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Kohlenstoff-, Chrom- und nickelhaltige Eisenlegierung, die mehr Chrom
als Nickel enthält. Gegenstand der Erfindung ist eine Eisenlegierung, deren Hauptbestandteile
außer Eisen die folgenden sind: Silizium, -Schwefel, Phosphor, Mangan, Kohlenstoff,
Nickel und Chrom. Außerdem können kleine Mengen von Kupfer, Wolfram und anderen
seltenen Metallen anwesend sein, die die weiter unten näher beschriebene Art der
Legierung nicht wesentlich ändern.
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Die neue Legierung besitzt die besonders bemerkenswerte Eigenschaft,
daß ihre Zerreißfestigkeit derjenigen von Stahl nahekommt, während sie gleichzeitig
charakteristische Eigenschaften des Gußeisens aufweist. Probestäbe der neuen 'Legierung,
die von einem unbearbeiteten Gußstück abgeschnitten wurden, ergaben folgende Zahlen:
| Querbelastung Zerreißfestigkeit |
| auf Bruch Durchbiegung in Kilogram |
| in Millimetern pro Qnadrat- |
| kg zentimeter |
| 3130 _ 3'1 3697 |
| 3007 2,8 3593 |
| 3175 2,5 3915 |
| 3152 2,8 4440 |
Bei diesen Bruchproben wirkte die Bruchbelastung auf die Mitte der Stäbe zwischen
ihren Endauflagern, die 25 cm: Abstand hatten. Der Durchmesser jedes Stabes war
31 mm.
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Allgemein umfaßt die Erfindung Gußstücke; die die im folgenden aufgezählten
Elemente in dem beigefügten Verhältnis enthalten : Silizium o;io bis 2,oo Prozent,
Chrom 0,5o bis 1,50 Prozent; Nickel 0,25 bis i,oo Prozent, Schwefel unter
0,05 Prozent, Phosphor unter o,i2 Prozent, Mangan o,45 Prozent oder weniger,
Gesamtkohlenstoff r,25 bis 3,50 Prozent.
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Solche Gußstücke ergeben vorzügliche Resultate bezüglich Zug- und
Bruchfestigkeit und in bezug auf Verschleiß, Reibungsabnutzung und Widerstandsfähigkeit
gegen Hitze.
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Eine Analyse von Teilen der obenerwähnten Stäbe ergab folgende Zusammensetzung:
Silizium o,7o Prozent, Schwefel 0,033 Prozent, Phosphor o,o4o Prozent, Mangan o,25
Prozent, Gesamtkohlenstoff 1,88 Prozent, Nickel o,5oProzent, Chrom o,9o Prozent.
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Es sind zwar kohlenstoff-, Chrom- und nickelhaltige Eisenlegierungen
bekannt, die mehr Chrom als Nickel enthalten; diese Legierungen weisen aber einen
erheblich höheren Gehalt an Chrom und Nickel und einen geringeren Gehalt an Kohlenstoff
als die vorliegende Legierung auf und zeigen sich demzufolge auch durch andere Eigenschaften
als die beanspruchte auf. Vor allem sind sie teurer; und ihre Herstellung ist umständlicher.
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Es wurde festgestellt, daß bei der Herstellung von Gußstücken verschiedenen
Querschnitts auch der Gehalt an Silizium und Kohlenstoff wie üblich abgeändert werden
muß, um das gewünschte Produkt zu erhalten; dies ist der
Grund,
weshalb die oben für Silizium und für Gesamtkohlenstoff gegebenen Höchst- und Mindestwerte
so weit auseinanderliegen. Aus demselben Grunde soll die Erfindung auch nicht unbedingt
auf den angegebenen Gehalt an Sihzium oder Kohlenstoff beschränkt bleiben, sofern
die Gußstücke einen ungewöhnlich großen Querschnitt aufweisen. Die Schwankungen
in der Zusammensetzung je nach den Abmessungen des Gußstücks werden durch folgende
Beispiele illustriert: Bei einem Gußstück von 7= cm Durchmesser ergab die Analyse:
Silizium o,6o Prozent, Schwefel o,o3 Prozent, Phosphor o,o43 Prozent, Mangan o,3o
Prozent, Gesamtkohlenstoff 2,=3 Prozent, Nickel 0,50 Prozent, Chrom =,05
Prozent. Das Produkt bestand aus einem sehr harten und widerstandsfähigen Material,
das nur bei der niedrigsten Geschwindigkeit und mit dem besten Werkzeugstahl abgedreht
werden konnte.
