DE2310316A1

DE2310316A1 - Eisenkugeln grosser zaehigkeit und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2310316A1
Application number: DE19732310316
Authority: DE
Inventors: Yuichiro Sato
Original assignee: Pacific Metals Co Ltd
Current assignee: Pacific Steel Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1972-03-06
Filing date: 1973-03-01
Publication date: 1973-09-20
Also published as: GB1419852A; DE2310316C3; JPS5021414B2; BR7301648D0; AU5261073A; IT981050B; US3844844A; DE2310316B2; FR2174969B1; ZM3673A1; JPS4890914A; CA991888A; FR2174969A1; AU464833B2

Description

Dipl.-Inc,. Hein; Lcs'er, Poicntonwolt D- 8 München 81, Co;inr.astroße 81 · Telefon: (0811) 95 38 20

Taiheiyo Kinzoku Kabushiki Kaisha 2310316

Tokyo (Japan) L 10 007/L/ho.

Eisenkugeln grosser Zähigkeit und Verfahren zu deren

Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf Eisenkugeln grosser Zähigkeit mit ausgezeichneter Ziehfähigkeit, Kaltbildsamkeit und
Festigkeit gegen Abnutzung und Hitzebeständigkeit, die
geeignet sind zum Mahlen in Kugelmühlen etc. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung
derartiger Eisenkugeln grosser Zähigkeit.

Eisenkugeln u. dgl., die zum Mahlen von Zement, Erzen,
Kohle etc. verwendet werden, unterliegen im allgemeinen
durch Stoss- und Hitzeeinwirkungen einer schnellen Abnutzung und Beschädigung. Aus diesem Grunde besteht ein dringender Bedarf an verbesserten Mahlkugeln mit ausgezeichneter
Zähigkeit und Festigkeit gegen Abnutzung, die selbst unter schweren Mahlbedingungen dauerhaft verwendet werden können.

Als Eisenkugeln od. dgl. werden für vorgenannte Zwecke bis jetzt Gusseisenformationskugeln benutzt, die hauptsächlich als HartgussRugeln vertreten sind, die durch Giessen in
eine Sandform oder metallischen Formen gefertigt werden,
und Stahlkugeln, die in erster Linie von durch Druckschmieden oder Walzschmieden gefertigte Stahlkugeln dargestellt
werden. Zwar sind die Gusseisenkugeln ausgezeichnet in Bezug auf ihre Abnutzungsbeständigkeit, sie sind jedoch minderwertig in Bezug auf ihre Zähigkeit und werden somit leicht während des Gebrauches beschädigt und darüberhinaus durch thermische Einflüsse leicht zerbrochen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Eisenkugeln grosser Zähigkeit zur Verfügung zu stellen, die erhöhte

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Dipl.-lng. Heinz Lesser, Potentonwalt D —8 München 81, Cosinr.ostraße 81 · Te!eiorvft(mi * K 4ß 4Qr?

Kaltbildsamkeit, Abnutzungsbeständigkeit und Wärme- bzw. Hitzebeständigkeit aufweisen und die wirkungsvoll und dauerhaft als Eisenkugeln zum Mahlen in Kugelmühlen etc verwendet werden können.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neues und einfaches Verfahren zur Herstellung vorgenannter Eisenkugeln zur Verfügung zu stellen.

Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden in nachfolgender Beschreibung der Erfindung erläutert.

Gemäss der Erfindung werden Eisenkugeln grosser Zähigkeit zum Mahlen zur Verfügung gestellt, die eine feine eutektische, Zementitstruktur aufweisen, die durch Zerstören der Netzstruktur der eutektischen Struktur in unsymmetrisch gegossenem Zustand gebildet wird, nachdem das genannte eutektische Zementit zerstreut und konzentrisch-kugelförmig und gleichmassig in der Kuegel angeordnet wurde.

