DE2234324A1

DE2234324A1 - Gusseisenlegierung, verfahren zu ihrer herstellung und ihrer verwendung fuer bremsbloecke

Info

Publication number: DE2234324A1
Application number: DE2234324A
Authority: DE
Inventors: Sidney Benjamin Hartley; Malcolm Henderson
Original assignee: Albright and Wilson Ltd
Current assignee: Solvay Solutions UK Ltd
Priority date: 1971-07-13
Filing date: 1972-07-12
Publication date: 1973-02-08
Also published as: GB1411216A; NL7209683A; LU65722A1; BE786223A; FR2145607A1; ZA724743B; SE7209143L; IT964649B; FR2145607B1

Description

8 München 80 O O O / ~s *s

Lucile-Graha-Str. 3Ö, Tel, 47 51« Z Z O 4 3 2

P 468 Dr.Be/Est

Albright & Wilson Limited, Oldbury bei Birmingham, Warwickshire (Großbritannien)

Gußeisenlegierung, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihrer Verwendung für Bremsblöcke

Die Erfindung betrifft Gußeisenlegierungen mit einer charakteristischen Makrostruktur sowie Verfahren zu ihrer Herstellung.

Gewöhnlich enthält Gußeisen große Kristalle (primäre Dendrite) aus Eisen, die manchmal Eisencarbid enthalten. Die Zwischenräume zwischen den primären Kristallen sind von kleineren Kristallen, z.B. aus Eisen, EisenGarbid, Eisensilicid, Eisenphosphid,, Graphit oder verfestigten eutektischen Gemischen besetzt, je nach der Zusammensetzung und der Bildungsvorgeschichte des Eisens.

Wenn das Eisen Phosphor enthält, kann ein sprödes phosphorhaltiges Eutektikum gebildet werden, das entweder pseudobinär ist und dann hauptsächlich zwei Phasen enthält, wobei die eine aus Eisenphosphid und die andereüberwiegend aus Eisen besteht, oder ternär ist und Eisen, Eisenphosphid und Eisencarbid enthält. Unter gewöhnlichen Sandformgußbedingungen und unter der Voraussetzung, daß der Siliciumgehalt nicht zu hoch ist, z.B. unter Umständen, die zur Bildung von Graueisen führen, aber nicht

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zu der von Weißeisen, wird das pseudobinäre Eutektikum gebildet.

Im allgemeinen gilt, daß je höher der Mengenanteil von Phosphor ist, desto größer der Anteil von sprödem Phosphid-Eutektikum sein wird. Aus diesem Grunde wären die Metallurgen "bemüht, die Phosphorgehalte in Gußeisen so niedrig wie möglich zu halten, in der Annahme, daß mehr als etwa 0,5 % Phosphor die gesamte Legierung ernsthaft verspröden würde. Darüber hinaus hat die Erfahrung gezeigt, daß das Phosphid-Eutektikum sehr stabil ist und nicht durch Anlassen zerstört wird, im Gegensatz zum Eisencarbid in gewöhnlichem Weißeisen. Gußeisenlegierungen mit hohem Phosphorgehalt wurden deshalb von den praktischen Metallurgen weitgehend vernachlässigt. Große Ablagerungen von Phosphat-Eisenerzen kommen vor, die nichttechnisch verwendet werden können, wegen der hohen Kosten zur Entfernung des Phosphors.

Kürzlich wurde gefunden, daß Legierungen mit einem Gehalt von mehr als 2 % Phosphor, die bisher als praktisch nicht interessant betrachtet wurden, eine Kombination von Eigenschaften/einschließlich hoher Abriebfestigkeit, einem hohen Funkenwiderstand und einem guten Reibungswiderstand, die sie zur Verwendung als Bremsblöcke besonders bei Eisenbahnvaggons geeignet machen (vgl. die britische Patentschrift 1 238 646). Diese Legierungen leiden jedoch daran, daß sie spröde sind. Dies führt zum Reissen der Bremsblöcke. Die Schwierigkeit wurde nur teilweise durch Verwendung aufwendiger Stahlnetzeinlagen überwunden.

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Es wird angenommen, daß "bei Gußeisenlegierungen, die mehr als 2 Gewichtsprozent Phosphor enthalten, das Phosphid-Eutektikum ein im wesentlichen kontinuierliches Netzwerk durch die Legierung hindurch bildet. Unter Berücksichtigung der Stabilität des Phosphid-Eutektikums wurde es nicht für möglich gehalten, derartige Legierungen mit hohem Phosphorgehalt in weniger spröder Form zu erhalten.

Es gelang nunmehr Legierungen herzustellen, die einige der Hauptvorzüge der Gußeisenlegierungen mit hohem Phosphorgehalt, wie sie vorbeschrieben sind," beibehalten, deren Sprödigkeit jedoch vermindert ist. Dieses Ergebnis ist überaus überraschend. Seit über 100 Jahren war den Metallurgen bekannt, daß Gußeisen durch kleine Mengen Phosphor spröde wird. Ausgenommen einiger akademischer Arbeiten gab es bisher fast keine praktische Forschung auf dem Gebiet der Gußeisenlegierungen, die mehr als etwa 1,5 Gewichtsprozent Phosphor enthalten, weil kein Metallurge es für möglich hielt, daß solche Legierungen eine praktische Anwendung finden wurden.