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Bei zwei Rohrmühlenverschlüssen von 25 und 50 mm ergab
die Analyse: Silizium 1,55 Prozent, r,7oProzent; Schwefel o,o23 Prozent, o,o23Prozent;
Phosphor o,o96 Prozent, 0,o96 Prozent; Mangan o,45 Prozent, 0,45 Prozent; Gesamtkohlenstoff
2,93 Prozent, 3,20 Prozent; Nickel o,43 Prozent, o,43 Prozent; Chrom 0,85
Prozent, o,85 Prozent.
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In beiden Fällen war das Material hart und widerstandsfähig gegen
Reibungsabnutzung in der Wärme, und es ließ sich, schmieden. Das Ausschmieden von
Stahl mit mehr als 3 Prozent Kohlenstoff ist bisher nicht für möglich gehalten worden.
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Die neue Legierung nutzt sich zehnmal weniger ab als Gußeisen der
besten zum Vergleich erzielbaren Qualität; in einer Reihe von Fällen ist der Abnutzungskoeffizient
sogar noch kleiner gewesen. Die Legierung ist außerordentlich widerstandsfähig gegen
Schneid= (Schleif-) Wirkung in der Wärme. Bezüglich dauernder Abnutzung in der Hitze
zeigte sie eine fünfbis zehnfache Überlegenheit über Gußeisen, Man kann die neue
Legierung nicht gut als Eisen oder Stahl im üblichen Sinne bezeichnen, sondern muß
sie als eine neuartige Verbindung von Metallen ansprechen, die in ihrem primären
(Guß-) Zustand dem Gußeisen bezüglich des Verhaltens gegenüber schneidenden Werkzeugen
in der Drehbank, gegenüber dem Azetylenbrenner und in bezug auf ihre derer Gußeisen
nicht überlegene Elastizität bzw. Vergrößerung oder Verringerung der Oberfläche
ähnlich ist, während in ihrem sekundären Zustand, d. h. nach der mechanischen Bearbeitung,
ihre Widerstandsfähigkeit und ihr -Verhalten beim Ausschmieden und gegenüber der
Abnutzung sie dem Stahl nahestellt.
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Es ist bisher nicht möglich gewesen, die neue Legierung in ;gewerblichem
Maßstab- in einem Kupolofen oder einem ähnlichen Ofen herzustellen. Das Frischverfahren
läßt sich wohl anwenden, aber nur unter erheblichen Kosten wegen der bei der neuen
Legierung erforderlichen großen Rückkohlung. Auch das Tiegelverfahren ist anwendbar,
stellt sich aber wegen der größeren Kosten und der geringen Abmessung der zu erhaltenden
Produkte als wenig brauchbar und zu teuer selbst für die Herstellung von Gußstücken
so kleinen Gewichts dar, wie sie in Tiegeln: sich herstellen lassen. Der Gebläseofen
läßt sich gleichfalls bei der Darstellung der neuen Legierung verwenden, aber die
Kontrolle der Temperatur und des Kohlenstoffs und Siliziums ist bei dieser Ofengattung
zu schwierig und genügt nicht zur Erzeugung eines stets gleichmäßigen Produkts.
Am besten eignet sich zu seiner Herstellung der Siemens-Martin-Regenerativofen oder
der elektrische Ofen. In diesen Ofen hat man im Gegensatz zu Kupolöfen o. dgl.,
die erforderliche Kontrolle über die Temperatur beim Schmelzen und beim Gießen.
