[0001] Die Erfindung betrifft einen Gusskörper, nämlich ein Werkzeug zum Ur- oder Umformen
eines Werkstücks oder ein Übertragungsglied zur Übertragung von Kraft oder Drehmoment
auf ein das Werkstück beim Ur- oder Umformen kontaktierendes Werkzeug, vorzugsweise
ein Kolben oder Stössel. Das Werkzeug oder Übertragungsglied kann Bestandteil einer
Presse zum Umformen oder Urformen des Werkstücks oder eines Schmiedewerkzeugs sein.
Die Erfindung betrifft das Werkzeug oder Übertragungsglied aber auch als solches,
vor einem Zusammenbau mit weiteren Komponenten.
[0002] In der Papierherstellung werden Walzen von mehreren Metern Länge und mehr als einem
Meter Durchmesser verwendet, um aus Celluloseschlamm mittels thermischer und mechanischer
Behandlung die fertige Papierbahn herzustellen. Zum Einsatz kommen Walzen aus Hartguss,
insbesondere Schalenhartguss, oder Schmiedestahl. Die Walzenkörper aus Hartguss werden
im Kokillengussverfahren hergestellt, zumeist stehend im statischen Kokillenguss.
Durch die Ringkokillen wird erreicht, dass sich in der äußeren Umfangsrandzone, der
Schale, ein karbidisches, weißes Gusseisen einstellt. Die Umfangsrandzone beziehungsweise
Schale erstarrt metastabil, weiß, der Kohlenstoff ist dort in Form von Karbiden gebunden.
Im Kern kommt es zu einer stabilen Erstarrung, die Schmelze erstarrt dort grau, der
Kohlenstoff liegt als freier Graphit in der Eisen-Matrix vor. Die erforderliche Härte
am äußeren Umfang des Walzenkörpers, die Oberflächenhärte, wird von dem Werkstoff
der Schale, dem weißen Gusseisen gewährleistet. Über die Kokille und die Legierungselemente
der Eisenbasisschmelze wird die Härte an der Oberfläche und im oberflächennahen Tiefenbereich
eingestellt. Nachteilig wirken sich beim Schalenhartguss die Schlagsprödigkeit, eine
Empfindlichkeit gegenüber plötzlichen Temperaturänderungen und ein aufgrund der im
Weißeisen enthaltenen Karbide ungleichmäßiger Verschleiß am äußeren Walzenumfang aus.
[0003] Die
EP 0 505 343 A1 schlägt zur Überwindung der genannten Nachteile vor, dass der Walzenkörper aus einer
Eisenbasislegierung gegossen wird, sodass eine perlitische oder ferritischperlitische
Mikrostruktur entsteht, die wenigstens zu 60% perlitisch ist. Die Eisenbasislegierung
enthält 3.0 - 3.8% C, 1.5 - 3.0% Si und 0.5 - 0.9% Mn. Für P und S werden Höchstmengen
angegeben. Als weitere Legierungselemente werden Cr, Ni, Cu, Mg, Mo, Sn oder Al verwendet.
Der Walzengusskörper wird oberflächengehärtet, genannt werden Induktions- und Flammhärten,
und nach der martensitischen Umwandlung angelassen, sodass der Walzenkörper in seiner
Umfangsrandzone eine Anlassmartensitstruktur erhält. Mit dem martensitischen Gefüge
der Umfangsrandzone geht eine beachtliche Rissgefahr einher.
[0004] Die
EP 2 213 790 A1 beschreibt einen Walzenkörper für eine Walze zur Behandlung eines Materials, wobei
der Werkstoff der Umfangsrandzone des Walzenkörpers im Vergleich zum weißen Gusseisen
deutlich verbesserte Festigkeitswerte aufweist.
[0005] In der
CH 360 701 A ist ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Gusseisen offenbart, bei dem die Randzone
eines Werkstücks durch kurzzeitige Autogen- oder Induktionserhitzung in Austenit überführt
wird und dann zunächst verhältnismäßig langsam abgekühlt wird.
[0006] Mit der Eingangs genannten Alternative, Walzenkörper aus Schmiedestahl, können die
genannten Materialprobleme gelöst werden. Oberflächenhärte und Einhärttiefe werden
am Walzenkörper durch nachträgliche thermische Oberflächenbehandlung eingestellt.
Die Herstellung erfolgt allerdings aus einem Schmiedeblock, dessen Gewicht von der
Größe des Walzenkörpers abhängt. Walzenkörper wiegen viele Tonnen, große Walzenkörper
haben beispielsweise ein Gewicht von etwa 50t oder auch mehr. Für derartige Walzenkörper
kann das Gewicht des Schmiedblocks bis zu 200t betragen. Ein Hohlschmieden ist in
diesem Gewichtsbereich nur mit sehr hohem Aufwand möglich. Zusätzlich werden hohe
Anforderungen an die innere Güte des Schmiedestahls hinsichtlich Fehlstellen, Einschlüssen
und dergleichen gestellt. Das Ausbringen ist daher sehr gering.
[0007] Die Verhältnisse bei Werkzeugen und Kraft- oder Drehmoment übertragenden Übertragungsgliedern
von Ur- oder Umformvorrichtungen, insbesondere zum Formen metallischer Werkstücke,
sind vergleichbar. Bei solchen Werkzeugen und Übertragungsgliedern kann es sich etwa
um Stempel, Matrizen, Kolben und Stössel von Pressen und Schmiedevorrichtungen handeln.
[0008] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Gusskörper, nämlich ein Ur- oder Umformwerkzeug
oder ein Übertragungsglied für eine Ur- oder Umformvorrichtung, mit gegenüber Schalenhartguss
verbesserten mechanischen Eigenschaften zu günstigem Preis bereitzustellen. Der Gusskörper
soll die geforderte Härte an der Oberfläche und auch im oberflächennahen Tiefenbereich,
allerdings nicht die in der Anwendung nachteilige Ungleichmäßigkeit im Verschleiß
und Schlagsprödigkeit aufweisen. Die mit einer Martensitschale einhergehende Rissgefahr
soll ebenfalls vermieden werden.
[0009] Die Erfindung geht von einem Gusskörper aus, der aus einer einzigen Eisenbasislegierung
gegossen ist. Die Eisenbasislegierung bildet im Gusskörper eine innere Zone aus grauem
Gusseisen, vorzugsweise Sphäroguss, und die innere Zone umschließend eine den äußeren
Umfang des Gusskörpers enthaltende Umfangsrandzone, die am äußeren Umfang eine Oberflächenhärte
größer als 400HV aufweist, wie dies auch für den bislang überwiegend zur Anwendung
gelangenden Schalenhartguss der Fall ist. Der Gusskörper kann im Querschnitt gesehen
aus vollem Material bestehen, so dass die innere Zone aus grauem Gusseisen einen zentralen
Kern des Gusskörpers bildet. Der Gusskörper kann stattdessen auch ein hohler Mantel
sein, so dass die innere Zone eine Ringzone ist. Die innere Zone und die Umfangsrandzone
werden in einem Stück gegossen, die Verwendung der beiden Begriffe soll auf die Unterschiedlichkeit
der in den beiden Zonen vorliegenden Mikrogefüge, im folgenden einfach Gefüge, hindeuten.
