DE2744458A1

DE2744458A1 - Aus schleifabnutzungsfestem gusseisen mit kugelgraphit oder temperguss hergestelltes maschinenelement zur behandlung von mineralen

Info

Publication number: DE2744458A1
Application number: DE19772744458
Authority: DE
Inventors: Matti Dipl Ing Johansson; Pekka Dipl Ing Rikka
Original assignee: Kymin Osakeyhtio Kymmene AB
Current assignee: Kymmene Oy
Priority date: 1976-10-05
Filing date: 1977-10-03
Publication date: 1978-04-06
Also published as: BR7706622A; SE7710979L; JPS5348014A; FI56700B; FI762835A; FI56700C

Description

Aus schleifabnutzungsfestem Gusseisen mit Kugelgraphit oder
Temperguss hergestelltes Maschinenelement zur Behandlung von Mineral Die vorliegende Erfindung betrifft ein aus Gusseisen mit Kugelgraphit hergestelltes Maschinenelement, das im Einsatz der Schleifabnutzung (abrasivem Verschleiss) durch ein sich ihm gegenüber bewegendes feinkörniges Mineral, wie zum 13eispiel Quarz, standhalten muss.
Solche Maschinenelemente bestehen im allgemeinen aus gehärtetem Kohlenstoffstahl, aus gehärtetem legiertem Elerkzeugstahl, aus oberflächengehärtetem Stahl, aus mit einer Verschleissschicht plattiertem Stahl, aus austenitischem Mangenstahl (flalfield-Stahl), aus Hartguss(eisen), aus Kokillenguss(eisen) oder aus perlitischeril Gusseisen mit Kugelgraphit.
Die genannten, bereits bekannten schleifabnutzungsfesten llaschinenelemente sind mit folgenden Mängeln behaftet: Durchgehend gehärteter Kohlenstoffstahl und Durchgehend gehärtetes Gusseisen kommen dann nicht in Frage, wenn die Gefahr besteht, dass das Maschinenelement im Einsatz Schlagbeanspruchung ausgesetzt wird. Oberflächengehärteter Stahl, plattierter Stahl und Kokillenguss haben im allgemeinen eine zu schwache Verschleissschicht. Austenitischer Manganstahl ist nur dann schleifabnutzungsfest, wenn er im Zusammenhang mit dem Verschleiss oberflächenverfestigender Schlageinwirkung ausgesetzt wird. Hochlegierter Werkzeugstahl ist teuer. Perlitisches Gusseisen mit Kugelgraphit hat einen zu hohen Verschleiss.
Ausserdem kommen einige dieser lEerkstoffe dann nicht in Frage, wenn das Maschinenelement durch Giessen hergestellt werden soll.
Kennzeichnend für das erfindungsgemässe Maschinenelement ist, dass es aus Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt ist, dessen lslikorgefüge neben dem für diesen Werkstoff charakteristischen kugelförmigen Graphit wenigstens etwa 8 Volumenprozent Restaustenit enthält der im Temperaturbereich zwischen +300°C und -80°C thermisch bestündig ist, wahrend der restliche Teil hauptsächlich aus Bainit besLeht. Die Restaustenitmenge sollte vorzugsweise rnehr als 20 Volumenprozent betragen.
Das erfindungsgemässe Maschinenelement vermag gut solchem Verschleiss standzuhalten, bei dem gleichzeitig eine Kaltverfestigung der Oberfläche des Maschinenelements erfolgt. Unter solchen Verhältnissen ist auch austenitischer Manganstahl widerstandsfähig, was verständlich ist, da bei beiden WerI:stoffei der Austenit infolge der Kaltverfestigung in Hartensit umgewandelt wird, wobei die Oberflächenharte einen Wert von etwa 550 HB erreicht und sich in der Oberflächenschicht eine Druckspannung bildet.
Das erfindungsgem sse Maschinenelement ges tal tot sich, vergleichen an bekannten Lösungen, vorteilhaft, weil es über seine gesamte liateraildicke angemessene Verschleissfestigkeit, Schlagfestigkeit und Frostbeständigkeit aufweist und durch Giessen und spanende Bearbeitung hergestellt werden kann.
anwendungsbereiche für das orfindungsgemasse Maschinenelement sind um Beispiel die Bauteile von Sandbehandlungseinrichtungen, die Bauteile von Mineralmühlen, bei denen keine Verfestigung erfolgt, sowie Pflugspitzen und Eggenzinken. Wird beispielsweise die Pflungspitze von einem erfindungsgemassen Element gebildet, so hat diese sowohl auf steinigem Acker als auch auf Sandboden eine gute Widerstandsfuhigkeit. Bekannte Lösungen hingegen ergeben keine gute Gesamtkonzeption.
auf steinigem Boden ist das beste lletall für die Pflugspitze austenitischer Manganstahl (Hadfield-Stahl), der zäh ist und durch Steinschläge und -stösse verfestigt wird, jedoch auf Sandboden eine zu geringe Verschleissfestigkeit aufweist. Bei Sandboden ist gehärteter Stahl der beste Pflugspitzen-Werkstoff, verträgt aber keine Steinstösse. Auch die Pflugschar lässt sich mit Vorteil aus einem crfindungsgemdssen Element herstellen.
