GIESSSTAHL

Abstract

 Der Gußstahl hat folgende Zusammensetzung (Masse %):

Kohlenstoff	1,6 bis 3,0
Silizium	1,2 bis 1,6
Mangan	11,0 bis 15,0
Chrom	9,0 bis 10,8
Zer	0,001 bis 0,2
Vanadin	0,15 bis 0,3
Titan	0,05 bis 0,3
Aluminium	0,05 bis 0,15
Bor	0,005 bis 0,015
Eisen	bis 100

Der erfindungsgemäße Stahl ist für die Herstellung von Erzeugnissen bestimmt, die unter Bedingungen eines intensiven Schlag- und Abriebverschleisses bei hohen schlagartigen Druckbeanspruchungen betrieben werden.

Beschreibung

Gebiet der Technik

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Hüt­tenwesen und betrifft insbesondere einen Gußstahl, der für die Herstellung der Gußteile von Erzaufbereitungs­maschinen, Backen-, Kegel-, Rotor- und Hammerbrechern, der Auskleidungen für Ablaufrinnen von Erzrutschen,Müh­len sowie anderer Einzelteile von Brech-, Mahl- und me­tallurgischen Ausrüstungen, die unter Bedingungen eines intensiven Schlag- und Abriebverschleisses bei hohen schlagartigen Druckbeanspruchungen eingesetzt werden, verwendet werden kann.

Zugrundeliegender Stand der Technik

[0002] Es ist eine verschleißfestes Gußeisen (SU, A, 393350) bekannt, enthaltend (Masse %):

Kohlenstoff	2,5 bis 3,8
Silizium	1,1 bis 3,5
Mangan	5,5 bis 12,0
Chrom	1,5 bis 4,0
Bor	0,05 bis 0,3
Titan	0,1 bis 0,2
Eisen	Rest.

[0003] Dieses Gußeisen kann für die Herstellung von Ein­zelteilen, die unter den Bedingungen eines Abriebver­schleisses betrieben werden, verwendet werden.

[0004] Jedoch zeichnet sich das genannte Gußeisen wegen eines hohen Gehalts an Kohlenstoff und Silizium durch das Vorhandensein im Segregationsgefüge von Siliziden (vorwiegend an den Korngrenzen) und großen übereutekti­schen Karbideinschlüssen aus, die dessen Kerbschlagzähig­keit rapide vermindern und das Metall verspröden. In diesem Zusammenhang kann es für die Herstellung von un­ter den Bedingungen eines Schlag- und Abriebverschleis­ses betriebenen Einzelteilen nicht verwendet werden.

[0005] Es iat auch eine Legierung (SU, A, 498350) bekannt, für den selben Zweck verwendet wird und aus folgenden Komponenten besteht (Masse %):

Kohlenstoff	1,6 bis 3,0
Silizium	0,15 bis 2,0
Mangan	5,0 bis 15,0
Chrom	5,0 bis 12,0
Bor	0,1 bis 0,5
Titan	0,2 bis 1,0
Eisen	Rest.

[0006] Diese Legierung weist eine ziemlich hohe Verschleiß­festigkeit unter den Bedingungen eines Abriebverschleis­ses bei schlagartigen Druckbeanspruchungen auf.

[0007] Jedoch wird der Kerbschlagzähigkeitsgrad der Legie­rung durch das Vorhandensein im Gefüge der Legierung einer bedeutenden Menge an großen Karbiden und Boriden in Form von eutektischer Komponenten (selbst bei deren gleichmäßiger Verteilung) sowie durch die Ausbildung grober Primärkörner wesentlich vermindert, was zu einer raschen Zerstörung des Gußstücks führt.

[0008] Es ist ein verschleißfester Gußstahl (SU, A, 587170) bekannt, enthaltend (Masse %):

Kohlenstoff	2,5 bis 3,2
Chrom	9,0 bis 10,8
Silizium	1,2 bis 2,4
Mangan	11,0 bis 15,0
Zer	0,001 bis 0,2
Vanadin	0,15 bis 0,3
Eisen	Rest.

[0009] Dieser Stahl kann bei der Herstellung von massiven verschleißfesten Einzelteilen für metallurgische und Erzbergbauausrüstungen verwendet werden.

