DE3390167T1

DE3390167T1 - Abriebsbeständiger Weißguß

Info

Publication number: DE3390167T1
Application number: DE19823390167
Authority: DE
Inventors: Wallace Martinez Ga. Day
Original assignee: GIW Industries Inc
Current assignee: GIW Industries Inc
Priority date: 1982-07-19
Filing date: 1982-07-19
Publication date: 1984-11-29
Also published as: GB2134542B; GB2134542A; AU557815B2; WO1984000385A1; JPS59501551A; NL8220290A; EP0113715A1; GB8406512D0; EP0113715A4; CH661286A5; AU8824982A; CH660753A5

Description

Beschreibung:

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

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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 Abriebsbeständigkeit_T 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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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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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 H_8Uptgruppen 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

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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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Festigkeit, Zähigkeit und Abriebsbestä'ndigkeit dar Gußeisen-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung.
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

Anualtsakte: P 109/5 DE

15. März 1984 Dr. Si/si

GlU) Industries, Inc. Grovetown, Georgia 30813, U.S.A.

ABRIEBSBESTÄNDIGER UEISSGUSS

Patentansprüche;

\ 1 J Legierte Gußeisen-Zusammensetzung,
gekennzeichnet durch

das 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 und

etwa 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, 5_t 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.

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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 und

men die geschmolzene legierte Gußeisen—Zusammensetzung unter die Gleichgeuichts-Erstarrungsteffiperatur Öls zu einer Unterkühlungs-

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temperatur abkühlt und

man 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 _Λ

d 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'S_t·"'" 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 Kupfer

r - 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-.Zusa^mmer>8^e^²MⁿQ erstarren läßt, mäh-

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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 zu

bilden. ■;.

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 , daß

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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.

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