DE976573C - Verfahren zum Herstellen von Gusseisen mit sphaerolithischem Graphit - Google Patents

Description

Bekanntlich kann Gußeisen entweder grau, weiß oder meliert erstarren und weiß erstarrtes Gußeisen wärmebehandelt werden, um den gebundenen Kohlenstoff zu zersetzen und das Eisen schmiedbar zu machen. Bei grauem Gußeisen ist der größte Teil des nicht in der Grundmasse gebundenen Kohlenstoffs als Graphit ausgeschieden, und zwar in Form langgestreckter, bandartiger, manchmal etwas verzerrter Adern. Dieser ίο Graphit wird allgemein als »Flockengraphit« bezeichnet.

Dem Werkstoff fehlt für viele Verwendungszwecke die erforderliche Zähigkeit. Das rührt daher, daß die Form, Größe und Verteilung seines Graphits das Eisen schwächen und spröde machen, wahrscheinlich weil das Verhältnis der Oberfläche zur Masse jeder einzelnen Ader oder Flocke zu groß ist und der Graphit in dieser Form den Kräftefluß unterbricht und als Einkerbung im Gefüge wirkt.

Ähnlich wie beim Flußeisen können auch gelöste oder mechanisch eingeschlossene Gase die Festigkeitseigenschaften von Gußeisen nachteilig beeinflussen. Zur Herstellung dichter und- blasenfreier Güsse hat man deshalb schon eine Desoxydation von Gußeisenschmelzen mit Aluminium, Natrium, Magnesium und Kalzium vorgeschlagen, die bereits in geringen Mengen desoxydierend wirken und

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dabei nicht in den Guß übergehen, wie das beim Desoxydieren mit Ferromangan oder Silizium als nachteilig empfunden worden ist.

Der Graphit kann im Gußeisen auch in Form von Knoten oder Sphärolithen auftreten, die die mechanischen Eigenschaften des Eisens bekanntlich sprunghaft verbessern.

Die Erfindung beruht nun auf der Feststellung, daß Magnesium ein Mittel ist, in Gußeisen den Graphit in Form von Sphärolithen bzw. Kügelchen zur Ausscheidung zu bringen, wenn man dafür sorgt, daß geringe Mengen an Magnesium in den Fertigguß übergehen und dort nachweisbar sind. Davon geht das erfindungsgemäße Verfahren aus. Es schlägt vor, daß in eine legierte oder unlegierte Gußeisenschmelze, die nach ihrer Zusammensetzung und den Gießbedingungen grau erstarrt, z. B. mit einer Nickel-Magnesium-Vorlegierung, Magnesium eingeführt wird, mit der Maßgabe, daß im Fertigguß eine geringe, etwa 0,04 bis 0,3 '%■ betragende Menge an Magnesium verbleibt. Zweckmäßig wird der Magnesiumgehalt im Fertigguß so eingestellt, daß mindestens 25 % des Graphits als Sphärolithen ausgeschieden werden.

Für die Zwecke der Erfindung ist es wesentlich, daß das Metall grau erstarrt. Darauf werden seine Zusammensetzung, die Gießbedingungen und gegebenenfalls eine Impfbehandlung abgestellt. Anders als bei einer Desoxydationsbehandlung muß hier dafür gesorgt werden, daß geringe Mengen an Magnesium, etwa 0,04 bis 0,3■%, vorzugsweise 0,04 bis 0,2%, im Fertigguß verbleiben. Ein solches Gußeisen erstarrt mit einem Gefüge, in dem der größte Teil des Graphits in Form von Sphärolithen ausgeschieden ist. Der Bruch zeigt ein stahlähnliches Aussehen und nicht die graue Farbe des Bruches gleichartiger, aber magnesiumfreier Gußeisensorten.

Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens sei an Gefügebildern erläutert. Es zeigen

Fig. ι und 2 in 25facher Vergrößerung Schliffbilder von Gußeisen mit in sphärolithischer Form ausgeschiedenem Graphit,

Fig. 3 in 5 of acher Vergrößerung das Schliffbild eines geätzten Gußeisengefüges mit sphärolithischem Graphit in perlitischer Grundmasse, Fig. 4 ein ähnliches Schliffbild in 25ofacher Vergrößerung,

Fig. 5 ein ähnliches Schliffbild in iooofacher Vergrößerung;

Fig. 6 bis 10 stellen Schliffbilder in ioofacher Vergrößerung dar, die veranschaulichen, in welcher Weise sich die Form des ausgeschiedenen Graphits bis zur rein sphärolithischen Gestaltung des Graphits mit zunehmendem Magnesiumgehalt im Fertigguß ändert;

Fig. 11 bis 13 sind Schliffbilder zur Verdeutlichung der Wirkung einer Wärmebehandlung des Gusses.

