DE3390167T1 - Abriebsbeständiger Weißguß - Google Patents
Abriebsbeständiger WeißgußInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Gußeisen und insbesondere die Verbesserung
der Zähigkeit und Abriebsbeständigkeit won Ideißguß zusammen
mit einer deutlichen Zunahme der Zugfestigkeit. Mehr im Besonderen
betrifft die vorliegende Erfindung eine neue Ideißguß-Zusammensetzung
sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Gußeisens mit verbesserter Zähigkeit, Duktiyität und Zugfestigkeit, während
die erwünschte Abriebsbeständiqkeit beibehalten wird durch Modifikation
der Carbirimorphologie.
Legierter U'eißquß ist als hoch abriebsbeständiges Material bekannt,
und es wird mit einem Kohlenstoffgehalt hergestellt, der
allgemein über 1 i/2 % liegt, und dieser Ueißguß ist legierbar mit
anderen Metallen, üblicherweise Chrom, das sich mit dem Kohlenstoff kombiniert und ein Eisen/Chrom-Carbid, wie M C ,bildet. In vielen
* χ y'
Fällen ist die dem nicht legierten Gußeisen innewohnende Abriebsbeständigkeit für den beabsichtigten Einsatzzweck angemessen und
stellt daher für den Verwender keine Probleme dar. Wenn jedoch das Gußeisen, das eine industrielle Apparatur bildet, einem besonderen
Abrieb ausgesetzt ist, dann erweisen sich die dem Gußeisen innewohnenden mechanischen Eigenschaften als verbesserungswürdig.
Es gibt mehrere Arten won Abrieb, denen das gußeiserne Material
ausgesetzt sein kann. Bei der ersten Abriebsart, einem Rillen oder
Kerben verursachenden Abrieb, dringen grobe Schleifteilchen in die
Arbeitsoberfläche de? ■ Gußeisens ein und entfernen Metall mit einer
hohen Geschwindigkeit. Bei typischen industriellen Anwendungen, bei
denen diese Art von Abrieb vorkommt, wie Ausrüstungen zur Erdbewegung,
beim Betrieb von Hammermühlen und Backenbrechern, ist mit der Metallentfernung eine starke Schockbelastung verbunden, die sich
als nachteilig für das Gußeisen erwiesen hat.
Bei einer anderen Abriebsart, die häufig als Abrieb unter hoher
Belastung bezeichnet wird, werden Schleifteilchen, wie sie in einem
Bergbaubetrieb angetroffen werden können, unter dem schleifenden Einfluß sich bewegender Metalloberflächen zerbrochen. Belastungen,
wie sie bei diesem betriebsmäßigen Abriebsverfahren auftreten, wie
in Gußkörpern, die zum Schleifen, für Brechwalzen öder Mahlwerkauskleiriungen
benutzt werden, übersteigen häufig die Belastbarkeit des üblichen Gußeisens unri führen so zu einem Versagen der Ausrüstung.
In der dritten Abriebskategorie, einem Abrieb mit geringer Belastung
oder einer Erosion, ist der Abrieb, dem die gußeisernen Oberflächen der Ausrüstung ausgesetzt sind, nicht von einer solch
schweren Belastung, erfordert aber doch eine hohe Abriebsbeständigkeit.
Der rillenverursachende Abrieb, der mit einer schweren Schockbelastung
verbunden ist, erfordert eine Zähigkeit, die Gußeisen in der Vergangenheit üblicherweise nicht aufgewiesen hat. Ein Manganstahl
mit hoher Plastizität und Zähigkeit hat die hohen Anfordefungnn
an die 5chockbest=;ndigkeit für ein "aterial erfüllt, das dieser
Art von Abrieb ausgesetzt war. Die Härte und Abriebsbeständiqkeit
hat pich jedoch als üblicherweise nicht ausreichend erwiesen, um eine außerordentlich hohe Abriebsgeschwinr'igkeit bei einem Abrieb
unter hoher Belastung zu verhindern, wie er in einem weiten Bereich von Pulverisierunqsverfahren typisch ist, wie in e'ner Rotationskugelmühle.
Bei diesem Betrieb unter hoher Belastung können sowohl
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Chrom/Molybdän-Stahl und legierter Ueißguß in verschiedenen Arten
von Vorrichtungen benutzt WBrden, abhängend won der Anforderung an
die Zähigkeit und die erforderliche Kombination der AbriebsbeständigkeitT
In der letztgenannten Ab"riebskategorie bei geringer Belastung
können Chrom-Eisen-Legierungen mit oder ohne Molybdän-oder
Nickelzusätze mit einer erwünschten hoch martensitischen Matrix mit einer Carbideinbettung benutzt werden.
