DE2846116A1

DE2846116A1 - Gusseisen, das insbesondere fuer kokillen geeignet ist

Info

Publication number: DE2846116A1
Application number: DE19782846116
Authority: DE
Inventors: Kjell Gustavsson; Oerjan Hammar; Per Goesta Nystedt; Melih Yaman
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1977-10-24
Filing date: 1978-10-23
Publication date: 1979-04-26
Also published as: GB2007258A; AU4086378A; NO783571L; DE2846116C3; NO149244C; AU520594B2; CA1113285A; FR2406672A1; IT1099449B; IT7829042A0; SE7711918L; GB2007258B; ES474429A1; BR7806972A; US4236944A; NO149244B; JPS5477216A; DE2846116B2; BE871453A

Description

Firma SANDVIK AKTIEBOLAG, Fack, S-811 01 Sandviken 1, Schweden

Gußeisen, das insbesondere für Kokillen geeignet ist

Die Erfindung betrifft ein Gußeisen, das insbesondere für Kokillen verwendbar ist, und das eine gute Verschleißfestigkeit in Verbindung mit thermischer Wechselbeanspruchung besitzt, wodurch die erreichbare Benutzungszeit verlängert wird.

Es ist immer ein Problem, beim Gießen von Blöcken in Kokillen eine Rißbildung in dem Kokillenmaterial auf eine oder die andere Weise zu verhindern. Die Rißbildung ist in erster Linie ein Ergebnis der Verschlechterung der Verformbarkeit, was wiederum eine Folge der Tatsache ist, daß die Struktur während der thermischen Wechselbeanspruchung beeinträchtigt ist, wobei die Innenfläche der Kokille unter oxidierender Umgebung wiederholt ausgesetzt ist, wobei zusätzlich der Block aus der Kokille herausgezogen wird. Es sind verschiedene Verfahren zur Verbesserung der Lebenszeit solcher Kokillen vorgeschlagen worden, von denen eignes darin besteht, die Analyse des Materials der Kokille zu ändern, während ein anderes Verahren darin besteht, die Form der Kokille zu ändern. Diese Vorschläge sind aber aus verschiedenen Gründen nicht erfolgreich gewesen.

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Die GB-PS 1 218 035 offenbart z.B. ein Gußeisen für Kokillen, in welchem das Eisen durch Impfung beeinflußt worden ist, so daß es eine Struktur erhält, in welcher welliges Graphit in einer im wesentlichen perlitischen Matrix verteilt ist, während gleichzeitig Phosphor und Schwefel in gewissen niedrigen Mengen vorhanden sind. Solches Material, das von dem üblicherweise verwendeten Gußeisen abweicht, zeigt aber keine erhöhte Festigkeit gegen thermische Ermüdung.

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Darlegungen ist es das Ziel der Erfindung, ein Gußeisen zu schaffen, das besser als die bis heute vorgeschlagenen Gußeisenmaterialien für Kokillen geeignet ist. Die Lebensdauer einer Kokille hängt in erster Linie von den Eigenschaften des Materials ab, aus dem die Kokille hergestellt ist. Folgende Eigenschaften werden an das Material einer Kokille gestellt:

1. Hohe Festigkeit und Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen und gute thermische Leitfähigkeit, was einen guten Widerstand gegen thermische Schocks, thermische Wechselbeanspruchung und Oxidation bedeutet.

2. Unbedeutender Schwund während der Verfestigung und gute Bearbeitbarkeit.

Ausgedehnte Untersuchungen der Beziehungen zwischen den oben genannten Eigenschaften und der Analyse und der Struktur des Gußeisens sind durchgeführt worden, die überraschend gezeigt haben, daß es möglich sein sollte, die Bestandteile gegen ein gewisses Kohlenstoff äquivalent in geeigneter Weise abzugleichen, um ein Optimum der oben angegebenen Materialeigenschaften zu erhalten

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Nach der Erfindung ist ein Gußeisen vorgesehen mit 3,7 bis 4,0% C, nicht mehr als 1,6% Si, 0,40 bis 0,80% Mn, 0,010 bis 0,045% P, nicht mehr als 0,010% S, 0,020 bis 0,50% Mg und Rest Eisen mit normalerweise vorhandenen Verunreinigungen, wobei diese Elemente gegen ein spezifisches Kohlenstoffäuqivalent im Bereich von 3,2 bis 3,6%, errechnet als C , . = % C + 0,065 % Si + 0,35 % P - 35 % Mg ausgeglichen sind.

Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist ein Gußeisen vorgesehen mit 3,7 bis 4,0% C, nicht mehr als 1,3% Si, 0,40 bis 0,70% Mn, 0,010 bis 0,040% P, nicht mehr als 0,010% S, 0,020 bis 0,040% Mg und Rest Eisen mit normalen Verunreinigungen, wobei die Elemente gegen ein spezifisches Kohlenstoffäquivalent im Bereich von 3,3 bis 3,6% ausgeglichen sind.

Nach einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung ist ein Gußeisen vorgesehen mit 3,7 bis 3,9% C, nicht mehr als 1,1% Si, 0,45 bis 0_y60% Mn, 0,015 bis 0,030% P, nicht mehr als 0,010% S, 0,020 bis 0,040% Mg und Rest Eisen mit normalen Verunreinigungen, wobei diese Elemente gegen ein spezifisches Kohlenstoffäquivalent im Bereich von 3,3 bis 3,6% ausgeglichen sind.

Das Gußeisen soll in allen diesen Fällen so hergestellt werden, daß seine Struktur Karbid in einer Menge von weniger als 5 Vol.-%, Ferrit in einer Menge von nicht mehr als 25 Vol.-%, Kugelgraphit in einer vorherrschenden Menge, vorzugsweise mindestens 2/3 des gesamten Graphitvolumens, und Rest Perlit, enthält.

Die Ergebnisse von Laboruntersuchungen und der naturgetreuen Un-

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tersuchungen des Gußeisens gemäß der Erfindung haben gezeigt, daß Längs- und Querrisse von Schrottzugabe nahezu vollständig haben vermieden werden können. Infolgedessen hat dieses neue Material ein Ergebnis in einer Lebensdauer gezeigt, das 1,25 bis 1,7 mal so hoch liegt wie bisher verwendete Kokillenmaterialien.

Das erfindungsgemäße Gußeisen besitzt eine sehr gute Festigkeit gegen thermische Ermüdung. Dies ist erreicht worden durch Optimierung seiner Analyse, wie oben erwähnt, und zwar zu dem Zweck, eine maximale Hochtemperatur-Festigkeit und Verformbarkeit zu erhalten.

In der folgenden Tabelle I sind einige Zusammensetzungen des erfindungsgemäßen Gußeisens dargestellt und ferner einige Zusammensetzungen jenseits des Bereichs der Erfindung, die Heiß-Zugversuchen unterworfen sind.

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TABELLE I Chemische Analysen der Versuchsmaterialien

Charge No,

Si

Mg

'ekv.

6.28222	3,70	0,82	0,78	0,042	0,028	3,3
6.28170	3,91	0,83	0,77	0,042	0,031	3,4
6.53777	3,82	1,51	0,65	0,012	0,038	3,5
6.28214	3,64	1,68	0,78	0,044	0,031	3,7
6.28192	4,00	1,10	0,81	0,042	0,029	3,7
6.28162	3,88	0,97	0,01	0,065	0,019	3,9
6.28167	3,9¹^	0,89	0,79	0,037	0,017	3,9
6.28251	3,92	0,89	0,78	0,025	0,016	3,9
6.28160	3,92	0,97	0,02	0,024	0,016	4,0
6.28168	3,97	0,95	0,79	0,072	0,018	4,0
6.28197	3,99	1,68	.0,78	0,044	0,028	4,1

Schmelzen für Untersuchungszwecke wurden in einem sauren Hochfrequenz-Induktionsofen hergestellt, denen ausreichende Rohmaterialien, wie Eisen, Siüziumeisen, Mn-Metall und FeP zugesetzt worden waren. Die Schmelze wurde dann mit FeSiMg geimpft, um Kugelgraphit zu erhalten, und es wurde die Schmelze bei etwa 1330⁰C vergossen.

