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Verfahren zur Wärmebehandlung von Temperguß Alle Bestrebungen der
Technik, durch metallurgische Maßnahmen oder zusätzliche Wärmebehandlung die Festigkeitseigenschaften
des Tempergusses zu verbessern, laufen letzten Endes darauf hinaus, die Werkstoffeigenschaften
des getemperten oder geglühfrischten Erzeugnisses möglichst weitgehend denen des
Stahls,oder des Stahlgusses anzugleichen. Trotz aller bisher bekanntgewordenen Vorschläge
legierungstechnischer Art oder solcher für die thermische Behandlung zur Herbeiführung
zweckbedingter Gebrauchseigenschaften im Enderzeugnis ist bisher kein unter den
Begriff Temperguß fallender Werkstoff hoher Zugfestigkeit bekanntgeworden, der die
den Stahl und Stahlguß kennzeichnende Eigenschaft der Gefügehomogenität und Temperkohlefreiheit
innerhalb eines Wandungsquerschnitts aufweist, wenn man von dem Sonderfall des vollständig
entkohlten, d. h. geglühfrischten ferritischen Tempergusses absieht, der
nur bei Gußstücken verhältnismäßig geringer Wandstärken praktisch vorkommt, aber
wegen der geringen Zugfestigkeit des Endproduktes hier außer Betracht fällt.
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So ist bereits vorgeschlagen worden, die gießtechnischen Schwierigkeiten,
die sich bei der Herstellung besonders dünnwandiger, legierter Stahlgußstücke ergeben,
dadurch zu umgehen, daß die Vergießbarkeit
und das Formfüllungsvermögen
des flüssigen Werkstoffs geeigneter Zusammensetzung durch Erhöhung seines Kohlenstoffgehaltes
bis auf Beträge, wie sie bei Temperrohguß üblich sind, verbessert und durch oxydierendes
Glühen so weit entkohlt werden, bis der mittlere Endkohlenstoffgehalt demjenigen
des angestrebten legierten Stahlgusses entspricht. Die metallische Grundmasse eines
Wandungsquerschnitts des auf diese Weise erhaltenen geglühfrischten Tempergusses
ist jedoch von unhomogenem Gefügeaufbau. Es ist ferner bekannt, durch geeignete
Legierungsmaßnahmen die Temperkohlebildung beim Glühfrischen von weiß erstarrtem
Temperrohguß weitgehend zu verhindern, um dadurch dem Werkstoff gewisse Sondereigenschaften,
z. B. gute Schmelzschweißbarkeit, zu verleihen. Auch ist es seit Jahren üblich,
Temperguß zwecks Herbeiführung bestimmter Werkstoffeigenschaften zusätzlichen Wärmebehandlungen,
z. B. Weichglühen, Vergüten usw., zu unterwerfen. So werden beispielsweise, zur
Verbesserung der Bearbeitbarkeit dickwandiger Querschnitte durch spanabhebende Werkzeuge,
Tempergußstücke in bekannter Weise durch Umwandlung des Perlits mit lamellarer Ausbildung
des Zementits in die kugehge Form des Zementits weichgeglüht. Es ist auch schon
vorgeschlagen worden, geglühfrischte, also oberflächlich entkohlte dickwandige Tempergußstücke,
deren Wandungsquerschnitte noch 10/, Kohlenstoff oder darüber enthalten, über den
Perlitpunkt hinaus wieder zu erhitzen, um der Oberfläche die Eigenschaft der Härtbarkeit
zu verleihen.