Eine Betrachtung der Abriebskategorien und des Wissens hinsichtlich
der Arten won Metallen, die WRrfügbar sind, um die Anforderungen
in diesen Abriebskategorien zu erfüllen, hat den Fachmann in ein Dilemma geführt. Um eine Vorrichtung zu betreiben, die mindestens
den beiden ersten Abriebskategorien ausgesetzt ist, gibt es eine klare Anforderung oder eine Kombination optimaler Abriebsbeständigkeit
und ausreichender Zähigkeit, um den Bedingungen starken
Aufpralls und schwerer Belastung zu widerstehen, die diesen Ab±-
riebsarten eigentümlich sind. Hnrte und Zähigkeit stehen nach allgemeiner
Erkenntnis üblicherweise an den gegenüberliegenden Enden des Spektrums, so daß solche Zusammensetzungen, die mehr von der
einen Eigenschaft aufweisen, etwas von der anderen verlieren, und doch sind sowohl Härte als auch Zähigkeit erforderlich.
Die Betriebe, die abriebsbeständige Gußkörper liefern, haben
sich lange bemüht, die brauchbare Lebensdauer der Vorrichtungen zu verlängern, die den Gußkörper unter den beschriebenen Abriebsarten benutzen. Verschiedene Eisen-Kohlenstoff-Zusammensetzungen,
legierte und nicht legierte, weisen im martensitischen Zustand
bei einem Kohlenstoffgehalt beginnend bei etwa Ο,ΟΔ? keine hohe
Zähigkeit auf. Hypereutectoide Stähle und L'eißeisen haben keine
■ ausreichende Zähigkeit wegen der Morphologie des Cementits (Fe_C).
Das Legieren der Eisen-Kohlenstoff-Zusammensetzung führt zur BiI-
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dung von Carbirien (M C ) mit erhöhter Härte, so daß einige Anfor-
derungen hinsichtlich einer größeren Abriebsbeständigkeit erfüllt
werden. Während die Abriebsbeständigkeit zunimmt, nimmt jedoch die
Zähigkeit oder Bruchbeständigkeit mit zunehmendem Carbidvolumen ab,
es sei denn, bei einem gegebenen Carbidvolumen wird die Carbidgröße
verringert. Metallurgen haben die Komplexizität von Weißguß seit langem erkannt, uieil die beiden Hau otkonstituenten des Gefüges,
das Carbid und die Matrix, im wesentlichen unabhängig voneinander wirken. Trotzdem ergeben sich die Eigenschaften des Materials aus
.10 der gegenseitigen Abhängigkeit zwischen den beiden Komponenten,
wenn das Weißeisen Abriebs- und Schockbedingungen ausgesetzt wird.
Findet ein Aufschlagen auf ein solches Material statt, dann zerbrechen die Carbide und, wenn die Carbide zusammenhängen und relativ
groß sind, dann erstrecken sich die Risse durch die Struktur hindurch und dies führt häufig zu einem Versagen oder zumindest zu
einem beschleunigten Abrieb des Materials.
Es gibt daher derzeit keine anerkannte Eisen-Kohlenstoff-Legierung,
deren Kohlenstoffgehalt 1,7 Gewichtsprozent übersteigt, und
die die Anforderungen hoher Abriebsbeständigkeit und guter Schockbelastungsabsorption
erfüllt.
Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ideißguß
zu schaffen, der die Eigenschaften großer Härte oder hoher
Abriebsbeständigkeit und verbesserter Zähigkeit aufweist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weißguß zu schaffen, der nicht nur eine erwünschte Abriebsbestpndiqkeit
und Zähigkeit aufweist, sondern auch eine verbesserte Zugfestigkeit hat. ·
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gußeisen-Zusammensetzung
zu schaffen, die eine hohe Abr iebsbest Mndig-
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keit und Zähigkeit hat, in der die Carbide in Form von Globuliten
vorhanden sind, die der Kuqelform angenähert sind.
Die vorliegende Erfindung hat als weitere Aufgabe, ein Gußeisen zu schaffen, das zäh und abriebsbeständig ist, und in dem die Carbide
kleiner sind als die übliche Durchschnittsgröße und sie im wesentlichen gleichmäßig durch die Matrix verteilt sind.
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für die Erzeugung einer höheren Entropie in einem legierten Gußeisen zu
sorgen, irv-dem man Bor einführt, um nicht nur Globulitteilchen zu
erzeugen, sondern Teilchen geringerer Durchschnittsgröße, die gleichmäßiger verteilt sind.
Und es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein z^hes, abriebsbeständiges Gußeisen zu schaffen, bei dem eine
geschmolzene Gußeisen-Zusammensetzung unterhalb der Gleichgewichts-Erstarrungstemperatur
bis zu einer Unterkühlungstemperatur abgekühlt und danach verfestigt wird, um globulitförmige Carbide mit
einer durchschnittlichen Größe zu schaffen, die geringer ist, als
die durchschnittliche Carbidteilchengröße üblichen Gußeisens.
