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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste Gußeisenlegierung und
insbesondere eine Gußeisenlegierung mit verminderter Ungleichheit der Gießstruktur,
welche zur Verwendung als Material für verschleißbeständige Elemente geeignet ist
Es ist schon eine Legierung mit einem großen Vanadingehalt (nachstehend als "ältere
Legierung bezeichnet) vorgeschlagen worden, welche in der JA-PA 184923/1981 beschrieben
wird. Bei der älteren Legierung ist Vanadin zugesetzt worden, um durch Umsetzung
mit Kohlenstoff Vanadincarbid (VC) zu bilden0 Der Vanadincarbid hat eine Härte,
die etwa zweimal so hoch ist wie dieJenige von Chrom carbid. Da weiterhin die Vanadiemenge
im Verhältnis zu der Kohlenstoffmenge sehr groß ist, fällt das Vanadin in Form von
kleinen Klümpchen aus. Diese Ausfällung wird von einer Ausfällung von Austenit begleitet,
der die-Klümpchen des ausgefällten Vanadincarbids umgibt, so daß eine Verbesserung
der Zähigkeit gleichzeitig mit der Verbesserung der Verschleißbeständigkeit, die
durch den Vanadincarbid selbst gegeben wird, erhalten wird.
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Im allgemeinen hat jedoch das aus gefällte Vanadincarbid ein extrem
kleines spezifisches Gewicht von etwa 4,5, während die zu gießende geschmolzene
Eisenlegierung ein großes spezifisches Gewicht von etwa 7,0 aufweist. Eine Eisenlegierung
mit hohem Vanadingehalt leidet daher an einer Ungleichmäßigkeit der Gußst tur, die
auf eine Schwerkraftssegregation zurückzufu1iren ist, welche insbesondere bei Gußkörpern
mit großen Dimensionen oder bei Gegenständen, die durch Schleuderguß gegossen worden
sind, bewirkt wird. Dies, obgleich die Gegenstände eine überlegene Verschleißfestigkeit
und Zähigkeit aufweisen.
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Beim Gießen von großen Gegenstanden schwimmt nämlich das ausgefällte
Vanadincarbid oben9 so daß während des
gleichförmigen Dispergierens
des Vanadincarbids in der Form von weißen Klümpchen im oberen Teil des Gießkörpers
- wie aus der Mikrophotographie der Figur 1 ersichtlich wird - der untere Teil der
Guß struktur eine kleinere Menge von Vanadincarbid, das reich an flockenförmigem
M6C-Carbid ist, enthält, wie in Figur 7b gezeigt wird.
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Andererseits wird beim Schleudergußverfahren der ausgefällte Vanadincarbid
hauptsächlich im Kern oder dem Mittelteil durch die Drehachse herum konzentriert,
so daß der Gußkörper eine unerwUnschte ungleichmäßige Verteilung der Verschleißfestigkeit
und der Zähigkeit hat.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verschleißfeste Gußeisenlegierung
zur Verfügung zu stellen, die durch wirksame Vermeidung einer Schwerkraftssegregation
des Vanadincarbids verbessert worden ist, wodurch eine homogene Gießstruktur erhalten
wird. Diese Legierung soll daher als Material für Gußkörper mit großen Dimensionen
oder als Material für durch das Schleudergußverfahren hergestellte Gegenstände geeignet
sein.
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Es wurde nun gefunden, daß die Schwerkraftssegregation von Vanadincarbid,
die bei der älteren Legierung unvermeidlich ist, vermieden werden kann und daß es
daher möglich ist, großdimensionierte Gußkörper oder durch SchleuderguB hergestellte
Gegenstände zu erhalten, bei denen der Vanadincarbid in allen Stellen gleichförmig
verteilt ist, indem man einen Teil des Vanadins in dem Vanadincarbid durch Niob
ersetzt.
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Niob ist ein Element, das ähnlich wie Vanadin Carbide vom MC-Typ bildet.
Die Carbide vom MC-Typ des Niobs, d.h.
