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VERSCHLEIßFESTES GUßEISEN UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON WERKSTÜCKEN
AUS DIESEM GUßEISEN Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der weißen Gußeisen,
welche bei intensivem Verschleiß durch Abriebwirkung in der bergtechnischen Anreicgerungsausrüstung
(wie Auskleidungen, Erzmühlen-Hubwerksplatten, Erzrollen, Kugeln, Kniestücke, Pumpen-
und Hydrozyklonteile usw.), im Eisenhüttenwesen, in der Buntmetallindustrie, Zementindustrie,
Energetik, Baustoffindustrie und anderen Industriezweigen verwendet werden.
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In diesen Fällen hat der Verschleiß durch Abriebwirkung kurzfristige
Lebensdauer der Werkstücke und große Verluste infolge des häufigen Auswechselns
der abgenutzten Teile sowie der Ausbesserung und des Stillstands der Ausrüstung
zur Folge.
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Es soll, um hohe Vergleißfestigkeit der weißen Gußeisen
bei
Verschleiß durch Abriebwirkung zu gewährleisten, ihr Gefüge aus besonders harten
Karbiden und hochfester Metallgrundlage bestehen.
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Bis heute sind die verbreitesten verschleißfesten Gußeisen das sogenannte
Gußeisen "Nihhard" und das Gußeisen "Clicat alloy 42" (Legierung 15-3). Bei diesen
Gußeisen wird ein optimales Gefüge der /martensitischen oder martensitaustenitischen/
Metallgrundlage durch Einführen einer bedeutenden Menge schwer beschaffbarer und
teurer Legierungselemente /3 - 60 Nickel im Nichard; ca. 3% Molybdän in der Legierung
15-3/ erhalten.
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Weiterhin wird die Verwondbarkeit der bekannten verschleißfesten
Gußeisen durch ihre in vielen Fällen unzureichende Festigkeit begrenzt. Beispielsweise
wird nicht empfohlen, Nichard in Kugelmühlen mit über 3,0 m Durchmesser und mit
Kugeln, die größer als 76 mm sind, zu verwenden.
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Bei luftgehärteten Gußeisen, beispielsweise bei der Legierung 15-3
oder bei Gußeisen mit 27% Chromgehalt, macht es gewisse Schwierigkeiten, hohe Härten/durch
Unterdrücken der Perlitumwandlung/ bei massiven Teilen, z.B. bli 150 mm dicken Mühlenauskleidungen
zu erhalten. Das Härten von weißen Gußeisen in Medien mit großer Kühlfähigkeit,
z.B. in Wasser oder Öl, ist unzulässig, da die Plastizität und die Wärmeleitfähigkeit
dieser eine Gußeisen gering sind, was Zerstörung der Werkstücke bei ihrem schroff@@
Kühlen zur Folge hat.
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Deshalb wird von der Lufthärtung Gebrauch gemacht, die jedoch große
Produktionsflächen zum getrennten Kühlen jedes Werkein stücks und arbeitsaufwendinges
Befördern der auf 900 - 1050°C erhitzten Werkstücke erfordert.
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Außerdem hat die unzureichende Durchhärtbarkeit vieler verschleißfester
Gußeisen zur Folge, daß selbst beim Durchführen einer solchen komplizierton Wärmebehandlung
es unmöglich ist, bei massiven Werkstücken die Perlitumwandlung zu unterdrücken,
so daß die Verschleißfestigkeit vermindert wird.
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Es kann beispielsweise bei Chrommolybdän-Gußeisen /12% Chrom 115%
Molybdän, 3% Kohlenstoff/ die Perlitumwandlung bei Luft kühlung nur bei bis zu 50
mm dicken Gußstücken vollkommen unterdrückt werden.
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Es ist daß Ziel der Erfindung, die obenaufgezählten Nachteile zu
beseitigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Gußeisen mit erhöhter
Festigkeit zu schaffen, bei dorn der Gehalt an den Elementen Kohlenstoff, Chrom
und Mangan, derartig ausgeglichen ist, daß eine Perlitumwandlung des Austenits während
des Kühlens bei geringen Abkühlungsgeschwindigkeiten unterdrückt wird.
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Diese Aufgabe wird durch Schaffung eines verschleißfesten Geisens
gelöst welches Chrom und Mangan enthält, wobei es erfindungsgemäß in Gewichtsprozenten
1,3 - 2,29 Kohlenstoff, < > 8 - 14 Chrom, bis 0,8 Silizium, 4,01 - 7,0 Mangan
enthält.
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<Rest Eisen>
Eine solche Kombination der Bestandteile
im verschleiß-
festen Gußeisen gewährleistet hohe Verschleißfestigkeit.