Die vorliegende Erfindung stellt eine einzigartige Schaffung einer legierten Gußeisen-Zusammensetzung dar, die das Element Eisen
als Grundlage umfaßt, mit oder ohne 0,001 bis 30 Gewichtsprozent,
einzeln oder cumulativ, von Vanadium, Titan, Miob, Molybdän, Nickel,
Kupfer, Tantal oder Chrom oder Mischungen davon, mit 2,0 bis 4,5
Gewichtsprozent Kohlenstoff, die eine Legierungszusammensetzung bilden und Einführen von O,DO1 bis 4,0 Gewichtsprozent Bor, um Abr
iebsbest Jindigkeit, Zähigkeit und Zugfestigkeit zu verbessern. Die
Legierung hat einen ErstarrungsDunkt zwischen etwa 1205 C und
etws 13150C (entsprechend 2200°F bis 240G°F) und der Erstarrungspunkt
liegt im allgemeinen im Fereich zwischen etwa 12A0 C und
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* 7.
etwa 1260°C (entsDrechend 22600F bis 2300°F). Dieser Erstarrungspunkt
ist innerhalb won etwa 80C (entsprechend 150F) von der eutek~
tischen Temperatur des Gußeisens mit den ausgewählten Legierungselementen. Die Carbide sind in Form von Glebuliten vorhanden, die
der Kugelform angenähert sind, und sie haben eine Größe, die durchschnittlich
kleiner ist als 4yum, was beträchtlich geringer ist als
die durchschnittliche Teilchengröße von Carbiden in üblichem GuQ-eisen.
Im erfindungsgemäQen Verfahren wird ein legierter Ueißguß, der
■10 0,OCHi bis 30% Vanadium, Titan, Niob, molybdän, Nickel, Kupfer,
Tantal oder Chrom oder mischungen davon und 2,0$ bis 4,5$ Kohlenstoff
enthält, die eine geschmolzene Gußeisen-Zusammensetzung bilden, mit einem die Entropie erhöhenden Zusatz, wie 0,001$ bis 4,O1?
Bor, versehen, woraufhin man die geschmolzene GuGeisen-Zusammensetzung
mindestens 3 C (entsprechend 5 F) unter die Gleichgewichts-Erstarrungstemperatur
von etwa 1205 C bis etwa 1315 C bis zu einet Unterkühlungstemperatur abkühlt und danach die geschmolzene Guß-
eisen-Zusammensetzung erstarren läßt, um globulitisch geformte
Carbide zu bilden, deren durchschnittliche Größe geringer ist. als die durchschnittliche Teilchengröße der Carbide üblichen GuBeisens
und die im Durchschnitt geringer ist als Ajjm,
Es ist seit langem erkannt, daß WeißguG die fbriebsbeständigkeit
aufweist, die erwünscht ist, um die Anforderungen der verschiedenen
Abriebsarten zu erfüllen, denen eine Vorrichtung aus Gußeisen ausgesetzt ist. Es ist in der vorliegenden Erfindung festgestellt
worden, daß die Carbidmorphologie des legierten Gußeisens so geändert werden k?nn, daß die Abriebsbeständinkeit beibehalten
wird und nicht nur die Zugfestigkeit zunimmt sondern, was wichtiger
ist, eine meßbare Verbesserung der olastischen reformation und
eine deutliche Verbesserung der Zähigkeit erhalten werden. Es war
bekannt, daß in dem bisherigen Gußeisen der freie Kohlenstoff (das
ist der Überschuß über den in der Matrix aus Austenit, Pearlit oder
Martensit gefundene) entweder in Form von Graphit vorlag, der eine
dreidimensionale Form einnimmt, die einem Cornflake ähnlich ist oder er in Form eines Carbides mit einer platten- oder stabartigen
Gestalt vorhanden war. In jeder der beiden Formen waren die Teilchen von mikroskopischer Größe, aber üblicherweise länger als 1Ojjm
für eine durchschnittliche Teilchengröße, eine normale Ulärmeabf ührung
aus einer Sandform und eine Metallquerschnittsgröße von mehr als 10mm angenommen.
Es ist bekannt, daß diese Graphitflocken der Ursprung der Brü-r
ehe längs der Ebene der Flocken sind. Typischerweise hat ein gutes
Gußeisen eine Zugfestigkeit von etwa 35kg/mm" (entsprechend
50 000 psi) bei O^ Dehnung, und es ist ein sehr brüchiges oder
nicht zähes Material, das zu keinerlei Deformation fähig ist. Bei richtiger Legierung geht der freie Kohlenstoff in ein intermet alrlisches
Metallcarbid über, üblicherweise Chr orncsrbiri, dss allgemein
in Farm von Platten oder Stäben vorhanden ist und riss inner-
^20 halb der Matrix zusammenhängend oder nicht zusammenhängend sein
kann, doch wiederum eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als lOum hat. Die Carbidteilchen können auch die Form von Nadeln
annehmen, doch weist ihre lange Abmessung, unabhängig von ihrem mikroskopischen Aussehen, durchschnittlich noch immer mindestens
lOijm auf, was die Meinung zur Rißausbildunq unter Belastung erhöht
und häufig zu einem Versagen der Vorrichtung führt.
