DE3390548C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Verbesserung der Zähigkeit und Abriebfestigkeit von weißem Gußeisen bei gleichzeitig deutlicher Erhöhung der Zugfestigkeit; sie betrifft Gußei­ sen, bestehend aus Eisen mit üblichen Begleitelementen, 0,001 bis 4,0% Bor, 0,001 bis 30% eines oder mehrerer der Elemente: Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Molybdän, Nickel, Kupfer, Chrom oder deren Gemischen, und 1,8 bis 4,5% Koh­ lenstoff in Form globulärer Karbide, welches je nach Zusam­ mensetzung ein Erstarrungsintervall innerhalb von 9 K von der eutektischen Temperatur besitzt. Die Erfindung betrifft fer­ ner Verfahren zur Herstellung eines solchen Gußeisens mit verbesserter Zähigkeit, Verformbarkeit und Zugfestigkeit un­ ter Beibehaltung einer gewünschten Abriebfestigkeit durch Änderung der Karbid-Morphologie.

Es ist bekannt, daß die Legierung des weißen Gußeisens ein hoch verschleißfester Werkstoff ist, der, entsprechend der üblichen Abgrenzung, mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 1,5% und der Fähigkeit gebildet wird, mit anderen Me­ tallen, gewöhnlich Chrom, legiert zu werden, welche sich mit dem Kohlenstoff unter Bildung einer Eisen-Chrom-Karbid-Ver­ bindung wie M _x C _y verbinden. In vielen Fällen ist die Eigen­ abriebfestigkeit unlegierten Gußeisens für den beabsichtig­ ten Verwendungszweck ausreichend und gibt dem Anwender daher keine Probleme auf. Wenn das Gußeisen dagegen in Form eines Arbeits­ gerätes oder einer industriellen Vorrichtung bestimmten Ar­ ten von Verschleiß unterworfen wird, lassen die dem Gußei­ sen eigenen mechanischen Eigenschaften viel zu wünschen üb­ rig.

Es ist bekannt, daß es verschiedene Einteilungen des Ver­ schleißes gibt, dem der Gußeisen-Werkstoff unterworfen sein kann. Bei einer ersten Verschleißart, dem aushöhlenden oder Rillen bildenden Verschleiß, durchdringen grobe Schleifteil­ chen die Arbeitsfläche des Gußeisens und rufen einen hohen Grad an Metallentfernung hervor. Bei typischen industriel­ len Erscheinungsformen dieser Verschleißart, so bei Erdbe­ wegungsgeräten, Hammermühlen und Backenbrechern, ist mit der Metallentfernung eine schwere Stoßbelastung verbunden, die, so wurde gefunden, nachteilige Auswirkungen auf das Gußeisen hat.

Bei einer anderen Art von Verschleiß, die häufig als Hoch­ belastungsabrieb bezeichnet wird, werden Schleifteilchen, wie sie im Bergbau angetroffen werden können, unter dem mahlenden Einfluß sich bewegender Metalloberflächen zer­ kleinert. Der mit diesen mit Verschleiß behafteten Arbeitsver­ fahren verbundene Beanspruchungsgrad, wie er häufig bei zum Mahlen verwendeten Gußteilen, Brecherwalzen oder Mühlen­ panzern auftritt, überschreitet oft die Belastungsgrenzen gewöhnlichen Gußeisens und führt zum Ausfall der Vorrich­ tung oder des Geräts.

Bei einer dritten Verschleißart, dem Abrieb unter geringer Beanspruchung bzw. der Erosion, ist der den Verschleiß her­ vorrufende Vorgang, dem die gußeisernen Oberflächen der Vorrichtung unterworfen sind, nicht mit stark beanspruchen­ den Bedingungen verbunden, erfordert aber dennoch hohe Ab­ riebfestigkeit.

