DE3401805C2 - Kugelgraphit-Gußeisen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Kugelgraphit-Gußeisen und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Abstract
Ein Kugelgraphit-Gußeisen, bestehend aus 3,0 bis 3,6 Gew.-% Kohlenstoff 3,5 bis 5,0 Gew.-% Silizium 0,7 bis 5,0 Gew.-% Nickel 0 bis 0,3 Gew.-% Molybdän 0,2 bis 0,4 Gew.-% Mangan weniger als 0,06 Gew.-% Phosphor weniger als 0,015 Gew.-% Schwefel 0,02 bis 0,06 Gew.-% Magnesium Rest im wesentlichen Eisen weist als Folge einer abschließenden Erwärmung des Fertiggusses über 1 bis 3 Stunden auf eine Temperatur zwischen 858 und 900°C und eines unmittelbar nachfolgenden Abschreckens mit einer Kühlungsrate von wenigstens 135°C/min auf eine Temperatur zwischen 204,4 und 412,8°C sowie eines Haltens dieser Temperatur über 0,5 bis 4,0 Stunden vor einer Abkühlung auf Raumtemperatur eine Matrix des Gußeisen-Mikrogefüges aus 70 bis 85% Bainit, 15 bis 30% nadelförmigem Ferrit und 0 bis 2,0% massivem Austenit auf und hat damit eine Zugfestigkeit von wenigstens 966 N/mm2, eine Streckfestigkeit von wenigstens 552 N/mm2, eine Dehnung von wenigstens 6% und eine Brinellhärte von wenigstens 270 BHN.
Description
Rest Eisen mit herstellungsbedingten Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen
ein Mikrogefüge mit einer die Graphltkugeln in gleichmäßiger Streuung enthaltenden Matrix aus 70 bis 8596
Bainit, 15 bis 30% nadeiförmigem Ferrit und 0 bis 2,0% massivem Austenit aufweist.
2. Kugelgraphit-Gußeisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Matrix des Gußeisen-Mikrogerüges
der Siliziumanteil des nadeiförmigen Ferrits um wenigstens 1,5* größer ist als derjenige des
Bainits.
3. Verfahren zum Herstellen von Kugelgraphit-Gußeisen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der erstarrte Guß über 1 bis 3 Stunden bei Temperaturen zwischen 858 und 900° C
wärmebehandelt und unmittelbar nachfolgend mit einer Kühlungsrate von wenigstens 135°C/min auf eine
Temperatur zwischen 204,4 und 412,8° C, insbesondere zwischen 357,2 und 398,9° C, abgeschreckt, bei dieser
Temperatur über 0,5 bis 4,0 Stunden gehalten und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Guß für zwei Stunden auf 870° C
erwärmt, anschließend auf 385° C abgeschreckt und bei dieser Temperatur zwei Stunden gehalten wird.
Herkömmlich hergestelltes Kugelgraphit-Gußelsen weist hinsichtlich seiner Anteile an Kohlenstoff, Silizium,
Mangan und Phosphor im allgemeinen eine mit Grauguß vergleichbare Zusammensetzung auf. Die zu den
Graphitflocken von Grauguß unterschiedlich kennzeichnenden Graphltkugeln von Kugelgraphit-Gußeisen
werden dabei durch einen Zusatz von sogenannten Kugelblldnern zu der Schmelze erhalten, als welche insbesondere
Magnesium und/oder Cer in vorbestimmten Teilmengen verwendet werden.
Der erstarrte Guß weist bei einem Kugelgraphit-Gußeisen Im allgemeinen ein Mikrogefüge mit einer überwiegend
perlitischen Matrix zusammen mit nur wenigen Zementit-Anteilen auf, wobei jede Graphitkugel in der
Matrix von Ferrit in der Ausbildung von sogenanntem Augenferrit umgeben ist. Die in der Matrix des Gußelsen-Mikrogefüges
anteilig enthaltenen Mengen des Perlits, Ferrits und Zementlts sind dabei hauptsächlich
abhängig von den Legierungsanteilen, dem Verhalten des jeweils verwendeten Kugelbildners und der Art der
damit geübten Impfung der Schmelze sowie auch und insbesondere von der abschließenden Kühlung der
Schmelze, die für eine Unterstützung der Ferritausbildung zur Einbettung der Graphltkugeln in eine Ferritmasse
und zur Kleinhaltung des Zementit-Antells häufig auch eine Glühbehandlung einschließt oder alternativ eine
auf ein Abschrecken folgende Wärmebehandlung.
Aus den US-PS 23 24 322 und 38 60 457 1st ein Kugelgraphit-Gußelsen bekannt, bei dem die Matrix des
Gußeisen-Mlkrogefüges aus einem Gemisch aus Austenit und Martensit oder Bainit besteht. Aus der US-PS
37 02 269 ist ein Kugelgraphit-Gußeisen mit einer aus Martensit und/oder Bainit bestehenden Matrix bekannt.
