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Verschleißbeständiges Eisengußstück. Die Erfindung bez ieht sich auf
verschleißbeständigeeisenhaltige Gußstücke bzw. Eisenguß'stücl,-e, die TitanKarbid
als funktionelle bzw. wirksame Komponente enthalten, sowie auf die Herstellung solcher
Gußstücke. Die Gußstücke können schmiedbar gemacht werden, und sie können Eigensch
- aften -haben, die sie zur Verwendung als Werkzeugstahl geeignet machen.
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Die verschleißbest-,#ndigen Eisengußstücke gemäß der Erfindung bieten
Schwierigkeiten hinsichtlich ihrer Benen nung. Eisen und Stähla werden üblicherweisel
an Hand das KohlenstoffgehaItes und des Verhaltens, welches diesen be-
gleitet,
klassifiziert,. Sei den Gußstücken der Erfindung können große filengen Kohlenstorf
als inertes Titankarbid abgesondert werden, und dennoch ist der analytisch vorhandene
Kohlenstoff nicht in der-Lage, seine gewöhnli##he Wirkung auszuüben. Demgemäß kann
ein Gub,stück als ein Eisen klassifiziert werden und ein Verhalten wie ei-h
-itahl
li.-it#en .
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Uurch uie werden in i#Lisivii,# vc#r-;i" ccfiriiiE-, War c
c-, -i n könn --,n und A.: e i] i re b,?-# r '.ch tl ich v- rb,- s##r
te 'J#, rzcril"z#i2 bes tz»:n"ii rj, ei t h:-u;)tr -cn! ich -lus dE---,i -ein v#.n
sich nicht und kein ijetz bil ik,#nil'un K#-.rbidün von Titan ableiten.
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Ein wesen4,--licr-#z--r Aspe-t dür Erf'in,.junfj :;iz-- in hohem iiusriiaf#'
ver,-,chleißbest',.ndi.#,."n Tit-, ni partikel an Ort und Stelle w-c--#hrenc uar
ind Alikühl--in- der ursprünglichen Glußgestalt erzF-,ij,-,t und nicht spät--r durch
----r.,iiebehandlunr-,#svc-rFah-Leri entwickelt werden müssen. De-r Charakter der
die Titankarbiopartikel abstützenden bzw. tr#:igenden [#,intrix kann in der Hirte
uni der Iflikrostruktur durch übliche 'Järmabehandlun#)sv-irg--fige c(3,--nciert
werdr:#n.
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Die Erfindung schafft ein Verfahren zij[-,i HE"rstp-,1--ILn eines
verschleißbeständigen Eisengußstücks, bei welchem in eine Kohlenstoff enthaltende
geschmolzene Eisenaietallmenge eine Komponente, weiche wenigstens ei#rien der 1-toff's
.aus der Liruppe, die Titant eine Titanlegierutig und ein Karbid vGn Titan allein
oder mit einem anderen Karbid kombiniert, umfaßt, eingeführt wird und dadurch Titan
,arbidpartikel curch Kristallisation an Ort u.nd Stelle in dem sich verfestigenden
Pletall gebildet werden, welches die hlatrix darstellt, und bei welchem in die Eisenmetall-
C
hmelze eine Menge lohlefistoff einnebracht wirdy die weni(-steris ehenso gro13 ist
wie-, die des Kohlens.tot'fs zur bildung des Titankarbids und des zum ErzguGen i,c-n
Kohlenstoff#2ehalts in Liter Abstützmatrix ert'Orderlichen Kohlenstoffs. üie spezifizierte
Komponente entfl*'lL.vlit,zuc)s[i!eise Titan in einer ffienge zwischen etwa 0,8
und-etwa 9,6 Jew. /", des Gußstücks. Jie: Gesamtmen-,ja an K-ohlens.'-ot'U
lie"it vorzu,-iswei-se, zwisc.hen e.tufa und st.we 7,U #E3iLl. ..i des #ußstücks.