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In dem Bestreben, verwickelt gestaltete Konstruktionsteile höherer
Festigkeit, die in Stahlguß nicht mehr oder nur schwierig hergestellt werden können
und daher im Gesenk geschmiedet oder mit spanabhebenden Werkzeugen aus dem Vollen
herausgearbeitet werden müssen, doch auf dem wirtschaftlicheren Wege der Formgebung
durch Gießen in Formen zu erzeugen, wurde gemäß dem Wesen der vorliegenden Erfindung
folgender Weg besehritten. Ein legierter, durch Glühfrischen bis auf einen gewünschten
mittleren Kohlenstoffgehalt entkohlter, aber temperkohlefreier Temperguß wird im
Temperaturbereich der festen Lösung, d. h. im Austenitgebiet, zweckmäßigerweise
zwischen iooo' C und der Soliduslinie, einer durchgreifenden Diffusionsglühung
unterworfen, wodurch ein Konzentrationsausgleich in der Kohlenstoff- bzw. Karbidverteilung
über den Wandungsquerschnitt ohne Ternperkohlebildung herbeigeführt wird. Die bei
der Diffusionsglühung eingetretene Grobkombildung kann durch anschließendes Normalglühen
beseitigt werden. Der auf diese Weise umkristallisierte, gefügehomogene und temperkohlefreie
Temperguß ist in Gefügeaufbau und Zusammensetzung wesensgleich einem geglühten Stahl
bzw. Stahlguß gleicher Zusammensetzung. Will man dem auf die beschriebene Weise
behandelten Temperguß hohe Festigkeitseigenschaften verleihen, so kann er einer
der bei Stahl entsprechender Zusammensetzung üblichen Wärmebehandlung (Vergüten,
Härten, Anlassen, Warmbadvergüten usw.) unterworfen werden.
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Das erfindungsgemäß behandelte Erzeugnis weist im Endzustand Werkstoffeigenschaften
auf, die im Gegensatz zu denen der normalen Tempergußarten und anderer Erzeugnisse
des technischen Eisens nur einem entsprechend zusammengesetzten Stahl und Stahlguß
eigentümlich sind, nämlich: i. Abwesenheit elementaren Kohlenstoffs (Temperkohle)
im Gefüge, 2. homogene Verteilung der Karbide über den Wandungsquerschnitt,
3. die durch i. und 2. bedingte Homogenität im Mkrogefügeaufbau des Wandungsquerschnittes,
4# die mit den Eigenschaften i. bis 3..zwangsläufig gegebene Gleichförmigkeit der
Festigkeitseigenschaften innerhalb der Querschnittselemente ein und desselben Wandungsquerschnitts.
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Das Wesen des erfindungsgemäß behandelten Erzeugnisses läßt sich am
treffendsten umschreiben als legierter, geglühfrischter, temperkohlefreier und gefügehomogener
Temperguß hoher Festigkeit.
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Durch die Eigenschaft der Gefügehomogenität innerhalb der temperkohlefreien,
metallischen Grundmasse ein und desselben Wandwigsquerschnitts unterscheidet sich
der verfahrensmäßig behandelte Temperguß geeigneter Zusammensetzung von den bekannten
Tempergußarten, und zwar von den nichtentkohlend geglühten, also nur getemperten
Gußarten mit gefügehomogener metallischer Grundmasse durch die Abwesenheit der Temperkohle*
und von den entkohlend geglühten, also geglühfrischten, gefügeunhomogenen Gußarten
durch das über den ganzen Wandungsquerschnitt homogen ausgebildete und temperkohlefreie
Gefüge. Im Gegensatz zu den in üblicher Weise geglühfrischten und weiterverarbeiteten
temperkohlehaltigenTempergußartenmit ihrenzwangsläufig durch den unhomogenen Gefügeaufbau
der metallischen Grundinassebedingtenungleichfün-nigenFestigkeitseigenschaften in
den einzelnen den Wandungsquerschnitt aufbauenden Gefügezonen weist der erfindungsgemäß
behandelte legierte und temperkohlefreie Temperguß infolge des durch die Diffusionsglühung
bewirkten Konzentrationsausgleichs in der Kohlenstoff- bzw. Karbidverteilung und
der daraus resultierenden Gefügehomogenität in allen den Wandungsquerschnitt bildenden
Querschnittselementeli gleiche Festigkeitseigenschaften auf. Durch diese Werkstoffeigenschaften
ist der erfindungsgemäß behandelte legierte, temperkohlefreieundgefügehomogene Temperguß
praktisch wesensgleich einem Stahl entsprechender Zusammensetzung.