Das erfindungsgemässe schleifabnutzungsfeste Maschinenelement kann zum Beispiel aus im finnischen Patent Nr. 19732 beschriebenem Guseeisen mit Kugelgraphit hergestellt werden, welches neben den herkömmlichen Mengen Kohlenstoff, Silizium, Phosphor, Schwefel und Magnesium als Zusätse noch 0,10 - 0,26 Gew.% Molybdän und 0,3 - 1,4 Gew.% Mangan sowie eventuell auch Zinn, Kupfer und/oder weniger als 2,5 Gew.% Nickel enthält. Als Rohmaterial eignet sich auch anderes Gusseisen mit Kugelgraphit, das so legiert ist, dass bei unter geeigneter Bainitisierungstemperatur erfolgender isothermischer Wärmebehandlung sein Austenit teils in Bainit umgewandelt wird und teils als bei Einsatztemperatur thermisch beständiger Austenit erhalten bleibt.
Nach erfolgter Wärmebehandlung kann die Mikrostruktur solchen Gusseisens mit Kugelgraphit neben Graphit, Bainit und Austenit beispielsweise noch eine gewisse Menge Perlit oder Martensit enthalten.
Als Rohmaterial für das erfindungsgemässe Maschinenelement eignet sich ferner auch Temperguss, da er in seiner Zusammensetzung den gleichen Typ wie Gusseisen mit Kugelgraphit repräsentiert und auch der Graphit in kugeliger oder nahezu kugeliger Form vorliegt. Typpischer Temperguss enthält neben Eisen (le) zum Beispiel 2,4 Gewichts% Kohlenstoff (C), 1,5 Gewichts% Silizium (Si), 0,5 Gewichts% Mangan (Mn), 0,05 Gewichts% Phosphor (P) und 0,10 Gewichts.
Schwefel (S). Das Gussstück ist weiss erstarrend. Das Tempern erfolgt bei einer Temperatur von etwa 950°C; danach wird das Gussstück bei etwa 80°C rasch abgekühlt. Die Endabkühlung erfolgt hingegen langsam, wodurch ein für di bearbeitung günstiges Mikrogefüge erzielt wird. Nach erfolgter Bearbeitung wird das Gussteil bei 880 0C austonitisiert und in einem Salzbau von etwa 350°C bei einer Verweilzeit von etwa 2 Stunden teilweise isothermisch bainitisicrt. das Mikrogefüge des so behandelten Tempergusses besteht zu etwa 10 Volumen% aus nahezu kugeligem Graphit, zu 20-40 Volumen% aus Austenit und zu 50-70 Volumen% aus Bainit sowie eventuell aus geringfügigen Ifengen Martensit und Perlit.
;£)as erfindungsgemässe schleifasnutsungsfeste Maschinenelement kann beispielsweise folgendermassen hergestellt werden: Man giesst einen für die herstellung des Maschinenelements geeigneten Rohling aus Gusseisen mit Kugelgraphit, das neben Eisen fFe) 3,6 Gew.% C, 2,25 Gew.% Si. 0,7 Gew.% Mn, 0,1 Gew.% Mo, 0,5 Gew.% Cu, 0,045 Gew.% Ng, 0,06 Gew.% P und 0,015 Gew.% S enthält. Das Gussteil lässt man abkühlen.
Durch spanende Bearbeitung bringt man das Gussteil auf die für das Maschinenelemen vorgesehenen Masse. Das so erhaltene Werkstück wird im Wärmebehandlungsofen bei 880°C auf Austenitisierungstemperatur gebracht 1md zwei Stunden nur dieser temperatur gehalten; während dieser Zeit geht seine vorwigend perlitische Itlikrostruktur in Austenit über. Das Werkstück wird aus dem Wärmebehandlungsofen in ein Salzbad von )¼r)OC gebracht; letzteres besteh-t je zur hälfte aus Natriumnitrit (NaNO2) und Kaliumnitrat (KNO3). Das Salzbad weist eine thermostatgesteuerte lleiz- und Kühlvorrichtung sowie eine Salzschmelze-Umwälzvorrichtung auf. Das Werkstück wird 120 min im Salzbad belassen; danach lässt man es an der Luft frei abkühlen. Das Werkstück besteht nun aus Gusseinsen mit Kugelgraphit, dessen Mikrostruktur zu etwa 10 Volumen9S aus kugeligem Graphit, zu 50-60 Volumen% aus Bainit und zu 30-40 Volumen% aus Restaustenit besteht.
Das Werkstück erfährt bei der Wärmebehandlung keine wesentliche Formveränderung. Allerdings können die Arbeitsgänge auch in der B'orm vertauscht werden, dass die spanende Bearbeitung erst nach der isothermischen Wärmebehandlulng erfolgt. Bei dieser Verfahrensweise finden nach der spanenden Bearbeitung überhaupt keine Deformationen mehr statt, jedoch ist die spanende Bearbeitung etwas schwieriger, weil es, bedingt durch die teilweise Umwandlung von Restaustenit in martensit, bei der Bearbeitung zu einer Verfestigung des Werkstoffes kommt.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Beispiels näher beschrieben: Beispiel Die Verschleissfestigkeit des erfindungsgemässen schleifabnutzungsfesten Maschinenelements wurde unter Laborverhältnissen an Hand eines Abnutzungsversuchs nachgewiesen, bei welchem verschiedenartige Probekörper in nassem Sand bewegt werden.