Der Aushöhlungen oder Rillen bildende Verschleiß, der mit einer schweren Stoßbelastung verbunden ist, erfordert eine Zähigkeit, die Gußeisen bisher üblicherweise nicht besaß. Ein Manganstahl mit hoher Plastizität und Zähigkeit ist in der Lage, die Stoßfestigkeitsanforderungen an einen die­ ser Verschleißart unterworfenen Werkstoff zu erfüllen. Ge­ wöhnlich stellt man jedoch fest, daß die Härte und die Ab­ riebfestigkeit unzureichend sind, um einen extrem hohen Ver­ schleißgrad bei mit Hochbelastungsabrieb verbundenen Vorgängen, wie sie typischerweise in einem weiten Bereich von Pulverisierungsverfahren, beispielsweise bei Kugelmühlen, auftreten, zu verhindern. Bei solchen, mit hoher Belastung verbundenen Arbeitsgängen können sowohl Chrom-Molybdän-Stahl als auch legiertes weißes Eisen bei verschiedenen Vorrich­ tungsarten verwendet werden, abhängig von der erforderli­ chen Zähigkeit und der gleichzeitig erforderlichen Abrieb­ festigkeit. Bei der letzten Verschleißart, die mit Arbeits­ operationen unter geringer Beanspruchung verbunden ist, können mit Chrom legierte Stähle mit oder ohne Beigaben von Molybdän oder Nickel mit einer wünschenswerten hoch-marten­ sitischen Matrix und einer darin eingebetteten Karbidphase verwendet werden.

Die Betrachtung der Verschleißarten und die Kenntnisse der Industrie bezüglich der zur Verfügung stehenden Metallar­ ten, die die Anforderungen an diese Verschleißarten erfül­ len, führte die Fachwelt in ein Dilemma. Um Vorrichtungen zu betreiben, die mindestens den ersten beiden Arten von Verschleiß unterworfen sind, ist es eindeutig erforderlich, optimale Abriebfestigkeit mit ausreichender Zähigkeit zu kombinieren, um den schweren Stoß- und Beanspruchungsbe­ dingungen, die für diese Verschleißarten charakteristisch sind, zu widerstehen. Härte und Zähigkeit stehen jedoch, und das ist allgemein anerkannt, an den entgegengesetzten Enden des Spektrums, so daß jene Zusammensetzungen, die mehr von der einen Charakteristik besitzen, etwas von der anderen verlieren, während doch sowohl Härte als auch Zä­ higkeit erforderlich sind.

Die Industrie, die abriebfeste Gußteile liefert, hat lange danach gesucht, die Lebens- bzw. Betriebsdauer der Geräte und Vorrichtungen zu verbessern, die den Guß bei den be­ schriebenen, mit Verschleiß verbundenen Anwendungen verwen­ den. Verschiedene legierte und nichtlegierte Eisen-Kohlen­ stoff-Zusammensetzungen besitzen keine hohe Zähigkeit im martensitischen Zustand, wobei der Kohlenstoffgehalt bei etwa 0,04% beginnt. Hypereutektoide Stähle und weiße Guß­ eisensorten besitzen ungenügende Zähigkeit wegen der Mor­ phologie des Zementits (Fe₃C). Das Legieren der Eisen-Koh­ lenstoff-Zusammensetzung erzeugt Karbide (M _x C _y ) mit größe­ rer Härte und erfüllt somit einige Anforderungen an größe­ re Abriebfestigkeit. Während jedoch die Abriebfestigkeit steigt, sinkt die Zähigkeit bzw. die Bruchfestigkeit mit steigendem Karbidvolumen, sofern nicht die Karbidgröße bei jedem gegebenen Karbidvolumen vermindert wird. Die Metallur­ gen haben die Komplexität von weißem Gußeisen seit langem erkannt, und zwar weil die beiden hauptsächlichen Mikro-Be­ standteile, nämlich das Karbid und die Matrix, sich im we­ sentlichen unabhängig voneinander verhalten. Nichtsdestowe­ niger ergeben sich die letztendlichen charakteristischen Eigenschaften des Werkstoffs aus der gegenseitigen Abhängig­ keit der beiden Komponenten, wenn das weiße Gußeisen Ab­ riebs- und Stoßbedingungen unterworfen wird. Unter Stoßbe­ anspruchung zerbrechen die Karbide bei einem solchen Werk­ stoff, und wenn die Karbide zusammenhängen und verhältnis­ mäßig grob sind, werden sich die Risse durch die ganze Struktur ausbreiten, was häufig zur Zerstörung oder minde­ stens zu beschleunigtem Verschleiß des Werkstoffes führt.

