DE3390548T1

DE3390548T1 - Abriebfestes weißes Gußeisen

Info

Publication number: DE3390548T1
Application number: DE19833390548
Authority: DE
Inventors: Wallace Columbus Ga. Day
Original assignee: GIW Industries Inc
Current assignee: GIW Industries Inc
Priority date: 1983-10-24
Filing date: 1983-10-24
Publication date: 1985-11-28
Also published as: GB2158462A; EP0159981A4; EP0159981A1; GB8515282D0; JPS60501958A; CH666908A5; GB2158462B; NL8320359A; WO1985001962A1; DE3390548C2

Description

PRINZ, LEISER, BUNKE & PARTNER

Patentanwälte European Patent Attorneys 3 3 9 0 5 U

Ernsbergerstraße 19 8000 München 60

P 33 90 548.7 (PCT/US83/01656)

GIW Industries, Inc. 24. Juni 1985

5000 Wrightsboro Road

Grovetown, Georgia 30813 / USA
Unser Zeichen: G 1566

Abriebfestes weißes Gußeisen

Die Erfindung betrifft Gußeisen, und insbesondere die Verbesserung der Zähigkeit und Abriebfestigkeit von weißem Gußeisen bei gleichzeitig deutlicher Erhöhung der Zugfestigkeit. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung eine neue Zusammensetzung für weißes Gußeisen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gußeisens mit verbesserter Zähigkeit, Verformbarkeit und Zugfestigkeit unter 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 Metallen, gewöhnlich Chrom, legiert zu werden, welche sich mit dem Kohlenstoff unter Bildung einer Eisen-Chrom-Karbid-Verbindung wie MC verbinden. In vielen Fällen ist die Eigenabriebfestigkeit unlegierten Gußeisens für den beabsichtigten Verwendungszweck ausreichend und gibt dem Anwender daher keine Problerne auf. Wenn das Gußeisen dagegen in Form eines Arbeits-

Bj /se

gerätes oder einer industriellen Vorrichtung bestimmten Arten von Verschleiß unterworfen wird, lassen die dem Gußeisen eigenen mechanischen Eigenschaften viel zu wünschen übrig.

Es ist bekannt, daß es verschiedene Einteilungen des Verschleißes gibt, dem der Gußeisen-Werkstoff unterworfen sein kann. Bei einer ersten Verschleißart, dem aushöhlenden oder Rillen bildenden Verschleiß, durchdringen grobe Schleifteilchen die Arbeitsfläche des Gußeisens und rufen einen hohen Grad an Metallentfernung hervor. Bei typischen industriellen Erscheinungsformen dieser Verschleißart, so bei Erdbewegungsgeräten, 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 Hochbelastungsabrieb bezeichnet wird, werden Schleifteilchen, wie sie im Bergbau angetroffen werden können, unter dem mahlenden Einfluß sich bewegender Metalloberflächen zerkleinert. Der mit diesen Verschleiß behafteten Arbeitsverfahren verbundene Beanspruchungsgrad, wie er häufig bei zum Mahlen verwendeten Gußteilen, Brecherwalzen oder Mühlenpanzern auftritt, überschreitet oft die Belastungsgrenzen gewöhnlichen Gußeisens und führt zum Ausfall der Vorrichtung oder des Geräts.

Bei einer dritten Verschleißart, dem Abrieb unter geringer Beanspruchung bzw. der Erosion, ist der den Verschleiß hervorrufende Vorgang, dem die gußeisernen Oberflächen der Vorrichtung unterworfen sind, nicht mit stark beanspruchenden Bedingungen verbunden, erfordert aber dennoch hohe Abriebfestigkeit.
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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 war in der Lage, die Stoßfestigkeitsanforderungen an einen dieser Verschleißart unterworfenen Werkstoff zu erfüllen. Gewöhnlich stellt man jedoch fest, daß die Härte und die Abriebfestigkeit unzureichend sind, um einen extrem hohen Verschleißgrad 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 Vorrichtungsarten verwendet werden, abhängig von der erforderIichen Zähigkeit und der gleichzeitig erforderlichen Abriebfestigkeit. Bei der letzten Verschleißart, die mit Arbeitsoperationen unter geringer Beanspruchung verbunden ist, können mit Chrom legierte Stähle mit oder ohne Beigaben von Molybdän oder Nickel mit einer wünschenswerten hoch-martensitischen Matrix und einer darin eingebetteten Karbidphase verwendet werden.

