DE2700573A1 - Verfahren zur herstellung austenitischen manganhartstahls - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung austenitischen Manganhartstahls
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung austenitischen Manganhartstahls.
• Dieser sogenannte Hadfieldstahl, der in seinem Verwendungszustand eine reine austenitische Mikrostruktur aufweist, enthält: 0,9 - 1,5 % Kohlenstoff (C), 9 - 20 % Mangan (Mn), 0,2 - 1,5 %Silicium(Si), folgende Elemente als mögliche Zusatzstoffe: 0 - 4 % Chrom (Cr), o - 4 % Nickel (Ni), 0 - 3 % Molybdän (Mo), o - 3 % Kupfer (Cu) und/oder folgende Elemente als Mikrokomponenten: 0 - 0, 15 Titan (Ti), 0 - 0,15% Niobium (Nb), 0 - 0,15% Vanadium (V), 0 - 0,1 % Zirkonium (Zr) oder 0 - 0,5 % Bor (B).
• Das Verfahren, das gegenwärtig zur Herstellung von Hadfieldstahl angewendet wird, kann in folgende Ablaufschritte zerlegt (eingeteilt) werden: 1. Schmelzen in einem Ofen mit basischer Auskleidung bei einer Temperatur von 1.400 - 1.6000C; 2. Eingießen in eine Sand- oder Metallform bei einer Temperatur von 1.375 - 1.5250 C; 3. Abkühlung in der Gußform auf Raumtemperatur; 4. Öffnen der Gußform und Reinigung des Gußstuckes; 5. Aufheizen auf eine Wärmebehandlungstemperatur von 1.000 - 1.1000 C bei einer Erwärmungsgeschwindigkeit von maximal 1000C/h; 6. Aufrechterhaltung der Wärmebehandlungstemperatur von 1.000 - 1.1000 C über einen Zeitraum von 1 - 6 Stunden, je nach Größe des Gußstückes; 7. Schnelles Abkühlen auf Raumtemperatur, z.B. durch Wasserkühlung.
• Mit Hilfe des obigen Verfahrens erhält man austenitischen Hadfieldstahl mit gleichmäßiger Mikrostruktur. Dieser Stahl wird hauptsächlich für Teile benutzt, die einer starken Stoßbeanspruchung ausgesetzt werden.
• Der Hadfieldstahl ist unter diesen Bedingungen deshalb am besten geeignet, da er folgende vorteilhafte Eigenschaften besitzt: a) Er ist wegen seiner austenitischen Mikrostruktur extrem widerstandsfähig und erträgt Schlagbeanspruchungen selbst bei tiefen Temperaturen ohne Bruch.
• b) Er läßt sich bei der Bearbeitung extrem verhärten. Beispielsweise verhärten Schlagbeanspruchungen die Oberfläche des Stahls mit einer Grundhärte von etwa 200 HB bis zu einer Härte von 550 HB, bei der die Verschleißfestigkeit des Stahls hervorragende Werte erreicht. Die Härtung erreicht nicht das Innere des Stahls - das Innere bleibt bruchfest und somit das gesamte Stahlstück.
• Damit der Stahl ein bruchfestes Verhalten zeigt, ist eine gleichmäßige austenitische Struktur notwendig. Wenn der Stahl nach dem Gießen oder nach der Warmbearbeitung langsam auf Zimmertemperatur abkühlt, sondert sich Karbid bei einem Temperaturbereich von 960 - 3000 C an den Korngrenzen des Austenits ab und bildet ein zusammenhängendes Netz, das den Stahl vollständig spröde werden läßt. Dieses Karbidnetz kann durch Erhitzen des Stahls auf eine Temperatur über 9600 C, bei der das Karbid nicht mehr stabil ist, zerstört werden. Dabei geht es in eine austenitische Matrix über. Ein Wiederabtrennen des Karbids wird durch ein rasches Abkühlen des Stahls durch den kritischen Temperaturbereich ° von 960 - 300 C hindurch verhindert. Dies erklärt sich damit, daß der Absonderungsprozeß von Karbiden durch Diffusion geregelt wird und durch schnelles. Kühlen ein Ablaufen dieses Prozesses verhindert werden kann.