Es wurden dann von der Schmelze Teststäbe hergestellt, die Härteuntersuchungen und Zugversuchen in einer Gleeble-Maschine unterworfen wurden. Im Zusammenhang hiermit wurden die genannten Teststäbe auf eine gewählte Versuchstemperatur (300 bis 1100⁰C) erwärmt, worauf die Temperatur 100 Sekunden lang aufrechterhalten wurde, und es wurden die Stäbe dann einem Zugversuch bei einer konstanten Geschwindigkeit von 25 mm/sec. unterworfen, wobei die für die Flächenreduktion ((γ ) und für die Bruchfestig-

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keit (C₁,) erhaltenen Werte registriert wurden.

Es ist wesentlich, daß die Bestandteile des Gußeisens in solchen Mengen vorhanden sind, daß sich ein Kohlenstoffäquivalent in den angegebenen Bereichen ergibt. Die Anwesenheit von Kohlenstoff trägt wesentlich dazu bei, eine Schrumpfung während der Verfestigung zu verhindern und gleichzeitig dem Gußeisen eine gute Gießfähigkeit zu verleihen. Im Hinblick hierauf sollte Kohlenstoff in einer Menge von wenigstens 3,7 Gew.-% vorhanden sein. Der maximale Kohlenstoffgehalt sollte 4,0% sein und vorzugsweise geringer sein als 3,9%, da die Heiß-Dehnbarkeit und die Festigkeit ansonsten zu stark abnehmen könnten.

In Fig. 1 sind Werte dargestellt, die nach einem Vergleich zwischen drei verschiedenen Legierungen mit sich änderndem Kohlenstoffgehalt registriert worden sind. Wie hieraus zu entnehmen ist, ergibt sich eine Abnahma der Verformbarkeit, wenn der Kohlenstoffgehalt gegen die anderen Bestandteile nicht in geeigneter Weise optimiert worden ist.

Silizium kann in einer maximalen Menge von 1,6% vorhanden sein, jedoch sollte es vorzugsweise in einer Menge von weniger als 1,3% und vorzugsweise in einer Menge von weniger als 1,1% vorhanden sein. Höhere Siliziumgehalte sollten vermieden werden, da Silizium, ebenso wie Kohlenstoff, eine Abnahme der Heiß-Dehnbarkeit und Festigkeit bewirkt, wenn es nicht geeignet optimiert worden ist. Gußeisen mit geringen Silizium-Gehalten hat eine deutlichere Tendenz zur Bildung von Perlit, was eine verbesserte Dehnbarkeit bei Temperaturen oberhalb 700⁰C bedeutet. Eine möglichst schnelle Perlittransformation ist wünschenswert, weil die Zweiphasen-

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Struktur-Austenit-Ferrit eine Verschlechterung der Dehnbarkeit bewirkt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Einfluß von C, Si und C + Si auf die Festigkeitseigenschaften. Wie daraus ersichtlich, haben zu hohe Siliziumgehalte, wenn sie nicht geeignet optimiert worden sind, die Festigkeitseigenschaften beträchtlich verringert.

Die Anwesenheit von Mangan verbessert die Dehnbarkeit und die Festigkeit. Mangan sollte deshalb im Gußeisen in Gehalten von wenigstens 0,40% und nicht mehr als 0,80% vorhanden sein. Da Mangan die Perlitbildung stabilisiert und die Kohlenstoffaktivität verringert, verringert Mangan in vorteilhafter Weise die Graphitbildung bei thermischer Wechselbeanspruchung. Der Mangangehalt sollte aber 0,70% nicht überschreiten und sollte vorteilhafterweise 0,45% bis 0,60% betragen unter Beachtung der inneren Oxidation und der Zementitbildung während der Verfestigung.

Phosphor sollte in einer Menge von wenigstens 0,010% vorhanden sein und sollte vorzugsweise in einer Menge von wenigstens 0,015% vorhanden sein, da die Anwesenheit von Phosphor die Festigkeit erhöht. Der Phosphorgehalt sollte aber in bezug auf die Elemente C, Si und Mg optimiert werden.

Die Fig. 3 und 4 zeigen, daß unausgeglichener Phosphor eine Abnahme der Verbrennungsgrenze bewirkt, d.h. der Grenze, an der die Verformbarkeit plötzlich abnimmt. Phosphor könnte in Mengen bis zu 0,045% vorhanden sein, sollte aber in einer geringeren Menge als 0,040% vorhanden sein und sollte, wenn der Siliziumge-

909817/0972 ~¹°"

halt hoch ist, vorzugsweise geringer als 0,030%.

