DE2310316B2

DE2310316B2 - Verfahren zur Herstellung von gußeisernen Mahlkugeln

Info

Publication number: DE2310316B2
Application number: DE2310316A
Authority: DE
Inventors: Yuichiro Toyama Sato (Japan)
Original assignee: Taiheiyo Kinzoku KK
Current assignee: Pacific Steel Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1972-03-06
Filing date: 1973-03-01
Publication date: 1975-03-13
Also published as: GB1419852A; DE2310316C3; JPS5021414B2; BR7301648D0; AU5261073A; IT981050B; US3844844A; FR2174969B1; ZM3673A1; DE2310316A1; JPS4890914A; CA991888A; FR2174969A1; AU464833B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Mahlkugeln aus untereutektischem weißem Gußeisen, die ein Gefüge aus feinzerteiltem, nicht netzartigem eutektischem Zementit in einer perlitischen Matrix der gleichmaßig und konzentrisch rund in den Kugeln verteilt ist, aufweisen. Als Mahlkugeln dienten bisher Hartgußkugeln, die durch Gießen in Sandformen oder in Metallformen gefertigt wurden, oder Stahlkugeln, die durch Pressen oder Walzen hergestellt wurden. Die Gußeisenkugeln, die zwar eine hohe Abnutzungsbesländigkeit aufweisen, besitzen jedoch keine ausreichende Zähigkeit und werden daher während des Gebrauches leicht zerbrochen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für die Herstellung von Mahlkugeln aus untereutektischem weißem Gußeisen, die ein Gefüge aus reinzerteiltem, nicht netzartigem euiektischcm Zementit in einer Matrix gleichmäßig und konzentrisch in der Kugel verteilt, aufweisen, ein Verfahren zu linden, das es ermöglicht. Mahlkugeln herzustellen, die in Hinblick auf erliöhle Zähigkeit. Kaltbildsamkcit. Abnutzungsbeständigkeit. Warm- bzw. Hitzebeständigkeit, den Haitguß- und Stahlkugeln überlegen sind. Das Verfahren besteht nun darin, daß eine aus einer untereulektischen Eisenschmelze gegossene weiß erstarrte Gußeisenstange nach Wiedererhitzen bei 900 bis 1125 C zu Kugeln warmverformt wird, worauf diese abgeschreckt und bei Temperaturen unterhalb des Ac₁ -Punktes des Gußeisens angelassen oder bei Temperaturen zwischen 150 und 250 C geglüht werden.

Bei der Warmverformung wird die NctzstrukUir des harten und spröden Zcmentits des Gußeisens im gegossenen Zustand zerstört und verfeinert, so daß der Zementit in der perlilischen Matrix der Gußeiscnkugeln gleichmäßig und konzentrisch rund in der Kugel verteilt ist. Durch die Warmverformung können Seigerungen und andere Fehler im Gußnisüind dahin abgeschwächt werden, daß sie keinen schädlichen Einfluß auf die Eigcnschalicn der Mahlkugeln haben, Die nach der Warmverformung sich anschließenden Nachbehandlungen, wie Glühen. Abschrecken in Wasser, öl. oder Luft und Anlassen unterhalb des Ac₁-Punktes dienen zu Verbesserung der mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Mahlkugeln, insbesondere zum Erhalt großer Zähigkeit.

Für gewöhnliche Stahlkugel hat man das Anlassen nach dem Schmieden zwar schon versucht. Hier dient das Anlassen dazu, eine Erhöhung der Oberflachenhärte zu erzielen.

Weißes Gußeisen ist in gegossenem Zustand gewöhnlich spröde und enthält oft Seigerungen und innere Fehler 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 warmebehandelt wird um seine Gußstruktur zu ändern, und ein Verfahren bei dem Magnesium, Kalzium oder ein annlich wirkendes Legierungsmittel zu dem weißen Gußeisen hinzugefügt werden, um den Graphit dann auszuscheiden und weiterhin die Struktur des Graphits in eine kugel- oder spindelförmige umzuwandeln.

