Table Of ContentDK 620.179.3,669.13
FORSCH U NGSBE RICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRH E IN -WESTFALE N
Herausgegeben von Staatssekretar Prof. Dr. h. c. Dr. E. h.leo Brandt
Nr.557
t
Dr.-Ing. Hans Schiffers
Dipl.-Ing. Dieter Ammann
Dipl.-Ing. Erich Brugger
Dipl.-Ing. Rudolf Dicke
GieBerei-lnstitut der T echnischen Hochschule Aachen
Hartbarkeit von GuBeisen mit Lamellen- und Kugelgraphit
in Abhangigkeit von Zusammensetzung und Gefuge
Ah Ma"uJltript gedruckl
@
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
1958
ISBN 978-3-663-03678-4 ISBN 978-3-663-04867-1 (eBook)
DOI1 0.1007/978-3-663-04867-1
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e der u n g
1. Einleitung •..• s. 5
. . . .
2. Probenvorbereitung. s . 6
3. Versuchsanordnung und -durchführung s. 9
4. Versuchsergebnisse . . . . . . . . . s . 13
5. Zusammenfassung s. 27
6. Literaturverzeichnis . s. 29
Sei te 3
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
1. Einleitung
Unter Härtbarkeit versteht man die Eigenschaft eines Werkstoffes, durch
eine Wärme- und Abschreckbehandlung seine Härte zu steigern. Die Höhe
der Härteannahme wird dabei wesentlich durch den Gehalt an Kohlenstoff,
die Härtetiefe durch den Legierungsgehalt bestimmt. Schon geringe Ände
rungen in der Zusammensetzung, die innerhalb des herstellungsbedingten
und nach den Normen zulässigen Streubereichs liegen, können auf das Här
teverhalten von großem Einfluß sein.
Für die Härtbarkeitsprüfung von Stahl hat sich der Stirnabschreckver
such nach W.E. JOMINY und A.L. BOEGEHOLD [3] inzwischen weitgehend ein
geführt. Abbildung 1 zeigt die amerikanische Norm.Eine Probe von 25 mm
Dmr. und 75 bis 100 mm Länge wird unter festgelegten Bedingungen auf
Wasser von ca. 20 oe
72"
Innendurchmesser
t
A b b i 1 dun g 1
USA-Norn der Endabschreckprüfung
Härtetemperatur erhitzt und dann von der Stirnseite her abgeschreckt.
Die Intensität der Abkühlung ist dabei gleichbleibend und durch die
Steighöhe des aus einem Rohr von 13 mm Innendurchmesser unter konstan
tem Druck austretenden WasserstrahIs festgelegt. Schleift man nun nach
Sei te 5
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
völliger Abkühlung an einer Stelle den Mantel um 0,4 mm parallel der
Achse des Probestabes ab und mißt auf dieser Fläche in verschiedenen
Abständen von der abgeschreckten Stirnfläche aus die Härte in Re, so
ergibt diese eine eindeutige Kennzeichnung des Härteverhaltens des vor
liegenden Stahles.
In früheren Vorträgen auf den Tagungen zum Erfahrungsaustausch der
Firma Paul Ferd. Peddinghaus, Gevelsberg, wurde bereits der Nachweis
erbracht, daß das Ergebnis des Stirnabschreckversuches auch für das
Flammenhärten eine klare Aussage ermöglicht, und zwar:
1 • über die maximal erzielbare Oberflächenhärte,
2. über die maximal erzielbare Härtetiefe,
3. über die günstigste Härtetemperatur und
4. über eine zweckmäßige Anlaßbehandlung.
Die bisher übliche, verhältnismäßig lange Erwärmung der Proben im Ofen
erwies sich als nicht notwendig, da inzwischen durchgeführte Untersu
chungen zeigten, daß die nach dem Umlaufverfahren mit Brennern erhitz
ten Proben einen mit der Ofenerwärmung völlig gleichen Härteverlauf er
gaben. Damit konnte die für die Untersuchung benötigte Zeit wesentlich
gekürzt werden, und es ergab sich weiterhin die Möglichkeit, den Stirn
abschreckversuch mit der Vielhärteprobe zur PrüfUng der Rißanfälligkeit
apparativ zu vereinigen.
Während nun die Härtbarkeitsuntersuchung von Stahl seit langem bekannt
ist und eine Vielzahl von Versuchsergebnissen vorliegt, fehlten bislang
entsprechende Versuche für Gußeisen. Das Härten, insbesondere das Fla~
menhärten von Gußeisen, hat aber in den letzten Jahren so erheblich an
Bedeutung gewonnen, daß auch für diesen Werkstoff ein Bedürfnis nach
einer einwandfreien und schnell durchführbaren Härtbarkeitsprüfung ent
stand.
