DE1911552A1

DE1911552A1 - Gusseisen

Info

Publication number: DE1911552A1
Application number: DE19691911552
Authority: DE
Inventors: Gruvev Jun Walter E; Moove William H
Original assignee: Meehanite Metal Corp
Current assignee: Meehanite Metal Corp
Priority date: 1968-03-11
Filing date: 1969-03-07
Publication date: 1969-10-09
Also published as: NL6902042A; DE1911552B2; CH513985A; BE722918A; FR1603522A; GB1196550A; DK120462B; NO123158B; NL149545B; FI50256B; FI50256C; ES359978A1; SE338442B; US3600159A

Description

Meechanite Metal Corporation

New King Street -

White Plains, New York 10 βθ4

USA 28'. Februar I969

22 407 R/Wie.

Gußeisen

Die Erfindung betrifft ein Gußeisen mit 2,80 % bis >,8o % Kohlenstoff und mindestens 3,50 % Silizium. Dies Gußeisen soll insbesondere für eine Verwendung an Gegenständen geeignet sein, die in einer Hochtemperaturumgebung angeordnet werden.

Bei der Verformung von Metallen wie Titan z.B. ist es notwendig, Formen wie Gesenke zu verwenden, die bei Temperaturen benutzt werden können, die im Bereich von 650⁰C bis HOO⁰C liegen, da Titan nur in diesem Temperaturbereich wirksam zu bearbeiten ist. Maschinenteile, wie beispielsweise Teile von Kompressoren für Verbrennungskraftmaschinen, Turbinenmotoren u.a. haben ho-he mechanische Beanspruchungen bei erhöhten Temperaturen auszuhalten und müssen widerstandsfähig in ihrem Dauerstandsverhalten unter Wärmeeinflüssen sein. Diese Erfordernisse haben zu der Entwicklung von vielen hochlegierten Gußeisen und Stählen geführt, die außerordentlich schwierig zu vergießen und zu bearbeiten sind, und die außerdem sehr teuer sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein relativ preiswertes Gußeisen mit guten Hochtemperatureigenschaften zu schaffen. Insbesondere soll die Legierung eine hohe mechanische Festigkeit bei erhöhten Temperaturen über 650⁰C besitzen, bei Raumtemperaturen leicht bearbeitbar sein und leicht vergießbar in den üblichen Gießformen.

Gemäß der Erfindung ist das Gußeisen durch Gehalte an Vanadin im Bereich von O,?'O % bis 2,00 fo und regellos in perlitischer Grundmasse verteilte kubische Karbide gekennzeichnet. Vorzugsweise weist das Gußeisen freien Kohlenstoff in Form von Kugelgraphit auf und be si.;,.-', t GehaLte an einem Kugelgraphit-Bildner und maxLmal ^,00 ': M 1.1ζIum. -

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Besonders vorgezogen wird ein Gußeisen, das >,00 ^c/o Kohlenstoff, 4,06 % Silizium, 0,75 % Vanadin und 0,035 % Magnesium, Rest Eisen neben den üblichen Gehalten an Mangan, Phosphor und Schwefel enthält. Das Gußeisen nach der Erfindung kann auch Wolfram und/oder Molybdän enthalten.

Mit der Erfindung wird außerdem ein Gußeisen geschaffen, das eine überlegene Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation, Verzunderung und Wachsen bei erhöhten Temperaturen besitzt.

In der Zeichnung ist in Fig. 1 ein Schliffbild der Legierung gemäß der Erfindung mit hundertfacher Vergrößerung dargestellt, das Kugelgraphit und in perlitischer Grundmasse verteilte Karbide zeigt. In Pig. 2 ist ein Schliff mit 500-fächer Vergrößerung dargestellt, der kubische regellos verteilte Karbide zeigt, wie sie für die Legierung gemäß der Erfindung charakteristisch sind.