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Bei der Wahl der chemischen Zusammensetzung des für das vorgeschlagene
Verfahren geeigneten Rohgusses ist darauf zu achten, daß sowohl der Rohguß in der
Gießform graphitfrei erstarrt als auch beim Glüh-
frischenundbeiderDiffusionsglühungjeglicherKarbidzerfall
unter Bildung von Temperkohle unterbleibt. Da unter den am häufigsten verwendeten
Legierungsmetallen das Chrom auch gleichzeitig das den Karbidzerfall am stärksten
verhindernde Element ist, so kann man sich vorteilhaft dieses Legierungsmetalles
bei der Erschmelzung des für das vorgeschlagene Verfahren geeigneten Rohgusses bedienen.
Selbstverständlich eignen sich auch die anderen bekannten, den Karbidzerfall hindernden
Elemente, Mangan, Vanadium, Wolfram, Molybdän usw., oder gleichzeitig
mehrere
von ihnen als Legierungskomponenten, Auf der Basis dieser Elemente kann man beispielsweise
für den Temperrohguß die Zusammensetzung der bekannten niedrig legierten Baustähle
verwenden, um zu einem entsprechend zusammengesetzten Cr-N.i-, Cr-Mo-, Cr-Ni-Mo,
Cr-Mn, Cr-V-, Cr-Mn-V- usw. Temperguß zu gelangen.
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Die an den geglühfrischten Gußstücken durchzuführende Diffusionsglühung
wird zur Vermeidung weiterer Kohlenstoffvergasung und zur Verhütung der Oberflächenverzunderung
in neutraler Atmosphäre vorgenommen bei Temperaturen oberhalb des A,-Umwandlungspunktes.
Da die Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffs im Gebiet der festen Lösung außer
vom Konzentrationsgefälle von der Höhe der Glühtemperatur abhängig ist, wird man
aus wirtschaftlichen Gründen möglichst hohe Temperaturen wählen, um die Glühzeit
abzukürzen. Durch die Diffusionsglühung wird ein Konzentrationsausgleich innerhalb
der Wandungsquerschnitte bewirkt und demzufolge ein gefügehomogener, temperkohlefreier
Werkstoff erhalten. Versuche ergaben ferner, daß nach dem oxydierenden Glühen in
der Kernzone dickerer Wandungen etwa noch vorhandener Primärzementit an dem Diffusionsvorgang
teilnimmt, so daß im Enderzeugnis Gefügehomogenität in dem betreffenden Querschnitt
festgestellt werden konnte, d. h. auch in der Kernzone dieser Querschnitte
kein übereutektoider Zementit vorhanden war. Der so behandelte Werkstoff entspricht
in seiner chemischen Zusammensetzung und in seinem Mikrogefügeaufbau den bekannten
niedrig legierten Stählen. Auf Grund dieser Werkstoffbeschaffenheit ist das Erzeugnis
allen bekannten thermischen Vergütungsbehandlungen, zu welchen auch die seit einigen
jahrenbekannteWarmbadhärtung bzw. Warmbadvergütung (isotherme Austenitumwandlung,
Zwischenstufenvergütung) zählt, zugänglich, wie sie zur Verbesserung zweckbedingter
Eigenschaften ähnlich zusammengesetzter Vergütungsstähle angewendet werden.
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So wurden erfindungsgemäß beispielsweise Probestäbe nach DIN 1692
aus einem Gußeisen mit 2,7 "/, C,
o,6 0/, Si, 1,5
0/0 Mn, o,o6 "/, P, o,o3 0/, S, o,9 0/, Or und 0,4 0/, Mo in
oxydierender Atmosphäre bei iooo'C geglüht und der Glühfrischprozeß abgebrochen,
nachdem der mittlere Kohlenstoffgehalt im Kreisquerschnitt von i? mm Durchmesser
auf etwa 0,4"/, gesunken war. Durch die nachgeschaltete Diffusionsglühung in neutraler
Atmosphäre bei 115O'C trat vollständiger Konzentrationsausgleich des Kohlenstoffes
bzw. der Karbide bei eutektoider Gefügeausbildung über den Stabquerschnitt ein.
