DE2420259B2 - Geschmiedeter brecherkoerper aus weissem gusseisen und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Geschmiedeter brecherkoerper aus weissem gusseisen und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf geschmiedete Brecherkörper, beispielsweise Brecherkugeln, aus weißem
Gußeisen mit 1,5 bis 3% Kohlenstoff, 8 bis 25% Chrom, 0 bis 2% Molybdän und bei diesen Legierungen
bekannten Gehalten an Vanadium, Wolfram, Bor, Nickel und Kupfer. Ferner bezieht sich die Erfindung
auf ein Verfahren zum Herstellen solcher Brecherkörper.
Es sind gegossene Brecherkörper aus weißem Chromgulieisen, im wesentlichen mit der obengenannten
Legierungszusammensetzung bekannt (vgl. »Gießerei«, 58[197Il Nr. 23, S. 697/705) und auch «n Industrien,
insbesondere in der Zementindustrie in Benutzung. Es ist auch bekannt daß die ausgezeichneten Eigenschaften
solcher Brecherkörper hinsichtlich Abriebfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen sich wiederholende Stöße
gebunden sind einerseits an die Zusammensetzung des Metalls und andererseits an seine mikroskopische
Struktur, die möglichst Martensit mit Sekundärkarbiden und einem Netz von primären oder eutektischen
Karbiden sein soll. Es ist auch bekannt, daß die Eigenschaften um so besser sind, je zahlreicher, feiner
und homogener verteilt die primären Karbide sind, da der Verschleiß sich aus dem Erodieren der Matrix
ergibt wodurch Karbidteilchen freigelegt und dann ausgewaschen oder aufgrund ihrer Brüchigkeit zerbrochen
werden. Der Verschleiß wird um so geringer, je mehr die die Matrix bildenden Bereiche klein und
zahlreich werden, und die der in der Matrix verteilten Karbidteilchen, insbesondere Chromkarbid vom Typ
M7C}, klein und zahlreich sind.
Es sind auch bereits geschmiedete Brecherkörper mit relativ hohem Chromgehalt (1 bis 2%) oder aus weißem
Gußeisen mit geringem Chromgehalt und niedrigem Nickelgehalt bekannt (FR-PS 21 74 969). Diese Legierungen
enthalten eine Struktur, die martensitisch oder martensitisch und perlitisch oder zumindest perlitisch
sein kann. Diese für bekannte geschmiedete Brecherkörper benutzten Legierungen enthalten jedenfalls nur
Karbide vom Zementit-Typ, d. h. des Typs M3C in feiner
Verteilung. Die bekannten geschmiedeten Brecherkörper aus weißem Gußeisen haben daher einen doppelten
Mangel: Die Karbide des Typs MjC erteilen dem weißen Gußeisen nur einen sehr beschränkten Abriebwiderstand,
weil ihre Härte nicht über Rockwell 53, d. h. etwa Brinell 530 hinausgeht. Andererseits ist die Menge
an benutztem Hilfsmetall (Chrom, Nickel) beträchtlich, wodurch der Preis der Legierungen sehr empfindlich
erhöht wird.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, geschmiedete Brecherkugeln aus weißem Gußeisen mit
hohem Chromgehalt zu schaffen, die noch bessere Eigenschaften hinsichtlich Abriebwiderstand als die
oben erläuterten gegossenen Brecherkugeln gleicher Zusammensetzung aufweisen. Außerdem soll ein Herstellungsverfahren
geschaffen werden, das einfach ist
und nur wenig Kosten verursacht, jedenfalls weniger
schwierig und weniger kostspielig als die bekannten Verfahren.
