DE1808515A1

DE1808515A1 - Gusseisen mit Kugelgraphit

Info

Publication number: DE1808515A1
Application number: DE19681808515
Authority: DE
Inventors: Schelleng Robert Douglas; Kies Frederick Karl
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1967-11-14
Filing date: 1968-11-13
Publication date: 1969-07-17
Also published as: FR1591761A; BE723916A; US3549430A; ES360191A1; GB1174700A

Description

4 Düsseldorf, den 12, November 1968

Patentanwälte Ceeilienallee 76 111/3

Dr. Ing. Eichenberg _1ßnör_1t;

Dipi.-Ing.Sauerland löUÖOIO Dr. Ing. König

Unsere Akte; 24 457

International Nickel Limited, Thames House, Millbänk,

^^^^^nTliyrT^^TffiHTriS^^rir^'^ Τ'Ι iTS"^"™"^"-

London, 3. W> 1, England

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"Gußeisen mit Kugelgraphit"

Die Erfindung bezieht sich auf ein bainitisches Gußeisen mit Kugelgraphit, das nach einem einfachen Glühen bei niedriger Temperatur eine hohe Festigkeit und Zähigkeit über einen großen Wanddickenbereich sowie eine gute Bearbeitbarkeit besitzt. Unter bäinitisch ist im Sinne der Erfindung ein Gefüge im oberen Bainitbereich und unter bainitischem Gußeisen nicht nur ein durchgehend bainitisches Gußstück geringer Wandstärke, sondern auch ein solches mit größerer Wandstärke von beispielsweise 15 cm oder mehr zu verstehen, bei dem nur eine Außenzone durchgehend bäinitisch ist«,

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darinj ein bainitisches Gußeisen mit Kugelgraphit zu s©haff'en> dessen Festigkeit^ Zähigkeit und Datierfestigkeit besser ist als bei nickellegiertem perlifriseheffl Gußeisen und l&giertem baini%ische& Gußeisen mit Kugeigraiphit, das auo-h Karbide enthält *

Zur i&BU%g der l&isg-abe. wird, eia Gußeisen

dass 2y9 bis 3t S $ Kohlen«tfcff * 1,7 2*6 £ MliMuffl^ 'ty 15 fei« i fcXtotybtm* %£ bis ti $

Nickel, O bis 0,25 $ Chrom bei einem Gesamtgehalt an Molybdän und Chrom von höchstens 0,5 und 0 bis 1 $ Mangan enthält, wobei die Gehalte an Nickel, Chrom und Mangan so aufeinander abgestimmt werden, daß das Gußstück bainitisch ist. Weiterhin enthält das Gußeisen zur Erzeugung sphärolilhisehen Graphits bis 0,1$ Magnesium sowie übliche Verunreinigungen.

Das erfindungsgemäße Gußeisen muß mindestens 0,15$ und vorzugsweise mindestens 0,2$ Molybdän enthalten, um ein bainitisches Gefüge zu erreichen» Der Molybdängehalt darf jedoch 0,4$ nicht übersteigen und liegt vorzugsweise bei höchstens 0,5$» um die Bildung von Korngrenzenkarbiden zu verhindern, die die Bearbeitbarkeit und Zähigkeit beeinträchtigen. Um in einem großen Wandstärkenbereich ein bainiti-Böhes Gefüge zu eraeugen und gleichzeitig eine VersprMung aufgrund größerer Mengen niedrigen Bainits und Martensits zu vermeiden» muß der Nickelgehalt eines chromfreien Gußeisens mit 0,3 bis 4 $ Mangan gemäß den Daten der nachfolgend en !Tabelle I auf die jeweilige Wändstärke abgestellt werden. Die SCabelle Ϊ enthält nur eine Auswahl von Daten» doch lassen sich ßwisehenwerte «aifgruM der angegebenen Mahlen Ohne weiteres erreeteiuelu forteilliaf terweise übersteigt der iriekelgehalt iiiöjht 'ii-e iaä übt 'dritten Spalte ang^gefee^en Werte» «of ket&ea lall aber ü&n

	Tabelle I	Höchstgehalt an Nickel
Wandstärke (mm)	Mindestgehalt an Nickel	3,6
25 (Sandguß)	3,2	. 4,8
76 ^M	4,2	5,4
152 ^N	4,8	6,5
51O(Kokillenguß)	5	-
1170 ^M	6,6

