DE2334992C2 - Isothermisch behandeltes Gußeisen mit Kugelgraphit - Google Patents
Isothermisch behandeltes Gußeisen mit KugelgraphitInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein isothermisch behandeltes Gußeisen mit Kugelgraphit (GGG), das nach
dem Gießen auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und austenisiert wird und durch Abkühlen auf die für die
Bainitreaktion erforderliche Temperatur in einem entsprechenden Bad so lange gehalten worden ist, bis die
gewünschte Austenitmenge in Bainit umgewandelt ist
Derartige VKUmebehandlungen für Gußeisen mit Kugelgraphit zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit sind
verschiedentlich bekanntgeworden. So beschreibt zum Beispiel die DE-AS 11 78451 eine vergleichbare Vergütung des Grundgefüges auf das Zwischenstufengefüge Bainit bei einem derartigen, mit Silizium, Mangan,
Phosphor und Schwefel legierten Gußeisen mit Kugelgraphit zur Herstellung von Unrund-Kolbenringen mit
hoher Biege- und Verschleißfestigkeit, also von Gegenständen mit dünner Wandstärke und bei völlig bainitischer MikroStruktur. Der Legierung kann fakultativ ein relativ hoher Prozentsatz Molybdän beigegeben werden. Eine hohe Dauerfestigkeit gegenüber Materialermüdungserscheinungen für wwohl dickwandige wie dünnwandige Gegenstände aus diesem Gußeisen läßt sich auf die dort gezeigte Weise nicht erreichen.
Aus der DE-AS 11 21 639 ist ein Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Gußeisenstücke hoher Zähigkeit
bekannt, bei dem von der Wärmebehandlung her lediglich eine Austenitisierung mit anschließender martensitischer Härtung erfolgt, dann durch Anlassen Keime knötchenförmigen elementaren Kohlenstoffes gebildet
werden und sich schließlich eine Glühbehandlung zur Graphitisierung anschließt Als Legierungsstoffe kommen
dort neben Kohlenstoff ui;d Silizium unter anderem Mangan, Kupfer, Nickel, Schwefel + Phosphor, Zink,
Chrom und Molybdän, übeixiegend fakultativ, zum Einsatz. Trotz dieser Legierungsstoffe läßt sich auch dort
eine hohe Dauerfestigkeit gegenübe: Materialermüdungserscheinungen insbesondere im Hinblick auf die dortige Wärmebehandlung und die damit erreichte MikroStruktur nicht erreichen, abgesehen davon, daß auf die dort
angegebene Weise nur dünne Werkstücke behandelt werden können.
dem hochlegierten Gußeisen direkt im Zusammenhang mit der nach dem Gießen erfolgenden Abkühlung eine
Bainitreaktion verursacht In F i g. 1 ist ein Beispiel eines derartigen Gußeisens mit Kugelgraphit gezeigt Die in
voller Linie dargestellten S-Kurven sind im Zeit-Temperatur-Koordinatensystem aufgetragen. Die die Abkühlung des Gußstückes wiedergebende Kurve ist gestrichelt gezeichnet Durch die Wirkung der Legierungszusätze haben sich die S-Kurven von der Stelle, an der sie bei unlegiertem Gußeisen mit Kugelgraphit liegen wurden,
beträchtlich nach rechts verschoben, so daß infolge des hohen Legierens bei der Abkühlung Bainit entsteht Als
Legierungszusätze werden neben Molybdän insbesondere hohe Mengen (33 bis 7%) Nickel eingesetzt Zwar
läßt sich auf diese Weise auch in starkwandigen Gegenständen ein bainitisches Mikrogefüge erreichen, doch
verursacht der hohe Anteil an Legierungszusätzen einen hohen Herstellungspreis und es muß das Mischungsverhältnis der Legierungszusätze je nach Wandstärke für jedes Gußteil extra bestimmt werden.