Es wurde gefunden, daß unter bestimmten Bedingungen, z.B. beim Hartguß bzw. Kokillenguß einer Legierung mit niedrigem Siliciumgehalt es möglich ist, Legierungen zu erhalten, die mehr als 2 % Phosphor enthalten und in denen der Phosphor als ternäres Eutektikum vorliegt und daß beim Anlassen solcher Legierungen das ternäre Eutektikum zerstört werden kann und eine starke ferritische Matrix bildet, die Eisenphosphid und Kohlenstoff in mehr oder weniger dispergierter Form enthält· Derartige Legierungen haben

'/ 0 9 8 fi R / Π Ρ■ 1 F

eine Festigkeit, für die es "bei solchen Legierungen mit hohem Phosphorgehalt bisher insgesamt kein Vorbild gibt. Durch Ändern des Ausmaßes des Anlassens ist es möglich, einen Kompromiß zwischen der sehr hohen Abriebfestxgkeit und dem geringen Funkenwiderstand von gewöhnlichen Eisenlegierungen mit hohem Phosphorgehalt und der sehr hohen Festigkeit ■ eines voll angelassenen Hartguß- bzw. Kokillengußeisens zu erzielen. Die teilweise angelassenen Legierungen können durch Einschluß von Carbidstabilisatoren, z.B. von seltenen Erdmetallen, wie dem Cer-Mischmetall, modifiziert werden.

Gemäß einer Ausführungsform schafft die Erfindung eine neue Gußexsenlegierung, die ein im wesentlichen kontinuierliches Netzwerk eines entarteten Phosphid-Eutektikums in den Zwischenräumen zwischen den primären Dendriten enthält, wobei dieses entartete Eutektikum eine im wesentlichen kontinuierliche Matrix aus Eisen in überwiegend ferritischer oder perlitischer Form enthält bzw. daraus besteht.

Der Begriff "entartetes Phosphid-Eutektikum", wie er im folgenden gebraucht wird, bezieht sich auf das Gemisch, das Eisen, Eisencarbid, Eisenpliosphid und/oder Kohlenstoff enthält und durch Zerstörung eines Phosphid-Eutektikums, besonders des ternären Eutektikums, gebildet worden ist.

Die Erfindung schafft gemäß einer zweiten Ausführungaform ein Verfahren zur Herstellung eines vorbesserlon Gußeisens mit hohem Phosphorgehalt, das dadurch go-

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kennzeichnet ist, daß eine Gußeisenschmelze mit hohem Phosphorgehalt unter Bedingungen gegossen wird, die zur Bildung einer im wesentlichen kontinuierlichen ternären Phosphid-Eutektikumphase im Gußstück geeignet sind, und daß man das Gußstück bei einer ausreichend hohen Temperatur unterhalt» von dessen Schmelzpunkt und eine ausreichende Zeit lang, daß das ternäre Phosphid-Eutektikum zerstört wird und .eine im wesentlichen kontinuierliche überwiegend ferritische oder perlitische Matrix bildet, erhitzt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Gußeisen, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Herstellung einer Schmelze, die im wesentlichen aus Eisen, Kohlenstoff, Phosphor und Silicium besteht, gegebenenfalls zusammen mit Spuren solcher Elemente, wie sie gewöhnlich in grauem Gußeisen vorliegen, wobei die Menge von Phosphor größer als 2 und kleiner als 5 Gewichtsprozent der Schmelze beträgt, die Gesamtmenge von Silicium und Kohlenstoff unter 6 Gewichtsprozent und vorzugsweise unter 5 Gewichtsprozent der Schmelze beträgt und die Gesamtmengen anderer Elemente unter 2 Gewichtsprozent der Schmelze liegen, Durchführen eines Kokillengusses der Schmelze-und Anlassen des im Kokillenguß erzeugten Gußeisens bei einer Temperatur oberhalb 850⁰G und unterhalb des Schmelzpunktes der Legierung.

Im allgemeinen enthalten die erfindungsgemäßen Legierungen zwischen 2 und 10 Gewichtsprozent Phosphor,

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insbesondere 2 bis 5 Gewichtsprozent -und vorzugsweise 2,1 bis 4 Gewichtsprozent, am meisten bevorzugt 2,5 bis 3,5 Gewichtsprozent, z.B. 2,6 bis 3,4 Gewichtsprozent. In der Regel werden Legierungen bevorzugt, die 2,05 bis 5 Gewichtsprozent, vorzugsweise 2,1 bis 5 Gewichtsprozent, am meisten bevorzugt 2,15 bis 5 Gewichtsprozent und noch mehr
bevorzugt 2,2 bis 5 Gewichtsprozent Phosphor enthalten. Besonders bevorzugt sind Legierungen, die 2,25 oder 2,3 bis 5 Gewichtsprozent Phosphor enthalten.

