gußeisenhandbuch 1963" als Übersetzung des Amerikanischen "Gußeisenhandbuchs"
ist auf Seite 118 in Tafel 10 bezüglich Mn mitgeteilt, daß dieses "karbidstabilisierend"
ist und dazu unter "d: Gilt für Mn von 0,8 - 1,5 %. Unter
0,8 % hat es geringere Wirkung auf Karbidstabilisierung. Kann unter
0,6 % bei Anwesenheit von S stark graphitisierend wirken." In Bild 73 a auf
Seite 118 wird der Einfluß von Mn auf die Festigkeiten für 0, 75 bis 1, 35 % Mn
im Gußeisen dargestellt.
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Im "Güßeisenhandbuch VEB" der Ostzone, Leipzig 1963 zeigt auf S. 40
Bild 1,68, daß, außer der Härte, die Bestwerte für die Festigkeiten, usw. bei etwa
1,1 p Mn liegen und bei mehr Mn sofort sehr stark abfallen.
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In Übereinstimmung damit sind auf S. 53 Mangangrenzwerte im Grauguß
von O, 9 bzw. O, 8 und O, 7 °ö Mn bei angepaßtem Si- und C-Gehalt aufgeführt.
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Alle Fachbücher von Rang geben also die Lehre dem Gußeisen höchstens
1, 5 °,0 hin bei Grauerstarrung zuzufügen.
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Es wurde wohl versucht, mit Grauguß und mehr als 1, 5 % Mn zu arbeiten
aber diese Versuche hatten keinen Erfolg.
Im Gegenteil kam kaum
Gußeisen mit mehr als 1 % Mn-Gehalt in die Praxis. Um 1930 wurde ein solches
Gußeisen als "Sternguß" propagiert. Dieser Grauguß hatte etwa O, 9 - 1, 2
% Si bei 3, 5 % C und 1,1 - 1, 2 l Mn. Das Gefüge dieses Gusses war in verschiedenen
Wandstärken völlig verschieden, insbesondere war die Brinellhärte gemäß der Wandstärke
im gleichen Gußstück zwischen 140 bei 100 mm Wand, dagegen 180 bei
40 mm Wand und hartkantig in Wandteilen von 15 - 20 mm Stärke, also 360 Härte.
Genauso unterschiedlich war die Graphitausscheidung und das Gefüge: An dicken Stellen
war das Gefüge groblamellar mit s*hr viel Ferrit im Perlit, an dünnen Stellen trat
freier Zementit im Perlitgefüge auf. Dazu kam dann, daß durch die große chemische
Verwandtschaft zwischen Schwefel und Mangan in der Nähe des.Eingusses im Gußstück
Schlacken auftraten und daß der Sand durch oxydierte Eisenmangan-Silikatverbindungen
sehr stark einbrannte , und daß sich bei verschiedenen Wandstärken im gleichen Gußstück
Lunker und Spannungen zeigten. Vor allem war aber die Festigkeit nicht sehr hoch,
sondern lag etwa für Zugbeanspruchung bei 20 kp /mm 2.
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Man versuchte weiter, z.B. gemäß dem Schweizer Patent 184 048, gegebenenfalls
unter Zusatz von 2 - 5 % Nickel und etwa der Hälfte Chrom, Hartgußeisen mit höherem
Mn-Gehalt herzustellen, das an der Kokille weiß erstarrte, aber auf der Innenseite
der Walze Graugußeigenschaften aufwies. Dabei wurde, gemäß Figur 1 nur eine sehr
schlechte Brinellhärte von 20 - 100 Einheiten erreicht, selbst wenn man Nickel und
Chrom zulegierte. Abgesehen davon, daß dieses Schalenhartgußeisen wegen seines hohen
Preises ausschied, war dasselbe äußerst brüchig und wurde deshalb bald durch bessere
legierte Gußeisensorten ersetzt.
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Alles in allem galt ein Mn-Gehalt von über 1, 5 % im Grauguß als nutzlos
und sogar als schädlich.
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Schuld an den seitherigen Mißerfolgen bei Gußeisen mit über 1, 5 %
Mn-Gehalt waren eine Reihe von Punkten, die durch die im folgenden beschriebene
Erfindung behoben werden, so daß trotz des Mn-Gehalts über 1, 5 % ein Graugußeisen
mit reinem lamellarem Perlitgefüge und frei von D-Graphit dadurch erzielt wird.
