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Herstellung von Gegenständen aus Stahlguß oder Gußeisen mit verschleißfester
Oberfläche Man kann die Randzone von Gegenständen aus Stahl, die starkem Verschleiß
ausgesetzt sind, bekanntlich durch Oberflächen- oder Einsatzhärtung hart und verschleißfest
machen. Beim Gußeisen geschieht das durch den bekannten Schalenhartguß, der eine
weiß erstarrende, ledeburitische Randschicht erzeugt. Die Oberflächenhärtung durch
Gasbrenner verläuft des raschen Aufheizens der Randzone wegen nur mit geringem thermischem
Wirkungsgrad. Außerdem sind für diese Oberflächenhärteverfahren besondere Maschinen
und Vorrichtungen notwendig. Ähnlich verhält es sich bei der Oberflächeninduktionshärtung;
sie ermöglicht einen schnelleren Arbeitsfluß, erfordert aber für jede Werkstückform
einen besonderen Induktor. Die Einsatzhärtung in festen Zementationsmitteln erfordert
bei den hohen Temperaturen und großen Reaktionszeiten einen noch größeren Wärmeverbrauch
bei kleinem Durchsatz und gesteigerten Unkosten. Die Anwendung der gleichfalls bekannten
Salzbadhärtung ist am wirtschaftlichsten bei kleinen Massenteilen mit geringer Einsatztiefe.
Bei größeren Teilen mit stärkeren Einsatzschichten wird der Wärmeaufwand wieder
zu groß. Beim Schalenhartguß müssen zur Herstellung der weiß erstarrenden, ledeburitischen
Randschicht Gattierung, Schmelzführung, Gießform und Abkühlungsgeschwindigkeit so
aufeinander abgestimmt sein, daß die Randzone nach dem metastabilen Eisen-Eisenkarbid-System
erstarrt und sich im Kern das stabile Eisen-Graphit-System einstellt. Diese Bedingungen
können nicht immer mit Sicherheit und nur von einer bestimmten Mindestwandstärke
an eingehalten werden. Dünnwandige Teile lassen sich
als Schalenhartguß
kaum herstellen. Außerdem ist es beim Schalenhartguß nachteilig, daß hier der Kernwerkstoff
aus sprödem Gußeisen besteht.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung von
Gegenständen mit verschleißfester Oberfläche aus Stahlguß oder Gußeisen, bei dem
es mit überraschend einfachen Mitteln gelingt, einen übereutektoiden Stahl mit ledeburitischem
Gefüge zur Erstarrung zu bringen, wonach es dann auch ohne weiteres möglich ist,
dünnwandige Stahlgußteile mit harter, ledeburitischer Randzone abzugießen. Nach
dem Verfahren können außerdem Stahlgußteile, die bisher, um sie verschleißfest zu
machen, einer Oberflächenhärtung bedurften, in billiger Maßanfertigung hergestellt
werden, so daß es der Gießtechnik ganz neue Anwendungsgebiete erschließt.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Wasserstoff in statu
nascendi unter gleichzeitig desoxydierenden Bedingungen in der Randzone eines übereutektoiden
Stahlgusses, der mit etwa 1,5% Kohlenstoff und sonst üblicher Zusammensetzung nahe
an der S-E-Linie des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms liegt, den Punkt E dieses Diagramms
so weit nach links verschiebt, d. h. so viel Eisenkarbid zur Ausscheidung bringt,
daß ein ledeburitisches, dem Schalenhartguß ähnliches, verschleißfestes Gefüge entsteht.