Die Legierungen bestehen überwiegend aus Eisen (vorzugsweise bis zu 97 his 88 Gewichtsprozent, am meisten bevorzugt 90 bis 95 Gewichtsprozent, z.B. 92 bis 93 Gewichtsprozent). Die Legierungen enthalten auch Kohlenstoff in Mengen bis zum Sättigungswert der Schmelze und können zusätzlich andere Elemente und Verunreinigungen enthalten, wie sie üblicherweise in gewöhnlichem Gußeisen mit geringem Phosphorgehalt vorliegen. Gewöhnlich besteht die wichtigste dieser Verunreinigungen aus Silicium. Es wird bevorzugt, daß Kohlenstoff und Silicium zusammen in einer Gesamtmenge von weniger als 5 Gewichtsprozent, am meisten bevorzugt weniger als 4,5 Gewichtsprozent, z.B. weniger als 4 Gewichtsprozent vorliegen sollten.

Die Legierungen enthalten gewöhnlich 0,5 bis 5 Gewichtsprozent, vorzugsweise 1 bis 4 Gewichtsprozent und am meisten bevorzugt 1,5 bis 3,5 Gewichtsprozent, z.B. 2 bis 3 Gewichtsprozent Kohlenstoff. Die Menge

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— ν —

Kohlenstoff in chemisch gebundenem Zustand in der schließlich erhaltenen Legierung (z.B. als Fe^C und möglicherweise auch in Form von EfiLiciden) kann einen Einfluß auf die Eigenschaften der Legierungen haben. Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen zielt das Herstellungsverfahren dahin, in der Legierung eine relativ geringe Menge chemisch gebundenen Kohlenstoff vorliegen zu haben, z.B. unter 2 Gewichtsprozent, bezogen auf die Legierung, und vorzugsweise unter 1,75 Gewichtsprozent, jedoch oberhalb 0,6 Gewichtsprozent. Das am meisten bevorzugte Mengenverhältnis von gebundenem Kohlenstoff beträgt zwischen 1,75 und- O>75? insbesondere 1,5 bis 1 Gewichtsprozent.

Andere Elemente, die vorhanden sein können, sind Silicium, das vorzugsweise in geringen Mengen von z.B. unter 5 Gewichtsprozent und vorzugsweise unter Q Gewichtsprozent und am meisten bevorzugt unter ^ Gewichtsprozent und häufig weniger als 2,2 Gewichtsprozent, z.B. von 0,2 bis 2 Gewichtsprozent oder 0,5 bis 1 Gewichtsprozent^ insbesondere "bevorzugt sind Legierungen, die 0,75 bis 1,5 Gewichtsprozent Silicium enthalten. " .

Es wird angenommen, daß die Menge Silicium einen wenigstens genauso wichtigen Einfluß auf den kombinierten Kohlenstoffgehalt wie die Temperaturbehandlung hat und es wird daher eine Legierung bevorzugt, die -zwischen 0,8 und 1,5 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,9 bin 1,^1 Gewichtsprozent, z.B. 0,96 bis 1)39 Gewichts- 1>Γθ·Λ('.ηΙ Silicium enthält.

Jii ο /ichmf:lVjCi kann zusätzlich zum Eisen, Phosphor,,

- 8 -- 2 0 9 8 8 6/061?. BAD ORIGINAL

Silicium und Kohlenstoff noch. Verunreinigungen enthalten, wie Schwefel, Sauerstoff, Mangan, Kobalt, Hickel, Kupfer, Vanadium, Titan, Molybdän und Wolfram. Vorzugsweise liegen diese Verunreinigungen in Mengen vor, die nicht größer sind als die Mengen derjenigen Verunreinigungen, die in üblichem grauen Gußeisen vorhanden sind. Diese Elemente sind vorzugsweise jeweils in einer Menge von unter 1 Gewichtsprozent und am meisten bevorzugt unter 0,5 Gewichtsprozent vorhanden. Elemente außer Eisen, Phosphor, Kohlenstoff und Silicium sind vorzugsweise in einer Gesamtmenge von unter 1,5 Gewichtsprozent, am meisten bevorzugt von nicht mehr als 1 Gewichtsprozent vorhanden.

Die Schmelze wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß Schrott oder anderes Gußeisen und üPerrophosphor in geeigneten Mengenverhältnissen zusammengeschmolzen wird. Diese Ausgangsstoffe definieren allgemein die Zusammensetzung des Produkts. Die Schmelze wird gewöhnlich entschlackt und gegossen.

