DE3237985C2

DE3237985C2 - Verschleißfeste Gußeisenlegierung

Info

Publication number: DE3237985C2
Application number: DE19823237985
Authority: DE
Inventors: Tadao Kitakyushi Matsumoto
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1982-02-26
Filing date: 1982-10-13
Publication date: 1984-09-13
Also published as: JPS6051548B2; JPS58147542A; DE3237985A1

Abstract

Es wird eine verschleißfeste Gußeisenlegierung beschrieben, 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.

Description

Vanadingchalt(%) + 0.5 · Niobgehalt (%) > 6%.

Die Erfindung betrifft eine Gußeisenlegierung und insbesondere eine Gußeisenlegicrung mit verminderter Ungleichheit der Gußstruktur, welche zur Verwendung als Material für verschleißbeständige Elemente geeignet ist.

Es ist schon eine Legierung mit einem großen Vanadingehall (nachstehend als »allere Legierung« bezeichnet) vorgeschlagen worden, welche in der |A-PA 1 84 923/1981 beschrieben wird. Bei der älteren Legierung ist Vanadin zugesetzt worden, um durch Umsetzung mit Kohlenstoff Vanadincarbid (VC) zu bilden. Das Vanadincarbid hat eine Härte, die etwa zweimal so hoch ist wie diejenige von Chromcarbid. Da weiterhin die Vanadinmenge 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.

Im allgemeinen hat jedoch das ausgefällte Vanadincarbid ein extrem kleines spezifisches Gewicht von etwa 4,5, während die zu gießende geschmolzene Eisenlegierung ein großes spezifisches Gewicht von etwa 7,0 so aufweist. Eine Eisenlegierung mit hohem Vanadingchalt leidet daher an einer Ungleichmäßigkeit der Gußstruktur, die auf eine Schwerkraftsteigerung zurückzuführen ist, welche insbesondere bei Gußkörpern mit großen Dimensionen oder bei Gegenständen, die durch Schleuderguß gegossen worden sind, bewirkt wird. Dies obgleich die Gegenstände eine übci legcne Verschleißfestigkeit und Zähigkeit aufweisen. Beim Gießen von großen Gegenständen schwimmt nämlich das ausgefällte Vanadincarbid oben, so daß während des gleichförmigen Dispergierens des Vanadincarbids in der Form von weißen Klümpchen im oberen Teil des Gießkörpers — wie aus der Mikrophotographie der F i g. I ersichtlich wird — der untere Teil der Gußstruktur eine kleinere Menge von Vanadincarbid, das reich an flockenfönnigem M_hC-Carbid ist. enthält, wie in F i g. 1 b gezeigt wird.

Andererseits wird beim SchleuJergußvcrfahren der ausgefällte Vanadincarbid hauptsächlich im Kern oder dem Mittelteil durch die Drehachse herum konzentriert, so daß der Gußkörper eine unerwünschte ungleichmäßige Verteilung der Verschleißfestigkeit und der Zähigkeit hat.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verschleißfeste Gußeisenlegierung zur Verfügung zu stellen, die durch wirksame Vermeidung einer Sehwerkraftsscigcrung des Vanadincarbids verbessert worden ist, wodurch eine homogene Gußstruktur erhalten wird. Diese Legierung soll daher als Material für Gußkörper mit großen Dimensionen oder als Material für durch das Sehleudcrgußverfahren hergestellte Gegenstände geeignet sein.
4> 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 Gußköpper oder durch Schleuderguß 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.

Niob ist ein Element, das ähnlich wie Vanadin Carbide vom MC-Typ bildet. Die Carbide vom MC-Typ des Niobs. d. h. Niobcarbid (NbC), haben ein spezifisches Gewicht von 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 Seigerung 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. Dazu kommt noch, daß weil das Niob ein Atomgewicht von 92,91 hat. welches erheblich größer ist als dasjenige (50.92) von Vanadin, die erforderliche Niobmenge für die Bildung der gleichen Menge von Carbid vom MC-Typ etwa zweimal so groß ist wie diejenige von Vanadin.

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 Glühen zur Verfestigung der bO Matrix unterworfen, bevor sie in der Praxis eingesetzt wird. Die Beschreibung, die das Abschrecken und das Glühen betrifft, wird jedoch weggelassen, da sich die vorliegende Erfindung auf die Verbesserung der Gußstruktur konzentriert.

