DE2334992A1 - Legiertes gusseisen mit kugelgraphit - Google Patents
Legiertes gusseisen mit kugelgraphitInfo
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Description
Tinniand
Legiertes Gusseisen nit Kugelgraphit
Die vorliegende Erfindung betrifft mit Molybdän und rangan Ieliertes
Gusseisen mit Kugelgraphit, welches nach einer isothenaischen
Y/ärm^behandlung ein bainitisches Mikrogefüge mit beträchtlichem
Rest-Austenit aufweist.
Gusseisen mit Kugelgraphit wird im allgemeinen in unlegierter Form und in auf verschiedene V/oise legierter Form u.a. mit ferritischem,
ferritisch-perlitischein, perlitischem, anlassmartensitischem
und bainitischera Mikrogefüge verwendet.
Als wesentlichstes Gharakteristikum des erfindungsgemäcsen Gusseisens
mit Kugelgraphit ist die Bainitität seines Mikrogefüges anzusehen.
Man kennt bereits ein Bainitisierungsverfahren' für Gusseisen mit
Kugelgraphit, bei welchem in ziemlich hochlegiertem Gusseisen mit Kugelgraphit direkt im Zusammenhang mit der nach dem Giessen erfolgenden
Abkühlung eine Bainitreaktion verursacht wird. Ein solches Gusseisen mit Kugelgraphit ist in der US-Patentanmeldung Hr. 682985
und in der BRD-Patentanmeldung Nr. 1808515 angeführt. In Abbildung
1 ist ein Beispiel eines solchen Gusseisens mit Kugelgraphit geseig"
Die S-Kurven sind im Zeit-Temperatur-Koordinatensystem voll ausgezogen,
die die Abkühlung des Gussstückes wiedergebende Kurve ist gestrichelt
dargestellt. Die fJ-Kurven haben sich durch die Wirkung
der Zusätze (Legierungszusätze) von der Stelle, wo sie bei unlegier*
tem Gusseisen mit Kugelgraphit liegen wurden, beträchtlich nach
rechts verschoben, so dass dank dem reichlichen Legieren im Zusammei
hang mit dem Abkühlen Bainit entsteht. Als Zusatz dienen neben T.Iolybdän
reichliche Kengen iTickel (3,3 bis 7»0 ^). Durch diese Vor- :
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fahrensweise wird ein bainixisches Miirrcgefüge auch in starkwandigen
Gegenstanden bewirkt; als Ilachteile müssen jedoch der durch day
starke Legieren bedingte höhere Preis und vor allem der Unis tan 1, dan
das ,Mischungsverhältnis je nach V/and stärke für jedes Guosteil getrennt
bestimmt werden muca, angeführt werden.
'Man kennt ferner ein Bainitisierungsverfahren, bei dein die aus
nichtlegiertem Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellten Gussteile
einer isothermischen T"ärmebehändlung unterzogen werden. Bei dieser
V/ärmebehandlung wird das Gussteil nach dem Giessen erneut auf Austenitisierungstemperatur
erwärmt und danach in einem Heicsbad passender Temperatur rasch gekühlt. Das Gussteil wird so lange im 3ad und
unter konstanter Temperatur gehalten, bis die Bainitreaktion abgelaufen
ist, danach erfolgt ein Kühlen auf Zimmertemperatur. Abbildung 2 zeigt die dieses Verfahren repräsentierenden S-Kurven als zusammenhängende
Linie und die Abkühlungskurve als gestrichelte Linie in einem Zeit-Temperatur-Koordinatensystem. Mit diesem Verfahren
lässt sich ohne teuren Zusätze Gusseisen mit Kugelgraphit von bainitischein
Hikrogefüge herstellen. Allerdings ist das bei dienern Verfahren notwendige rasche Abkühlen nur bei dünnwandigen Gussteilen
möglich; die grösste noch angehende liaterialdicke liegt bei etwa
20 mm.
Das erfindungsgemässe Gusseisen mit Kugelgraphit und sein 3ainitisierungsverfahren
eignen sich sowohl für dickwandige als auch für dünnwandige Gussteile. V/eiter ist bei diesem Verfahren auch
nicht erforderlich, das Mischungsverhältnis (Legierungsverhältnis)
der jeweiligen V/andstärke der Gussteile anzupassen. Das erfindungsgemässe
Gusseisen mit Kugelgraphit ist ziemlich schwach legiert, d. h. die Zuschläge haben keine wesentliche Preiserhöhung zur Folge.