Im allgemeinen wird ein kontinuierliches Phosphid-Eutektikum gebildet, wenn die Gußeisenlegierung mehr als 2 Gewichtsprozent Phosphor enthält. Um jedoch
sicherzustellen, daß das Eutektikum ternär und nicht pseudobinär ist, ist es erforderlich, sowohl die Zu-

aucb
sammensetzung als/die Bedingungen beim Gießen zu regpln. Die Zusammensetzungen, die die Bildung von einei ternären Eutektikum am meisten begünstigen, sind solche, die einen niedrigen Siliciumgehalt haben, von
z.B. weniger als 2 Gewichtsprozent. Angemessene Be-

209886 /OB 1 !·

dingungen bestehen im schnellen Abkühlen der Schmelze mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um die metastabile ternäre Phase einzufrieren, bevor sie in die stabilere pseudobinäre Phase zurückkehrt. Ausreichend schnelles Abkühlen kann erreicht werden durch einen Kokillenguß der Schmelze. Der,Kokillenguß umfaßt das Gießen in eine thermisch leitfähige Form, welche die Wärme der Schmelze schnell ableitet, gegenüber der normalen Sandform, die thermisch isoliert und dazu neigt, die Wärme festzuhalten. Die Schmelze wird in einer typischen Ausführungsform in eine Form aus einem Metall gegossen, das in der Lage ist, der Wärme und Zusammensetzung der Schmelze zu widerstehen. Die Form kann z.B. aus einem relativ hochschmelzendem Eisen oder Stahl bestehen. Vorzugsweise wird die Form vorerhitzt, um eine vorzeitige Verfestigung der Schmelze zu vermeiden, mit der Schmelze gefüllt und das Heiz.en abgestellt .Die Form kann von außen gekühlt werden, um die Abkühlungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Alternativ kann die Schmelze in eine Form, z.B. eine Sandform gegossen werden, die Kühlrippen aus Metall enthält. Solche Kühlrippen bilden dann Einlagen im Gußstück.

Das im Kokillenguß gegossene Eisen ist anfangs sehr spröde wegen des ausgedehnten Netzwerks aus sprödem ternären Eutektikum. Das abgekühlte Eisen enthält gewöhnlich perlitische primäre Dendrite zusammen mit großen pseudoprimären Plätten aus Eisencarbid und ein im wesentlichen kontinuierliches Netzwerk von tertiärem Eutektikum, das zur Dissoziation in eine Perlit-Matrix, die Eisenphosphid und Eisencarbid enthält, neigt. 2n

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- ίο -

Abwesenheit von Carbidstabilisatoren ergibt das Anlassen der Gußstücke, daß das Perlit der primären Dendrite und de's Eutektikums in Ferrit überführt wird, welches Graphit ausfällt. Die pseudoprimären Eisencarbidkristalle und das Eisencarbid des Eutektikums brechen ebenfalls zusammen, anfangs unter Bildung von Perlit und gegebenenfalls von Ferrit und Graphit. Das Eisenphosphid des Eutektikums neigt zu einer Agglomerierung in größere Bereiche, was möglicherweise mit einer Diffusion durch die Ferritmatrix zusammenhängt, und das Graphit neigt zur Bildung von Strömen zwischen den Bereichen aus Eisenphosphid.

Um die genannten Änderungen zu bev/irken, werden gewöhnliche Gußstücke auf eine Temperatur oberhalb ⁰C, aber unterhalb des Schmelzpunkts des Eisens,

z.B. auf 85O bis 150Q⁰G erhitzt. Vorzugsweise liegt die Anlaßtemperabur unterhalb des Schmelzpunkts des ternären Eutektikums, aber oberhalb der Übergangstemperatur zwischen der Austhenitphase und der Ferritphase (z.B. 910 bis 920⁰C). Das Anlassen sollte ausreichen, um sicherzustellen, daß x^enigstens der größte Teil des Eutektikums zusammenbricht unter Bildung einer Matrix aus freiem Eisen, von welchem nach dem Abkühlen wenigstens 50% in einem ferritischen Gefüge vorliegt, oder um den gewünschten kombinierten Kohlenstoffgehalt zu schaffen, wie vorher beschrieben wurde. Die Anlaßdauer kann z.B. von 1 bis 6 Stunden oder mehr betragen. Es wurde gefunden, daß ein partiell angelassenes Eisen mit ausreichender Festigkeit nach 2 bis 3 Stunden Anlassen bei 910 bis 920⁰G erhalten werden kann.

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Partiell angelassene Legierungen gemäß der Erfindung haben typischerweise das folgende Gefüge ϊ

(a) Die primären Dendrite sind wenigstens überwiegend ferritischer Hatur, wobei gegebenenfalls einige perlitische Kristalle vorliegen können, wenn die Anlaßdauer kurz war;

(b) die Zwischenräume des Primärgefüges enthalten eine im wesentlichen kontinuierliche Matrix aus Eisen, die überwiegend ferritischer Natur ist, wobei eingesprengte Perlitbereiche vorliegen, wenn die Anlaßdauer kurz war;

(c) es liegen in der kontinuierlichen Matrix agglomerierte Bereiche von Eisenphosphid vor;

(d) es ist Graphit vorhanden, gewöhnlich überwiegend in Form von Strömen ad.sch.en den Phosphidbereichen$

(e) es können restliche JSpuren von Eisencarbid vorliegen, insbesondere wenn die Anlaßdauer kurz war, entweder in Form getrennter Kristalle oder als Perlit.

Der Verlauf des Anlassens kann vorteilhaft durch Verwendung eines Carbidstabilisators in.der Schmelze beeinflußt werden.