Der erfindungsgemäße geschmiedete Brecherkörper kennzeichnet sich dadurch, daß nach dem Schmieden
das Gefüge aus sekundären Chromkarbiden und primären oder eutektische!! Chromkarbiden sämtlich
vom Typ M7C3 in feiner Verteilung und homogener Verteilung in martensitischer oder austenitischer Matrix
besteht Bisher war es aus folgenden Gründen nicht möglich und auch noch nicht versucht worden,
Brecherkörper durch Schmieden aus weißen Gußeisenlegierungen mit Karbiden des Typs M?Cjherzustellen:
a) Es war bis dahin unmöglich, solche weißen Gußeisen zur Herstellung von Rohbarren zu
walzen, wie sie für die Vorbereitung von zu schmiedenden Stücken notwendig sind. Dabei ist
das Gießen solcher Barren ausgeschlossen, nicht zuletzt auch im Hinblick auf den dadurch
verursachten hohen Herstellungspreis.
b) Es war auch bisher unmöglich, weiße Gußeisen solcher Legierungsart unter ökonomisch diskutablen
Bedingungen zu schmieden.
Gemäß der Erfindung wurde jedoch gefunden, daß sich Brecherkörper aus weißen Gußeisen solcher
Zusammensetzung durchaus schmieden lassen, und daß sich Karbide des Typs M7C3 in einer Matrix aus weißem
Gußeisen solcher Zusammensetzung durch Schmieden fein zerteilen und homogen verteilen lassen.
Besonders vorteilhaft haben sich solche Brecherkörper gemäß der Erfindung erwiesen, bei denen der
Gehalt an Chromkarbiden zumindest 17 000 Teilchen pro Quadratmillimeter Schnittfläche trägt
Durch die Erfindung wird auch ein Verfahren zur Herstellung geschmiedeter Brecherkörper der oben
erläuterten Art geschaffen. Dieses Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß man als Ausgangsmaterial
einen Barren aus weißem Gußeisen herstellt, daß man diesen Barren oder aus diesem Barren geschnittene
Stücke auf 1000 bis 11200C erhitzt wobei man eventuell
den Barren bei dieser Temperatur in Stücke zerschneidet und daß man diese Stücke bei Temperaturen
zwischen 1000 und 10700C schmiedet wobei die Temperaturbereiche nach der chemischen Zusammensetzung
des Ausgangsmaterials entsprechend der zu erzielenden martensitischen oder austenitischen Struktur
der herzustellenden Brecherkörper und im Hinblick auf die Erzielung von Chromkarbiden ausschließlich des
Typs M7C3 festgelegt sind.
Dieses Verfahren gestattet es, geschmiedete Brecherkugeln
aus weißem Gußeisen mit hohem Chromgehalt herzustellen, die in der Matrix eine sehr große Anzahl
von Karbidteilchen geringer Abmessungen enthalten und demzufolge eine große Verschleißfes'igkeit aufweisen.
Bei Verwendung eines weißen Gußeisens mit 2,2% Kohlenstoff, 14% Chrom, 0,7% Silicium und 0,8%
Mangan kann man im erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzielung einer austenitischen Matrix und einer
Brinellhärte von 400 die Stücke bzw. den Barren auf 1100° bis 1120°C erhitzen, und bei einer Temperatur
zwischen 10500C und 1070° C schmieden, worauf ein
Härten an Luft erfolgt.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man bei Verwendung eines weißen Gußeisens mit
2,2% Kohlenstoff, 14,2% Chrom, 0,28% Molybdän, 0,72% Silicium und 0,88% Mangan zur Erzielung einer
martensitischen Matrix und einer Brinellhärte oberhalb
von 620 die Stücke oder den Barren auf 10700C bis
HOO0C erhitzen und bei einer Temperatur von 1020° C
schmieden, worauf unmittelbar ein isothermes Halten übei 15 Minuten bei 970eC bis 99O0C und ein Härten in
Luft oder in öl erfolgt
In einer weiteren Möglichkeit zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man bei Verwendung eines weißen Gußeisens mit 2,2% Kohlenstoff,
14% Chrom. 0.25% Molybdän, 0,7% Silicium und 0,8%
Mangan zur Erzielung einer martensitischen Matrix und einer Brinellhärte oberhalb 620 das Erhitzen und das
Schmieden der Stücke oder Barrens bei einer Temperatur zwischen 10000C und 10200C durchführen,
wonach ein Härten an Luft oder in öl erfolgt
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es
auch möglich, nach dem Härten ein Anlassen auf eine Temperatur unterhalb derjenigen Temperatur folgen zu
lassen, bei der die Umwandlung von Martensit in Perlit beginnt
Soweit ein auf das Schmieden folgende isothermes Halten des Formlings auf einer Temperatur bei 7900C
bis 990°C und ein anschließendes Erkalten vorgesehen sind, kann im Rahmen der Erfindung nach diesem
isothermen Halten und darauffolgenden Erkalten ein neues Glühen und Härten an Luft oder in öl folgen. Man
kann aber auch das isotherme Halten und das drauffolgende Erkalten durch ein Glühen und anschließendes Härten an Luft oder in öl ersetzen.