Bei dem in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Gefüge mit sphärolithischem Graphit — ein einzelner derartiger Sphärolith ist in Fig. 5 dargestellt — weist das Gußeisen die besterreichbaren mechanischen Eigenschaften auf. Das in Fig. 6 dargestellte Eisen enthält kein Magnesium. Es ist grau und dabei der Graphit in der typischen Flockenform ausgeschieden. Fig. 7 zeigt das Schliffbild eines Gußeisens mit 0,03^fl/o Magnesium. Obwohl hier noch keine .Sphärolithen zu erkennen sind, haben die Graphitflocken bereits gerundete Kanten; auch sind sie nicht mehr so lang wie vordem. Das Gußeisen, dessen Gefüge in Fig. 8 dargestellt ist, enthält 0,04% Magnesium. Sein Graphit zeigt nun eine ausgesprochene Formveränderung. Neben einigen Sphärolithen haben sich die Flocken stark verkürzt. Bei Magnesiumgehalten des Gusses um 0,04% herum liegt in bezug auf die Graphitform ganz offenbar eine kritische Umwandlung. Fig. 9 zeigt am Schliffbild eines Eisens mit 0,05 ^fl/o Magnesium die praktisch vollkommene Umwandlung des Graphits in die sphärolithische Form. Ausgeprägt sphärolithisch ist der Graphit im Schliffbild der Fig. 10 eines Gußeisens mit 0,09¹⁰Zo' Magnesium.

Aus vorstehenden Feststellungen ergibt sich die neue und bedeutsame Erkenntnis, daß schon sehr geringe Magnesiumgehalte im Fertigguß genügen, den Charakter des Gußeisens und seine Eigenschaften entscheidend zu ändern.

Das bestätigt auch das Ergebnis der mechanischen Prüfung der in den Fig. 6 bis 10 dargestellten Gußeisensorten, das in nachstehender Tabelle zusammengefaßt ist:

Figur	°/oMg	Durchbiegung	Bruchlast	Zerreiß festigkeit	Kerbschlag zähigkeit	Härte
		mm	kg	kg/mm2	mkg	BH
6	0,00	0,500	900	12,2	3,8	118
7	0,03	0,485	1270	l6,2	3=4	126
8	0,04	0,301	1920	32,5		207
9	0,05	O.75O	4300	7I,O	7>7	. 271
IO	0,09	0,600	4520	76,0	i3>8	300

Die niedrigen Gütewerte des magnesiumfreien Eisens gemäß Fig. 6 sind darauf zurückzuführen, daß diese Gußserie aus Roheisen ohne Stahlschrott erschmolzen wurde. Die weiteren Werte der Tabelle lassen den Einfluß des im Gußeisen verbliebenen Magnesiums auf dessen mechanische Eigenschaften klar erkennen. Die besten mechanischen Eigenschaften ergeben sich, wenn praktisch sämtlicher Graphit in Form von Sphärolithen zur Ausscheidung gelangt ist. Die Zerreißfestigkeit des Eisens

steigt mit dem Anteil an Kugelgraphit im Gefüge des Gusses. Sie zeigt eine ausgeprägte Verbesserung, wenn mindestens 25% des Graphits in sphärolithischer Form vorliegen (s. das Gefüge gemaß Fig. 8 mit einem etwas höheren Anteil).

