DE973051C - Die Verwendung eines Temperrohgusses zur Herstellung von Schwarzkern-Temperguss - Google Patents

Description

(WiGBI. S. 175)

M 5674 VIj 18 d-AUSGEGEBEN AM 19. NOVEMBER 1959

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DES DEUTSCHEN

PATEKTAMTES

Sogenannter schwarzer Temperguß wird durch Glühen eines weiß erstarrten Gußeisens hergestellt. Wenn seine Grundmasse voll ferritisch ist, weist ein solcher Temperguß bei niedrigem Phosphorgehalt gute Festigkeitseigenschaften, z. B. eine Streckgrenze von 15,75 bis 25 kg/mm², eine Zugfestigkeit von 28,5 bis 40 kg/mm² und eine Dehnung von 10 bis 20% auf. Für solche Eigenschaften des Fertiggusses ist es entscheidend, daß der zu glühende Rohguß vollkommen weiß erstarrt, weil etwa ausgeschiedener Primärgraphit flockenförmig auftritt und deshalb festigkeitsmindernd wirkt. Deshalb ist man bei der Herstellung von schwarzem Temperguß an kleine, praktisch 5 cm nicht überschreitende Querschnitte und bestimmte Abkühlungsgeschwindigkeiten gebunden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, in einem durch bloßes Glühen eines weiß erstarrten Rohgusses hergestellten schwarzen Temperguß den Graphit in Form von Sphärolithen zur Ausscheidung zu bringen. Sie löst diese Aufgabe durch Temperglühen eines weiß erstarrten, massive Karbide enthaltenden Temperrohgusses mit 0,03 bis 0,5%, vorzugsweise 0,06 bis 0,2% Magnesium. Im übrigen kann dieser Rohguß 1,8 bis 4,0% Kohlenstoff, 0,4 bis 4% Silizium sowie, einzeln oder zu mehreren, bis 3,5"Vo Nickel, bis 2,0%

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Kupfer, bis 2,0% Mangan und im Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen enthalten. Es ist zweckmäßig,, seiner Schmelze so viel Magnesium zuzusetzen, daß sich deren Schwefelgehalt auf weniger als 0,02% verringert und das Gußstück danach bei 840 bis 980° C zu glühen. An diese Glühbehandlung kann sich noch ein Erhitzen bei einer Temperatur unterhalb der Gamma-Alpha-Umwandlung anschließen, vorzugsweise während 2 bis 5 Stunden bei 690 bis 710⁰ C.

Aus Untersuchungen über den Eisenkarbidzerfall in Weißkern-Temperguß, der bekanntlich in oxydierender Atmosphäre und vornehmlich in aus Erz, Walzensinter od. dgl. bestehender Tempermasse entkohlend geglüht wird, wurde geschlossen, daß die Form des sich ausscheidenden Graphits insofern vom Mangan-Schwefel-Verhältnis im Rohguß abhängt (MnS), als sich beim Überschuß an Mangan Flockengraphit bildet, beim Überschuß an Schwefel daneben auch Sphärolithen auftreten. Mit dieser Erkenntnis läßt - sich hochwertiger schwarzer Temperguß mit Graphit in sphärolithischer Form durch bloßes Glühen eines weiß erstarrten Rohgusses ebensowenig herstellen wie mit dem bloßen Hinweis, daß durch die Behandlung des Rahgusses mit einem Überschuß an Erdalkalimetallen, insbesondere an Kalzium, die Graphitisierung und auch die Eigenschaften des Tempergusses verbessert werden.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, Eisenschmelzen mit Magnesium zu behandeln. Wegen der hohen Reaktionsempfindlichkeit des Magnesiums müssen dabei besondere Vorkehrungen getroffen werden, um sicherzustellen, daß die jeweils gewollte Menge an Magnesium in den Fertigguß übergeführt wird. Wenn bei der Herstellung von schwarzem Temperguß nicht mindestens etwa 0,03 % Magnesium im Rahguß verblieben sind, läßt sich durch die anschließende Glühbehandlung die sphärolithische Graphitform in der Regel nicht erzeugen. So wurde sowohl in einem magnesiumfreien, weiß erstarrten Guß mit 2,8'% Kohlenstoff, 0,8% Silizium und 1% Nickel als auch in einem ähnlichen Guß mit zusätzlich 0,016'% verbliebenem Magnesium der Graphit nach einer Glühung bei 925 ⁰C in Form von Flocken ausgeschieden. Andererseits fand man in einem Rohguß mit 0,07% verbliebenem Magnesium den Graphit nach der gleichen Glühbehandlung in sphärolithischer Form vor.