Die Betrachtung der Verschleißarten und die Kenntnisse der Industrie bezüglich der zur Verfügung stehenden Metallarten, die die Anforderungen an diese Verschleißarten erfüllen, 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 Beanspruchungsbedingungen, 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 beschriebenen, mit Verschleiß verbundenen Anwendungen verwenden. Verschiedene legierte und nicht-legierte Eisen-Kohlenstoff-Zusammensetzungen besitzen keine hohe Zähigkeit im martensitischen Zustand, wobei der Kohlenstoffgehalt bei etwa 0,04 % beginnt. Hypereutektoide Stähle und weiße Gußeisensorten besitzen ungenügende Zähigkeit wegen der Morphologie des Zementits (Fe₃C). Das Legieren der Eisen-Kohlenstoff-Zusammensetzung erzeugt Karbide (M C) mit größerer Härte und erfüllt somit einige Anforderungen an größere 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 Metallurgen haben die Komplexität von weißem Gußeisen seit langem erkannt, und zwar weil die beiden hauptsächlichen Mikro-Bestandteile, nämlich das Karbid und die Matrix, sich im wesentlichen unabhängig voneinander verhalten. Nichtsdestoweniger ergeben sich die letztendlichen charakteristischen Eigenschaften des Werkstoffs aus der gegenseitigen Abhängigkeit der beiden Komponenten, wenn das weiße Gußeisen Abriebs- und Stoßbedingungen unterworfen wird. Unter Stoßbeanspruchung zerbrechen die Karbide bei einem solchen Werkstoff, und wenn die Karbide zusammenhängen und verhältnismäßig groß sind, werden sich die Risse durch die ganze Struktur ausbreiten, was häufig zur Zerstörung oder mindestens 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 Abriebfestigkeit und gute Stoßbeanspruchungsabsorption erfüllt.

Jo

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weißes Gußeisen mit den charakteristischen Eigenschaften großer Härte oder Verschleißfestigkeit und verbesserter Zähigkeit zu schaffen.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, weißes Gußeisen zu schaffen, das nicht nur erwünschte Verschleißfestigkeit und Zähigkeit, sondern auch verbesserte Zugfestigkeit besitzt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Gußeisenzusammensetzung zu schaffen, die hohe Abriebfestigkeit und Zähigkeit besitzt und bei der die Karbide die Form von Globuli aufweisen, die der Kugelform nahekommen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Bereitstellung von zähem und verschleißfestem Gußeisen, bei dem die Karbide eine kleinere durchschnittliche Größe als üblich besitzen und gleichmäßig in der Matrix verteilt sind.

Ein Ziel der Erfindung besteht ferner darin, für die Erzeugung einer höheren Entropie in einer Gußeisenlegierung durch Einführen von Bor zu sorgen, um nicht nur kugelförmige Teilchen, sondern auch kleinere mittlere Teilchengrößen, die gleichmäßiger verteilt sind, zu erzeugen.

Schließlich besteht ein weiteres Ziel der Erfindung darin, ein zähes, verschleißfestes Gußeisen zu schaffen, bei dem eine Gußeisenschmelzzusammensetzung unter die Gleichgewichtserstarrungstemperatur auf eine unterkühlte Temperatür abgekühlt und danach unter Bildung kugelförmiger Karbide erstarrt wird, welche eine mittlere Teilchengröße besitzen, die kleiner ist als die mittlere Größe der Karbidteilchen in herkömmlichem Gußeisen.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Entdeckung einer Gußeisenlegierungszusammensetzung, die im wesentli-