Durch die Erfindung wird daher eine \eisehleiltfesic Gußeiseiilegierung /ur Verfügung gestellt, die dadurch gekennzeichnet ist. daß sie. auf das Gewicht bezogen, aus 2A bis 3.b°/ii Kohlenstoff, 0.5 bis 1,5'Vii Silicium. UJ bis ι,-, ].()"/< > Mangan. 3 bis 8"/n Chrom, nicht mehr als 9"/» Molybdän, nicht mehr als K¹Vi, Wolfram. 2 bis 8% Vanadin. 2 bis 8^n/n Niob. Rest Eisen und ersehmel/iingsbcilingte Verunreinigungen besieht.

Die erfindiingsgemäßc verschleißfeste ( !!!!.!eisenlegierung kann weiterhin höchstens V'-'n Nickel und/oder 0,ϊ his !",ή Kobalt enthalten.

Nachstehend werden die technische Signifikanz oder die Funktionen der Elemente, die die erfindungsgemäße Eisenlegierung bilden., sowie die Gründe für die Festsetzung der einzelnen Gehaltsbereiche beschrieben.

Kohlenstoff

Kohlenstoff ist wesentlich, um Carbide vom MC-Typ in Kombination mit Vanadin und Niob zu bilden. 2'usätzlich bildet Kohlenstoff komplexe Carbide in Kombination mit Chrom. Wolfram, Molybdän, Eisen oder Mangan. Es wird in der Matrix in fester Lösung eingebunden, 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 Herstel- to lung von fehlerfreien Gußkörpern beeinträchtigt wird. Deshalb wird die Untergrenze des Kohlenstoffgehalts bei 2,4% angesetzt Ein steigender Kohlenstoffgehalt erhöht die Menge von Carbiden und daher die Verschleißfestigkeit Wenn jedoch der Kohlenstoffgehalt über eine zur Kombination mit dem Vanadin und Niob erforderliche Menge hinaus erhöht wird, dann werden die jeweiligen cutektischen Carbide in der Austenitkorngrenze ausgefällt wodurch die Festigkeil des Gußkörpers schwerwiegend verschlechtert wird. Die Obergrenze des is Kohlenstoffgehalts wird daher auf 3,6% angesetzt.

Silicium

Silicium wird zugesetzt um die Oxidation der Metallschmelze zu verhindern und eine genügende Gießfähig- λ> keit zu gewährleisten. Hierzu sollte der Siliciunigehalt so ausgewählt werden, daß er im Bereich von 0.5 bis 1,5% liegt.

Mangan

Mangan wird zugesetzt, um die Oxidation der Legierungselemenic in der Metallschmelze zu verhindern, wie es auch bei Silicium der Fall ist. Zusätzlich bewirkt das Mangan aber auch den Schwefel, der als Verunreinigung mit dem Erz oder dem Brennstoff eingeführt wird, in Form von MnS zu binden. Zu diesem Zweck wird der Mangangehalt im Bereich zwischen 0,3 und 1.0%. wie im Falle von üblichem Gußeisen, eingestellt.

Chrom

Das Chrom wird zugesetzt, um der Matrix eine Härtbarkeit zu verleihen und in Gegenwart von Wolfram, Molybdän usw. eine genügende Warmfestigkeit aufrechtzuerhalten. Hierzu sollte der Chromgehalt nicht kleiner als 3% sein. Der Effekt der Zugabe von Chrom ist erreicht, wenn der Chromgehalt 8% beträgt.

Molybdän

Molybdän wird zugesetzt, um den gleichen Effekt zu erhallen, wie er auch durch Wolfram hervorgebracht wird. Zusätzlich dazu ist das Molybdän noch wirksamer als das Wolfram, um die Härtbarkeit zu verbessern. Die Haltbarkeit und die Warmverschleißfcstigkcit werden durch Zugabe von Molybdän erhöht, doch wird die Obergrenze bei 9% angesetzt, weil Molybdän teuer und wertvoll ist. und weil das Molybdän die Bildung von eutektisehen Carbiden wie Wolfram fördert.