Z.B. kann Magnesium oder ein seltenes Erdmetall, wie das Cer-Mischmetall, zugefügt werden. Typische Carbidstabillsatoren können in Mengen von bis zu etwa 1 Gewichtsprozent zugesetzt werden. Die Carbidstabilisatoren

haben wenig Einfluß auf die Mikrοstruktur des anfangs gebildeten gekühlten Veißeisens. Beim Inlassen fördern sie jedoch die Bildung von kugelig geglühtem Perlit und Temperkohle und neigen zur Bildung einer Matrix, in welcher das Eisenphosphid relativ dispergiert verbleibt.

In Gegenwart von Carbidstabilisatoren hat eine partiell angelassene Legierung gemäß der Erfindung typischerweise das folgende Mikrogefüge:

(a) Die primären Dendriten bestehen überwiegend aus Ferrit und/oder kugelig geglühtem Perlit;

(b) die Zwischenräume des Primärgefüges enthalten eine im wesentlichen kontinuierliche Matrix aus Eisen, das überwiegend als Ferrit und/oder kugelig geglühtes Perlit vorliegt;

(c) es verbleibt eine erhebliche Menge von massivem pseudoprimären Eisencarbid;

(d) die Matrix enthält relativ dispergierte diskrete Teilchen aus Eisenphosphid;

(e) freier Kohlenstoff liegt überwiegend als Temperkohle vor.

Diese Legierungen zeigen eine größere Festigkeit als die entsprechenden partiell angelassenen Legierungen, die keine Carbidstabilisatoren enthalten. Dies kann auf die größere Dispergierung des Eisenphosphids und

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von Kohlenstoff zurückzuführen sein.

Nach längerem Erhitzen der Gußstücke wird eine voll angelassene Legierung erhalten, die typischerweise das folgende Gefüge aufweist:

(a) Die primären Dendrite sind im wesentlichen ferritisch}

(b) die Zwischenräume des Primärgefüges enthalten eine/wesentliche! kontinuierliche Matrix aus. •ferritischem Eisen;

(c) die ferritische Matrix enthält dispergiertes Eisenphosphid und freien Kohlenstoff;

(d).es liegt wenig oder gar kein zurückgehaltenes Eisencarbid nachweisbar vor.

Die voll angelassenen Legierungen sind wegen ihrer hohen festigkeit bemerkenswert.

Die Erfindung schafft Legierungen, die nach den Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt sind sowie Legierungen mit der gleichen Zusammensetzung und dem gleichen Mikrogefüge. Die Erfindung schafft insbesondere Bremsblöcke, Bremsscheiben und ähnliche gegossene Bremsteile, die aus einer Legierung gemäß der Erfindung hergestellt worden sind. .

Die Legierungen können auch für verschiedene andere Verwendungszwecke geeignet sein, wobei übliches Graugußeisen gegenwärtig verwendet wird oder wobei

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die Äbriebfestigkeit oder eine Korrosionsfestigkeit bei hohen Temperaturen erwünscht ist. Körnige oder pulverisierte Metalle mit dem angegebenen Mikrogefüge können beim Bau von gesinterten oder verklebten zusammengesetzten Teilen verwendet werden.

Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel näher erläutert.

Beispiel

Es wurden Legierungen hergestellt, die 2,55 bis 2,78 % Phosphor, 0,96 bis 1,39 % Silicium und 2,27 bis 2,72 % Kohlenstoff enthielten, indem Schrott und Ferrophosphor in geeigneten Mengenverhältnissen in einem induktionsbeheiztem Tiegel aus Siliminit zusammengeschmolzen wurden. Die Schmelzen wurden entschlackt und bei 135O°C in erhitzte Stahlformen gegossen und Kokillengußstücke hergestellt. Die Gußstücke wurden durch dreistündiges Erhitzen bei 910 bis 920°C in einem elektrisch erhitzten Muffelofen angelassen. Die angelassenen Gußstücke wurden langsam abkühlen gelassen. Zu bestimmten Schmelzen wurde vor dem Gießen 1 Gewichtsprozent Cer-Mischmetall zugefügt.

•Die angelassenen Gußstücke hatten eine Biegerißfestigkeit ^von 41,76 kg/mm (26,6.tons je sq.in.) und die Zugabe von Mischmetall ergab Festigkeiten von 53,5 bis 62,3 kg/mm² (34 bis 39,7 tons/sq.in).

Die Biegerißfestigkeit wurde gemäß BSTM 14-52 (1961), die Sprödigkeit nach dem Izod-Verfahren

BSTLl 131-49 (1947). und die Härte nach Brinell BSTM 240

gemessen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I "wiedergegeben und mit ähnlichen Legierungen Verglichen, die entweder ohne Anlassen oder durch Sandguß hergestellt worden waren. -

Die Tabelle II erläutert durch Vergleich zwischen er— findungsgemäßen Legierungen und im Sandguß hergestellten Graugußeisen mit hohem Phosphorgehalt, niedrigerem Phosphorgehalt und üblichem Grauguß die fortschrittlichen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen.