Bei gleichzeitig mitbehandelten 6-mm- und 9-mm-Probestäben wurde je nach
dem Durchmesser der Querschnitte dieser Stäbe infolge der stärkeren Entkohlung homogene
Gefügeausbildung von untereutektoider Beschaffenheit erzielt. In den 6-mm-Kreisquerschnitten
lag beispielsweise ein homogenes je zur Hälfte aus Ferrit und Perlit bestehendes
Gefüge vor. Dem erfindungsgemäß behandelten Erzeugnis sind also hinsichtlich Gefügeausbildung
die Merkmale eigen, die einen Stahl gleicher Zusammensetzung charakterisieren, nämlich
Gefügehomogenität und Abwesenheit elementaren Kohlenstoffs. Dementsprechend stimmen
auch die Festigkeitseigenschaften des wie beschrieben behandelten Werkstoffes nach
zusätzlicher thermischer Vergütung mit denen eines Stahls, bzw. Stahlgusses, gleicher
Zusammensetzung überein.
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Die in der vorbeschriebenen Weise geglühfrischten und der Diffusionsglühung
unterworfenen Probestäbe wiesen nach weiterer thermischer Behandlung, und zwar erstens
durch Normalglühen zwecks Rückfeinung des bei der Diffusionsglühung grobkörnig gewordenen
Gefüges und zweitens durch anschließendes Vergüten (Härten bei
850'C mit
nachfolgendem dreistündigem Anlassen bei
650'C), folgende Festigkeitswerte
auf:
| Probestab- Grs UB öa |
| durchmesser 1 kg/mm 2 1 kg/mm 2
D/0 |
| 6 mm 75 85 24 |
| gmm. 79 88 18 |
| i2mm 85 95 12 |
d. h. Gütewerte, die denen eines entsprechend zusammengesetzten Stahls gleicher
Wärmebehandlung vergleichbar sind. Durch zweistündiges Anlassen bei 5500C war es
möglich, beim i?.-mm-Probestab Zugfestigkeiten bis zu 1:30 1,-g/mml bei
8 0/, Bruchdehnung zu erhalten. Die bei den 6-mm- und 9-mm-Probestäben ermittelten
Festigkeitswerte sind niedriger als die der i2-mm-Probestäbe und erklären sich aus
den geringeren Kohlenstoffgehalten bzw. der geringeren Konzentration der Karbide
als Folge des beim Glühfrischen in diesen Querschnitten vorhandenen stärkeren Kohlenstoffabbaues.
Es können auch bei den 6-mm- und 9-mm-Probestäben durch Verkürzung der Glühfrischdauer
geringere Entkohlungen und damit den i2-mm-Probestäben entsprechende Festigkeitswerte
erzielt werden. Auch in bezug auf das Bruchaussehen und die den Zugfestigkeitswerten
zugeordneten Brinellhärten besteht Übereinstimmung mit den dem Stahl eigentümlichen
Kennwerten. Die den genannten Gütewerten zugeordneten Probestäbe zeichneten sich
im Bruchquerschnitt durch Einschnürungen von 3o
% und darüber aus. In der
Hauptsache sind es schiefe, unter 45' verlaufende Brüche mit Trichterbildung von
sehniger Beschaffenheit, also ausgesprochene Verformungsbrüche. Deutlich kommt auch
der Stahlcharakter des erfindungsgemäßen Werkstoffes zum Ausdruck in dem Verhältnis
Zugfestigkeit: Brinellhärte; es ist ungefähr 1:
3 und entspricht damit praktisch
der für Stahl gültigen Umrechnungszahl.