In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daO diese
normale Stab- oder Plattengeometrie der Carbide in eine kugelartige
Form geändert werden kann, die einer Kuqelqestalt pngenähert
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ist und die nicht nur die erwünschte Zähigkeit sondern eine merkliche
Zunehme der Zugfestigkeit hervorbringt. Diese Änderung der
Morphologie der Carbide des Gußeisens hat das nicht duktile, brüchige,
nicht deformierbare Gußeisen der Vergangenheit zu einem Gußeisen
geändert, das plastisch deformierbar ist und eine höhere Zugfestigkeit
unter Beibehaltung der hervorragenden Abriebsbeständigkeit auf uieist.
Es wurde zum Beispiel festgestellt, daß das Gußeisen der vorliegenden
Erfindung sich vor dem Brechen biegt und daß die BeIastung,
der es ohne Bruch ausgesetzt werden kann, beträchtlich höher ist als die von bekanntem Gußeisen. Das Gußeisen der vorliegenden
Erfindung ist vorzugsweise mit Chrom legiert, doch variieren die Eigenschaften des erhaltenen Gußeisens in Abhängigkeit von
verschiedenen Zusetzen von Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Nickel,
Molybdän oder Kupfer von 0,001?? bis 30?., um Chrom zu ersetzen.
Im allgemeinen hat das Gußeisen der vorliegenden Erfindung eine Zugfestigkeit von 84kg/mm (entsprechend 120 000 psi), verglichen
mit den üblichen SSkg/'mm bis 42kg/mm (entsprechend 50 000 bis
60 000 psi) Zugfestigkeit des bekannten Gußeisens. Übliches Guß-'
■ ■
eisen hatte 0% Dehnung, während das erfindungsgemäße Gußeisen
Z% gedehnt werden kann. Der Fachmann erkennt sofort die deutlichen
Vorteile der Erhöhung in der Dehnung oder plastischen Deformation,
die eine Zähigkeit schafft, die in solchen Apparaturen so wichtig ist, die einem starken Abrieb und einer hohen Schockbelastung ausgesetzt
sind, wie zum Beispiel Brecher und Pulverisatoren für die Bergbauindustrie und auch in Pumpen zum Transoort v/on Flüssigkeiten
oder Gasen, die schleifende Feststoffe enthalten. Nur die Veränderung der Form der Carbide in GuOeisen zu erreichen wäre erwünscht,
aber nicht entfernt so wirksam wie eine Veränderung der
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/ Λο
Form der Carbide zu Globuliten und dem Vermindern der Teilchengröße
beträchtlich unter die übliche durchschnittliche Teilchengröße von 1Oyum bis lAuir^wie bei den bekannten Gußeisen, und zwar bis zu einer
Größe herab von weniger als Ajßm, Durch eine Verminderung der TeilchengröGe
der Carbide in dieser Größenordnung ist es möglich, den
mittleren freien Weg zwischen den kleineren diskreten Globulitteilchen möglichst gering zu halten, um zu der höheren Festigkeit,
der besseren Abriebsbeständigkeit und der größeren Deformierbarkeit
beizutragen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher die Gestalt der Carbide nicht nur zu sphärischen oder nahezu sphärischen
Globuliten geändert sondern die Globulitteilchen haben auch eine auf weniger als ώ/jm reduzierte durchschnittliche Große.
Gußeisen ist bekanntermaßen eine Eisen-Kohlenstoff-Zusammensetzung,
die legiert werden kann. Es ist allgemein bekannt, daß die Trennungslinie zwischen Gußeisen und Stahl die Löslichkeit des
Kohlenstoffes im Eisen im festen Zustand ist. Bei höheren Kohlenstoffmengen
wäre der Kohlenstoff in Form von freiem Graphit vorhanden,
es ^ei denn, er wäre legiert. Üblicherweise ist Chrom das
Legierungselement, das dazu benutzt uiird, in Gußeisen Carbide zu
bilden und verschiedene Eigenschaften zu verbessern. Es können jedoch
?uch Molybdän, Vanadium, Titan, Kupfer, Nickel, Niob und Tantal in irgendeiner Kombination wahlweise zum Chrom hinzugegeben werden oder dieses ersetzen. Wenn diese Metalle zusammen mit Chrom benutzt
werden, dann sind sie üblicherweise in einer Pienge von bis
zu etwa 7% vorhenden, obwohl vorzugsweise Vanadium und Mob im Bereich
von 0,001% bis 5-, Molybdän und Kupfer im Bereich von 0,001a
bis dt, -Nickel im Bereich von 0,001% bis 7% und Tita^ und Tantal
im =sreich von 0,001? bis Δ* vorhanden sein können, wobei die Gesamtmenge
der vorgenannten •"ietalle in Kombination mit dem Chrom
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oder das Chrom allein im Bereich von O,OQ1% bis 30% liegen sollte.