Das erfindungsgemäße Gußeisen sollte kein Chrom enthalten, da Chrom ein starker Karbidbildner ist und das bainitische Grundgefüge härtet, was zu einer Versprödung führen kann# Chrom kann jedoch durch den Schrott beim Einschmelzen eingetragen werden und ist bis 0,25# tragbar, insbesondere bei Kokillenguß mit größeren Wandstärken« Der Gesamtgehalt an Chrom und Molybdän darf jedoch 0,5# nicht übersteigen, da sich sonst auch in der Abschreckungszone von Kokillenguß Karbide bilden, die zu einer Versprödung und zu einer schlechteren Bearbeitbarkeit führen. Sofern das Gußeisen Chrom enthält, sollte es einen Teil des für das bainitische Gefüge erforderlichen Nickels ersetzen, wobei 0,2# Chrom einem Nickelgehalt von 0»5# entsprechen. Bis 0,5# Nickel können außerdem durch einen gleichen Gewichtsanteil Mangan ersetzt werden. Die Zähigkeit und Duktilität eines solchen Eisens ist jedoch geringer, während die Härte höher ist als bei einem Gußeisen, das zur Erzeugung des bainitischen Gefüges nur Nickel enthält. Auch Mangan kann bei Gehalten über etwa 1?£ spröde Karbide bilden, insbesondere bei größeren Wandstärken

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und in kokillenfernen Zonen, weswegen der Mangangehalt vorzugsweise 0,3 bis 0,4 $> beträgt.

Das im Eisen verbleibende Restmaghesiüm ist unerläßlich, um sphärolithischen Graphit zu erzeugen· Vorteilhafterweise enthält das Gußeisen 0,02 bis 0, Magnesium und im wesentlichen nur sphärolithischen Graphit.

Die Gehalte an Kohlenstoff und Silizium brauchen bei dem erfindungsgemäßen sphärolithischen Gußeisen bei weitem nicht so genau auf die jeweilige Wandstärke abgestimmt zu werden, wie bei üblichem Gußeisen mit lamellarem Graphit. So kann der Kohlenstoffgehalt 2,9 bis 3>9# betragen, wenngleich er bei großer Wandstärke vorzugsweise 3»7# nicht Übersteigt. Mit niedrigeren Kohlenstoffgehalten steigt die Neigung zur Karbidbildung, während ein zu hoher Kohlenstoffgehalt aufgrund zu großer Graphitmengen zu einer Schwächung und zur Bildung von Garschaumgraphit führt. Der Siliziumgehalt muß 1,7 bis 2,6# betragen, um die Bildung bei einem niedrigeren Siliziumgehalt auftretender spröder Karbide und einen Anstieg der Zähigkeits-Sprödigkeits-Übergangstemperatur zu vermeiden, der sich bei höheren Siliziumgehalten ergibt. Ein Teil des Siliziums, beispielsweise 0,3 bis 0,7#,kann als Impfmittel, beispielsweise in Form von ferrosilizium zugesetzt werden. Im Hinblick auf ein hohes Fließvermögen und andere wünschenswerte Gießeigenschaften sollte das Eisen Kohlenstoff und Silizium in etwa eutektischen Mengen enthalten, doch sollte bei schweren Gußstücken das Kohlenstoffäquivalent, vorzugsweise 3_f6 bis 4,3$ betragen·

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Unter den üblichen Verunreinigungen sollten der Sch.wefelgeh.alt 0,015$ und der Phosph.orgehalt 0,04$ nicht übersteigen, während Elemente, die die Bildung von Kugelgraphit aufgrund des Magnesiumzusatzes beeinträchtigen, völlig fehlen oder nur in unschädlichen Mengen vorhanden sein sollten. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung der Eisenschmelze gewährleistet, daß mindestens die Außenzone der Gußstücke bainitisch ist, d.ho ein Gefüge von sphärolithischem Graphit in einem Grundgefüge von oberem Bainit be- Λ

sitzt, das im wesentlichen frei von schwächenden und versprödenden Phasen, wie beispielsweise Restaustenit, Perlit, Ferrit, Martensit oder Karbid ist»

Gußstücke mit Wandstärken über etwa 150 mm, beispielsweise mit einer Wandstärke über 500 mm sollten vorzugsweise in Kokillen abgegossen werden. Überraschenderweise wurde nämlich anhand von Versuchen festgestellt, daß das Gefüge in stark abgeschreckten Zonen des Gußstückes nur wenig oder gar keine Karbide enthält. Außerdem ist auch der sich von der Kokille nach innen erstreckende Teil des Gußstückes bis zu beachtlichen Tiefen, beispielsweise bis etwa 50 ^j

mm bei einem 500 mm-Kokillen-Gußstück, karbidfrei. So besitzt mindestens die Außenzone eines schweren Kokillengußstückes ein zähes, festes und wechselfestes Gefüge, das dem Gußstück insgesamt bessere Eigenschaften verleiht. Bei in Kokillen abgegossenen Gußstücken nach der Erfindung beträgt der Kohlenstoff-« gehalt vorzugsweise 2,9 bis 3>7$_f der Nickelgehalt 5 bis 7$, 4w Molybdängehalt 0,15 bis 0,3$ und der Ohromgehalt hgchatena Q