Auch lassen- sich bei der Herstellung von größeren Stücken im Kupolofen oder ähnlichen
Ofen nicht die Zusammensetzungen erzielen, die oben angegeben wurden; es wurde stets
festgestellt, daß der Gehalt an Silizium, Schwefel und Phosphor zu hoch stieg. Ein
Gehalt an Silizium, Schwefel und Phosphor in der Legierung, für die die Prüfungsergebnisse
im »fron Age« angegeben waren, würde der Erzielung der hier erwähnten außerordentlichen
Eigenschaften schädlich sein. Bei der Herstellung der Legierung im Siemens-Martin-
! Regenerativofen oder im elektrischen Ofen kann die Analyse des Produkts mit voller
Genauigkeit in den Rohmaterialien berechnet werden, indem die Legierungen mit Eisen
aus der- Rohmaterialbeschickung oder mit Eisenoxyden oder Eisenlegierungen oder
zusammen mit reinem Metall, z. B. Nickelmetall, verwendet werden.
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Beim Zusammensetzen «der Beschickung werden die üblichen Methoden
der Stahlerzeugung im Siemens-Martin-Regenerativofen oder im. elektrischen Ofen
befolgt. Man kann Stahl= .elektrischen verwenden, der: die Zusammensetzung hat,
die den richtigen Gehalt an Kohlenstoff und Silizium ergibt. Man kann aber auch
ohne Abfall arbeiten und den Kohlenstoff und das Silizium aus der Beschickung unter
Zuschlag von Erz herausarbeiten. Wenn die Beschickung in den Schmelzofen eingebracht
ist, so braucht keine irgendwie wesentliche chemische Reaktion aufzutreten, sofern
das Rohmaterial bereits eine den Endanalysen sich nähernde Zusammensetzung hat.
In diesem Fall ist also das Verfahren ein einfaches Schmelzverfahren bzw. die Erzielung
einer solchen Temperatur, daß ein Gußstück von der- jeweiligen Größe gegossen werden
kann. Nähert sich dagegen der Gehalt der Rohmaterialien -er Analyse- des- Endprodukts
nicht
genügend, so kann es erforderlich werden, die Beschickung im Ofen so lange zu erhitzen,
bis - der Überschuß an Silizium und Kohlenstoff oder anderen Elementen ausgetrieben
ist. Ist in der Beschickung zuwenig von den erforderlichen Elementen vorhanden,
so müssen im Ofen entsprechende Zuschläge gegeben werden. Selbstverständlich muß
der übliche Schmelzverlust berücksichtigt und in der üblichen Weise ausgeglichen
werden. Es ist nicht immer erforderlich, zwecks Verminderung dieser Oxydation schlackenbildende
Zuschläge zu geben, weil die Beschickung an sich schon eine gewisse Menge Schlacke
ergibt. Die Erfindung umschließt jedoch auch die Beigabe von Zuschlägen zur Regelung'
der Oxydation. Der zur Erzeugung der Legierung benutzte Regenerativofen kann ein
saures oder ein basisches Futter haben; ersteres ist vorzuziehen.
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Es ist früher behauptet worden, daß bei Gußeisen ein Gehalt von Nickel
und Chrom zugleich mit einem hohen Gehalt an Gesamtkohlenstoff wertvoll ist. Bei
vorliegender Erfindung besitzt erfahrungsgemäß ein erhöhtet Kohlenstoffgehalt für
solche Gußstücke keine Wichtigkeit; wenigstens lassen sich bezüglich Zug- und Bruchfestigkeit
keine solchen Resultate wie bei der neuen Legierung erzielen, wenn die Kontrolle
des Kohlenstoffgehalts zusammen mit der Kontrolle des Siliziumgehalts je nach der
Größe und dem Querschnitt der Gußstücke nicht vollständig durchgeführt ist. Man
hat ferner behauptet, daß bei Stahlgemischen, die Nickel und Chrom enthalten, ein
Mangangehalt von mehr als 0,25 Prozent auf die Härte und Zähigkeit schädlich
einwirke. Auch hier ergibt sich für die neue kohlenstoffreiche Legierung, daß ein
besonders niedriger Mangangehalt keine wesentliche Rolle spielt. Die besten Resultate
wurden mit der neuen Legierung durch vollständige Regelung des Kohlenstoff- und
Siliziumgehalts erzielt; das Mangan konnte dabei ohne wesentliche Wirkung innerhalb
der üblichen Grenze schwanken. Bei gewissen Querschnitten der Gußstücke aus der
neuen Legierung wurde festgestellt, daß es notwendig ist, sie auszuglühen, uni ihnen
ihre gleichmäßige Widerstandsfähigkeit und. Härte zu erhalten. In dieser Beziehung
weist die neue Legierung eine große Ähnlichkeit mit Stahl auf. Es hat sich gezeigt,
daß das Metall-nach dem Guß, wenn es so rasch aus der Form herausgenommen wurde,
als seine Festigkeit es erlaubte, die Neigung zur Selbsthärtung an der Luft zeigte.
