DE2846116B2 - Kokillengußeisen - Google Patents

Description

C + 0,650/0 Si + 035% P - 35% Mg

aus einem Gußeisenwerkstoff, bestehend aus 3,7 bis 4,0% C höchstens 1,6% Si, 0,40 bis 0,80% Mn, 0,010 is bis 0,045% P, höchstens 0,010% S, 0,020 bis 0,050% Mg und Rest Eisen, ausgewählt ist und die Matrix aus höchstens 5 Vol.-% Karbid, höchstens 25 VoL-% Ferrit und Rest Perlit besteht, wobei in der Matrix der ausgeschiedene Graphit zu wenigstens zwei Dritteln des Graphitvolumens Kugelgraphit ist

2. Kokillengußeisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen entsprechend einem spezifischen Kohlenstoffäquivalent von 33 bis 3,6% aus einem Gußeisenwerkstoff, bestehend aus 3,7 bis 4,0% C, höchstens 1,3% Si, 0,40 bis 0,70% Mn, 0,010 bis 0,040% P, höchstens 0,010% S, 0,020 bis 0,040% Mg und Rest Eisen, ausgewählt ist

3. Kokillengußeisen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen entsprechend dem spezifischen Kohlenstoffäquivalent von 3,3 bis 3,6% aus einem Gußeisenwerkstoff, bestehend aus 3,7 bis 3,9% C, höchstens 1,1% Si, 0,45 bis 0,60% Mn, 0,015 bis 0,030% P, höchstens 0,010% S, 0,020 bis 0,040% Mg und Rest Eisen, ausgewählt ist

Es ist immer ein Problem, beim Gießen von Blöcken to in Kokillen eine Rißbildung in dem Kokillenmaterial zu verhindern. Diese ist in erster Linie ein Ergebnis der Verschlechterung der Duktilität infolge thermischer Wechselbeanspruchung, bei der die Innenfläche der Kokille wiederholt oxidierenden Bedingungen ausgesetzt ist Es sind verschiedene Verfahren zur Verbesserung der Lebenszeit solcher Kokillen vorgeschlagen worden, die entweder die Materialzusammensetzung oder die Form der Kokille verändern.

Die GB-PS 12 18 035 beschreibt ein Kokillengußeisen mit 2,0 bis 4,0% C, 0,5 bis 1,8% Si und 0,1 bis 2,0% Mn und Rest Eisen, und dieses Kokillengußeisen enthält Graphit der Form III, d. h. Wellengraphit. Derartiges Kokillengußeisen besitzt aber auch nicht die erwünschte hohe Duktilität und Verschleißfestigkeit bei thermischer Wechselbeanspruchung.

Die Literaturstelle »Gießerei«, 1966, Seiten 15 bis 18, beschreibt Kokillengußeisen mit Kugelgraphit ohne genaue Angabe der Legierungselemente, wobei ein rein ferritisches Grundgefügc als wichtig für das Wärmeleitvermögen des Kokillenwerkstoffes angegeben ist. Schließlich beschreibt auch die US-PS 29 37 424 ein Kokillengußeisen perlitisch-ferritischer Struktur mit 3,4 bis 3,7% C, 1,8 bis 2,4% Si, 0,25 bis 0,5% Mn, 0,03 bis 0,10% P, 0,005 bis 0,01% S und 0,05 bis 0,08% Mg. Die- « ses Gußeisen soll kugeligen Graphit enthalten, ohne daß jedoch die spezielle Graphitform näher bezeichnet ist Durch die technische Lehre dieser beiden Druckschriften kommt man zu keiner Verbesserung des in der GB-PS 12 18035 beschriebenen Kokillengußeisens.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand somit darin, ein Kokillengußeisen mit hoher Festigkeit und Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen, mit verbesserter Thermoschockbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit sowie mit geringer Schrumpfung bei der Gußerstarrung zu bekommen. Auf diese. Weise wird die Lebensdauer des Kokillengußeisens erhöht

Das erfindungsgemäße Kokillengußeisen ist aus einem Gußeisenwerkstoff, bestehend aus 3,7 bis 4,0% C, höchstens 1,6% Si, 0,40 bis 0,80% Mn, 0,010 bis 0,045% P, höchstens 0,010% S, 0,020 bis 0,050% Mg und Rest Eisen entsprechend einem spezifischen Kohlenstoffäquivalent von 3,2 bis 3,6%, errechnet nach der Gleichung

C_äqu. = % C + 0,65% Si + 035% P - 35% Mg,

ausgewählt Die Matrix besteht aus höchstens 5 VoL-% Karbid, höchstens 25 VoL-% Ferrit und Rest Perlit wobei in der Matrix der ausgeschiedene Graphit zu wenigstens zwei Dritteln des Graphitvolumens Kugelgraphit ist.