Ein sehr wichtiges Merkmal des erfindungs«

gemäßen Gußeisens besteht darin, daß dieses durch eine sehr einfache Wärmebehandlung auf hohe Festigkeiten gebracht werden kann<> Diese Wärmebehandlung besteht in einem zwei- bis vierzehnstündigen, beispielsweise vierstündigen Anlassen bei 200 bis 315° C. Eine Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen, wie beispielsweise ein Normalisierungsglühen, ist nicht erforderlich, so daß die Wärmebehandlung in üblichen Öfen, beispielsweise in einem Kerntrocknungsofen durchgeführt werden kann₀

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.

Beispiel I

In einem Induktionsofen wurden vier verschiedene Einschmelzen "auf' 1565⁰C überhitzt. In diese Schmelzen wurden bei 1510° G Magnesium in Form einer Nickel-Magnesium-"Vorlegierung mit 15$ Magnesium und anschließend 0,5$ Silizium in Form von kalziumhaltigen Ferro-85$-Silizium eingebracht." Die Schmelzen wurden in Sandformen gu Doppelkeilblöicken von 25 mm und einfachen Keilblooken von 76 und 152 mm abgegossen. Einige der Probestücke wurden im.Qußzustand mechanisch untersucht, während andere zuvor vier Stunden bei 515° 0 geglüht wurden«. Die Zusammensetzungen der Gußstücke sind in der nachfalgenden Tabelle II zusammengestellt, wobei der Restprozentsatz: aus Eisen besteht« In der Tabelle' III sind die technologischen Eigenschaften der Legierungen gemäß Tabelle II aufgeführt« Die Gußstücks der Schmelzen t^iis 2 besaßen ein bai&itisches Gefüge mit sphärolithischem Graphit, während das Gefüge des Gußstücks der

Schmelze A, die im Hinblick auf die Wandstärke zu wenig Nickel enthielt, bei geringerer Festigkeit und Härte Ferrit aufwies.

Tabelle II

Schmel ze	C <*)	Si	Mn Ni	22	Zugfe- stig-	Mo	,25	9>	BHN
1	3,56	2,14	0,39. 3,	38	98,0	0	,25	0,07	.328
2	3,78	2,12	0,41 4,	9	95,4	0	,24	0,077	337
3	3,67	2,00 .	0,40 4,	82	102,1 102,3	0	,25	0,07	321 321
A	3,76	2,12	0,37 3,	Tabelle III	86,4 89,2	0		0,06	324 321
			Streck grenze (kg/mm²)	96,7 99,1		Dehnung		332 337
Schmel ze	Keil- größe (mm)	Zustand	52,9	95,5		3,5	Ein- schnti-	333
1	25	Gußzu stand	53,3	95,0		4,0	2,0
		Il	73,5 74,2	88,3		5,0 4,5	4,5	300
		"ange lassen η ti	56,2 56,0		2.0 2,5	5,0 5,00
2	76	Gußzu stand ti	78,4 77,5		2,5 2,5	1,5 3,0
		" ange lassen η η	77,4		1,5	3,5 3,5
3 1	52	tt n	76,4		2,0	3,0
		It H	68,3		3,5	2,5
A	76	N N		3,5

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— ο — \

Beispiel II

Weitere Gußstücke mit bainitisehern Gefüge und der in Tabelle IV wiedergegebenen Zusammensetzung wurden nach der in Beispiel I beschriebenen Verfahrensweise erschmolzen und zu Keilproben von 25 mm vergossen, die kontrolliert abgekühlt wurden um die Abkühlungsgeschwindigkeit eines Kokillengusses mit einem zylindrischen Querschnitt von 510 mm zu simulieren. Teilstücke der zylindrischen Probe, deren Gefüge aus oberem Bainit und sphärolithischem Graphit bestand, wurden nach zweimaligem Anlassen von jeweils sieben Stunden bei 205° 0 und 315°O mit anschließender Ofenabkühlung dem Biegeversuch unterworfen. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle V zusammengestellt, wobei die Zähigkeit durch Integration der Fläche unter der Last-Biege-Kurve berechnet wurde. Versuche haben gezeigt, daß die rechnerische Biegefestigkeit etwa der zweifachen Zugfestigkeit üblicher Zugversuche entspricht«

