DE2420259B2 - Geschmiedeter brecherkoerper aus weissem gusseisen und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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 970^eC 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:

Beispiel I

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%

0%

0,7%

0,8%
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.

Beispiel 2

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

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.

Beispiel 3

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;

Kohlenstoff

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:

Kohlenstoff

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)

1. 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. 2. Brecherkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Chromkarbiden zumindest 17 000 Teilchen pro Quadratmillimeter Schnittfläche betragt
3. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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