DE1911552B2 - Verwendung einer gusseisenlegierung als werkstoff fuer zu bearbeitende und hochtemperaturbeanspruchte maschinenteile - Google Patents
Verwendung einer gusseisenlegierung als werkstoff fuer zu bearbeitende und hochtemperaturbeanspruchte maschinenteileInfo
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Description
Bei der Verformung von Metallen wie Titan ist es
notwendig, Formen, wie Gesenke, zu verwenden, die Temperaturen von 650 bis 11000C aushalten, da Titan
nur in diesem Temperaturbereich wirksam bearbeitet werden kann. Es gibt auch Maschinenteile, wie Teile von
Kompressoren für Verbrennungskraftmaschinen oder Turbinenmotoren, die hohe mechanische Beanspruchungen
bei erhöhten Temperaturen aushalten müssen und widerstandsfähig in ihrem Dauerstandsverhalten
unter Wärmeeinflüssen sein müssen. Diese Erfordernisse haben zur Entwicklung von vielen hochlegierten
Gußeisen und Stählen, die Nickeigehaite von über 15%
aufweisen, geführt. Diese hochlegierten Gußeisen und Stähle sind schwierig zu vergießen und zu bearbeiten
und außerdem sehr teuer.
Fs ist bekannt (Technische Mitteilungen Krupp, Band 13 [1955], Seiten 133-144), daß Kugelgraphitguß
sowohl im Guß als auch im geglühten Zustand gute Bearbeitungseigenschaften hat und daß die Zunderbeständigkeit
von Kugelgraphitguß größer ist als bei Grauguß. Es werden Siliziumgehalte von über 5%
empfohlen. Ein derartiger Kugelgraphitguß hat sich für Ofentüren bei Stahlwerksöfen, Koksbatterien und
Rosten für Sinteranlagen bewährt.
Die mechanischen Eigenschaften dieser siliziumlegierten Gußeisen reichen aber nicht aus, um Dauerbelastungen
bei hohen Temperaturen standzuhalten, wie sie z. B. bei einem Gesenk auftreten. In diesem Fall bedient
sich die Fachwelt der eingangs gewürdigten, hochlegierten Gußeisen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, für zu bearbeitende und hochtemperaturbeanspruchte Maschinenteile, wie Ge
senke oder Kompressorenteile, eine Gußeisenlegierung vorzuschlagen, die in üblichen Gießformen leicht zu
vergießen ist, bei Raumtemperaturen leicht zu bearbeiten
ist, bei erhöhten Temperaturen über 65O0C eine hohe mechanische Festigkeit hat und gleichzeitig
kostengünstig ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Verwendung einer Gußeisenlegierung mit 2,8 bis 3,8% Kohlenstoff,
3,5 bis 5% Silizium iin.l 0,7 bis 2,0% Vanadium als
Werkstoff, dessen ' iefüge nur regellos in perlitischer
Grundinasse verleihe Karbinc zeigt, für zu bearbeitende
und hochtemperaturbeanspruchte Maschinenteile, wie Gesenke oder Kompressorentcile. Vorzugsweise
Süll der freie Kohlenstoff in Form von Kugelgraphit
vorliegen. .
Eine Gußeisenlegierung, die in den angegebenen
Legierungsbereich fällt, ist durch die DT-PS 6 63 498 an sich bekannt In dieser Patentschrift wird zur Herstellung von durch Nitrieren zu härtende Gegenstände eine
Gußeisenlegierung mit 2 bis 3,5% Kohlenstoff, 1,4 bis 4% Silizium und wahlweise 0,5 bis 3,5% Chrom,
Molybdän, Vanadium, Wofram, Titan, vorgeschlagen.
Die letztgenannten Elemente dienen in Kombination
ίο mit dem Nitrieren zur Steigerung der Härtbarkeit
Zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit kann das Gußeisen zusätzlich einer Wärmebehandlung ausgesetzt werdea Diese bekannte Gußeisenlegierung
unterscheidet sich nach Aufgabe und Verwendungs-
zweck von der vorliegenden Erfindung.