chen aus dem Element Eisen besteht und gegebenenfalls 0,001 bis 30 Gewichtsprozent, einzeln oder kumulativ, Vanadium, Titan, Niob, Molybdän, Nickel, Kupfer, Tantal, Chrom oder von deren Gemischen, sowie 1,8 bis 4,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthält, wobei eine Legxerungszusammensetzung gebildet wird und 0,001 bis 4,0 Gewichtsprozent Bor zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit, der Zähigkeit und der Zugfestigkeit zugegeben werden. Die Legierung besitzt einen Erstarrungspunkt zwischen 1204° C und 1316° C, der insbesondere im Bereich zwischen 1238°C und 126O⁰C liegt. Dieser Erstarrungspunkt liegt innerhalb von 9K von der eutektischen Temperatur des Gußeisens mit den ausgewählten Legierungselementen. Die in Form von Globuli enthaltenen Karbide, die sich der Kugelform annähern, besitzen eine durchschnittliehe Teilchengröße von weniger als 4μπι, was beträchtlich weniger ist als der mittleren Teilchengröße von Karbiden in herkömmlichen Gußeisen entspricht.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Legierung von weißem Gußeisen geschaffen, die 0,001 bis 30 % Vanadium, Titan, Niob, Molybdän, Nickel, Kupfer, Tantal, Chrom oder deren Gemische und 1,8 bis 4,5 % Kohlenstoff unter Bildung einer geschmolzenen Gußeisenzusammensetzung mit einem die Entropie erhöhenden Zusatz von beispielsweise 0,001 bis 4,0 % Bor enthält, worauf die geschmolzene Gußeisenzusammensetzung um mindestens 3K unter der Gleichgewichtserstarrungstemperatur von zwischen 1204⁰C und 1316°C auf eine unterkühlte Temperatur abgekühlt wird und die geschmolzene Gußeisenzusammensetzung danach unter Bildung von kugelförmigen Karbiden erstarrt wird, die eine mittlere Teilchengröße von durchschnittlich weniger als 4μΐη aufweisen, weniger also, als der durchschnittlichen Größe von Karbidteilchen in herkömmlichem Gußeisen entspricht.

Es ist seit langem bekannt, daß weißes Gußeisen inhärent die erwünschten Verschleißfestigkeitseigenschaften besitzt,

um den verschiedenen Verschleißbedingungen zu entsprechen, denen die gußeiserne Vorrichtung unterworfen wird. Es wurde nun gefunden, daß die Karbidmorphologie des legierten Gußeisens so geändert werden kann, daß die Verschleißfestigkeit beibehalten und nicht nur die Zugfestigkeit verbessert, 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 überschuß zu dem in der Austenit-, Perlit- oder Martensit-Matrix 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 stäbchenförmigem Aussehen. In beiden Formen besitzen die Teilchen mikroskopische Größe, sind aber größer als 10μΐη bei durchschnittlicher Teilchengröße unter Annahme normaler Wärmeableitung 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 χ 10 Pa bei Ό % Dehnung besitzen; dies wäre ein sehr spröder oder nicht-zäher Werkstoff ohne jedwede Verformbarkeit. 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 nicht-zusammenhängend vorliegen können, aber wiederum eine mittlere Größe von mehr als 10μπι 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 μΐη, was die Neigung zur Rißbildung unter Beanspruchung erhöht und oft letztlich

zum Ausfall der Vorrichtung führt.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß diese gewöhnliche stangen- oder plattenförmige Geometrie der Karbide in eine globuläre Form, die sich der Kugelform annähert, umgewandelt werden kann, wobei nicht nur die gewünschte Zähigkeit, sondern auch eine deutliche Erhöhung der Zugfestigkeit erzeugt werden. Diese Änderung der Morphologie der Karbide von Gußeisen machte aus dem nicht-duktilen, spröden, nichtverformbaren Gußeisen der Vergangenheit ein Gußeisen, das die Fähigkeit zur plastischen Verformung und höhere Zugfestigkeit unter Beibehaltung überlegener Verschleißfestigkeit besitzt.

