DE2201770C3

DE2201770C3 - Verfahren zur Herstellung von Gußstücken aus verschleißfestem, Cr-Mnlegiertem Gußeisen

Info

Publication number: DE2201770C3
Application number: DE19722201770
Authority: DE
Inventors: Igor I. Cypin; Michail E. Garber; Ivan S. Markin; Elena V. Roschkova
Original assignee: VSESOJUZNYJ NAUTSCHNO-ISSLEDOVATELSKIJ I PROEKTNO-TECHNOLOGITSCHESKIJ INSTITUT UGOLNOGO MASCHINOSTROENIJA MOSKAU
Current assignee: VSESOJUZNYJ NAUTSCHNO-ISSLEDOVATELSKIJ I PROEKTNO-TECHNOLOGITSCHESKIJ INSTITUT UGOLNOGO MASCHINOSTROENIJA MOSKAU
Priority date: 1972-01-14
Filing date: 1972-01-14
Publication date: 1978-09-14
Also published as: DE2201770B2; DE2201770A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus verschleißfestem, Cr-Mn-Iegiertem Gußeisen, bei dem das flüssige Gußeisen in Formen gegossen und die erhaltenen Gußstücke darauffolgend gehärtet werden.

Nach diesem Verfahren hergestellte Werkstücke können beispielsweise bei bergtechnischen Anreicherungsvorrichtungen (wie Auskleidungen, Erzmühlen-Hubwerksplatten, Erzrollen, Kugeln, Kniestücke, Pumpen- und Hydrozyklonteilen usw.), im Eisenhüttenwesen, in der Buntmetallindustrie, der Zementindustrie, der Baustoffindustrie, der Energieindustrie und anderen Industriezweigen eingesetzt werden, wo ein intensiver Verschleiß durch Abriebwirkung normalerweise zu erwarten ist.

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 Stillstandes der Ausrüstung zur Folge.

Um hohe Verschleißfestigkeit von Werkstücken aus weißem Gußeisen bei Abriebwirkung zu gewährleisten, soll ihr Gefüge aus besonders harten Karbiden und hochfester Metallgrundlage bestehen.

Bisher bekannt und am meisten verbreitet sind als verschleißfeste Werkstoffe das sogenannte »Niharcl« Lind das »Climax-Alloy 42«-Gußeisen. letzteres auch als Legierung 15-3. bekannt. Bei diesem Gußeisen wird ein optimales Gefüge der martensitischen oder martensitausieniiischen Mctallgrtincllage durch Einführen einer bedeutenden Menge schwer beschaffbarer und teurer Legierungselemente (3 bis 6% Nickel in Nihard; ca. 3% Molybdän in der Legierung 15-3) erhalten.

Weiterhin wird die Verwendbarkeit der bekannten verschleißfesten Gußeisen durch ihre in vielen Fällen unzureichende Festigkeit begrenzt. So wird beispielsweise empfohlen, Nihard-Gußeisen in Kugelmühlen mit einem Durchmesser über 3 Meter und mit Kugeln mit einem Durchmesser größer als 76 mm nicht zu

tu verwenden.

Bei luftgehärteten Gußeisen, beispielsweise bei der Legierung 15-3 oder bei Gußeisen mit 27% Chromgehalt, bereitet es Schwierigkeiten, bei massiven Teilen, z.B. bei 150mm dicken Mühlenauskleidungen, durch Unterdrücken der Perlitumwandlung hohe Härten zu erhalten. Das Härten von weißem Gußeisen in Medien mit großer Kühlfähigkeit, z. B. in Wasser oder in Öl, ist unzulässig, da die Plastizität und die Wärmeleitfähigkeit dieser Gußeisen gering sind, wodurch die Werkstücke

Jo bei schroffem Abkühlen zerstört werden.

Es wird deshalb von der Härtung an Luft Gebrauch gemacht, die jedoch große Produktionsflächen zum getrennten Kühlen jedes Werkstücks und ein arbeitsaufwendiges Fördern der auf 900 bis 1050⁰C erhitzten Werkstücke erfordert.

Außerdem hat die unzureichende Durchhärtbarkeit vieler verschleißfester Gußeisen zur Folge, daß trotz der Durchführung einer derart komplizierten Wärmebehandlung es nicht möglich ist, bei massiven Werkstük-

JO ken die Perlitumwandlung zu unterdrücken, so daß die Verschleißfestigkeit vermindert ist.

Beispielsweise kann bei Chrom-Molybdän-Gußeisen (12% Chrom, 1,5% Molybdän, 3% Kohlenstoff) die Perlitumwandlung bei Luftkühlung nur bei bis zu 50 mm

π dicken Gußstücken vollkommen unterdrückt werden.

