DK143415B - S.g.-jern med en mikrostruktur af isotermisk bainit og 20-50vol.-pct. restaustenit - Google Patents

Description

143415

Den foreliggende opfindelse angår et med molybden og mangan legeret S.G.-jern, som efter en isotermisk varmebehandling har opnået en bainitisk mikrostruktur og heri en betydelig mængde resterende austenit.

S.G.-jern anvendes i almindelighed i ulegeret form og på mange måder legeret til en mikrostruktur, der kan være ferritisk, ferritisk-perlitisk, anløbningsmart ens it i sk og bainitisk.

Et væsentligt træk ved S,G.-jernet ifølge opfindelsen er den bainitiske egenskab hos dets mikrostruktur.

Der kendes en fremgangsmåde til bainitisering af S.G,-jern, hvorved man i et forholdsvis kraftigt legeret S.G.-jern tilvejebringer en bainitreaktion i direkte forbindelse med afkølingen efter støbningen. Et sådant S.G.-jern er beskrevet i USA patentskrift nr. 682 985 samt i det tyske offentliggørelsesskrift nr. 1 808 515. I fig. 1 er vist et eksempel på et sådant S.G.-jern, hvorved S-kurverne ved påvirkning af legeringsstofferne er skubbet betydeligt mod højre fra sin plads for det ulegerede S.G.-jern, således at man takket være den rigelige legering får dannet bainit i tilknytning til afkølingen. Den stiplede kurve er afkølingskurven.

Som legeringsstof anvendes foruden molybden rigeligt nikkel (5,2 - 7,0^). Ved hjælp af denne fremgangsmåde opnås en bainitisk struktur selv for genstande med stor vægtykkelse, men det må betragtes som en ulempe, at det høje legeringsindhold medfører en høj pris, samt at legeringssammensætningen må afpasses i forhold til vægtykkelsen af det støbte emne.

Der kendes endvidere en fremgangsmåde til bainitisering, hvorved af ulegeret 5.G.-jern fremstillede stykker varmebehandles isotermisk. Ved denne varmebehandling opvarmes det støbte emne efter støbningen igen til austenitiserings- 143415 2 temperaturen og afkøles hurtigt fra denne temperatur i et opvarmet bad af en passende temperatur. Emnet holdes i badet ved konstant temperatur i så lang tid, at bainit-udskillelsen finder stfd, hvorefter emnet afkøles til stuetemperatur. I fig. 2 er vist S-kurver ved denne fremgangsmåde med optrukne linier, medens den stiplede kurve angiver et emnes afkøling i et tidstemperatur-koordinatsystem. Ved denne fremgangsmåde opnås en bainitisk mikrostruktur i S.G.-jern uden anvendelse af dyre legeringstoffer. Den hurtige afkøling, som kræves ved denne fremgangsmåde, kan kun realiseres ved støbte emner med ringe vægtykkelser. Den i praksis højst anvendelige godstykkelse er ca. 20 mm.

. S,G.-jernet ifølge opfindelsen og den omhandlede bainiti-seringsmetode egner sig både til tykke og tynde støbeem-ner. Ved den omhandlede fremgangsmåde er det ikke nødven-* digt at ændre legerings sammensætningen i forhold til vægtykkelsen.

Den foreliggende opfindelse er baseret på erkendelsen af, at hvis man efterlader et vist restaustenitindhold i S.G.-jeraet, bliver dette hårdt nok til bearbejdning, d.v.s. at - S.G.-jernet får en forøget styrke under anvendelse, og dette gælder specielt de partier, som udsættes for belastning.

I modsætning til denne opfindelses tanke forudsættes det i det tyske offentliggørelsesskrift 1 805 515 udtrykkeligt (se side 5j linie 11 - 13), at restausténit bør vmdgås.

Desuden forudsætter det nævnte offentliggørelsesskrift, at S.G.-jernet bør indeholde mindst 3,2% nikkel (se tabel I, side 3), mens S.G.-jernet ifølge den foreliggende opfindelse har de ovennævnte egenskaber også i fraværelse af nikkel.

S.G.-jernet ifølge opfindelsen er forholdsvis lavt legeret hvorfor legeringsstofferne ikke forhøjer prisen særlig meget. Desuden medfører den foruden bainitten i dette S.G.- 143415 3 jern forekommende restaustenit, at jernet bliver sejt og hærdeligt ved bearbejdning. Bearbejdningshærdningen fremkalder trykspænding ved overfladen og forøger således udmattelsesstyrken. Brudforlængelsen er stor.

Den foreliggende opfindelse angår således et S.O.-jern, særlig egnet til maskinelementer, som er udsat for udmattel-sesbrud, indeholdende 3>2 - 4 vægt-% carbon, 1,5-8 vægt-% silicium, mindre end 0,08 vægt-% phosphor, mindre end 0,02 vægt-% svovl og 0,02 - 0,08 veegt-% magnesium, og som efter støbningen eller efter bearbejdning har været underkastet en isotermisk varmebehandling ved afkøling i et opvarmet bad til omdannelse af austenit til bainit, til opnåelse af en mikrostruktur af isotermisk bainit og 20 - 50 vol.-% restaustenit, som muliggør forøget styrke af S.G.-jernet ved udmattelse vinder brug og/eller ved bearbejdning, hvilket S.G.-jern er kendetegnet ved, at det som legeringsstoffer indeholder 0,10 - 0,26 vægt-% molybden og 0,3 - 1»4 vægt-% mangan samt eventuelt op til 2,5 vægt-% af et eller flere af legeringsstofferne nikkel, tin og kobber, som fremmer dannelsen af perlitisk mikrostruktur ved støbningen og således fremskynder austenitiseringen.

S.G,rjernet ifølge opfindelsen indeholder de for ulegeret S.G.-jern sædvanlige mængder kul, silicium, phosphor, svovl og magnesium samt som egentlige legeringsbestanddele 0,10-0,26 vægt-%, hensigtsmæssigt 0,15 - 0,22 vægt-% molybden, og 0,3 - 1,4 vægt-% mangan. Et sådant legeret S.G.-jern er direkte egnet til isotermisk bainitisering. Hvis legeringen yderligere tilføres enten 0,03 - 2 vægt-% tin, 0,3 - 1,0 vægt-% kobber eller 0,5 - 2,5 vægt-% nikkel, opnås i forbindelse med støbningen en perlitisk krystalstruktur, som ved genopvarmning til austenitiseringstemperatu-ren austenitiseres betydeligt hurtigere end en krystalstruktur indeholdende fri ferrit, og således fås en kortere behandlingstid. Tin, kobber og nikkel påvirker perlit-dannelsen på samme måde, hvorfor de helt eller delvis 143415 4 kan erstatte hverandre; man kan f. eks. anvende en tredie-del af hver af de stoffer. Fordelagtigt indeholder S.G.-jernet ifølge opfindelsen op til 0,2% tin og/eller op til 1,0% kohber.

Et S,G.-jernemne ifølge opfindelsen kan i.e^cs. fremstilles på følgende måde:

Af en smelte, der som legeringsbestanddel indeholder kul (C) = 3,5 - 3,7%, silicium (Si) = 2,1 - 2,4%, mangan (Mn) = 0,50 - 0,55%> molybden (Mo) * 0,2 - 0,22% og kobber (Cu) = 0,7 - 0,8% samt et normalt tillæg af magnesium, støbes en rund skive med en diamter på 150 mm og tykkelse på 50 mm. Emnet får lov til at afkøles frit, og behandlingen af dette fortsættes i opvarmet tilstand. Emnet overføres til en varmebehandlingsovn, hvis temperatur er 900° C. I ovnen overgår emnets mikrostruktur til auste-nitisk form. Efter to timers austenitisering flyttes emnet og afkøles i et bad, hvis temperatur er 370° C. Badet vejer 200 kg og indeholder en del natriumnitrit (NaM^) og en del kaliumnitrat (KNO-^). Badet er forsynet med en omrører og er termostatstyret til opvarmning og afkøling. Forsøgsemnet holdes i badet mellem 10 minutter og 4 timer i afhængighed af den mængde bainit, som man ønsker at opnå. Emnet udtages af badet og bringes til afkøling i fri luft. Emnet kan herefter indeholde f. eks. ca. 50 vol«-% bainit, ca. 40 vol.-% austenit og ca. 10 vol.-% grafit. En passende mængde for restaustenitten er 20 - 50 vol.-%. Et S.G.-jern med mindre austenit-indhold kan ikke hærdes ved bearbejdning, og et S,G.-jern med højere austenitindhold er ikke tilstrækkeligt stærkt.

S.G.-jernets isotermiske varmebehandling ifølge opfindelsen illustreres i fig. 3 ved hjælp af et tids-temperaturko-ordinatsystem. De fuldt optrukne linier viser S.G.-jernets S-kurver. Den stiplede linie viser emnets afkølingstem 143415 5 peratur.

Et emne, som støbes af S.G.-Jern ifølge opfindelsen, og som bainitlseres isotermisk, er særdeles ensartet i kvalitet og er velegnet til spåntagende bearbejdning. Ved trækprøver er det konstateret, at brudforlrøigelsen er oa. 10% ved en brudstyrke på 110 kp/mm2, hvilken brudforøgelse er betydelig højere end de tilsvarende værdier for højlegeret bainitisk S.G.-jern eller tempergods.

Brudstyrke og brudforlængelsesværdierne for nogle baini-tiserede S.G.-jern ifølge opfindelsen er angivet i efterfølgende tabel:

Nr. Mo Mn Ni Cu Sn Brudstyrke Forlængelse % % % % % kp/mm2 % 1 0,10 0,3 0 0 0 104 8,7 2 0,18 0,8 0 0,7 0 110 9,6 3 0,26 1,4 2,5 O 0 107 7,0

Hvis molybdenmængden er mindre end 0,10%, kan bainitise-ringen ikke gennemføres med tykke emner, og hvis den overstiger 0,26%, forøges karbiddannelsen, og prisen stiger.

Hvis manganmængden overstiger 1,4%, forøges risikoen for karbiddannelse, og bainitiseringstiden bliver længere,

Hvis nikkelindholdet er højere end 2,5%, bliver prisen unødvendig høj.

Restaustenitten i S.G.-jernet ifølge opfindelsen muliggør en hærdning ved bearbejdning, hvorved fås høj modstandskraft mod udmattende belastning. Bøjnlngsudmattel-sesprøver med en 12 mm glat afdrejet prøvestav giver værdier på 50 kg/mm2, hvilket er højt i forhold til de tilsvarende værdier for andet S.G.-jern, Søjningsudmattelses- 163415 6 prøver med en 12 mm udhulet stav, hvori der er uddrejet en fordybning med en vinkel på 60° og en bundrundings-radius på 0,1 mm, giver værdier på 40 kp/mm , hvilket er højt, endog i forhold til stål. Forholdet mellem værdierne for udmattelsesprøver for ét og. samme S.G.-jern, d.v.s.

O

forholdet 1,25 mellem værdien 50 kp/mm for en glat af- p drejet stav og -værdien 40 kp/mm for en ved uddrejning udhulet stav, eller kærvtallet, er særdeles lavt.

Rulningsudmattelsesprøver med et S.G.-jern ifølge opfindelsen giver følgende værdier. Sammensætningen af til prøven anvendte S.G.-jern er følgende: C = 3,66%, Si = 2,24%, Mn = 0,54%, Mo = 0,22%, Cu = 0,78%, P = 0,02% og S = 0,008%.

Det er varmebehandlet på en sådan måde, at mikrostrukturen indeholder ca. 53 vol.-% bainit, ca. 37 vol.-% auste-nit og ca. 10 vol.-% grafit. Ved rulningsudmattelsesprø-ven bestemtes Hertz-overfladetrykket med de i DIN 2990 Bl 9 angivne værdier. Forsøgshjulene blev fremstillet ved fræsning, modulet er 3,5» tandantallet 33, hældningsvinkelen er 15°, og bredden er 45 mm, Modhjulet er fremstillet af kulstofstål (DIN 17210, 15 CrNi6), opkullet og hærdet til en hårdhed på 58 - 62 HRC, samt slebet. Mod-.hullets tandantal er 65. Med forsøgshjulet opnåedes vær- p dier på 132, 138 og .150 kp/mm ._Disse værdier er mere end dobbelt så høje som de DIN 2990 Bl 9 angivne tilsvarende værdier for det hårdeste S.G.-jern GGG100. Forsøgsresultaterne viser, hvor udmærket S.G,-jernet ifølge opfindelsen tåler rulningspåvirkninger. Det kan således udsættes for et betydeligt overfladetryk, uden at der opstår beskadigelser.

S,Gt-jernet ifølge opfindelsen er som isotermisk bainiti-seret et udmærket råmateriale til fremstilling af tandhjul, især når tænderne ikke kan efterbehandles ved slibning, eller hvis dette ikke lønner sig. Som eksempel herpå kan nævnes tandhjul, der er forsynet med indvendig . fortanding. Det egner sig til alle slags maskindele, der 143415 7 udsættes for en udmattende belastning. Eksempler på sådanne maskindele er foruden tandhjul også aksler til tandhjul, kædehjul, bærehjul eller valser, gom skal rotere mod en hård overflade, kamhjul, kamaksler, lejer og lignende for slitage udsatte dele, såsom friktionsskiver.