DE2044052A1

DE2044052A1 - Austemtische Gußeisenlegierung

Info

Publication number: DE2044052A1
Application number: DE19702044052
Authority: DE
Inventors: Gordon John Castle Broomwich Warwickshire Cox (Großbritannien)
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1969-09-10
Filing date: 1970-09-05
Publication date: 1971-03-11
Also published as: FR2061645B1; FR2061645A1; GB1297151A; CA917963A

Description

Dipl.-lnq. H. Sauenland ■ Dr. -Ing. R.König

■ Λ=¹ pipl.-lng. Bergen .

Patentanwälte ■ 4οαο Düsseldorf · Cecilienallee 7β ■ Telefon 43E73a

Unsere Akte: 26 131 4.September 1970

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London, S. W₀ 1, Großbritannien

"Austenitische Gußeisenlegierung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine austenitische Gußeisenlegierung, wie sie insbesondere wegen ihrer großen Hitze-, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit bekannt ist. Sofern neben den vorerwähnten Eigenschaften auch eine ausreichende Zähigkeit und Duktilität erforderlich ist, kommt eine austenitische Gußeisenlegierung mit sphärolithischem Graphit zur Verwendung. -

Die gebräuchlichsten austenitischen Gußeisenlegierungen enthalten im Hinblick auf ihr Gefüge mindestens 20# Nickel. Liegt der Graphit in Form von Sphärolithen vor und enthält die Gußeisenlegierung etwas oder gar kein Chrom, so sind bei ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit die Zugfestigkeit und Zähigkeit bei Raumtemperatur, letztere mit 2,8 bis 3,5 kpm, hinreichend gut, " —

Wegen der mit dem hohen Nickelgehalt verbundenen Kosten ist bereits vorgeschlagen worden, den Nickelgehalt auf 105X> zu verringern und gleichzeitig mit Kupfer und Mangan zu legieren. Gleichwohl sind die hochnickelhaltigen Gußeisen legierungen immer noch in Gebrauch. Bekannt sind auch Gußeisenlegierungen mit 10% Nickel und 696 Mangan, die gute elektrische Eigenschaften besitzen, deren mechanische Eigenschaften Jedoch weniger gut sind.

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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, eine Gußeisenlegierung mit verhältnismäßig niedrigem
Nickelgehalt, jedoch einer ausgezeichneten Kombination von Zähigkeit und anderen technologischen Eigenschaften, insbesondere guter Verschleißfestigkeit und angemessener Korrosionsbeständigkeit zu schaffen.

Die Erfindung basiert auf der Feststellung, daß sich die
vorerwähnten Eigenschaften bei einer bestimmten Legierungszusammensetzung ergeben, sofern das Grundgefüge austenitisch ist. Einige der erfindungsgemäßen Legierungen sind
■im Gußzustand nicht voll austenitisch, bei anderen ist der Austenit nicht hinreichend stabil, so daß sie bei Belastung unter verschiedenen Bedingungen teilweise in Martensit umwandeln. Durch eine Wärmebehandlung können diese Legierungen jedoch austenitisiert bzw. der Austenit stabilisiert werden. Bei anderen erfindungsgemäßen Gußeisenlegierungen ist der Austenit zwar im Gußzustand stabil; gleichwohl können auch diese Legierungen durch eine Wärmebehandlung verbessert werden.

Sofern die Zähigkeit und Duktilität eines Gußeisens mit
Kugelgraphit nicht erforderlich sind, kann der Graphit angesichts der im Vergleich zu Gußeisen mit Kugelgraphit
besseren Vergießbarkeit und der für dessen Herstellung erforderlichen besonderen Maßnahmen auch lamellar ausgebildet sein.

Die obenerwähnte Aufgabe findet ihre Lösung in einer Gußeisenlegierung mit 4 bis 9,596 Nickel, 2,5 bis 4,0% Mangan im Falle eines Gußeisens mit Kugelgraphit oder 3,0 bis
4,5% Mangan im Falle eines Gußeisens mit lamellarem Graphit, 2,5 bis 4% Kohlenstoff, höchstens 2,596 Silizium, 0
bis 3% Kupfer und 0 bis 0,596 Molybdän sowie gegebenenfalls höchstens 0,15% Magnesium, um den Graphit in Form von

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Sphärolithen zu bringen, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen. Die erfindungsgemäße Gußeisenlegierung kann auch bis 0,15% Stickstoff enthalten, wenn bei geringstmöglichen Kosten das austenitische Gefüge besonders stabil sein soll.