Vorzugsweise ist Chrom im Bereich von 7% bis 29% und noch bevorzugter
in den Bereichen von 25% bis 28% oder 14% bis 22% oder 7% bis.12% vorhanden, wobei diese Chrombereiche die drei H8Uptgruppen
der kommerziellen legierten Ueißeisen repräsentieren. Der Kohlenstoffgehalt ist vorzugsweise nicht kleiner als 2,0% und nicht mehr
als etwa 4,5% und er liegt vorzugsweise im Bereich von 2,0% bis 3% für GuGeisen mit einem Chromgehalt von 25% bis 28% und 14% bis
22% oder der Kohlenstoffgehalt liegt im Bereich von 2,0% bis 3,5<
für Chrom im Bereich von 1% bis 12%.
Die vorbeschriebenan üblichen Gußeisen—Zusammensetzungen können
eine veränderte Carbid-Morpholoqie durch Zugabe von Bor erzielen,
das allgemein im Bereich von 0,001# bis 4%, bevorzugt im Bereich von 0,01% bis 1% und am meisten bevorzugt im Bereich von "0,01%
bis 0,4% hinzugegeben wird. Diese Borzugabe erzeugt globulitförmige
CarbiHteilchen, doch ist sie ausgeprägter, wenn die ausgewählte
legierte Eisen-Kohlenstoff-Zusammensetzung in Beziehung zur eutektischen
Temperatur steht.
Der Erstarrungspunkt von reinem Eisen liegt bei etwa 1540 C
;0 (entsorechend etwa 2800 F). und dieser Erstarrungspunkt fällt mit
zunehmendem Kohlenstoffgehalt ab. Legiert variiert die Erstarrungstempsr^tur
mit oder ohne Zugabe von Bor, zwischen etwa 1205 C und 1315 C hauptsächlich in Übereinstimmung mit der vorhandenen Chrommenge
aber auch in Abhängigkeit von der Auswahl der jeweiligen Leqierungselemente.
Erwünschter sollte die Erstarrungstemperatur des legierten Eisen-Kohlenstoff-Systems im Bereich von etwa 1240 C bis
etwa 12^0 C liegen oder etwa 125P°C (entsprechend 228O0F) plus oder
nanu= etwa 5 C bis etwa 11 C (entsprechend 10 F bis 20 F) betragen,
!rgenreine spezifische Gußeisen—Zusammensetzung mit den ausgewahl—
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ten Legierungselamenten, die in Plengen gemäß der vorliegenden Erfin-
o rtunq vorhanden sind, wird innerhalb von etwa 8 C von dar eutekti—
sehen Temperatur für dieses System von Gußeisen, das mit solchen
Leqierungselementen gebildet ist, erstarren.
Es hat sich als möglich erwiesen, mit dieser legierten Gußeisen-Zusammensetzung
durch die Zugabe von Bor die Carbidmorphologie unter Bildung globulitförmiger Carbiriteilchen, die etuta eine kugelförmige
Gestalt haben, zu modifizieren.
Um diese wichtige Teilchengrößenmodifikation zu erreichen und
eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung der kugeligen Carbidteilchen
zu erzielen,hat sich gezeigt, daß beim Abkühlen der Gußeisen-Zusammensetzung unterhalb der Gleichgewichts-Erstarrungstemperatur
um mindestens etwa 3 C und vorzugsweise, so wird angenommen,
um ix C bis 6 C (entsprechend 8 F bis 10 F) oder mehr vor
dem Erstarr en,die Teilchengröße der Carbidteilchen von ihrer üblichen
DurchschnittsgröOe von 10tim oder mehr deutlich bis zu einer
DurchschnittsgröOe von weniger als 4ijm vermindert wird. Dieses Unterkühlen
war schmierig zu erzielen und nur durch ein thermodynamisches
Herangehen an das Problem wurde festgestellt, daß durch
Erhöhen der Entropie der Gußeisen-Schmelze die Unordnung des Systems
erhöht wird, um die Schmelze unterkühlen zu können. Ein höherer Entropiewert vermindert die Gibbs'sche freie Energie eines
flüssig-festen Systems, und die Phase mit der geringsten freien
Energie ist die stabilste Phase. Die Beziehung ist 4- - S,
wobei G die Gibbs' sehe freie Energie, T die absolute Temperatur
unH S die Entrooie ist. Außerdem reduziert sich die ther^odynami-
= che '-.eziehung H = T S + υ" Ρ zu H = TS, weil WP=D für
Festrinffe a ^ ζ <=i ?,t , daß S= , uobsi S di= Cntroci=-, .'H eis
Srhni= 1 ζ ii: "r ne unr1 T der absolutf? Er ρ t pr r unaspunkt ist. Ei°e Zunr-'^ie
der Entrooie ■ . « q
erzGugt eine Abnahme im Erstarrungspunkt bei einer konstanten
Schmelzwärme für das System.
Es wurde festgestellt, deß Bor bei Zugabe zu der Gußeisen-Zusammensetzung die Entropie erhöht, was die höhere Regellosigkeit
innerhalb des Systems erzeugt und das erforderliche Unterkühlen gestattet.
Die genauen Veränderungen, die auftreten, sind nicht voll verstanden, und die vorgenannten Erläuterungen sollten als theoretisch betrachtet werden.