So wurde beispielsweise gefunden, daß sich das erfindungsgemäße Gußeisen biegt, bevor es bricht, und der Beanspruchung sgr ad, 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 enstehenden Gußeisens sind verschieden, je nach den verschiedenen Zusätzen an Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Nickel, Molybdän oder Kupfer, die das Chrom in einer Menge von 0,001 bis 3 0 % ersetzen.

Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Gußeisen im allgemeinen eine hohe Zugfestigkeit von etwa 1041,1 χ 10 Pa besitzt, im Vergleich zu der üblichen Zugfestigkeit von 344,7 χ 10 bis 413,7 χ 10 Pa vorbekannter Gußeisen. Typisehe Gußeisen hatten eine 0 %-Dehnungscharakteristik, während das erfindungsgemäße Gußeisen eine Dehnungsfähigkeit von 3 % besitzt. Der Durchschnittsfachmann wird sofort die deutlichen Vorteile einer Erhöhung der Dehnung oder plastischen Verformung erkennen, nämlich die Schaffung eines Grades an Zähigkeit, der bei jenen Vorrichtungen so wichtig 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 ändem würde, so wäre das zwar wünschenswert, aber nicht annähernd so wirksam, als wenn man die äußere Form der Karbide zu Globuli umwandeln und die Teilchengröße unter die typische mittlere Größe von 10 --14(Im, die die Teilchen bekannter Gußeisen aufwiesen, bis hinab zu einer Größe von weniger als 4μΐη reduzierte. Durch eine Reduzierung der Teilchengröße des Karbids in dieser Größenordnung ist es möglich, die mittlere freie Weglänge zwischen den kleineren diskreten, globuliförmigen Teilchen zu minimieren, um zu höheren Festigkeitswerten, besserer Verschleißfestigkeit und größerer Verformbarkeit beizutragen. Somit werden erfindungsgemäß nicht nur die Karbide hinsichtlich ihrer äußeren Form zu kugelförmigen oder annähernd kugelförmigen Globuli verändert, sondern die kugelförmigen Teilchen wurden hinsichtlich ihrer mittleren Größe auf unter 4μΐη reduziert.

Bekanntlich ist Gußeisen eine Eisen-Kohlenstoff-Zusammensetzung, 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 bestimmt wird. Bei höheren Kohlenstoffgehalten tritt Kohlenstoff in Form von freiem Graphit auf, sofern er nicht legiert wurde. Das zur Bildung von Karbiden in Gußeisen und zur Verbesserung verschiedener Eigenschaften verwendete Legierungselement ist üblicherweise Chrom. Molybdän, Vanadium, Titan, Kupfer, Nickel, Niob und Tantal können jedoch gegebenenfalls in jeder Kombination dem Chrom zugegeben oder anstelle des Chroms eingesetzt werden. Wenn sie zusammen mit Chrom verwendet werden, sind diese metallischen Elemente gewöhnlich in einer Menge bis zu etwa 7 % enthalten, 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 erhältlichen weißen Gußeisenlegierungen repräsentieren. Der Kohlenstoffgehalt beträgt vorzugsweise nicht weniger als 1,8 % und nicht mehr als etwa 4,5 %, und er liegt vorzugsweise im Bereich von 1,8 bis 3 % bei Gußeisen mit einem Gehalt von 25 - 28 % Chrom und für. Gußeisen mit einem Gehalt von 14 bis 22 % Chrom, während der Kohlenstoffgehalt vorzugsweise 2 bis 3,5 % für Gußeisen mit 7 bis 12 % Chrom beträgt.

Die typischen, oben beschriebenen Gußeisenzusammensetzungen 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 bevorzugt zwischen 0,01 und 0,4 % Bor. Dieser Borzusatz führt, so wurde gefunden, zu globulären Karbidteilchen, ist aber ausgeprägter, wenn die ausgewählte legierte Eisen-Kohlenstoff-Zusammensetzung mit der eutektischen Temperatur verknüpft 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 Legierungselemente. Es wurde gefunden, daß die Erstarrungstemperatur des legierten Eisen-Kohlenstoff-Systems vor- teilhaft im Bereich von 1238 bis 1260⁰C oder annähernd 1249°C - 6 bis 12K liegen sollte. Jede spezielle Gußeisen-

zusammensetzung, die die ausgewählten Legierungselemente in erfindungsgemäßen Mengen enthält, erstarrt innerhalb von 9K von der eutektischen Temperatur für das mit jenen bestimmten Legierungselementen gebildete Gußeisensystem.