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Niobcarbid (NbC), haben ein spezifisches Gewicht voin etwa 7,7, das
erheblich größer ist als dasJenige (4,5) von Vanadincarbid und das gut über dasjenige
von Eisen hinausgeht. Das Niobcarbid zeigt daher nur eine geringe Tendenz
zu
einem Aufschwimmen und demgemäß zu einer Segregation.
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während der Verfestigung im Verlaufe des Gießens. Das Niobcarbid hat
jedoch eine Härte von etwa 2400 Hv, die niedriger ist als diejenige (2800 Hv) des
Vanadincarbids.
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Dazu kommt noch, daß, weil das Niob ein Atomgewicht von 92,91 hat,
-welches erheblich größer ist als dasjenige (50,92) von Niob, die erforderliche
Niobmenge für die Bildung der gleichen Menge von Carbid vom MC-Typ etwa zweimal
so groß ist wie diejenige von Vanadin.
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Erfindungsgemäß werden nun eine geeignete Menge von Wolfram (oder
Molybdän) und anderen Legierungselementen in Kombination verwendet, um das Niob
zu unterstützen oder einen Teil davon zu bilden. Die erfindungsgemäße Eisenlegierung
wird nach dem Gießen einem Abschrecken und Tempern zur Verfestigung der Matrix unterworfen,
bevor sie in der Praxis eingesetzt wird. Die Beschreibung, die das Abschrecken und
das Tempern betrifft, wird jedoch weggelassen, da sich die vorliegende Erfindung
auf die Verbesserung der Gußstruktur konzentriert.
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Durch die Erfindung wird daher eine verschleißfeste Gußeisenlegierung
zur Verfügung gestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie im wesentlichen,
auf das Gewicht bezogen, aus 2,4 bis 3,6,' Kohlenstoff, 0,5 bis 1,5% Silicium, 0,3
bis 1,0% Mangan, 3 bis 8% Chrom, nicht mehr als 9% Molybdän, nicht mehr als 8% Wolfram,
2 bis 8% Vanadin, 2 bis 8% Niob und zum Rest Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen
besteht.
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Die erfindungsgemäße verschleißfeste Gußeisenlegierung kann weiterhin
höchstens 3 Gew.-% Nickel und/oder 0,5 bis 3 Gew.-% Kobalt enthalten.
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Nachstehend werden die technische Signifikanz oder die Funktionen
der Elemente, die die erfindungsgemäße Eisen legierung bilden, sowie die Grunde
für die Festsetzung der einzelnen Gehaltsbereiche beschrieben.
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Kohlenstoff Kohlenstoff ist wesentlich, um Carbide vom MC-Typ in Kombination
mit Vanadin und Niob zu bilden. Zusätzlich bildet Kohlenstoff komplexe Carbide in
Kombination mit Chrom, Wolfram, Molybdän, Eisen, Mangan usw. und es wird in der
Matrix in fester Lösung aufgelöst, wodurch diese verfestigt wird. Ein zu niedriger
Kohlenstoffgehalt vermindert die Carbidmenge, wodurch die Verschleißfestigkeit verschlechtert
wird und zusätzlich die Gießbarkeit oder Fließfähigkeit des Legierungsmaterials
verschlechtert wird, wodurch die Herstellung von gesunden Gußkörpern beeinträchtigt
wird. Zur Überwindung dieser Nachteile wir die Untergrenze des Kohlenstoffgehalts
bei 2,4 Gew-% an gesetzt. Ein erhöhter Kohlenstoffgehalt erhöht die Menge von-Carbiden
und daher die Verschleißfestigkeit. Wenn jedoch der Kohlenstoffgehalt über eine
zur Kombination mit dem Vanadin und Niob geeignete Menge hinaus erhöht wird, dann
werden die jeweiligen eutektischen Carbide in der Austenitkorngrenze ausgefällt,
wodurch die Festigkeit des Gußkörpers schwerwiegend verschlechtert wird. Die Obergrenze
des Kohlenstoffgehalts wird daher auf 3,6 Gew.-% angesetzt.