so In F i g. 2 ist ein in etwa der genannten DE-AS 11 78 451 entsprechendes Bainitisierungsverfahren dargestellt,
bei dem das Gußteil nach dem Gießen erneut auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und danach in einem
Warmbad passender Temperatur rasch abgekühlt wird. Das Gußteii wird so lange in dem Bad und unter
konstanter Temperatur gehalten, bis die Bainitreaktion abgelaufen ist Dann erfolgt ein Kühlen auf Zimmertemperatur. Die diese Verfahrensweise repräsentierenden S-Kurven sind als Vollinien, die Abkühlungskurve ist als
restrichelte Linie in einem Zeit-Temperatur-Koordinatensystem gezeigt. Zwar läßt sich auf diese Weise ohne
teure Legierungszusätze Gußeisen mit Kugelgraphit von bainitischem Mikrogefüge herstellen. Die hierzu
verfahrensnotwendige rasche Abkühlung ist jedoch nur bei dünnwandigen Gußteilen bis maximal 20 mm Materialstärke möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein isothermisch behandeltes Gußeisen mit Kugel
graphit der gattungsgemäßen Art zu schaffen, das sowohl für dickwandige wie auch für dünnwandige Gußteile,
und zwar ohne Notwendigkeit der Legierungsverhältnisse an die jeweilige Wandstärke der Gußteile, eingesetzt
werden kann und dabei zu Gegenständen hoher Festigkeit gegenüber Materialermüdungserscheinungen führt
Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Das Mikrogefüge ist insbesondere durch einen hohen Volumenprozentsatz von Restaustenit gekennzeichnet und ist im
es übrigen relativ schwach legiert und von daher preiswert Der Restaustenit verleiht dabei in Verbindung mit den
eingesetzten Legierungsbestandteilen diesem Gußeisen mit Kugelgraphit eine beträchtliche Zähigkeit und
bewirkt im Zusammenhang mit der Bearbeitung eine Materialverfestigung. Die im Zusammenhang mit der
Bearbeitung verursachte Verfestigung verursacht ihrerseits in der Oberfläche eine Druckspannung und erhöht
25 34
damit die Ermüdungsfestigkeit Der Werkstoff weist ferner eine große Bruchdehnung auf. Schon die Legierungszusätze von 0,10 bis 0,26% Molybdän und 03 bis 1,4% Mangan ermöglichen das isothermische Bainitisieren.
Wird der Legierung noch 0,03 bis 0,2% Zinn und/oder 03 bis 1,0% Kupfer und/oder 0,5 bis 2£% Nickel
zugesetzt, erhält das Gußteil durch das Gießen ein perlitisches Kr&tallgefüge, das, erneut auf Austenitisierungstemperatur
erwärmt, bedeutend schneller austenitisiert wird als ein freies Ferrit enthaltendes Kristallgefüge, so
daß sich eine kurze Wärmebehandlungsdauer ergibt
Ein Herstellungsbeispiel für ein Gußteil aus einem Gußeisen mit Kugelgraphit gemäß der Erfindung wird wie
folgt angegeben: Aus der Metallschmelze, die als Zusätze 3,5 bis 3,7% Kohlenstoff (C), 2,1 bis 2,4% Silizium (Si),
0,50 bis 0,55% Mangan (Mn), 0,2 bis 0,22% Molybdän (Mo) und 0,7 bis 0,8% Kupfer (Cu) und die übliche
Magnesiummenge enthält, wird ein scheibenförmiger Rohling von 150 mm Durchmesser und 50 mm Dicke
gegossen. Man kann den Rohling entweder frei abkühlen oder ihn in noch heißem Zustand der weiteren
Behandlung zuführen. Er wird in einem Wärmebehandlungsofen auf 9000C erwärmt und erhält hierdurch ein
austenitisches Mikrogefüge. Nach zweistündigem Austenitisieren wird der Rohling in einem Bad von 3700C
abgekühlt Das Bad beinhaltet eine Masse von 200 kg und enthält dabei 1 Teil Natriumnitrit (NaNO2) und 1 Teil
Kaliumnitrat (KNOaJi Das Bad ist mit einem Rührwerk sowie mit thermostatgesteuerter Heizung und Kühlung
ausgestattet Der Rohling wird, je nachdem wieviel Bainit er enthalten soll, zehn Minuten bis 4 Stunden im Bad
gehalten. Nach Herausnahme aus dem Bad läßt man den Rohling frei abkühlen. Dieser enthält dann z. B. 50
Volumenprozent Bainit, ca. 40 Volumenprozent Austenit und ca. 10 Volumenprozent Graphit Die geeignete
Menge an Rest-Austenit liegt zwischen 20 und 50 Volumenprozent Ein höherer Austenitgehalt führt zu einer
Verringerung der Festigkeit ein niedriger Austenitgehalt führt dazu, daß das Gußeisen durch Bearbeitung nicht
verfestigbar wird.