Wird die-rlegierte Gußeisen-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung
unter die Gleichgewichts-Erstarrungstemperatur in den Untere
1 ο
kühlungsbereich von mindestens etwa 3 C unter der Gleichgewichts—
Erstarrungstemperatur abgekühlt, dann findet die Erstarrung augenblicklicher
stBtt, als wenn ein solches Unterkühlen nicht stattfindet.
Das Unterkühlen vermeidet daher,die übliche längliche Periode des Kristall- oder Teilchenwachstums, die üblicherweise euftritt.
Stattdessen ist die Erstarrung rascher, bevor ein Wachsen der Teilchen
erzielt werden kann. Die winzigen Carbidteilchen haben daher nicht die Gelegenheit, sich wie bei dem üblichen Gußeisen zu Stäbchen
oder Plättchen zu agglomerieren, und es findet auch kein Wandem
dieser Teilchen statt, um eine Platte oder einen Stab zu bilden und so eine nicht gleichförmige Verteilung der Carbide zu erzeugen. Stattdessen wird die Gleichförmigkeit der Carbidverteilung
in der Schmelzphase selbst während des Unterkuhlens der Gußleqierungs-Zusanmensetzung
aufrechterhalten, sodaß die Gleichförmigkeit
der Carbidverteilung auch während der Erstarrung bestehen bleibt*
Das Ergebnis der Erstarrung der unter die Gleichgewichts-Erstarrungstemperatur
unterkühlten Schmelze ist eine beträchtliche Verminderung der Größe der Teilchen und eine gleichförmigere Verteilung der Carbife
in rer Matrix des Gußeisens, was eine Grundlage ist für die
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■■■■- Vs Ή
Festigkeit, Zähigkeit und Abriebsbestä'ndigkeit dar Gußeisen-Zusammensetzung
der vorliegenden Erfindung.
Beispiel:
Beispiel:
Eine typische Gußeisen-Zusammensetzung mit 27,2$ Chrom und 2,04%
Kohlenstoff ist eine Legierungs-Zusammensetzung mit einer Erstarrung
im Bereich von etwa 1250 C, was oberhalb der eutektischen Temperatur
von etwa 1240°C (entsprechend 2263°F) liegt. Durch Zusatz von 0,17%
Bor kann die Legierung bis zu einer Temperatur von etwa 3 C unterhalb
der Gleichgewichtserstarrungstemperatur und bis zu etwas unter etwa 1246 C (entsprechend 2275 F) unterkühlt werden. Zwischen diesem
Temperaturpunkt und unterhalb der Gleichgewichts-Erstarrungstemperatur
ist die Schmeze unterkühlt und bleibt flüssig. Weiteres Abkühlen
. erzeugt Carbide mit einer Globulitform, die fast kugelförmig ist,
wobei die Carbidteilchen eine durchschnittliche Größe von weniger 4^m heben. Die Zugfestigkeit des erhaltenen Gußeisens ist im Bereich
von etwa 84 kg/mm , wobei etwa 3% Dehnung zugelassen sind. Ein solcher Weißguß ist recht abriebsbestänriig und hat zusätzlich
eine verbesserte Zugfestigkeit und eine verbesserte Zähigkeit, was
ihn besonders brauchbar macht für einen Einsatz unter hohem Abrieb
und unter hoher Belastung.
Ähnliche Ergebnisse wurden erhalten mit einer Zusammensetzung
aus 3,32% Kohlenstoff, 9,12% Chrom, 5,18% Nickel und 0,17% Bor, die
eine Gleichgewichts-Erstarrungstemperatur bei etwa dar eutektischen
Temperatur von etwa 1253 C (entsprechend 2287 F) hatte. Das Unterkühlen erfolgte bis zu etwa 1250 C, bevor eine Erstarrung stattfand.