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Das erfindungsgemäße Gußeisen kann zusätzlich noch bis 1,5 Gewichtsprozente
Molybdän enthalten.
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Hierdurch kann die Verschleißfestigkeit des Gußeisens noch erho0ht
werden.
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Das Gußeisen kann beispielsweise neben Eisen in Gewichtsprozenten
enthalten: 1,9 - 2,25 Kohlenstoff, 11 - 14 Chrom, bis 0,8 Silizium, 4,3 - 5,8 Mangan,
bis 0,08 Schwefel, bis 0,1 Phosphor.
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Die gestellte Aufgabe wird auch durch Entwickeln eines Verfahrens
zur Herstellung von Werkstücken aus Gußeisen durch
Gießen des flüssigen in Formen und durch Wärmebehandlung der erhaltenen Gußstücke
gelöst, wobei erfindungsgemäß in die Formen Gußeisen obenerwähnter Zusammensetzung
gegossen und bis auf eine Temperatur von 1200 bis 1150°C mit einer Mindestgeschwindigkeit
von a Grad/min abgekühlt wird, und wobei bei der Wärmebehandlung die erhaltenen
Gußstücko auf eine Temperatur von 820 -1100°C erhitzt, avf dieser Temperatur gehalten,
bis auf eine Temperatur von 780 - 650°¢ abgekühlt und nach dem Halten auf dieser
Temperatur im Laufe von mindestens zwei Stunden bis auf eine Temperatur von 450
- 400°C mit einer Mindestgeschwindigkeit von 0,666 Grad/min abgekühlt werden.
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Werkstücke aus verschleißfestem Gußeiseen der obenangegebenen Zusammensetzung,
die nach dem vorliegenden Verfahren
erzeugt wurden besitzen erfindungsgemäß
ein Gefüge, das aus Karbiden des Typs M7C3 und einer Metallgrundlage aus Martensit,
Bainit und Restaustenit besteht.
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Bei dem erfindungsgemäßen verschleißfesten Gußeisen werden dank der
optimal gewählten Verhältnisse der Legierungselemente, insbesondere des Kohlenstoffs,
Chroms und Mangans, die Unterdrükkunyder Perlitumwandlung und ein vom Gesichtspunkt
der Verschleißfestigkeit besseres Mikrogefüge und zwar Chromkarbide (Crt Mn, Fe)7C3
in einer Metallgrundlage aus Austenit und Martensit (und/ oder Bainit) gewahr0leistet.
Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal des erfindungsgemäßen Gußeisens besteht im
Beibehalten einer großen Härte, die praktisch von der Gußstückwanddicko unabhängig
iNt. Dank seiner hohen Durchhärtbarkeit ist das erfindungsgemäße Gußeisen <bedeutend>
den bekannten luftgehärteten Gußeisen wie Legierung 15-3, Gußeisen mit 27% Chromgehalt
und anderen überlagen; Nachstehend werden Ausführungsbeispele der Erfindung beschrieben.
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Im Induktionsofen mit 150 kg Fassungsvermögen und mit sauerem Futter
wurden die erfindungsgemäßen Gußeisen / Mr.
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1 - 4 der Tafel 1 / und Gußeisen bekannter Zusammensetzung / Mr. 5
- 7 der Tafel 1/ erschmolzen.
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Tafel 1 Chemische Zusammensetzung der Gußeisen Lfd. Nr. C Si In Cr
Mo Sorte 1 2,29 0,35 4,77 13,7 ~ 2 2,2q 0,35 6,11 13,7 ~ 3 2,03 0,31 4,75 13,2 -
Erfindungsgemäße 4 2,03 0,32 6,58 13,3 - Gußeisen 5 3,10 0,61 0,84 13,7 130 6 2,85
0,70 0,98 12,7 2,60 Legierung 15-3 7 2,74 0,93 0,54 28,5 - Gußeisen mit 27% Chromgehalt
Die Angaben betreffs der Härte dieser Gußeisen in Abhängigkeit von der Abkühlungsgeschwindigkeit
/Tafel 2/ zeigen, mm daß bei über 200 dicken Querschnitten das erfindungsgemäße
Gußeisen den bekannten überlegen ist.