Weiter verleiht der zusätzlich zum Bainit in diesem Gusseisen mit Kugelgraphit befindliche Rest-Austenit letzteren^ und Bewirkt im Zusammenhang
mit der Bearbeitung eine Verfestigung desselben. Die in Zusammenhang mit der Bearbeitung verursachte Verfestigung verursacht
in der Oberfläche eine Druckspannung und erhöht dadurch die Ermüdungsfestigkeit.
Dieser V/erkstoff weist "ferner eine grosse Bruchdehnung
auf.
Das erfindungsgemässe Gusseisen mit Kugelgraphit weist die herkömmlichen
Mengen an Kohlenstoff, Silizium, Phosphor, Schwefel und Magnesium sowie als eigentliche legierungszus^tze 0,10-0,2617S, mit
Vorteil jedoch 0,15-0,22 Ά Molybdän sowie 0,3-1,4 fi Hangen auf. Derart
legiertes Gusseisen mit Kugelgraphit eignet sich bereits zun
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isothermischen Bainit j eier en. vili-d der Legierung noch 0p3-0,02 3
Zinn, 0,3-1,0 % Kupfer oder 0,5-2,5 % Uickel zugesetzt, so erhält
das Gussteil im Zusammenhang mit dem Giessen ein perlitisches Kri-3tallgefüge, das, erneut auf Austenitisierungstemperatur erwärmt,
bedeutend schneller austenitisiert wird als ein freien Ferrit enthaltendes
Kristallgefüge, so dass sich eine kürzere V/ärmebehandlungr
dauer ergibt. Zinn, Kupfer und ITickel haben bezüglich der Perlitbildung
die gleiche Wirkung, so dasa diese Metalle völlig oder teilweise durcheinander ersetzt werden können; Eine Möglichkeit besteht
zum Beispiel darin, von jedem dieser Metalle ein Drittel zuzusetzen.
Das erfindungsgemässe Gussteil aus Gusseisen mit Kugelgraphit
wird z.B. jfolgendermassen hergestellt:
Aus flüseigem Metall (Schmelze), welches als Zusätze 3»5-3f7 f>
Kohlenstoff (C), 2,1-2,4 % Silizium (Si), 0,50-0,55 % Mangan (Mn)
0,2-0,22 % Molybdän (Ko) und 0,7-0,8 % Kupfer (Ou) und die übliche
Magnesiummenge enthält, wird ein scheibenförmiger Rohling (Formling) von 150 mm Durchmesser und 50 mm Dicke gegossen. Diesen Rohling
lässt man entweder frei abkühlen oder führt ihn in noch heissem
Zustand der weiteren Behandlung zu. Der Rohling wird in einen Wärmebehandlungsofen von 9000C gebracht, wo er ein austenitisches
Mlkrogefüge erhält. Hach zweistündiger Austenitisierung wird der
Rohling in einem Bad von 37O0C abgekühlt. Das Bad hat einen Masse
von 200 kg und enthält 1 Teil Natriumnitrit (NaNO2) und 1 Teil
Kaliumnitrat (KKO-). Das Bad ist mit einem Rührwerk sowie mit thermostatgesteuerter
Heizung und Kühlung ausgestattet. Der Rrobekörper wird je nachdem, wieviel Bainit er enthalten soll, ssehn Minuten
bis vier Stunden im Bad gehalten. Nach dem Herausnehmen aus den Bad lässt man den Rohling frei abkühlen} danach enthält dieser z.B.
ca. 50 Volumenprozent Bainit, ca. 40 Volumenprozent Austenit und
ca. 10 Volumenprozent Graphit. Die geeignete Menge an Rest-Austennit
beträgt 20 bis 50 Volumenprozent. Gusseisen mit Kugelgraphit mit geringerem Austenitgehalt iat nicht durch Bearbeitung verfestigbar;
ein höherer Austenitgehalt wiederum führt zu einer zu geringen Festigkeit.