[0010] Nach der Erfindung besteht die Umfangsrandzone entweder aus feinstreifigem oder feinststreifigem
Perlit mit Vermikulargraphit oder vorzugsweise Kugelgraphit oder aus einem Zwischenstufengefüge,
vorzugsweise ADI mit Kugel- oder Vermikulargraphit. Den feinstreifigen Perlit bezeichnet
man auch als Sorbit und den feinststreifigen als Troostit. Die Erfindung vereint die
Vorteile von Gusskörpern mit denen der Werkstücke aus Schmiedestahl und vermeidet
die mit einer Martensitschale einhergehende Rissgefahr. Der Gusskörper kann über seine
gesamte Abmessung in einem Guss und somit im Vergleich zu einem Schmiedestahlkörper
deutlich preiswerter hergestellt werden. Die aus grauem Gusseisen bestehende innere
Zone lässt sich gut bearbeiten, beispielsweise spanend. So können in der inneren Zone
oberflächennah pheriphere Bohrungen für die Durchleitung eines Thermalfluids geschaffen
werden. Das Härteprofil der Umfangsrandzone, das heißt der über dem Abstand zur äußeren
Oberfläche aufgetragene Verlauf der Härte, entspricht zumindest dem Härteprofil konventioneller
der Ur- oder Umformung dienender Wergzeuge bzw. Übertragungsglieder und kann durch
den Wärmebehandlungsprozess gesteuert werden. Die mechanische Festigkeit ist im Vergleich
zum Schalenhartguss jedoch deutlich verbessert, was sich in höheren Werten für die
0.2% - Dehngrenze, die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung ausdrückt. Gegenüber einem
Anlassmartensitgefüge ist die Bruchdehnung vorteilhafterweise erhöht, insbesondere
ist die Rissgefahr deutlich verringert.
[0011] In bevorzugten Ausführungen, in denen der freie Graphit der Umfangsgrundzone zumindest
im Wesentlichen als Kugelgraphit vorliegt, haben die Graphitkugeln, die den Kugelgraphit
in der erstarrten Umfangsrandzone bilden, maximal eine Größe, die einer Richtzahl
von wenigstens 5 (0.06 - 0.12 mm) nach EN ISO 945 entspricht. Die Ausscheidung des
Graphits in Form nur solch kleiner Graphitkugeln ist ebenfalls vorteilhaft für die
mechanische Festigkeit und wird im Gießprozess durch Einstellung der Abkühlgeschwindigkeit
der Schmelze erzielt. Die Schmelze wird hierfür von Außen, vom äußeren Umfang her,
gekühlt, wobei die Abkühlgeschwindigkeit einerseits so klein ist, dass sich in der
Umfangsrandzone bis zum äußeren Umfang oder bis praktisch zum äußeren Umfang ein Sphärogussgefüge
einstellt, andererseits aber doch so groß ist, dass die Graphitkugeln der Umfangsrandzone
kleiner sind als beim herkömmlichen Sphäroguss, beispielsweise beim Gießen in eine
Sandform. Besonders vorteilhaft ist es, wenn in dem durch den Guss in der Umfangsrandzone
erhaltenen Grundgefüge der Kugelgraphit nahezu nur, vorzugsweise nur Graphitkugeln
mit einer maximalen Größe aufweist, die einer Richtzahl von wenigstens 6 (0.03 - 0.06
mm), noch besser wenigstens 7 (0.015 - 0.03 mm) nach EN ISO 945 aufweist. Die Graphitkugeln
des bevorzugt auch in der inneren Zone vorliegenden Sphärogussgefüges können demgegenüber
größer sein. In den erläuterten bevorzugten Ausführungen beträgt der Anteil des Kugelgraphits
am freien Graphit der erstarrten Umfangsrandzone wenigstens 80%, bevorzugt wenigstens
90%, und von den Graphitkugeln des Kugelgraphits der Umfangsrandzone entsprechen wenigstens
90%, vorzugsweise wenigstens 95%, den vorstehenden Vorgaben für die Größe der Graphitkugeln.
Bei der genannten Norm handelt es sich um die zur Zeit gültige EN ISO 945:1994. Soweit
der freie Graphit in Vermikularform ausgeschieden ist, gelten für die Vermikular-Graphitteilchen
die genannten Angaben zur Größe und den prozentualen Anteilen ebenfalls. Demgemäß
weisen die Vermikular-Graphitteilchen, soweit vorhanden, in bevorzugten Ausführungen
eine maximale Größe auf, in diesem Fall die Länge, von 0.12 mm, bevorzugter höchstens
0.06 mm und noch bevorzugter höchstens 0.03 mm. Von den insgesamt vorhandenen Vermikular-Graphitteilchen
fallen wenigstens 90%, vorzugsweise wenigstens 95%, in diesen Größenbereich.
[0012] Soweit das Gefüge der Umfangsrandzone überhaupt Karbide aufweist, liegt deren Anteil
unter 5%, bevorzugt macht der Karbidanteil höchstens 3% aus. Anteilsangaben in % werden
stets als Masse-%, d.h. als %-Anteil an der jeweiligen Gesamtmasse verstanden. In
Bezug auf einen etwaigen Karbidanteil bedeutet dies, dass dieser von der Masse der
Umfangsrandzone im Ganzen, einschließlich des Karbidanteils, weniger als 5 Massen-%
ausmacht, bevorzugt höchstens 3 Massen-% beträgt. Zum Vergleich: Ein weißes Gusseisen
hat typischerweise einen Karbidanteil von 15% und mehr. Auch aufgrund des deutlich
verringerten Karbidanteils und der deshalb verringerten Mikrokerbwirkung weist der
Werkstoff der Umfangsrandzone des erfindungsgemäßen Gusskörpers im Vergleich zum weißen
Gusseisen deutlich verbesserte Festigkeitswerte auf.
[0013] Der Gusskörper ist ein Werkzeug für eine oder in einer Vorrichtung zum Urformen oder
Umformen von Werkstücken sein, insbesondere metallischer Werkstücke. Der Gusskörper
kann beispielsweise einen Stempel oder eine Matrize zum plastischen Formen bilden.
Besonders vorteilhaft kann er ein Übertragungsglied zur Übertragung von Kraft oder
Drehmoment auf ein bei der Formung unmittelbar auf den Werkstoff wirkendes Werkzeug
bilden. Kolben und Stössel von oder für Ur- oder Umformvorrichtungen sind bevorzugte
Beispiele. Pressen und Schmiedewerkzeuge, insbesondere mit hydraulischer Kraft- oder
Drehmomentübertragung, sind bevorzugte Beispiele von Ur- und Umformvorrichtungen,
in denen ein erfindungsgemäßer Gusskörper zum Einsatz gelangen kann.
[0014] Der erfindungsgemäße Gusskörper ist zumindest insoweit fertig als er keiner thermischen
Behandlung mehr unterworfen werden muss und vorzugsweise auch nicht mehr unterworfen
wird, die gezielt der Einstellung des Mikrogefüges dient. Eine etwaige Nachbehandlung,
beispielsweise ein Schleifen oder Polieren, optional eine spanende Bearbeitung oder
beispielsweise auch ein mechanisches Trainieren und grundsätzlich auch thermische
Behandlungen, die insbesondere das für die Umfangsrandzone beanspruchte Gefüge nicht
in solch einem Ausmaß ändern, dass es nicht mehr der beanspruchten Erfindung entspricht,
sind hiervon allerdings ausgenommen.