Es ist eine bekannte Tatsache, daß siliziumreiche Gußeisen zur Herstellung von Gegenständen geeignet sind, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden müssen, da diese Gußeisen besonders widerstandsfähig gegen Oxidation und Verzunderung sind und da sie nur sehr geringe Abmessungsänderungen oder geringes Wachsen zeigen, wenn sie zyklischen Erwarmungsbedingungen bei erhöhten Temperaturen in eineraggressiven Atmosphäre ausgesetzt sind. Es ist weiter festzustellen, daß diese siliziumreichen Gußeisen mit Silizium im Bereich von 3,50 % bis ö,50 % außerordentlich spröde bei Raumtemperaturen sind und deshalb schwierig zu vergießen und zu den gebräuchlichen Formen von Maschinenteilen zu verarbeiten sind. Es ist weiter festgestellt worden, daß die Umwandlung von Graphit in derartigen Gußeisen in Kugelgraphit durch geeignete Zusätze an Kugelgraphitbildnern, wie Magnesium, den Gußeisen eine hohe mechanische Festigkeit, wie Zugfestigkeit und Zähigkeit verleiht, wobei aucn geringfügige Verbesserungen in den Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen erreicht werden.

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Gemäß der Erfindung ist festgestellt worden, daß die Zugabe von Vanadin zu siliziumreichen Gußeisen insbesondere bei Vorliegen des Kohlenstoffs als Kugelgraphit, eine neue und überraschende metallurgische Struktur erzeugt. Dadurch wird eine unerwartete Verbesserung in dem Verhalten von diesen Gußeisen bei Temperaturen im Bereich von 650⁰ bis HOO⁰C erreicht. Es ist festgestellt worden, daß die Vanadingehalte Gußeisen besonders stabil machen, eine höhere Zugfestigkeit und Härte bei diesen erhöhten Temperaturen bewirken und in keiner Weise die Vergießbarkeit und Bearbeitbarkeit von Teilen, die aus den erfindungsgemäßen Legierungen gegossen werden, beeinträchtigen.

Vanadin ist in Gußeisen als Karbidbildner und die Härte steigerndes Element bekannt. Bezüglich dieser Eigenschaften ist es annähernd zweieinhalb mal so stark wie Chrom, das ebenfalls als Härter bekannt ist und insbesondere dort benutzt wird, wo Verschleißfestigkeit gefordert ist. Bei geringer siliziumhaltigen Eisen ist es sehr schwierig, die Ausbildung von groben, spröden Karbiden im Gußeisen zu verhindern, auch wenn oder gerade wenn relativ geringe Gehalte an Vanadin, wie beispielsweise 0,25 % oder 0,50 % zugesetzt werden. Vanadinzusätze erschienen bisher bezüglich ihrer Nützlichkeit nur in begrenztem Umfang sinnvoll, da sie sehr leicht die Nichtbearbeitbarkeit des Gußeisens bewirken. Da die meisten Gußstücke eine weitere Bearbeitung erfordern, wie beispielsweise bei der Herstellung von Gesenken oder Kompressorteilen, erschien es bisher nicht möglich, Vanadin in derartigen Gußeisen in größerem Umfange zu verwenden.

Im Rahmen der Erfindung ist festgestellt worden, daß Vanadin hochsilizium-haltigeiEisen, insbesondere Gußeisen mit Kugelgraphit in Gehalten gemäß der Erfindung, zugesetzt werden kann, und daß unter den genannten Bedingungen ein Überschuß an Vanadin in Form von regellos verteilten Karbidteilchen vorliegt und dadurch die Bearbeitbarkeit nicht beeinträchtigt wird und die mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen stark verbessert werden. Vorzugsweise wird ein Gußeisen mit Kugelgraphit der folgenden Zusammensetzung angewandt: Kohlenstoff 2,80 %

bis 5,80 %

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Silizium 3,50 bis 5,00 %

Mangan 0,20 bis 1,50 %

Schwefel weniger als 0,025 <fo

Phosphor weniger als 0,10 %

Vanadin 0,70 % bis 2,00 %

Bezüglich der Elemente Mangan, Schwefel und Phosphor soll in ,_. obigen Angaben keine Beschränkung gesehen werden, es sind hier die Gehalte innerhalb der für Gußeisen normalen Grenzen zulässig; es ist jedoch natürlich, daß in Gußeisen mit Kugelgraphit der Schwefelgehalt gering sein muß, und daß im Falle einer Verwendung des Gußeisens für Zwecke, die eine hohe Wärmebeständigkeit erfordern, der Phosphorgehalt gleichermaßen niedrig zu sein hat, um das Ausschmelzen von Phosphiden mit geringem Schmelzpunkt unter den Arbeitsbedingungen zu vermeiden. Weiter sind Elemente wie Nickel, Kupfer, Wolfram, Molybdän usw. in dem erfindungsgemäßen Gußeisen verwendbar,.wein ihre besonderen Wirkungen zur Her-aussteilung einer besonderen Eigenschaft erwünscht sind.

