DE2846116C3

DE2846116C3 - Kokillengußeisen

Info

Publication number: DE2846116C3
Application number: DE2846116A
Authority: DE
Inventors: Örjan Hammar; Per Gösta Storå Nystedt
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1977-10-24
Filing date: 1978-10-23
Publication date: 1985-11-21
Also published as: DE2846116A1; NO149244C; DE2846116B2; NO149244B; SE7711918L; AU520594B2; ES474429A1; BE871453A; CA1113285A; GB2007258A; IT1099449B; FR2406672A1; AU4086378A; IT7829042A0; US4236944A; BR7806972A; JPS5477216A; NO783571L; GB2007258B

Description

% C + 0,65% Si + 0,35% 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 bis 0,045% P, höchstens 0,010% S₁ 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 13% 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 33 bis 3,6% aus einem Gußeisenwe^rkstoff, 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 «o 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 Kokillenguß- so eisen 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 KokillenguDeisen 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 Grundgefüge 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. Dieses 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 18 035 beschriebenen Kokillenguße'tsens.

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 Kokülengußeisens 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

Cjqu. - % 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 au/ 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 13% 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 33% 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 33 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 13% 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 Warmfestiekeit

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 Temperaturer: oberhalb 700° C bedeutet Eine möglichst schnelle Umwandlung in Perlit ist wünschenswert, weil die Zweiphasenstruktur Austenit-Ferrit eine Verschlechterung der Dehnbarkeit bewirkt

Die Anwesenheit von Mangan verbessert die Dehnbarkeit und 4ie 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 Awesenheit 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 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 Entkohlungstiefe und verringert auch die Möglichkeiten für eine Rißbildung. Damit das Gußeisen eine ausreichend hohe Festigkeit erhält, ist es erforderlich, den Ferriigehalt 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 1330° C 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 1000° C) erwärmt, worauf die Temperatur 100 Sekunden lang aufrechterhalten wurde, und es wurden die Stäbe dann einem Zugversuch bei einer konstanten Geschwindigkeit von 25mm/Sek. unterworfen, wobei die für die Duktilität (Querschnittsreduktion ψ) und für die Bruchfestigkeit (ob) erhaltenen Werte registriert wurden.

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

Tabelle I

Chemische Analysen der Versuchsmaterialien

Charge No.	C	Si	Mn	P	Mg	P- Vaqu
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 wa-. ren. 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 UOO⁰C) 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 to für die Duktilität (Querschnittsreduktion ip) 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 F i g. 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 Fig.4 zeigt, daß unausgeglichener Phosphor eine Abnahme der Verbrennungsgrenze bewirkt, d. h. der Grenze, an der die Verformbarkeit plötzlich abnimmt

Fig.5 zeigt die Duktilitätswerte 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

Wie sich aus den Fig.6 und 7 ergibt, ergibt der Kugelgraphit eine geringere Entkohiungstiefe, 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

Mg

Cä_qu Gra- Perlit Ferrit

phit % %

3,9

3,7

4,0

3,7

3,92

3,6

0,8 0,8

1,1

0,9

1,38

1,7

1,8

0,77 0,042

0,78 0,042

0,81 0,042

0,43 0,042

0,35 0,059

0,78 0,044

0,42 0,046

0,03 0,03 0,03 0,03 0,05 0,03 0,02 3,4
3.3
3,7
3,3
3,1
3,7
4,1

4,1 0,9 0,79 0,026 0,02 4,1 VI
VI
VI
VI
VI
VI
ΠΙ
III

60-90
60-90
60-90

<25

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

<25

Tabelle HI

(kp/mm )

400 C

800 C

1000 C

1	47	19	19
2	48	18	22
3	44	19	10
4	38	17	18
5	38	14	8
6	37	16	6
7	26	13	3
8	22	17	CT\

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 Graphitstruktur bedeuten die Zahlen II, III und VI Lamellengraphit Wellengraphit 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 ^l/i5 vorhanden ist während der Rest des Graphits eine 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 Kokillenmateriaieigenschaften 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 zusammengeTaßt werden:

1. In 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

60

Tabelle IV	Chargen vor	Analysen	% C\|\|qu	MHOH	% Mn	%P	%S	% Mg	Graphit	Vertlg.	Total ·	Perlit	Ferrit	:— ^
Formtype	Ausschuß									%	%			Karbid
Nr.		%C	4,0		0,33	0,031	0,002	0,018	Type	14-1	15	%	%
	601			%Si					III-VI	15	15	18	65	%
163	41 1	3,92	3,6		0,05	0,027	0,005	0,017	III	15	15	18	65	2
165	I			1,02					III	13-2	15	18	65	2
Ifin	^o J 86	3,92	4,3·		0,70	0,012	0,005	—	III-VI			15	67	2 K)
loo 183	421			0,42						—	20			3 OO
184	⁵⁷	3,89							I			65	15	■ · *
185	57 j		3,3	1,23	0,55	0,028	0,006	0,027		2-13	15
186									III-VI	2-13	M 5	64	20
	831 94/	3,82	3,5		0,44	0,029	0,007	0,030	III-VI	4-11	15	63	20	1 <t>
901 902				1,03					III-VI	5-10	1,5	56 ·	25	2
	⁹⁶ ) 90 /	4,01	3,4		0,57	0,029	0,007	0,032	III-VI	2-13 '	15	57	25	4
903 904			3,4	0,86	0,50	0,030	0,005	0,035	IH-VI	2-13	15	65	15	3
	Uli 1171	3,79						III-VI		2-13 15	64,5	20	5
905 Qflfi	113 aHBfflBKBIBSBMKS	3,90	1,10				III-VI «t.BJijBmmaaiJSfcfcftnü8fflii			64,5	20	°'⁵ 00
7UO 907			0,96						0,5

	X F5'	183	Anzahl der	Gründe für	Verschleiß-Merkmale	57	bei der Charge	26	Nr.	3	4	Art und Ausmaß	6	7	2 mm	aufgetreten bei	<x>	KJ
Tabelle V	g	184	Chargen bis zum Ausschuß	den Ausschuß	aufgetreten		2		21		5	II	2 mm	der Charge Nr.		OO
Förm-Type	C\ t-rt	185			1	57		83	15			I		8
Nr.	Ju JjT	186	60	3		-		94	28			I	12/8mm			CD
	N	901	41	3		80		96	21			III				»—k
163	,ei rl	902	48	3		90		90	21			I				CT)
165	3 —	903	86	3		102		110	26			I
166	S	904	42	3		-	115	26			I	4/5 mm
	a	905	57	3	—	113	0			H-III	6/6,5 mm
	906	57	3		0	0		H-III	4/5 mm
907	83	1 + 2		80	0	12 mm	II—III	4/9 mm	80
	94	2 + 5	0	0	5 mm	III	5/1 mm	80
96	2 + 5	0	0	12 mm	II—III	5/1 mm	80
90	2 + 5	0	0		II—III	4/3 mm	80
111	2	0	0		II		80
117	2					80
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 ■ fläche festgeschrittene Brandrisse.

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

8 ausgebrannte Innenfläche.

Korngrenzen-Brandrisse beginnen abzuspülen IV = beträchtliche, von der Ober-

Claims

28 46 1ί6 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%, errechnet nach der Gleichung