• Der einzige Zweck der Wärmebehandlung - Aufheizen auf 1.000 - 1. 1000 C/ Wasserkühlen - ist darin zu sehen, daß das Karbidnetz, das in den vorangegangenen Stufen des Verfahrens gebildet wurde, aufgelöst wird. Die Merkmale des Verfahrens gemäß der Erfindung werden in den Ansprüchen dargelegt.
• Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird der Aufbau des nachteiligen Korngrenzen-Karbids vollständig verhindert, so daß die Wärmebehandlung mit dem Ziel, die besagten Karbide zu entfernen, überhaupt nicht mehr erforderlich ist. Dementsprechend läuft das Verfahren gemäß der Erfindung in folgenden Schritten ab: 1. Schmelzen in einem Ofen mit basischer Auskleidung - bei einer Temperatur von 1.400 - 1.6000 C; 2. Eingießen in eine Sand- oder Metalllorm bei einer Temperatur von 1.375 - 1.5250 C; 3. Abkühlung zusammen mit der Gußform auf die normale Wärmebehandlungstemperatur des Hadfield-Stahls, d.h. etwa 1.1000 C; 4. schnelles Entfernen des Gußstücks aus der Form; 5. sofortiges schnelles Abkühlen auf Raumtemperatur, beispielsweise durch Wasserkühlen; 6. Säuberung des Gußstücks.
• Das direkte Abkühlen von Hadfield-Stahl beruht auf der Erkenntnis, daß man den Stahl nach Erstarrung der Stahlschmelze abkühlt, ehe die energetischen Bedingungen zur Absonderung der nachteiligen Korngrenzenkarbide vorhanden sind, was etwa ab 9600 C geschehen kann. Eine besondere zusätzliche Wärmebehandlung des Stahls erübrigt sich daher.
• Das Verfahren der direkten Abkühlung gemäß der Erfindung zeichnet sich im Vergleich zu den bekannten Verfahren durch folgende Vorteile aus: 1. Einsparung an Verfahrenszeit Die Verfahrenszeit wird um 70 - 90 % verringert, je nach Größe des Gußstückes. So beansprucht z.B. das bekannte Verfahren zur Herstellung eines Hadfield-Stahlgusses mit einer Dicke von 100 mm folgende Zeiten: Schmelzen 3 Stunden + Gießen 0,2 Stunden + Abkühlen in der Gußform auf Raumtemperatur 20 Stunden + Aufheizen auf eine austenitisierende Temperatur 10 Stunden + Aufrechterhalten der austenitisierenden Temperatur 3 Stunden + Abkühlen in Wasser 0, 3 Stunden, zusammen also 36, 5 Stunden.
• Bei Anwendung des direkten Abkühlverfahrens werden, um zum glei -chen Endergebnis zu kommen, folgende Zeitdauern erforderlich (in Klammern ist die benötigte Zeit für Zwischenaufheizen zur Bestimmung der Qualität angegeben): Schmelzen 3 Stunden + Gießen 0,2 Stunden + Abkühlen in der Gußform auf Kühltemperatur 1 Stunde + Entfernen der Gußform 0,3 Stunden (+ Zwischenaufheizen 1 Stunde) + Abkühlen im Wasser 0,3 Stunden.
• Das ergibt eine Gesamtzeit von 4, 8 Stunden (5,8 Stunden). Mit anderen Worten: Die Verfahrenszeit wird bei der Erfindung um etwa 87 % (84 %) verkürzt.
• 2. Einsparung von Energie Theoretisch erfordert das Schmelzen eines Kilogramms Hadfield-Stahl eine Energie von etwa 1,05 MJ (Erhitzen und Schmelzen). Der übliche Wirkungsgrad eines Stahlschmelzofens liegt bei etwa 0, 5, so daß in der Praxis zum Schmelzen eines Kilogramms Hadfield-Stahls eine Energie von etwa 2 MJ aufgewendet werden muß.
• Das Aufheizen von Hadfield-Stahl auf die Wärmebehandlungstemperatur erfordert theoretisch eine Energie von etwa 0, 5 MJ. Üblicherweise variieren die Wirkungsgrade der Wärmebehandlungsöfen zwischen 0,1 - 0,3, so daß eine Wärmebehandlung eine Energie von 1,5 - 5 MJ/kg verbraucht. Wird der Wirkungsgrad des Ofens mit 0,25 angenommen, so erfordert das Verfahren zur Herstellung von Hadfield-Stahlguß eine Energie pro Kilogramm entsprechend folgender Aufstellung: Bekanntes Verfahren: Schmelzen 2 MJ + Wärmebehandlung 2 MJ zusammen 4 MJ Direktes Abkühlverfahre n: Schmelzen 2 MJ, folglich spart das direkte Abkühlverfahren 50 % der Energie ein.