Dieser Abnutzungsversuch wird wie folgt durchgeführt: Als Probekörper dienen im Querscnitt runde Stäbe von 100 mm Länge und 20 mm Durchmesser. Diese Stäbe werden in vertikaler Stellung an der Unterseite einer horizontalen runden Scheibe so befestigt, dass sie alle den gleichen Abstand vom Scheibemittelpunkt haben.
Die runde Scheibe wird von einem Elektromotor um die durch ihr Zentrum laufende Vertikalachse in Drehbewegung versetzt. Unterhalb der Scheibe befindet sich ein Behälter mit Quarzsand, Korngrösse 3-7 mm.
Der quarzsand ist angefeuchtet; die zugesetzte Wassermenge beträgt 20% des Quarzsandgewichts. Während des Versuchs lässt man die Scheibe 120 000 Drehungen vollführen, was einer Strecke von 120 km entspricht. Die durchschnittliche Geschwindigkeit der Stäbe im Sand beträgt 6,25 km/h. Bei jedem Vcrsuch besteht einer der Probestäbe, der Bezugsstab, aus weichem Stahl (Fe 37). Im Anschluss an den Versuch werden die Stäbe gewogen und die Gewichtsverluste berechnet.
Zur Ermittlung des Versuchsergebnisses werden die Gewichtsverluste von Probestab und Bezugsstab miteinander verglichen. Als Versuchsergebnis wird die prosentuale Gewichtsabnahme das Probestabes, bezogen auf die Gewichtsabnahme des Bezugsstabes, angegeben.
In der nachstehenden Tabelle sincl die bei Verschleissversuchen der vorgenannten Art erhaltenen Ergebnisse zusammengestellt; es werden für jeden Versuchsstab eine Materialbeschreibung, die Härte (HB) und der prozentuale Verschleiss, bezogen auf den Verschleiss von weichem Stahl (Fe 37), angegeben. Die Probestäbe 2 bis 5 repräsentieren erfindungsgemässe T'aschinenelementc, die Probestäbe 6 bis 10 andere, zähe 1Saschinenej emente. Der Stab 1 diente als Bezugsstab. Die Probestäbe 2, j und 4 bestehen aus Gusseisen rnit Eugelgraphit, das neben Eisen 3,6 % C, 2,2 % Si, 0,7 % Mn, 0,08 % Mo, 0,7 % Cu und 0,044 % Mg enthält. Die Probestäbe wurden eine Stunde lang bei 880°C austenitisiert und auf verschiedene Weise bainitisiert. Der Probestab 5 besteht aus Gusseisen mit Kugelgraphit, das 3,6% C, 2,25% Si, 0,77 % ('u und 0,005 ' g enthält; Der Stib wurde eine Stunde lang bei 880 0C austenitisiert und 100 min lang bei 210 0C bainitisiert.
Das erfinilungsgemisse Maschinenelement, dessen liikrostruktur 26-34 Volumenprozent, Restaustenit enthcilt, weist eine ausserordentlich gute Verschleissfestigkeit auf. T3etragt der Restaustenitgehalt nur 8 Volumenprozent, so ist die Verschleissfestigkeit zwar immer noch gut, aber doch schon etwas geringer als in ersterem Falle. Aus den Versuchsergebnissen ist u.a. auch ersichtlich, dass das erfindungsgemässe restaustenitische Gusseisen mit Kugelgraphit eine überraschend gute Verschleissfestigkeit auch unter Versuchsverhältnissen aufweist, bei denen keine durch Kaltverfestigung bedingte Umwandlung von Restaustenit in Martensit erfolgt. Besonders deutlich wird dies, wenn man die Verschleissfestigkeit an der geringen Verschleissfestigkeit von austenitischem Manganstahl unter den gleichen Bedin- Die thermische Beständigkeit des Restaustenits des erfindungsgemässen Maschinenelementes wurde an Probenkörpern mit einem Restaustenitgehalt von 20 Volumenprozent erprobt. Es wurden Probenkörper fünf Stunden lang einer Temperatur von 400°C, 500 Stunden lang einer Temperatur von 300°C, 20 Minuten lang eine Temperatur von -80°C und 15 Minuten lang einer Temperatur von -100°C ausgesetzt; feststellbare Veränderungen bezüglich Restaustenit wurden bei keinem einzigen Versuch beobachtet.
Die Obergrenze des beständigen Restaustenits in der Mikrostruktur des für die erfindungsgemässen Maschinenelemente verwendeten Gusseisens mit Kugelgraphit liegt bei etwa 50 Volumenprozent, da ein Überschreiten dieser Grenze ohne reichliche Verwendung teurer Legierungszusätze schwierig ist.
Tabelle Versuch Nr. Werkstoff Bainitisierung Restaustenit Härte Verschleiss Tempera- Zeit Volumenprozent HB Gew.% tur °C min 1 weicher Stahl Fe 37 2 bainitisch 3 bainitisch 4 bainitisch 5 bainitisch 6 Manganstahl (Hadfield) 7 perlitisches Gusseisen mit Kugelgraphit 8 Eisenbahnschiene K 54 (0,45% C, 1,1% Mn) 9 Vergütungsstahl SIS 2234 10 Vergütungsstahl SIS 2225