Einige Ausführungsbeispiele werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert:
Dieses Beispiel betrifft die Herstellung von Brecherkugeln mit Durchmesser von 120 mm, ausgehend von
Barren oder Stangen mit einem Durchmesser von etwa 90 mm, die durch kontinuierliches Gießen erzeugt
worden sind, und deren chemische Zusammensetzung annähernd wie folgt ist:
Kohlenstoff
Chrom
Molybdän
Silicium
Mangan
Eisen
2,2%
14%
14%
0%
0,7%
0,8%
Rest
Rest
Die Bedingungen des Herstellungsverfahrens sind wie folgt festgelegt:
Die Barren oder Stangen werden bei einer Temperatur zwischen 11000C und 112O0C austenitisiert und bei
dieser Temperatur in Stücke zerschnitten; die Stücke werden bei einer Temperatur zwischen 10500C und
10700C zu Kugeln geschmiedet; die Kugeln werden unmittelbar durch Anblasen mit Luft gehärtet.
Die mikroskopische Struktur dieser Kugeln besteht dann aus Austenit, der sekundäre Karbide und
eutektische Karbide in feiner Zerteilung und homogener Verteilung enthält. Die Brinell-Härte beträgt etwa
400.
Dieses Beispiel betrifft die Herstellung von Kugeln mit einem Durchmesser von 90 mm, ausgehend von
Barren oder Stangen mit einem Durchmesser von etwa 65 mm, die durch kontinuierliches Gießen erzeugt
worden sind und deren chemische Zusammensetzung wie folgt ist:
Kohlenstoff
Chrom
Molybdän
Silicium
Mangan
Eisen
2,20%
14,2%
0,28%
0,72%
0,88%
Rest
14,2%
0,28%
0,72%
0,88%
Rest
Die Bedingungen für das Herstellungsverfahren sind wie folgt festgelegt:
Die Barren bzw. Stangen werden auf eine Tempera- )0
tür zwischen 10700C und 11000C erhitzt, entsprechend
einem teilweise stabilisierten Austenit, was ein leichtes Schmieden unter wirtschaftlichen Bedingungen gestattet;
die Barren werden bei dieser Temperatur in Stücke geschnitten; die Stücke werden dann bei einer
Temperatur zwischen 10200C und 10500C zu Kugeln
geschmiedet; die Kugeln werden dann einer Wärmebehandlung unterworfen, die aus einem isothermen
Halten, unmittelbar nach dem Schmieden über eine Dauer von 15 Minuten auf einer Temperatur zwischen
9700C und 9900C, zur Bildung vollständig instabilen
Austenits und einem Härten durch Anblasen mit Luft und einem Anlassen auf eine Temperatur von 2500C
besteht.
Die mikroskopische Struktur der Kugeln ist dann Martensit, der sekundäre Karbide und eutektische
Karbide in feiner Zerteilung und homogener Verteilung enthält. Die Brinell-Härte ist mindestens 620.
Es ist festzustellen, daß eine aus Glühen und Härten bestehende übliche Wärmebehandlung gestatten würde, v>
bei dem isothermen Halten schlecht behandelte Kugeln wieder brauchbar zu machen oder überhaupt das
isotherme Halten zu ersetzen, jedoch unter Erhöhung des Herstellungspreises.