Überraschenderweise hat sich gezeigt daß die erwünschte sprunghafte Verbesserung der genannten Gußeiseneigenschaften neben der Analyse des Materials auf eine bestimmte Kombination von Strukturmerkmalen und Auswahlbereichen bezüglich der LegierungsElemente zurückzuführen ist, wobei dem spezifischen Kohlenstoffäquivalent die entscheidende Rolle zufällt

Vorteilhafterweise wird von einem Gußeisen, bestehend aus 3,7 bis 4,0% C, höchstens 1,3% Si, 0,40 bis 0,70% Mn, 0,010 bis 0,040% P, höchstens 0,010% S, 0,020 bis 0,040% Mg und Rest Eisen, vorzugsweise aus 3,7 bis 3,9% C, höchstens 1,1% Si, 0,45 bis 0,60% Mn, 0,015 bis 0,030% P, höchstens 0,010% S, 0,020 bis 0,040% Mg und Rest Eisen, ausgegangen. In allen Fällen kann das Gußeisen außerdem die üblichen Verunreinigungen enthalten.

Das spezifische Kohlenstoffäquivalent liegt bevorzugt im Bereich von 3,3 bis 3,6%.

Laboruntersuchungen und großtechnische Untersuchungen des Gußeisens nach der Erfindung haben gezeigt daß Längs- und Querrisse, die zu Ausschuß führen würden, nahezu vollständig verhindert werden. Daher haben Kokillen aus diesem Gußeisen eine Lebensdauer, die 1,25 bis l,7mal so hoch wie die von Kokillen aus bekannten Gußeisenwerkstoffen liegt. Die Festigkeit und Duktilität bei hoher Temperatur sind bei dem Kokillengußeisen nach der Erfindung erheblich besser als bei Kokillengußeisen nach dem Stand der Technik, wodurch eine sehr gute Festigkeit gegen thermische Ermüdung und eine Erhöhung der Lebensdauer erreicht wird.

Der maximale Kohlenstoffgehalt sollte vorzugsweise geringer sein als 3,9%, da die Warmfestigkeitseigenschaften (Dehnung und Zugfestigkeit) ansonsten zu stark abnehmen könnten. Die Duktilität nimmt ab, wenn der Kohlenstoffgehalt nicht in der beanspruchten Weise gegenüber den anderen Bestandteilen optimiert ist.

Silicium sollte vorzugsweise in einer Menge von weniger als 1,3% und vorzugsweise in einer Menge von weniger als 1,1% vorhanden sein. Höhere Siliciumgehalte sollten vermieden werden, da Silicium ebenso wie Kohlenstoff eine Abnahme der Warmfestigkeit

bewirkt, wenn es nicht geeignet optimiert worden ist Gußeisen mit geringen Siliciumgehalten hat eine deutlichere Tendenz zur Bildung von Perlit, was eine verbesserte Dehnbarkeit bei Temperaturen oberhalb 700⁰C bedeutet Eine möglichst schnelle 'Jmwandlung in Perlit ist wünschenswert, weil die Zweiphasenstruktur Austenit-Ferrit eine Verschlechterung der Dehnbarkeit bewirkt

Die Anwesenheit von Mangan verbessert die Dehnbarkeit und die Festigkeit des Gußeisens. Da Mangan die Perlitbildung stabilisiert und die Kohlenstoffaktivität verringert, verringert es in vorteilhafter Weise die Graphitbildung bei thermischer Wechselbeanspruchung. Der Mangangehalt sollte aber möglichst 0,70% nicht überschreiten und vorteilhafterweise unter Beachtung der inneren Oxidation und der Zementitbildung während der Verfestigung 0,45 bis 0,60% betragen.

Phosphor 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.

Ein unausgeglichener Phosphorgehalt bewirkt eine Abnahme der Grenze, an der die Verformbarkeit plötzlich abnimmt Phosphor sollte in einer geringeren Menge als 0,040% und, wenn der Siliciumgehalt hoch ist, vorzugsweise in einer geringeren Menge als 0,030% vorhanden sein.

Schwefel kann in etwa gleicher Menge vorhanden sein, wie er normalerweise verwendet wird.

Magnesium beeinflußt die Graphitbildung. Ein 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 einen hohen Anteil der Kugelgraphitstruktur zu erhalten. Diese Graphitstruktur 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% haben. Die Anwesenheit von Magnesium trägt auch dazu bei, die

Tabelle I

Chemische Analysen der Versuchsmaterialien Warmfestigkeitseigenschaften zu verbessern und das Perlit zu stabilisieren.