Zunächst
wird erfindungsgemäß aus der Unzahl von vorbekannten Gußzusammensetzungsmöglichkeiten
ein vorverwendetes niedriggekohltes Grau-Gußeisen mit etwa 2,8 -
3,3 % C-Gehalt gewählt und dessen Si-Gehalt so abgestimmt, daß die
Summe (C plus Si), je nach der mittleren Gußwandstärke, zwischen 4,8 und
5,8 % liegt. Als Beispiel für eine Mindestwandstärke von 40 mm und Kokillengrauguß
kann C = 3, 30 % und Si = 1, 90 %, also eine Summe von C plus Si = 5,2 %,als Basiseisen
verwendet werden. Erfindungsgemäß erhält dieses Graugußeisen einen unüblich hohen
Mn-Gehalt von mehr als 1, 5 %, in obigem Beispiel, z. B. etwa 1, 90 % Mn. Von diesem
erfindungsgemäßen Graugußeisen werden Proben zur Prüfung des gesteuerten Abkühlverhaltens
in vorbekannter Weise hergestellt, z.B. Ölkern-Keilproben, oder Abkühlkurven zur
Bestimmung der Haltepunkte, oder Kerbschlagproben, oder Härte-Abschreckproben.
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Aufgrund dieser Proben ergibt sich dann, ob das Gußeisen den richtigen
Austenitumwandlungstemperaturbeginn hat, oder ob derselbe zu hoch oder zu tief liegt.
Dieser Temperaturpunkt ist nämlich die Gewähr für die Ausbildung eines gewünschten
Gefüges. Liegt dieser Beginnpunkt zu hoch, so würde eine über das Perlitgefüge hinausgehende
Umwandlung in das Zwischenstufengefüge oder gar bis zum Martensitgefüge stattfinden.
Liegt dieser Umwandlungsbeginn dagegen zu tief, so zersetzt sich der Perlit zum
Teil nach Ferrit. Ebenso findet dann die Ausscheidung des Kohlenstoffs gemäß dem
Temperaturpunkt des Beginns der Auste-tnitzersetzung verschieden statt. Bei zu hohem
Temperaturpunkt entstehen durch Aakristallisieren an sehr viel feinen Graphit erhebliche
Mengen von D-Graphit, der unerwünscht ist, wo hohe Verschleißfestigkeit notwendig
ist. Das ist noch mehr der Fall, wenn der Temperaturpunkt des Beginns der Austenitzersetzung
viel tiefer liegt.' Deshalb wird erfindungsgemäß, wenn die Temperatur dieses Austenitzerlegungsbeginns
unter dem eigentlichen "Perlitpunkt 720 o C" Iiegt,eines oder mehrere der
als Gußeisenzusatz bekannten C-desaktivierenden Elemente der Gruppen IV und V des
periodischen Systems, in kleinen Mengen dem Graugußeisen beigefügt, z. B. O,15 %
Chrom oder O,12 % Vanadin, oder O, 25 % Molybdän . Durch diesen Zusatz wird
erreicht, daß der Beginn der Austenitzerlegung in einem höheren Temperaturgebiet
stattfindet, und daß reines Perlitgefüge ohne freien Ferrit, und ohne Zementitnadelreste,
entsteht, und daß auch
in den verschiedensten Graugußquerschnitten
das gleichmäßige lamellare P'erlitgefüge ausgebildet wird, wobei auch der Graphit
in kräftigen Blättern als A-Graphit mit etwas B- und C-Graphit anfällt.
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Wenn der Beginn der Austenitumwandlung nach den Vorproben zu hoch
in der Temperatur, also wesentlich über dem Perlitpunkt , 720 o C, liegt,
so werden erfindungsgemäß der Schmelze eines oder mehrere der C-aktivierenden Elemente
der gleijchen Gruppen IV und V des periodischen Systems beigefügt, also z. B. O,25
% Kupfer oder 0,20 % Zinn, oder O,25 % Kobalt. Dadurch wird der Umwandlungsbeginn
des Austenits z.B. von 745 o auf 720 o herabgesetzt und eine längere Haltezeit zur
Bildung eines -rein lamellaren Graugußperlitgefüges und zur Herauskristallisation
von Kohlenstoff an Blattgraphit ohne Entfall von D-Graphit erzielt.
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Die dazu notwendigen geringen Mengen vnn Legierstoffen fallen gegenüber
den Vorteilen bezüglich der Trcfisicherheit der Perlit- und Graphitgefüge in den
verschiedensten Gußquerschnitten nicht ins Gewicht.