[0010] Dadurch jedoch, daß im Stahlgefüge eine verfestigende Phase vom Typ M₇C₃, die eine langgezogene Nadelform und eine große Ausdehnung von Zwischenphasengrenzen aufweist, vorhanden ist, wird ein niedriges Niveau der Kerbschlag­zähigkeit (höchstens 0,064 J/m²) und eine ungleichmä­ßige Abnutzung der Teile bestimmt, die davon abhängt, unter welchem Winkel zur Abnutzungsfläche sich die lang­gezogenen Karbide befinden.

Offenbarung der Erfindung

[0011] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrun­de, einen Gußstahl durch eine entsprechende qualitäts- und quantitätsmäßige Auswahl von Komponenten zu schaffen, die ihm eine hohe Verschleißfestigkeit unter den Bedin­gungen eines Schlag- und Abriebverschleisses bei hohen schlagartigen Druckbeanspruchungen und eine hohe Kerb­schlagzähigkeit bei Erhaltung auf einem ziemlich hohen Niveau mechanischer und Gießeigenschaften gewährleisten.

[0012] Die Aufgabe wird durch Schaffung eines Gußstahls gelöst bestehend aus Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Chrom, Zer, Vanadin und Eisen, der gemäß der Erfindung Titan, Aluminium und Bor bei folgendem Verhältnis von Komponenten (Masse %) zusätzlich enthält:

Kohlenstoff	1,6 bis 3,0
Silizium	1,2 bis 1,6
Mangan	11,0 bis 15,0
Chrom	9,0 bis 10,8
Zero	0,001 bis 0,2
Vanadin	0,15 bis 0,3
Titan	0,05 bis 0,3
Aluminium	0,05 bis 0,15
Bor	0,005 bis 0,015
Eisen	bis 100.

[0013] Der erfindungsgemäße Stahl zeichnet sich durch ein homogenes austenitisches Gefüge mit einer am Matrizen­volumen gleichmäßig angeordneten verfestigenden disper­sen Phase in Form von Karbiden, Karbonitriden, Boriden aus, die ihm eine hohe Verschleißfestigkeit bei dynami­schen Belastungen, eine hohe Kerbschlagzähigkeit und eine Stabilität der mechanischen Kennwerte beim Betrieb gewährleisten.

[0014] Es ist zweckmäßig, beim Gießen dünnwandiger Gußstü­cke zwecks Gewährleistung einer hohen Rißbeständigkeit den Gußstahl folgender Zusammensetzung (Masse %) zu ver­wenden:

Kohlenstoff	1,6 bis 2,0
Silizium	1,2 bis 1,4
Mangan	11,0 bis 15,0
Chrom	9,0 bis 9,5
Zer	0,001 bis 0,2
Vanadin	0,15 bis 0,3
Titan	0,05 bis 0,1
Aluminium	0,05 bis 0,1
Bor	0,005 bis 0,008
Eisen	bis 100.

[0015] Vorgeschlagen wird auch der Gußstahl folgender Zu­sammensetzung (Masse %):

Kohlenstoff	2,4 bis 3,0
Silizium	1,4 bis 1,6
Mangan	12,9 bis 15,0
Chrom	9,8 bis 10,8
Zer	0,1 bis 0,2
Vanadin	0,2 bis 0,3
Titan	0,15 bis 0,30
Aluminium	0,1 bis 0,15
Bor	0,01 bis 0,015
Eisen	bis 100.

[0016] Die oben angeführte Stahlzusammensetzung gewährleis­tet eine höhere Verschleißfestigkeit bei vorwiegend ab­rasivem Verschleiß im Beisein von unwesentlichen Schlag­belastungen.

Beste Ausführungsform der Erfindung

[0017] Der erfindungsgemäße Stahl wird nach den bekannten Verfahren in Elektroöfen mit basischem Futter geschmol­zen, dabei wird sowohl die Aufbauschmelze bei Verwen­dung von Ferrolegierungen,als auch das Stahlschmelzen durch Aufbauchargen bei Verwendung der Abfälle von Koh­lenstoff-, hochlegierten Mangan- und chromlegierten Stählen vorgesehen.