Der Magnesiumgehalt im Fertigguß kann bis 0,5% betragen. Bevorzugt werden jedoch Magnesiumgehalte in den Grenzen von 0,04 bis 0,2 °/o. Der Gehalt an im Fertigguß zu verbleibendem Magnesium soll sich mit dem Kohlenstoff und/oder dem Siliziumgehalt der Schmelze sowie mit dem Querschnitt des Gußstückes, über den die Sphärolithen möglichst verteilt sein sollen, etwas erhöhen. Zur Bestimmung des im Gußeisen verbliebenen Magnesiums wird zweckmäßig folgende Methode angewandt, nach der auch die hier erörterten Magnesiumgehalte ermittelt worden sind:

Die Probe wird in einer Mischung aus Überchlorsäure und Salpetersäure gelöst, die Lösung verdampft, aufgefangen und gefiltert. Die Entfernung der Hauptmenge des Eisens aus dem Filtrat erfolgt durch Elektrolyse in einer Quecksilberkathodenzelle, wobei genügend Eisen zur Abbindung des vorhandenen Phosphors zurückgelassen wird. Die Lösung wird dann ammoniakalisch gemacht, Ammoniumpersulfat zugegeben und das Ganze gekocht und gefiltert. Aus dem Filtrat fällt man nun das Magnesium in bekannter Weise mit Diammoniumphosphat aus. Nach dem Filtern und Abflammen wird es als Mg₂P₂O₇ ausgewogen. Wenn die Gußeisenschmelze Elemente mit großer Affinität zu Magnesium enthält, insbesondere Schwefel und Sauerstoff, dann muß der Magnesiumzusatz, um den verlangten Magnesiumgehalt im Fertigguß sicherzustellen, erhöht werden. Zum Entschwefeln setzt man zweckmäßig einen Gewichtsteil Magnesium für je einen Gewichtsteil zu entfernenden Schwefels. Dadurch läßt sich dann der Schwefelgehalt auf weniger als 0,015% senken. Die Einwirkung auf die Graphitabscheidung geht nur von den nicht an Schwefel gebundenen Anteilen überschüssigen Magnesiums aus.

Wegen der leicht zur Weißerstarrung führenden Wirkung des Magnesiums empfiehlt es sich, die Schmelze zu impfen, beispielsweise mit siliziumhaltigen Impfmitteln, wie Ferrosilizium, Kalziumsilizid oder Nickelsilizid, oder auch mit Aluminium od. dgl. Das Impfmittel wird dabei vorteilhaft getrennt vom Magnesium und nach diesem in die Schmelze eingeführt. Die durch das Impfmittel in die Schmelze einzutragende Siliziummenge kann 0,3 bis 2,5 °/o, verzugsweise 0,4 bis 1,2%, betragen. Es empfiehlt sich, die magnesiumhaltige, geimpfte Schmelze schnell, z. B. innerhalb von etwa 3 Minuten nach dem Impfen zu vergießen. Längeres Halten der Schmelze verringert die Impfwirkung. Der Verlust an Impfwirkung läßt sich dadurch ausgleichen, daß man eine weitere, kleinere Menge des Impfmittels zugibt. Für eine Nachimpfung der Schmelze genügen 0,1 oder 0,15% Silizium. Größere Mengen sind indessen nicht schädlich. Auch in diesem Fall soll die magnesiumbehandelte, geimpfte Schmelze wie bei einer einfachen Impfung sehr schnell nach der letzten Impfung, z. B. innerhalb von 3 Minuten, vergossen werden. Durch periodisches Nachimpfen der Schmelze unter Beibehaltung des erforderlichen Gehalts an verbleibendem Magnesium kann man eine große Menge behandelter Schmelze innerhalb eines erheblichen Zeitraums vergießen.

Bekanntlich wird die Graphitisierungskraft der Schmelze im wesentlichen durch ihren Gehalt an Kohlenstoff und Silizium bestimmt. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung beträgt der Siliziumgehalt des Gusses vorzugsweise mindestens 0,8%. Er kann in Ausnahmefällen bis 5 oder gar bis 6% steigen. Gegenüber der größeren Graphitisierungskraft des Kohlenstoffs beeinträchtigt Silizium in größeren Mengen bei gegebenem Kohlenstoffgehalt die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Zähigkeit, Duktilität und Zugfestigkeit des Eisens. Es bildet Ferrit und wird deshalb mit Vorteil dort in größeren Mengen verwendet, wo ein hoher Ferritanteil im Grundgefüge erwünscht ist. Im allgemeinen soll die Schmelze nach der Magnesiumbehandlung und gegebenenfalls auch einer Impfung mindestens etwa 1%, vorzugsweise 1,5 bis 3% Silizium enthalten, während der Kohlenstoffgehalt zwischen 1,7 und 5%, vorzugsweise zwischen 2,0 und 4,5%-, schwankt. Das Verhältnis des Siliziumzum Kohlenstoffgehalt des Gusses läßt sich an Hand einer bekannten Formel für den Sättigungsgrad der Schmelze dahin bestimmen, daß die Summe

3,1% Si + 4,5 Ve C

größer als 1 ist. Bei Kohlenstoffgehalten von 2,5 bis 4,5% und Siliziumgehalten von 1 bis 4% wird unter üblichen Gießbedingungen das Auftreten massiver Karbide oder harter Stellen in Querschnitten von 10 mm und darüber verhindert.