Der gemäß der Erfindung erzeugte Temperguß weist eine überraschende Vereinigung vorteilhafter Merkmale auf. Insbesondere sind bei gleicher Dehnung die Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte höher als bei normalem Schwarzkernguß. Immer unter der Voraussetzung einer voll ferritischen Grundmasse und eines niedrigen Phosphorgehaltes liegt bei einer Dehnung zwischen 10 und 2o^!% die Streckgrenze im Bereich von 23,5 bis 40 kg/mm², in der Regel bei etwa 31,5 kg/mm², und die Zugfestigkeit im Bereich von 35 bis 52 kg/mm² in der Regel bei etwa 44 kg/mm². Ein Vergleich dieser Zahlen mit den Durchschnittswerten für schwarzen Temperguß zeigt eine auffällige Verbesserung bei voll ausreichender Dehnung. Diese Vereinigung hoher Festigkeitswerte ist für das Erzeugnis gemäß der Erfindung, das praktisch einen neuen Werkstoff darstellt, kennzeichnend. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß aus diesem Werkstoff Gußstücke mit beliebigen Querschnitten hergestellt werden können.

Das Magnesium kann der Schmelze in Form einer Legierung, z. B. mit Nickel oder Kupfer, zugesetzt werden. Befriedigende Ergebnisse lassen sich mit Nickel-Magnesium-Legierungen mit 4 bis 2ο^Ό/σ Magnesium und Nickel-Magnesium-Kohlenstoff-Legierungen mit 12 bis 15% Magnesium und 1,3 bis 2,5 Vo Kohlenstoff erzielen. Im allgemeinen wird der Anteil des in der Schmelze wirksam werdenden Magnesiums um so geringer, je höher die Konzentration des Magnesiums in der Zusatzlegierung ist. Je niedriger die Temperatur der Schmelze beim Magnesiumzusatz ist, gleichgültig ob es als Legierung oder in anderer Form zugesetzt wird, desto höher ist der Anteil des verbleibenden Magnesiums.

Als Ausführungsbeispiel für die Zugabe des Magnesiums in Form einer Legierung sei eine solche mit I3,i5^fl/o Magnesium, Rest Nickel, erwähnt, die zu Stücken von etwa 9 mm Größe zermahlen und auf die Oberfläche einer etwa 1370⁰ C heißen Gußeisenschmelze mit 3,3% Kohlenstoff, i,5°/o Silizium, 0,10'% Schwefel und 0,027% Phosphor in einer Menge von 1,63 Gewichtsprozent der Schmelze aufgegeben wurde. Der Magnesiumgehalt des sich ergebenden, weiß erstarrten Gusses betrug 0,069%.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde eine Zusatzlegierung mit 19% Magnesium und 81% Nickel wiederum zermahlen und ein Anteil von 1,7 Gewichtsprozent unter die Oberfläche einer 1465° C heißen Gußeisenschmelze mit 3,4% Silizium, 0,03% Schwefel und 0,07% Phosphor getaucht. Der Magnesiumgehalt des weiß erstarrten Gusses betrug dann 0,08¹⁰Zo.