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Tabelle I

σ to co

Art und Behandlung	P . %	Si %	Kombinierter C ()7e,C+SiC) H	Freies Graphit %	Gesamt C %	Biegereiß festigkeit kg/mm2 (Q?ons/sq. in. )	Izod-Schlag- zähigkeit kg.cm/cm2 (lbs.ft/in.)	I _\ I
Kokillenguß	2,45 2,84	1,26 1,36	2,56 2,66	0,07 0,03	2,63 2,63	23Λ(14,9)	30:17,2;4,3 (7;4;1) 12,9 (3)
t EokillengußjMiscnmetall- zusatz, angelassen ι Wiederholung,.Analyse ,Kokillenguß + Mischme- •tall und angelassen ¹ It ti jWi e de rho lung	2,54 2,55 2,77 2,59 2,74	1,19 1,22 0,96 1,21 1,17	1,21 1,20 0,59 1,29 1,28	1,18 1,17 2,13 1,27 . 1,15·	2,39) 2,37) 2,72 2,56 2,43	5M34,3) 62,3(39,7) 5^,7(34,8) 53,4(34,0)	95;21,5(22;50)
Kokillenguß + angelassen iSandguß " Il	2,60 2,76 2,69 2,85 2,72	1,40 1,37 1,21 1,16 1,50	1,52 1,87 2,32 2,30 1,87	0,75 0,76 0,24 0,24 0,77	' 2,27 2,63 2,56 2,54 2^64	41,7(26,6) 27,5(17,5) 20,2;30,6 (12,8;19,5)	'6Ο;73(14;17) 26;39 (6;9)
Sandguß, Mischmetall zusatz , angelassen 2,72 I - ' -——	1,18	1,57	; 0,90	2,47		34,5, 39 N> (8;9) ^J

Tabelle II S = Sandguß A = angelassen M = Ger-Mischmet al !zusatz C = gekühlt

οοω
ι ·

Zusammensetzung , Behandlung ! Biegereiß- \ ο' ■· ■ festigkeit

; /o j

2,8

2·, 55
£,77
2,78
2,59
2,74-0,91

1,31

Si

1,5

0,79 0,96

1,39 1,21

1,17

0,18 0,20

tsr.ormguß e i s en

. 10

12

SA C CA

g/

(tons/sq.inch.)
Ablenkung

Izod-Schlagzähigkeit kg.cm/cm^ (lbs.ft/in.)

Brinell-Härte

27,^(17,5) 0,100

41,7(26,6) 0,158

19,3-21,5 (4,5-5,0) 21,5;25,8;39;25,8 (5,6,9,6) 43;12,9;17,2 (1,3,4) 3O;51,5;6O (7,12,14)

302-321

MCA

SA

CA

S S

61,3(39,1) 0,165

62,4(39,7) 0,235

57,5(37,6) 0,200

54,6(34,8) 0,105

53,5(34,0). 0,155

32,5(20,7) . 0,135

32,2(20,5) 0,119

53,6(34,2) 0,205

29,8-37,7 (19-24)

34,5-40.7 ' (22-26) 34,4;39(8,9) 51,5(12) 69(16)

39(9)

47,2;51,5;94,5 (11,12,22)

25,8-43(6-10) 51,5-69(12-16)

401 274

341

248 202

155-240 M55-240

Fortsetzung (Tabelle II

ro σ CD 00 00 cn

CO

	Behandlung	Biegereiß festigkeit kg/mrn^ (tons/sq.inch.) At) lenkung	■ Izod-Schlag- zähigkeit kg. cm/cia2 (lbs. f t/in. )	Brinel1-Härt e
Zu s am πι ens e t zung	"S S S S	39,3-45,5 (25-29) 45,5-50 (29-32) 50-56,5 (32-36) 56,5-64,3 (36-41) 62,7-70 (40-45)	60-73(14-17) 69-82(16-19) 73-90,5(17-21) 77,4-86(18-20) 86-94,5(18-22)	155-240 180-250 180-250 180-250 240-320
Ho rmguß e i s en
Nr. 14 17 20 23 26

er ι

K)

Proben von durch Sandguß und Kokillenguß hergestellte Legierungen, sowie gekühlte und angelassene sowie Cer-Mischmetall enthaltende gekühlte und angelassene Legierungen gemäß den vorstehenden Tabellen wurden geätzt mit 4 folgern Picral und mit dem Reagenz nach Murakamis über 10 Sekunden bei 80⁰G. Mikrofotografien mit einer 4-00-fachen Vergrößerung wurden hergestellt, die als Fig* . 1 bis 6 beigefügt-,sind«

Die Mikrofotografien werden wie folgt erläutertί 1» Im Sandguß hergestellter Bremsschuh

Dies ist ein hypoeutektisch.es perlitisches Graugußeisen mit ausgedehnten Bereichen des pseudöbinären Eutektiküms und ist in lig. 1 dargestellt.

2. Eokillengüßeisen \

Dieses Eisen ist ein h3rp0eutektisch.es Weißgußeisen. Die primären Austenit-Dendrite sind perlitischer Katur, während eine erhebliche Menge des Eisencarbids als massive idiomorphe Platten mit pseudoprimärem Charakter verfestigt worden ist, die für stark phosphorhaltiges Weißeisen typisch sind. Zwischen den Carbidplatten und den primären Dendriten liegt eine feine eutektische Struktur. Dies scheint das ternäre Eutektikum zu sein und besteht aus drei Phasen, nämlich Austenit (jetzt perlitisch und dunkelgrau geätzt), Phosphid (hellgrau geätzt) und Carbid (weiß geatzt). Eine Mikrofotografie dieses Eisens ist in Fig. 2 dargestellt.