Das gemäß dem Verfahren nach der Erfindung hergestellte Gußeisen kann legiert und unlegiert sein. Als Legierungsmetalle kommen vornehmlich Nickel, Molybdän, Chrom, Mangan, Aluminium und Kupfer in Frage, wobei die karbidbildende, weißmachende Wirkung einiger dieser Metalle berücksichtigt werden muß. Der Chromgehalt des Gusses sollte 1%, vorzugsweise 0,6% nicht übersteigen, wobei jedoch die Zusammensetzung der Schmelze im übrigen berücksichtigt werden muß. Die mildere Wirkung des Mangans als Weißmacher und Karbidbildner läßt an sich dessen Verwendung in Mengen bis zu etwa 2,5% zu und bei austenitischem Grundgefüge gegebenenfalls in noch größeren Mengen. Wegen der schädlichen Wirkung des Mangans auf die mechanischen Eigenschaften des Eisens, insbesondere von Alpha-Eisen, empfiehlt es sich jedoch, den Mangangehalt auf nicht mehr als ι % einzustellen. Aluminium wirkt graphitisierend. Mit Kupfer wird vorzugsweise nur bis zu % und höchstens bis zu 3 °/o legiert, darüber hinaus nur nach vorheriger Ermittlung seines Einflusses auf die mechanischen Eigenschaften des

jeweiligen Gusses, wobei andere Elemente, wie z. B. Nickel, die zulässige Grenze des Kupfergehaltes beeinflussen.

Gewisse Elemente haben sich als schädlich für das Entstehen eines sphärolithischen Gußeisens erwiesen. Es handelt sich hier unter anderem um im Gußeisen an sich selten vorkommende Elemente, wie Zinn, Blei, Antimon, Wismut, Arsen, Selen und Tellur, aber auch um das häufiger auftretende

ίο Titan.

Demgegenüber hat Phosphor keinen nachteiligen Einfluß auf die sphärolithische Graphitabscheidung. Der Phosphorgehalt des Eisens kann deshalb 0,5 °/o< oder mehr betragen. Bei hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, insbesondere an die Kerbschlagzähigkeit und Duktilität des Gusses, soll er allerdings nicht mehr als 0,06%, vorzugsweise 0,02 bis 0,06 °/» betragen.

Die zur Behandlung der Gußeisenschmelze erforderliche Magnesiummenge hängt ab vom Magnesiumgehalt, den der Fertigguß aufweisen soll, dem Magnesiumanteil der zur Abbindung der die Sphärolithenbildung störenden Elemente, insbesondere des Schwefels, benötigt wird, sowie vom Abbrand an Magnesium. Die Zugabe von metallischem Magnesium zur Schmelze löst eine heftige Reaktion aus. Bei einer nur wenig über dem Schmelzpunkt des Gusses liegenden Temperatur, d. h. bei etwa 1235⁰ C, kann metallisches Magnesium jedoch mit gehöriger Vorsicht gesetzt werden. Am besten geschieht das, wenn das Eisen gerade vollständig geschmolzen, aber noch zähflüssig ist. Auch dann zeigen sich noch die für den Magnesiumabbrand typischen Erscheinungen: grellweißes Licht und eine starke Rauchentwicklung. Die Temperatur der Schmelze wird nach der Magnesiumzugabe schnell auf 1370⁰ C und mehr erhöht, die Schmelze geimpft und danach möglichst rasch vergossen.

Das Magnesium kann der Schmelze auch in Form von Briketts zugesetzt werden, gegebenenfalls in Mischung mit Stoffen, die seinen Abbrand vermindern und einen möglichst ruhigen Reaktionsablauf herbeiführen.