Wenn der Kugeldurchmesser, sei es bei gegossenen oder geschmiedeten Kugeln, unter gleichen Behandlungsbedingungen
und mit gleicher Zusammensetzung vergrößert wird, würde man eine martensitisch-perliti·
sehe Mischstruktur erhalten, die nur geringe Verschleißfestigkeit ergäbe.
Es werden Kugeln mit 50 mm Durchmesser hergestellt,
ausgehend von Barren oder Stangen mit etwa 45 mm, wie sie durch kontinuierliches Gießen erhalten
werden und deren chemische Zusammensetzung annähernd wie folgt ist;
Chrom
Molybdän
Silicium
Mangan
Eisen
2.2%
14%
0.23%
0,7%
03%
Rest
Brinell-Härte liegt oberhalb 620.
Das entscheidende Merkmal der Kugeln gemäß der Erfindung liegt in ihren mikroskopischen Strukturen.
Diese sind in den als Beispiel und nicht in beschränkendem Sinne Fotografien wiedergegeben:
F i g. 1 und 2 sind mikrofotografische Aufnahmen jeweils von einer Kugel, die in herkömmlicher Weise
gegossen worden ist und einer Kugel, die gemäß der Erfindung geschmiedet wurde;
F i g. 3 und 4 sind mikrofotografische Aufnahmen jeweils einer Stange, die durch kontinuierliches Gießen
und eines Barrens, der durch Formgießen hergestellt wurde, wie sie beide als Ausgangsmaterial benutzt
werden.
Die Mikrofotografien der F i g. 1 und 2 mit 600facher Vergrößerung geben jeweils die Strukturtypen nach der
Wärmebehandlung an einer gegossenen Kugel mit 90 mm Durchmesser und einer gemäß der Erfindung
geschmiedeten Kugel gleichen Durchmessers wieder, wobei die chemischen Zusammensetzungen praktisch
gleich sind, und zwar wie folgt:
Die Bedingungen fOr du Herstellungsverfahren und
wie folgt festgelegt:
Die Barren biw. Stangen werden auf eine Temperatur «wischen 1000*C undt020*C erhittl Das Gefüge ist
entstabilisierttr Austenit von nahezu 100%; die Barren
werden bei dieser Temperatur In Stücke geschnitten und unmittelbar geschmiedet: die Kugeln werden dann
unmittelbar durch Anblasen mit Luft gehaltet und bei 23O0C ausgeliusen.
Die mikroekopiiche Struktur ist Martensit, der
sekundere (Carbide und eutektische Karbide in feiner Verteilung und homogener Verteilung enthalt; die
6*
Gegossene | Geschmiedete | |
Kugel | Kugel | |
(% Gewicht) | (% Gewicht) | |
Kohlenstoff | 2.17 | 2.16 |
Chrom | 15,02 | 14,75 |
Molybdän | 0.26 | 0.23 |
Silicium | 0,93 | 1.08 |
Mangan | 1.27 | 1.27 |
Eisen | Rest | Rest |
Bei den gegossenen Kugeln (Fig. 1) besteht die Struktur aus Martensit, der während des Glühens
ausgefällte sekundäre Karbide enthält und ein sehr beträchtliches Netz von eutektischen Karbiden, das die
Matrix in Bereiche unterteilt.
Bei den geschmiedeten Kugeln gemäß der Erfindung (F i g. 2) besteht die Struktur aus Martensit, der
sekundäre Karbide und feinzerteilte und homogen verteilte eutektische Karbide enthält.
Ein wichtiges Merkmal der geschmiedeten Kugeln gemäß der Erfindung besteht in der Zerteilung und der
homogenen Verteilung der primären Karbide vom Typ M;Ci. Dies ist die Folge einerseits der mikroskopischen
Struktur des durch fortlaufendes Gießen hergestellten Barrens oder Stange und andererseits des Schmiedens.