[0018] Die Beschickung mit dem Einsatzgut erfolgt in fol­gender Reihenfolge: Abfälle und Rücklaufgut aus eigener Produktion bilden den Basiseinsatz, nach dem Einschmel­zen werden Ferrochrom; Ferromangan; Ferrovanadin; Des­oxydationsmittel - Silizium, Aluminium; Modifizierungs­mittel - Titan, Bor, Zer eingesetzt.

[0019] Vor dem Gießen wird der Stahl im Schmelzofen unter weißen (tonerdehaltigen) synthetischen Schlacken abstehen­gelassen. Der erfindungsgemäße Stahl kann auch nach Elek­troschlacken- und Vakuum-Lichtbogenschmelzverfahren er­zeugt werden.

[0020] Der gewonnte Gußstahl hat folgende Zusammensetzung (Masse %):

Kohlenstoff	1,6 bis 3,0
Silizium	1,2 bis 1,6
Mangan	11,0 bis 15,0
Chrom	9,0 bis 10,8
Zer	0,001 bis 0,2
Vanadin	0,15 bis 0,3
Titan	0,05 bis 0,3
Aluminium	0 ,05 bis 0,15
Bor	0,005 bis 0,015
Eisen	bis 100.

[0021] Der Kohlenstoffgehalt im Stahl von 1,6 bis 3,0 Mas­se % gewährleistet die Ausbildung der optimalen Menge an kleinen Karbiden vom Typ M₇C₃ und MC in dem Gefüge. Ein Kohlenstoffgehalt im Stahl von weniger als 1,6 Masse % ist für die Ausbildung der erforderlichen Menge an der Karbidphase, ihrer Art und Anordnung in der metallischen Grund­ masse unzureichend. Ein Kohlenstoffgehalt von mehr als 3,0 Masse % ist unerwünscht, da er zur Bildung von großen nadelförmigen übereutektischen Karbiden, die den Kerbschlagzähigkeit stark vermindern, führt.

[0022] Der Siliziumgehalt von 1,2 bis 1,6 Masse % ist zum Beruhigen von Stahl, zum Gewährleisten einer guten Gieß­fähigkeit und einer volleren Aufnahme von Zer und Bor erforderlich. Ein Siliziumgehalt von mehr als 1,6 Masse % führt zur Ausbilding von spröden Siliziden, die Korn­grenzenbruch bewirken. Ein Siliziumgehalt von weniger als 1,2 Masse % bringt keinen merklichen Effekt.

[0023] Der Mangangehalt von 11,0 bis 15,0 Masse % gewähr­leistet die Erhaltung von Eigenschaften auf dem erfor­derlichen Niveau und die Ausbilding der austenitischen Stahlgrundlage.

[0024] Der Chromgehalt im Stahl von 9,0 bis 10,8 Masse % gewährleistet die Aufrechterhaltung von Eigenschaften auf dem erforderlichen Niveau auf Kosten des Legierens des Austenits und der Bildung disperser Karbide in der metallischen Grundmasse.

[0025] Der Zer- und Vanadingehalt im Stahl von 0,001 bis 0,2 Masse % und 0,15 bis 0,3 Masse % führt zu Verfeinerung des Primärkornes im Stahl und erhöht die Kerbschlagzähig­keit von Stahl.

[0026] Als Hauptkomponente des Stahls dient Eisen; außer den genannten Legierungselementen enthält der Stahl fol­gende Zusätze in Masse %: Schwefel bis 0,03, Phosphor bis 0,1, Begleitelemente (Cu, Ni, Ca)(insgesamt) bis 0,5.