Somit gibt es bis heute keine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, deren Kohlenstoffgehalt 1,7 Gewichtsprozent übersteigt, und die die Anforderungen an hohe Abriebsfestigkeit und gute Stoßbeanspruchungsabsorption erfüllt.

Aus der DE-OS 24 28 822 ist eine Gußeisenlegierung mit ver­ besserter Verschleißbeständigkeit und sphärolithischen Graphitausscheidungen bekannt, die aus Eisen mit üblichen Begleitelementen besteht und bis zu 0,5% Bor, 0 bis 3,5% Vanadium, 0 bis 1% Titan, 0 bis 2,5% Niob und/oder Tantal, 0 bis 2,5% Molybdän, 0 bis 1% Nickel, 0 bis 2% Kupfer, 0 bis 1% Chrom und 2,5 bis 4,5% Kohlenstoff sowie 1,5 bis 4,5% Silicium und weniger als 0,1% Schwefel enthält. Die bekannten Legierungen zeigen ein bainitisches bis martensi­ tisches Grundgefüge, und ihre Graphitausscheidungen sind sphärolithisch, und die verschleißtragenden Carbidausschei­ dungen sind punkt- bis kugelförmig und bilden kleine Kristalle. Aus der Druckschrift geht jedoch nicht hervor, ob es einen kritischen Wert für die mittlere Teilchengröße der Carbide gibt und wie noch höhere Festigkeitswerte, bessere Verschleißfestigkeit und größere Verformbarkeit des Gußei­ sens erreicht werden könnten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Gußeisen mit noch verbesserter, hoher Abriebsfestigkeit und Zähigkeit, gleichzeitig aber auch verbesserter Zugfestigkeit zu schaf­ fen, bei dem die Carbide die Form von Globuli mit verringer­ ter mittlerer Teilchengröße aufweisen, die der Kugelform nahekommen und gleichmäßig in der Matrix verteilt sind.

Diese Aufgabe wird bei Gußeisen der eingangs genannten Gat­ tung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Erstarrungs­ punkt zwischen 1204 und 1316°C liegt und daß der in Form globulärer Carbide enthaltene Kohlenstoff eine mittlere Teilchengröße von weniger als 4 µm aufweist.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß eine mittlere Teilchengröße von etwa 4 µm bei den globulären Carbiden eine kritische Größe darstellt, deren Unterschreitung mit einer deutlichen Verbesserung des notwendigen Kompromisses zwi­ schen Härte bzw. Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und Zug­ festigkeit des Gußeisens führt.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gußei­ sens sind durch die Merkmale der Patentansprüche 2 bis 8 gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gibt man 0,001 bis 4,0% Bor zu einer Gußeisenschmelze, die 0,001 bis 30% Vanadium, Titan, Niob, Molybdän, Nickel, Kupfer, Tantal, Chrom oder deren Gemische und 1,8 bis 4,5% Kohlenstoff enthält, worauf die Schmelze auf eine Temperatur unter der Gleichgewichts­ erstarrungstemperatur unterkühlt wird und unter Bildung glo­ bulärer Carbide erstarrt, die eine mittlere Teilchengröße von weniger als 4 µm aufweisen, weniger also, als der durch­ schnittlichen Größe von Carbidteilchen in herkömmlichem Guß­ eisen entspricht.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfah­ rens sind durch die Merkmale der Patentansprüche 10 bis 21 gekennzeichnet.