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

Um diese wichtige Teilchengroßenänderung sowie eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung der globulären Karbidteilchen zu erreichen, so wurde gefunden, daß die Teilchengröße der Karbidteilchen von ihrer gewöhnlichen mittleren Größe von 10μΐη oder mehr auf eine mittlere Größe von weniger als 4μΐη drastisch reduziert wird, wenn die Gußeisenzusammensetzung vor der Erstarrung unter die Gleichgewichtserstarrungstemperatur um mindestens 3K, vorzugsweise, so wird angenommen, um 4 bis 6K oder mehr, gekühlt wurde. Diese 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 Schmelze zu unterkühlen. Ein höherer Entropiewert vermindert den Wert der Gibbs¹sehen freien Energie eines Flüssig-Fest-Systems, und die Phase mit der niedrigsten freien Energie ist die stabilste. Die Beziehung lautet

worin G die Gibbs'sehe freie Energie, T die absolute Temperatur und S die Entropie bedeutet. Darüber hinaus reduz-iert sich die thermodynamische Gleichung

H = TS + VP

zu H = TS,

weil VP = 0

anzeigt, daß S=
worin S die Entropie und H die Schmelzwärme und T der absolute Erstarrungspunkt bedeuten. Ein Anstieg der Entropie führt zu einer Herabsetzung des Erstarrungspunktes bei konstanter Schmelzwärme für das System.

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

Da die erfindungsgemäße Zusammensetzung der Gußeisenlegierung unter die Gleichgewichtserstarrungstemperatur im Unterkühlungsbereich von mindestens 3K unterhalb der Gleichgewichtserstarrungstemperatur herabgekühlt wird, tritt die Erstarrung augenblicklicher ein, als wenn die Unterkühlung nicht stattfindet. Somit vermeidet die Unterkühlung den üblichen längeren Zeitraum des Kristall- oder Teilchenwachstums, 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 Erstarrung in der erfindungsgemäßen Gußeisenlegierungszusammensetzung zu agglomerieren, noch tritt eine Wanderung dieser Teilchen unter Bildung einer Platte oder eines Stabes und damit unter Bildung einer ungleichförmigen Verteilung der Karbide ein, was im Gegensatz zu herkömmlichem Gußeisen steht, bei dem die Teilchen zu Stangen oder Platten agglomerieren. Stattdessen ist die Gleichförmigkeit der Karbidverteilung eine inhärente Eigenschaft der geschmolzenen Phase, sogar während der Phase des Unterkühlens der

Gußeisenlegierungszusammensetzung, so daß die Gleichförmigkeit der Karbidverteilung während der Erstarrung beibehalten 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, Zähigkeit und Abriebfestigkeit der erfindungsgemäßen Gußeisenzuammensetzung ist.
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Beispiel

Eine typische Gußeisenzusammensetzung, die 27,2 % Chrom und 2,04 % Kohlenstoff enthält, ist eine Legierungszusammensetzung, die bei etwa 1249°C erstarrt, was oberhalb der eutektischen Temperatur von etwa 1240⁰C liegt. Bei Zugabe von 0,17 % Bor kann die Legierung auf eine Temperatur von 3K unterhalb der Gleichgewichtserstarrungstemperatur und auf etwas unter 1246⁰C unterkühlt werden. Zwischen dieser Temperatur und unterhalb der Gleichgewichtserstarrungstemperatur ist die Schmelze unterkühlt und bleibt flüssig. Weiteres Kühlen erzeugt Karbide mit globulärer Form, die nahezu kugelförmig ist, und mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 4um. Die Zugfestigkeit des entstehenden Gußeisens beträgt etwa 1041,1 χ 10 Pa mit einer zulässigen Dehnung von etwa 3 %. Ein solches weißes Gußeisen ist ganz verschleißfest und besitzt darüber hinaus verbesserte Zugfestigkeits- und Zähigkeitscharakteristiken, 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 Gleichgewichtserstarrungstemperatur von etwa der eutektischen Temperatur von 1252°C erzielt. In diesem Falle findet die Unterkühlung bis hinunter auf 1249°C statt, bevor die Erstarrung eintritt.