[0015] Ein Verfahren zur Herstellung des Gusskörpers umfasst zumindest die folgenden Schritte:
der Gusskörper wird aus einer Schmelze einer Eisenbasislegierung gegossen, so dass
die Schmelze sowohl in der inneren Zone des Gusskörpers als auch in der sich außen
anschließenden und bis zum äußeren Umfang reichenden Umfangsrandzone stabil als Gusseisen
und zumindest in der Umfangsrandzone, bevorzugt aber auch in der inneren Zone in einem
Sphärogussgefüge oder einem Gussgefüge mit Vermikulargraphit erstarrt. Die Matrix
des Gusseisens ist perlitisch/ferritisch, wobei der Anteil des Perlits größer als
90% und der des Ferrits kleiner als 10% sein sollte. Bevorzugt ist der Anteil des
Perlits der Gusseisenmatrix größer als 95% und der des Ferrits kleiner als 5%. Ein
etwaiger Karbidanteil ist in der Umfangsrandzone kleiner als 5%, vorzugsweise kleiner
oder höchstens gleich 3%. Der mit diesem Gussgefüge erhaltene Gusskörper wird mittels
einer thermischen Oberflächenbehandlung am äußeren Umfang, d.h. an der Umfangsoberfläche,
und in der Umfangsrandzone gehärtet.
[0016] Nach der Erfindung wird die thermische Oberflächenbehandlung so durchgeführt, dass
der die Umfangsrandzone bildende Gusswerkstoff, Gusseisen mit Vermiluargraphit oder
Kugelgraphit, wobei Kugelgraphit bevorzugt wird, in fein- oder feinststreifigen Perlit
mit Vermikular- oder Kugelgraphit oder in ein Zwischenstufengefüge mit Kugelgraphit
oder Vermikulargraphit umgewandelt wird. Genauer gesagt wird die Gusseisenmatrix in
den genannten Perlit oder das Zwischenstufengefüge umgewandelt, und der bereits durch
den Guss als stabile Phase ausgeschiedene freie Graphit bleibt erhalten. Die Schmelze
wird ferner nicht in Sand gegossen, sondern gegen Kokille, um die Abkühlgeschwindigkeit
kontrollieren zu können. Der Kokillenguss kann statisch oder stattdessen auch dynamisch,
also als Schleudergussverfahren, durchgeführt werden. Der Gusskörper wird zweckmäßigerweise
stehend, also mit einer Hauptachse in vertikaler Ausrichtung, gegossen. Der Guss gegen
Kokille erlaubt eine präzisere Einstellung der Abkühlgeschwindigkeit insbesondere
über die Wahl der radial zur Hauptachse des Gusskörpers gemessenen Dicke der Kokille,
der spezifischen oder der absoluten Wärmekapazität, der thermischen Leitfähigkeit
oder der Masse der Kokille oder einer geeigneten Kombination solcher Einstellparameter
seitens der Kokille. Im Vergleich mit dem konventionellen Schalenhartguss, der üblicherweise
ebenfalls im Kokillengussverfahren erfolgt, allerdings mit weiß erstarrender Umfangsrandzone,
kann die Abkühlgeschwindigkeit beispielsweise mittels einer einzigen oder bevorzugt
einer Kombination von mehreren der folgenden Maßnahmen gesteuert werden: geringere
Kokillendicke, Verwendung einer Kokille aus einem Werkstoff geringerer Wärmekapazität,
Verwendung einer Kokille geringerer thermischer Leitfähigkeit, geringere Kokillenmasse,
jeweils im Vergleich mit einer Kokille zum Gießen eines Gusskörpers gleicher Geometrie
und gleichem Materials im konventionellen Schalenhartguss.
[0017] In bevorzugten Ausführungen wird die Abkühlgeschwindigkeit durch Kühlung an der Kokille
nicht nur so klein eingestellt, dass die Schmelze auch in der Umfangsrandzone stabil
erstarrt, sondern andererseits so groß, dass wie vorstehend für den bevorzugten Kugelgraphit
erläutert der Kugelgraphit in der Umfangsrandzone in Graphitkugeln ausgeschieden wird
mit einer maximalen Größe entsprechend der Richtzahl 5, vorzugsweise einer maximalen
Größe der Richtzahl 6, nach EN ISO 945. Besonders bevorzugt liegen die Graphitkugeln
im Größenbereich zwischen 7 und 8 nach EN ISO 945, also bei der Richtzahl 7/8 vor.
Solch eine feine Graphitausscheidung wirkt sich positiv auf die mechanische Festigkeit
aus. Die Feinausscheidung des Graphits erhöht auch die Regelmäßigkeit der umgebenden
Gusseisenmatrix, was wiederum für die Umwandlung dieses nach dem Guss vorliegenden
Grundgefüges in fein- oder feinststreifigen Perlit oder in ein Zwischenstufengefüge
von Vorteil ist.
[0018] Durch die thermische Oberflächenbehandlung wird der Gusskörper bis in eine Tiefe
von vorteilhafterweise wenigstens 3mm, bevorzugt wenigstens 5 mm gehärtet, indem die
Gusseisenmatrix bis wenigstens in dieser Einhärttiefe in den fein- oder feinststreifigen
Perlit oder das Zwischenstufengefüge umgewandelt wird. Für die Größenklasse von Gusskörpern,
auf die es die Erfindung in erster Linie absieht, ist eine Einhärttiefe von 7 mm optimal.
Eine Einhärttiefe über 10 mm soll zwar nicht ausgeschlossen werden, große Einhärttiefen
erzeugen jedoch bei Temperaturwechsel Materialspannungen verbunden mit der Gefahr,
dass die gehärtete Schicht, die Umfangsrandzone, abplatzt. Als Verfahren der thermischen
Oberflächenbehandlung kommen insbesondere Flammhärten und Induktionshärten in Frage,
wobei Induktionshärten der Vorzug gegeben wird, da Flammhärten auf den unteren Bereich
der Einhärttiefe, im Allgemeinen noch unterhalb 3mm, begrenzt ist. Flammhärten kommt
daher in erster Linie für Gusskörper mit kleinen Durchmessern von bis zu 600 mm in
Betracht, wobei allerdings dem Induktionshärten auch hier der Vorzug gegeben wird.
Die Umfangsrandzone wird in Abhängigkeit von der gewünschten Oberflächenhärte und
Einhärttiefe kurzzeitig in den austenitischen Bereich, vorzugsweise auf wenigstens
880°C und besonders bevorzugt auf etwa 950°C erwärmt. Das erwärmte Material wird durch
eine Oberflächenkühlung, vorzugsweise mittels einer Wasserabschreckung, in kurzer
Zeit auf unter 100°C, vorzugsweise unter 50°C, abgekühlt, so dass die isotherme Umwandlung
in den fein- oder feinststreifigen Perlit stattfindet. Soll das Gusseisen der Umfangsrandzone
in ein Zwischenstufengefüge umgewandelt werden, wird eine höhere Abkühlgeschwindigkeit
eingestellt, die aber immer noch nicht so groß ist, dass nennenswert eine martensitische
Umwandlung stattfindet. Martensit wird wegen der damit verbundenen Rissgefahr im Idealfall
gänzlich vermieden. Das Gusseisen der Umfangsrandzone weist in bevorzugten Ausführungen
daher eine Martensitstarttemperatur M
s auf, die unter den vorstehend angegebenen Werten, d.h. unter 100°C, vorzugsweise
unter 50°C, liegt. Besonders bevorzugt weist der Werkstoff der Umfangsrandzone eine
Martensitstarttemperatur M
s auf, die unterhalb Raumtemperatur, d.h. unterhalb 20°C liegt.