Schwefel kann in etwa gleicher Menge vorhanden sein, wie er normalerweise verwendet wird, was Gehalte bis zu einem Maximum von 0,010% bedeutet.

Magnesium beeinträchtigt die Graphitbildung. Ein übermäßiger Anstieg des Magnesiumgehaltes bewirkt Änderungen des Graphites von der lamellaren Struktur zur welligen Struktur und schließlich zur Kugelstruktur. Es ist wesentlich, daß ein ausreichend hoher Magnesiumgehalt aufrechterhalten wird, um eine vollständige Kugelgraphit-Struktur zu erhalten. Diese Graphitbildung hat sich in Gußeisen für Kokillen im Hinblick auf die Rißbildung als notwendig erwiesen. Deshalb sollte der Magnesiumgehalt einen Wert zwischen 0,020 und 0,050%, vorzugsweise 0,020 und 0,040% betragen. Die Anwesenheit von Magnesium trägt auch dazu bei, die Heiß-Dehnbarkeitseigenschaften zu verbessern und das Perlit zu stabilisieren.

Fig. 5 zeigt die Dehnbarkeitswerte für zwei Testproben, von denen eine Magnesium in einer solchen Menge enthält, die nicht geeignet optimiert ist. Der sichtbare Erfolg davon ist ein deutlicher Abfall der Verformbarkeit.

Es ist wesentlich, daß eine Matrixstruktur in dem Gußeisen vorhanden ist, die für die Herstellung einer Kokille geeignet ist. Laboruntersuchungen und den tatsächlichen Verhältnissen entsprechende Untersuchungen des hier interessierenden Materials haben gezeigt, daß das vorliegende Gußeisen die StrukturStabilität verbessert hat. Das vorliegende Gußeisen soll so hergestellt wer-

909817/0972 "¹¹~

_A 28-;. 116

den, daß sein Kohlenstoffgehalt 5 Vol.-% nicht übersteigt, daß Ferrit nicht in einer größeren Menge als 25 Vol.-% vorhanden ist, daß Graphit vorherrschend als Kugelgraphit vorhanden ist, vorzugsweise in einer Menge von wenigstens 2/3 des gesamten Graphitvolumens , und daß der Rest Perlit ist. Die Geschwindigkeit, mit der die innere Oxidation und die Änderung der Struktur auftritt, ist bestimmt als die Geschwindigkeit der Entkohlung und der Rißbildung.

Wie sich aus den Fig. 6 und 7 ergibt, ergibt das Kugelgraphit eine geringere Entkohlungstiefe, und es verringert also auch die Möglichkeiten für eine Rißbildung. Damit das vorliegende Gußeisen gleichzeitig eine ausreichend hohe Festigkeit erhält, ist es erforderlich, den Ferritgehalt zu begrenzen. Dies ist in erster Linie erreichbar durch Optimierung des Mangangehaltes in der oben beschriebenen Weise. Im Hinblick auf die physikalischen Eigenschaften ist es in gleicher Weise wichtig, den Phosphorgehalt in geeigneter Weise zu optimieren. Sowohl Kohlenstoff als auch Silizium bewirken eine erhöhte Phosphoraktivität. Wenn diese beiden Elemente in höheren Mengen in den angegebenen Bereichen vorhanden sind, so muß infolgedessen kontrolliert werden, daß der Phosphorgehalt niedrig genug ist, um eine Abnahme der Heiß-Verformbarkeit bei hohen Temperaturen zu verhindern.