[0027] Zur Erhöhung der Schlag- und Abriebverschleißfestig­keit und der Kerbschlagzähigkeit wird dem erfindungsge­mäßen Stahl 0,05 bis 0,3 Masse% Titan zugesetzt. Der dem Stahl in den genannten Grenzen zugesetzte Titan trägt zur Verfeinerung der eutektischen Karbide bei und rei­nigt die Grenzen der Körner von den nichtmetallischen Einschlüssen. Indem Titan die Ausscheidung von Karbiden, Boriden und Nitriden an den Korngrenzen verhütet, ver­ hindert er die Entstehung der Zwischenkornsprödigkeit bei bedeutenden Schlagbelastungen und erhöht die Schlag- und Abriebverschleißfestigkeit der Legierung auf Kosten der Bildung und der gleichmäßigen Verteilung disperser Karbide, Boride, Nitride, vom Typ TiC, TiB₂, TiN im Volumen der metallischen Grundmasse und der Verbesserung der Versetzungsstruktur des Metalls. In diesem Falle stellt der Stahl eine metallische Grundmasse dar mit Ausscheidung der zweiten Phase (Karbide, Boride, Nitride), die in der metallischen Grundmasse von Spannungsfeldern umgeben sind. Unter der Einwirkung von Schlagbelastungen beginnen sich die im Gußstahl enthaltenen Versetzungen zu bewegen (zu gleiten). Bei ihrer beim Gleiten statt­findenden Wechselwirkung mit um die Teilchen der zweiten Phase bestehenden Spannungsfeldern, und unter Umgehung der genannten Teilchen bilden die Versetzungen geschlos­sene Versetzungsringe. Mit der Vergrößerung der Anzahl der von den Spannungsfeldern umgebenen Versetzungsringe wird der Durchstoßwiderstand für die neuen Gleitverset­zungen erhöht, es findet eine Verfestigung der metalli­schen Grundmasse statt.

[0028] Bei einem Titangehalt von weniger als 0,05 Masse % wird die Verteilung von Karbid-, Borid- und Karbonitrid­phasen und die Verfestigung der metallischen Grundmasse des Stahls nicht gewährleistet. Ein titangehalt von mehr als 0,3 Masse % bringt keine spürbare Erhöhung der Schlag- und Abriebverschleißfestigkeit, da die metallische Grund­masse mit verfestigenden dispersen Teilchen gesättigt ist und da die Teilchen vergrößert sind. Die Vergröße­rung der Karbide und Kosten der Koagulation vergrößert deren Abstand voneinander die Befestigung der Verset­zungen wird abgeschwächt und es findet keine Verfesti­gung der metallischen Grundmasse statt.

[0029] Die Einführung von Aluminium in den Stahl in einer Menge von 0,05 bis 0,15 Masse % gewährleistet eine vol­lere Aufnahme von Zer und Bor sowie eine Hemmung des Kornwachstums des legierten Austenits bei der Abkühlung des Gußstücks im Hochtemperaturenbereich. Außerdem stellt das Aluminium ein technologiebedingtes Zusatz­mittel dar, das für eine tiefgreifende Beruhigung des Stahls erforderlich ist. Das Aluminium bildet disperse Teilchen der Verbindungen AlN und Al₂O₃, verfeinert das Primär­gefüge und verhindert die Korngrenzenwanderung austeni­tischer Körner. Eine Verminderung des Aluminiumgehalts unter 0,05 Masse% übt keinen wesentlichen Einfluß auf die Hemmung des Kornwachstums des Austenites aus, da die Anzahl der dispersen Teilchen AlN und Al₂O₃ nicht groß ist. Eine Erhöhung des Aluminiumgehalts über dem genannten Grenzwert (0,15 Masse %) ist unzweckmäßig, weil sich an den Grenzen der austenitischen Körner grobe Teilchen von AlN in Form von Filmeinschlüssen bilden, die ihre Wachstum nicht mehr hemmen können. Infolgedessen wird der Stahl sprödig, es vermindern sich die Kerbschlag­zähigkeit und die Verschleißfestigkeit.

[0030] Die Einführung von Bor in den Stahl in einer Menge von 0,005 bis 0,015 Masse % gewährleistet eine Verfesti­gung der metallischen Grundmasse auf Kosten der Bildung der Einschlüsse von Zer- und Titanboriden vom Typ MB₂ in de­ren Gefüge, die sehr harte und stabile Verbindungen dar­stellen, die in Form von dispersen, die Verschleißfestig­keit erhöhenden Teilchen zugegen sind. Indem Bor als ober­flächenaktiver Stoff wirkt, unterdrückt es außerdem die Diffusion der Phosphoratome zu den Grenzen der Körner und verhindert dadurch die Ausbildung des Phosphideutek­tikums und eine spröde Zwischenkornzerstörung bei Schlag­belastungen.

[0031] Eine Erhöhung des Borgehalts über 0,015 Masse % führt zur Bildung an den Korngrenzen von Boridsegregationen, die die Kerbschlagzähigkeit und die Verschleißfestigkeit stark vermindern. Eine Verminderung des Borgehalts unter 0,005 Masse % übt keinen merkbaren Einfluß auf die Stahl­eigenschaften aus.