Dabei kann die Ledeburitbildung durch Eindiffundierenlassen von Legierungselementen,
die das y-Gebiet weiter einengen und durch miteingewanderte Kohlenstoffatome verstärkt
und eine fehlerhafte Gasblasenbildung unterbunden werden. Das Verfahren ersetzt
den bekannten Schalenhartguß mit sprödem, grauem Gußeisen als Kernwerkstoff durch
einen übereutektoiden Stahlguß mit einem Grundwerkstoff von wesentlich besseren
mechanischen Eigenschaften, der dann durch Wärmebehandlung noch zäher gemacht werden
kann.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann beispielsweise so durchgeführt
werden, daß auf die Modellflächen der zum Einformen der Stücke dienenden Sandform
vor dem Zusammenbau der Formkästen ein Anstrich aufgebracht wird, der aus einer
Wasserstoff- und kohlenwasserstoffhaltigen Diffusionsmasse besteht, etwa von der
Zusammensetzung: 2 bis 5 Gewichtsteile Calciumhydroxyd, i bis 3 Gewichtsteile Braunkohlenstaub
und i bis 2 Gewichtsteile Aluminiumpulver. Dabei kann gegebenenfalls das Aluminium
teilweise durch hochprozentiges Ferrosilicium ersetzt sein und der Masse auch ein
Zuschlag an Aluminium- und Nickelpulver im Gewichtsverhältnis von i :2 sowie an
Nitriden oder anderen Stickstoffverbindungen gegeben werden. Danach wird das Ganze
mit flüssigen, gesättigten Kohlenwasserstoffen, wie Paraffin- oder Erdöl, zu einem
streich- oder spritzfertigen Anstrich gemischt.
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Beim Eingießen des flüssigen Eisens in die so vorbereitete Gießform
entsteht eine Reaktion. Die Randzone erstarrt gegenüber dem Grundwerkstoff mit einer
erheblich stärkeren Zementit- oder Karbidausscheidung, da sich infolge der raschen
Abkühlung im Formkasten ein strukturelles Gefügsgleichgewicht zwischen Rand und
Kern nicht einstellen kann.
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An den Stellen, die einem besonders starken Verschleiß ausgesetzt
sind, kann die Einhärtungstiefe und Oberflächenhärte durch angelegte Kerne gesteigert
werden. Die Kerne bestehen dabei aus der erfindungsgemäß zu verwendenden Masse,
wobei jedoch als Bindemittel gesättigte Kohlenwasserstoffe, wie Paraffin oder Erdwachs,
benutzt werden.
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Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung kann auch die Oberflächenhärte
von Gußeisen und der verschiedenen Stahlgußarten erhöht werden. Damit ist es dann
möglich, z. B. die Gleitflächen eines Zylinderblocks aus perlitischem Gußeisen,
die besonders stark beansprucht sind, verschleißfest zu machen und überhaupt 'hochverschleißfesten
Guß, z. B. für Hartzerkleinerungsmaschinen und Schlammpumpen, herzustellen. Da die
Gießtemperatur des Gußeisens wesentlich tiefer liegt als die des Stahles, gibt man
der Diffusionsmasse einen entsprechenden Zuschlag an Aluminium- und Nickelpulver,
damit durch eine exotherme Reaktion die erforderliche Diffusionsgeschwindigkeit
erreicht wird.
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Bei einem Stahlguß mit etwa o,:I% Kohlenstoff kommt in Anwendung des
Verfahrens nach der Erfindung in der Randzone eine Zementitausscheidung zustande,
die einem Kohlenstoffgehalt von o,6% gleichkommt. Durch Oberflächenhärtung kann
die Randzone infolgedessen auf volle Martensithärte gebracht werden, während der
Kernwerkstoff verhältnismäßig weich und dämpfungsfähig bleibt.
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Bei einem eutektoiden Kohlenstoffgehalt von etwa o,85 % entspricht
die Zementitausscheidung in der Oberfläche einem Kohlenstoffgehalt von über 1,2%,
wodurch die Verschleißfestigkeit sowohl im geglühten als auch im gehärteten Zustand
in gleicher Weise ansteigt. In legiertem Gußeisen und legiertem Stahlguß bewirkt
das Verfahren nach der Erfindung den gleichen Ausscheidungseffekt.
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Durch einen Zuschlag von Nitrid oder anderen stickstoffhaltigen Verbindungen,
wie Calciumnitrid oder Cyansalze, die im Reaktionsablauf Stickstoff abspalten, läßt
sich die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit der Randzone weiter verbessern.