Die Mikrofotografien der Fig.3 und 4 zeigen mit
250facher Vergrößerung die Strukturen nach thermischer Behandlung einer Stange mit mittlerem Durchmesser von 39 mm, hergestellt durch kontinuierliches
Gießen und eines in eine Sandform gegossenen Barrens mit mittlerem Durchmesser von 60 mm, deren chemische Zusammensetzung annähernd wie folgt ist:
Chrom
Molybdän
Silicium
Mangan
Elsen
2.0%
13.0%
0%
1,0%
Rest
Diese Stangen oder dieser Barren können als Ausgangsmaterial aur Durchführung des Verfahrens
gemlß der Erfindung benutzt werden.
In beiden Pillen Im die mikroskopische Struktur
Martensit, der sekundtre Karbid· und ein Neu eutektischer Karbide enthalt, das die Matrix in Bereiche
unterteilt. Das Karbidnetz ist aufgerissen. Die Karbide sind weniger massiv in der durch kontinuierliches
Gießen erzeugten Stange als im Fall des formgegossenen Barrens gleichen Durchmessers. Dieser Unterschied
ergibt sich aus der niedrigeren Gußtemperatur und einer größeren Verfestigungsgeschwindigkeit beim
kontinuierlichen Guß als beim klassischen Gießen.
Während des Schmiedens, durch das die massiven Karbide und kleine umgebende Massen mechanisch
zerkleinert werden, wird die Verteilung der Karbidteilchen um so mehr homogen und die Dimensionen dieser
Teilchen um so kleiner, als das anfängliche Netz primärer Karbide dicht und fein ist. Die Ausgangsstruktur
kann durch kontinuierliches Gießen oder durch jegliche andere Methode erreicht werden, die eine
erhöhte Verfestigungsgeschwindigkeit gibt, beispielsweise durch Kokillenguß.
Es ist nicht möglich, den genauen Gehalt der primären und sekundären Karbidteilchen in den Kugeln
zu beziffern. Tatsächlich ist bei gegossenen Kugeln das Netz primärer Karbide praktisch geschlossen, so daß es
schwer ist, eine Zahl für die Größe der Karbidteilchen festzulegen.
Dagegen ist es bei den geschmiedeten Kugeln gemäß der Erfindung aufgrund der sehr geringen Abmessung
schwierig, die beim Schmieden zerteilten primären Karbidteilchen von den bei der Wärmebehandlung
ausgefällten kleinen sekundären Karbidteilchen zu unterscheiden und zu zählen.
Bezüglich der Chromgehalte der .Brecherkörper gemäß der Erfindung sind die primären ebenso wie die
sekundären Karbide dieser Brecherkörper vom Typ M7Cj, wie es aus den in der Praxis wohlbekannten
Ternärendiagrammen für
Fe
Cr
hervorgeht.
Der Gehalt an primären Karbiden, die Dichte dieser Karbide pro Quadratmillimeter und ihre mittlere Größe
konnten trotzdem festgestellt werden. Es ergibt sich aus den Versuchen, daß der Gehalt an primären Karbiden
bei gegossenen Kugeln und geschmiedeten Kugeln praktisch der gleiche ist. Im Fall der durch die
Mikrofotografien der F i g. 1 und 2 wiedergegebenen Beispiele liegt dieser Gehalt bei etwa 17,5% (Gew.),
während der Rest, 82,5%, auf die Matrix entfällt.