Die isothermische Wärmebehaadlung des erfindungsgemäßen Gußeisens mit Kugelgrapi.it ist in F i g. 3 in
einem Zeit-Temperatur-Koordinatensystem dargestellt Die S-Kurven des Gußeisens sind in voll ausgezogener
Linie dargestellt. Die gestrichelte Linie zeigt ein Stück der Abkühlungskurve.
Der auf die vorstehend geschilderte Weise gegossene Rohling hat eine sehr gleichmäßige Gefügebeschsffenheit
und eignet sich für die spanabhebende Bearbeitung. Zugversuche haben eine Zugfestigkeit von 1079 N/mm2
ergeben, sowie eine Bruchdehnung von 10%, also einen beachüich hohen Wert, verglichen mit hochlegiertem
bainitischem Gußeisen mit Kugelgraphit oder mit vergütetem Gußeisen mit Kugelgraphit gleicher Festigkeit
Die Bruchfestigkeit und die Bruchdehnungswerte einiger Gußeisen mit dem erfindungsgemäßen Legierungsverhältnis sind wie folgt ermittelt worden:
Falls die Molybdänmenge niedriger als 0,10% liegt läßt sich die Bainitisierung nicht mehr erfolgreich tiurch- ao
führen. Übersteigt die Menge 0,26%, führt dies abgesehen von einem erhöhten Herstellungspreis zur Zunahme
der Karbidbildung.
Zusätze von 0,15 bis 0,22% Molybdän haben sich als besonders geeignet erwiesen.
Falls die Manganmenge 1,4% übersteigt nimmt ebenfalls die Gefahr der Karbidbildung zu und die Bainitisierungszei
t verlängert sich.
Eine Erhöhung der Nickelmenge über 2,5% hinaus bringt im Verhältnis zu den damit verbundenen Kosten
keinen Nutzen mehr.
Der in dem erfindungsgemäßen Gußeisen mit Kugelgraphit vorhandene Rest-Austenit verleiht diesem gute
Festigkeitseigenschaften und macht es sehr widerstendsfähig,gegen Belastungen, die zu einer Materialermüdung
führen. Ein Biegeermüdungsversuch mit einem glatten, gedrehten Probestab von 12 mm Durchmesser hat einen,
verglichen mit anderen Gußeisenarten mit Kugelgraphit großen Festigkeitswert von 490 N/mm2 ergehen. Ein
Biegeermüdungsversuch mit einem gekerbten Stab von 12 mm Durchmesser, der eine angedrehte Nut, 60°,
Boden-Rundungsradiuc 0,1 mm, aufweist, hat eine Festigkeit von 3ΪΙ2 N/mm2 ergeben, also einen Wert, der sogar
im Vergleich zu Stahl hoch ist Das Verhältnis aus den Werten bei dem glatten Stab und bei dem gekerbten Stab
beträgt somit 1,25. Die Kerbwirkungszahl ist somit außeonJentiicvs niedrig.