	C	Si,	Mn	Tabelle	IV	0	Cr	Mo W)	0,06
Schmelze	3,08	2,13	0,32	Ni		0	,25	0,20	0,07
4	3,16	2,04	0,31	.5,0	0	,21 .	0,19	0,07
5	3,54	2,13	0,30	5,7	- -	,21	0,20	0,06
6	2,91	2,06	0V29	5,6	—	—"	0,42	0,06
7	2,97	1,98	0,28	5,4		——'	0,21
8			5,8

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	Anlaßtem peratur	Tabelle	V	Biegefestig keit
Schmelze	(⁰C)	Härte (RC)	Biegezähig keit	(kg/mm )
	205 205 515		(kgm)	212 208 202
4	205 205	55,5 56,0 56,0	9,7 9,75 8,5	214 214
5	Fo ro OO UlUl	56,7	8,55 8,9	206 195
6	205 205	56,0	7,55 5,55	215 207
7	205 205	55,5·	10,5 10,15	224 216
8	54,5	10,7 8,55

Im Gegensatz zu der hohen Zähigkeit der Proben aus der Schmelze 7 besaß die Probe eines ähnlich erschmolzenen und geglühten Gußstückes derselben Zusammensetzung, jedoch mit 0,2$ Chrom und einem Gesamtgehalt an Chrom und Molybdän von über 0,5$ eine Biegezähigkeit von nur 5,2 kgm.

Beispiel III

Die hohe Festigkeit und Zähigkeit bis zu einer !Tiefe von 500 mm und mehr,bezogen auf die Oberfläche bei großen Kokillengußstücken nach der Erfindung, ergibt sich aus weiteren Versuchen, bei denen zwei Schmelzen wie vorerwähnt behandelt und zu Gußstücken mit der sich aus Tabelle Vergebenden Zusammensetzung vergossen wurden.

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- ίο -

Tabelle VI

Schmelze	3	G	2	Si	0	Mn	Ni (*)■	0	Gr	0	Mo	0	(Sf
9	3	,11	2	,30	0	,35	5,0	0	,21	0	,19	0	,06
10	,20	,31	,51	5,7	,21	,19	,06

Die Schmelzen wurden in Sandformen zu Blöcken mit einer Kantenlänge von 127 x 127 x 250 mm mit einer 127 mm dicken, mit Graphit überzogenen Abschreckplatte abgegossen, deren Berührungsfläche 127 x 127 mm betrug. Die Abkühlungsgeschwindigkeit dieser Gußproben war der Abkühlungsgeschwindigkeit einer zylindrischen Probe mit einem Durchmesser von 510 mm gleich. Aus dem Probeblock wurden,Biegeproben in der Weise geschnitten_s daß ihre Spannungsflächen dem Metallgefüge in Abständen von 0, 12,5, 25, 76 und 115 mm von der Abschreckfläche des Gußstückes entsprachen. Die einzelnen Proben wurden zweimal je sieben Stunden bei 205 0 angelassen und anschließend im Ofen abgekühlt_β Die Ergebnisse der Biegeversuche sind in Tabelle VII zusammengestellt.

Tabelle VII '

Schmelze Abstand Biegefe- Biegezähig- Härte

(mm) *^&ψ *^ei* (rc) (kg/mm ) (kgm)

9	■	0	217	9,95	57,3
		207	8,05	36,5
	12,5	207	7,6	57,2
	212	9,7	56,0

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Schmelze Abstand Biegefe- Biegezä- Härte

stigkeit higkeit

(mm) (kg/mm²) (kgm) (RC)

	25	212	8,7	57,5
		207	6,5	56,0
	76	186	5,8	57,0
		202	5,6	56,0
	115	182	5,55	56,5
		191 "	4,1	56,7
10	0	229	10,9	58,4
		226	10,25	57,5
	12,5	225	9,6	57,5
		221	8,6	57,0
	25	212	6,9	57,0
		220	7,55	58,6
	76	190	5,55	57,6
		195	5,85	58,2
	"115	185	. 2,5	58,2
	■--■ -----	185	5,2	59,0

Aus ähnlichen in Kokillen vergossenen Blökken zweier Schmelzen wurden Zug- und Kerbschlagproben in einem Abstand von 58 und 65»5 mm von der Abschreckoberfläche herausgearbeitet. Die Ergebnisse der Versuche an diesen Proben nach zweimaligem siebenstündigem Anlassen bei 205° C und anschließenden Abkühlen im Ofen sind in der Tabelle VIII ausanmengesteilt*