[0019] Der oberflächengehärtete Gusskörper wird vorteilhafterweise angelassen, um Spannungen
abzubauen. Die Anlasstemperatur liegt über der Temperatur, die der Gusskörper im späteren
Betrieb höchstens erreicht, vorteilhafterweise über 300°C, bevorzugt wird eine Anlasstemperatur
aus dem Bereich von 300 bis 350 °C. Auch nach solch einem Anlassen weist der Gusskörper
in der Umfangsrandzone das fein- oder feinststreifig perlitische Gefüge mit Kugel-
oder Vermikulargraphit oder das Zwischenstufengefüge mit Kugel- oder Vermikulargraphit
auf.
[0020] Die Eisenbasislegierung hat einen Kohlenstoffgehalt von vorzugsweise wenigstens 3%,
vorzugsweise höchstens 4%. Der Siliziumgehalt beträgt vorzugsweise wenigstens 1.7
und vorzugsweise höchstens 2.4%, wobei auch dies wie stets Masse-% sind. Der Sättigungsgrad
Sc der Legierung liegt vorzugsweise im Bereich von 0.97 bis 1.03, bevorzugt ist er
geringfügig kleiner als 1.0, so dass die Schmelze leicht untereutektisch ist. Ein
bevorzugter Legierungspartner ist Kupfer, als Perlitbildner, und mit einem Anteil
von vorzugsweise wenigstens 0.5 und bevorzugt höchstens 1.3%. Ein besonders bevorzugter
Legierungspartner ist auch Nickel, das in einem Anteil von vorzugsweise über 0.3%,
noch bevorzugter über 0.5%, und vorzugsweise höchstens 1.5% zulegiert ist. Nickel
erhöht die Zähigkeit und macht den Werkstoff korrosionsträger. Von besonderem Wert
ist Nickel allerdings zur Verhinderung einer Martensitumwandlung beim Härten. Enthält
die Eisenbasislegierung sowohl Silizium als auch Nickel, ist es vorteilhaft, wenn
der Siliziumgehalt mit steigendem Nickelgehalt und der Nickelgehalt mit steigendem
Siliziumgehalt abnehmen. Bevorzugt wird ein Siliziumanteil aus der unteren Hälfte
des für Silizium angegebenen Bereichs und ein Nickelanteil aus dem mittleren Teil
des für Nickel angegebenen Bereichs. Eine besonders bevorzugte Eisenlegierung enthält
als Legierungspartner sowohl Ni als auch Cu mit bevorzugt wenigstens den hierfür jeweils
angegebenen Mindestanteilen. Optionale Legierungspartner sind auch Mangan und Zinn,
Mangan vorzugsweise aus dem Bereich von 0.3 bis 0.45%, Zinn bevorzugt aus dem Bereich
von 0.005 bis 0.015%. Gegenüber den vorstehend genannten anderen Legierungselementen
tritt die Bedeutung von Mangan und Zinn aber zurück. Eine bevorzugte Eisenbasislegierung
enthält dementsprechend C, Si, Ni und Cu innerhalb der bevorzugten Anteilsgrenzen,
gegebenenfalls Mn und Sn, sowie unvermeidbare Restanteile P und S sowie den Rest Fe.
Etwaige Anteile von Phosphor und Schwefel liegen vorteilhafterweise jeweils deutlich
unter 0.1%, bevorzugter noch deutlich unter 0.05%.
[0021] Vorteilhafte Merkmale werden ferner in den Unteransprüchen und deren Kombinationen
offenbart.
[0022] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
An den Ausführungsbeispielen offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder
Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend beschriebenen
Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:
- Figur 1
- eine nicht beanspruchte Walze mit einem Walzenkörper;
- Figur 2
- den Querschnitt A-A der Figur 1;
- Figur 3
- Details zum Mikrogefüge des Walzenkörpers;
- Figur 4
- den Walzenkörper während einer thermischen Oberflächenbehandlung;
- Figur 5
- ein Schliffbild des Grundgefüges des Walzenkörpers;
- Figur 6
- ein Schliffbild des Gefüges einer mittels der thermischen Oberflächenbehandlung gehärteten
Umfangsrandzone des Walzenkörpers;
- Figur 7
- den Mikrohärteverlauf in der gehärteten Umfangsrandzone;
- Figur 8
- eine Presse mit einem erfindungsgemäßen Kolben; und
- Figur 9
- einen erfindungsgemäßen Kolben einer modifizierten Form.
[0023] Figur 1 zeigt eine Walze für die Behandlung eines Bahnmaterials, beispielsweise eine
Kalanderwalze, mit einem Gusskörper 1, nämlich einem Walzenkörper, und zwei Flanschzapfen
2 und 3, von denen der eine an der linken und der andere an der rechten Stirnseite
des Gusskörpers 1 montiert ist. Die Walze ist im Bereich der Zapfenflansche 2 und
3 um eine Drehachse R drehbar gelagert oder für die Drehlagerung vorgesehen. Für die
thermische Behandlung des Bahnmaterials ist im Gusskörper 1 über einen der Zapfenflansche
2 und 3 ein Thermalfluid zuführbar, das über den anderen oder vorzugsweise den gleichen
Zapfenflansch 2 oder 3 wieder abgeleitet werden kann. Den Gusskörper 1 durchziehen
von einem axialen Ende zum anderen durchgehende, nahe des äußeren Umfangs des Gusskörpers
1 gelegene, periphere Temperierkanälen 4, die bei der thermischen Behandlung des Materials
von dem Thermalfluid durchströmt werden.
[0024] Figur 2 zeigt den Gusskörper 1 im Querschnitt A-A. Im Gusskörper 1 ist axial durchgehend
ein zentraler Hohlraum geformt. Der Gusskörper 1 wird im Kokillenguss, beispielsweise
im statischen Kokillenguss, stehend aus einer Schmelze einer Eisenbasislegierung gegossen.
Der zentrale Hohlraum wird gleich bei dieser Urformung geformt oder nachträglich eingearbeitet.
Als Eisenbasislegierung wird eine Gusseisenlegierung verwendet. Die Abkühlung, die
die Schmelze in erster Linie an der Kokille erfährt, wird so gesteuert, dass die Schmelze
über die gesamte axiale Länge des Gusskörpers 1 von radial innen bis radial außen
zum äußeren Umfang oder nahezu bis zum äußeren Umfang stabil in einem Sphärogussgefüge
erstarrt, d.h. in Form eines Gusseisens mit Kugelgraphit. Die Steuerung der Abkühlung
wird durch angepasste Auslegung der Kokille vorgenommen. Die Abkühlgeschwindigkeit
kann insbesondere über die radiale Dicke der Kokille, die Wärmekapazität der Kokille,
die thermische Leitfähigkeit des Kokillenmaterials oder die Gesamtmasse der Kokille
eingestellt werden. Zur Einstellung kann die Kokille nur in Bezug auf einen einzigen
der genannten Parameter oder eine Kombination von zwei, drei oder allen vier genannten
Parametern durch entsprechende Werkstoffauswahl und Dimensionierung ausgelegt werden.