Für -ein schmiedhares Gußstück sollte die, jus-Li.-#itmenge an K.ohlpnstoff zwisc#hen
etwa L,65
unu etwa 3.,4 GIt.#w. Jes GuLlst##ci<s lieren, un.d d;er IK-ohIenstti'#r.-1p-haltp-
in der Abstützmatrix sollte etwa 1 Gew.'.. das Gußstüci#.s nicht übersch:,Piten.
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U;-.i aine Legierungsgrundlage miL. Eigensc,haften zu erzeuLjen, die
für verschi--3dene-EndverwendLin,.-.en-gesionet sinö" wird v,-)rzug'stilp-ise in
Liie EisEinmptallschmelze.-außerdL-.m stens eines der nachstehend auf #;ef Uhrterk
in# d.5#mi- an,-geg.eUenen Proz antbereich eingebracht.
| Metall Gew.% des Gußst.ücks- |
| Nickel Spur - 2290 |
| fliangar-i - 18to |
| L,hroin Spur 7 35,0 |
| fflolybd'#n Spur - 890 |
| Lolf ra,m 5 P.u r - 4 90 |
| Vanadium Spur- - 2,0 |
Durch die Erfindung ist ein verschleißbest:-#ndiges Lisengußstück
geschaffen, welches Titankarbidpartikel als funktionelle bzw. wirksame verschleißbeständige
Komponente enthält, wobei ein solches Gußstück Titan in einer filenge zwischen etwa
0,8 und etwa
9,6 Gew. des Gußst-ücks sowie Kohlenstoff enthält, welcher
die Titankarbidpartikel durch Kristallisation an Ort und Stelle aus dem -dich verfestigenden
Metall bildet, wobei der Kohlenstcff in dem Gußstück in einer hienge vorhanden ist,
die wenigstens ebenso groß ist wie die Gesamtmenge des zum Bilden der Titankarbidpartikel
erforderlichen Kohlenstoffs und des zum Erzeugen das gewünschten Kohlenstoffnehalts
in der Abstützmatrix erforderlichen Kohlenstoffs.
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Es ist gefunden worden# daß Eisangußstücke, die in gewissen Fällen
durch Heißschmieden in andere Gestalten umgewandelt werden können und die zufolge
das Vorhandenseins bezrächtlicher Mengen von an Ort und St-alle wi#hrend des Abkühlens
aus der Schmelze ausgefälltem Titankarbid einen erheblich verbesserten Widerstand
gegen Abriebverschleiß aufweisen, dadurch hergestellt werden können, da2 in eine
Eisenschmelze a) die gewünschte Menge an Titan, b) die stöchiometrische Menge
an Kohlenstoffg die zum Bilden von Titenkarbid erforderlich istg c) die erforderliche
Menge an Kohlenstoff zur Erzeugung der gewÜnschten Eigenschaften in der Abstützmatrix.
eing-ebracht-
werden..
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Unter Berücksichtigung des Punktes c) wird«im Fall einer unlogierten
öder niedriglegierten Matrix ein zufriedenstellendes Verhalten der Matrix gewöhnlich
bei einem Koh-lanstoffgehalt von etwa 0,45 bis etwa 0,80 > in der Matrix
selbst-erhalten, wobei der als dispergiertes Titankarbid vorhandene Kohlenstoff
nicht'mitgezählt ist. In mit -metallen 9 wie thra-mi Nickel oder Malybdän,
hochlegierten Matrixes k ann eine Kohlenstoffmenge bis etwa 5 % erforderlich
sein, um die gewünschten Eigenschaften in der fflatrix zu erzeugen die zum Abstützen
der Titankarbidpartikel verwend-et wird..