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Tabelle VIII

Schmel- Ab- Streck- Zugfe- Dehnung Einschnü- Kerbschlagze stand grenze stigkeit rung Zähigkeit (mm) (kg/mm²) (kg/mm²) (#) ($) ' (kgm/cm²)

38 78,2 '108,0 5,0 5,0 1,04

78,6 108,6 6,0 5,0 1,04

63,5 79,1 106,0 5,0 4,5 · . —

79,6 108,8 5,0 5,0 1,04

38 83,4 112,5 5,0 5,5 0,86

81,4 111,6 6,0 5,5 0,95

63,5 82,1 108,3 4,0 2,0 0,95 82,2 111,0 4,0 2,5 0,95

Beispiel IV

Weitere Schmelzen mit einer Zusammensetzung gemäß Tabelle IX wurden in Sand zu Keilproben von 25 mm abgegossen und mit der Abkühlungsgeschwindigkeit einer zylindrischen Kokillenprobe mit einem Durchmesser von 117 cm abgekühlt. Das Gefüge der Gußstücke bestand aus oberem Bainit mit sphärolithisehern Graphit. An zweimal sieben Stunden bei 205° G angelassenen und im Ofen abgekühlten Probestücken wurden Biegeversuche mit den in Tabelle X aufgeführten Ergebnissen durchgeführt.

Tabelle IX
Schmelze C Si Mn Ni Or Mo Mg

	3	,28	2,	37	. 0	,32	6	,6	0	,21	0,	20	0	,08
12	3	,22	?,	50	0	,70	5	,8	0	,21	0,	20	0	,08

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Schmelze Härte

11 36

12 36,2

Tabelle X	Biegefe
BiegeZähig	stigkeit
keit	(kg/mm )
(kgm)	222
9,7	221
10,3	212
7,95	210
6,95

Das gute Gefüge der Proben aus der Schmelze 12 ist durch die gleichzeitige Wirkung des Nickels, Mangans, Molybdäns und Chroms bedingt. Es ergab sich jedoch, daß die Proben der Schmelze 12 mit einem Mangangehalt von 0,7$ eine geringere Zähigkeit besaßen als die Proben der Schmelze 11 mit nur 0,32$ Mangan.

Die ausgezeichneten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Gußeisens über einen großen Wandstärkenbereich macht es für zahlreiche Verwendungszwecke geeignete Beispielsweise für Kurbelwellen, Motorblöcke und Zylinderköpfe, Nocken, Brechertrommeln, Kupplungsscheiben, Spurstücke für Raupenschlepperlaufflächen, Schleudergußrohre und schwere Gußstücke wie beispielsweise Walzen, Preß- und Schmiedegesenke sowie Terschleißplatteno

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Claims

-H- International Nickel Limited, Thames House, Millbank, ZZSS London, S.W. 1, England Patentansprüche;

1. Gußeisen mit Kugelgraphit, bestehend aus 2,9 3,9$ Kohlenstoff, 1,7 bis 2,6$ Silizium, .0,15 Ms 0,4$ Molybdän, 3,2 bis 7$ Nickel, 0 Ms 0,25$ Chrom bei einem Gesamtgehalt an Molybdän und Chrom von höchstens 0,5$, 0 bis 1$ Mangan, wobei die Gehalte an Nickel, Chrom und Mangan so auf die Wandstärke des Gußstückes abgestellt sind, daß sich ein bainitisches Gefüge ergibt, und Magnesium Ms 0,1$ zur Bildung von sphäroIithisehern Graphit, Rest einschließlich erschmelzungsbeding^er Verunreinigungen Eisen,

2. Gußeisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es höchstens 0,3$ Molybdän enthält.

3. Gußeisen für Kokillenguß, dad'urch gekennzeichnet , daß es höchstens 3»7$ Kohlenstoff, mindestens 5$ Nickel und höchstens 0,2$ Chrom enthält.

4. Gußeisen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß es bei 200 bis 315° C angelassen worden ist.

Verwendung eines Gußeisens nach den Ansprüchen 1 bis 4 als Werkstoff für Kurbelwellen, Motorblöcke und Zylinderköpfe, Nocken, Brechertrommeln, Kupplungsscheiben, Spurstüeke für Raupenschlepper-Laufflächen, Schleudergußrohre, Walzen, Preß- und Schmiedegesenke und Verschleißplatten.

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