Die isothermische Wärmebehandlung des erfindungsgemäsBen Guss-,
eisens mit Kugelgraphit ist in Abbildung 3 in einem Zeit-Temperatur-Koordinatensystem
dargestellt. Die S-ICurven des Gusseisens mit Kugelgraphit Bind voll ausgezogen; die gestrichelte Linie zeigt ein
Stüek der At&ühlungskurve. ■..--
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Der aus erfindungsgemäec legiertem Gusseisen mit Kugelgraphit gc
gossene, isothernisch bainitisierte Hohling weist eine sehr gleichmassige
Beschaffenheit auf und eignet sich für spanabhebende Bear-^
beitung. Zugversuche ergaben bei einer Zugfestigkeit von 110 kp/mra
eine Bruchdehnung von 10 % - ein beachtlich hoher Wert, verglichen
an hochlegiertem bainitischen Gusseisen mit Kugelgraphit oder
oder vergütetem Gusseisen mit Kugelgraphit gleicher Festigkeitc
Die Bruchfestigkeit und die Bruchdehnungswerte einiger bainitischen Gusseisen mit einem erfindungsgeraässen Legierungsverhältnis sind folgende:
Sn Bruchfestigkeit Dehnung % kp/mnr %
| 1 | o, | 10 | o, | 3 | 0 | 5 | 0 | ,7 | 0 | 101» | 8, | 7 |
| 2 | 0, | 18 | 0, | 8 | 0 | 0 | 0 | 110 | 9, | 6 | ||
| 3 | o, | 26 | 1, | H | 2, | 0 | 0 | 107 | 7, | 0 | ||
Falls die MoIybdanmenge 0,10 % untersteigt, wird die Bainitieierung nicht mit Erfolg geschehen, und wenn die Menge 0,26 %
übersteigt wird die Karbidbildung zunehmen und der Preis steigen.
Falls die Manganmenge 1,4 % übersteigt, nimmt die Gefahr von
Karbidbildung zu und wird sich die Bainitisierungszeit verlängern.
Falls die Nickelmenge 2,5 % übersteigt ist der Preis unbegründet hoch.
Der Rest-Austenit des erfindungsgemässen Gusseisens mit Kugelgraphit verleiht diesem Verfestigungseigenschaften und macht es damit sehr widerstandsfähig gegen ermüdend wirkende Belastungen. Ein
Biegeennüdungsversuch mit mit einem glatten, gedrehten 12-mm-Probestab liefert einen, an anderen Gusseisenarten mit Kugelgraphit
verglichen, grossen Wert, nämlich 50 kp/mm . Ein Biegeermüdungsversuch mit einem gekerbten 12-mm-Stab, welcher eine angedrehte
Nut, 60°, Boden-Rundungsradius 0,1 mm, aufweist, ergibt 40 kp/mm , also einen sogar an Stahl verglichen hohen Wert. Das Verhältnis aus
den Werten, welche Ermüdungsversuche mit dem gleich Gusseisen mit Kugelgraphit lieferten, nämlich aus dem mit glattem Stab erhaltenen
Wert 50 kp/mm und dem mit gekerbtem Stab erhaltenen Wert 40 kp/mm?
beträgt 1,25, d.h. die Kerbwirkungszahl ist ausserordentlich klein.
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Wälzermüdungsversuclie mit erfind ungsgemärr".1 em Gusseisen mit Kugelgraphit
liefern folgende Werte. Das für diesen Versuch verwendete Gusseisen mit Kugelgraphit hatte folgende Zusammensetzung: 3»66 ^ C,
2,24 3 Si, 0,54 % Mn, 0,22 % IJo, 0,78 % Cu, 0,02 $ P und
0,008 fo S. Die Wärmebehandlung erfolgte in der Form, dass das ?.Tikrogefüge
zu ca. 53 Volumenprozent aus Bainit, zu ca. 37 Volumenprozent aus Austenit und zu caD Volumenprozent aus Graphit bestand. Im
Wälzermüdungsversuch wurde der Hertz'sehe Flächendruck bestimmt, dei
mit den in DIlT 3990 Bl 9, angeführten Werten vergleichbar ist. Die Versuchsräder wurden gefräst; Modul»3»5» Zahnanzahl= 33»
gungswinkel = 15°, Breite = 45 mm. Das Gegenrad wurde aus Tinsatzstahl
( DIlI 17210, 15 CrlTi6) hergestellt, aufgekohlt, auf eine Härte von 58-62 HRG gehärtet und geschliffen (poliert). Die Versuchsräder
lieferten die Werte 132, 138 und 150 kp/mm . Diese Werte betragen mehr als das Doppelte der entsprechenden, in DIlT 3990 Bl 9 angeführten
Werte für das festeste Gusseisen mit Kugelgraphit^GGG 100.