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Der Tit - ankarbidgehalt-der Eise,ngußstücke gemäß der_ Erfindung
soll in der Größenordnung von 1 % liegen, um -einen klar erfaßbaren-Beitrag
zur Verschleißbäständigkeit zu liefern, wobei ein Gehalt von 3 bis
6 % wesentliche Verbesserung,en-der Verschleißbeständigkeit-erzeugt. Das
Ausmaß der Verbesserung-scheint-bei höheren Konzentrationen etwas; abzunehmen, Praktische
Gesichtspunkte setzen der Konzentration von Titankarbid-eine obere Grenze von etwa
12 %. und da Titan. karbid zu-80 % aus Titan besteht, bedeutet diesq
daß der Titangehalt -zwi,schen.etwa 0p8 und 9,6,schwanken kann* Auf di-a Gesamtzusammensetzung,bezogen,
liegt die untere Grenze, das.Ka,hlenstoffgehalts bei etwa 0t65 %. von denen
0j2 % mit dee minimalen Titankonzentration kombiniert si.nd.. Die obere
Grenze
das Kohlenstoffs beträgt etwa 7,0 %. welche beispielsweise im Fall einer
hochlegierten Zusammensetzung erreicht worden kann, die etwa 12% Titankarbid enthält»
welches seinerseits 2,4% Kohlenstoff etfordert.
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Die Erzeugung von Titankarbid ist in Gußstücken, technisch möglich,
welche die oben genannten Elemente in höheren i;rozentsätzen als den angegebenen
enthalten. Jedoch wird der Beitrag, welchen diese Elemente zu der Qualität und den
Eigenschaften der Gußstücke leisten, gewöhnlich in den gegebenen Grenzen gut entwickelt,
und die Verwendung höherer Konzentrationen ist normalerweise als Vergeudung anzusehen.
Der wesentliche Mechanismus ist bei Vorhandensein anderer Elemente, wie Bor, Kupfer
und Kobalt, die manchmal in Legierungsstahlzusammensetzungen vorhanden sindv wirksam.
Gewisse Restelemente, die für Eisenprodukte normal sind, können ebenfalls vorhanden
sein. Silizium kann in Konzentrationen bis zu 3#ü vorhanden sein. SchweFel und Phosphor
können in den typischen in handelsüblichen Materialien enthaltenen Mengen vorhanden
sein; es wird jedoch b-evorzugtp sie auf einem Minimum zu halten.
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Da der WiderstandIder Eisengußstücke gemäß der Erfindung gegen Abnutzung
in großem Ausmaß durch den Gehalt an dispergiertem Titankarbid 9 welches
an Ort und Stelle Kristallisiert ist4 bestimmt wird$ können die üblichen Anforderungen
ein er Verschl-eißboständigen Struktur von a) einer#Entwicklung sehr harter Nikrobestandteile
und#-deren
-Abstützung-tauf b) ein --infaches A.bstützen de,s, litankarbids
in einer ausreichend harte.n und festen Viatrix reduziert worden.
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üieser-U.-,istand, macht es mö-qlichg unter Aufrechterhalten der-Verschleißbeständigkeit
Ges.amtkohlenstoffgehalte zu verwenden, welche zuerst-das TI*ta,nkarbid bi.lden
und dann den Kohlenstoffgehalt der.rilatrix niedrig genug .bela-ssen, um karbidnetzstrukturen
in kleinen Gußblockquer,schnitten.auf einem Minimum zu halten oder zu vermeiden'.
Diese Gußstücke in Blockform haben sich als leicht schmiedbar erwiesen-. In:soweit-sich
diese Wirkung in stärkere-LJuers#hnitte-erstrer,kt, tragt sie zu deren Szchmiedbarkei.t
,vorteilhaft bei. Es ist bekannt, üäJ Strukturen mit abgesondertem oder Wet.zkarbid
welche keine Duktilität haben, üblic,herweise Schwierigkeiten beim Sc.hmiedpn von
Gußblöcken, insbesondere von ü*erkzeugsta,hl-Ingots hervorrufen. und jede
Verfainderung dieser Neigung verringert die in dieser Stüt'e der Herstellung auftretenden
Verluste. Im Falle üblicher Werkeeugstähle müssen unerwünscht hohe Kohlenstoffgehalt,e..wahrend--des
Gießens und des Schmiedens toleriert werdieser Kohlenstoff später erforderlich istg
um die-Milkrobestandteile, die.große Härte haben und verschleißbesti.ndig sindg
mittels Wärmebehandlung zu entwikkeln.