Mit der Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung der vorgenannten Eisenkugeln grosser Zähigkeit zur Verfügung gestellt, das dann besteht, wenn aus einer Eisenschmelze, deren chemische Zusammensetzung zur Gruppe der hypoeutektischen Roheisen gehört, eine weisse Gusseisenstange hergestellt wird, diese nach ihrem Erhitzen einer einer heissen plastischen Verformung bei einer Temperatur von 900°C bis 1.125°C unterworfen wird, um weisse Gusseisenkugeln zu bilden, deren Struktur so ist, dass das fein zerstörte eutektische Zementit konzentrisch-kugelförmig und gleichmässig verteilt und in der perlitischen Matrize der Kugel angeordnet wird, danach ein Schnell-Kühlen der Kugeln erfolgt und die Kugeln werden dann in einem Temperaturbereich unter dem A .-Punkt des Gusseisens getempert bzw. in einem Temperaturbereich von 150 C bis 25O°C gehärtet.

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Weisses Gusseisen ist in asymmetrisch-gegossenem Zustand gewöhnlich spröde und unterliegt leicht Pressfehlern (Absonderungen) und inneren Fehlern. Darum wird, um diesem weissen Gusseisen eine hohe Zähigkeit zu verleihen, im allgemeinen ein Verfahren angewandt, bei dem das weisse Gusseisen über eine lange Zeitdauer hitzebehandelt wird, um seine Guss-Struktur zu ändern, und ein Verfahren, bei dem Magnesium, Kalzium oder ein Legierungsmittel der gleichen Wirkung zu dem weissen Gusseisen hinzugefügt werden, um Graphit darin abzusetzen, und weiter wird die Struktur des Graphits in eine sphöroidische, spindelförmige Graphitstruktur umgewandelt.

Dagegen werden bei der vorliegenden Erfindung die grosse Zähigkeit aufweisenden Eisenkugeln mit ausgezeichneter Kaltbildsamkeit sowie ausgezeichneter Abnutzungsbeständigkeit und Hitzebeständigkeit dadurch gefertigt, dass weisses Gusseisen mit einem chemischen Zusammensetzungsbereich von hypo-eutektischem Roheisen heisser plastischer Verformung ausgesetzt wird, die dahingehend wirkt, dass weisse Gusseisenkugeln gebildet werden, und indem dann die Gusseic^nkugeln der vorerwähnten Hitzebehandlung ausgesetzt werden. Solche hervorragenden und bahnbrechenden Eigenschaften von erfindungsgemässen Eisenkugeln grosser Zähigkeit äs Eisenkugeln zum Mahlen wurden durch konventionelle Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften von Gusseisen bis heute noch nicht erzielt und sind bei bekannten Gussskugeln und Stahlkugeln noch nicht bekannt.

Die Bedingungen für die heisse Verformungsbearbeitung und die Hitzebehandlung sind wichtig für die Herstellung der erfindungsgemässen Eisenkugeln grosser Zähigkeit.

Das heisst, beim ersten Schritt bzw. bei der heissen plastischen Verformungsbearbeitung zur Herstellung erfindungsgemässer Eisenkugeln grosser Zähigkeit wird die Schmelze, deren chemische Zusammensetzung zur chemischen Zusammensetzung von hypo-eutektischem Roheisen gehört,

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Dipi.-Ing. Heinz Lessei, Palentanwalt D —8 München 81, Cosimostroße 81 - Telefone (JJ811) 95 JSi(L₄

in eine weisse Gusseisenstange einfachen Querschnittes wie z.B. eine runde Stange, mittels einer Sandform, einer metallischen Form, oder einer kontinuierlichen Gussmaschine gegossen, und nach dem Erhitzen wird die weisse Gusseisenstange heisser, plastischer Verformungsbearbeitung mittels eines Hammers, einer Frei-Schmiedemaschine, einer Druckschmiedemaschine oder einer Walzschmiedemaschine bei einer Temperatur von 900 C bis 1.120 C unterworfen, um die Kugeln aus dem weissen Gusseisen zu bilden.