Da»eeen werden bei der vorhegenden Erfindung die zähe"n kaltbildsamen, abnutzungsbeständig^! und hitzebeständigen Eisenkugeln dadurch gefertigt, daß weißes Gußeisen mit einer chemischen Zusammensetzung von hypoeutektischem Roheisen warmverformt wird und dann die Gußeisenkugdn der vorerwärmten Wärmebehandlung ausgesetzt werden. Solche hervorragenden Eigenschaften wie sie die eriindufigsgemäßen Eisenkugeln als Mahlkugeln aufweisen, wurden durch konventionelle Verfahren zur Verbesserung der Einenschaften von Gußeisen bis heute noch nicht erzielt und sind bei üblichen Mahlkueeln .us Gußeisen und Stahl noch nicht bekannt.

Die Bedingungen für die Warmverformung und die Wärmebehandlung sind wichtig für die Herstellung der erfindungsgemäßen Mahlkugeln mit großer Zähigkeit. , . ,

Zunächst wird die Schmelze, deren chemische Zusammensetzung die eines hypoeutektischen Roheisens ist. zu einer weiß erstarrenden Gußeisenstange einfachen Querschnitts, z. B. in einer Sandform, einer metallischen Form oder einer kontinuierlichen Gußmaschine gegossen. Nach dem Erhitzen wird die weiß erstarrte Gußeisenstange mittels eines Hammers, einer Freiformschmiedepresse, einer Schmiedcgcscnkpresse oder einer Schmiedewalze bei einer Temperatur von 900 bis 1125 C zu kugeln warmverformt.

Ein Gußblock hat gewöhnlich binäre Struktur, bestehend aus Auslenit und eutektischem Zcmentit. oder eine ternäre Struktur, bestehend aus Austenii. eutektische™ Zementit. und eine sehr kleine Menge von ultrafeinem Graphit. Durch Anwendung der voi·- uenannten Warmverformung wird die Netzsiruktur des harten, spröden Zcmcntil des Gußeisens im Gußzustand zerstört, zerteilt und verfeinert, so daß der Zementit in der perlilischen Matrix der Gußeiscnkugel gleichmäßig und konzentrisch kugelförmig verteilt und angeordnet ist. Darüber hinaus können duich die Warmverformung Seigerungen und andere Fehler im Gußzustand des Gußeisens dahingehend abgeschwächt werden, daß sie keine schädliche Wirkung und die Haltbarkeit der erfindungsgemäß beigestellten Eisenkugeln haben.

Dann werden die Gußeisenkugeln unter folgenden Bedingungen wärmebehandcU. um die hohe Zähigkeit gemäß der Erfindung zu erreichen: Die Gußkugeln werden durch Wasserkühlung, ölkühlung. Sprühkühlung. Luftgcbläsekühlung oder Luftkühlung abgeschreckt und danach in einem Temperaturbereich unter dem Ac₁-PuHkI des Gußeisens gemäß der gewünschten Härte der Eisenkugeln angelassen oder in einem Temperaturbereich von 150 bis 250 C geglüht.

Purch die Wärmebehandlung können die inechanischen und physikalischen Eigenschaften der Eisenlcugeln wesentlich verbessert werden.

Um gewöhnlichen Stahlkugeln Abnutzungsbestän- digkeit zu verleihen, werden sie im allgemeinen nach dem Schmieden bzw. Walzschmieden zur Erhöhung der Oberflächenhärte geglüht und angelassen. Jedoch jst die Tiefe der gehärteten Schicht dann sehr gering. isnd im Falle großer Stahlkugeln ist es schwierig, die Kugeln durchzuhärten. Andererseits hm sich die Oberflächenhärte Tür Hartgußkugeln im allgemeinen verbessert, ohne daß eine Wärmebehandlung mit Abschrecken und Anlassen angewandt wird, indem eine große Menge von Zementit in der perlitischen Matrix der Kugel ausgeschieden wird. Das lläriegefälle im Querschnitt der Hartgußkugeln ist geringer als bei Stahlkugeln, jedoch sind die HartguÜkugeln auf Grund der Netzsiruktur des eutektische!! Zementits spröde.

Die besondere Struktur der erfindungsgemäß hergestellten Mahlkugel)! wird nachfolgend cn Hand von Zeichnungen dargestellt.

Es zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung der Querschnitts-Härteverteilungen in einer bekannten Hartguß-Kugel (A), einer bekannten Stahlkugel (Bl sowie einer Eisenkugel (C) gemäß der Erfindung.