WoI Irani

Durch Kombination von zugesetztem Wolfram und Kohlenstoff gebildetes Wolframcarbid wird anstelle eines Teils des Vanudincarbids verwendet, um das spezifische Gewicht /u erhöhen und auf diese Weise die Schwerkraftsseigerung wirksam zu verhindern. Zur gleichen Zeit geht das Wolframcarbid in den eulektischen Carbiden und in der Matrix in feste Lösung, wodurch die Verschleißfestigkeit der Legierung sowie die Beständigkeit der Matrix gegenüber einem Warmerweichen erhöht wird. Eine Erhöhung des Wolframgehalts wird jedoch von einer Erhöhung der Bildung von eutektisehen Carbiden begleitet, was zu einer verminderten Zähigkeit führt. Die Obergren :e des Wolframgehalls wird daher in Beziehung zu der zugegebenen Vanadinmenge auf 8% angesetzt. Das Wolfram bringt fast den gleichen Effekt wie das Molybdän hervor. Wolfram und Molybdän können daher gegeneinander ausgetauscht werden.

Vanadin

Vanadin wird zugesetzt, um einen Carbid mit einer hohen Härte durch Kombination mit Kohlenstoff zu bilden. Um einen Gußkörper mit gleichförmiger Dispersion des cutcktischen Carbids ohne Verschlechterung t>o der Festigkeit zu erhalten, ist es notwendig, daß der Gehalt des eutektisehen Carbids im Bereich von 2 bis 8% liegt.

Niob

Niob hat den Effekt, daß es im Zusammenwirken mil Vanadin Carbide vom MC-Typ in Form von kleinen Klümpchcn ausfällt. Wenn der Niobgchalt /u klein ist. dann wird die Niobmenge in den Carbiden vom MC-Typ klein und das spezifische Gewich! der Carbide vom MC-Tsη wird zu klein, als daß die Sc-Iiworkr:iftssfii»rrnnu

wirksam verhindert werden könnte. Zum Erhalt eines ausreichenden Hffekts zur Verhinderung der Seigerung darf der Niobgehalt nicht kleiner als 2% sein. Andererseits hat Niob einen hohen Schmelzpunkt, der seinerseits eine Erhöhung der Schmelztemperatur des Lcgierungsmaicrials bedingt. Die Obergrenze des Niobgehalts ist daher bei 8% angesetzt. Um eine Ausfällung des Carbids vom MC-Typ direkt aus der Metallschmelze im Bereich •5 des Kohlenstoffgehalis der L.egierungszusaminensetzung gemäß der Erfindung zu erhalten, muß der Niobgehalt so ausgewählt werden, daß er der folgenden Bedingung genügt:

b"/o < Vanadingehall (%) + 0,5 ■ Niobgehall (%).

ίο Die erfindungsgemiiße Eisenlegierung kann weitere Elemente, wie Nickel oder Kobalt zusätzlich zu den obengenannten !Elementen je nach Anwendungszweck enthalten. So kann die erfindungsgemäße verschleißfeste Eisenlegierung nicht mehr als 3% Nickel und/oder 0,5 bis 3% Kobalt enthalten. Der Nickelgehalt und der Kobaltgchalt werden aus folgenden Gründen so ausgewählt.

Nicke! ist ein Element, Has die Härtbarkeit erheblich verbessert. Dazu kommt noch, daß die Zugabe von Nickel bis zu 3% keinerlei Verminderung der Beständigkeit der Matrix gegenüber einem Warmerweichen 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% Nickel bei einer kleineren Härtungsgeschwindigkeit als beim üblichen Härten die notwendige Härte ergeben.

Andererseits kann es bei der Zugabe von 0,5 bis 3% Kolbalt, wenn der Gußkörper hohen Temperaturen von mehr als 500°C ausgesetzt wird und abwechselnd mit geeignetem Dampf in Berührung kommt, zu Schuppenbildungen kommen, die im allgemeinen als schwarze Haut bezeichnet wird. 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. Sie wird insbesondere dann bevorzugt, wenn der Gußkörper bei Anwendungszwecken eingesetzt werden soll, bei denen es auf eine spezielle hohe Verschleiß- ;·ϊ festigkeit ankommt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

F i g. la und Ib mikroskopische Strukturen des oberen und des unteren Teils eines Gegenstandes, der aus der älteren Gußeisenlegierung gegossen worden ist; und

F i g. 2a und 2b mikroskopische Strukturen, die den Fig. la und 1 b entsprechen, eines Gegenstandes, der aus jo einer erfindungsgemäßen Gußeisenlegierung gegossen worden ist.