Ein Gussblock hat gewöhnlich binäre Struktur, bestehend aus Austenit und eutektischem Zementit, oder eine ternäre Struktur bestehend aus Austenit, eutektischem Zementit, und eine sehr kleine Menge von ultrafeinem Graphit. Durch Anwendung der vorgenannten heissen, plastischen Verformungsbearbeitung wird das harte und spröde Zementit des Gusseisens, das eine Netzstruktur in asymmetrisch gegossenem Zustand aufweist, zerstört, geschnitten und verfeinert, um ein verformtes eutektisches Zementit zu bilden, das in der perlitischen Matrize der Gusseisenkugel einheitlich und konzentrischkugelförmig verteilt und angeordnet ist. Darüberhinaus können durch die heisse plastische Verformungsbearbeitung Pressfehler und andere Fehler in dem in unsymmetrisch gegeossenem Zustand gebildeten Gusseisen dahingehend abgeschwächt werden, dass sie keine schädliche Wirkung bzw. keinen schädlichen Einfluss auf. die Benutzung der erfindungsgemässen Eisenkugeln haben.

Dann werden die Gusseisenkugeln unter folgenden Bedingungen hitzebehandelt, um die hohe Zähigkeit gemäss der Erfindung zu erreichen. Das heisst, die Gusseisenkugeln, die durch die vorgenannten heisse plastische Verformung hergestellt wurden, werden durch Wasserkühlung, ölkühlung, Sprühkühlung, Luftgebläsekühlung oder Luftkühlung schnell gekühlt und danach in einem Temperaturbereich unter dem A .-Punkt des Gusseisens gemäss der gewünschten Härte ι der Eisenkugeln angelassen oder in einem Temperaturbereich von 150 C

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bis 25O°C geglüht. Durch die Hitzebehandlung können die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Eisenkugeln wesentlich verbessert werden und somitkönnen erfindungsgemässe! Eisenkugeln grosser Zähigkeit erhalten werden.

Um gewöhnlichen Stahlkugeln Abnutzungsbeständigkeit zu verleihen, wird im allgemeinen der Versuch gemacht, die Stahlkugeln nach dem Schmieden bzw. Walzschmieden einer Hitzebehandlung zu unterwerfen, wie dem Anlassen zur Erhöhung der Oberflächenhärte der Stahlkugeln. Jedoch ist die Tiefe der gehärteten Schicht dann sehr gering und somit ist es im Falle der Behandlung grosser Stahlkugeln schwierig, die Härte der Kugeln bis in das tiefste Innere zu erhöhen. Andererseits hat sich die Oberflächenhärte für Hartguss-Kugeln im allgemeinen verbessert, ohne dass eine Hitzebehandlung wie Abschrecken und Anlassen . angewandt wird, indem eine grosse Menge von Zementit hohen Härtegrades in der perlitischen Matrize der Kugel abgesetzt wird. Das Härtegefälle im Querschnitt der Hartgusskugeln ist geringer als bei Stahlkugeln, jedoch sind die Hartgusskugeln aufgrund der Netzstruktur des eutektischen Zementits oder des abgesetzten pro-eutektischen Zementits spröde.

Die erfindungsgemässen Eisenkugeln grosser Zähigkeit weisen jedoch die besondere Struktur auf, dass das eutektische Zementit mit Netzstruktur in unsymmetrisch gegossenem Zustand konzentrisch-kreisförmig, gleichmässig und fein überall in der Kugel verstreut und angeordnet ist durch Anwenden der vorgenannten heissen plastischen Bearbeitung und Hitzebehandlung.