Claims

PRINZ, LEISER, BUNKE &. PARTNER

Patentanwälte · European Patent Attorneys *5 <3 v? U D H

Ernsbergerstraße 19 · 8000 München 60

•/6-

P 33 90 548.7 (PCT/US83/01656)

GIW Industries, Inc. 24. Juni 1985

5000 Wrightsboro Road

Grovetown, Georgia 30813 / USA

Unser Zeichen: G 1566

Patentansprüche

1. Gußeisenlegierungszusammensetzung, im wesentlichen bestehend aus Eisen sowie 0,001 bis 30 % eines oder mehrerer der folgenden Legierungselemente: Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Molybdän, Nickel, Kupfer, Chrom oder deren Gemischen, und 1,8 bis 4,5 % Kohlenstoff, wobei die Zusammensetzung einen Erstarrungspunkt innerhalb von 9K von der eutektischen Temperatur des mit den ausgewählten Legierungselementen gebildeten Gußeisens besitzt, und weiter enthaltend 0,001 bis 4,0 % Bor.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung einen Erstarrungspunkt zwischen 1204 und 1316°C besitzt.

3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie Vanadium, Titan, Niob oder Tantal in einer Menge bis zu 7 % enthält.

4. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie Chrom in einer Menge von 0,001 bis 30 % enthält.

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

6. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Kohlenstoff mindestens teilweise in Form globulärer Karbide enthalten ist.

7. Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet , daß der Erstarrungspunkt etwa 1238 bis 1260⁰C beträgt.

8. Zusammensetzung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Erstarrungspunkt der Legierung etwa 1249⁰C beträgt.

9. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch ge

kennzeichnet, daß der Kohlenstoff mindestens teilweise in Form globulärer Karbide enthalten ist, und daß Vanadium, Titan, Niob, Nickel, Kupfer, Molybdän oder Tantal in einer Menge bis zu 7 % enthalten ist und der Erstarrungspunkt der Legierung etwa 1238 bis 1260⁰C beträgt.

10. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Kohlenstoff mindestens teilweise in Form globulärer Karbide enthalten ist und daß die Legierung einen Erstarrungspunkt zwischen 1204 und 1316⁰C besitzt und daß Vanadium, Titan, Niob, Nickel, Kupfer, Molybdän oder Tantal in einer Menge bis zu 7 % enthalten ist.

11. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß der Kohlenstoff mindestens teilweise in Form globulärer Karbide enthalten ist und

daß Chrom in einer Menge von 0,1 bis 30 % enthalten ist, und der Erstarrungspunkt der Legierung etwa 1238 bis 1260° C beträgt.

12. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß sie 0,001 bis 3,0 % Chrom, 2,0 bis 3,5 % Kohlenstoff und 0,01 bis 1,0 % Bor enthält.

13. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß sie 25 - 28 % Chrom, 1,8 bis 3,0 % Kohlenstoff und 0,1 bis 0,4 % Bor enthält.

14. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff mindestens teilweise in Form globulärer Karbide mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 4μΐη enthalten ist.

15. Verfahren zur Bildung von Karbiden mit globulärer äußerer Form in Gußeisen, dadurch gekennzeichnet, daß man 0,001 bis 4,0 % Bor zu einer Gußeisenlegierung gibt, die 0,001 bis 30 % Vanadium, Titan, Niob, Molybdän, Nickel, Kupfer, Tantal, Chrom oder deren Gemische und 1,8 bis 4,5 % Kohlenstoff enthält, wobei eine geschmolzene Gußeisenzusammensetzung gebildet wird, daß die geschmolzene Gußeisenlegierungszusammensetzung unter die Gleichgewichtserstarrungstemperatur auf eine unterkühlte Temperatur zum Erstarren der Schmelze unter Bildung globulärer Karbide mit einer mittleren Teilchengröße, die kleiner als die mittlere Größe von Karbidteilchen herkömmliehen Gußeisens ist, gekühlt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung mit einem Erstarrungspunkt zwischen 1204 und 1316°C verwendet.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß man eine Legierung verwendet, die

/'fl-

Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Molybdän, Kupfer oder Nickel in einer Menge bis zu 7 % enthält.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch g e k e η η zeichnet, daß man eine Legierung verwendet, die Chrom in einer Menge von 0,1 bis 30 % enthält.