Für Wälzemüdungsversuche wurde ein Gußeisen mit Kugelgraphit folgender Zusammensetzung verwendet:
3,66% C, 2,24% Si, 0,54% Mn, 0,22% Mo, 0,78% Cu, 0,02% P und 0,008% S. Die Wärmebehandlung wurde so
durchgeführt daß das Mikrogefüge zu ca. 53 Volumenprozent aus Bainit, zu ca. 37 Volumenprozent aus Austenit
und zu ca. 10 Volumenprozent aus Graphit bestand. Im Wälzermüdungsversuch wurde der Hertz'sche Flächendruck
bestimmt, der den in DIN 3960 BL 9 angeführten Werten vergleichbar ist. Die Versuchsräder wurden
gefräst; Modul = 3,5, Zähnezahl = 33, Schrägungswinkel = 15°,, Breite = 45 mm. Das Gegenrad wurde aus
Einsatzstahl (DIN 17 210, 15 CrNi6) hergestellt, aufgekohlt, auf eine Härte von 58-62 HRC gehärtet und
geschliffen (poliert). Die Wälzermüdungversuche gaben Festigkeit&werte von 1295,1354 und 1472 N/ir,m:. Diese
Werte liegen mehr als das Doppelte über den entsprechenden, in DIN 3990 Bl 9 angeführten Werten für das dort
aufgeführte feste Stück Gußeisen mit Kugelgraphit GGG 100. Die Versuchsergebnisse zeigen somit eine gute
Wälztfrmü'iungsfestigkeit Die Räder konnten beträchtlichen Fläch endrücken ausgesetzt werden.
Dai erfii'dungsgemäße Gußeisen mit Kugelgraphit ist ein hervorragender Werkstoff für Zahnräder, insbesondere
dann, wenn die Zähne nicht geschliffen (poliert) werden können, oder sich ein solcher Arbeitsgang aus
Nr. | Mo | Mn | Ni | Cu | Sn | Bruchfestigkeit N/mm2 |
Dehnung |
1 | 0,10 | 03 | 0 | 0 | 0 | 1020 | 8,7 |
2 | 0,18 | 0,8 | 0 | 0,7 | 0 | 1079 | 9,6 |
3 | 0,26 | 1,4 | 23 | 0 | 0 | 1050 | 7,0 |
Kostengründen nicht lohnt. Als Beispiel sei hier auf innenverzahnte Zahnräder verwiesen. Weiter eignet sich
dieser GGG-Werkstoff besonders für alle Maschinenteile, die ermüdenden Belastungen ausgesetzt sind. Als
Beispiele seien hierfür neben Zahnräder Zahnwellen, Tragräder, Nockenräder, Nockenwellen, Tragringe und
Verschleißplatten genannt.
Claims (3)
1. Isothermisch behandeltes Gußeisen mit Kugelgraphit (GGGX das nach dem Gießen auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und austenisiert wird und durch Abkühlen auf die für die Bainitreaktion erforderli-
ehe Temperatur in einem entsprechenden Bad so lange gehalten worden ist, bis die gewünschte Austenitmenge in Bainit umgewandelt worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrogefüge nach der
isothermischen Wärmebehandlung 20 bis 50 Volumenprozent Restaustenit aufweist und daß als Legierungszusätze 0,10 bis 0,26% Molybdän und 03 bis 1,4% Mangan, sowie wahlweise wenigstens ein weiterer, die
Ausbildung eines perlitischen Mikrogefüges beim Gießen fördernder Zusatz, nämlich 0,03 bis 0,2% Zinn
ίο und/oder 03 bis 1,0% Kupfer und/oder 0,5 bis 2£% Nickel vorgesehen sind.
2. Gußeisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 0,15 bis 0,22% Molybdän enthält
3. Verwendung eines Gußeisens mit Kugelgraphit nach Anspruch 1 oder 2 als Werkstoff zur Herstellung
von Zahnrädern, Zahnwellen, Tragrädern, Nockenrädern, Nockenwellen, Tragringen oder Verschleißplatten.
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