Als besonders vorteilhaft hat sich aber die Verwendung des Magnesiums in Form von Legierungen mit 2 bis 40% Magnesium erwiesen. Geeignet sind z. B. intermeallische Verbindungen, wie MgNi₉, oder Mischungen mehrerer intermetallischer Verbindungen allein oder mit einem Metall, z. B. MgNi₂+Ni oder MgNi₂-FMg₂Ni. Die dem Magnesium zulegierten Elemente sollen zweckmäßig in der Eisenschmelze löslich sein. Brauchbare Legierungselemente für das Magnesium sind Nickel, Silizium und Kupfer, wobei die Verwendung des letzteren seines bekannten Verhaltens im übrigen wegen beschränkt ist. Das gleiche gilt in etwa auch vom Silizium. Gute Ergebnisse lassen sich mit binären und anderen Legierungen von Nickel und Magnesium erzielen.

Zweckmäßig kommt das Magnesium in einer Vorlegierung zur Anwendung, deren spezifisches Gewicht gleich oder größer ist als dasjenige der Gußeisenschmelze, da mit steigender Schwere der Anteil des in der Schmelze verbleibenden Magnesiums wächst. Legierungen, die in dieser und anderer Hinsicht befriedigen, sind Nickel-Magnesium-Legierungen mit 4 bis 20⁰/o Mg. Ihre Eigenschaften, insbesondere im Bereich von 10 bis 15% Mg, lassen sich durch Zulegieren von Kohlenstoff bis zur Höchstgrenze der Aufnahmefähigkeit weiterverbessern. Am besten bewährt haben sich Ni-Mg-C-Verbindungen mit 10 bis 15% Mg und ι bis 4% C.

Je höher die Konzentration des Magnesiums in der Vorlegierung ist, desto niedriger wird der Anteil des in der Schmelze verbleibenden Magnesiums. Aus einer Legierung mit 5 % Mg und 95 "/o Ni blieben z. B. schätzungsweise 90'% des Magnesiums in der Schmelze zurück, während sich dieser Anteil bei einer Vorlegierung mit 20%Mg und 80% Ni auf 25 % erniedrigte. Der Anteil des im Guß verbleibenden Magnesiums ist ferner umgekehrt proportional der Temperatur der Schmelze bei der Magnesiumbeigabe.

Vorteilhaft wird die magnesiumhaltige Vorlegierung in an sich bekannter Weise unter die Badoberfläche getaucht oder durch ein Schutzgas in Pulverform in die Schmelze eingeblasen. Eine Vorlegierung mit 96% Ni und 4'% Mg hat sich besonders leicht verarbeiten lassen, weil sie in der Schmelze absinkt, ohne daß Magnesiumabbrand auftritt. Gute und verhältnismäßig wirtschaftliche Vorlegierungen, sind noch solche mit 10'% Mg und 90% Ni und 12 bis 15% Mg, 2 bis 4°/o C, Rest im wesentlichen Ni.

Die erfindungsgemäß verwendbaren Nickel-Magnesium-Legierungen können weitere Elemente, wie Silizium, Mangan, Kupfer und Eisen, enthalten, jedoch erhöht sich der Anteil verbleibenden Magnesiums in der Regel mit dem Nickelanteil. Der Ersatz eines Teils des Nickels, beispielsweise durch Eisen, vermindert die Menge des verbleibenden Magnesiums entsprechend.

Bei der erfindungsgemäßen Behandlung der Gußeisenschmelzen mit Magnesium und den vorstehend beschriebenen Magnesiumlegierungen kommt es stets entscheidend darauf an, daß eine ganz bestimmte Menge an Magnesium im Guß zurückbleibt, mindestens aber so· viel, daß 25% des Graphits in sphärolithischer Form ausgeschieden werden.

Im allgemeinen wird für Gußeisen ein perlitisches oder teilweise perlitisches, z. B. perlitisch-ferritisches Grundgefüge verlangt, das bei folgender Zusammensetzung des Gußes entsteht:

2,8 bis 3,8% Kohlenstoff,

1,5 bis 2,7% Silizium,

0,06 bis ο,15 % Magnesium,

0,5 bis 3% Nickel, 0,1 bis 1% Mangan,

Rest Eisen und die üblichen Verunreinigungen.

Das Gußeisen kann außerdem z.B. bis 0,5% Chrom enthalten.