Für die erfindungsgemäße Verwendung eignet sich insbesondere eine Gußeisenlegierung mit 3,00% Koh
lenstoff, 4,06% Silizium, 0,75% Vanadium und 0,035% Magnesium, Rest Eisen neben den üblichen Gehalten an
Mangan, Phosphor und Schwefel. Die Gußeisenlegierung kann auch Wolfram und/oder Molybdän enthalten.
Die erfindungsgemäß verwendete Gußeisenlegierung hat eine überlegene Widerstandsfähigkeit gegenüber
Oxydation, Verzunderung und Wachsen bei erhöhten
Temperaturen. Wie eingangs gewürdigt, ist diese Eigenschaft für siliziumreiche Gußeisen an sich bekannt.
Es wurde aber festgestellt, daß durch die Zugabe von Vanadin zu siliziumreichem Gußeisen, insbesondere im
Falle von Gußeisen mit Kugelgraphit, ein Gefüge erzeugt werden kann mit nur regellos in perlitischer
Grundmasse verteilten Karbiden, wenn ein Überschuß an Vanadin vorhanden ist Ein derartiges Gefüge
beeinträchtigt die Bearbeitbarkeit nicht und verbessert stark die mechanischen Eigenschaften bei erhöhten
Temperaturen. Es wurde festgestellt, daß Vanadingehalte von weniger als 0,70% nicht ausreichen, um die
gewünschte Gefügestruktur mit regellos verteilten kubischen Karbiden herzustellen. Dagegen verursachen
Vanadingehalte über 2% mehr massive und bezüglich ihrer Verteilung ungünstiger angeordnete Karbine und
schaffen keine weitere Verbesserung bezüglich der Hitzebeständigkeit. Höhere Vanadingehalte verringern
die Bearbeitbarkeit und zeigen eine Tendenz zur Versprödung auf. E>a zudem die Kosten mit dem
höheren Vanadingehalt ansteigen, ist es unzweckmäßig, Gehalte von mehr als 2% Vanadin vorzusehen.
Der genaue Grund für die vorteilhafte Wirkung der regellos in perlitischer Grundmasse verteilten Karbide
ist nicht bekannt; es wird jedoch angenommen, daß diese Karbide — 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 Eigenschaften, erhalten
werden. Es ist auch sehr wahrscheinlich, daß die Anwesenheit dieser Karbide auf eine vollständig mit
Vanadin gesättigte Matrix hinweist, und es ergibt sich hieraus eine wesentlich höhere Streckgrenze, Zugfestig
keit und Härte, insbesondere bei erhöhten Temperatu
60 ren.
Es ist wesentlich, daß der C-Gehalt nicht über 3,80%
liegt, da sich oberhalb dieses Wertes eher massive Vanadinkarbide ausbilden und nicht die gewünschten
kubischen Karbide in regelloser Verteilung, die für den Erfindungsgegenstand kennzeichnend sind. Der C-Gehalt
darf andererseits nicht niedriger als 2,80% sein wegen des ungünstigen Effektes auf die Vergießbarkeit
der Legierung. Die Si-Gehalte müssen zum Zwecke der
guten Hitzbeständigkeit oberhalb von 3,50% liegen, während der Maximalwert von 5% eine übermäßige
Sprödigkeit des Enderzeugnisses vermeidet
Bezüglich der Elemente Mangan, Schwefel und Phosphor sind die für Gußeisen normalen Grenzen
zulässig. Es sei aber gesagt, daß möglichst geringe Gehalte an Phosphor und Schwefel vorteilhaft sind,
insbesondere können zu hohe Phosphorgehalte zum Ausschmelzen von Phosphiden bei erhöhten Temperaturen
führen.
Die Fig. 1 und 2 zeigen Schliffbilder der erfindungsgemäß
zu verwendenden Gußeisenlegierung. F i g. 1 zeigt in lOOfacher Vergrößerung Kugelgraphit und in
perlitischer Grundmasse verteilte Karbide. F i g. 2 zeigt in 500facher Vergrößerung die regellos verteilten,
kubischen Karbide, die für den Erfindungsgegenstand charakteristisch sind.
Als Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Legierung wurde eine Schmelze mit folgender Analyse
hergestellt:
Kohlenstoff
Silizium
Mangan
Magnesium
Vanadium
Phosphor
Schwefel
3,00 %
4,06 %
0,47 %
0,035 %
0,75 %
0,03 %
0,015 %
Die Anwesenheit von Magnesium war erforderlich, um die Kugelgraphitbildung einzuleiten. Es wurden
Versuchsproben vergossen, die nachfolgend bearbeitet wurden und auf ihre Zugfestigkeit bei erhöhten
Temperaturen hin untersucht wurden.