Da sich die Erfindung insbesondere auf ein sphärolithisches Gußeisen bezieht soll sie nachfolgend anhand eines solchen Gußeisens erläutert werden.

Nickel, Mangan und Kupfer stabilisieren den Austenit, so daß das Gefüge bei einem Mindestgehalt an diesen Elementen von 6,5% nach einer entsprechenden Wärmebehandlung bei Raumtemperatur stabil austenitisch ist. Vorzugsweise beträgt der Gesamtgehalt der vorerwähnten austenitisierenden Legierungskomponenten jedoch mindestens 7%· Die Gußeisenlegierung muß mindestens k% Nickel enthalten, damit die Martensittemperatur unterhalb Raumtemperatur liegt und das Eisen graphitisch ist. Die Herstellungskosten der Gußeisenlegierung fallen mit steigendem Mangan- und fallendem Nikkelgehalt. Ein zu hoher Mangangehalt beeinträchtigt jedoch infolge Bildung von Eisen-Mangankarbiden (M,C), die sich diskontinuierlich durch das Gefüge erstrecken, die Zähigkeit. Die vorerwähnten Karbide bilden sich vornehmlich beim Erstarren, wenn der Mangangehalt zu hoch und die Abkühlungsgeschwindigkeit zu groß ist. Aber selbst wenn sich derartige Karbide nicht bilden, können bei zu hohem Mangangehalt unzulässige Anteile an globulitisehen Legierungskarbiden entstehen, die ebenfalls die Zähigkeit beeinträchtigen. Die Gefahr einer Karbidbildung ist bei einem Gußeisen mit Kugelgraphit größer als bei einem Gußeisen mit lamellarem Graphit, weswegen der Mangangehalt im ersteren Falle 4% nicht übersteigen darf. '

Bei dünnwandigem Guß mit einer Wandstärke von beispielsweise unter 2,5 cm beträgt der Mangangehalt vorzugsweise

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2,5 bis 3%. In diesem Falle sollte der Nickelgehalt mindestens 6% betragen.

Vorteilhafterweise enthält die erfindungsgemäße Gußeisenlegierung sowohl Nickel als auch Mangan und Kupfer, doch sollte der Kupfergehalt 2,5% nicht übersteigen, da höhere Kupfergehalte nicht nur die Sphärolithenbildung sondern auch die Schweißbarkeit beeinträchtigen.

Siliziumgehalte über 2,5% machen den Austenit instabil, so daß die erfindungsgemäße Legierung vorzugsweise 0,5 bis 1,5%, besser noch 1% Silizium enthält. Der Kohlenstoffgehalt kann bis 4% betragen, liegt jedoch vorteilhafterweise bei 3,4 bis 3,i

Die Gehalte an den üblichen Verunreinigungen sollten bei der erfindungsgemäßen Gußeisenlegierung so niedrig wie möglich liegen. Insbesondere sollte der Chromgehalt 0,5% nicht übersteigen, weil das Chrom stabile Karbide bildet, die die Zähigkeit beeinträchtigen» Vorzugsweise beträgt der Chromgehalt höchstens 0,2% oder auch höchstens 0,1% bzw. ist die Legierung überhaupt chromfrei. Die Gehalte an Phosphor und Schwefel sollten je 0,05% nicht übersteigen, weil die mechanischen Eigenschaften andernfalls beeinträchtigt werden. Der Phosphorgehalt kann jedoch etwas höher liegen, wenn es mehr auf die Verschleißfestigkeit als auf die Zähigkeit der Legierung ankommt.

Die für die Austenitisierung bei niedriglegierten Gußeisen oder die Stabilisierung des Austenits bei den höher legierten Gußeisen erforderliche Wärmebehandlung besteht zunächst aus einem homogenisieren bei mindestens 900⁰C mit anschließender Luft- oder Badabkühlung auf Raumtemperatur, vorzugs weise in Öl. Vorzugsweise dauert das Homogenisierungsglühen mindestens eine Stunde je 25 mm Wanddicke. Auf diese Weise

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ergibt sich eine ausreichende Homogenisierung, die insbesondere im Hinblick auf einen auch während des nachfolgenden Abkühlens stabilen Austenit erforderlich ist«, Darüber hinaus führt die vorerwähnte Glühzeit zu einer gewissen Verringerung der Ausscheidungsphasen im Gußgefüge.