Der Magnesiumgehalt der gemäß dem Verfahren nach der Erfindung hergestellten Gußstücke soll mit größer werdendem Querschnitt ansteigen und der Kohlenstoffgehalt abnehmen. Für zwei verschiedene Querschnittsbereiche seien folgende 6g brauchbare Legierungen genannt:

Querschnitt	C	Si	Mg	Ni
6 bis 40 mm 10 50 bis 100 mm	3,2 bis 3,6% 3,o bis 3,2%	i,8 bis 2,5% i,8 bis 2,5 °/o	o,o6 bis 0,10% 0,08 bis 0,12%	ι bis 3 % ι bis 3%

Gußeisen, dessen Kohlenstoff praktisch vollkommen in sphärolithischer Form ausgeschieden ist, zeichnet sich durch eine hohe Volumenbeständigkeit (geringes »Wachsen«) aus. Von vier Gußstücken mit 3,5°/»Kohlenstoff, 2,5% Silizium, 1,5% Nickel und 0,8% Mangan waren zwei magnesiumfrei, die anderen enthielten 0,063% Magnesium. Sämtliche Proben waren kurz vor dem Guß geimpft. Jede von ihnen wurde einer ioostufigen Prüfung unterzogen, wobei jede Stufe aus der Erwärmung der Probe an Luft auf 870⁰ C (innerhalb einer halben Stunde), Halten bei 870° C an der Luft (1 Stunde) und darauffolgender Abkühlung an Luft (über 1 Stunde) bestand. Während die magnesiumfreien Proben eine Längenzunahme von 11,30 und 13,05% erfuhren, änderte sich die Länge der maguesiumhaltigen Proben nur um 2,01 bzw. 2,04*/».

Um die Duktilität des nach der Erfindung hergestellten Gußeisens noch weiter zu steigern, hat sich folgende Wärmebehandlung als zweckmäßig erwiesen:
Das Gußeisen wird bei einer Temperatur dicht unterhalb A₁ geglüht, um den bei der Abkühlung aus der Schmelze gebunden gebliebenen Kohlenstoff freizusetzen. Die Glühbehandlung geht vorzugsweise bei einer Temperatur vor sich, die tiefstens 45° C unter dem Umwandlungpunkt A₁ liegt. Sie soll mindestens 2 Stunden dauern. Behandlungszeiten von 15 oder 20 Stunden haben sehr gute Ergebnisse gezeitigt.

Die Freisetzung des in der Grundmasse gebundenen Kohlenstoffs und seine Abscheidung in Form von sphärolithischem Graphit erhöht die Duktilität des Eisens und zeigt sich in der in Fig. 11 bis 13 erläuterten Gefügeänderung. Fig. 11 ist ein Schliffbild in 25 of acher Vergrößerung von Gußeisen mit 0,06% Mg und sphärolithischem Graphit. Fig. 12 zeigt das Gefüge des gleichen Eisens nach der Wärmebehandlung gemäß der Erfindung. Fig. 13 ist das Schliffbild eines Sphärolithen nach der Wärmebehandlung (vgl. Fig. 5). Fig. 12 zeigt, daß der Perlit in Ferrit umgewandelt worden ist und sich der abgeschiedene Graphit an die Sphärolithen angelagert hat. Außerdem hat sich das Aussehen der einzelnen Sphärolithen geändert, wie man aus Fig. 13 deutlich erkennt. Die Kante des Sphärolithen hat insbesondere nunmehr ein rauhes, kieselartiges Aussehen.

Dem Glühen unterhalb des kritischen Punktes A₁ geht zweckmäßig ein Glühen oberhalb des kritischen Punktes voran, um etwa im Gefüge befindliche

massive Karbide aufzulösen. Diese Hochtemperaturglühung wird bei einer Temperatur zwischen 985 ° C und dem kritischen Punkt, vorzugsweise zwischen 815 und 955° C, vorgenommen. Sie soll mindestens 2 Stunden dauern, in der Regel 3 bis 5 Stunden und weniger als 15 Stunden. Das Gußstück kann dabei auf ein und derselben Temperatur gehalten werden oder aber innerhalb der angegebenen Temperaturgrenzen pendeln. Das Abkühlen kann mit beliebiger Geschwindigkeit geschehen. Ein allmähliches Abkühlen erfolgt im Glühofen, in der Grube oder sogar in der Form selbst. Abkühlungsgeschwindigkeiten von etwa 40 bis iio° C je Stunde, im Mittel von etwa 55° C je Stunde, sind bis zum Erreichen der kritischen Temperatur A₁ ohne weiteres zulässig.

Das Hoehtemperaturglühen selbst kann sich auf verschiedene Weise vollziehen, beispielsweise unter Ausnutzung der Gießwärme. Dabei wird das von der Form befreite Stück in eine auf 760 bis 985° C vorgewärmte Grube gebracht und dort langsam bis auf eine Temperatur dicht unterhalb A₁ abgekühlt. Alsdann wird die Abkühlung unterbrochen und das Gußstück die erforderliche Zeit auf dieser Temperatur gehalten. Möglich ist es auch, kalte Gußstücke in eine entsprechend vorgewärmte Grube zu bringen und sie dort so lange zu halten, bis sie eine Temperatur von 760 bis 985 ° C angenommen haben, worauf die Gußstücke wie vorher weiterbehandelt werden. Kalte, im Ofen oder in der Grube auf 760 bis 985 ° C erhitzte Gußstücke können auch luftgekühlt werden, z. B. auf Zimmertemperatur oder dicht unterhalb A₁, worauf sie unterhalb der kritischen Temperatur wie beschrieben weiterbehandelt werden. Das Halten des Gußstückes auf einer Temperatur dicht unterhalb der kritischen kann durch äußerst langsame Abkühlung im Temperaturbereich dicht unterhalb A₁ im Ofen, in der Grube oder in der Form ersetzt werden, d. h. durch ein Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von 28⁰ C, vorzugsweise 15⁰ C je Stunde oder weniger. Da der kritische Punkt in der Regel bei etwa 721⁰C liegt, kann die Niedertemperatur-Glühbehandlung gewöhnlich bei 685 bis 710⁰C vor sich gehen.

Die Glühbehandlung braucht nicht immer zur Freisetzung allen gebundenen Kohlenstoffs oder zur Auflösung aller massiven Karbide zu führen. Wenn sie sich z. B. nicht über genügend lange Zeit erstreckt oder wenn die Legierung wesentliche Mengen von Karbidbildnern, wie Chrom oder Mangan, enthält, wird ein kleiner Teil von gebundenem

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Kohlenstoff oder Karbiden im Fertigguß verbleiben.

Da der Gußeisenschmelze das Magnesium im allgemeinen in Form einer Legierung, z. B. einer Nickel-Magnesium-Legierung, zugeführt wird, entsteht meist ein entsprechend legiertes Gußeisen. Die Glühbehandlung gemäß der Erfindung wandelt dieses legierte Gußeisen in ein legiertes, schmiedbares Eisen um. Schmiedbares Eisen (Temperguß) ίο wird in der Regel durch Glühen von weiß erstarrtem Gußeisen gewonnen, wobei Legierungsbestandteile das Verfahren (Tempern) dermaßen erschweren, daß keine wirtschaftliche Herstellung von legiertem, schmiedbarem Guß (legiertem Temperguß) möglich ist. Die vorliegende Erfindung erschließt erstmalig einen einfachen und wirtschaftlichen Weg zur Erzeugung eines solchen Werkstoffs.

Die glühbehandelten Gußstücke gemäß der Erfindung unterscheiden sich vom Temperguß durch ao eine bessere Vergießbarkeit, höhere Festigkeit und Duktilität. Die hohe Duktilität der Gußstücke zeigt sich in einer Dehnung von über 5 bis zu 20°/o· und mehr. Hinzu kommt eine höhere .Festigkeit als die von Temperguß und ähnlichen Legierungen. Anders als das beim Temperguß der Fall ist, können die Gußstücke auch mit großen Querschnitten, z. B. bis 100, 125 oder mehr Millimeter, hergestellt werden, ohne daß ihre mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt werden oder die Glühbehandlungszeit wesentlich verlängert zu werden braucht.