Es ist seit langem bekannt, daß weiße Gußeisen inhärent die erwünschten Verschleißfestigkeitseigenschaften besitzt, um den verschiedenen Verschleißbedingungen zu entsprechen, denen die gußeiserne Vorrichtung unterworfen wird. Es wur­ de nun gefunden, daß die Karbidmorphologie des legierten Gußeisens so geändert werden kann, daß die Verschleißfe­ stigkeit beibehalten und nicht nur die Zugfestigkeit ver­ bessert, sondern, was noch wichtiger ist, eine meßbare plastische Verformung und eine deutliche Verbesserung der Zähigkeit erreicht werden. Es ist bekannt, daß bei den früheren Gußeisen der freie Kohlenstoff, also der im Über­ schuß zu dem in der Austenit-, Perlit- oder Martensit-Ma­ trix gefundene Kohlenstoff, entweder in Form von Graphit vorliegt, der eine dreidimensionale Form einnimmt, die einer Getreideflocke in gewisser Weise ähnlich sieht, oder aber in Form eines Karbids mit plättchen- oder stäbchen­ förmigem Aussehen. In beiden Formen besitzen die Teilchen mikroskopische Größe, sind aber größer als 10 µm bei durch­ schnittlicher Teilchengröße unter Annahme normaler Wärme­ ableitung von einer Sandform und einer Metallprofilstärke von mehr als 10 mm.

Es ist bekannt, daß diese Graphitflocken Ausgangspunkt von Brüchen entlang der Ebene der Flocken sind. Eine gute Gußeisenqualität würde eine Zugfestigkeit von etwa 344,7 × 10⁶ Pa bei 0% Dehnung besitzen; dies wäre ein sehr spröder oder nichtzäher Werkstoff ohne jedwede Verform­ barkeit. Wenn der Werkstoff dagegen in geeigneter Weise legiert ist, teilt sich der freie Kohlenstoff auf ein intermetallisches Metallkarbid, gewöhnlich Chromkarbid in Form von Plättchen oder Stäbchen, auf, welche innerhalb der Matrix zusammenhängend oder nichtzusammenhängend vor­ liegen können, aber wiederum eine mittlere Größe von mehr als 10 µm aufweisen. Die Karbidteilchen können auch die Form von Nadeln einnehmen, aber, welche Erscheinungsform sie auch immer mikroskopisch haben mögen, ihre mittlere Länge beträgt mindestens noch 10 µm, was die Neigung zur Rißbildung unter Beanspruchung erhöht und oft letztlich zum Ausfall der Vorrichtung führt.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß diese gewöhnliche stan­ gen- oder plattenförmige Geometrie der Karbide in eine globuläre Form, die sich der Kugelform annähert, umgewan­ delt werden kann, wobei nicht nur die gewünschte Zähigkeit, sondern auch eine deutliche Erhöhung der Zugfestigkeit er­ zeugt werden. Diese Änderung der Morphologie der Karbide von Gußeisen machte aus dem nichtduktilen, spröden, nicht­ verformbaren Gußeisen der Vergangenheit ein Gußeisen, das die Fähigkeit zur plastischen Verformung und höhere Zug­ festigkeit unter Beibehaltung überlegener Verschleißfestig­ keit besitzt.

So wurde beispielsweise gefunden, daß sich das erfindungs­ gemäße Gußeisen biegt, bevor es bricht, und der Beanspru­ chungsgrad, dem es ohne zu brechen unterworfen werden kann, ist im Vergleich zu vorbekannten Gußeisen deutlich höher. Das erfindungsgemäße Gußeisen wird vorzugsweise mit Chrom legiert, aber die Eigenschaften des entstehenden Gußeisens sind verschieden, je nach den verschiedenen Zusätzen an Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Nickel, Molybdän oder Kup­ fer, die das Chrom in einer Menge von 0,001 bis 30% er­ setzen.

Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Gußeisen im allgemeinen eine hohe Zugfestigkeit von etwa 1041,1 × 10⁶ Pa besitzt, im Vergleich zu der üblichen Zugfestigkeit von 344,7 × 10⁶ bis 413,7 × 10⁶ Pa vorbekannter Gußeisen. Typi­ sche Gußeisen hatten eine 0%-Dehnungscharakteristik, wäh­ rend das erfindungsgemäße Gußeisen eine Dehnungsfähigkeit von 3% besitzt. Der Durchschnittsfachmann wird sofort die deutlichen Vorteile einer Erhöhung der Dehnung oder pla­ stischen Verformung erkennen, nämlich die Schaffung eines Grades an Zähigkeit, der bei jenen Vorrichtungen so wich­ tig ist, die großem Verschleiß und großer Stoßbeanspru­ chung unterworfen sind, wie z. B. Brecher und Mühlen für den Bergbau, aber auch bei Pumpen für den Transport von schleifmittelartige Feststoffteilchen enthaltenden Fluiden. Wenn man nur die äußere Form der Karbide im Gußeisen än­ dern würde, so wäre das zwar wünschenswert, aber nicht an­ nähernd so wirksam, als wenn man die äußere Form der Karbi­ de zu Globuli umwandeln und die Teilchengröße unter die typische mittlere Größe von 10-14 µm, die die Teilchen be­ kannter Gußeisen aufwiesen, bis hinab zu einer Größe von weniger als 4 µm reduzierte. Durch eine Reduzierung der Teilchengröße des Karbids in dieser Größenordnung ist es möglich, die mittlere freie Weglänge zwischen den kleine­ ren diskreten, globuliförmigen Teilchen zu minimieren, um zu höheren Festigkeitswerten, besserer Verschleißfestig­ keit und größerer Verformbarkeit beizutragen. Somit wer­ den erfindungsgemäß nicht nur die Karbide hinsichtlich ihrer äußeren Form zu kugelförmigen oder annähernd kugel­ förmigen Globuli verändert, sondern die kugelförmigen Teil­ chen wurden hinsichtlich ihrer mittleren Größe auf unter 4 µm reduziert.

Bekanntlich ist Gußeisen eine Eisen-Kohlenstoff-Zusammen­ setzung, die legiert werden kann. Es ist ferner bekannt, daß die Trennlinie zwischen Gußeisen und Stahl durch die Löslichkeit von Kohlenstoff in Eisen im festen Zustand be­ stimmt wird. Bei höheren Kohlenstoffgehalten tritt Kohlen­ stoff in Form von freiem Graphit auf, sofern er nicht le­ giert wurde. Das zur Bildung von Karbiden in Gußeisen und zur Verbesserung verschiedener Eigenschaften verwendete Legierungselement ist üblicherweise Chrom. Molybdän, Vana­ dium, Titan, Kupfer, Nickel, Niob und Tantal können jedoch gegebenenfalls in jeder Kombination dem Chrom zugegeben oder anstelle des Chroms eingesetzt werden. Wenn sie zu­ sammen mit Chrom verwendet werden, sind diese metallischen Elemente gewöhnlich in einer Menge bis zu etwa 7% ent­ halten, obwohl vorzugsweise Vanadium und Niob 0,001 bis 5%, Molybdän und Kupfer 0,001 bis 4%, Nickel 0,001 bis 7% und Titan und Tantal 0,001 bis 4% ausmachen können, wobei die Gesamtmenge zusammen mit Chrom oder wobei Chrom allein im Bereich von 0,001 bis 30% liegt. Vorzugsweise beträgt der Chromanteil 7 bis 29%, besonders vorteilhaft 25 bis 28%, 14 bis 22% oder 7 bis 12%, Bereiche von Chromgehalten, die die drei Hauptgruppen der im Handel er­ hältlichen weißen Gußeisenlegierungen repräsentierten. Der Kohlenstoffgehalt beträgt vorzugsweise nicht weniger als 1,8% und nicht mehr als etwa 4,5%, und er liegt vor­ zugsweise im Bereich von 1,8 bis 3% bei Gußeisen mit ei­ nem Gehalt von 25 bis 28% Chrom und für Gußeisen mit einem Gehalt von 14 bis 22% Chrom, während der Kohlenstoffge­ halt vorzugsweise 2 bis 3,5% für Gußeisen mit 7 bis 12% Chrom beträgt.