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Silicium Silicium wird zugesetzt, um die Oxidation der Metallschmelze
zu verhindern und eine genügende Gießfähigkeit zu gewährleisten. Hierzu sollte der
Siliciumgehalt so ausgewählt werden, daß er im Bereich von 0,5 bis 1,5 Gew.-% liegt.
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Mangan Mangan wird zugesetzt, um die Oxidation der Legierungselemente
in der Metallschmelze zu verhindern, wie es auch bei Silicium der Fall ist. Zusätzlich
ist das Mangan aber
auch noch dazu wirksam, den Schwefel, der als
Verunreinigung mit dem Erzmaterial oder dem Brennstoff eingeführt wird, in Form
von MnS zu fixieren. Zu diesem Zweck wird der Mangangehalt im Bereich zwischen 0,3
und 1,0 Gew.-%, wie im Falle von üblichem Gußeisen, eingestellt.
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Chrom Das Chrom wird zugesetzt, um der Matrix eine Härtbarkeit zu
Verleihen und in Gegenwart von Wolfram, Molybdän usw.
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eine genügende Hochtemperaturfestigkeit aufrechtzuerhalten. Hierzu
sollte der Chromgehalt nicht kleiner als 3 Gew.-% sein. Der Effekt der Zugabe von
Chrom ist gesättigt, wenn der Chromgehalt über 8 Gew -% hinaus erhöht wird.
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Molybdän Molybdän wird zugesetzt, um den gleichen Effekt zu erhalten,
wie er auch durch Wolfram hervorgebracht wird. Zusätzlich dazu ist das Molybdän
noch wirksamer als das Wolfram, um die Härtbarkeit zu verbessern. Die Härtbarkeit
und die Heißverschleißfestigkeit werden durch Zugabe von Molybdän erhöht, doch wird
die Obergrenze bei 9 Gew.-% angesetzt, und zwar teilweise deswegen, weil Molybdän
teuer und wertvoll ist, und teilweise deswegen, weil das Molybdän die Bildung von
eutektischen Carbiden wie Wolfram fördert.
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Wolfram Durch Kombination von zugesetztem Wolfram und Kohlenstoff
gebildetes Wolframcarbid wird anstelle eines Teils des Vanadincarbids verwendet,
um das spezifische Gewicht zu erhöhen und auf diese Weise die Schwerkraftssegregation
wirksam zu verhindern. Zur gleichen Zeit geht das Wolframcarbid in den eutektischen
Carbiden und in der Matrix
in feste Lösung, wodurch die Verschleißfestigkeit
der Legierung sowie die Beständigkeit der Matrix gegenüber einem Heißerweichen erhöht
wird. Eine Erhöhung des Wolframgehalts wird jedoch von einer Erhöhung der Bildung
von eutektischen Carbiden begleitet, was zu einer verminderten Zähigkeit führt.
Die Obergrenze des Wolframgehalts wird daher in Beziehung zu der zugegebenen Vanadinmenge
auf 8 Gew.- angesetzt. Das Wolfram bringt fast den gleichen Effekt wie das Molybdän
hervor und Wolfram und Molybdän können daher gegeneinander ausgetauscht werden.
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Vanadin Vanadin wird zugesetzt, um einen Carbid mit einer hohen Härte
durch Kombination mit Kohlenstoff zu bilden. Um einen Gußkörper mit gleichförmiger
Dispersion des eutektischen Carbids ohne Verschlechterung der Festigkei-t-zu erhalten,
ist es notwendig, daß der Gehalt des eutektischen Carbids im Bereich von 2 bis 8
Gew.-% liegt.