Claims (1)
- Anualtsakte: P 109/5 DE15. März 1984 Dr. Si/siGlU) Industries, Inc. Grovetown, Georgia 30813, U.S.A.ABRIEBSBESTÄNDIGER UEISSGUSSPatentansprüche;\ 1 J Legierte Gußeisen-Zusammensetzung,
gekennzeichnet durchdas Element Eisen βίβ Grundlage sowie eines oder mehrere der folgenden Legierungselemente: 0,001% bis 30% Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Molybdän, Nickel, Kupfer oder Chrom oder deren mischungen und 2,0 bis 6,5% Kohlenstoff,uiobei die vorgenannte Zusammensetzung einen Erstarrungspunkt innerhalb won etwa 8 C von der eutektischen Temperatur des mit den ausgewählten Legierungselementen gebildeten Gußeisens hat und sie weiter 0,001% bis ä,Ό% Bor enthält, wodurch das Gußeisen eine erwünschte Abriebsbeständigkeit, Zähigkeit und Zugfestigkeit aufweist.2. Zusammensetzung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
eine Legierung mit einem Erstarrungspunkt zwischen etwa 1205 undetwa 1315°C.3. Zusammensetzung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß Uanedium, Titan, Niob oder Tantal in einer Menge von bis zu 7% vorhanden sind. 4. Zusammensetzung nach Anspruch 1, d a du r c h g β k e η η ze ic h net , daß Chrom in einer Menge von 0,1% bis 30^f vorhanden ist.5. Zusammensetzung nach Anspruch 1,d a d u r c h ge k en η ze ich net, d aß sie bis zu 7% Nickel, bis zuA%Molybdän oder bis zu &% Kupfer oder Kombinationen davon enthält.6. Zusammensetzung nach Anspruch 1,2,3, 4, 5t 7 oder 8, d a du r c hg e k e η η ζ e 1 c h net , d aß der Kohlenstoff zumindest teilweise in Form kugelartiger Carbide vorhanden ist.x 7. Zusammensetzung nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß der Erstarrungspunkt der Legierung zwischen etwa 1240 C und etuia 1260° C liegt.**-·' 20 8. Zusammensetzung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e π η ze ich η et t d aß der Erstarrungspunkt der Legierung bei etwa 1250 C liegt.9. Zusammensetzung nach Anspruch T,dadurch ge ken η ζ ei c h η e t , da ß dar Kohlenstoff zumindest teilweise in Form kugelartiger Carbide vorhanden ist, Vanadium, Titan, Niob, Nickel, Kupfer, Molybdän oder Tantal in einer Menge von bis zu 7% vorhanden sind und der Erstarrungepunkt der Legierung zwischen etwa 12Δ0 C und etwa 126 0° C liegt. . . . ..10. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d β G der Kohlenstoff zumindest teilweise in Form kugelartiger Carbide vorhanden ist, die Legierung einen Erstarrungspunkt zwischen etwa 1205° C und etwa 1315° C hat und Vanadium, Titan, Niob, Nickel, Kupfer, Molybdän oder Tantal in einer Menge von bis zu 7% vorhanden ist.11. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff zumindest teilweise in Form kugelartiger Carbide vorhanden ist, Chrom in einer Menge von 0,1% bis 30? vorhanden ist und der Erstarrungspunkt dBr Legierung zwischen etwa 12A0 C und etwa 1260° C liegt.12. Zusammensetzung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß Chrom in einer Menge von 20? bis 29$ oder 14? bis 22? oder 7? bis 12? vorhanden ist, der Kohlenstoff in einer Menge von 2,3% bis 3,5? vorhanden ist und das Bor in einer Menge von 0,01?. bis 1,0$ vorhanden ist.13. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Chrom in einer Menge von 25? bis 28?, Kohlenstoff in einer Menge von 2,0£ bis 3,0? und Bor in einer Menge von 0,1? bis 0,Δ^ vorhanden sind. 14. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstoff zumindest teilweise in Form kugelartiger Carbide mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger-als Ayurn vorhanden ist.■ ■. ■ , ... . ■■ ■·■ ■ · >■ - ...ff»,:■■:■■■- . . -.■.■/■■·...-:·■·■■■" ' ■ ' ■ ■ " ■ ■ . ■■ ■_■·■·...:.15. Verfahren zum Bilden kugβZaftig geformter Carbide in Gußeisen, ' . ■ : ■ ■.'■■■■■.■■" . ■.;■-■ ;,■.:■■ dadurch g β k en η ζ ei cn η et , da Q man 0,001^ bis ä% Bor zu einem legierten Gußeisen hinzugibt, das 0,001^ bis ΖΏ% VanadiumV'Titan',; .NiobV Molybdän, Nickel, Kupfer, Tantal oder Chrom oder Mischungen ■ da'ν on^ und 2,0?5 bis 4,5^ Kohlenstoff umfaßt, um eine geschmolzeneOluSeiieh^usammensetzung zu bildeh undmen die geschmolzene legierte Gußeisen—Zusammensetzung unter die Gleichgeuichts-Erstarrungsteffiperatur Öls zu einer Unterkühlungs-. ■ . ■ ■:■,,'.:- ..■ '.-V. ■"■■ ■''■'■/ ' ■temperatur abkühlt undman die geschmolzene Gußeisen-Zusammensetzung erstarren laß um kugelartig geformte Carbide^ zu bilden, deren durchschnittliche Grösse geringer ist als die Teilchengröße der Carbide in üblichem Gußeisen.16·'.Verfahren, nach Anspruch 15 Λd a d u r c h g e kenn ze ic h. η e i , d a ß die Legierung einen Erstarrungspunkt zwischen etwa 1205 C und etuia 1315° C hat;17. Verfahren nach Anspruch 15/d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h ή e t , d aß die Legierung Vanadium, Titan, ^io'by'.Tantal, fnlybd'^n, Kupfer oder Micke1, in einer .We'nge von bis zu 75?. enthalt. . 