[0025] Der Erstarrungsprozess wird so gesteuert, dass die Schmelze nicht nur in einer die
Rotationsachse R umgebenden inneren Zone 5 stabil erstarrt, sondern auch in einer
die innere Zone 5 umschließenden Umfangsrandzone 6, die den äußeren Umfang des Gusskörpers
bildet. Der Gusskörper 1 erstarrt somit über seinen gesamten Querschnitt stabil und
nicht weiß. Der Kohlenstoff wird bei der stabilen Erstarrung in Form von Kugelgraphit
ausgeschieden. Der durch den Gießprozess unmittelbar erhaltene Gusskörper 1 weist
somit überall ein Sphärogussgefüge auf. Aufgrund der mittels der Kokille gezielt eingestellten
Abkühlgeschwindigkeit scheidet sich der Graphit in der Umfangsrandzone 1 jedoch feiner
als in der inneren Zone 5 aus. Die Graphit-Sphärolite SG (Sphäro-Graphitteilchen)
der Umfangsrandzone 6 haben eine Größe aus dem Bereich der Richtzahlen von 5 bis 8,
also eine größte Abmessung von höchstens 0.12 mm. Bevorzugter wird die Abkühlgeschwindigkeit
so eingestellt, dass die Graphitteilchen SG der Umfangsrandzone 6 eine Größe aus dem
Bereich der Richtzahlen von 7 (0.022 µm) bis 8 nach EN ISO 945 haben, also eine größte
Abmessung von höchstens 0.03 mm. Die Gusseisenmatrix ist auch in der Umfangsrandzone
6 perlitisch mit allenfalls einem geringen Ferritanteil. Der Perlitanteil beträgt
wenigstens 90%, bevorzugter wenigstens 95%, und der Ferritanteil höchstens 10%, bevorzugter
höchstens 5%. Soweit eine Karbidbildung nicht verhindert werden kann, liegt der Karbidanteil
nicht nur in der inneren Zone 5, sondern auch in der mit höherer Abkühlgeschwindigkeit
erstarrten Umfangsrandzone 6 unter 5%, bevorzugter unter 3%.
[0026] Figur 3 zeigt einen Ausschnitt der Figur 2 und ferner, herausgezogen, eine nochmals
vergrößerte Darstellung des Mikrogefüges des durch den Guss erhaltenen Gusskörpers.
Es handelt sich um die hinsichtlich der Feinheit der ausgeschiedenen Graphitteilchen
SG unterschiedlichen Gefüge der inneren Zone 5 und der Umfangsrandzone 6. Die neben
dem Querschnitt des Gusskörpers 1 dargestellten Mikrogefüge sind in erster Linie schematischer
Natur, verdeutlichen aber qualitativ, dass die Graphitteilchen SG in der Umfangsrandzone
6 kleiner als die Graphitteilchen SG in der inneren Zone 5 sind und in der Umfangsrandzone
6 entsprechend in feinerer Verteilung vorliegen.
[0027] Der Gusskörper 1 wird in seiner bereits durch den Guss erhaltenen, höherfesten Umfangsrandzone
6 in einem nachfolgenden Härtungsprozess verschleißfest gemacht. Vor oder nach dem
Härten werden die peripheren Temperierkanäle 4 eingearbeitet, vorzugsweise gebohrt.
Als Umfangsrandzone 6 wird diejenige Ringzone des Gusskörpers 1 verstanden, die nach
dem Härten die für die jeweilige Anwendung geforderte Härte überall aufweist, sich
also vom äußeren Umfang bis in die Einhärttiefe erstreckt. Falls die Umfangsrandzone
6 des gehärteten Gusskörpers 1 sich radial einwärts bis zu oder sogar über die Temperierkanäle
4 erstreckt, werden diese zweckmäßigerweise vor dem Härten eingearbeitet. Andernfalls
können die Temperierkanäle 4 ebensogut erst nach dem Härten eingearbeitet werden.
[0028] Der Härtungsprozess wird so durchgeführt, dass das unmittelbar aus dem Guss erhaltene
Grundgefüge der Umfangsrandzone 6 in feinstreifigen oder noch vorteilhafter, in feinststreifigen
Perlit umgewandelt wird. Die Graphitsphärolite SG werden hierdurch nicht oder zumindest
nicht in einer für die Erfindung maßgeblichen Weise verändert. Alternativ zu der Umwandlung
in fein- oder feinststreifigen Perlit, d.h. in Sorbit oder Troostit, kann der Härtungsprozess
auch so gestaltet werden, dass sich die Gusseisenmatrix innerhalb der Umfangsrandzone
6 in ein Zwischenstufengefüge umwandelt, vorzugsweise in ADI (austempered ductile
iron). In beiden Varianten wird der Gusskörper 1 in der Umfangsrandzone 6 gleichmäßig
auf eine Temperatur im austenitischen Bereich erwärmt, beispielsweise auf 950°C, und
anschließend abgeschreckt, wobei die Abschreckgeschwindigkeit für die Bildung eines
Zwischenstufengefüges höher als für die Umwandlung in den feinen Perlit eingestellt
wird, aber immer noch nicht so groß ist, dass eine Martensitumwandlung stattfinden
kann. Das Zwischenstufengefüge ähnelt dem Bainit, bevorzugt dem unteren Bainit, ist
aber kein Bainit, da es keine oder für die angestrebte Festigkeit nur vernachlässigbar
wenig Karbide enthält. Auch für das Zwischenstufengefüge gilt, dass der Karbidanteil
vorteilhafterweise weniger als 5%, vorzugsweise höchstens 3% beträgt. Es wäre ideal,
wenn weder das feinperlitische Gefüge noch das alternative Zwischenstufengefüge Karbide
enthalten würden.
[0029] Figur 4 veranschaulicht einen Härtungsprozess am Beispiel der bevorzugten Induktionshärtung.
Zum Härten werden eine Induktionseinrichtung 8 und eine Abschreckeinrichtung 9 axial
von einem Stirnende des Gusskörpers 1 zum anderen bewegt. Die Bewegung ist gleichmäßig
mit der Geschwindigkeit v und einem während des Härtungsprozesses konstanten axialen
Abstand x, um den die Induktionseinrichtung 8 der Abschreckeinrichtung 9 vorausläuft.
Die Induktionseinrichtung 8 und die Abschreckeinrichtung 9 umgeben den Gusskörper
1. Mittels der Induktionseinrichtung 8 wird der Gusskörper 1 bis in die vorgegebene
Einhärttiefe, d.h. innerhalb der Umfangsrandzone 6 überall gleichmäßig bis in den
genannten Temperaturbereich erwärmt und anschließend mittels der Abschreckeinrichtung
9 abgeschreckt. Die Abschreckung wird vorzugsweise mit einem flüssigem Abschreckfluid,
beispielsweise Wasser, vorgenommen, das auf den äußeren Umfang des Gusskörpers 1 gespritzt
wird. Obgleich das Induktionshärten ein bevorzugtes Verfahren für das Härten durch
thermische Oberflächenbehandlung ist, kann die Umfangsrandzone 6 grundsätzlich auch
mittels jedes anderen Verfahrens der thermischen Oberflächenbehandlung erwärmt werden,
solange nur die erforderliche Temperatur mit der erforderlichen Gleichmäßigkeit eingestellt
wird. Als Alternative zum Induktionshärten kommt insbesondere das Flammhärten in Betracht,
in erster Linie jedoch nur für geringere Einhärttiefen. Mit zunehmender Einhärttiefe
ist das Induktionshärten die bevorzugte Wahl. Die Einhärttiefe und dementsprechend
die Dicke der Umfangsrandzone 6 beträgt vorzugsweise wenigstens 3mm, bevorzugter wenigstens
5mm. Andererseits ist es im Hinblick auf Temperaturwechselbeanspruchungen vorteilhaft,
wenn die Einhärttiefe 10mm nicht übersteigt. Die Einhärttiefe kann insbesondere durch
eine Variation des Abstands x beeinflusst werden, im Falle des Induktionshärtens auch
durch Variation der Frequenz der jeweiligen Induktionsspule 8. Weitere Stellparameter
zur Beeinflussung der Einhärttiefe sind die Geschwindigkeit v, die Wahl des Abschreckfluids
und der Durchsatz an Abschreckfluid.