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Niob Niob hat den Effekt, daß es durch Koexistenz mit Vanadin Carbide
vom MC-Typ in Form von kleinen Klümpchen ausfällt. Wenn der Niobgehalt zu klein
ist, dann wird die Niobmenge in den Carbiden vom MC-Typ klein und das spezifische
Gewicht der Carbide vom MC-Typ wird zu klein, als daß die Schwerkraftssegregation
wirksam verhindert werden könnte. Zum Erhalt eines ausreichenden Effekts zur Verhinderung
der Segregation darf der Niobgehalt nicht kleiner als 2 Gew.-% sein. Andererseits
hat Niob einen hohen Schmelzpunkt, der seinerseits eine Erhöhung der Schmelztemperatur
des Legierungsmaterials erfordert.
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Die Obergrenze des Niobgehalts ist daher bei 8 Gew.-,' angesetzt.
Um eine Ausfällung des Carbids vom MC-Typ direkt aus der Metallschmelze im Bereich
des Kohlenstoff-
gehalts der Legierungszusammensetzung gemäß der
Erfindung zu erhalten muß der Niobgehalt so ausgewählt werden, daß er der folgenden
Bedingung genügt: 6 Gew.-% < Vanadingehalt (GewO-%) + 0,5 x Niobgehalt (Gew.-%o).
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Die erfindungsgemäße Eisenlegierung kann weitere Elemente, wie Nickel,
Kobalt und dergleichen, zusätzlich zu den obengenannten Elementen je nach Anwendungszweck
enthalten. So kann die erfindungsgemäße verschleißfeste Eisenlegierung mindestens
eine der Komponenten nicht mehr als 3 Gew.-% Nickel und 0,5 bis 3 Gew.-96 Robalt
enthalten.
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Der Nickelgehalt und der Kobaltgehalt werden aus folgenden Gründen
so ausgewählt.
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Nickel ist ein Element, das die Härtbarkeit erheblich verbessert.
Dazu kommt noch, daß die Zugabe von Nickel bis zu 3 Gew.-O keinerlei Verminderung
der Beständigkeit der Matrix gegenüber einem Heißerweichen in Gegenwart von Wolfram
(oder Molybdän) in den oben angegebenen Mengen bewirkt. Je nach der Gestalt und
der Größe des Gußkörpers kann die Zugabe von weniger als 3 Gew.-% Nickel bei einer
kleineren Härtungsgeschwindigkeit als beim üblichen Härten die notwendige Härte
ergeben.
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Andererseits kann es bei der Zugabe von 0,5 bis 3 Gew.-% Kobalt, wenn
der Gußkörper hohen Temperaturen von mehr als 5000 c ausgesetzt wird und abrechselnd
mit geeignetem Dampf in Berührung ko t, zu Sohuppenbildungen kommen, die im allgemeinen
als schwarze Haut bezeichnet wird.
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Diese zeigt eine hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Haftfähigkeit
an der Matrix Die Zugabe von Kobalt in der oben angegebenen Menge ist daher dazu
wirksam, eine hohe Verschleißfestigkeit zu erhalten, und sie wird insbesondere dann
bevorzugt, wenn der Gußkörper bei Anwendungszwecken eingesetzt werden soll, bei
denen es auf eine spezielle hohe Verschlißfestigkeit ankommt.
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Die Erfindung'wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1a und Ib mikroskopische Strukturen des oberen und des unteren Teils
eines Gegenstands, der aus der älteren Gußeisenlegierung gegossen worden tst; und
Fig. 2a und 2b mikroskopische Strukturen, die den Figuren Ia und 7b entsprechen,
eines Gegenstands, der aus einer erfindungsgemäßen Gußeisenlegierung gegossen worden
ist.