Die Geschwindigkeit, mit der die innere Oxidation und die Änderung der Struktur auftritt, ist bestimmt als die Geschwindigkeit der Entkohlung und der Rißbildung. Kugelgraphit führt zu einer geringen Entkoh-Iungstiefe und verringert auch die Möglichkeiten für eine Rißbildung. Damit das Gußeisen eine ausreichend hohe Festigkeit erhält ist es erforderlich, den Ferritgehalt zu begrenzen. Dies ist in erster Linie erreichbar durch Optimierung des Mangangehaltes. Im Hinblick auf die physikalischen Eigenschaften ist es in gleicher Weise wichtig, den Phosphorgehalt in geeigneter Weise zu optimieren. Sowohl Kohlenstoff als auch Silicium 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 Heißverformbarkeit bei hohen Temperaturen zu verhindern.

Schmelzen für Untersuchungszwecke wurden in einem sauren Hochfrequenz-Induktionsofen hergestellt, denen ausreichende Rohmaterialien, wie Eisen, SiIiciumeisen, 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 aus der Schmelze Teststäbe hergestellt die Härteuntersuchungen und Zugversuchen unterworfen wurden. Im Zusammenhang hiermit wurden die genannten Teststäbe auf eine gewählte Versuchstemperatur (400 bis 1000⁰C) erwärmt, worauf die Temperatur 100 Sekunden lang aufrechterhalten wurde, und es wurden die Stäbe dann einem Zugversuch bei einer konstanten Geschwindigkeit von 25 mm/Sek. unterworfen, wobei die für die Duktilität (Querschnittsreduktion ip) und für die Bruchfestigkeit (0b) erhaltenen Werte registriert wurden.

Tabelle I zeigt Gußeisenzusammensetzungen, die entsprechend dem Kohlenstoffäquivalent teils erfindungsgemäß, teils außerhalb der Erfindung sind.

Charge No.	C	Si	Mn	P	Mg	C
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	3,94	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, SiIiciumeisen, 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-Prüf-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/Sek. unterworfen, wobei die für die Duktilität (Querschnittsreduktion ψ) und für die Bruchfestigkeit (ob) erhaltenen Werte registriert wurden.

In F i g. 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 Abnahme der Verformbarkeit, wenn der Kohlenstoffgehalt gegen die anderen Bestandteile nicht in geeigneter Weise optimiert worden ist.

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 F i g. 4 zeigt, daß unausgeglichener Phosphor eine Abnahme der Verbrennungsgrenze bewirkt, d. h. der Grenze, an der die Verformbarkeit plötzlich abnimmt.
F i g. 5 zeigt die Duktilitätswerte für zwei Testpro-

lü ben, von denen eine Magnesium in einer solchen Menge enthält, die nicht geeignet optimiert ist. Der sichtbare Erfolg davon ist ein deutlicher Abfall der Verformbarkeit.
Wie sich aus den F i g. 6 und 7 ergibt, ergibt der Kugelgraphit eine geringere Entkohlungstiefe, und er verringert also auch die Möglichkeiten für eine Rißbildung.

Die Zusammensetzungen der in nachträglichen Vergleichsversuchen untersuchten Teststäbe und die erzielten Materialeigenschaften sind in den nachfolgenden Tabellen II bzw. III zusammengestellt.

Tabelle II

Nr.

Si

Mn

C_äq

Graphit

Perlit

Ferrit

3,9

3,7

4,0

3,7

3,92

3,6

3,6

4,1

0,8
0,8

1,1
0,9
1,38

1,7
1,8
0,9

0,77
0,78
0,81
0,43
0,35
0,78
0,42
0,79

0,042
0,042
0,042
0,042
0,059
0,044
0,046
0,026

0,03 0,03 0,03 0,03 0,05 0,03 0.02 0,02 3,4
3,3
3,7
3,3
3,1
3,7
4,1
4,1

VI
Vl
VI
VI
VI
VI
III
III

60-90
60-90
60-90

<25

<25

<25
60-90
60-90
60-90
60-90

<25

Tabelle III

ag (kp/mm
400 C

800 C

47
48
44
38
38
37 26
22

19
18
19
17
14
16 13 17

Ψ (%)
1000 C

19

22

10

18

Ein Vergleich von aus bekanntem Gußeisen hergestellten Kokillen (Nr. 163—186) mit aus erfindungsgemäßem Gußeisen hergestellten Kokillen (Nr. 901 bis 907) zeigt, daß eine beträchtliche Verbesserung der Haltbarkeit der Kokille erreichbar ist In den folgenden Tabellen IV und V sind die Analysen dieser Testmaterialien aufgeführt. Bezüglich der Graphitstniktnr be deuten die Zahlen IL ΠΙ und VI Lamellengraphit, Wel lengraphit bzw. Kugelgraphit. Dabei bedeutet etwa bei der Probe 183 die Angabe III—VI in einem Verteilungsverhältnis 14:1, daß Graphit in Kugelform in einer Menge von Vi5 vorhanden ist, während der Rest des Graphits eir.e wellige Gestalt hat