Die besondere Struktur der erfindungsgemässen Eisenkugeln grosser Zähigkeit wird nachfolgend an Hand von Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:

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Fig. 1 eine graphische Darstellung der Querschnitts-

Härteverteilungen in einer bekannten hartgekühlten Kugel (A) und einer bekannten Stahlkugel (B) sowie die Darstellung der Härteverteilung einer Eisenkugel (C) grosser Zähigkeit gemäss der Erfindung,

Fig. 2

(a) eine Skizee gemäss einem Mikrobild, in der die Mikrostruktur einer bekannten Hartgusskugel gezeigt ist, und 2(b) ist eine Skizee gemäss einer Fotografie und stellt die Makro-Struktur des Querschnittes; der Hartgusskugel dar, und zwar durch den Mittelteil der Kugel,

Fig. 3

(a) eine Skizee gemäss einem Mikrobild und zeigt die

Mikro-Struktur einer bekannten Stahlkugel, und 3(b) ist eine Skizee gemäss einer Fotografie und zeigt die Makro-Struktur des Querschnittes der Stahlkugel, aufgenommen durch deren Mittelteil, und

Fig. 4

(a) eine Skizee gemäss einem Mikrobild und zeigt die Mikrostruktur einer erfindungsgemässen Eisenkugel grosser Zähigkeit, und 4(b) eine Skizee gemäss einer Fotografie und stellt die Makro-Struktur des Querschnittes, aufgenommen durch dessen Mittelteil.

In den obigen Figuren (a) beträgt die Vergrösserung der Skizzen des Mikrobildes 50 und die der Skizzen der Fotografien 1.

Wie in Fig. 1 dargestellt, geht aus der Querschnitts- Härteverteilung der erfindungsgemässen Eisenkugel grosser Zähigkeit hervor, dass das Härtegefälle der erfindungsgernässen Eisenkugel (C) grosser Festigkeit von deren Aussenfläche zur Mitte geringer ist als das Härtegefälle der bekannten hartgekühlten Kugel (A) , insbesondere als das der bekannten Stahlkugel (B).

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Die Unterschiede zwischen den im vorgenannten erfindungsgemässen Verfahren der Erfindung hergestellten erfindungsgemässen Eisenkugeln grosser Zähigkeit und den bekannten hartgekühlten Kugeln bzw. Stahlkugeln wird nachfolgend an Hand deren innerer Strukturen dargelegt.

Wie in Fig. 2(a) und Fig. 3(a) gezeigt, unterscheidet sich die mikroskopische Struktur der Hartgusskugel von der mikroskopischen Struktur der Stahlkugel, das heisst, die Abnutzungsbeständigkeit der Hartgusskugel ist grosser als die der Stahlkugel und zwar aufgrund des in der Hartgusskugel vorhandenen eutektischen Zementits (weisser Teil). Jedoch ist, wie aus Fig. 2(a), klar hervorgeht, der Zustand des in der Hartgusskugel abgesetzten eutektischen Zementits der "Netzzustand", der eine besondere Eigenschaft der Hartgusskugel ist, und somit ist die Hartgusskugel im wesentlichen spröde und weist eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen das Entstehen von Rissen aufgrund der Netzstruktur des eutektischen Zementitys auf. Folglich bilden leicht feine Risse die Oberfläche der Kugel, was oft unerwünschte Ermüdungsbrtiche erzeugt. Da die Hartgusskugeln, wie vorerwähnt, spröde sind, müssen sie, um hohe Zähigkeit zu bekommen, über einen längeren Zeitraum hitzebehandelt werden, damit das Perlit (schwarze Teile) granuliert werden und gleichzeitig die aus dem eutektischen Zementit und pro-eutektisehen Zementit-gruppen (Weisse Teile) bestehende Netzstruktur durch Schneiden der Netzstruktur kugelförmig zu gestalten. Allerdings ist es selbst bei Anwendung einer derartigen Hitzebehandlung verhältnismässig schwierig, die Struktur des eutektischen Zementits in unsymmetrisch-gegossenem Zustand wesentlich zu ändern und daher sind die hartgekühlten Kugeln, verglichen mit den Stahlkugeln, unvermeidbar spröde.