Die Versuchsergebnisse zeigen, dass das erfindungsgemässe Gusseisen
mit Kugelgraphit eine gute Wälzungsermüdungsfestigkeit aufweist,
d.h. beträchtlichen Flächendrücken ausgesetzt werden kann, ohne dass es zu Pitting-Erscheinungen kommt.
Das erfindungsgemässe Gusseisen mit Kugelgraphit, isothermisch bainitisiert, ist ein ausgezeichneter Werkstoff für Zahnräder, insbesondere
dann, wenn die Zähne nicht geschliffen (poliert) werjien können oder sich ein solcher Arbeitsgang aus Kostengründen nicht
lohnt. Als Beispiele seien hier nur die innenverzahnten Zahnräder genannt. Weiter eignet sieht dieser GGG-Werkstoff für alle möglichen
Maschinenteile, die ermüdenden Belastungen ausgesetzt sind. Als Beispiele hierfür seien neben den Zahnrädern angeführt: Zahnwellen,
Kettenräder, Tragräder und -rollen, die gegen eine harte Fläche laufen, ilockenräder, Nockenwellen, Tragringe und diverse dem
sehleiss ausgesetzte Teile, wie z.B. Verschleissbleche.
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Claims (4)
1. Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG), das nach den Giesnen auf
Austenitisierungsteiriperatur erwärmt und bei dieser Temperatur auctenitisiert
sowie durch Abkühlen auf die für die Bainitreaktion erforderliöhe
Temperatur in einem entsprechenden Bad, in lern es gehalten wird, bis die gewünschte Menge Auatenit in Bainit angewandelt worden
ist, isothermisch wärmebehandelt worden ist, d n. durch
gekennzeichne t, dass es als Zusätze (Lo^ierungszusätse)
0,10-0,26 fj I.Iolybdän und 0,4-1,4 cf>
Liangan sowie eventuell einen weiteren Zusatz, nämlich nickel veniger als 2,5^» Zinn und/oder
Kupfer, v/elcher die Bildung eines perlitischen Hikrogefüges ±ra Guss
fördert und somit die Austenitisierung beschleunigt, enthält.
2. Gusseisen mit Kugelgraphit nach Patentanspruch 1, dadurcl
gekennzeichne t, dass es 0,15 - 0,22 ?■>
Molybdän enthält.
3. Gusseisen mit Kugelgraphit nach Patentanspruch 1 oder 2, d a-
durch gekennzeichnet, dass es weniger als 0,2 fi
Zinn und/oder weniger als 1,0 % Kupfer enthält.
5. Gusseisen mit Kugelgraphit nach Patentanspruch 1, 2, 3 oder 4 /dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnte isothermische
Wärmebehandlung erst nach der Vorbearbeitung oder nach der definitiven Bearbeitung des Gussteils erfolgt.
v
4. Gusseisen mit Kugelgraphit nach Patentanspruch 1, 2 oder 3»
dadurch gekennzeichnet, dass das !.!ikrogefüge
nach der isothermischen Wärmebehandlung 20-50 Volumenprozent Hest-
Austenit enthält.
6, Gusseisen mit Kugelgraphit nach Patentanspruch 5, d a d u r c 1
gekennzeichne t, dass das Gussteil im Zusammenhang mit der angeführten Bearbeitung Flächen erhält, die ermüdenden Belastungen,
am besten Wälzermüdungsbelastungen, ausgesetzt werden.
7« Verwendung des Gusseisens mit Kugelgraphit gemäss den Patent
ansprüchen 1 bis 6 zur Herstellung von Zahnrädern, Zahnwellen,
Tragrädernt Nockenrädern, Nockenwellen Tragringen oder Verschleissblechen.
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