Zum Vergleich wurde eine Legierung derselben Zusammensetzung abgegossen, die jedoch kein Vanadium
enthielt. Die Proben ohne Vanadium wurden ebenfalls auf ihre Zugfestigkeit auf einer Kurzzeitbasis
bei 6500C, 7600C und 87O°C getestet. Es ergaben sich
folgende Ergebnisse:
Zugfestigkeit in N/cm2
ohne Vanadium
ohne Vanadium
—
mit 0,75%
Vanadium
Vanadium
660
413
310
413
310
1232
827
433
827
433
45 Die Tabelle zeigt, daß Vanadium die Zugfestigkeit bei
erhöhten Temperaturen bemerkenswert steigert Die Legierung mit 0,75% Vanadium wies eine vollständig
perlitische Grundmasse mit Kugelgraphit auf, die kleine kubische Vanadin-Karbid Teilchen enthielt wie dies
auch aus den Figuren ersichtlich ist Die Eigenschaften dieser Legierung mit 0,75% Vanadium sind sehr gut
vergleichbar mit den wesentlich teureren, hitzebeständigen Stählen und denen der teuren, hochlegierten
Gußeisen mit Nickelgehalten über 15%. Eine Schmelze wurde zu einem Gesenk für die Warmverformung von
Titan verarbeitet Dieses Gesenk wurde fertig bearbeitet und wies im Betrieb eine um 25% gesteigerte
Lebensdauer gegenüber den vorher für denselben Zweck benutzten siliziumreichen Gußeisen ohne Vana
dium auf.
Es wurde weiter festgestellt, daß bei Anwesenheit von
Vanadium in Gehalten, die ausreichen, um die gewünschten kubischen Karbide zu bilden, eine
Steigerung der Brinellhärte zwischen 50 und 100% bei erhöhten Temperaturen erfolgt, und es ist wahrscheinlich,
daß diese Steigerung bei Gesenken, die aus diesem Gußeisen hergestellt sind, von entsprechend verbesserten
Wärmehärteeigenschaften und folglich verbesserter Lebensdauer begleitet wird. Gleiche Versuche wurden
mit einer vanadiumhaltigen Legierung in Verbindung mit geringen Mengen an Molybdän und Wolfram
durchgeführt. Es wurden dieselben verbesserten Ergebnisse erzielt. Bei der Herstellung wird es vorgezogen.
Vanadium als C-haltige, Vanadium-Ferro-Legierung zuzusetzen, da Vanadium einen extrem hohen Schmelzpunkt
auf veist und es schwierig ist, nicht-C-haltiges Vanadium in die Schmelze zu legieren.
Durch unterschiedliche Mittel zur Ausbildung von Kugelgraphit konnten keine wesentlichen Unterschiede
im Verhalten der Legierung festgestellt werden.
Es wurden Versuche mit Magnesium, Magnesium-Ferro-Silizium,
Injizieren von reinem Magnesium, Nickel und Cer-Magnesium-Kalzium-Legierungen gefahren.
Die verbesserten Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Gußeisenlegierung hängen im wesentlichen
von der Anwesenheit von Vanadium in einer bestimmten Überschußmenge ab, die gemeinsam mit
einem Si-Gehalt von 3.5% in der Gußeisenlegieruug zu
den kleinen, kubischen, regellos in der Grundmasse verteilten Karbiden führt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Verwendung einer Gußeisenlegierung mit
2,8 bis 3,8% Kohlenstoff
3,5 bis 5,0% Silizium
0,7 bis 2,0% Vanadium
als Werkstoff, dessen Gefüge nur regellos in perlitischer Grundmasse verteilte Karbide zeigt, für
zu bearbeitende und hoch temperaturbeanspruchte Maschinenteile, wie Gesenke oder Kompressorenteile.
2. Verwendung eines Gußeisens nach Anspruch 1, dessen freier Kohlenstoff in Form von Kugelgraphit
vorliegt, für den Zweck nach Anspruch 1.
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1969
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