[0030] Die Figuren 5 und 6 sind Schliffbilder des Gefüges der Umfangsrandzone 6. Figur 5
zeigt das unmittelbar durch den Guss erhaltene Grundgefüge im Maßstab 50:1, und Figur
6 ist ein Schliffbild des Gefüges nach dem Härten, zeigt also das Härtegefüge, ebenfalls
im Maßstab 50:1. Im Grundgefüge der Figur 5 sind die Graphitkugeln bzw. Graphitsphärolite
mit SG, der Perlit mit P und Ferritinseln mit α bezeichnet. Wie zu erkennen ist, besteht
das Grundgefüge im Wesentlichen aus Perlit und ausgeschiedenem Kugelgraphit sowie
geringen Mengen Ferrit, im Ausführungsbeispiel weniger als 10% Ferrit. Das Härtegefüge
besteht aus feinstreifigem und feinststreifigem Perlit, also aus Sorbit und Troostit,
sowie den eingebetteten Sphäro-Graphitteilchen SG, wobei die Perlitgebiete entsprechend
der Feinheit der Lamellen mit S für Sorbit und T für Troostit bezeichnet sind.
[0031] In Figur 7 ist der Mikrohärteverlauf bei einer vorgegebenen Einhärttiefe von 3 mm
dargestellt, nämlich die Härte H in HV0,1 über dem Abstand d vom äußeren Umfang des
Gusskörpers 1, das heißt über der Tiefe d.
[0032] Der gehärtete Gusskörper 1 wird angelassen, vorteilhafterweise auf eine Anlasstemperatur
zwischen 300 und 350°C.
[0033] In der nachfolgenden Tabelle wird eine für das Gießen des Gusskörpers 1 besonders
bevorzugte Eisenbasislegierung in der letzten Tabellenspalte spezifiziert. Die zweite
und dritte Spalte enthalten bevorzugte Bereiche für den jeweiligen Legierungspartner,
wobei die engeren Bereiche innerhalb des jeweils weiteren Bereichs für das gleiche
Legierungselement besonders bevorzugt werden. Für den jeweiligen Legierungspartner
wird dann wiederum der in der letzten Spalte angegebene Anteil am stärksten bevorzugt.
Die Eisenbasislegierung enthält in bevorzugter Ausführung zumindest Kohlenstoff, Silicium,
Kupfer und Nickel innerhalb der jeweils spezifizierten Anteilsbereiche. Kupfer als
Perlitbildner und Nickel zur Verhinderung einer Martensitumwandlung kommen vorzugsweise
in Kombination zum Einsatz. Fe macht den Rest der jeweiligen Legierung aus.
Legierungselement |
Anteil in Masse-% |
Anteil in Masse-% |
Anteil in Masse-% |
C |
3.0 - 4.0 |
3.4 - 3.8 |
3.6 |
Si |
1.7-2.4 |
1.9 - 2.2 |
2.1 |
Cu |
0.5 - 1.3 |
0.7 - 1.0 |
0.90 |
Ni |
0.3 - 1.5 |
0.7 - 1.0 |
0.85 |
Mn |
≤ 0.5 |
≤ 0.5 |
0.35 |
Sn |
≤ 0.05 |
≤ 0.05 |
0.01 |
P |
< 0.1 |
< 0.05 |
≤ 0.03 |
S |
< 0.1 |
< 0.05 |
≤ 0.01 |
Legierungselemente der Eisenbasislegierung
[0034] Die Eisenbasisschmelze der Zusammensetzung der letzten Spalte weist einen Sättigungsgrad
Sc von 0.99 bis 1.00 auf. Bevorzugt werden Eisenbasislegierungen mit einem Sättigungsgrad
Sc aus dem Bereich von 0.97 bis 1.03, wobei aus diesem Bereich von Legierungen naheutektischer
Zusammensetzung solche mit einem Sättigungsgrad Sc aus der unteren Hälfte des angegeben
Bereichs bevorzugt werden.
[0035] An einer nach dem offenbarten Verfahren gegossenen und gehärteten Probe mit fein-
und feinststreifigem Perlit mit Kugelgraphit, an der auch die Schliffbilder der Figuren
4 und 5 genommen und das Härteprofil der Figur 6 erstellt wurden, ergaben die im Zugversuch
vorgenommenen Messungen die folgenden Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit und
Härte:
- (i) 0.2%-Dehngrenze Rp, 0.2 > 400 N/mm2;
- (ii) Zugfestigkeit Rm > 650 N/mm2;
- (iii) Bruchdehnung A > 3-4%.
- (iv) Härte > 400 HV
[0036] Figur 8 zeigt eine hydraulische Presse mit einem erfindungsgemäßen Gusskörper 10,
der einen Kolben der Presse bildet. Der Gusskörper 10 ist in einem Zylinder 11 der
Presse längs einer Arbeitsachse A hin und her beweglich geführt. An einer Vorderseite
des Gusskörpers 10 ist ein Umformwerkzeug 12, beispielhaft ein Stempel, angeordnet.
Die Presse weist dem Stempel 12 axial gegenüberliegend eine Matrize 13 auf. Der Zylinder
11 bildet an der Rückseite des Gusskörpers 10 einen Druckraum mit einem Einlass 14
und einem Auslass 15 für ein hydraulisches Arbeitsfluid, um den Gusskörper 10 zum
Pressformen von Werkstücken mit einem Arbeitsdruck P von mehr als 100 bar, vorzugsweise
wenigstens 200 bar, in Richtung auf die Matrize 13 beaufschlagen zu können.
[0037] Figur 9 zeigt einen Gusskörper 10 mit einer modifizierten Form. Der modifizierte
Gusskörper 10 kann ebenfalls als Kolben einer Presse, vorzugsweise hydraulischen Presse,
verwendet werden. Während der Gusskörper 10 des vorherigen Ausführungsbeispiels zumindest
im Wesentlichen einfach zylindrisch geformt ist, weist der modifizierte Gusskörper
10 zumindest im Wesentlichen die Form eines Topfs mit einem die Rückseite des Kolbens
bildenden Boden und einer Seitenwand auf. Der Stempel 12, der beim Umformen das Werkstück
kontaktiert, ragt aus dem vom Gusskörper 10 geformten Topf vor. Eingezeichnet ist
auch die Arbeitsachse A für den in einer Presse eingebauten Zustand.
[0038] Die Gusskörper 10 weisen jeweils ein dem Gusskörper 1 entsprechendes Mikrogefüge
mit einer grau erstarrten inneren Zone 5 und einer äußeren Umfangsrandzone 6 auf,
die die innere Zone 5 über den Umfang und vorzugsweise auch über die Stirnseiten umschließt.