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Beispiel 1 Eine erfindungsgemäße Gußeisenlegierung mit einer Zusammensetzung
gemäß der Tabelle wurde hergestellt. Diese erfindungsgemäße Gußeisenlegierung und
eine Gußeisenlegierung nach dem Stand der Technik mit einer Zusammensetzung gemäß
der Tabelle wurden unabhängig voneinander in einem Induktionsofen aufgeschmolzen
und in einer herkömmlichen C02-Form bei einer Gießtemperatur von 16000C gegossen,
um Rohlinge von Walzenringen zu bilden, die zur Verwendung als Außenschicht einer
zusammengesetzten Walze für das Warmwalzen vorgesehen waren. Die beim Gießen verwendete
Form hatte solche Abmessungen, daß ein hohler zylindrischer Walzenringrohling mit
einem Außendurchmesser von 370 mm, Innendurchmesser von 250 mm und einer Länge von
500 mm erhalten wurde. Das Gießen wurde bei aufrechter Stellung der Form durchgeführt,
d.h. die Längsachse der Form wurde vertikal gehalten. Die gegossenen Walzenringrohlinge
wurden einem Anlassen bzw. Glühen, das die Stufen des Erhitzens und eines 5-stündigen
Haltens bei 800 bis 850°C und eines natürlichen Abkühlens in der Luft umfaßte, unterworfen.
Die mikroskopische Struktur der einzelnen gegossenen Walzenringrohlinge nach dem
Anlassen wurde in einem Querschnitt bestimmt, der 400 mm oberhalb des unteren Endes
angeordnet war und
30 mm von der äußeren Umfangsoberfläche entfernt
war.
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Die mikroskopischen Strukturen, die bei dem Walzenringrohling, der
aus der älteren Eisenlegierung gegossen worden war, und dem Walzenringrohling, der
aus der erfindungsgemäßen Eisenlegierung gegossen worden war, beobachtet wurden
sind in den Figuren Ia und 2a dargestellt.
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Eine ähnliche Untersuchung wurde für die einzelnen gegossenen Walzenringrohlinge
in einem Querschnitt durchgeführt, der 50 mm oberhalb des unteren Endes angeordnet
war und 30 mm von der äußeren Umfangsoberfläche entfernt war. Die mikroskopischen
Strukturen, die bei den aus der bekannten alten Eisenlegierung gegossenen Walzenringrohlingen
und der erfindungsgemäßen Eisenlegierung gegossenen Walzenringrohlingen beobachtet
wurden, sind in den Figuren Ib und 2b dargestellt.
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Tabelle C Si Mn Cr Mo W V Nb ältere Legierung (Gew.-%) 2,8 0,9 0,4
3,9 6,5 2,0 9,5 0 erfindungsgemäß Legierung (Gew.-%) 2,8 0,9 0,3 4,0 6,4 1,9 7,0
4,0 Aus Figur la wird ersichtlich, daß in dem oberen Teil des Gegenstands, der aus
der älteren Eisenlegierung mit hohem Vanadingehalt, jedoch ohne wesentlichen Niobgehalt
gegossen worden war, eine hochdichte Verteilung der Vanadincarbide in Form von weißen
Klümpchen vorlag, während die mikroskopische Struktur des unteren Teils fast keine
Verteilung des Vanadincarbids zeigt.
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Aus den Figuren 2a und 2b ergibt sich in scharfem Rontrast zu dem
oben Gesagten, daß kein wesentlicher Unter-
schied in der Verteilung
des Vanadincarbids zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil des Walzenringrohlings,
der aus der erfindungsgemäßen Eisenlegierung gegossen worden war, bestand. Dies
zeigt eindeutig* daß in der erfindungsgemäßen Eisenlegierung die Schwerkraftssegregation
des Vanadins durch die Zugabe von Niob verhindert wird.
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Erfindungsgemäß ist es daher möglich, die Ungleichheit der MC-Carbide,
die auf die Schwerkraftssegregation der Carbide vom MC-Typ zurückzuführen ist, zu
unterdrücken, und die erfindungsgemäßen verschleißfesten Gußeisenlegierungen können
daher in geeigneter Weise zur Herstellung von großdimensionierten Gußkörpern und
Gegenständen, die durch ein Schleudergußverfahren hergestellt werden, verwendet
werden.
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Die erfindungsgemäße Eisenlegierung, die speziell für das Gießen vorgesehen
ist, kann nach einer sich an das Gießen anschließenden Schmiedebehandlung eingesetzt
werden.
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