[0032] Der erfindungsgemäße Stahl zeichnet sich gegenüber dem bekannten verschleißfesten Stahl (SU, A, 587170) un­ter den gleichen Versuchsbedingungen bei den praktisch gleichen Festigkeitskennwerten und bei einer genügend hohen Plastizität durch eine Erhöhung der Schlag- und Abriebverschleißfestigkeit um 50 bis 80% und der Kerb­schlagzähigkeit um ein 2,5 bis 2,8 faches ohne Änderung der Gießfähigkeit und der linearen Schwindung aus. Diese Eigenschaften gestatten es, den genannten Stahl für die Herstellung von großen und kleinen Formgußstücken einer breiten Nomenklatur zu verwenden, wie: Arbeitsorganen, Einzelteilen und Baugruppen für Brech- und Mahl-, Berg­bau-, Aufbereitungs- und metallurgischen Ausrüstungen, die unter harten Bedingungen des Schlag- und Abriebverschleis­ses bei bedeutenden Schlagbelastungen eingesetzt werden.

[0033] Hohe Verschleißfestigkeits- und Kerbschlagzähigskeits­kennwerte des erfindungsgemäßen Stahls führen zu einer Verminderung des Abnutzungsgrades der auszuwechselnden Verschleißbaugruppen von Bergbau- und Bergbauaufbereitungs­ausrüstungen sowie zur Erhöhung deren Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Der Stahl zeichnet sich auch durch eine hohe Rißbeständigkeit beim Guß aus. Dünnwandige Gußstücke aus dem genannten Stahl lassen sich ohne Speiser herstellen.

[0034] Der erfindungsgemäße Stahl enthält keine Engpaßkompo­nenten.

[0035] Zur erläuterung der Erfindung werden nachstehend in den Tabellen 1 und 2 Beispiele der chemischen Zusammenset­zung und der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls angeführt.

Industrielle Anwendbarkeit

[0036] Der erfindungsgemäße Gußstahl kann für die Herstel­lung der Gußteile von Erzaufbereitungsmachinen, Backen-, Kegel-, Rotor- und Hammerbrecher, Auskleidungen für Ab­laufrinnen von Erdrutschen, Mühlen und anderer Einzel­teile von Brech- und Mahl- sowie metallurgischen Aus­rüstungen, die unter Bedingungen eines intensiven Schlag- und Abriebverschleisses bei hohen schlagartigen Druck­beanspruchungen eingesetzt werden, verwendet werden.

Ansprüche

1. Gußstahl, bestehend aus Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Chrom, Zer,Vanadin, Eisen, dadurch ge­kennzeichnet, daß er zusätzlich Titan, Alu­minium und Bor bei folgendem Verhältnis von Komponenten (masse %) enthält:

Kohlenstoff	1,6 bis 3,0
Silizium	1,2 bis 1,6
Mangan	11,0 bis 15,0
Chrom	9,0 bis 10,8
Zer	0,001 bis 0,2
Vanadin	0,15 bis 0,3
Titan	0,05 bis 0,3
Aluminium	0,05 bis 0,15
Bor	0,005 bis 0,015
Eisen	bis 100

2. Gußstahl nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß er folgende Zusammensetzung (Masse %) hat:

Kohlenstoff	1,6 bis 2,0
Silizium	1,2 bis 1,4
Mangan	11,0 bis 15,0
Chrom	9,0 bis 9,5
Zer	0,001 bis 0,2
Vanadin	0,15 bis 0,3
Titan	0,05 bis 0,1
Aluminium	0,05 bis 0,1
Bor	0,005 bis 0,008
Eisen	bis 100

3. Gußstahl nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß er folgende Zusammensetzung (Masse %) hat:

Kohlenstoff	2,4 bis 3,0
Silizium	1,4 bis 1,6
Mangan	12,9 bis 15,0
Chrom	9,8 bis 10,8
Zer	0,1 bis 0,2
Vanadin	0,2 bis 0,3
Titan	0,15 bis 0,3
Aluminium	0,1 bis 0,15
Bor	0,01 bis 0,015
Eisen	bis 100.