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Weiter wird diese erfindungsgemäße Graugußschmelze vor oder nach denn
Zusatz dieser geringen Mengen von Elementen der Gruppen IV und V des periodischen
Systems zur Korrektur des " Perlitpunkts" cO.,irch Zusatz von geringen Mengen Si
oder hochprozentigen Si-Trägern, wie vorbekannt, geimpft, und dadurch weiter dafür
gesorgt, daß keine Unterkühlung der Schmelze beim Erstarren eintreten kann, die
Fehlgefüge oder unerwünschte Graphitformen bringen könnte.
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Es ist erfindungsgemäß sehr wichtig, daß diese Si-Träger, wie auch
die vorgenannten Zusatzstoffe der Gruppen IV und V des periodischen Systems möglichst
wenig Aluminium enthalten, weil das gebildete Aluminiumoxyd oder - Silikat die Ausbildung
eines reinen lamellaren Perlitgefüges und. D-freien Blattgraphits stören würde.
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Erfindungsgemäß wird für später in der.Wärme Grauguß, also z.B. für
das Härten desselben , der Mn-Gehalt der Schmelze auf 1,@ü - 2 % eingestellt, weil
ein höherer Mn-Gehalt dis zes GußeisemHärterisse bringen kann.
Erfindungsgemäß
wird in diesem vorbehandeltes Graugußeisen der Erfindung für die Herstellung
von dünnwandigen Gußstücken unter 15 mm Kleinstwandstärke der Schwefelgehalt auf
O, 04 - O, 07 % gesenkt. Bei weniger als 0,04 % Schwefel in diesem Gußeisen
würde der Graphit zum Teil nach Sphäroliten entarten, und bei der schnellen Abkühlung
der ganz dünnen Gußquerschnitte würde die Gefahr von Zementitnadelresten im Gefüge
bestehen. Die Entschwefelung der Ausgangsschmelze erfolgt in vorbekannter Weise.
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Erfindungsgemäß wird weiter der Phosphorgehalt der zu behandelnden
Schmelze Graugußeisen auf 0, 30 - 0,45 % erhöht, was sich ebenfalls günstig auf
die Ausbildung eines rein lamellaren Perlitgefüges und auf günstige Graphitblätterausbildung
auswirkt, und dazu, was als vorbekannt für kleinere Mn-Gehalte als 1,5 %
unterstellt wird, die Festigkeit steigert. Dazu kommt, daß in diesem Falle der P-Gehalt
das Flüssigbleiben im Gebiet der Liquiduslinie verbessert, so daß bei Kern- oder
Formunruhen beim Gießen Ausschuß vermieden wird. Vor allem aber wird dadurch
das Grundgefüge noch verschleißfester, weil die gebildeten Phosphide die Eisenkristalle,
wie Finger, zusammenhalten, und weil das Mangan-Phosphid als Tragelement im Gefüge
sitzt. Bei hochwertigem Guß mit höherem Mn-Gehalt vermied man es möglichst, über
0,12 % P-Gehalt in der Graugußschmelze zu kommen, weil man dadurch befürchtete,
lnnenlunker zu bekommen.
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Erfindungsgemäß wird weiter das Mangan flüssig zu dem gewählten Graugußeisen
gegeben. Dadurch wird vermieden, daß sich örtliche starke Konzentrationen von Mangan
und Schwefel bilden, die eine Manganoxyd-Eisenoxyd-Silikat-Sulfid-Verbindung mit
hohem Schmelzpunkt als Trübe im Gußeisen der Erfindung bilden würde, die als Klumpen
beim Gießen in der Nähe des Eingusses auf der Gußoberfläche abgeschieden würden.
Erfindungsgemäß wird zunächst das im Elektro-Ofen oder sonstwie geschmolzene Ferromangan
auf den Boden der Gießpfanne gegeben und dann sofort darauf die Eisenmenge zur Weiterbehandlung
gemäß obiger Erfindung geschüttet. Dadurch verteilt sich das Mangan in der Schmelze
und werden die groben Ausscheidungen von Mangan-Schwefel-Verbindungen völlig vermieden.
Das
neue Verfahren der Erfindung mit erhöhtem Mn- Gehalt über 1, 5 % in der erfindungsgemäß
behandelten Graugußschmelze -bringt also eine erhöhte Qualitätstreffsicherheit und
garantiert für gleichmäßige Festigkeit des Werkstoffs in den verschiedensten Querschnitten
des Gußstücks, für eine gleichmäßige Brinellhärte in allen Teilen desselben, vor
allem aber für ein gleichmäßiges lamellares Perlitgefüge und D-freien Blattgraphit
in allen Teilen des Gußstücks.