Typische Arten von Glühbehandlungen für das sphärolithische Gußeisen nach der Erfindung sind folgende:

a) Erhitzen kalter Gußstücke auf etwa 95 5⁰ C; Halten dieser Temperatur über 5 Stunden; Abkühlen der Gußstücke im Ofen auf Zimmertemperatur; Wiedererhitzen auf etwa 705⁰ C, Halten über 5 Stunden.

b) Erhitzen kalter Gußstücke auf etwa 925⁰C; Halten dieser Temperatur über 15 Minuten; Abkühlen der Gußstücke im Ofen oder in der Grube auf etwa 695 ° C; Halten über 5 Stunden.

c) Einsetzen noch rotglühender, von der Form befreiter Gußstücke in einen Ofen oder eine Grube; Abkühlen der Stücke von etwa 925° C auf etwa 690⁰ C; Halten über 2 Stunden.

d) Ofen- oder Grubekühlen rotglühender, aus der Form genommener Gußstücke wie unter c) von etwa 925 auf etwa 690° C; Halten über S Stunden.

e) Normalisieren kalter Gußstücke durch Halten über ι Stunde bei etwa 845° C; Luftkühlen auf Zimmertemperatur; Wiedererhitzen auf etwa 705 ° C; Halten über 5 Stunden.

f) Erhitzen kalter Gußstücke auf etwa 845⁰C; Halten über 1 Stunde; Ablösen in Öl; Wiedererhitzen auf etwa 705 ° C; Halten über 5 Stunden.

Durch Änderung der Glühbehandlung lassen sich die Duktilität und die Festigkeit der Gußstücke einzeln und zueinander verschieden einstellen. Mit steigender Duktilität vermindert sich im allgemeinen die Festigkeit der glühbehandelten Gußstücke, und umgekehrt. Je länger das Gußstück auf der Temperatur gerade unter dem kritischen Punkt A₁ gehalten wird, um so größer wird im allgemeinen seine Duktilität sein.

Eine Glühbehandlung gemäß der Erfindung empfiehlt sich besonders bei Gußstücken mit perlitischem Grundgefüge, aber auch bei anderen Grundgefügen mit gebundenem Kohlenstoff, z. B. bei Nadelmartensit oder Bainit. Die nichtperlitischen Grundmassen erfordern im allgemeinen eine längere Wärmebehandlung.

Das nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte sphärolithische Gußeisen wird mit besonderem Vorteil dort verwendet, wo es auf eine hohe Zähigkeit, Dehnung und/oder Kerbschlagzähigkeit des Werkstoffs ankommt, z. B. für Walzen, Auskleidungsplatten, Kugeln für Zerkleinerungsmaschinen u. dgl. Teile.

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zum Herstellen von Gußeisen mit sphärolithischem Graphit, dadurch gekennzeichnet, daß in eine legierte oder unlegierte Gußeisenschmelze, die nach ihrer Zusammensetzung und den Gießbedingungen grau erstarrt, ζ. B. mit einer Nickel-Magnesium-Vorlegierung, Magnesium eingeführt wird, mit der Maßgabe, daß im Fertigguß eine geringe, etwa 0,04 bis 0,3% betragende Menge an Magnesium verbleibt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Magnesiumbehandlung der Schmelze dergestalt, daß etwa 0,04 bis 0,2% Magnesium im Fertigguß verbleiben.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnesium in die Gußeisenschmelze durch eine Vorlegierung auf Nickelbasis eingeführt wird, die 2 bis 40 °/o, vorzugsweise 4 bis 20%, Magnesium enthält.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze nach der Magnesiumbehandlung z. B. mit Ferrosilizium, Kalziumsilizid, Nickelsilizid oder auch mit Aluminium oder dergleichen Mitteln geimpft und gleich nach dem Impfen vergossen wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fertigguß bei einer Temperatur nahe dem Alpha-Gamma-Umwandlungspunkt (^₁) so lange geglüht wird, bis der gebundene Kohlenstoff seines Gefüges zu Graphit umgewandelt ist.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen vor der Glühbehandlung unterhalb des Alpha-Gamma-Um-Wandlungspunktes zunächst bei einer Tempera-

   tür zwischen diesem und 985° C so· lange geglüht wird, bis die freien, massiven Karbide zersetzt sind.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die voraufgehende Glühbehandlung bei einer Temperatur zwischen 815 und 955° C durchgeführt wird.
8. 8. Verwendung eines nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche hergestellten Gußeisens für Zwecke, bei denen es auf eine hohe Zähigkeit, Dehnung und/oder Kerbschlagzähigkeit ankommt, insbesondere für Walzen und Auskleidungsplatten oder Kugeln für Zerkleinerungsmaschinen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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