Bei den mindestens 8% Nickel enthaltenden Gußeisenlegierungen ist eine Wärmebehandlung zwar nicht erforderlich, erhöht jedoch die Duktilität.

In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen und der üblichen Toleranzen sind unter Gußeisenlegierungen mit nominell 5%_t 7% und 9% Nickel auch solche Legierungen zu verstehen, deren Nickelgehalte um - 0,5% von der Richtanalyse abweichen. Der Mangangehalt der erfindungsgemäßen Gußeisenlegierung beträgt bei einem Nickelgehalt von 5% vorzugsweise 2,5 bis 3,0%, bei einem Nickelgehalt von 796 vorzugsweise 2,75 bis 3,25% und bei einem Nickelgehalt von 9% vorzugsweise 2,5 bis 3»596, Derartige Legierungen enthalten vorzugsweise auch 1,0 bis 1,5% Kupfer.

Die nur 5% Nickel enthaltende Legierung ist am preiswertesten, besitzt aber angesichts der geringen Abkühlungsgeschwindigkeit in der Gießform ein instables austenitisches Gefüge. Die Instabilität kann jedoch durch ein Homogenisierungs-bzw. Lösungsglühen mit anschließendem raschem Abkühlen, beispielsweise Abschrecken in öl, beseitigt werden. Die 7% Nickel enthaltenden Gußeisenlegierungen besitzen normalerweise ein stabil austenitisches Gefüge, doch kann die Stabilität des Austenits durch ein Homogenisierungsglühen mit anschließendem Abkühlen in Luft, das die Nachteile einen Abschreckens in Öl vermeidet, verbessert werden. Die 9% Nicktl enthaltenden Guflelaenlegierungen besitzen dagegen ein völlig stabil austenitischee Gefüge und •rfordern ktine Wärmebehandlung, wtnnglelch sie umso teu-

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rer sind. Die wärmebehandelten Legierungen werden vorteilhafterweise noch angelassen.

Im allgemeinen hängt sowohl "bei den abgeschreckten als auch bei den abgeschreckten und angelassenen Legierungen die Zähigkeit von der Ms-Temperatur ab, und zwar in der Weise, daß die Zähigkeit nahezu linear mit fallender Martensittemperatur ansteigt.

Bei einem Versuch wurden drei keilförmige Gußproben mit einer Länge von 16,5 cm und einem Querschnitt von 31,8 χ 35 mm jeweils zweier Gußeisenlegierungen der folgenden Zusammensetzung abgegossen:

Legierung I

3,58 % Kohlenstoff,

1.0 % Silizium,

3.1 % Mangan, 5,45 % Nickel, 2,5 % Kupfer, 0,05996 Magnesium, 0,001# Schwefel, 0,016% Phosphor, 0,009% Stickstoff,

Rest Eisen einschließlich

erschselzungsbedingter Verunreinigungen.

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Legierung II

3.4 % Kohlenstoff,
.1,45 % Silizium,
3,2" % Mangan,

9.5 % Nickel,
1,8% Kupfer,
0,057% Magnesium,

unter 0,1 % Chrom,

0,008% Schwefel,
0,015% Phosphor,

Rest Eisen einschließlich

erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.

Ein Gußkeil jeder Versuchslegierung wurde im Gußzustand ι belassen, während je ein zweit.er Gußkeil drei Stunden bei 980⁰C geglüht, in Luft abgekühlt und zwei Stunden bei 20O⁰C

angelassen sowie wiederum in Luft abgekühlt wurde. Je ein : dritter Gußkeil wurde drei Stunden bei 980⁰C geglüht, in Öl abgeschreckt, zwei Stunden bei 200°C angelassen und in Luft abgekühlt. Weitere Gußkeile der Legierung I wurden Öe drei Stunden bei 1030⁰C und 1080⁰C geglüht, in Luft abgekühlt, zwei Stunden bei 200⁰C angelassen und in Luft abgekühlt. Die mechanischen Eigenschaften der Proben wurden durch jeweils zwei Versuche ermittelt, deren Mittelwerte in der nachfolgenden Tabelle angegeben sind.