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Auf -,arund des gesteuerten Kohlenstoffgehalts der Matrix könne n
die schmiedbaren Teile der Gußstüc.ke gemäß der
Erfindung wirtschaftlicher
hergestellt werdeng und zwar zufolge der wesentlich verbesserten Erfolgschancen
bei Reduktionsvorgängen, wobei sie dennoch eine hohe Konzentr-ation von hoch verschleißbeständigen
Karbiden schaff-en, was Ihnf,#n ermöglicht, die Funktionen auszuüben, die gewöhnlich
durch übliche Diaterialien, beispielsweise Werkzeugstähle, ausgeübt werden.
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Wefin ein4)esteuerter Kohlenstoff- und Legierungsgehalt der Matrix
bei den Gußstücken gemäß der Erfindung vorhanden ist, kann das Ansprechen dieser
Matrices auf üb-
liche Wärmebehandlungen vorhergesagt werdeng und die Arbeitsvorgänge
können erfolgreich ausgeführt werden. Es ist nicht erforderlich, Temperaturen anzuwendent
welche die Löslichkeit des Titankarbids nachteilig beeinträchtigen, diese Komponente
bleibt von den Behandlungen im wesentlichen unbeeinflußt, die zum Entwickeln oder
Ändern der Eitjenschaf" ten der fflatrix erforderlich sind. Die Zusammensetzungen
gemalder Erfindung können somit auch die Notwendigkeit für langwierige bzw. umständliche
Wärmebehandlungen ausschalten, die oftmals erforderlich sind, um in Werkzeugstählen
die gewünschten Eiijenschaften sicherzustellen.
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Wann es beabsichtigt istg-daß ein Primärgußstück ge-
schmiedet
oder einer anderen Heißbearbeitung unterworfen werden sollt muß die Kohlenstoffkontentration
sorgfältig gesteuert werdeng um eine Kohlenstoffsegregation während des Erstarrens
und eine daraus f olgende Hldung von spröden
b-zw. brü,chigen
Karbidnetzen zu verhinderng die während der Verformung reißen. Titankarbid hat das
Bestrebent sichals di-Spergierte Phase zu bilden, und es, hat-ein geringes, Bestreben,
zu s#egregieren-bzw. s'pröde Karbidnetze zu bilden, wenn es sich'aus einer Schmelze
während des Erstarrens ausscheid st. Daher muß die Kohlenstoffkonzentration der
Matrix begrenzt werden, um die üblichen Arten von Bildungen spröden Karbids zu verhindern,
die Schwierig keiten beim Schmieden ergeben.
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bei den meisten Legierungssystemen sollte ein maximaler Kohlens.toffgehalt
in-der Mairix von etwa-1,0 % nicht überschritten werden, um Karbidnetzbildungen
zu verhindern.. Da-die praktische Maximalkonzentration von Titan 9,6
der-Zusammens-etzung
beträgt'und 2,4 % Kohlenstoff für die Bildung,des Karbids erfordert, liegt
die obere Grenze des Kohlenstoffs für eine schmiadbare Zusammensetzung bei etwa
(1 plus 294,-7o) Kohlenstoff oder 3,4 des Gewichts der Zusammensetzung. Der
Kohlenstoffprozents#tz, der in einer Matrix vorhanden ist, läßt sich mittels analytischer
Verfahren nicht leicht messen;--er kann jedoch sehr bequem angenähert werden, und
für die Zwecke dar Erfindung wird er als der-Unterschied zwischen dem-Proz.e-ntS-atz'des
Gesamtkohlenstoffs und dBm Prozentsatz des Kohlenstoffs genommen, der durch das
vorhandene T-it-an als Titanka#bid a-bgesondert werden kann.