Der topfförmige Gusskörper 10 weist eine erfindungsgemäße Umfangsrandzone 6 wie bevorzugt
auch an derjenigen äußeren Umfangsfläche auf, die innen umläuft und vorzugsweise auch
an der im Topf gelegenen Stirnfläche. Bevorzugt umschließt eine erfindungsgemäße Umfangsrandzone
6 den jeweiligen Gusskörper 10 allseitig. Für die Zonen 5 und 6 der Gusskörper 10
gelten die zu den Zonen 5 und 6 des Gusskörpers 1 gemachten Ausführungen.
[0039] Die Gusskörper 1 und 10 sind jeweils in einem Sphärogussgefüge erstarrt. In alternativen
Ausführungen kann der eingelagerte freie Graphit in der inneren Zone 5 und auch in
der Umfangsrandzone 6 im Wesentlichen in Form von Vermikulargraphit oder auch in Form
von Kugelgraphit und Vermikulargraphit ausgeschieden sein. Der Ausscheidung von Kugelgraphit
wird gegenüber der Ausscheidung von Vermikulargraphit allerdings der Vorzug gegeben.
In Ausführungen, in denen der freie Graphit als Kugelgraphit und auch als Vermikulargraphit
vorliegt, ist es vorteilhaft, wenn der Kugelgraphit den überwiegenden Teil des freien
Graphits ausmacht.
1. Gusskörper, nämlich ein Werkzeug zum Ur- oder Umformen eines Werkstücks oder ein Übertragungsglied
(10) zur Übertragung von Kraft oder Drehmoment auf ein das Werkstück beim Ur- oder
Umformen kontaktierendes Werkzeug (12), wobei der Gusskörper keine Walze ist und
a) aus einer Eisenbasislegierung gegossen ist,
b) die eine innere Zone (5) des Gusskörpers (10) aus grauem Gusseisen (GJS, GJV) und
c) um die innere Zone (5) eine den äußeren Umfang des Gusskörpers (1) enthaltende
Umfangsrandzone (6)
d) mit einer Oberflächenhärte größer als 400 HV bildet,
e) wobei die Umfangsrandzone (6) aus fein- oder feinststreifigem Perlit (P) mit eingelagertem
freien Graphit, vorzugsweise Kugelgraphit (SG) oder Vermikulargraphit (V), oder aus
einem Zwischenstufengefüge (ADI) mit Kugelgraphit oder Vermikulargraphit besteht.
2. Gusskörper nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der eingelagerte freie Graphit zumindest im Wesentlichen Kugelgraphit (SG) ist und
die Graphitkugeln dieses Kugelgraphits in der erstarrten Umfangsrandzone (6) eine
Größe aufweisen, die einer Richtzahl von wenigstens 5, vorzugsweise höchstens 7, nach
EN ISO 945 entspricht.
3. Gusskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gusseisen in der Umfangsrandzone (6) wenigstens 95% Perlit und höchstens 5% Ferrit
enthält.
4. Gusskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Umfangsrandzone (6) wenigstens einen der folgenden Festigkeitswerte
aufweist:
(i) 0.2%-Dehngrenze Rp, 0.2 > 400 N/mm2;
(ii) Zugfestigkeit Rm > 600 N/mm2, vorzugsweise Rm > 650 N/mm2;
(iii) Bruchdehnung A > 1,5%, vorzugsweise A > 2%.
5. Gusskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusskörper (10) Bestandteil eines Schmiedewerkzeugs oder einer Presse zum Umformen
oder Urformen des Werkstücks ist.
6. Gusskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusskörper (10) ein Kolben oder Stössel, vorzugsweise für eine hydraulische Kraftbeaufschlagung
ist.
7. Gusskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche und wenigstens einem der folgenden
Merkmale:
(i) die Eisenbasislegierung enthält wenigstens 0.3% Ni, vorzugsweise höchstens 1.5%
Ni;
(ii) die Eisenbasislegierung enthält wenigstens 0.5% Cu, vorzugsweise höchstens 1.3%
Cu.
8. Gusskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenbasislegierung wenigstens 1.7% Si, vorzugsweise höchstens 2.4% Si enthält.
9. Gusskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenbasislegierung 3 - 4% C enthält.
10. Verfahren zur Herstellung eines Gusskörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem:
a) der Gusskörper (1; 10) aus einer Schmelze einer Eisenbasislegierung gegen Kokille
gegossen wird,
b) die Abkühlgeschwindigkeit an der Kokille so klein eingestellt wird, dass die Schmelze
auch in einer den äußeren Umfang des Gusskörpers (1; 10) enthaltenden Umfangsrandzone
(6) nicht weiß, sondern stabil als Gusseisen (GJS, GJV) mit frei eingelagertem Graphit,
vorzugsweise Kugelgraphit (SG) oder Vermikulargraphit (V), erstarrt,
c) und der Werkstoff der Umfangsrandzone (6) mittels einer thermischen Oberflächenbehandlung
in fein- oder feinststreifigen Perlit (P) mit Kugel- oder Vermikulargraphit (SG, V)
oder in ein Zwischenstufengefüge (ADI) mit Kugel- oder Vermikulargraphit umgewandelt
wird.
11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der eingelagerte freie Graphit der Umfangsrandzone (6) zumindest im Wesentlichen
Kugelgraphit (SG) ist und die Abkühlgeschwindigkeit an der Kokille so groß eingestellt
wird, dass die Graphitkugeln dieses Kugelgraphits (SG) in der erstarrten Umfangsrandzone
(6) eine Größe aufweisen, die einer Richtzahl von wenigstens 5, vorzugsweise höchstens
7, nach EN ISO 945 entspricht.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gusseisen in der Umfangsrandzone (6) vor der Oberflächenbehandlung wenigstens
90% Perlit und höchstens 10% Ferrit enthält.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenbasislegierung so zusammengesetzt ist, dass die Martensitstarttemperatur
(Ms) des Gusseisens kleiner als 20° C ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbehandlung ohne Martensitumwandlung durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusskörper (1; 10) nach Ausführung einer Oberflächenbehandlung angelassen wird
und ohne Martensitumwandlung wieder abkühlt.
1. A cast body, being a tool for forming or original moulding a work piece, or a transfer
member (10) for transferring a force or torque onto a tool (12) which contacts the
work piece during forming or original moulding, wherein the cast body is not a roller
and
a) is cast from an iron base alloy
b) which forms an interior zone (5) of the cast body (10) made of grey cast iron (GJS,
GJV) and,
c) around the interior zone (5), a circumferential rim zone (6) which includes the
outer circumference of the cast body (1)
d) and has a surface hardness which is greater than 400 HV,
e) wherein the circumferential rim zone (6) consists of ribbon grain or superfine
ribbon grain pearlite (P) with embedded free graphite, preferably spheroidal graphite
(SG) or vermicular graphite (V), or of an intermediate structure (ADI) with spheroidal
graphite or vermicular graphite.
2. The cast body according to the preceding claim, characterised in that the embedded free graphite is at least substantially spheroidal graphite (SG) and
the graphite pebbles of said spheroidal graphite in the solidified circumferential
rim zone (6) exhibit a size which corresponds to an index value of at least 5 and
preferably at most 7 in accordance with EN ISO 945.
3. The cast body according to any one of the preceding claims, characterised in that the cast iron in the circumferential rim zone (6) contains at least 95% pearlite
and at most 5% ferrite.