Die Eigenschaften und Anwendungen von Nihard-Gußeisen sind beispielsweise beschrieben in der Arbeit »Engineering Properties and applications of Nl-HARD Martensitic White Cast Irons«, International Nickel, London, 1966, Seiten 3,14 und 23.

In der SU-PS I 62 178 ist ein verschleißfestes Gußeisen beschrieben, das aus 2,3 bis 4,0% Kohlenstoff, 11,5 bis 18% Chrom, bis 0,8% Silizium, 1,5 bis 5,0% Mangang und Rest Eisen besteht. Für die Erzeugung

4') einer Martensitstruktur in massiven Gußblöcken werden dieser Legierung noch 1,5% Molybdän und zur Erhöhung der mechanischen Eigenschaften bis 0,8% Titan, bis 1,0% Zirkon und/oder bis 1,0% Vanadium zugesetzt. Besondere Eigenschaften dieses Gußeisens und insbesondere die Art der Herstellung desselben sind in dieser Literaturstelle nicht angegeben.

Um eine hohe Verschleißfestigkeit weißer Gußeisen unter Abriebbedingungen zu gewährleisten, muß die Struktur des Gußeisens aus Karbiden mit hoher Härte

>5 und einem Martensit oder Martensit-Austenit-Anteil bestehen. Die Unterdrückung der Perlitumwandlung des Austenits bei geringen Abkühlgeschwindigkeiten nach der Austenitisierung, beispielsweise 0,666⁰C pro Minute, ist nur bei einer hohen Durchglühung des

bo Gußeisens möglich. In diesem Zusammenhang erweist sich die Durchglühung als grundlegende Eigenschaft für verschleißfeste Gußeisen, die die Abriebfestigkeit massiver Gußblöcke bestimmt.

Bei den Versuchen die zur vorliegenden Erfindung

ι.; geführt haben, wurde festgestellt, daß die Durchglühung von den Anteilen an Kohlenstoff und Mangan in den Chroni-Mangan-Gußcifen und deren Verhältnissen abhängt. Der Einfluß des Kohlenstoffs und des Mangans

auf die Durchglühung unterliegt einer Gesetzmäßigkeit, bei der während der Abkühlung in ruhender Luft die Perlitumwandlung vollständig unterdrückt wird. Um ein Gußeisen zu erhalten, das in seiner Struktur keine Produkte des Perlitzerfalls bei einer Abkühlung nach der Austenitisierung mit einer Geschwindigkeit von 0,666°C/min enthält, darf das Verhältnis von Mangan zu Kohlenstoff nicht geringer als 2,3 sein.

Diese Erkenntnis auf die Gußeisenzusammensetzung gemäß der vorgenannten SU-PS 1 62 178 angewandt, ergibt Werkstücke, deren Härte und Verschleißfestigkeit geringer sind als bei Werkstücken, die nach der vorliegenden Erfindung hergestellt sind.

In der Zeitschrift »Gießerei-Praxis«, Nr.2/19⁷I, 25. Januar, Seiten 21—33, sind verschleißfeste martensitische Chrom-Mo!ybdän-Gußeisen beschrieben, und es ist gesagt, daß praktische Erfahrungen und Verschieißversuche immer wieder zeigen, daß Perlit besonders ungünstig ist. Bereits verhältnismäßig geringe Perlitanteile in einem sonst martensitischen Grundgefüge können den Verschleißwiderstand merklich beeinträchtigen. Für die Erhöhung des Verschleißwiderstandes bzw. zur Steigerung der Härtbarkeit ist eine Reihe von Maßnahmen angegeben, u. a. der Zusatz von Kupfer, Nickel oder Mangan. Der Einfluß des Mangans auf die Restaustenitstabilisierung überwiegt bei weitem die Steigerung der Härtbarkeit, weshalb ausgesagt ist, daß der Gehalt an Mangan 1% nicht übersteigen soll. Es ist zwar auch ausgesagt, daß Silizium die Härtbarkeit beeinträchtigt und der Siliziumanteil daher möglichst niedrig gehalten wird, wenn aber durch die verwendeten Rohstoffe höhere Siliziumgehalte nicht zu umgehen seien, dann müßten die Gehalte an Molybdän, Chrom und gegebenenfalls Mangan, Nickel oder Kupfer erhöht werden. Die Mangananteile, die hierfür in Betracht kommen, liegen für 0,9% Silizium bei 0,7% Mangan und entsprechen damit der Regel, der Mangangehalt solle 1 % nicht übersteigen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herteilung von Werkstükken aus verschleißfestem Chrom-Mangan-legiertem Gußeisen anzugeben, das bei bestimmten, aufeinander abgestimmten Gehalten an den Elementen Kohlenstoff, Chrom und Mangan die Unterdrückung der Perlitumwandlung des Austenits während des Kühlens bei geringen Abkühlgeschwindigkeiten ermöglicht und somit zu erhöhten Verschleißfestigkeiten und verbesserten mechanischen Eigenschaften der Werkstücke führt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Unteransprüche 2 und 3 gekennzeichnet.