Bei dem Gußeisen nach der Erfindung ist es wesentlich, daß der Kohlenstoffgehalt nicht über 3,80 % liegt, da unter diesen Bedingungen die bestimmte Tendenz besteht, massive Vanadinkarbide eher auszubilden, als die erwünschten kubischen Karbide in ihrer regellosen Verteilung, die für das Gußeisen gemäß der Erfindung kennzeichnend' sind. Außerdem darf der Kohlenstoffgehalt nicht niedriger als 2,80 % sein wegen des ungünstigen Effekts auf die Vergießbarkeit der Legierung. Die Siliziumgehalte müssen zum Zwecke einer guten Hitzebeständigkeit oberhalb von 3*5ö % liegen und um außerdem eine übermäßige Sprödigkeit des Enderzeugnisses zu vermeiden, wird ein maximaler Siliziumgehalt von 5*00 % vorgezogen.

Es ist festgestellt worden, daß Vanadingehalte von weniger als 0,70 % nicht ausreichen, um die erwünschte metallurgische Struktur mit regellos verteilten kubischen Karbiden herzustellen, die Hand in Hand mit dem verbesserten Verhalten der Legierung gemäß der Erfindung bei hohen Temperaturen geht.

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Der genaue Grund der Wirkung dieser Karbide ist nicht bekannt, es wird jedoch angenommen, daß'sie, wie alle Karbide, die Gesamthärte des Metalls bei hohen Temperaturen steigern, und ihre besondere Gestalt und Verteilung bewirkt, daß keine Nachteile bezüglich der Bearbeitbarkeit oder Kerbschlagfestigkeit - beides wesentliche Umstände - erhalten werden. Es ist auch sehr wahrscheinlich, daß die Anwesenheit dieser Karbide auf eine vollständig mit Vanadin gesättigte Matrix hinweist, und es ergibt sich daraus eine wesentlich höhere Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Vandadingehalte Über 2 % verursachen mehr massive und bezüglich

ihrer Verteilung ungünstiger angeordnete Karbide und schaffen keine weiteren Verbesserungen bezüglich der Hitzebeständigkeit Von Maschinengußeisen. Die Wirkung eines höheren Vanadingehalts in Richtung auf eine Verringerung der Bearbeitbarkeit und der Tendenz zur Versprödung, sowie die zusätzlichen hohen Kosten bei der Herstellung einer solchen Legierung,lassen es unpraktisch erscheinen, Gehalte von mehr als 2 % Vanadin anzuwenden.

Als Ausführungsbeispiel für eine legierungsgemäße Erfindung wurde eine Schmelze mit folgender Analyse hergestellt:

Kohlenstoff 3,00 #

Silizium #,06" %

Mangan O₁4t #

Phosphor 0*03 #

Schwefel 0,015 %

Magnesium 0,035%,

Vanadin 0,75 #.

Die Anwesenheit von Magnesium war erforderlich, um eine Kugelgraphitbildung einzuleiten. Die Schmelze wurde zu Versuchsproben vergossen, die nachfolgend bearbeitet wurden und auf

untersucht ihre Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen wurden.

Zur selben Zeit wurde eine Legierung derselben Badzusammensetzung abgegossen, die jedoch kein Vanadin enthielt. Die Proben ohne Vanadin wurden ebenfalls auf ihre Zugfestigkeit auf einer Kurzzeitbasls bei 65O°C, 76O⁰C und 87Q°C getestet* Die erhaltenen

Werte waren entsprechend obiger Reihenfolge, 675 kg/cm (9,600 p.s.i.), 422 kg/cm² (6,00 p.s.i.) und J>l6 kg/cm² (4,500 p.s.i.).