Das Magnesium beeinflußt auch den Schwefelgehalt der Schmelze. Ein Gußstück mit mindestens 0,03% Magnesium kennzeichnet sich durch einen sehr niedrigen Schwefelgehalt von z. B. 0,02% und weniger. Nach dem Tempern enthält ein solcher Guß sämtlichen Graphit in sphärolithischer Form. Bei der Herstellung des gemäß der Erfindung zu verwendenden Temperrohgusses braucht nicht unbedingt von einer Eisenschmelze ausgegangen zu werden, die an sich rein weiß erstarren würde, weil das in die Schmelze eingeführte Magnesium stark auf die Weißerstarrung hinwirkt. Es ist deshalb auch möglich, Gußeisen mit einer Grundzusammensetzung zu verwenden, die ohne einen Magnesiumzusatz zu grauem Gefüge führen würde. Selbst wenn dann in dem magnesiumhaltigen, vorwiegend weißen, gemäß der Erfindung zu verwendenden Guß etwas Graphit enthalten ist, liegt er in sphärolithischer Form vor und beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften des getemperten Eisens nicht; es verbessert sie sogar. Das ermög-

licht die Verwendung von Impfmitteln sowie von stark graphitisierend wirkenden Zusatzlegierungen bei der Erzeugung des zu tempernden, weißen Eisens. Der Ausdruck »weißes Eisen« schließt daher hier ein Eisen ein, das vorwiegend weiß ist und etwas sphärolithischen Graphit enthält.

Weil die Schmelze nicht völlig weiß zu erstarren braucht, kann der Guß höhere Anteile an graphitisierend wirkenden Elementen wie Kohlenstoff und

ίο Silizium enthalten, als sie für gewöhnlichen Schwarzkernguß üblich sind. Dadurch verbessert sich die Vergieß barkeit der Schmelze. Wegen der auf Weißerstarrung gerichteten Wirkung des Magnesiums kann das Gußeisen auch größere Mengen an graphitisierend wirkenden Legierungselementen wie Nickel und Kupfer enthalten als sonst. Damit läßt sich die mechanische und die Korrosionsfestigkeit des Tempergusses erhöhen. Wenn die Schmelze ohne Magnesium grau fallen würde oder wenn Gußstücke mit größerem Querschnitt hergestellt werden sollen, muß genügend Magnesium zugesetzt werden, um einen verbleibenden Magnesiumgehalt von mehr als 0,03%, vorzugsweise von mindestens 0,05% zu erzeugen. In solchen Gußstücken stellt man den Magnesiumgehalt am besten auf zwischen 0,06 und 0,15% ein. Die Gußstücke können bis zu 0,5 °/o Magnesium enthalten. Vorteilhafterweise bleibt der Magnesiumgehalt aber unter 0,2 %.

Daß für die Zwecke nach dieser Erfindung von einem Eisen mit grau erstarrendem Bruch ausgegangen werden kann, ist von praktischer Bedeutung für Gießereien, in denen sowohl Grau- wie Temperguß hergestellt wird, weil es jetzt unnötig ist, ein mehrfaches Schmelzprogramm zu führen. Der Betrieb kann statt dessen auf ein Gußeisen gattieren, das sowohl für Temper- als auch Graugußstücke zu verwenden ist.

Im allgemeinen enthält ein weißes, gemäß der Erfindung zu behandelndes Eisen neben Magnesium 1,8 bis 4°/e Kohlenstoff, 0,4 bis 4% Silizium, 0 bis 3,5% Nickel, ο bis 2°/o Kupfer und ο bis 2°/o Mangan, Rest Eisen und Verunreinigungen. Eisen mit niedrigem Mangangehalt, d. h.

mit weniger als 0,3% Mangan, läßt sich schnell tempern. Ein weißes, schnell zu temperndes Eisen mit vorzüglichen Eigenschaften enthält 0,05 bis 0,20% Mangan, 2,5 bis 3,5 °/o Kohlenstoff, 0,4 bis 2,6% Silizium und 0,04 bis 0,15% Magnesium.