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Die in Spalte
A der n a;ch st ah,en
d e#r-i "r-a
b e'
119 g* 6 # e
b a n
ei
Analyse
veranschaulicht ein nicht schmiedbares Gußstück mit einem Titankarbidgehalt von
etwa
6,5 %, der die Zusammensetzung hoch verschleißbest;#Indig macht.
| A B C |
| C 6 li,6 0 9 6 5% |
| Mn 297 di. 198 0,50 % |
| 029 % 0e25 |
| 59 0 |
| C r 13 598 jo |
| Mo 095 -b i g 0 cjl. |
| V - 094 % 0950 j#b |
| Ti 592 % 422 cl'. - |
| Fe Rest Rest Rest |
In Spalte.B der vorstehenden Tabelle ist eine martensitische Anglyse veranschaulicht,
die als ein Beispiel verschleißbeständiger Gußstücke gemäß der Erfindung verwendet
werden kann, die dispergiertes Titankarbid enthalten und ZusaWmensetzungen aufweisen,
welche ein Schmieden bequem ermöglichen. Gußstücke der oben genannten Analyse in
Block
- bzw. Ingotform können durch Schmieden zu zwäckmäßigen FOrmen bzw.
Gestalten umgewandelt werden, wie es bei*-Gußblücken aus Wärkzeugstahl üblich ist.
Proben das verbesserten verschleißbesta';ndigen schmiedbaren Gußstücks gemäß Spalte
6 der Tabelle wurden in Verschleißtesten mit einem handelsüblichen luftgehärteten
niedriglegierten Chromwerkzeugstahl von entsprechender Zusammensetzung verglichen,
in,Spalte
C der Tabelle angegeben ist.-Unter den Testbedingungen waren die Härte und
die M-ikrogtru-kture-n der Matrix der beiden Gußstücke praktisch identisch. Mit
Ausnahme der kritischen Mengen an Titan und Kohlenstoff, die als Titankarbid vorhanden
sindg waren die chemischen Zusammensetzungen vergleichbar. Die Unterschiede von
in kleineren Mengen vorhand,enen Elementen
, wie Mangan, sind-in ihrem Beitrag
zur Verschleißbeständigkeit gering.
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-In, d3-hl Gußstück gemäß Spalte B der Tabelle haben die '49'2
% Titan 1-,05 Kohlenstoff gebunden und unbeweglich
Wenn die kleine Kohlenstoffmenge, die von dem Vanadium benötigt wird" vernachlässigt
wird-, dann bleiben 1,6-% 1,Ü5 % =-0,55 % Kohlens toff für
die Matrix verfügbar,-und bei keinem der untersuchten Beispiele war dies ausreichend,
-u,m eine Karbidnetzstruktur zu.erzeugen. Dieses Gußstück wurde mit Erfolg geschmiedet,
und wenn es von einer Temperatur-oberhalb der kritischen Temperatur luftgekühlt
wurde, wurde eine Härte von 58 bis 60 Rc in der Matrix entwickelt,
welche die verschleißbest".;n,di,gen Titankarbidpartikel abstützt.
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-Die Zunahme der,-Verschleißbeständigkeit des Gußstücks gemäß Spalte
B der Tabelle gegenüber dem Gußstück gemäß Spalte C zufolge-des Vorhandenseins
von Titankarbid ist
durch die nachfolgenden-Daten dargestellt,
die für Abriebverschleiß unter Standardtestbadingungen erhalten wurden.
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Gewichtsverlust
| Testbed-ingung Material 6 Material C |
| geringe Beanspruchung bzw. |
| Kratzabrieb 0,175 g 29290 g |
| hohe Beanspruchung bzw. |
| Zerdrückabrieb 100,9 mg- 17795 mg |
Diese Werte -stellen Gewichtsverluste dar, die ein Maß für die Verschleißbeständigkeit
sind, wenn sie unter Standardbedingungen erhalten werden. Je geringer der Gewichtsverlust
ist, desto besser ist die Verschleißbeständigkeit.