Die Ergebnisse der Untersuchung sind in Tabelle IV dargestellt in der für jeden Fall der Grund für den Ausschuß durch Ziffern gekennzeichnet ist Die Ziffern 3,4, 6 und 7 betreffen den Ausschuß aufgrund der Kokillenmaterialeigenschaften selbst, während die anderen Ziffern den Ausschuß betreffen, der in erster Linie von der Handhabung der Kokillen herrührt Ziffer Nr. 3 zeigt nach wieviel Ansätzen vertikal sich erstreckende Risse beobachtet wurden. Die Ergebnisse können folgendermaßen zusammengefaßt werden:

1. hi Längsrichtung und in Querrichtung verlaufende Risse als Grund für den Ausschuß der Kokillen sind ausgeschaltet worden.

Die Haltbarkeit der Kokillen wurde in der Größenordnung eines Faktors 1,25 bis 1,75 verbessert, was zu einer Verringerung des Verbrauches von Kokillenmaterial geführt hat

Beispielsweise kann erwähnt werden, daß der Gußeisenverbrauch von 14,9 auf 9,7 kg Kokille pro Tonne Stahl bei Verwendung einer Kokille aus einem Gußeisen nach der Erfindung abgenommen hat

Tabelle IV

Formtype Chargen vor Nr, Ausschuß

Analysen

% C % C_aqu % Si

%Mn

%P

%S

%Mg

Graphit Type

Vertlg.

Total

Perlit

Ferrit

Karbid

163	60
165	41
166	48
183	86
184	42]
185	57
186	57 J
901	83) 94/
902	96 j
903	Uli
904	117 J
905	113
906
907

	4,0	1,02	0,33	0,031	0,002	0,018	III-VI	14-1	15	18	65	2	CX	OO
3,92							III	15	15	18	65	2
	3,6	0,42	0,05	0,027	0,005	0,017	III	15	15	18	65	2	<r>
3,92							IH-VI	13-2	15	15	67	3
	4,3	1,23	0,70	0,012	0,005	-
3,89							I	-	20	65	15	-
	3,5	1,03	0,55	0,028	0,006	0,027	III-VI	2-13	15	64	20	1
3,82							III-VI	2-13	15	63	20	2
	3,5	0,86	0,44	0,029	0,007	0,030	III-VI	4-11	15	56	25	4
4,01							III-VI	5-10	15	57	25	3
	3,4	1,10	0,57	0,029	0,007	0,032	III-VI	2-13	15	65	15	5
3,79
	3,4	0,96	0,50	0,030	0,005	0,035	III-VI	2-13	15	64,5	20	0,5
3,90						III-VI	2-13	15	64,5	20	0,5

Tabelle V

Form-Type	Anzahl der	Gründe für	Verschleiß-Merkmale	57	bei der Charge	26	Nr.	3	4	Art und Ausmaß	6	7	2 mm	aufgetreten bei	OO
Nr.	Chargen bis zum Ausschuß	den Ausschuß	aufgetreten		2		21		5	II	2 mm	der Charge Nr.
			1	57		83	15			I		8	O^
163	60	3		-		94	28			I	12/8 mm
165	41	3		80		96	21			III
166	48	3		90		90	21			1
183	86	3		102		110	26			I
184	42	3		-	115	26			I	4/5 mm
185	57	3	_	113	0			H-III	6/6,5 mm
186	57	3		0	0		II—III	4/5 mm
901	83	1 + 2	80	0	12 mm	II—III	4/9 mm	80
902	94	2 + 5	0	0	5 mm	III	5/1 mm	80
903	96	2 + 5	0	0	12 mm	II—III	5/1 mm	80
904	90	2 + 5	0	0		II—III	4/3 mm	80
905	111	2	0	0		II	80
906	117	2					80
907	113	2				60

Ziffer 1 Erosionshöhlen vom Stahlstrom.

2 In der Form festsitzender Block ausgestoßen.

3 Vertikalrisse.

4 Horizontalrisse,

5 »Festsitzer« weil der Boden aufgebogen ist und sich Stahl unter der Form verfestigt hat.

6 Haarrisse an der Innenfläche: I = unbeträchtlich; II = glatte Fläche, wo der Brandriß sichtbar ist; III = Korngrenzen-Brandrisse beginnen abzuspülen; IV = fläche festgeschrittene Brandrisse.

7 AuQenblegung (- thermische Deformation), gemessen von einem geraden Lineal.

8 ausgebrannte Innenfläche.

beträchtliche, von der Ober-

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Kokillengußeisen mit hoher Festigkeit und Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen, mit verbesserter Thermoschockbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit sowie mit geringer Schrumpfung, bei der Gußerstarrung, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen entsprechend einem spezifischen Kohlenstoffäquivalent von 3,2 bis 3,6%, er₇ rechnet nach der Gleichung