Die typischen, oben beschriebenen Gußeisenzusammensetzun­ gen können veränderte Karbidmorphologie durch Zusatz von Bor erreichen, und zwar im allgemeinen im Bereich von 0,001 bis 4% und vorzugsweise von 0,01 bis 1%, besonders be­ vorzugt zwischen 0,01 und 0,4% Bor. Dieser Borzusatz führt, so wurde gefunden, zu globulären Karbidteilchen, ist aber ausgeprägter, wenn die ausgewählte legierte Eisen-Kohlen­ stoff-Zusammensetzung mit der eutektischen Temperatur ver­ knüpft ist.

Der Erstarrungspunkt des reinen Eisens liegt bei etwa 1538°C, und der Erstarrungspunkt sinkt mit Zugabe von Kohlenstoff. Mit oder ohne Zusatz von Bor legiert, schwankt die Erstarrungstemperatur zwischen 1204 und 1316°C, und zwar hauptsächlich entsprechend der Menge an Chrom, schwankt aber auch wegen der Auswahl bestimmter Legie­ rungselemente. Es wurde gefunden, daß die Erstarrungs­ temperatur des legierten Eisen-Kohlenstoff-Systems vor­ teilhaft im Bereich von 1238 bis 1260°C oder annähernd 1249°C ±6 bis 12 K liegen sollte. Jede spezielle Gußeisen­ zusammensetzung, die die ausgewählten Legierungselemente in erfindungsgemäßen Mengen enthält, erstarrt innerhalb von 9 K von der eutektischen Temperatur für das mit jenen bestimmten Legierungselementen gebildete Gußeisensystem.

Es wurde gefunden, daß es mit dieser legierten Gußeisen­ zusammensetzung und der Zugabe von Bor möglich ist, die Karbidmorphologie unter Bildung globulärer Karbidteilchen, die näherungsweise kugelförmige Gestalt aufweisen, zu ver­ ändern.

Um diese wichtige Teilchengrößenänderung sowie eine im we­ sentlichen gleichförmige Verteilung der globulären Karbid­ teilchen zu erreichen, so wurde gefunden, daß die Teilchen­ größe der Karbidteilchen von ihrer gewöhnlichen mittleren Größe von 10 µm oder mehr auf eine mittlere Größe von weni­ ger als 4 µm drastisch reduziert wird, wenn die Gußeisenzu­ sammensetzung vor der Erstarrung unter die Gleichgewichts­ erstarrungstemperatur um mindestens 3 K, vorzugsweise, so wird angenommen, um 4 bis 6 K oder mehr, gekühlt wurde. Die­ se Unterkühlung, so wurde gefunden, war schwer zu erreichen, und es konnte erst nach einem Versuch, das Problem auf thermodynamische Weise zu lösen, entdeckt werden, daß durch Erhöhen der Entropie der Gußeisenschmelze die Unordnung des Systems erhöht wird und dadurch ermöglicht, die Schmel­ ze zu unterkühlen. Ein höherer Entropiewert vermindert den Wert der Gibbs'schen freien Energie eines Flüssig- Fest-Systems, und die Phase mit der niedrigsten freien Energie ist die stabilste. Die Beziehung lautet

worin G die Gibbs'sche freie Energie, T die absolute Tem­ peratur und S die Entropie bedeutet. Darüber hinaus redu­ ziert sich die thermodynamische Gleichung

δ H = T δ S + V δ P

zu δ H= T δ S, weil V δ P= 0 für Feststoffe anzeigt, daß w S= 

worin S die Entropie und H die Schmelzwärme und T der ab­ solute Erstarrungspunkt bedeuten. Ein Anstieg der Entropie führt zu einer Herabsetzung des Erstarrungspunktes bei kon­ stanter Schmelzwärme für das System.

Es wurde gefunden, daß Bor, wenn es der Gußeisenzusammen­ setzung zugegeben wird, die Entropie erhöht, die den höhe­ ren Grad an Unordnung innerhalb des Systems erzeugt und die erforderliche Unterkühlung gestattet. Die auftretenden exakten Veränderungen werden noch nicht vollständig ver­ standen, und die vorstehende Erklärung ist als theoretisch zu betrachten.