Diese bekannten Kugelgraphit-Gußeisen weisen im Gußzustand typischerweise eine Zugfestigkeit von etwa 552
N/mm2, eine Streckfestigkeit von etwa 415 N/mm2 und eine Dehnung von etwa 3% auf. Durch eine die Ferritausbildung
unterstützende Glühbehandlung können diese nicht besonders zugfesten Kugelgraphit-Gußelsen eine
Zugfestigkeit von etwa 415 N/mm2, eine Streckfestigkeit von etwa 276 N/mm2 und eine Dehnung von 10 bis
1896 erhalten. Wenn diese Kugelgraphit-Gußelsen nach einem Abschrecken nochmals wärmebehandelt werden,
dann ist damit eine Zugfestigkeit von etwa 828 N/mm2, eine Streckfestigkeit von etwa 484 N/mm2 und eine
Dehnung von maximal etwa 2% erreichbar.
Aus der US-PS 40 40 875 ist schließlich noch ein Kugelgraphit-Gußelsen bekannt, bestehend aus 1 bis 4,25%
Kohlenstoff, 1 bis 4,25% Silizium, bis 35% Nickel, bis 196 Mangan, bis 1% Molybdän, bis 0,01% Schwefel, bis
0,2% Phosphor, 0,02 bis 0,1% Mangan, Rest Elsen. Die Matrix des Gußelsen-Mikrogefüges besteht Im wesentlichen
aus Ferrit und ist frei von Elsenkarbiden, jedoch können in Ihr auch bis zu 1596 Perlit anwesend sein. Mit
diesem Gußelsen wirJ bei einer Verarbeitung Im Strangguß eine in Achsrichtung der Gußstücke gemessene
Zugfestigkeit von wenigstens etwa 415 N/mm2 erhalten, während die Zugfestigkeit In deren Umfangsrichtung
gleichzeitig wesentlich niedriger ist.
Die durch die Patentansprüche gekennzeichnete Erfindung löst die Aufgabe, ein Kugelgraphit-Gußeisen und
ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen, das eine Zugfestigkeit von wenigstens 966 N/mm2, eine
Streckfestigkeit von wenigstens 552 N/mm2, eine Dehnung von 6 bis 10% und eine Brlnellhärte von mehr als
270 BHN, insbesondere von 275 bis 290 BHN, aufweist.
Das hinsichtlich des Anteils seiher Legierungselemente mehr oder weniger den herkömmlich hergestellten
Kugelgraphit-Gußeisen entsprechende Gußeisen nach der Erfindung unterscheidet sich diesen gegenüber hauptsächlich
in einer durch ein unterschiedliches Herstellungsverfahren bedingten unterschiedlichen Matrix seines
34 Ul SU!)
Mikrogefüges, das in der hauptsächlichen Zusammensetzung aus Bainit, nadeiförmigem Ferrit und massivem
Austenit die nach der Aufgabe angestrebten Festigkeitswerte aufweist.
Die einzelnen Unterschiede ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
der Erfindung.
Bei der Herstellung des Kugelgraphit-Gußelsens wird zunächst eine Schmelze mit 3,0 bis 3,6% Kohlenstoff, s
3,5 bis 5,0% Silizium, 0,7 bis 5,0% Nickel, 0 bis 0,3% Molybdän, 0,2 bis 0,4« Mangan, weniger als 0,06% Phosphor,
weniger als 0,015% Schwefel, 0,02 bis 0,06% Magnesium, Rest im wesentlichen Eisen, hergestellt. Der
Eisenanteil der Schmelze wird dabei durch das Einschmelzen von Schrott und Rohelsen erhalten, -wobei darauf
geachtet wird, daß deren Anteil an Phosphor, Chrom, Titan, Kupfer, Blei und anderen, eine Graphit-Bildung
unterstützenden Nichteisenmetallen, vernachlässigbar klein ist. Der niedrige Schwefelanteil der Schmelze kann
dabei außer durch eine entsprechende Auswahl der Rohstoffe auch noch durch ein entsprechendes Entschwefeln
der Schmelze erhalten werden.
Das Einschmelzen der Rohstoffe, wofür bevorzugt 3,2% Kohlenstoff, 4,0% Silizium, 1,3% Nickel, 0,3% Molybdän,
0,2% Mangan, Rest Im wesentlichen Eisen, genommen werden, wird beispielsweise in einem Kupol-Ofen
mit einer entweder sauren oder basischen Schlacke vorgenommen. Auch ein Duplex-Einschmelzen der
Rohstoffe zuerst unter Verwendung eines Kupol-Ofens mit einer sauren oder basischen Schlacke und danach
unter Verwendung eines Lichtbogenofens zur damit ermöglichten Einstellbarkeit der Zusammensetzung des
Kugelgraphlt-Gußelsens ist ebenso durchführbar wie ein Einschmelzen nur unter ausschließlicher Verwendung
eines Lichtbogenofens.