Phosphor beeinträchtigt die Temperkohlebildung, sein Gehalt wird deshalb vorzugsweise unter 0,12% gehalten; er stört jedoch die Ausbildung des sphärolithischen Graphits beim Tempern nicht. Andere, in der Regel nicht in Gußeisen enthaltene Elemente, und zwar Zinn, Blei, Arsen, Wismut, Antimon und Tellur, sind schädlich und müssen vermieden werden. Insbesondere gilt das für Zinn, das nur in Mengen von nicht mehr als 0,05% vorhanden sein darf. Karbidfestigende oder weißmachende Elemente wie Chrom müssen vermieden werden und sollen nur in kleinen Mengen vorhanden sein, Chrom z. B. in Mengen von nicht über 0,15%.

Der Anteil an gebundenem Kohlenstoff ist im Temperguß gemäß der Erfindung mit vorwiegend ferritischer Grundmasse im allgemeinen gering, er liegt meist unter 0,2%. In Gußstücken mit vorwiegend perlitischer Grundmasse sind etwa 0,5 bis ι % gebundener Kohlenstoff enthalten. Im erfindungsgemäß zu verwendenden Gußeisen liegt praktisch aller ungebundene, freie Kohlenstoff in Form von sphärolithischem Graphit vor. Zufriedenstellende Ergebnisse werden aber schon erhalten, wenn nur ein Teil, z. B. 25%, des Graphits sphärolithisch ist.

Das Tempern der weiß erstarrten Gußstücke geschieht bei den üblichen Temperaturen. Es bedarf jedoch weit weniger Zeit als bei der Erzeugung von Schwarzkernguß. Um einen Temperguß mit ferritischer Grundmasse herzustellen, kann die Wärmebehandlung in einer 5- bis iSstündigen Erhitzung auf 840 bis 980⁰ C, vorzugsweise zwischen 900 und 925⁰C, bestehen und einem darauffolgenden kürzeren, etwa 2 bis 5 Stunden dauernden Erhitzen auf eine Temperatur, die unter der Gamma-Alpha-Umwandlungstemperatur des Eisens liegt. Zweckmäßigerweise wird dabei die Gamma-Alpha-Umwandlungstemperatur um nicht mehr als 45° C unterschritten. Die typischen Temperaturen für das zweite Erhitzen liegen zwischen 690 und go 710⁰C. Für Temperguß mit im wesentlichen perlitischer Grundmasse kann die Wärmebehandlung bei der niedrigeren Temperatur entfallen.

Beispiel

Es wurde eine Gußaisenschmelze mit 3 % Kohlenstoff, 0,4% Silizium, 0,014% Phosphor, 0,07^/0 Mangan und 0,04% Schwefel hergestellt. Einen mit Magnesium in Form einer Nickel-Magnesium-Legierung aus 87% Nickel und 13% Magnesium behandelten Teil dieser Schmelze vergoß man ohne Impfung zu einem harten, weißen Gußeisenbarren, der etwa 0,06% verbliebenes Magnesium und praktisch keinen freien Kohlenstoff enthielt. Ein weiterer Teil der Schmelze wurde ohne Magnesiumzusatz zu einem harten, weißen Gußeisenbarren vergossen. Beide Barren wurden etwa 10 Stunden lang auf etwa 925° C erhitzt und an der Luft gekühlt. In dem wärmebehandelten, magnesiumhaltigen Barren lag der freie, ungebundene Kohlenstoff in Form fester, in einer perlitischen Grundmasse verteilter Sphärolithe vor, wobei praktisch alle Karbide durch die Wärmebehandlung zersetzt waren. Die Härte des Barrens betrug 279 Brinell-Einheiten. In dem wärmebehandelten magnesiumfreien Barren dagegen zerfiel nur ein kleiner Teil der ursprünglich vorhandenen Karbide zu freiem Kohlenstoff, der in unregelmäßiger, zerrissener Flockenhaufenform in einer Grundmasse aus Perlit und Karbiden verteilt lag. Die Härte dieses Barrens betrug 393 Brinell-Einheiten.