Die Versuchsproben mit 0,75 % Vanadin zeigten bei denselben Temperaturen Zugfestigkeit von I300 kg/cm (18,500 p.s.i.)* 880 kg/cm² (12,500 p.s.i.) und 44? kg/cm² (6,300 p.s.i.).

Dies zeigt die bemerkenswerte, die Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen steigernde Wirkung des Vanadins. Das Gefüge der Legierung mit 0,75 % Vanadin Wies eine vollständig perlitische Grundmasse mit Kugelgraphit auf, die kleine kubische Vanadin-Karbid-Teilchen enthielt, wie dies auch aus Pig. I der Zeichnung hervorgeht, Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung mit 0,75 % Vanadin sind sehr gut vergleichbar mit denen der wesentlich teureren hitzebeständigen Stählen und denen der teuren, hochlegierten Gußeisen, die Nickelgehalte über 15 % aufweisen. Eine gleiche Schmelze wurde zu einem Gesenk für die Warmverformung von Titan verarbeitet. Dies Gesenk wurde fertig bearbeitet und wies im Betrieb eine um 25 f> gesteigerte Lebensdauer gegenüber siliziumreichen Gußeisen ohne Vanadin auf, welches vorher für denselben Zweck benutzt worden war.

Es ist weiter festgestellt worden, daß die Anwesenheit von Vanadin in ausreichenden Gehalten, um die erwähnten kubischen Karbide zu bilden, eine Steigerung der Brinellhärte zwischen 50 # und 100 % bei erhöhten Temperaturen mit sich bringt, und es ist wahrscheinlich, daß diese Steigerung bei Gesenken, die aus diesem Material hergestellt werden, mit entsprechend verbesserten Warmhärteeigenschaften und folglich verbesserter Lebensdauer verbunden ist. Gleiche Versuche sind durchgeführt worden mit Vanadingehalten in Verbindung mit geringen Mengen an Molybdän und Wolfram, und dieselben verbesserten Ergebnisse wurden erzielt. Bei der Herstellung von dem Gußeisen der Erfindung wird es vorgezogen, Vanadin als kohlenstoffhaltige Vanadin-Perrο-Legierung zuzusetzen, da Vanadin einen extrem hohen Schmelzpunkt aufweist und schwierig in die Schmelze einzusetzen ist, wenn es keinen Kohlenstoff enthält.

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Wesentliche Unterschiede im Verhalten der Legierung gemäß der Erfindung konnten nicht festgestellt werden, wenn die Kugelgraphit ausbildung durch verschiedene Mittel bewirkt wird, beispielsweise durch die Zugabe von Nickel, Magnesium, Magnesium-FerroSilizium, Injizieren von reinem Magnesium, der Verwendung von Zer-Magnesium-Kalzium Legierungen usw. Die verbesserten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung hängen wesentlich ab von dem Vorliegen von Vanadin in einer Grundmasse gemeinsam mit einem Siliziumgehalt von mehr als 3,5 % und dem Vorhandensein von überschüssigem Vanadin in Form von kleinen, kubischen regellos in der Grundmasse verteilten Karbiden.

Patentansprüche:

909841/0953

Claims

Patentansprüche j

1. Gußeisen mit 2,8o % bis 3,8o % Kohlenstoff und mindestens 3*50 $> Silizium, gekennzeichnet durch Gehalte an Vanadin im Bereich von 0,70 % bis 2,00 % und regellos in perlitischer Grundmasse verteilte kubische Karbide.

2. Gußeisen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch freien Kohlenstoff in Form von Kugelgraphit, Gehalte an einem Kugelgraphitbildner und maximal 5,00 % Silizium.

3. Gußeisen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es

3,00 % Kohlenstoff 4,θβ % Silizium 0,035 % Magnesium 0,75 % Vanadin

Best Eisen neben den üblichen Gehalten an Mangan, Phosphor und Schwefel enthält.

4. Gußeisen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es Wolfram und/oder Molybdän enthält.

5. Verwendung eines Gußeisens nach Anspruch 1 bis 4 für hqchtemperatur-beanspruehte Maschinenteile zum Beispiel an Kompressoren von Verbrennungskraftmaschinen und Turbinen.

309-841/0953