Tafel 2

Werkstücke aus verschleißfestem Gußeisen, die nach

dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, besitzen ein Gefüge, das aus Karbiden des Typs M7Cj und einer Metallgrundlage aus Martensit, Bainit und Rest Austenit besteht.

Bei dem nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten verschleißfesten Gußeisen werden aufgrund der optimal gewählten Verhältnisse der Legierungselemente, insbesondere des Kohlenstoffs, Chroms

ίο und Mangans, die Unterdrückung der Perlitumwandlung und ein vom Gesichtspunkt der Verschleißfestigkeit besseres Mikrogefüge gewährleistet, und zwar Chromkarbide (Cr, Mn, Fe^Cj in einer Metallgrundlagc aus Austenit und Martensit (und/oder Bainit). Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal der Werkstücke des vorliegenden Verfahrens besteht darin, daß eine praktische, von der Gußstückwanddicke unabhängige große Härte beibehalten wird. Wegen seiner hohen Durchhärtbarkeit sind die Werkstücke den bekannten luftgehärteten Werkstücken aus Gußeisen, beispielsweise aus der Legierung 15-3 oder Gußeisen mit 27% Chromgehalt und anderen Gußeisen bedeutend überlegen.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

In einem Induktionsofen mit einem Fassungsvermögen von 150 kg und mit einem sauren Futter wurden Werkstücke aus Gußeisen nach dem Verfahren der Erfindung (Nr. 1 bis 4 in Tafel 1) und Gußeisen bekannter Zusammensetzung (Nr. 5 bis 7 der Tafel 1) erschmolzen.

Tafel 1
Chemische Zusammensetzung der Gußeisen

Lfd.

Nr.

Si

Mn Cr Mo Sorte

2,29 0,35 4,77 13,7 -

2,20 0,35 6,11 13,7 -

2,03 031 4,75 13,2 -

2,03 0,32 6,58 13,3 -

Erfindungsgemäße Gußeisen

3,10 0,öl 0,84 13,7 1,30
2,85 0,70 0,98 12,7 2,60 Legierung 15-3
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, daß bei über 200 mm dicken Querschnitten das erfindungsgemäße Gußeisen den bekannten überlegen ist.

Härte der Gußeisen nach dem Abkühlen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten

Lfd. Nr. Härte HRC beim Maße »a«, mm*) (s. Tafel 1)

3 30 50 75 100 200

Anwärmtemperaca. 1000 tür, °C

Durchhärtbarkeit, mm (Größtmaß a des Gußstücks, in dessen Gefüge keine Perlitzerfallprodukte vorhanden
sind)

Gußeisen 1

nach vor- 2

liegender 3

Erfindune 4

57,5

55

60,0
59
55
57

900 1000

Fortsetzung

Sorte Lfd. Nr. Härte HRC beim Maße »a«, mm*)

(s. Tafel 1)

3 30 50 75 100

Anwärm- Durchhänbarkcit. mm tempera- (GrößtmaU u des GuIi-200 ca. 1000 tür, C Stücks, in dessen Gefügc

keine Perlitzerfallprodukle vorhanden sind}

Cr-Mo 5 63 63 55 46 - - 38 37 950 45

Gußeisen

Legierung 6 63 — — — 65 63 58 37 Ϊ000 180

Gußeisen 7 61 57 58 54 53 54 47 1100

mit 27%

Cr-Gehalt

*) Anmerkung: Die Proben wurden nach dem Erhitzen mit einer Geschwindigkeit abgekühlt die der Abkühlungsgeschwindigkeit einer Platte mit den Maßen a χ 4a χ 4a an Luft entspricht.

Hinsichtlich der Durchhärtbarkeh, die gemäß dem maximalen Querschnitt eines flachen Gußstückes eingeschätzt wird, bei dem nach dem Härten an der Luft keine Perlitzerfallprodukte des Austenits vorhanden sind, ist das neue Gußeisen der Legierung 15-3 um das Fünffache überlegen.