Die Ergebnisse der Verwendung von aus bekanntem Gußeisen hergestellten Kokillen (Nr. 136-186) und die Ergebnisse der Verwendung von aus dem erfindungsgemäßen Gußeisen hergestellten Kokillen (Nr. 901-907) haben gezeigt, daß eine beträchtliche Verbesserung der Haltbarkeit der Kokille erreichbar ist. In der fol-

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ORIGINAL INSPECTED

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genden Tabelle II sind tatsächliche Materialanalysen aufgeführt- In bezug auf die Graphitbildung, wie sie in der Struktur auftritt, wird bemerkt, daß die Versuchsnummern I, III und VI Lamellengraphit, Wellengraphit bzw. Kugelgraphit entsprechen. Deshalb ist zu der Form-Proben-Nummer 163 angezeigt, daß sie eine Graphitstruktur Typ Ill-VI-Verteilung 14-1 besitzt, was bedeutet, daß Graphit in Kugelform und in einer Menge von 1/15 vorhanden ist, während der Rest des Graphites eine wellige Gestalt hat.

Die Ergebnisse der Untersuchung bei natürlichen Verhältnissen sind in Tabelle III dargestellt, und es ist in jedem besonderen Fall der Grund für Ausschuß durch Ziffern gekennzeichnet. Ziffern 3, 4, 6 und 7 sind unmittelbar an das Kokillenmaterial selbst angehängt, während die anderen Ziffern die Schrottbildung betreffen, die in erster Linie von der Behandlung der Kokillen herrührt. Bezüglich der Ziffer Nr. 3 ist angezeigt, nach wieviel Chargen sich vertikal erstreckende Risse beobachtet worden sind. Die Ergebnisse können folgendermaßen zusammengefaßt werden:

1. In Längsrichtung und in Querrichtung verlaufende Risse als Grund für die Verschrottung der Formen sind im wesentlichen ausgeschaltet worden.

2. Die Haltbarkeit der Form ist in der Größenordnung des Faktors 1,25 bis 1,75 verbessert worden, was zu einer Verringerung des Verbrauches von Formmaterial zu Stahl geführt hat.

Als ein Beispiel kann erwähnt werden, daß der Stahlverbrauch abgenommen hat von 14,9 auf 9,7 kg Kokille pro Tonne Stahl, her-

gostolH mit einer Kokille?, die mit Sandvik 27 bezeichnet ist, was dio I'ormbezei chnung nach Tabelle III ist.

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TABELLE II

Form- Type Nr.	Chargen vor Ver- schrot- tuna	j	3,	)	92	A	•	η	%	a ]	0	y s	e	η	%	S	%	Mg	Graphit	Distr.	Total	Fer- lit %	Ferrit	>> O 4: σ	K ar- "bid	)
Sandvik 27"				& C-ek.		Si		Mn		t P					Type					«■■■ σ
163	60	Γ I-	92				C									14-1	15	18	65	2
165	41				1						0	,002	0,	OI8	III-VI	15	15	16	65	2
106	4<8		89	4,C		,02	0	,33	G	,031					III	15	15	18	65	2
§3	86	3,	32		C		0				W	,005		017	III	13-2	15	15	67	3
§4	42			3,6		,42	0	,05	0	,027					III-VI
*r 5**	57		79		"1		0				C	,005	-			-	20	65	15	- ^
0"	57 83 94		90	4,3	1	,23	0	,70	0	,012	0	,006	C,	027	τ J.	2-13 2-I3	IA LA r-l r-l	64 63	O O CVJ OI	C
903 904	96 90			3,5	0	,03		,55	0	,028	0	,007	C,	030	III-VI III-VI	4-11 5-10	LA LA r-t r-t	56 57	25	I, "τ
905 906	■ I"¹ "* 117			3,5	1	,86		,44	C	,029	C	,007	0,	032	iii-vi III-VI	2-13 2-13	15 15	65 64,5	LA O r-t OJ	5
907	113		3,4	0	,10	,57	' 0	,029	0	,005	0,	035	III-VI III-VI	2-13	15	64,5	20	C ^
		3,4		,96	,50	0	,030					III-VI

TABELLE III NATÜRLICHER TEST

KOKILLEN-TEST

Form-	Anzahl	Gründe für die
Typen-'	Chargen	Verschrottung
Nr.
Sandvik	27
163	60	3
165	41	3
166	48	3
183	86	3
184	42	3
to 185	57	3
° 186	57	3

oo 901	83	1+2
-¹ 902	94	2+5
-^J 903	96	2+5
ο ⁹⁰⁴	90	2+5
cd 9°⁵	111	2
-O 906	117	2
to 907	113	2