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Tafel 2 Härte der Gußeisen nach dem Abkühlen mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten Sorte Lfd. Nr. Härte HRC beim Maße "a", mmx) Anwärm- Durchhärtbarkeit,
mm (s. Taf. 1) 3 30 50 75 100 150 200 ca. 1000 tempera- (Größtmaß a des Gußtur °C
stücks, in dessen Gefüge keine Perlitzerfallprodukte vorhanden sind) @ßeisen 1 57,5
57,5 60,0 900 1000 ach vor-2 54 55 59 " 1000 iegender 3 55 55 " 1000 findung 4 57
" 1000 -Mo @ßeisen 5 63 63 55 46 - - 38 37 950 45 gierung -3 6 63 - - - 65 63 58
37 1000 180 ßeisen t 27% -Gehalt 7 61 57 58 54 53 54 47 1100 x) Anmerkung: Die Proben
wurden nach dem Erhitzen mit einer Geschwindigkeit abgekühlt, die der Abkühlungsgeschwindigkeit
einer Platte mit den Maßen a x 4a x 4a an Luft entspricht.
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Hinsichtlich der Durchhärtbarkeit, die gemäß dem maximalen Querschnitt
eines flachen Gußstücks eingeschätzt wird, bei dem nach dem Härten an der Luft keine
Perlitzerfallprodukte des Austenits vorhanden Sindg ist das neue Gußeisen der Legierung
15-3 um das Fünffache überlegen.
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Die Tafel 3 enthält die Ergebnisse von Laborunterschungen von Proben
des erfindungsgemäßen verschleißfesten Gußeisens.
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Die Proben mit 30 mm Durchmesser wurden bei 2000C angelassen
und einem Biegeversuch bei/300 mm Abstand>zwischen den Stützen unterzogen.
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Tafel 3 Lfd. Nr. C Si Mn Cr Biegefestig- Durchbiegungskeit, ## pfeil,
mm kp/mm² 1 2,29 0,35 4,77 13t7 92w2 2,80 2 2,20 0,35 6,11 13,7 90,9 2,85 3 2,03
0,31 4,75 13,2 93,0 2,85 4 2,03 0,32 6,58 13s3 98,5 3,1 Wie aus Tafel 3 hervorgeht,
besitzt das erfindungsgemäße Gußoisen hohe Festigkaitseigenschaften, die beispielsweise
den Festigkeitseigenschaften der bekannten Gußeisen Nichard und der Legierung 15-3
überlegen sind'.
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Dank der hohen Durchhärtbarkeit des erfindungsgemäßen Gußeisens ist
seine Verschleißfestigkeit, insbesondere bei
massivon Querschnitten,
der Verschleißfestigkeit anderer Gußeisen überlegen.
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Wie aus der Tafel 4 ersichtlich ist, in der die Ergebnis der Untersuchung
der Verschleißfestigkeit durch das "topfförmige Schleifverfahren" nach Stauffer
angegeben sind, ist die Verschleißfestigkeit viermal größer als die Verschlei einen
festigkeit des hohen Mangangehalt aufweisenden Stahls 110γ 13 (Hadfield-Stahl
).
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Tafel 4 Verschleißfestigkeit bei Untersuchungen nach dem Staufferverfahren
Sorte Nr. in Relativer Verschleißfestigkeitsfaktor Anwärm/tempe Taf. 1 K beim Maß
a. mmx) tur, °C 3 100 200 1000 Stahl 20 - 1 a 1 1 860 Gußeisen 1 6,7 gemäß vorliegender
- - - 5,9 900 Erfindung 3 4 - - - 5,0 Cr-Mo-Gußeisen 5 10 4,0 3,5 3,5 950 Legierung
15-3 6 11 11 - 3,5 1000 Anmerkung: Der Faktor K für Stahl 110γ 13# mit einem
bei
1050° Härtebeginn ist nach dem Härten in Wasser gleich 1,3 1 1,6.
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=) Die Proben wurden nach dem Erhitzen mit einer Goschwindigkeit
abgekühlt, die der Abkühlungsgeschwindigkeit einer Platte mit den Maßen a'x 4a x
4a an Luft entspricht.
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Werkstücke aus dem erfindungsgemäßen Gußeisen werden unter Industriebedingungen
beispielsweise folgendermaßen erhalten.
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Gußeisen mit der obenerwähnten Zusammensetzung wird in einem Lichtbogenofen
mit 3 oder 5 t Fassungsvermögen geschmolzen auf eine Temperatur von ca. 1500°C erhitzt
und bei einer Temperatur von 1400 - 1340O in Bormon gegossen, um Auskleidungsteile
mit ungefähren Abmessungen von 1500x500x130 mm und Erzmühlen-Hubwerksplatten zu
erhalten.
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Beim Vergießen des Gußeisens werden Metallformen oder in ein Sandformen
eingesetzte Metallkühler verwendet, um beschleunigtes Abkühlen des Gußeisens während
seiner Erstarrung sicherzustellen.