1.B. Verfahren nach A'ns'prü'ch"'1'St·"'" d a du r c h ge k e η η ζ ei c h η e t , d a ß die Legierung Chrom in ei net Ceice von C,^% bis 30t enthält.19. Verfahren nach Anspruch 15,d a d u r c h g e k e η h ζ ei c h η e t , daß man bis zu 7% Nickel, bis zu ^ Molybdän ccer bis zu tä Kupferr - ir,oder deren Kombinationen hinzugibt.20. Verfahren nach Anspruch 15,dadurch gekennzeichnet, daß man die geschmolzene Gußeisen-Zusammensetzung bis zu einer Unterkühlungstemperatur abkühlt, die mindestens etwa 3 C unterhalb der Gleichgewichts-Erstarrungstemperatur liegt.21. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet., daß man die geschmolzene GuGeisen—Zusammensetzung erstarren läßt, indem man das Kühlen der geschmolzenen Gußeisen—Zusammensetzung bis zu einer Unterkühlungstemperetur fortsetzt, um kugelartig geformte Carbide mit einer Durchschnittsgröße von weniger als Ajjrn zu bilden.22. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß man die geschmolzene Gußeisen-Zusammensetzung bis zu einer Unterkühlungstemperetur abkühlt, die mindestens etwa 3 C unterhalb der Gleichgewichtserstarrungstemperatur liegt und man die geschmolzene Gußeisen-Zusammensetzung erstarren läßt, indem man das Kühlen der geschmolzenen Gußeisen-Zusammensetzung bis zu der Unterkühlungstemperatur fortsetzt, um kugelartig geformte Carbide mit einer Durchschnittsgröße von weniger als etwa Ayum zu bilden»23. Verfahren nach Anspruch 20, 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichgewichts-Erstarrungstemperatur zwischen etwa 1205 C und etwa 1315° C liegt.24. Verfahren nach Anspruch 20, 21 und 22, dariu.rch gekennzeichnet, d β G die Gleichgewichts-ErstarrungstemDeratur zwischen etwa 12^0 C und etwa 1260° C liegt.25. Verfahren zum Unterkühlen geschmolzenen Gußeisens, um die Zähigkeit, die Abriebsbeständigkeit und die Zugfestigkeit des Gußeisenszu verbessern,dadurch g e k en η ζ ei ehrt et, daß man die Entropie einer geschmolzenen Gußeisen-Wischung aus Kohlenstoff, Eisen und Vanadium» Titan, Molybdän, Nickel, Kupfer, Tantal oder Chrom oder Mischungen davon erhpht, um eine geschmolzene Gußeisen-Zusammensetzung zu bilden,man die geschmolzene Gußeasen-f^usanimensetzung bis zu einer Temperatür unterhalb der Gleichgeuiichts-Erstarrungstamperatur der geschmolzenen Gußeisen-Zusammensetzung unterkühlt und man die geschmolzene GUßeisen-.Zusammer>8e^2MnQ erstarren läßt, mäh-. , .■■■:.-... ■■:-■■/[.;■;- :;■■-;■■.>; ; : .v-v... ■ — ' ' ■ ■ 'rend kugelartig■geformteι darbib# mit einer Durchschnittsgröße gebildet werden,-'die geringer ist als die purchschnittsgrö^e der Carbide von üblichem Gußeisen»26. Verfahren nach Anspruch 25,d art u rc h q β k e η ' η ζ e i C tr η β t , d a ß man die geschmolzene Gußeisen-Zusammensetzung bis zu einer Unterkühlungstemperatur abkühlt, die mindestens etwa 3 C unterhalb der Gleichgewichts-^Erstarrgngstemperatur liegt.27. Verfahren nach Ansbruch 25,d a du rc h g e k e η η ze ic h η et ,daß■ ■ ' ■ ■ ■ ■ ■ ■■■·.■ ■ ■ ■ das Er?tarrenlassen der geschmolzenen Gußeisen-Zusammensetzung durch fortgesetztes Abkühlen der geschmPilZiRnen Gußeisen-Zusammensetzung bis zu einer UnteTkühlung^temperatur erfolgt, um kugelartig geformte Carbide mit einer mittleren Grn^e von weniger als etwa Ayurn zubilden. ■;.28.,'Verfahren nach Anspruch 25,d a d υ r c h g e k e η j η ζ e i c h η e t , daßi '■■■■.'■''■■ ' ' ' ■'.■■■' ·■■.'.■ ' ' . - 7 -man die geschmolzene Gußeisen-Zusammensetzung bis zu einer Unterkühlungstemperatur abkühlt, die mindestens etwa 3 C unter der Gleichgeu/ichts-Erstarrungetemperatur liegt und man die geschmolzene Gußeisen-Zusammensetzung erstarren läßt, indem man das Abkühlen der geschmolzenen Gußeisen-Zusammensetzung bis zu der Unterkühlungstemperatur fortsetzt, um kugelartig geformte Carbide mit einer Durchschnittsgröße von weniger als etwa Ayum zu bilden.29. Verfahren nech Anspruch 25, 26, 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß man die Entropie der Gußeisen-Flischung erhöht, indem man bis Λ,0# Bor hinzugibt.30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Bor in einer Menge von 0,1# bis 0,4^ hinzugegeben wird.31. Verfahren nach Anspruch 1 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß man das Bor in einer Menge von 0,1^ bis ϋ,ά% hinzugibt.P m»
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