Bei diesem Einschmelzen der Rohstoffe LI im wesentlichen auf die Beibehaltung der richtigen Schmelztemperatur
zu achten, die in Abhängigkeit davon zu wählen ist, welche Querschnittsdicke die fertigen Gußstücke
aufweisen und mit welcher Gießtechnik in Abhängigkeit von den Gießformen und unter Beachtung der
Impfung der Schmelze mit Magnesium und anderen Kugelbildnern gearbeitet werden muß. Besonders wichtig
ist hierbei auch die Einhaltung des mit 3,5 bis 5,0% angegebenen kritischen Anteils von Silizium, indem eine
Verwendung von weniger als 3,5% Silizium eine Ausbildung des sogenannten Augenferrits in der Matrix des
Gußelsen-Niikrogefüges fördert und damit nicht die Ausbildung von nadeiförmigem Ferrit in der Mischung mit
Bainit, wobei dann solches Augenferrit auch gleichzeitig einen verstärkten Anteil an Bainit in der Matrix des
Gußei'sen-Mlkrogefüges ergibt und somit dessen Bildsamkeit wesentlich verringert. Wenn die Schmelze andererseits
mehr als 5,0% Silizium enthält, dann wird damit ein reichlich spröder Fertigguß erhalten, der außerdem für
die nachfolgende Wärmebehandlung wegen einer dann erforderlichen engeren Temperatursteuerung in dem
Temperaturbereich schwieriger zu handhaben ist, in welchem der Austenitantell der Matrix des Gußeisen-Mlkrogefüges
erzeugt wird. Gleichartig kann für den mit 0,7 bis 5,0% angegebenen Nickelanteil der Schmelze
festgestellt werden, daß mit weniger als 0,7% Nickel eine Bildung von Perlit zusammen mit wenig Bainit In der
Matrix des Gußeisen-Mikrogefüges gefördert wird, was eine verringerte Festigkeit und Bildsamkeit sowie eine
Verringerung der Dehnung auf nur etwa 2 bis 3% ergibt. Ein Nickelanteil von mehr als 5,0% und Im Einzelfall
bereits von mehr als 3,0% ergibt andererseits eine beträchtliche Verteuerung des Herstellungsverfahrens ohne
eine nennenswerte Verbesserung der Festigkeitseigenschaften. Schließlich sollte noch zur Begrenzung des
Molybdänanteils auf maximal 0,3% darauf hingewiesen werden, daß jede größere Molybdänmenge zu einer
Entmischung des Molybdäns führt und damit eine unerwünschte Morphologie der ferritischen Phase verursacht.
Das Magnesium oder jeder dazu alternativ verwendete Kugelblldner, wie Insbesondere Cer, sollte mit einer
Korngröße zwischen 4,23 und 6,35 mm zugesetzt werden, um damit bei der späteren Wärmebehandlung des
Fertiggusses den Siliziumanteil des sich dabei ausbildenden nadeiförmigen Ferrits gegenüber demjenigen des
Bainits der Matrix des Gußeisen-Mikrogefüges höher einzustellen. Das für die Ausbildung der Graphitkugeln in
der Schmelze als Kugelblldner verwendete Magnesium, für dessen zumindest teilweisen Ersatz auch Cer oder
andere Kugelblldner, wie Kalzium, Lithium, Natrium, Barium usw. verwendet werden können, kann nach
herkömmlichen Verfahren In einer Legierung mit Eisen und Silizium oder In einer Legierung mit Nickel, Elsen
und Silizium bzw. In einer Legierung nur mit Nickel oder auch In anderen Kombinationen zugesetzt werden.
Wenn die abschließende Impfung der Schmelze durchgeführt und die Schmelze durch Abkühlung verfestigt
ist, dann wird der so erhaltene Fertigguß zunächst In einer ersten Stufe über 1 bis 3 Stunden auf eine Temperatur
zwischen 858 und 900° C erwärmt, vorzugsweise über 2 Stunden auf etwa 870° C, um In dieser ersten Stufe
eine Mischphase aus Austenit und Ferrit zu bilden. In einer unmittelbar anschließenden zweiten Stufe wird
dann der Fertigguß mit einer Kühlungsrate von wenigstens 135°C/m!n auf eine Temperatur zwischen 204,4 und
412,8° C, Insbesondere zwischen 357,2 und 398,9° C, abgeschreckt und darin auf dieser Temperatur vor einer
abschließenden Abkühlung auf Raumtemperatur über 0,5 bis 4,0 Stunden gehalten. Das Abschrecken des
Fertiggusses wird dabei in dieser zweiten Stuft zur Einhaltung der Kühlungsrate vorzugsweise In einem Salzbad
vorgenommen, um die Ausbildung von nadeiförmigem Ferrit anteilig zu 15 bis 30% in Kombination mit Bainit
anteilig zu 70 bis 85% zusätzlich zu dem In der ersten Stufe erhaltenen Austenit anteilig zu 0 bis 2,0% in der
Matrix des Gußeisen-Mikrogefüges zu erhalten, deren diesbezügliche Zusammensetzung noch insbesondere
dadurch beibehalten werden kann, daß d'e abschließende Abkühlung des Fertiggusses auf Raumtemperatur
bevorzugt In Vermiculit mit einer Kühlungsrate von weniger als l,7°C/mln durchgeführt wird, um eine sonst
noch mögliche Martensitbildung zu verhindern.