Ein ähnliches Verfahren kann für alle die Gußstücke angewendet werden, bei denen
der Hauptwert auf geringen Verschleiß gelegt wird. Bei solchen Gußstücken, die zwecks
Verwendung als Werkzeuge geschmiedet oder zurechtgeschnitten werden müssen, empfiehlt
es 1
sich, zuerst auszuglühen, obwohl dies nicht immer notwendig ist, dann
auszuschmieden, die Stücke fertigzumachen und sie schließlich in heißem Wasser oder
Öl zwecks Erzielung der erforderlichen Härte abzulöschen. Dieser Behandlun@ können
z. B. Legierungen unterworfen werden, deren Analyse weiter unten gegeben ist. Diese
Legierungen lassen sich zu einem Drehstahl oder Bohrer ausschmieden, dann gut ausglühen
und härten und weisen die gleiche Leistung auf wie der beste Tiegelgußwerkzeugstahl.
Silizium o,7o Prozent, o,6o Prozent, Schwefel 0,033 Prozent, 0,033 Prozent; Phosphor
o,o4o Prozent, 0,073 Prozent; Mangan o;25o Prozent, o,22 Prozent; Kohlenstoff 1,88
Prozent, 2,26 Prozent; Nickel 0,50 Prozent, 0,53 Prozent; Chrom o,go
Prozent, o,go Prozent.
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Die Zugfestigkeit der ersten Probe betrug 6414 kg per Quadratzentimeter
ohne die geringste Änderung im Umfang, der Länge oder Elastizität über das hinaus,
was sich bei Gußeisen ergeben würde: Die Struktur eines solchen Materials nach dem
Schmieden ist in jeder Beziehung der Struktur des allerbesten, im Tiegelschmelzofen
erzeugten Werkzeugstahls ähnlich. Die Vorteile der Herstellung der neuen Legierung
liegen auf der Hand, da die Kosten derselben erheblich geringer sind als bei Tiegelgußstahl
und man in- keiner Weise bezüglich der Eigenschaften auf seltenere und teurere Elemente
angewiesen ist. Die neue Legierung eignet sich auch ganz besonders zur Herstellung
von gehämmerten Schmiedestücken komplizierter Form, bei denen das Gußstück größer
gemacht werden kann als die Endform, und die mechanische Formgebung in einem Gesenksatz
und in einer Arbeit vorgenommen werden kann, wodurch natürlich die Kosten sehr erheblich
vermindert werden.
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Die neue Legierung ist der ausgedehntesten Anwendung fähig; gie eignet
sich für große und kleine Gußstücke, bei denen Abnutzungswiderstand und Widerstand
gegen Hitze von Wichtigkeit sind. Sie eignet sich zur Herstellung von Werkzeugen,
wie Hämmer; Äxte, Hacken, Schaufeln, Sägen; ihre Verwendbarkeit ist eine fast unbegrenzte
dank ihrer Doppelnatur als Gußeisen und Stahl. Die Arbeit und die Kosten der Fertigstellung
können erheblich herabgesetzt werden, weil die neue Legierung schon in ihrem Gußzustand
die -äußere Form des zu erzeugenden Artikels annimmt und infolgedessen nur eine
geringe Endbearbeitung nötig macht.