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Tabelle

Zustand	Zugfe stigkeit ρ (kp/mm )	O,1%-Streck grenze p (kp/mm )	Deh nung (%)	Kerb schi ag- zähig- keit (kpm)
Legierung I	34,6 45,7 48,8 58,3 59,8	22,0 26,8 27,3 31,5 31,5	1,5 8,7 11,8 16,6 14,1	0,8 1,6 2,3 3,3 3,7
Gußzustand 3h/98O°C L.A. +2h/200°C L.A. 3h/98O°C O.A. +2h/200°C L.A. 3h/iO3Q°C L.A. 2h/200°C L.A. 3h/iO8Q°C L.A. 2h/200°C L.A.	40,5 50,4 54,2	19,9 25,2 26,8	6,9 16,9 23,2	3,1 4,8 4,5
Legierung II
Gußzustand 3h/980°C L.A. +2h/200°C L.A. 3h/98O°C O.A. +2h/200°C L.A.

L.A. = Luftabkühlung; O.A. = Ölabschrecken.

Bei einem anderen Versuch wurden ähnliche Gußlegierungen mit 3,5% Kohlenstoff, 1,15% Silizium, 3,95% Mangan, 5,75% Nickel, 2,0% Kupfer und 0,049% Magnesium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen untersucht. Die Proben wurden drei Stunden bei 980⁰C geglüht, in Öl abgeschreckt, zwei Stunden bei 200⁰C angelassen und in Luft abgekühlt. Die Kerbschlagzähigkeit der abgeschreckten und angelassenen Proben betrug bei Raumtemperatur

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3,3 kpm und bei -14⁰C immerhin noch 2,5 kpm.

Die erfindungsgemäße Gußeisenlegierung läßt sich ausgezeichnet kaltverfestigen. So besaßen beispielsweise Kugeln mit einem Durchmesser von 55 mm aus einer Legierung mit 7,2.% Nickel, 3,2% Mangan, 3,3% Kohlenstoff, 1,9% Silizium, 1,7% Kupfer und 0,068% Magnesium, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen, im Gußzustand eine HV30—Härte von 180. Die Kugeln wurden dann wiederholt aus einer Höhe von 6,4 m auf einen gegenüber der Vertikalen geneigten Amboß fallen gelassen; sie brachen nach 4500 maligem PaIl₀ Die HV30-Härte der zerbrochenen Kugeln lag bei 650.

Die bisher erörterten Versuchslegierungen besaßen ein Gefüge mit im wesentlichen sphärolithischem Graphit, Bei einer Gußeisenlegierung mit lamellarem Graphit sollte der Mangangehalt um 0,5% höher liegen als bei einem entsprechenden Gußeisen mit Kugelgraphit. Demzufolge beträgt der Mangangehalt bei dünnwandigem Guß 3 bis 3,5% und mehr bei dickwandigem Guß. Der Siliziumgehalt einer Gußeisenlegierung mit lamellarem Graphit überschreitet vorzugsweise 1% nicht. .

Bei einem Versuch wurde eine lamellargraphitische Gußeisenlegierung mit 3,5% Kohlenstoff, 2,3% Silizium, 3,2% Mangan, 7,5% Nickel und 1,65% Kupfer, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen drei Stunden bei 980⁰C geglüht, in Luft abgekühlt, zwei Stunden bei 200⁰C angelassen und wiederum in Luft abgekühlt. Die Kerbschlagzähigkeit dieser Probe betrug bei Raumtemperatur 9,4 kpm. Eine andere lamellargraphitische Gußeisenlegierung bestand aus 8,2% Nickel, 4,0% Mangan, 3,49% Kohlenstoff, 1,0% Silizium und 1,75% Kupfer, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen. Sie wurde drei Stunden

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bei 950⁰C geglüht, in Luft abgekühlt und dann zwei Stunden bei 200⁰C angelassen. Bei der mechanischen Untersuchung

ergab sich eine Zugfestigkeit von 16,1 kp/mm , eine 0,1%-Streckgrenze von 9,6 kp/mm , eine Dehnung von 3,7%, eine KerbSchlagzähigkeit von 1,0 kpm und eine Härte von 116 (HB2/120).