Alterungs-Angaben

xx)

xx) Alterungs-Angaben und/oder verschrottet

26ch

83ch

94ch

96ch

9 Och

11 Och

115ch

113ch

Ziffer

21ch 15ch 28ch 21 ch 21 ch 26ch 26ch

8 Och

0 0 0 0 0 0

	II	2mm	80ch
	I	2mm	8 Och
	I		80ch
	III	12/8mm	80ch
	I		80ch
	I		80ch
	I		6 Och
	II-III	4/5inm
12mm	II-III	6/6,5mm
5nm	II-III	4/5mm
12mm	III	4/9mm
	II-III	5/1itm
	II-III	5/1mm
	II	4/3mm

Erosionshöhlen vom Stahlstrom In der Form festsitzender Block ausgestoßen Vertikalrisse Horizontalrisse "Festsitzer" weil der Boden aufgebogen ist und sich Stahl unter d=r Form verfestigt hat Brandriß an der Innenfläche:I=unbeträchtlich;II=glatte Fläche, wo der Brandriß sichtbar ist;III=Korngrenzen-Brandrisse beginnen abzuspülen; IV=beträchtliche,von der Oberfläche festgeschrxttene Brand- ^_x) risse co

Außenbiegung (=thermische Deformation),gemessen von einem geraden Lineal ..^:.

ausgebrannte Innenfläche —-

Leerseite

Claims

23. Oktober 1978 A 22578 B/ib PATENTANSPRÜCHE

1. Kokillengußeisen mit 3,7 bis 4,0% C, nicht mehr als 1,6% Si, 0,40 bis 0,80% Mn, 0,010 bis 0,045% P, nicht mehr als 0,010% S, 0,020 bis 0,050% Mg und Rest Eisen mit normalerweise vorhandenen Verunreinigungen, wobei die genannten Elemente gegen ein spezifisches Kohlenstoffäquivalent im Bereich von 3,2 bis 3,6%, errechnet als

C₁ = % C + 0,65 % Si + 0,35 % P - 35 % Mg eJcv ·

ausgeglichen ist, und wobei die Struktur Karbid in einer Menge von nicht mehr als 5 Vol.-%, Ferrit in einer Menge von nicht mehr als 25 Vol.-%, Kugelgraphit in einer vorherrschenden Menge, vorzugsweise wenigstens 2/3 des gesamten Graphitvolumens, und Rest Perlit enthält.

2. Kokillengußeisen mit 3,7 bis 4,0% C, nicht mehr als 1,3% Si, 0,40 bis 0,70% Mn, 0,010 bis 0,040% P, nicht mehr als 0,010% S, 0,020 bis 0,040% Mg und Rest Eisen mit normalen Verunreinigungen, wobei die genannten Elemente gegen ein spezifisches Kohlenstoff äquivalent im Bereich von 3,3 bis 3,6% ausgeglichen sind, und wobei die Struktur Karbid in einer Menge von nicht mehr als 5 Vol.-%, Ferrit in einer Menge von nicht mehr als 25 Vol.-%,

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Bankhaus Merck. Finck & Co.. München Bankhaus H. Aufhäuser. München Postscheck: München

(BLZ 70O3040O) Konto-Nr. 254649 (BLZ 70030600) Konto-Nr. 26130O (BLZ 70010080) Konto-Nr. 20904-800

Telegrammadresse: Patentsenior

ORIGINAL INSPECTED

Kugelgraphit in einer Menge von wenigstens 2/3 des gesamten Graphitvolumens und Rest Perlit enthält.

3. Kokillengußeisen mit 3,7 bis 3,9% C, nicht mehr als 1,1% Si, 0,45 bis 0,60% Mn, 0,015 bis 0,030% P, nicht mehr als 0,010% S, 0,020 bis 0,040% Mg und Rest Eisen und normalen Verunreinigungen, wobei die genannten Elemente gegen ein spezifisches Kohlenstoff äquivalent im Bereich von 3,3 bis 3,6% ausgeglichen sind, und wobei die Struktur Karbid in einer Menge von nicht mehr als 5 Vol.-%, Ferrit in einer Menge von nicht mehr als 25 Vol.-%, Kugelgraphit in einer Menge von wenigstens 2/3 des gesamten Graphitvolumens und Rest Perlit enthält.

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