Da die erfindungsgemäße Zusammensetzung der Gußeisenlegie­ rung unter die Gleichgewichtserstarrungstemperatur im Un­ terkühlungsbereich von mindestens 3 K unterhalb der Gleich­ gewichtserstarrungstemperatur herabgekühlt wird, tritt die Erstarrung augenblicklicher ein, als wenn die Unterkühlung nicht stattfindet. Somit vermeidet die Unterkühlung den üblichen längeren Zeitraum des Kristall- oder Teilchen­ wachstums, der bei herkömmlichen Verfahren auftritt. Stattdessen verläuft die Erstarrung schneller, bevor das Teilchenwachstum eintritt. Deshalb haben die winzigen Kar­ bidteilchen keine Gelegenheit, bei der schnellen Erstar­ rung in der erfindungsgemäßen Gußeisenlegierungszusammen­ setzung zu agglomerieren, noch tritt eine Wanderung die­ ser Teilchen unter Bildung einer Platte oder eines Stabes und damit unter Bildung einer ungleichförmigen Verteilung der Karbide ein, was im Gegensatz zu herkömmlichem Gußei­ sen steht, bei dem die Teilchen zu Stangen oder Platten agglomerieren. Stattdessen ist die Gleichförmigkeit der Karbidverteilung eine inhärente Eigenschaft der geschmol­ zenen Phase, sogar während der Phase des Unterkühlens der Gußeisenlegierungszusammensetzung, so daß die Gleichförmig­ keit der Karbidverteilung während der Erstarrung beibehal­ ten wird. Das Ergebnis der Erstarrung der unterkühlten Schmelze unterhalb der Gleichgewichtserstarrungstemperatur ist eine wesentliche Verringerung der Teilchengröße und eine gleichmäßigere Verteilung der Karbide innerhalb der Gußeisenmatrix, was die Ursache für die Festigkeit, Zähig­ keit und Abriebfestigkeit der erfindungsgemäßen Gußeisen­ zusammensetzung ist.

Beispiel

Eine typische Gußeisenzusammensetzung, die 27,2% Chrom und 2,04% Kohlenstoff enthält, ist eine Legierungszusam­ mensetzung, die bei etwa 1249°C erstarrt, was oberhalb der eutektischen Temperatur von etwa 1240°C liegt. Bei Zugabe von 0,17% Bor kann die Legierung auf eine Temperatur von 3 K unterhalb der Gleichgewichtserstarrungstemperatur und auf etwas unter 1246°C unterkühlt werden. Zwischen dieser Temperatur und unterhalb der Gleichgewichtserstarrungstem­ peratur ist die Schmelze unterkühlt und bleibt flüssig. Weiteres Kühlen erzeugt Karbide mit globulärer Form, die nahezu kugelförmig ist, und mit einer mittleren Teilchen­ größe von weniger als 4 µm. Die Zugfestigkeit des entste­ henden Gußeisens beträgt etwa 1041,1 × 10⁶ Pa mit einer zulässigen Dehnung von etwa 3%. Ein solches weißes Guß­ eisen ist ganz verschleißfest und besitzt darüber hinaus verbesserte Zugfestigkeits- und Zähigkeitscharakteristi­ ken, die es besonders geeignet für mit hohem Verschleiß und hoher Beanspruchung verbundene Arbeitsvorgänge machen.

Ähnliche Ergebnisse werden mit einer Zusammensetzung aus 3,32% Kohlenstoff, 9,12% Chrom, 5,18% Nickel und 0,17% Bor, Rest Eisen, mit einer Gleichgewichtserstarrungstempe­ ratur von etwa der eutektischen Temperatur von 1252°C er­ zielt. In diesem Falle findet die Unterkühlung bis hinunter auf 1249°C statt, bevor die Erstarrung eintritt.