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Das ia die Normen gegossene Gußeisen wird mit einer mehr al 3 Grad/min
betragenden Geschwindigkeit auf eine Temperatur von 1200°C abgekühlt. Die Geschwindigkeit
der weiteren Abkühlung des Guß eisens auf Zimmertemporatur kann unter 3 Grad/min
liegen.
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Dann werden die erhaltenen Gußstücke in einen Vergütungsofen eingesetzt,
wobei ein Einsatz aus ca. 40 t besteht. Die
Gußstücke werden auf
8600C erhitzt, 3 Stunden awf dieser Temperatur gehalten, auf 750°C abgekühlt und
5 Stunden auf dieser Temperatur gehalten; danach wird der Herd herausgefahren und
die weitere Abkühlung verläuft an der Luft.
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Das obenbeschriebene Wärmebehandlungsverfahren des erfindungsgemäßen
Gußeisens bezweckt, das Legieren des Austenits zu vermindern und dessen teilweise
Umwandlung in Martensit und Bainit bei Zimmertemperatur sowie darauffolgende Verformungsumwandlung
des Restaustenits während der Abriebwirkung beim betrieblichen Einsatz der aus dem
erfindungsgemäßen Gußeisen gefertigten Teile zu gewährleisten.
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Auf diese Weise besteht nach der Wärmebehandlung das Gofüge des erfindungsgemäßen
Gußeisens aus Karbiden (Cr, Mn, Fe)7C3 Martensit (und/oder Bainit) und Restaustenit.
Die Härte des Gußeisens wird in einig/en Fällen um 15 - 20 HRC-Einheiten erhöht.
Beispielsweise besitzt Gußeisen, das 2,20% Kohlenstoff, 13,7% Chrom, 6,11% Mangan
und 0,35% Silizium enthält, folgendes Mikrogefüge und nachstehende Härte im gegossenen
und wärmebehandelten Zustand (s. Tafel 5).
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Tafel 5 Mikrogefüge Mikrohärte Härte kp/mm² HRC Gegossener Zustand
Karbid 1100 - 1300 40 Austenit 450 -Nach der Wärmebe- Karbide 1100 - 1300 handlung
(Rest) 607 - 709 59 Martensit (Bainit) 637 - 746 Die hohe Durchhärtbarkeit des erfindungsgemäßen
Gußeisens vereinfacht wesentlioh die Wärmebehandlung im Vergleich mit den bekannten
Gußeisen (z.B. mit legierung 15-3 oder Gußeisen mit 27% Chromgehalt). Die Gußstücks
aus dem erfindungsgemäßen Gußeisen können nach dem Erhitzen und Halten aof den erforderlichen
Temperaturen abgekühlt werden, indem sie zu Stapeln mit ungefähren Abmessungen von
1500x1500x2000 mm zusammengalegt oder sogar auf den Ofenherd gelegt werden.
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Die Gußstücks aus dem erfindungsgemäßen Gußeisen haben nach einer
solchen Wärmebehandlung eine Härte von HRC 56 - 59, wobei in ihrem Gefüge keine
Perlitzerfallprodukte des Austenits im Gegensatz zu den bekannten Gußeisen (Legierung
15-3 oder Gußeisen mit 27% Chromgehalt) vorhanden sind. Letztere besitzen bei solchen
Abkühlungsbedingungen eine Härte von
HRC 38 - 47 und ihr Gefüge
enthält Perlitzerfallprodukte des Austenits.
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Auf diese Weise wird durch die Erfindung ein vorschleißfestes Gußeisen
geschaffen, welches dank seiner ausgeglichenen Zusammensetzung und der Verwendung
eines entsprechenden Verfahrens beim Herstellen von Gußstucken erhöhte Festigkeit
besitzt und hohe Verschleißfestigkeit auch bei massiven Gußstücken behält, wodurch
es möglich ist, das erfindungsgemäße Gußeisen beispielsweise für Auskleidungen besonders
großer Erzmühlen zu verwenden.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für Werkstücke aus dem
erfindungsgemäßen Gußeisen (z.B. Auskleidungen und Hubwerksplatten) ermöglicht es,
diese dank ihrer hohen Festigkeit und Verschleißfestigkeit auch bei besonders großen
Erzmühlen, z.B. mit 3,6 m Durchmesser und mit bis 80 mm Kugeldurchmesser, zu verwenden,
Hierbei ist die Lebensdauer der Auskleidungen aus dem erfindungsgemäßen Gußeisen
dreimal länger als bei dem früher verwendeten Stahl 110#13#.
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Hubwerksplatten aus dem erfindungsgemäßen Gußeisen, die bei kugellosen
Mühlen mit 7 m Durchmesser verwendet worden1 nutzen sich nur halb ao schnell wie
Hubwerksplatten aus Stahl 110#13# ab.