Claims

Patentansprüche 1. Einsatz von Gusseisen mit Kugelgraphit, dessen Mikrogefüge neben kugeligen Graphit und Bainit wenigstens 8 Volumenprozent im Temperaturbereich zwischen +300°C und -30°C beständigen Restaustenit enthält, für solche zur Behandlung von Mineralen dienende aschinenelemente, die auch ohne intensive Verfestigung widerstandsfähig gegen Schleifabnutzung (Verschleiss) sein müssen.
2. Einsatz nach Anspruch 1, 1 a il u r c h gekennzeichnet, dass das Mikrogefüge des Gusseisens mit Kugelgraphit 20 bis 50 Volumenprozent Restaustenit enthält.
3. Einsatz nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, dass das Mikrogefüge des Gusseisens mit Kugelgraphit 26 bis 34 Volumenprozent Restaustenit enthält.
4. Zur Behandlung von Mineralen dienendes Maschinenelement, das auch ohne intensive Verfestigung der Schleifabnutzung (Verschleiss) widersteht und als Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt ist, d a 4 u r c h gekennzeichnet, dass das Mikrogefüge des Gusseisens mit Kugelgraphit neben kugeligem Graphit und Bainit wenigstens 8 Volumenprozent Restaustenit enthält, der im Temperaturbereich zwischen +300°C und -30°C thermisch beständig ist.
5. Maschinenelement nach Anspruch 4, d a d u r c h gekennzeichnet, dass das Mikrogefüge des Gusseisens mit Kugelgraphit 20 bis 50 Volumenprozent Restaustenit enthält.
6. Maschinenelement nach Anspruch 4, d a d u r c h gekennzeichnet, dass das Mikrogefüge des Gusseisens mit Kugelgraphit 26 bis 34 Volumenprozent Restaustenit enthält.