DE1911552B2 - Verwendung einer gusseisenlegierung als werkstoff fuer zu bearbeitende und hochtemperaturbeanspruchte maschinenteile - Google Patents

Verwendung einer gusseisenlegierung als werkstoff fuer zu bearbeitende und hochtemperaturbeanspruchte maschinenteile

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DE1911552B2
DE1911552B2 DE19691911552 DE1911552A DE1911552B2 DE 1911552 B2 DE1911552 B2 DE 1911552B2 DE 19691911552 DE19691911552 DE 19691911552 DE 1911552 A DE1911552 A DE 1911552A DE 1911552 B2 DE1911552 B2 DE 1911552B2
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William H. Purchase N.Y.; Gruver jun. Walter E. Cos Cob Conn.; Moore (V.StA.)
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Meehanite Metal Corp., White Plains, N.Y. (V.St.A.)
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    • E06B7/16Sealing arrangements on wings or parts co-operating with the wings
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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
mit 0,75%
Vanadium
660
413
310
1232
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)

Patentansprüche:
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.
DE19691911552 1968-03-11 1969-03-07 Verwendung einer gusseisenlegierung als werkstoff fuer zu bearbeitende und hochtemperaturbeanspruchte maschinenteile Withdrawn DE1911552B2 (de)

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