Eine zweite Gußeisenschmelze enthielt: 2,4% Kohlenstoff, 0,65% Silizium, 0,24% Mangan und 0,03% Schwefel. Einen Teil dieser Schmelze vergoß man ohne besondere Behandlung. Das Gußstück erstarrte weiß. Es hatte eine Härte von

387 Brinell-Einheiten. Zu einem anderen Teil der Schmelze wurde so viel Magnesium zugegeben, daß 0,05 % Magnesium im Fertigguß verbleiben. Der Guß hatte eine Härte von 428 Brinell-Einheiten. Beide Gußstücke wurden daraufhin einer Wärmebehandlung unterzogen, die in einem 5 stündigen Erhitzen auf etwa 950⁰ C, darauffolgendem Abkühlen auf etwa 690⁰ C im Ofen, 5 stündigem Halten auf dieser Temperatur und Luftkühlen auf Raumtemperatur bestand. Nach dieser Wärmebehandlung hatte das magnesiumfreie Gußstück eine Härte von etwa 207 Brinell-Einheiten. Sein Graphit hatte Flockenform. Das magnesiumhaltige Gußstück besaß nach der Wärmebehandlung eine Härte von 157 Brinell-Einheiten und eine Zugfestigkeit von etwa 44 kg/mm². Sein Gefüge war das eines ferritischen Tempergusses mit sphärolithischem Graphit.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE: 20

1. Die Verwendung eines weiß erstarrten, massive Karbide enthaltenden Temperrahgusses mit 0,03 bis 0,5%, vorzugsweise 0,06 bis 0,2% Magnesium zur Herstellung von Schwarzkern-Temperguß mit Kugelgraphitausbildung.

2. Die Verwendung eines im Anspruch 1 genannten Temperrohgusses, der 1,8 bis 4°/o Kohlenstoff und 0,4 bis 4% Silizium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Die Verwendung eines im Anspruch 2 genannten Temperrohgusses, der jedoch noch, einzeln oder zu mehreren, bis 3,5% Nickel, bis 2°/o Kupfer, bis 2% Mangan enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verfahren zur Herstellung eines Tempergusses mit sphärolithischem Graphit, dadurch gekennzeichnet, daß einer Eisenschmelze, die einen im Anspruch 2 oder 3 genannten Temperrohguß ergibt, so viel Magnesium zugesetzt wird, daß sich der Schwefelgehalt der Schmelze auf weniger als 0,02% verringert und 0,03 bis 0,5 % Magnesium im Eisen verbleiben und daß dann das Gußstück bei 840 bis 980⁰ C getempert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tempern des Gußstückes in einem Glühen bei 900 bis 925 ° C für 5 bis 15 Stunden besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Tempern ein Glühen bei einer Temperatur unter dem Gamma-Alpha-Umwandlungspunkt des Eisens vorgenommen wird, vorzugsweise 2 bis 5 Stunden bei 690 bis 710⁰C.

7. Die Verwendung eines Temperrohgusses mit 2,5 bis 3,5% Kohlenstoff, 0,4 bis 2,6% Silizium, 0,05 bis 0,2% Mangan, 0,04 bis 0,15% Magnesium für das Verfahren gemäß den Ansprüchen 4 bis 6.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 541 296; USA.-Patentschrift Nr. 1 731 346; Zeitschrift »Fonderie«, November 1946, S. 376,

Zeitschrift »Foundry«, Juni 1949, S. 88, 90, 212, 214, 216, 218, 220, 222, 224, 225; »Foundry Trade Journal«, 2. 10. 1947, S. 87ff.; »American Foundryman«, Juli 1949, S. 32 bis 41; »Schweizer Archiv«, März 1949, S. 75 bis 84;

»Werkstoffhandbuch Stahl und Eisen«, 1937, Blatt K 1-1.

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