Beispiel 1

Diese erfindungsgemäße Gußeisenlegierung und eine Gußeisenlegierung nach dem Stand der Technik mit einer Zusammensetzung gemäß der Tabelle wurden unabhängig voneinander in einem Induktionsofen erschmolzen und in einer herkömmlichen Sandform bei einer Gießtemperatur von 1600^CC zu Rohlingen von Walzmänteln vergossen, die als Außenschicht einer Verbundwalze vorgesehen waren.

Die beim Gießen verwendete Form hatte solche Abmessungen, daß ein hoher zylindrischer Walzenmantelrohling 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 Walzenmantelrohlinge wurden einem Anlassen bzw. Glühen, das aus Erhitzen, 5stündigem Halten bei 800 bis 850"C und natürlichem Abkühlen an Luft entstand, unterworfen. Die mikroskopische Struktur der einzelnen gegossenen Walzenmantelrohlinge nach dem Anlassen wurde in einem Querschnitt bestimmt, der 400 mm oberhalb des unteren Endes angeordnet war und 30 mm von der äußeren Umfangsoberfiäche entfernt war. Die mikroskopischen Strukturen, die bei dem Walzenmantelrohling, der aus der älteren Eisenlegierung gegossen worden war. und dem Walzenmantelrohling, der aus der erfindungsgemäßen Eisenlegierung gegossen worden war. beobachtet wurden, sind in den Fig. la und 2a dargestellt. Eine ähnliche Untersuchung wurde für die einzelnen gegossenen Walzenmantelrohlinge in einem Querschnitt durchgeführt, der 50 mm oberhalb des unteren Endes angeordnet war und 30 mm von der äußeren Umfangsoberfiä-

DU die enifernt war. Die mikroskopischen Strukturen, die bei den ans der bekannten alten Eisenlegierung gegossenen Walzenmantelrohlingen und der erfindungsgemäßen Eisenlegierung gegossenen Walzenmantelrohiingen beobachtet wurden, sind in den F i g. I b und 2b dargestellt.

Tabelle C Si Mn Cr Mo W V Nb

ältere Legierung (Gew.-%) erfindungsgemäße Legierung(Gew.-%)

Aus F i g. la wird ersichtlich, daß in dem oberen Teil der Probe, die 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 b5 fast keine Verteilung des Vanadincarbids zeigt.

Aus den Fig. 2a und 2b ergibt sich in scharfem Kontrast zu dem oben Gesagten, daß kein wesentlicher Unterschied in der Verteilung des Vanadincarbids zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil des Walzenmantelrohlings, der aus der erfindungsgemäßen Eisenlegierung gegossen worden war, bestand. Dies zeigt

2.3	0.9	0,4	3,9	6,5	2,0	9,5	0
2,8	0.9	0,3	4,0	6,4	1,9	7,0	4,0

eindeutig, daß in der erfindungsgcmaßen Eisenlegierung die Schweikrafisseigeriing des Vanadins durch die Zugabe von Niob verhindert wird.

Erfindungsgemäß ist es daher möglich, die Ungleichheit der MC-Carbide. die auf die Sehwerkraftsseigerung der Carbide vom MC-Typ zurückzuführen ist, zu unterdrücken. Die erlindungsgcniäUen versehleißfesien Gußeisenlegierungen können daher in geeigneter Weise zur Herstellung von grolJdimcnsionierten Gußkörpern und Gegenständen, die durch ein Schleudergußverfahren hergestellt werden, verwendet werden.

Die erfindungsgemä'ßc Eisenlegierung, die speziell für das Gießen vorgesehen ist. kann nach einer sich an das Gießen anschließenden Schmiedebehandlung eingesetzt weiden.

lier/u 2 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!.Verschleißfeste Gußeisenlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie 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. Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen besteht.
2. Verschleißfeste Gußeisenlegierung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich nicht mehr als 3% Nickel und/oder 0,5 bis 3% Kobalt enthält.
3. Verschleißfeste Gußeisenlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vanadingehalt und der Niobgehalt so ausgewählt sind, daß sie folgender Beziehung genügen: