DE2230864C3 - Verwendung eines legierten Gußeisens als Werkstoff für verschleißfeste Bauelemente - Google Patents
Verwendung eines legierten Gußeisens als Werkstoff für verschleißfeste BauelementeInfo
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Description
30
45
Die Erfindung betrifft die Verwendung eines legierten Gußeisens als Werkstoff für die Herstellung von
Bauelementen, die hohem Verschleiß bei Dauerstoßbeanspruchung, Korrosion und/oder Oxidation bei hohen
Temperaturen unterworfen sind.
Viele Industriegüter, wie Erz, Kohle, Koks, Sand, Phosphat, werden durch Brechen oder Mahlen in
Kugelmühlen zerkleinert. Der Verbrauch an Kugeln, welche aus bislang bekannten Stählen und Gußlegierungen
hergestellt und eingesetzt werden, beträgt jedoch einige Gramm bis zu mehrere Kilogramm pro Tonne
gemahlenen Gutes, was auf der mangelnden Festigkeit der verwendeten Legierungen beruht.
Obschon in zahlreichen Versuchen ermittelt wurde, daß für Zerkleinerungselemente mit einer hervorragenden
Verschleißfestigkeit, Legierungen mit einem hohen Kohlenstoffgehalt und einem größtmöglichen Gehalt an
Karbiden verwendet werden müßten, so ist es bisher b5
nicht gelungen, den Gehalt an Karbiden in den Legierungen, welche üblicherweise zur Herstellung von
Zerkleinerungselementen benutzt werden, zu erhöhen, und zwar wegen dem Vorhandensein eines Eutektikums
im Fe-C- oder Fe-C-Cr-Zustandsdiagramm. So ist es bei den niedrig legierten weißen Gußeisen beispielsweise
mit 0 bis 10% Chrom, der Gehalt an Fe3C-Karbiden leicht oberhalb 50% begrenzt Beim Versuch, diesen
Gehalt an Karbiden durch Gießen einer hypereutektischen Legierung zu erhöhen, entstehen Zerkleinerungselemente
mit einer derartigen Brüchigkeit, daß sie sofort nach ihrem Einsatz brechen, da ihre mechanischen
Eigenschaften und ihre Schlagzähigkeit nicht mehr ausreichen, um der Dauerstoßbeanspruchung der
sie ausgesetzt sind, zu widerstehen.
Aus der US-PS 35 02 058 sind kohlenstoffreiche, hochchromlegierte Eisenlegierungen mit 1,3 bis 3,1% C
und 15 bis 35% Cr bekannt die möglichst wenig Primärkarbide und möglichst viel Sekundärkarbide
enthalten, was durch schnelles Abkühlen beim Gießen erreicht wird, wobei Chrom und Kohlenstoff in einer
festen austenitischen Lösung vorliegen, die durch anschließendes Anlassen und Abschrecken in eine harte,
hauptsächlich aus Martensit bestehende Matrix überführt wird. Hierbei ist jedoch der Gehalt an Karbiden
vom (Fe, Cr)7C3-TyP auf annähernd 35% begrenzt Zwar
besitzen diese Gußlegierungen härtere Karbide als das Zementit (Fe3C) der weniger hochlegierten Güsse;
jedoch liegt die höchst zulässige Zahl an Karbiden wesentlich niedriger. Beim Versuch, den Gehalt an
Karbiden bei diesen hochlegierten Gußwerkstoffen durch das Gießen einer hypereutektischen Legierung zu
erhöhen, werden ebenfalls Zerkleinerungselemente hoher Brüchigkeit aus den genannten Ursachen
gebildet, die für hohe Dauerbelastungen ungeeignet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die genannte Verwendung eine Eisenlegierung anzugeben,
welche einen hohen Gehalt an Chrom und Kohlenstoff mit sehr hohem Gehalt an Primär-Chromkarbiden in
einer Martensit-Matrix besitzt und somit eine weitgehend erhöhte Verschleißfestigkeit gegenüber den
bekannten Legierungen und genügend hohe mechanische Eigenschaften und Schlagzähigkeit aufweist, um
der Dauerstoßbeanspruchung, so wie sie in Kugelmühlen auftritt, zu wiederstehen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung eines legierten Gußeisens bestehend aus
2,3 bis 5,0% Kohlenstoff
0,15 bis 1,5% Mangan
0,15 bis 1,5% Silicium
33,0 bis 51,0% Chrom
0,15 bis 1,5% Mangan
0,15 bis 1,5% Silicium
33,0 bis 51,0% Chrom
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen wie Schwefel und Phosphor, dessen Gefüge nach einem
Härten in ruhender Luft oder in einem Luftstrom aus Martensit mit eutektischen und hypereutektischen
Primärkarbiden besteht und dessen Härte in gehärtetem Zustand ^ 60 HRc beträgt, als Werkstoff für die
Herstellung Von Bauelemente, die hohem Verschleiß bei Dauerstoßbeanspruchung, Korrosion und/oder Oxidation
bei hohen Temperaturen unterworfen sind, insbesondere Kugeln für Mühlen, mit der Maßgabe, daß
die Gehalte an Chrom und Kohlenstoff durch die Gleichung
11 S (%Cr)- 8 · (%C)S 16
verknüpft sind, gelöst.
Zwar sind aus der DE-AS 12 98 390 Kugeln und Auskleidungsplatten für Mühlen aus chromreichem
Stahlguß bekannt, dessen metallographische Struktur
eine perlitfreie martensitische Lösung mit weniger als
3% Restaustenit sein soll und der Primär- und Sekundärkarbide enthält. Die Reduzierung des Restaustenits
in dem bekannten Maße macht jedoch solche Gußlegierungen nur für eine trockene, nicht korrosive
Umgebung geeignet, zumal der Gehalt an Sekundärkarbiden relativ hoch ist
Demgegenüber haben Versuche ergeben, daß beim Arbeiten in dem Analysenbereich der erfindungsgemäß
verwendeten Legierung Chromkarbide vorwiegend vom (Fe, CrJ^Ce-Typ mit relativ kleinen Abmessungen
gebildet werden, die besonders innig mit der Matrix verbunden sind. Chromgußeisen dieser Art haben einen
Gehalt an Chromkarbiden zwischen 35 und 85%, mit einer hypereutektischen Struktur, die sich einwandfrei
mit der Matrix verbinden. Diese Eisenlegierung eignet sich dementsprechend hervorragend zur Herstellung
von Zerkleinerungselementen, bei denen trotz des hohen Gehalts an Karbiden keine Bruchgefahr besteht.
Unter üblichen Gehalten an Verunreinigungen sind SchwefeJgehalte zwischen 0,OJ und 0,15% und Phosphorgehalte
zwischen 0,01 und 0,15% gemeint
Im gegossenen Zustand besitzt die erfindungsgemäß verwendete Eisenlegierung eine vorwiegend ferritische
Matrix. Anfangs beträgt ihre Härte je nach dem Gehalt an Primärkarbiden zwischen 30 und 45 Rc der
Rockwell-Skala »C« und läßt sich leicht bearbeiten.
Durch die anschließende thermische Härtebehandlung wird dieser Ferrit über eine Austenitierung in
harten Martensit umgewandelt im Bereich der Temperaturen zwischen 1025 und 11500C. Die Dauer der
Behandlung beträgt vorzugsweise 1 bis 5 Stunden und ist abhängig von der Größe des behandelten Bauelements.
Die Abkühlung kann in ruhender Luft oder im Luftstrom vorgenommen werden. Nach der Härtung
besitzt diese Eisenlegierung eine Härte gleich oder üblicherweise höher als 60 Rc der Rockwell-Skala »C«.
In besonders günstigen Fällen werden selbst Härten von 63 bis 66 H Rc erreicht.
Während der Austenitierung geschieht ein Austausch von Kohlenstoff und Chrom zwischen den Primärkarbiden
und der Matrix durch einen Übergang des Kohlenstoffs von den Karbiden zur Matrix und des
Chroms von der Matrix zu den Karbiden.
Während dieses Austausches wurde bemerkt, daß die Struktur der in der Legierung vorhandenen hypereutektischen
Karbide sich verändert, mindestens auf deren Oberfläche. Dies könnte die Erklärung für die
hervorragende Bindung mit der Matrix sein.
Die MikroStruktur einer erfindungsgemäßen Legierung ist in F i g. 1 mit 200facher und in F i g. 2 mit
500facher Vergrößerung dargestellt. Diese Mikrostruktur zeigt die hypereutekischen und eutektischen
Primärkarbide und die Matrix oder harte Martensitlösung, welche ebenfalls eine gewisse Menge an
Restaustenit, jedoch keinen Ferrit enthält.
Die erfindungsgemäß verwendete Eisenlegierung enthält keine Sekundärkarbide, wodurch sie widerstandsfähig
gegen Korrosion ist, was beispielsweise beim Mahlen im Naßverfahren bedeutend ist. Bis heute
ist kein anderer martensitischer Guß bekannt, der frei von Sekundärkarbiden ist.
Nach dem Härten ir. ruhender Luft oder im Luftstrom kann die Eisenlegierung einer Erwärmung im Bereiche
von 100 bis 300°C unterzogen werden, um die verbleibenden Spannungen zu entfernen. Um den
Gehalt an Restaustenit zu vermindern, ist es in gewissen Fällen angebracht, die Legierung nach dem Härten
einer Vergütung Im Bereiche von 450 bis 550cC oder
einer Kältebehandlung, welche bis — 2000C erreichen
kann, zu unterziehen.
Im Falle einer Kältebehandlung können die verbleibenden Spannungen natürlich ebenfalls durrh eine
Erwärmung im Bereiche der oben angeführten Temperaturen entfernt werden.
Eine besonders bevorzugte Zusammensetzung der erfindungsgemäß zu verwendeten Eisenlegierung entspricht
der folgenden Zusammensetzung (in Gewichtsprozent):
3,0% C
37,0% Cr
0,5% Mn
0,4% Si
37,0% Cr
0,5% Mn
0,4% Si
Rest Eisen mit geringen Mengen an Verunreinigungen, wie Schwefel und Phosphor. Diese Legierung besitzt
mechanische Eigenschaften und eine Schlagfestigkeit, welche bei weitem jene der perlitischen weißen
Gußeisen übertreffen und mindestens gleich, wenn nicht sogar besser sind als jene von martensitischem
Nickel-Chrom-Hsrtguß, bekannt unter der Bezeichnung Ni-Hard. Die Verschleißfestigkeit der erfindungsgemä-Ben
Legierungen hingegen ist bei weitem höher als jene der bis heute bekannten Legierungen. Versuche mit aus
der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung der oben angeführten bevorzugten Zusammensetzung,
zeigten sich selbst nach einigen tausend Stunden Einsatz noch kein Brechen oder Abblättern der Kugeln. Die
Versuch wurden durchgeführt in einer Versuchsmühle ohne Zerkleinerungsmaterial.
Weitere Zusammensetzungen der erfindungsgemäß zu verwendenden Eisenlegierung, welche eine noch
verbesserte Verschleißfestigkeit aufweisen, deren mechanische Eigenschaften sowie Stoßfestigkeit jedoch
leicht niedriger liegen als jene der oben angeführten bevorzugten Zusammensetzung, entsprechen den folgenden
Zusammensetzungen (in Gewichtsprozent):
3,5% C
41,0% Cr
0,5% Mn
O,4o/o Si
0,5% Mn
O,4o/o Si
4,0% C
45,0% Cr
0,50/o Mn
0,4% Si
45,0% Cr
0,50/o Mn
0,4% Si
Rest Eisen mit geringen Mengen an Verunreinigungen, wie Schwefel oder Phosphor.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die Verschleißfestigkeit noch erhöht werden durch die
Verwendung einer Eisenlegierung einer Zusammensetzung im obenerwähnten Analysenbereich die 0 bis 2,5%
Molybdän enthält oder von 0 bis 2,5% Niob oder Molybdän und Niob mit einem Gesamtgehalt von 0 bis
5%, wobei der Gehalt weder des einen noch des anderen Legierungselementes 2,5% überschreitet.