Die Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Gußeisenlegierung erwies sich bei einem Versuch mit der Legierung I in künstlichem Seewasser, der einen täglichen Korrosionsabtrag von 40 mg/dm ergab, als gut. Demgegenüber beträgt der tägliche Korrosionsabtrag eines austenitischen Gußeisens mit 20% Nickel und 2% Chrom 30 mg/dm und eines

niedriglegierten Gußeisens mit Kugelgraphit 60 mg/dm .

Die erfindungsgemäße Gußeisenlegierung eignet sich insbesondere als Werkstoff für Verschleißringe in chemischen Zersetzungsanlagen, Zylinderbüchsen für Dieselmotoren, Futter und Abgaberoste von Schleifmaschinen, Siebroste und Scraper für die Erzaufbereitung. Die gute Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung macht sie besonders geeignet als Werkstoff für Düsenstöcke und Turbinenröhre itungen, Wehrverschlüsse, Mannloch- und Schachtdeckel von Abwasserkanälen, Seilscheiben für Krane und Derriks sowie Seekabelheber. Außerdem kann die erfindungsgemäße Gußeisenlegierung dort eingesetzt werden, wo die Zähigkeit des niedriglegierten sphärolithisehen Gußeisens mit Kugelgraphit nicht ausreicht, die relativ schlechten Gießeigenschaften von Stahlguß nachteilig sind, wie beispielsweise beim Herstellen komplexer Gußstücke für Pumpen und Ventile, Auflager, Hebel und Klammern, Getriebegehäuse, Maschinenrahmen u.dgl.

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Claims

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London, S. W. 1, Großbritannien

Patentansprüche;

■ 1. . Austenitische Gußeisenlegierung mit sphärolithischem oder lamellarem Graphit, bestehend aus 4 bis 9,5% Nickel, 2,5 bis 4,0% Mangan bei sphärolithischem und 3,0 bis 4,5% Mangan bei lamellarem Graphit, 2,5 bis 4% Kohlenstoff, höchstens 2,5% Silizium, 0 bis 3% Kupfer, 0 bis 0,5% Molybdän und 0 bis 0,15% Stickstoff, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen. >

2. Gußeisenlegierung nach Anspruch 1, die jedoch noch höchstens 0,15% Magnesium enthält.

3. Gußeisenlegierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedochhöchstens 2,5% Kupfer enthält.

4. Gußeisenlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die jedoch 0,5 bis 1,5% Silizium enthält.

5. Gußeisenlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, die jedoch 3,4 bis 3,8% Kohlenstoff enthält.

6. Gußeisenlegierung mit Kugelgraphit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, deren Gesamtgehalt an Nickel, Mangan und Kupfer jedoch mindestens 7% beträgt.

7« Gußeisenlegierung nach Anspruch 6, die jedoch 4,5 bis 5,5% Nickel und 2,5 bis 3,0% Mangan enthält.

8. Gußeisenlegierung mit Kugelgraphit nach Anspruch 6, die jedoch 6,5 bis 7,5% Nickel und 2,75 bis 3,25% Mangan enthält.

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9β Gußeisenlegierung mit Kugelgraphit nach Anspruch 6, die · jedoch 8,5 bis 9,5% Nickel und 2,5 bis 3,5% Mangan enthält.

Gußeisenlegierung mit Kugelgraphit nach einem der Ansprüche 7 bis 9, die jedoch 1,0 bis 1,5% Kupfer enthält.

11. Gußeisenlegierung mit Lamellargraphit nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch höchstens 1% Silizium enthält,

12. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die jedoch bei mindestens 900⁰C homogenisiert und anschließend in Luft oder einem Bad auf Raumtemperatur abgekühlt worden ist.

13. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Werkstoff für Verschleißringe in chemischen Zersetzungsanlagen, Zylinderbüchsen für Dieselmotoren, Futter und Abgaberoste von Schleifmaschinen, Siebroste und Scraper für die Erzaufbereitung, Düsenstöcke und Turbinenrohrleitungen, Wehrverschlüsse, Mannloch- und Schachtdekkel von Abwasserkanälen, Seilscheiben für Krane und Derriks sowie Seekabelheber, komplexer Gußstücke für Pumpen und Ventile., Auflager, Hebel und Klammern, Getriebegehäuse, Maschinenrahmen.

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