Fig. 2 (a) eine Skizze gemäß einem Mikrobild. in der die Mikroslruktur einer bekannten Hartgußkugel gezeigt ist, und 2(b) eine Skizze gemäß einer Fotografie, sie stellt die Makro-Struktur des minieren Querschnitts der Hartgußkugeln dar,

F i g. 3 (a) eine Skizze gemäß einem Mikrobild von der Mikro-Struktur einer bekannten Stahlkugel und 3(b) eine Skizze gemäß einer Fotografie von der Makro-Struktur des Querschnitts der Stahlkugel in der Mitte,

F i g. 4 (a) eine Skizze gemäß einem Mikrobild von der Mikro-Struktur einer erfindungsgemäßen Eisenkugel und 4(b) eine Skizze gemäß einer Fotografie der Makro-S'.ruklur des mittleren Querschnitts.

In den obigen Figuren (a) ist die Vergrößerung des Bildes 50 und in den Skizzen (b) der Fotografien 1.

Die F i g. 1 zeigt, daß die Querschniltshärteserteiiung der erfindungsgemäß hergestellten Eisenkugel (C) gleichmäßiger ist als die der bekannten I larlguß-Kugel (A) mal der bekannten Stahlkugel (B).

Die Unterschiede zwischen den erfindungsgemäß hergestellten Eisenkugeln und den bekannten Hartouß-Kugeln bzw. Stahlkugeln werden nachfolgend erklärt.

Wie in Fig. 2(a) und F i g. 3 Ia) gezeigt, unterscheidet sich die mikroskopische Struktur der Harlgußkugeln wegen des vorhandenen eutektische!! Zementits von der der Stahlkugeln, deshalb ist die Abnutzungsbeständigkeit der Harlgußkugel größer als die der Stahlkugel. Jedoch ist. wie aus F i g. 2 (a) hervorgeht, der in der Hartgußkugel abgeset/ie eutektische Zemcnlit netzförmig angeordnet, was eine besondere Eigenschaft der Hartgußkugel ist. Dadurch ist die Hartgußkugel spröde und weist eine geringe Widerstandsfähigkeit neuen das Entstehen von Rissen auf.

Folglich bilden sich leicht feine Oberllächenrisse an der Kugel aus, was zu unerwünschten Ermüdungsbrüchen fuhrt. Die spröden Harlgußkugeln müssen. um hohe Zähigkeit zu bekommen, über einen längeren Zeitraum wärmcbehandelt werden, um ein Cielüge aus körnigem und eutektischem Zementit zu gestalten. Allerdings ist es selbst bei Anwendung einer derartigen Wärmebehandlung schwierig, die Struktur des eutektischen Zementits aus dem gegossenen Zustand w esent-

lieh zu ändern. Daher sind die Hartguß-Kugeln.

\erulichen mit den Stahlkugeln, unvermeidbar spröde.

Auch ist, wie deutlich aus den Skizzen der Makro-

iouigrafien \on den Querschnitten der Kugeln gemäß I" i u. 2(b) und Fig. 3Ib) hervorgehl, die gehärtete

ίο Überflächenschicht der Kugel dünn, und obwohl die Stahlkugel zu Beginn ihrer Verwendung eine hohe Abnui/ubeständigkeit zeigen können, nimmt diese mit zunehmender Benutzungsdauer wesentlich ab. Außerdem läßt sich bei den Hartgußkugeln eine Ersiarriingsstruktur deutlich in Richtung des Angusses erkennen, wie in F i g. 2 (b) gezeigt. So ist die in Fig. 2(b) dargestellte nach oben verlaufende Richtung die des Angusses. Dadurch wird die Qualität des Materials jedes Teiles im Inneren der Hartguß-Kugel unvermeidlich ungleichmäßig.

Die Fig. 4(a) und (b) zeigen die mikroskopische Struktur der eriindungsgeniäß hergestellten Eisenkugel bzw. die makroskopische Struktur derselben Kugel im Mittelteil. Die chemische Zusammensetzung der Eisenkugel ist im Beispiel 1 der Tabelle dargestellt, die außerdem Werte der Druckfestigkeit. Oberflächenhärte und Abnulzungsbeständigkeil von vier Beispielen der erfindungsgemäß hergestellten Eisenkugeln sowie die chemische Zusammensetzungen dieser Kugeln enthält. Zum Vergleich sind dieselben Werte der bekannten Hartguß-Kugel und der Stahlkugel angegeben. Wie in Fig. 4(a) und (b) dargestellt, weist die erfindungsgemäß hergestellte Eisenkugel eine besondere Struktur auf. in der der feinverteilte eutektische Zementit (weiß) gleichmäßig in der zähen perlitischen Matrix (schwarz) verstreut angeordnet ist. Die weißen Flecken in Fig. 4 Ib) zeigen den feinverteillcn eutektische!! Zementit.