4. The cast body according to any one of the preceding claims,
characterised in that the material of the circumferential rim zone (6) exhibits at least one of the following
stability values:
(i) 0.2% proof stress Rp, 0.2 > 400 N/mm2;
(ii) tensile strength Rm > 600 N/mm2, preferably Rm > 650 N/mm2;
(iii) elongation at rupture A > 1.5%, preferably A > 2%.
5. The cast body according to any one of the preceding claims, characterised in that the cast body (10) is a constituent of a forging tool or press for forming or original
moulding the work piece.
6. The cast body according to any one of the preceding claims, characterised in that the cast body (10) is a piston or plunger, preferably for a hydraulic application
of force.
7. The cast body according to any one of the preceding claims and at least one of the
following features:
(i) the iron base alloy contains at least 0.3% nickel and preferably at most 1.5%
nickel;
(ii) the iron base alloy contains at least 0.5% copper and preferably at most 1.3%
copper.
8. The cast body according to any one of the preceding claims, characterised in that the iron base alloy contains at least 1.7% silicon and preferably at most 2.4% silicon.
9. The cast body according to any one of the preceding claims, characterised in that the iron base alloy contains 3% to 4% carbon.
10. A method for manufacturing a cast body according to any one of the preceding claims,
wherein:
a) the cast body (1; 10) is die-cast from a molten mass of an iron base alloy;
b) the cooling speed at the die is set to be low enough that the molten mass does
not solidify white but rather stably as cast iron (GJS, GJV) with freely embedded
graphite, preferably spheroidal graphite (SG) or vermicular graphite (V), even in
a circumferential rim zone (6) which includes the outer circumference of the cast
body (1; 10);
c) and the material of the circumferential rim zone (6) is transformed by means of
a thermal surface treatment into ribbon grain or superfine ribbon grain pearlite (P)
with spheroidal or vermicular graphite (SG, V) or into an intermediate structure (ADI)
with spheroidal graphite or vermicular graphite.
11. The method according to the preceding claim, characterised in that the embedded free graphite of the circumferential rim zone (6) is at least substantially
spheroidal graphite (SG), and the cooling speed at the die is set to be high enough
that the graphite pebbles of said spheroidal graphite (SG) in the solidified circumferential
rim zone (6) exhibit a size which corresponds to an index value of at least 5 and
preferably at most 7 in accordance with EN ISO 945.
12. The method according to any one of the preceding claims, characterised in that the cast iron in the circumferential rim zone (6) contains at least 90% pearlite
and at most 10% ferrite before the surface treatment.
13. The method according to any one of the preceding claims, characterised in that the iron base alloy is composed in such a way that the martensite starting temperature
(Ms) of the cast iron is lower than 20 °C.
14. The method according to any one of the preceding claims, characterised in that the surface treatment is performed without martensitic transformation.
15. The method according to any one of the preceding claims, characterised in that after a surface treatment has been performed, the cast body (1; 10) is tempered and
cooled again, without martensitic transformation.
1. Corps en fonte, notamment outil pour le formage ou la déformation d'une pièce ou organe
de transmission (10) pour la transmission d'une force ou d'un couple de rotation à
un outil (12) en contact avec la pièce lors du formage ou de la déformation, dans
lequel le corps en fonte n'est pas un rouleau et
a) est coulé en un alliage à base de fer,
b) qui forme une zone intérieure (5) du corps en fonte (10) en fonte grise (GJS, GJV)
et
c) autour de la zone intérieure (5) une zone périphérique (6) contenant la périphérie
extérieure du corps en fonte (1)
d) avec une dureté de surface supérieure à 400 HV,
e) dans lequel la zone périphérique (6) se compose de perlite à lamelles fines ou
très fines (P) avec du graphite interstitiel libre, de préférence du graphite sphéroïdal
(SG) ou du graphite vermiculaire (V), ou d'une structure intermédiaire (ADI) avec
du graphite sphéroïdal ou du graphite vermiculaire.
2. Corps en fonte selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le graphite interstitiel libre est au moins essentiellement du graphite sphéroïdal
(SG) et les sphères de graphite de ce graphite sphéroïdal présentent dans la zone
périphérique solidifiée (6) une taille, qui correspond à un nombre indicatif d'au
moins 5, de préférence d'au plus 7, selon la norme EN ISO 945.
3. Corps en fonte selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fonte contient dans la zone périphérique (6) au moins 95% de perlite et au plus
5 % de ferrite.
4. Corps en fonte selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que le matériau de la zone périphérique (6) présente au moins une des valeurs de résistance
suivantes:
(i) limite d'élasticité à 0,2 % Rp,02 > 400 N/mm2;
(ii) résistance à la traction Rm > 600 N/mm2, de préférence Rm > 650 N/mm2;
(iii) allongement à la rupture A > 1,5 %, de préférence A > 2 %.
5. Corps en fonte selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps en fonte (10) est un composant d'un outil de forgeage ou d'une presse pour
la déformation ou le formage de la pièce.
6. Corps en fonte selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps en fonte (10) est un piston ou un poussoir, de préférence destiné à l'application
d'une force hydraulique.
7. Corps en fonte selon l'une quelconque des revendications précédentes et présentant
au moins une des caractéristiques suivantes:
(i) l'alliage à base de fer contient au moins 0,3 % de Ni, de préférence au plus 1,5
% de Ni;
(ii) l'alliage à base de fer contient au moins 0,5 % de Cu, de préférence au plus
1,3 % de Cu.
8. Corps en fonte selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage à base de fer contient au moins 1,7 % de Si, de préférence au plus 2,4
% de Si.
9. Corps en fonte selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage à base de fer contient 3 - 4 % de C.
10. Procédé de fabrication d'un corps en fonte selon l'une quelconque des revendications
précédentes, dans lequel:
a) on coule contre un moule le corps en fonte (1; 10) à partir d'une masse fondue
d'un alliage à base de fer;
b) on règle la vitesse de refroidissement sur le moule à un niveau tellement bas que
la masse fondue se solidifie non en fonte blanche même dans une zone périphérique
(6) contenant la périphérie extérieure du corps en fonte (1; 10), mais en fonte stable
(GJS, GJV) avec du graphite interstitiel libre, de préférence du graphite sphéroïdal
(SG) ou du graphite vermiculaire (V),
c) et on transforme le matériau de la zone périphérique (6) au moyen d'un traitement
thermique de surface en perlite à lamelles fines ou très fines (P) avec du graphite
sphéroïdal ou vermiculaire (SG, V) ou en une structure intermédiaire (ADI) avec du
graphite sphéroïdal ou vermiculaire.
11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le graphite interstitiel libre de la zone périphérique (6) est au moins essentiellement
du graphite sphéroïdal (SG) et on règle la vitesse de refroidissement sur le moule
à un niveau tel que les sphères de graphite de ce graphite sphéroïdal (SG) dans la
zone périphérique solidifiée (6) présentent une taille, qui correspond à un nombre
indicatif d'au moins 5, de préférence d'au plus 7, selon la norme EN ISO 945.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fonte dans la zone périphérique (6) contient au moins 90 % de perlite et au plus
10 % de ferrite avant le traitement de surface.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage à base de fer est composé d'une manière telle que la température de début
de transformation martensitique (Ms) de la fonte soit inférieure à 20°C.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue le traitement de surface sans transformation martensitique.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on soumet le corps en fonte (1; 10) à un revenu après l'exécution d'un traitement
de surface et on le refroidit de nouveau sans transformation martensitique.