Die Tafel 3 enthält die Ergebnisse von Laboruntersuchungen von Proben des erfindungsgemäßen verschleißfesten Gußeisens. Die Proben mit 30 mm Durchmesser wurden bei 200⁰C angelassen und einem Biegeversuch bei einem Abstand von 300 mm zwischen den Stützen unterzogen.

Tafel 3

Lfd. C Si Mn Cr Biegefestig- Durch- Nr. keit. Ob biegungspfeil

kp/mm² mm

1 2,29 0,35 4,77 13,7 92,2 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 13,3 98,5 3,1

Wie aus Tafel 3 hervorgeht, besitzt das erfindungsgemäße Gußeisen hohe Festigkeitseigenschaften, die beispielsweise den Festigkeitseigenschaften der bekannten Gußeisen Nihard und der Legierung 15-3 überlegen sind.

Dank der hohen Durchhärtbarkeit des erfindungsgemäßen Gußeisens ist seine Verschleißfestigkeit, insbesondere bei massiven Querschnitten, der Verschleißfestigkeit anderer Gußeisen überlegen.

Wie aus der Tafel 4 ersichtlich ist, in der die Ergebnisse der Untersuchung der Verschleißfestigkeit durch das »topfförmige Schleifverfahren« nach Stauffer angegeben sind, ist die Verschleißfestigkeit viermal größer als die Verschleißfestigkeit des einen hohen Mangangehalt aufweisenden Hadfield-Stahls (0,9 bis 1,3% C, 0,4 bis 1,0% Si, 11,5 bis 14,5% Mn, nicht weniger als 0,05% S, weniger als 0,1 % P, Rest Fc).

Tafel 4

Verschleißfestigkeit bei Untersuchungen nach dem Staufferverfahren

Sorte

Nr. in Relativer Verschleißfestigkeits- Tafel 1 faktor K beim Maß a, mm*)

3 100 200 1000

Anwärmtemperatur CQ

Stahl 20

Gußeisen gemäß

vorliegender

Erfindung

Cr-Mo-Gußeisen
Legierung 15-3

860

10

11

4,0 3,5

6,7	900
6,0
5,9	950
5,0	1000
3,5
3,5

Anmerkung: Der Faktor K für Hadfield-SlaM mit einem Härtebeginn bei 1050° isi nach dem Härten in Wasser gleich 1,3—1,6.

*) Die Proben wurden nach dem Erhitzen mit einer Geschwindigkeit abgekühlt, die der Abkühlungsgeschwindigkeil einer Platte mit den Maßen a χ 4a χ 4a an Luft entspricht.

Werkstücke aus dem eiTindungsgemäßen Gußeisen w erden unter Indusinebedingungen beispielweise folgendermaßen erhalten.

Gußeisen mit der obenerwähnten Zusammensetzung wird in einem Lichtbogenofen mil 3 oder 3 ι Fassungsvermögen geschmolzen, auf eine Temperatur von ca. 1300 C erhitzt und bei einer Temperatur von 1400- I 340 C in Formen gegossen, um Auskleidung teile mit ungefähren Abmessungen von 1300 χ 300 χ IiO mm und Fr/niühlen-l lubweiksplal ten /u erhalten.

Beim Vergießen des Gußeisens werden Metalllornien oiler in Sandformen eingesetzte Metallküliler verwendet, um ein beschleunigtes Abkühlen ties Gußeisens während seiner Erstarrung sicherzustellen.

Das in die Formen gegossene Gußeisen wird mit einer mehr als J Grad/min betragenden Geschwindigkeit auf eine Temperatur von I2OO"C abgekühlt. Die Geschwindigkeit der weiteren Abkühlung des Gußeisens auf Zimmertemperatur kann unter 3 Grad/min liegen.

Dann werden die erhaltenen Gußstücke in einen Härteofen eingesetzt, wobei ein Einsatz aus ca. 40 t besteht. Die Gußstücke werden auf 860"C erhitzt, 3 Stunden auf dieser Temperatur gehalten, auf 7 50" C abgekühlt und 5 Stunden auf dieser Temperatur gehalten; danach wird der Herd herausgefahren, und die weitere Abkühlung verläuft an der Luft.

Das oben beschriebene Wärmebchandlungsvcrfahren des erfindungsgemäßen Gußeisens bezweckt, das Legieren des Austenits zu vermindern und dessen teilweise Umwandlung in Martensit und Bainit bei Zimmertemperatur sowie dai auffolgende Verformungsumwandlung des Restaustenits während der Abriebwirkung beim betrieblichen Einsatz der uns dem erfindungsgemäßen Gußeisen gefertigten Teile zu gewährleisten.