Claims (21)

1. Gußeisen, bestehend aus Eisen mit üblichen Begleitelemen­ ten, 0,001 bis 4,0% Bor, 0,001 bis 30% eines oder mehrerer der Elemente: Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Molybdän, Nickel, Kupfer, Chrom oder deren Gemischen, und 1,8 bis 4,5% Kohlen­ stoff in Form globulärer Karbide, welches je nach Zusammenset­ zung ein Erstarrungsintervall innerhalb von 9 K von der eutek­ tischen Temperatur besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Erstarrungspunkt zwischen 1204 und 1316°C liegt und daß der in Form globulärer Karbide enthaltene Kohlenstoff eine mitt­ lere Teilchengröße von weniger als 4 µm aufweist.

2. Gußeisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es bis zu 7% Vanadium, Titan, Niob oder Tantal enthält.

3. Gußeisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 0,001 bis 30% Chrom enthält.

4. Gußeisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es bis zu 7% Nickel, bis zu 4% Molybdän oder bis zu 4% Kupfer, oder Kombinationen davon, enthält.

5. Gußeisen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Erstarrungspunkt zwischen 1238 und 1260°C.

6. Gußeisen nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Erstarrungspunkt von 1249°C.

7. Gußeisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 0,001 bis 3,0% Chrom, 2,0 bis 3,5% Kohlenstoff und 0,01 bis 1,0% Bor enthält.

8. Gußeisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 25 bis 28% Chrom, 1,8 bis 3,0% Kohlenstoff und 0,1 bis 0,4% Bor enthält.

9. Verfahren zur Bildung von Karbiden mit globulärer äuße­ rer Form in Gußeisen, dadurch gekennzeichnet, daß man 0,001 bis 4,0% Bor zu einer Gußeisenschmelze gibt, die 0,001 bis 30% Vanadium, Titan, Niob, Molybdän, Nickel, Kupfer, Tantal, Chrom oder deren Gemische und 1,8 bis 4,5% Kohlenstoff ent­ hält, daß die Schmelze auf eine Temperatur unter der Gleich­ gewichtserstarrungstemperatur unterkühlt wird und unter Bil­ dung globulärer Karbide mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 4 µm erstarrt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung mit einem Erstarrungspunkt zwischen 1204 und 1316°C verwendet.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung verwendet, die bis zu 7% Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Molybdän, Kupfer oder Nickel enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung verwendet, die 0,1 bis 30% Chrom enthält.

13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man bis zu 7% Nickel, bis zu 4% Molybdän oder bis zu 4% Kupfer, oder Kombinationen davon, zugibt.

14. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gußeisenschmelze auf eine Temperatur mindestens etwa 3 K unterhalb der Gleichgewichtserstarrungstemperatur unterkühlt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gußeisenschmelze unter fortgesetztem Küh­ len unter Bildung globulärer Karbide mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als etwa 4 µm erstarrt.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Legierung mit einem Gleichgewichtserstar­ rungspunkt von 1238 bis 1260°C verwendet wird.

17. Verfahren zum Unterkühlen geschmolzenen Gußeisens zwecks Verbesserung der Zähigkeit, der Abriebfestigkeit und der Zugfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß man die Entro­ pie einer Gußeisenschmelze aus Kohlenstoff, Eisen und Vana­ dium, Titan, Molybdän, Nickel, Kupfer, Tantal, Chrom oder deren Gemischen erhöht, die Schmelze auf eine Temperatur unter der Gleichgewichtserstarrungstemperatur unterkühlt und die Schmelze unter Bildung globulärer Karbide erstarrt, die eine mittlere Teilchengröße von weniger als 4 µm aufweisen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenschmelze auf eine Temperatur von mindestens 3 K unter der Gleichgewichtserstarrungstemperatur gekühlt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gußeisenschmelze durch fortgesetztes Kühlen auf eine unterkühlte Temperatur unter Bildung globulärer Karbide mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als etwa 4 µm erstarrt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Entropie der Gußeisenschmelze durch Zugabe von 0,001 bis 4,0% Bor erhöht wird.

21. Verfahren nach Anspruch 9 oder 20, dadurch gekennzeich­ net, daß Bor in einer Menge von 0,1 bis 0,4% zugegeben wird.