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3« Kokillengußeisen, angelassen

Das Anlassen hat eine tiefgreifende Wirkung auf die Mikrostruktur dieses Eisens. Die Carbide, nämlich sowohl aae massive binäre Carbid iül^das feinere ternäre Carbid, sind vollständig zu Ferrit und Graphit zusammengebrochen. Das Perlit der primären Dendrite und auch das im ternären Eutektikum ist teilweise zu einem ferritischen Gefüge zusammengebrochen. Das Eisenphosphid des ternären Eutektikums hat agglomeriert unter Bildung ziemlich großer Bereiche. Das als Ergebnis des Zusammenbruchs der Carbide gebildete Graphit liegt in Form fadenförmiger Ausläufer vor, die scheinbar zwischen den Phosphidbereichen verlaufen· Das Mikrogefüge ist in Fig. 3 dargestellt.

4. Mt Cer behandeltes gokillerigußeisen

Dieses ist ein hypoeutektisches Weißeisen. Das Mikrogefüge des Eisens scheint mit dem des nicht mit Cer behandelten Eokiilengußeisens identisch zu sein und ist in Fig. 4- erläutert.

5. Mit Cer behandeltes Kokillengußeisen, angelassen

Die Wärmebehandlung des das Cer enthaltenden Eisens ergibt die Bildung eines unterschiedlichen Mikrogefüges* Zunächst scheint das Cer als Carbidstabilisator zu wirken, was sicherlich durch die erhebliche Menge des zurückgehaltenen Carbids in der Struktur wiedergegeben wird. Einige der massiven Carbidteilchen haben sich zersetzt und ergeben Aggregate von Temperkohie. Das Perlit der primären Dendrite hat begonnen, zusammenzubrechen, und liegt in kugelig geglühter Form vor.

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Das ternäre Eutektikum ist etwas zusammengebrochen unüer Bildung von Ferrit, Graphit und Eisenphosphid. Das Eisenphosphid hat nicht agglomeriert zu einem Gebilde und zu dem gleichen Ausmaß, wie es in dem oben beschriebenen nicht mit Cer behandelten Eisen der Fall war. Die Mikrostruktur dieser Probe ist in Fig· 5 dargestellt·

6, Mit Cer behandeltes Kokillengußeisen

Die Wärmebehandlung dieses mit Cer behandelten Eisens ist vollständiger als dies bei der Probe gemäß Fig.5 der Fall war und es gibt nur geringe Anzeichen von zurückgehaltenem Carbid. Die primären Dendrite und. die Matrix sind ferritisch und das Eisenphosphid ist als ziemlich feine Dispersion zurückgehalten. Das als Ergebnis des Zusammenbrechens des Carbide gebildete Graphit liegt in kompakterer Form vor als im Fall des nicht mit Cer behandelten Eisens. Diese Tatsache würde zusammen mit dem nicht-agglomeriert en Phosphid zur Bildung eines Eisens größerer Festigkeit tendieren. Die Zugabe des Elements Cer zu diesem Weißeisen mit höherem Phosphorgehalt hat drei Hauptwirkungen· Zunächst stabilisiert es das Eisencarbid, vermutlich durch Verminderung des wirksamen Schwefelgehalts des Materials, wodurch die Wärmebehandlung schwieriger wird. Zweitens verbessert der Cer-Gehalt die Form der Temperkohle und vermindert drittens die Neigung des Eisenphosphids zu agglomerieren. Diese Kennzeichen der Mikrostruktur sind in Fig. 6 erläutert.

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Claims

Pat ent anspräche

1. Gußeisenlegierung, gekennzeichnet durch ein Gefüge, bei dem ein im wesentlichen kontinuierliches Netzwerk eines entarteten Phosphid-Eutektikums zwischen den primären Dendriten vorliegt, welches eine im wesentlichen kontinuierliche Matrix aus Eisen enthält oder daraus besteht, das überwiegend in Form von Ferrit oder Perlit vorliegt.

2· Eisenlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehr als 2 und weniger als 10 Gewichtsprozent Phosphor enthält.

3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehr als 2 und weniger als 5 Gewichtsprozent Phosphor enthält.

4. Legierung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphormenge 2,05 bis 5 Gewichtsprozent beträgt.

5· Legierung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphormenge 2,1 bis 4- Gewichtsprozent beträgt.

6. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie 90 bis 95 Gewichtsprozent Eisen enthält.

7. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmenge von Kohlenstoff und Silicium zusammen weniger als

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5 Gewichtsprozent der Legierung "beträgt.

8» Legierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet * daß die Gesamtmenge Kohlenstoff und Silicium zusammen weniger als 4· Gewichts- · Prozent beträgt*.

9» Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche* dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmenge Kohlenstoff zwischen 0,5 und· 5 Gewichtsprozent der Legierung beträgt.

10* Legierung nach Anspruch 9i dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmenge Kohlenstoff 1 "bis 4- Gewichtsprozent der Legierung beträgt»

11* Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge Kohlenstoff 2 bis 3 Gewichtsprozent der Legierung betragt*

12* Legierung .nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge kombinierter Kohlenstoff unter 2 Gewichtsprozent der Legierung beträgt*.. '

13. Legierung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge von kombiniertem Kohlenstoff über 0,6 Gewichtsprozent, aber unter 1,75 .Gewichtsprozent beträgt.

14. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge von kombiniertem. Kohlenstoff 1 bis 1,5 Gewichtsprozent

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der Legierung "beträgt.

15· Legierung nach, einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie weniger als 3 Gewichtsprozent Silicium enthält.

16. Legierung nach Anspruch 15i dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen 0,2 und 2 Gewichtsprozent Silicium enthält.

17· Legierung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,5 Ms 1,6 Gewichtsprozent Silicium enthält.

18. Legierung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,96 bis 1,39 Gewichtsprozent Silicium enthält.

19· Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmenge von Verunreinigungen durch Elemente außer Eisen, Kohlenstoff, Phosphor und Silicium weniger als 1,5 Gewichtsprozent "beträgt.

20. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die primären Dendrite hauptsächlich ferritisch oder perlitisch sind.

21. Legierung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die primären Dendrite wenigstens überwiegend ferritisch sind.

22. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

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dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus dem entarteten Eutektikum überwiegend ferritisch ist.

23. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die primären Dendrite überwiegend ferritisch oder perlitisch sind, daß die Matrix aus dem entarteten Eutektikum überwiegend ferritisch ist, daß das Eisenphosphid des entarteten Eutektikums in Form von agglomerierten Bereichen vorliegt, daß wenigstens ein Teil des Kohlenstoffs des entarteten Eutektikums als Graphit in Form von Strömen zwischen den Bereichen aus Eisenphosphid vorliegt und daß gegebenenfalls Spuren von Eisencarbid vorhanden sind.

24. Legierung nach einem der Ansprüche· 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich einen Carbidstabilisator enthält.

25· Legierung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Carbidstabilisator aus wenigstens einem seltenen Erdmetall besteht.

26· Legierung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Carbidstabilisator Cer-Mischmetall ist,

27· Legierung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Carbidstabilisator in einer Menge von bis zu 1 Gewischtsprozent vorhanden ist.

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28. Legierung nach einem der Ansprüche 24 bis 27» dadurch gekennzeichnet, daß die primären Dendrite überwiegend aus Ferrit oder Perlit bestehen, daß die Matrix aus dem entarteten Eutektikum überwiegend aus Perlit oder Ferrit besteht, daß massive pseudoprimäre Eisencarbidkristalle vorliegen, daß das Eisenphosphid des entarteten Eutektikums in der kontinuierlichen Matrix dispergiert ist und daß freier Kohlenstoff in Form von Temperkohle vorhanden ist.

29· Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die primären Dendrite überwiegend ferritisch sind, daß die Matrix aus dem entarteten Eutektikum im wesentlichen ferritisches Eisen ist, daß der Phosphor des entarteten Eutektikums als dispergiertes Eisenphosphid vorliegt und daß Kohlenstoff des entarteten Eutektikums überwiegend ale freier Kohlenstoff vorliegt·

30· Verfahren zur Herstellung von Gußeisen nach einem der Ansprüche 1 bis 29» dadurch gekennzeichnet, daß man eine Eisenlegierung, die ein kontinuierliches Netzwerk aus einem ternären Fhosphid-Eutektikum enthält, auf eine Temperatur oberhalb 85O⁰C, aber unterhalb des Schmelzpunkts von Eisen ausreichend lange erhitzt, bis das ternäre Eutektikum ausreichend abgebaut ist unter Bildung einer im wesentlichen kontinuierlichen Matrix aus ferritischem oder perlitischem Eisen.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaßtemperatur zwischen 910 und 920^cC liegt.

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32. Verfahren nach, einem der Ansprüche 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß man das Erhitzen 1 "bis 6 Stunden lang durchführt.

33· Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Schmelze herstellt, die hauptsächlich aus Eisen, Kohlenstoff, Phosphor und Silicium zusammen gegebenenfalls mit Spuren anderer Elemente, wie sie üblicherweise in Graugußeisen vorlxegeq/f und wobei die Menge des Phosphors über 2 und unter 5 Gewichtsprozent der Schmelze beträgt und die Gesamtmenge von Silicium und Kohlenstoff unter 6 % liegt und die Gesamtmenge anderer Elemente unter 2 Gewichtsprozent, bezogen auf die Schmelze, beträgt, - die Schmelze im Kokillenguß gießt, und den Kokillengießling'bei einer Temperatur oberhalb 850⁰C und unterhalb des 'Schmelzpunkts der Legierung anläßt.

34-. Verwendung der Gußeisenlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 29 wenigstens teilweise für Gußeisen-Bremsblöcke.