Ι» der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisse einiger Vergleichsversuche aufgeführt. Bei den Beispielen 6
bzw. 7 und 8 wurde dabei auf das Abschrecken des zunächst wärmebehandelten Fertiggusses bzw. auf die
gesamte zweite Wärmebehandlungsstufe mit dem vorstehend bereits diskutierten Ergebnis verzichtet, daß bei
dem Beispiel 6 ein Perlltgefüge und bei den Beispielen 7 und 8 unter Einhaltung einer langsameren Kühlungsrate
ein nldit ausreichendes Ferrltgefüge bzw. unter Einhaltung einer größeren Kühlungsrate ein Ferrlt/Martenslt-Gefüge
der Matrix des Kugelgraphit-Gußeisens erhalten wurde. Bei allen Beispielen war dabei für die
Schmelze zwischen 3,0 und 3,6% Kohlenstoff sowie weniger als 0,06% Phosphor und weniger als O,015% Schwe-
34 Ol 805
fei verwendet worden. Für das im Rahmen des Beispieles 1 untersuchte Gußelsen wurden die Mikrofotos der
Fig. 1 und 2 hergestellt, von denen das Mlkrofoto gemäß Fig. 1 das Gefüge des Kugelgraphit-Gußeisens mit
lOOfacher Vergrößerung vor der abschließenden Wärmebehandlung zeigt, während das Mlkrofoto der FIg. 2 das
Mikrogefüge des Kugelgraphit-Gußeisens mit 500facher Vergrößerung nach der abschließenden Wärmebehandlung
zeigt. Aus dieser unmittelbaren Gegenüberstellung 1st demnach auch die Änderung der Matrix des Gußeisen-Mikrogefüges
ersichtlich, die mit einer solchen abschließenden Wärmebehandlung für den Zweck erhalten
werden kann, damit ein Kugelgraphit-Gußeisen mit einer Zugfestigkeit von wenigstens 966 N/mm2, einer
Streckfestigkeit von wenigstens 552 N/mm2, einer Dehnung von 6 bis 10% und einer Brinellhärte von wenigstens
etwa 270 BHN bereitzustellen.
Beispiel Si Ni Mo Mn Erwärmumg auf Abschrecken
858 bis 900° C mit 135° C/Min
über 1 bis 3 Stunden
Temperatur- Mikrogefüge halten auf 357,2 mit Ferrit bis 398,9° C und Bainit
über 0,5 bis 4,0
Stunden
Stunden
| 1 | 30 | 4,0 | 1,3 | 0,2 | 0,3 | φ * | * | * |
| 2 | 2,6 | 1,3 | 0,2 | 0,3 | * * | * | ||
| 20 3 | 4,0 | 1,3 | 0,2 | 0,3 | * * | * | ||
| kleine Festigkeit | ||||||||
| 4 | 4,0 | 0,4 | 0,2 | 0,3 | * * | * | ||
| 5 | 4,0 | 4,0 | 0,2 | 0,3 | * * | * | * | |
| 25 6 | 4,0 | 1,3 | 0,2 | 0,3 | * | * | ||
| 7 | 4,0 | 1,3 | 0,2 | 0,3 | * * | |||
| 8 | 4,0 | 1,3 | 0,2 | 0,3 | * ♦ | |||
| Hierzu 1 Blatt Zeichnungen |
Claims (1)
1. Kugelgraphit-Gußeisen, bestehend aus
3,0 bis 3,696 Kohlenstoff
3,5 bis 5,0% Silizium
0,7 bis 5,0% Nickel
0 bis 0,3% Molybdän
0,2 bis 0,4% Mangan
0,7 bis 5,0% Nickel
0 bis 0,3% Molybdän
0,2 bis 0,4% Mangan
weniger als 0,06% Phosphor
weniger als 0,015% Schwefel
0,02 bis 0,06% Magnesium
0,02 bis 0,06% Magnesium
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