• 3. Verringerung der Rißgefahr Beim langsam abkühlenden Hadfield-Stahl wird ein Korngrenzenkarbidnetz, das den Stahl vollständig spröde macht, innerhalb eines Temperaturbereichs von 960 - 3000 C aufgebaut. Falls dieser spröde Stahl durch hohe Spannungen beansprucht wird, kann der Stahl leicht entlang der Korngrenzen einreißen. Solche Spannungen können bei den bekannten Verfahren dadurch auftreten, - daß die gehärtete Gußform das freie Verfestigungsschrumpfen des Stahls verhindert, wodurch Risse schon während des Abkühlens in der Gußform entstehen, - außerdem belm Aufheizen auf die Wärmebehandlungstemperatur.
• Die Wärmeleitfähigkeit des Hadfield-Stahls ist sehr gering. Im Falle eines schnellen Erhitzens können somit sehr große Spannungen aufgrund von Temperaturunterschieden im Gußstück auftreten, wodurch Rißbildungen hervorgerufen werden. Je größer ds Gußstück, desto größer ist die Bruchgefahr.
• Mit Hilfe des direkten Abkühlverfahrens werden beide Risiken ausgescillossen, da in keinem Abschnitt des Verfahrens Karbide an den Korngrenzen, welche die Hauptursache für Rißbildung sind, auftreten. Außerdem wird einer Rißbildung während der Wärmebehandlung einfach dadurch entgangen, daß die Wärmebehandlung entfällt.
• 4. Vermeidung von Kohlenstoffverlusten Auf der Oberfläche des Hadfield-Stahls entstehen während der Wärmeoehandlung bedeutende Kohlenstoffverluste, mit dem Ergebnis, daß die nach der Abkühlung folgende Austenitisierung der Oberfläche nicht erhalten bleibt, sondern in Martensit übergeht und damit als eine feste aber spröde Strukturkomponente Oberflächenrisse in dem Gußstück hervorruft. Wird hingegen das direkte Abkühlverfahren benutzt, so entstehen infolge des Fehlens einer speziellen Wärmebehandlung diese beschriebenen Kohlenstoffverluste nicht.
• 5. Kleinhalten der Korngröße Die Verschleißfestigkeit ist umgekehrt proportional zu der Korngrö-Be des Stahls. Da der Hadfield-Stahl bei allen Temperaturen austenitisch ist und keine Phasenumwandlung stattfindet, kann die Korngröße mit Hilfe einer Wärmebehandlung nicht verkleinert werden.
• Die die Qualität bestimmende Korngröße wird schon im Stadium der Erstarrung festgelegt. Eine spätere Wärmebehandlung hingegen vergrDlA( rt nur die Korngröße. Mit Hilfe des direkten Abkühlverfahrens, zenit den keine separate Wärmebehandlung mehr verbunden ist, wird die h)rllgr(Mße, die beim Gießen festgelegt wird, beibehalten - wohingegen bei den bekannten Verfahren die Korngröße mehr oder weniger stark während der Wärmebehandlung zunimmt, was zu einer schlechteren Stahlqualität führt.

Claims (2)

1. Pate ntans prüche 1. Verfahren zur Herstellung austenitischen Manganhartstahls, insbesondere Hadfield-Stahl, bei dem das Schmelzen in einem Ofen mit ba-° sicher Auskleidung in einem Temperaturbereich von 1.400 - 1.600 C durchgeführt wird und anschließend die Schmelze innerhalb eines Tem-° peraturbereichs von 1.375 - 1.525 C in eine Gußform eingegossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man das gegossene Stahlprodukt nach dem Gießen zusammen mit der Gußform auf einen Temperaturbereich von 960 C - 1.1500 C abkühlt, aus der Form heraus nimmt und unmittelbar danach rasch abkühlt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gegossene Stahlprodukt nach dem Herausnehmen aus der Gußform kurzzeitig auf eine Temperatur von 1.0000 C - 1.1000 C zwischenerhitzt wird.