Auch ist, wie deutlich aus den Skizzen der Makro-Fotografien der Querschnitte der Kugeln durch die Mittelteile gemäss Fig. 2(b) und Fig. 3(b) hervorgeht, die gehärtete Oberschicht (weisse Schicht) der Kugel, die durch Abschrecken gebildet ist

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dementsprechend dünn und obwohl die Stahlkugeln zu Beginn des Mahlens bei Verwendung der Kugeln eine hohe Abnutzungsbeständigkeit zeigen können, nimmt ihre Abnutzungsbeständigkeit mit zunehmender Benutzung wesentlich ab. Andererseits lässt sich bei den Hartgusskugeln die Richtung der Erstarrungsstruktur deutlich in Richtung des Angusses (Giesskopfes) erkennen, wie in Fig. 2 (b) gezeigt. Das heisst die in Fig. 2(b) dargestellte nach oben verlaufende Richtung ist die Richtung des Angusses, und da die Dendritstruktur konvergierende zum Anguss entwickelt ist, wird die Qualität des Materials jedes Teiles im Inneren der hartgekühlten Kugel unvermeidlich ungleichmässig.

Die Fig. 4(a) und (b) zeigen die Skizze der mikroskopischen Struktur der erfindungsgemässen Eisenkugel grosser Zähigkeit bzw. die Skizze der makroskopischen Struktur des Querschnittes derselben Kugel durch den Mittelteil hindurc Die chemische Zusammensetzung der Eisenkugel ist in Beispiel 1 der Tabelle 1 dargestellt, in der Druckfestigkeit, Oberflächenhärte und Abnutzungsbeständigkeit von vier Beispielen der erfindungsgemässen Eisenkugeln grosser Zähigkeit sowie diechemischen Zusammensetzungen der Kugeln gezeigt sind. Des^Vergleiches halber sind dieselben Werte bei der bekannten hartgekühlten Kugel und der Stahlkugel angegeben. Wie in Fig. 4(a) und (b) dargestellt, weist die erfindungsgemässe Eisenkugel grosser Zähigkeit eine ganz besondere Struktur auf, indem das feine verteilte eutektische Zementit (weisse Flecken), das durch die vorerwähnte heiese Bearbeitung gebildet wurde, gleichmässig in der durch vorgenannten Hitzebehandlung gebildeten zähen perlitischen Matrize (schwarze Teile) verstreut und angeordnet ist. Die weissen Flecken in Fig. 4(b) zeigen das fein verteilte eutektische Zementit.

Wie bereits erwähnt, sind die Ergebnisse von Druckfestigkeitsund Haltbarkeitstests von erfindungsgemässen Eisenkugeln und der bekannten hartgekühlten Kugel und der Stahlkugel

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in der Tabelle 1 dargelegt. Die Druckfestigkeitstests wurden gemäss dem Druckfestigkeitstest von JIS B-1501, 9,3. durchgeführt, und der Haltbarkeitstest wurde durch Belastung von Testbällen mit einem Durchmesser von 45 mm in einer Kugelmühle durchgeführt, die 100 kg Silikonkarbidteilchen einer Siebweite 60 enthielt. Die Mühle lief mit 28 Umdrehungen per Minute 55 Stunden lang um, und dann wurde der mittlere Abnutzungsverlust (Reibungs-Abnutzungsverlust) gemessen.

Wie aus den bei den Druckfestigkeits- und Haltbarkeitstests gemäss Tabelle 1 erzielten Ergebnissen deutlich zu erkennen ist, ist die Kaltbildsamkeit der erfindungsgemässen Eisenkugeln grosser Zähigkeit 3,6 bis 4,0 mal so gross wie die der hartgekühlten Kugel und 1,4 bis 1,6 mal so gross wie die der Stahlkugel und somit ausgezeichnet. Auch weisen die erfindungsgemässen Eisenkugeln grosser Festigkeit ausserordentliche Haltbarkeit auf, die 1.2 bis 2,7 mal so hoch ist wie die der Hartgusskugel und 2,1 bis 3,9 mal so hoch wie die der Stahlkugel.