Dagegen ist die Anzahl der primären Karbidteilchen stark unterschiedlich, wenn man die gegossenen Kugeln
und die geschmiedeten Kugeln vergleicht. Tatsächlich entspricht im ersteren Fall (gegossene Kugeln) die
Anzahl der primären Karbide pro mm2 der Zahl 5000. Im Gegensatz dazu ist im Fall der geschmiedeten
Kugeln gemäß der Erfindung, selbst wenn man den kleinen, beim Schmieden zerteilten primären Karbidteilchen
nicht Rechnung trägt und auch nicht den sekundären Karbiden, die man nicht unterscheiden
kann, die Zahl der zum Zählen ausreichend großen Karbidteilchen (Maximaldimension oberhalb oder bei
etwa 1 Mikron) mindestens 17 000Teilchen/mm2,
Gleichfalls sind die mittleren Dimensionen der Karbidteilchen (die an der Bildfläche der Mikrofotografie
freigelegt sind) stark verschieden, da sie zwischen etwa 35 μ2 bei den gegossenen Kugeln in etwa 10 μ2 bei
den gemäß der Erfindung geschmiedeten Kugeln variieren.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
- Patentansprüche:''*> 1. Geschmiedeter Brecherkörper aus weißem Gußeisen mit I1S bis 3% Kohlenstoff, 8 bis 25% s Chrom, 0 bis 2% Molybdän und bei diesen Legierungen bekannten Gehalten an Vanadium, Wolfram, Bor, Nickel und Kupfer, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schmieden das Gefüge aus sekundären Chromkarbiden und to primären oder eutektischen Chromkarbiden sämtlich vom Typ MrCj in feiner Zerteilung und homogener Verteilung in martensitischer oder austenitischer Matrix besteht
- 2. Brecherkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Chromkarbiden zumindest 17 000 Teilchen pro Quadratmillimeter Schnittfläche betragt
- 3. Verfahren zur Herstellung geschmiedeter Brecherkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß man als Ausgangsmaterial einen Barren aus weißem Gußeisen herstellt daß man diesen Barren oder aus diesem Barren geschnittene Stücke auf 1000 bis 11200C erhitzt wobei man eventuell den Barren bei dieser Temperatur in Stücke zerschneidet und daß man diese S;ücke bei Temperaturen zwischen 1000 und 10700C schmiedet wobei die Temperaturbereiche nach d<:r chemischen Zusammensetzung des Ausgangsm a terials entsprechend der zu erzielenden martensitischen oder austenitischen Struktur der herzustellenden Brecherkörper und im Hinblick auf die Erzielung von Chromkarbiden ausschließlich des Typs M 7C1 festgelegt sind.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß man bei Verwendung eines weißen Gußeisens mit 2.2% Kohlenstoff, 14% Chrom, 0,7% Silizium und 0,8% Mangan zur Erzielung einer austenitischen Matrix und einer Brinell-Härte von 400 die Stücke bzw. den Barren auf 1100° bis 1120° C erhitzt und bei einer Temperatur zwischen 10500C und 10700C schmiedet worauf ein Härten an Luft erfolgt
- 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß man bei Verwendung eines weißen Gußeisens mit 2,20% Kohlenstoff, 14.2% Chrom. 0,28% Molybdän, 0,72% Silizium und 0,88% Mangan zur Erzielung einer martensitischen Matrix und einer Brinell-Härte oberhalb von 620 die Stücke oder den Barren auf 10700C bis 11000C erhitzt und bei einer Temperatur von 10200C schmiedet worauf unmittelbar ein isothermes Halten über 15 Minuten bei 9700C bis 9900C und ein Härten in Luft oder in öl erfolgen.
- 6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß bei Verwendung eines weißen Gußeisens mit 2,2% Kohlenstoff. 14% Chrom, 0,25% Molybdän, 0,7% Silizium und 0,8% Mangan zur Erzielung einer martensitischen Matrix und einer Brineül-Härte oberhalb 620 das Erhitzen und das Schmieden der Stücke oder des Barrens bei einer Temperatur zwischen 10000C und 10200C durchgeführt werden und ein Härten an Luft oder in öl folgt.
- 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Härten ein Anlassen auf eine Temperatur unterhalb derjenigen Temperatur folgt, bei der die Umwandlung vom Martensit in Perlit beginnt.
- 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem isothermen Halten und darauffolgendem Erkalten ein erneutes Glühen und Härten an Luft oder in öl folgt
- 9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das isotherme Halten und das darauffolgende Erkalten durch ein Glühen und anschließendes Härten an Luft oder in öl ersetzt
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