19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man bis zu 7 % Nickel, bis zu 4 % Molybdän oder bis zu 4 % Kupfer, oder Kombinationen davon, zugibt.

20. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die geschmolzene Gußeisenzusammenset- zung auf eine unterkühlte Temperatur mindestens etwa 3K unterhalb der Gleichgewichtserstarrungstemperatur gekühlt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch . gekennzeichnet , daß die geschmolzene Gußeisenzusammen- setzung durch fortgesetztes Kühlen der geschmolzenen Gußeisenzusammensetzung auf eine unterkühlte Temperatur unter Bildung globulärer Karbide mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als etwa 4um erstarrt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die geschmolzene Gußeisenzusammensetzung auf eine unterkühlte Temperatur mindestens etwa 3K unterhalb der Gleichgewichtserstarrungstemperatur gekühlt wird, und daß die geschmolzene Gußeisenzusammensetzung durch fortgesetztes Kühlen der geschmolzenen Gußeisen zusammensetzung auf eine unterkühlte Temperatur unter Bildung globulärer Karbide mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als etwa 4μΐη erstarrt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 20, 21 und 22, dadurch ge kennzeichnet , daß eine Legierung mit einem Gleichgewichtserstarrungspunkt von 1204 bis 1316°C ver-

wendet wird.

24. Verfahren nach Anspruch 20, 21 und 22, dadurch gekennzeichnet , daß eine Legierung mit einem Gleichgewichtserstarrungspunkt von 1238 bis 126O⁰C verwendet wird.

25. Verfahren zum Unterkühlen geschmolzenen Gußeisens zwecks Verbesserung der Zähigkeit und der Abriebfestigkeit und der Zugfestigkeit von Gußeisen, dadurch gekennzeichnet , daß man die Entropie einer Gußeisenschmelze aus Kohlenstoff, Eisen und Vanadium, Titan, Molybdän, Nickel, Kupfer, Tantal, Chrom oder deren Gemi^ sehen erhöht, die Schmelze auf eine Temperatur unter der Gleichgewichtserstarrungstemperatur der geschmolzenen Gußeisenzusammensetzung unterkühlt und die Schmelze unter Bildung globulärer Karbide erstarrt, die eine geringere mittlere Teilchengröße aufweisen, als der mittleren Größe von Karbidteilchen herkömmlichen Gußeisens entspricht.

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26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die geschmolzene Gußeisenzusammensetzung auf eine unterkühlte Temperatur mindestens etwa 3K unter der Gleichgewichtserstarrungstemperatur gekühlt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die geschmolzene Gußeisenzusammensetzung durch fortgesetztes Kühlen auf eine unterkühlte Temperatur unter Bildung globulärer Karbide mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als etwa 4μΐη erstarrt wird.

28. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die geschmolzene Gußeisenzusammensetzung auf eine unterkühlte Temperatur mindestens etwa 3K unter der Gleichgewichtserstarrungstemperatur gekühlt

wird und daß die geschmolzene Gußeisenzusammensetzung durch fortgesetztes Kühlen auf eine unterkühlte Temperatur unter Bildung globulärer Karbide mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als etwa 4μΐη erstarrt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 25, 26, 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet , daß die Entropie der Gußeisenschmelze durch Zugabe von 0,001 bis 4,0 % Bor erhöht wird.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß Bor in einer Menge von 0,1 bis 0,4% zugegeben wird.

31. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Bor in einer Menge von 0,1 bis 0,4% zugegeben wird.