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Tabelle 1

Seispiele	Ex 1 Ex 2 Ξχ 3 Ξχ 4	Chemische Zusammensetzung '	C	Si	Kn	Cr	!.To	V	0.06 0.04 2.25 1.66	Π	^Ti ·' ■ andere	I	im wesentli- „ chen Il Il	Druck festigkeit '(45*rajrf«>t	JHaltbarkeits ObarflächenHverhalcnis	Stahlkugeln
Eisen-: kagel hoher Zähig keit	Hartguß kugel	5.15 3.10 3.08 2.74-	0.6S 0.60 0.64 C. 58	C. 70 0.59 0.8S 0.59	1.10 1.15 1.65 1.07	0.96 0.31 0.32	0.007 0.006 0.C04 0.003	0.10	0.012 0.010 0.011 0.043	0.005 0.006 •o.eoE 0.050	It	fcPO 69.7 72.5 70.3	, hörte	P7ö 50.5 25.3 4S.6
Stahlkugel	5.15	0.45	0.51	2.03	-	0.C07	0.09	0.010	-	Il	13.2	50 51 55 51	65.C
0.40	0.30	0.72	0.09	-	0.C08	0.013	44.5	47	100.0 !
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Darüberhinaus waren die erfindungsgemässen Eisenkugeln grosser Zähigkeit, die in obigen Tests verwendet wurden und in obiger Tabelle als Beispiele 1 bis 4 gezeigt sind, auf folgende Art und Weise hergestellt. Die die in der Tabelle dargestellte chemische Zusammensetzung aufweisende Schmelze wurde in einem Fünf-Tonnen Niederfrequenz-Induktionsofen geschmolzen und mittels einer horizontal angeordneten kontinuierlich arbeitenden Gussmaschine, die einen elektrisch beheizbaren Ein-Tonnen-Hitzehaltofen aufweist, in eine runde Stange mit Durchmesser von 32 mm gegossen. Die so hergestellte Gusseisenstange wurde in einen kontinuierlich beheizten Schwingbalkenofen mit 1O8O°C eingeführt. Dann wurden aus der runden Stange von 32 mm Durchmesser Gusseisenkugeln mit einem Durchmesser von 45 mm mittels einer Druckschmiedemaschine bei 1O5O°C gebildet. Die gegossenen Eisenkugeln wurden sofort einer ölkühlung unterworfen und dann 3 Stunden lang bei 25O°C in einem Glühofen geglüht, um Eisenkugeln grosser Zähigkeit gemäss der Erfindung zu bilden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Eisenkugeln hoher Zähigkeit für Feinmahl-Zwecke, bestehend aus weissem Gusseisen mit feiner eutektischer Zementitstruktur, die durch Zerstören der Netzstruktur des eutektischen Zementits in unsymmetrisch gegossenem Zustand gebildet ist, wobei das feine eutektische Zementit in der gesamten Kugel konzentrisch-kugelförmig und gleichmässig verstreut angeordnet ist.

Verfahren zur Herstellung von Eisenkugeln grosser Zähigkeit,

dadurch gekennzeichnet, dass hypo-eutektisches Roheisen in eine weisse Gusseisen-Stange gegossen wird, die weisse Gusseiseffitange nach ihrem Erhitzen einer heissen plastischen Verformungsbearbeitung bei einer Temperatur von 900°C bis 1,125°C zurBildung von weissen Gusseisenkugeln unterworfen wird, deren Struktur darin besteht, dass das fein zerstörte eutektische Zementit konzentrisch-kugelförmig und gleichmässig in der perlitischen Matrize der Kugel verteilt und angeordnet ist, wodurch ein schnelles Kühlen der Kugeln und dann ein Tempern der Kugeln bei einer Temperatur

unter dem A .-Punkt des Gusseisens oder Glühen der Kugeln ei

beieiner Temperatur von 150 C bis 250 C bewirkt wird.

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