Auf diese Weise besteht nach der Wärmebehandlung das Gefüge des erfindungsgemäßen Gußeisens aus Karbiden (Cr, Mn, Fe)₇C₁. Martensit (und/oder Bainit) und Restaustcnit. Die Härte des Gußeisens wird in einigen 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).

Tafel 5

Mikrogefüge Mikrohärte Härte kp/mm-¹ HRC

Mi krönet üjK' Mikrohärte

HIU

Gegossener
Zustand

Karbide
Austenit

1100—1300 450- 500

40

Nach der Wärme- Karbide I 100- 1300

behandlung Austenit 607- 709 59

(Rest)

Martensil 637— 746

(Bainit)

Die hohe Durchhartbarkeit des erfindungsgemäßen Gußeisens vereinfacht wesentlich die Wärmebehandlung im Vergleich mit den bekannten Gußeisen (z. Ii. Legierung i 5-3 oder Gußeisen mit 27% Chromgehait). Die Gußstücke aus dem erfindungsgemäßen Gußeisen können nach dem Erhitzen und Halten auf den erforderlichen Temperaturen abgekühlt werden, indem sie /u Stapeln mit ungefähren Abmessungen von 1500 χ 500 χ 2000 mm zusammengelegt oder sogar auf den Ofenherd gelegt werden.

Die Gußstücke aus dem erfindungsgemäßen Gußeisen haben nach einer solchen Wärmebehandlung eine Härte von HRC 56-59, wobei in ihrem Gefüge keine Perlitzerfallproduktc des Austenits im Gegensatz zu den bekannten Gußeisen (Legierung 15-3 oder Gußeisen mit 27% Chromgehalt) vorhanden sind. Letztere besitzen bei solchen Abkühlimgsbedingungen eine Härte von IK R 38-47 und ihr Gefüge enthält Perlitzerfallproduktc des Austenits.

Auf diese Weise wird durch die F>findung ein verschleißfestes Gußeisen geschaffen, welches dank seiner ausgeglichenen Zusammensetzung und der Verwendung eines entsprechenden Verfahrens beim Herstellen von Gußstücken erhöhte Festigkeit besitzt und hohe Verschleißfestigkeit auch bei massiven Gußstücken behält, wodurch es möglich ist. das erfindungsgemäßc Gußeisen beispielsweise für Auskleidungen besonders großer Erzmühlen zu verwenden.

Das erfindungsgemäßc Herstellungsverfahren für Werkstücke aus dem erfindungsgemäßen Gußeisen (z. B. Auskleidungen und llubwerksplatten) ermöglicht es, diese dank ihrer hohen Festigkeit und Verschleißfestigkeit auch bei besonders großen F.rzniühlcn, z. B. mit 3.6 tu 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 Hadficid-Slahl.

Hubwcrksplatten aus dem erfindungsgemäßen Gußeisen, die bei kugellosen Mühlen mit 7 m Durchmesser verwendet werden, nutzen sich nur halb so schnell wie I lubwcrksplalten aus Hadfield-Sliihl ab.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus verschleißfestem, Cr-Mn-Iegiertem Gußeisen, bei dem das flüssige Gußeisen in Formen gegossen und die erhaltenen Gußstücke darauffolgend gehärtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß Gußeisen, bestehend aus 8 bis 14% Chrom, 4,01 bis 7,0% Mangan, 1,3 bis 2,9% Kohlenstoff, bis 0,8% Silizium und Rest Eisen, in die Formen gegossen und bis auf eine Temperatur von 1200° bis 1150° mit einer Geschwindigkeit von mindestens 3 Grad/min und weiter bis Raumtemperatur mit einer Geschwindigkeit auch unter 3 Grad/min abgekühlt wird und in den erhaltenen Gußstücken ein Gefüge aus Martensit. Bainit und Restaustenit dadurch erzeugt wird, daß sie auf eine Temperatur von 820 bis 1100⁰C erhitzt, auf dieser Temperatur 3 Stunden gehalten, bis auf eine Temperatur von 780 bis 650⁰C abgekühlt, auf dieser Temperatur mindestens 2 Stunden gehalten und danach auf eine Temperatur von 450 bis 400°C mit einer Mindestgeschwindigkeit von 0,666 Grad/min abgekühlt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial Gußeisen verwendet wird, das neben Eisen 11 bis 14% Chrom, 4,3 bis 5,8% Mangan, 1,9 bis 2,25% Kohlenstoff, bis 0,8% Silizium, bis 0,08% Schwefel und bis 0,1% Phosphor enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial Gußeisen verwendet wird, das zusätzlich bis 1,5% Molybdän enthält.