Die Ergebnisse von Druckfestigkeits- und HaItbarkeilstcsts von erfindungsgemäß hergestellten Eisenkugeln und der bekannten Hartguß-Kugel und der Stahlkugel sind in der Tabelle dargelegt. Die Haltbarkeit wurde durch Belastung von Teslkugeln nut einem Durchmesser von 45 111111 in einer Kugelmühle durchgerührt, die 100 kg Siliciumkarhidleilchen von 60 Maschen enthielt. Die Mühle lief 55 Stunden lang mit 2.S Umdrehungen pro Minute. Dann wurde der mittelcre Abnutzungsverlust gemessen.

Wie aus den bei den Druckfestigkeils- und HaIt-

5c barkeilstests gemäß der Tabelle erzielten Ergebnissen deutlich zu erkennen ist. ist die Druckfestigkeit der erfindungsgeniäßen Eisciikugcln 3.0- bis 4.0mal so groß wie die der Hartguß-Kugel und 1.4- bis l.ftmal so groß wie die der Stahlkugel und somit ausgezeichnet.

Auch weisen die erfindungsgemäß hergestellten Eisenkugeln außerordentliche Haltbarkeit auf. die 1.2- bis 2.7mal so hoch ist wie die der 1 lariguiikugel und 2.1-bis 3.9mal so hoch wie die der Stahlkugel.

Die erfindungsgemäß hergestellten Eisenkugeln (in obiger Tabelle Beispiele 1 bis 4) wurden mit der in der Tabelle dargestellten chemischen Zusammensetzung m einem 5-t-NiedeiTrequenz-Induklionsofen erschmolzen und mittels einer horizontal angeordneten kontinuierlich arbeitenden Ciußmascliinc. die einen elektrisch behei/.baren l-l-Warmhalleofen aufwies, in eine runde Stange mit Durchmesser von 32 mm gegossen. Die so hergestellte (iußeisenstange wurde in einem kontinuierlich beheizten Schwingbalkenofen

it 1080 C erhitzt. Dann wurden aus dieser runden ange bei 1050 C Gußeisenkugeln mit einem Durchesser von 45 mm mittels einer Schmiedepresse geformt. Die geschmiedeten Eisenkugeln wurden sofort in öl abgeschreckt und dann 3 Stunden lang bei C geglüht.

Beispiele

irlindungsgcmüß

icrgcstellte

^:.iscnkugel

HartguUkugel.
Stahlkugel . .

C	Si	Mn.	I Cr
3.15	0.6K	0.70	1.10
3.10	0.6(1	0.59	1.15
3.0S	0.64	0.8S	1.05
:.74	0.5 S	0.59	1.07
3.15	0.45	0.51	2.03
0.40	0.30	0.7:

Chemische Zusammensetzung

Mo

(UH)4
0.003
0.007
O.OOS

0.04
2.25
1.66
0.10
(UW

ΛΙ

0.012

0.010
0.011
0.043
0.010
0.013

0.005

0.005
0.(K)S
0.050

andere

im

WCSClU

liehen

Ie

desgl.

	Obcf-
Druck-	ächen-
estigkeit	tiärte
Kugcl-	Kugel
durch-	durch
messer.	messer.
45 mm	^r5 mm
Durch	iurch-
messer	messer
*15**	(H _Bt]
65. >	50
69.7	51
72.5	53
70.3	51
16.2	47
44.5	42

Haltbarkeits- verhältnis gegenüber Stahlkugcln

50. S 25.3 4K.6 6S.0 HK) .0

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von Mahlkugeln aus lähem untereutektischem weißem Gußeisen, die ♦in Gefüge aus fein zerteiltem nicht netzwerk- »rtigem, eutektischem Zementit in einer perliti- $chen Matrix, gleichmäßig und konzentrisch rund in der gesamten Kugel verteilt aufweisen, dar «lurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen 3EU weiß erstarrenden Stangen vergossen wird, die nach Wiedererhitzen bei 900 bis 1125 C zu Kugeln warmverformt, abgeschreckt und bei Temperaturen Unterhalb des Ac₁-Punktes des Gußeisens angelassen oder bei Temperaturen zu ischen 150 und 250 C geglüht werden.