So wurden durch die nachstehend angeführten Zusammensetzungen ausgezeichnete Resultate erzielt
(in Gewichtsprozent):
3,0% C
36,0% Cr
0,5% Mn
0,4% Si
1.5% Mo
36,0% Cr
0,5% Mn
0,4% Si
1.5% Mo
und
3,0% C
35,0% Cr
0,5% Mn
0.4% Si
1.0% Nb
35,0% Cr
0,5% Mn
0.4% Si
1.0% Nb
Rest Γ-isen mit geringen Mengen an Verunreinigungen, wie Schwefel und Phosphor.
Die nachstehende Tabeiie I gibt einen Überblick über die erzielten Ergebnisse von Verschleißversuchen,
welche in einer Quarzmühle durchgeführt wurden.
Legierung
Verschleißfestigkeits faktor Legierung
Legierung:
3,0% C, 36,0% Cr, 0,5% Mn, 0,4% Si,
1,5% Mo
Legierung:
3,0% C, 35,0% Cr, 0,5% Mn, 0,4% Si,
1,0% Nb
Perlitischer, weißer Guß mit 3,0% C 100
(Bezugsfaktor)
Martensitischer Hartguß mit Ni-Cr 125 Legierung:
3,0% C, 37,0% Cr, 0,5% Mn, 0,4% Si 250 Legierung:
3,5% C, 41,0% Cr. 0,5% Mn, 0,4% Si 275
Legierung:
4,0% C, 45,0% Cr, 0,5% Mn, 0,4% Si 300
Verschk'ilJ-fesligkeil.sfiiktor
280
280
Wie aus Tabelle I ersichtlich, besitzen die erfindungsgemäß zu verwendenden Eisenlegierungen, mit oder
ohne Zusatz von Molybdän und Niob, eine wesentlich
r> höhere Verschleißfestigkeit als bekannte Eisenlegierungen
für den gleichen Zweck. Die erfindungsgemäß zu verwendeten Eisenlegierungen besitzen weiterhin eine
hervorragende Verschleißfestigkeit in einem korrodierenden Medium, so z. B. bei der Erzzerkleinerung im
Naßverfahren, und in einem heißen und korrodierenden Medium, so z. B. beim Mahlen von verschiedenen
Schlacken.
Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäß zu verwendende Eisenlegierung daher ausgezeichnet zur
>> Herstellung von beispielsweise Zerkleinerungselementen
(Kugel, Cylpebs...), Panzerplatten, verschiedenartigen Verschlußteilen, Verschlußfiltern, Turbinenteilen,
Ventilen, Pumpen, Elementen für Rechenklassierer und Roststäbe.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verwendung eines legierten Gußeisens bestehend aus
23 bis 5,0% Kohlenstoff
0,15 bis 1,5% Mangan
0,15 bis 1,5% Silicium
33,0 bis 51,0% Chrom JQ
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen wie Schwefel und Phosphor, dessen Gefüge
nach einem Härten in ruhender Luft oder in einem Luftstrom aus Martensit mit eutektischen und
hypereutektischen Primärkarbiden besteht und dessen Härte in gehärtetem Zustand ä 60 HRc
beträgt, als Werkstoff für die Herstellung von Bauelementen, die hohem Verschleiß bei Dauerstoßbeanspruchung,
Korrosion und/oder Oxidation bei hohen Temperaturen unterworfen sind, insbesondere
Kugeln für Mühlen, mit der Maßgabe, daß die Gehalte an Chrom und Kohlenstoff durch die
Gleichung
11 <(%Cr) -8(%C)< 16
verknüpft sind.
2. Verwendung eines legierten Gußeisens nach Anspruch 1 bestehend aus
3% Kohlenstoff
37% Chrom
0,5% Mangan
0,4% Silicium
37% Chrom
0,5% Mangan
0,4% Silicium
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung eines legierten Gußeisens nach Anspruch 1, das zusätzlich 0 bis 2,5% Molybdän
enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
4. Verwendung eines legierten Gußeisens nach Anspruch 1 oder 3, das zusätzlich 0 bis 2,5% Niob
enthält für den Zweck nach Anspruch 1.
25
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