2. Probenvorbereitung
Während der Einfluß der Zusammensetzung, insbesondere des Gehaltes an
gebundenem Kohlenstoff, auf die Härtbarkeit des Gußeisens seit langem
bekannt ist, hat man den Einfluß der Graphitverteilung und Graphitgröße
erst in jüngster Zeit richtig erkannt.
Sei te 6
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Da sowohl der gebundene Kohlenstoff als auch der Graphit das Ergebnis
der Härtebehandlung entscheiden beeinflussen, erschien es fraglich, ob
das Härteverhalten des Gußeisens durch den Stirnabschreckversuch ein
deutig und für die Praxis brauchbar gekennzeichnet wird. Insbesondere
war zu befürchten, daß die lange Erhitzungsdauer im Ofen eine Aufkoh
lung des Austenits zur Folge haben könnte, wodurch das Ergebnis des
Stirnabschreckversuches beim Flammenhärten, da$ja mit wesentlich kürze
rer Erwärmung arbeitet, nicht reproduzierbar wäre. Es wurde deshalb eine
Reihe von Gußeisensorten mit unterschiedlichem Gehalt an gebundenem Koh
lenstoff und verschiedenem Sättigungsgrad sowi~ mit verschiedenen Legie
rungszusätzen erschmolzen.
Tabelle 1 enthält die chemische Zusammensetzung, Graphitausbildung und
Härte der untersuchten Proben. Die nickel-, chrom-nickel- oder molybdän
legierten Schmelzen wurden in einem 200-kg-Graphitstabofen erschmolzen.
Nickel wurde als Elektrolytnickel, Chrom und Molybdän in Form von Ferro
legierungen im Ofen zugegeben. Alle anderen Schmelzen wurden in einem
30-kg-Graphi tstabofen erschmolzen. Die Kugelgraphi tschmel\ze wurde mit
einer Magnesium-Nickel-Vorlegierung (15 : 85) behandelt. Titan und
Vanadin wurden als Ferrolegierung in der Pfanne zugesetzt. Die Schmelze
20 wurde ohne Zusätze aus "Bremanger Vantitroheisen grau" erschmolzen.
Die Ausgangsgefüge der Schmelzen wurden metallographisch untersucht und
die Graphitausbildung nach der ASTM-Richtreihe gekennzeichnet. Die Ana
lysenproben wurden mit einem 5-mm-Bohrer aus dem 30-mm-Rohstab auf dem
24-mm-Dmr.-Kreis herausgebohrt, um die Zusammensetzung der JOMINY-Bol
zenoberfläche für die Härtemessungen möglichst genau zu erhalten.
Der Sättigungsgrad wurde mit Hilfe der Gleichung
%
C
S %
c 4,23 - 0,312 • Si
berechnet.
Alle Gußeisensorten hatten rein perlitische Grundmasse, mit Ausnahme der
beiden ferretisch-perlitischen, vanadin- und titanhaltigen Schmelzen 20
und 21. Dies überrascht zunächst z.B. bei der Schmelze 10, die einen Ge
halt an gebundenem Kohlenstoff von 0,54 hat, erklärt sich jedoch aus
der Verschiebung des eutektoiden Punktes durch Silizium zu niedrigeren
Kohlenstoffkonzentrationen.
Sei te 1
'zJ o I-! GI o I::J" s::: ~ GI 0-CD I-! 1-'. o I::J" c+ CD p. CD ,. GI 1-'. I-! c+ GI o I::J" lIt H) c+ GI I § p. <: CD I-! I'i' CD p-I-! GI a 1-'. 1=1 1-'" GI c+ CD I-! 1-'. ~ GI !2! o I-! ~ I::J" CD 1-'. t CD GI c+ H) I\l I-' CD 1=1
0 0 0 0 0 5 0 0 5 0 5 0 5 0 5
te R c 27 20 17 11 17 21 13, 17 , 19, 20, 28, 14, 15, 17 , 14, 16, 18, 14, 18, 14, 15.
r
ä
h
s
g
n
Ausga HB 30 246 215 198 148 197 223 170 201 212 217 270 190 192 201 190 197 210 187 210 187 195
5 5
- s s
hitil- bi bi
n GrapAusbdung ASTM E 5 A 4 C 4 C 3 A 3 C 4 C 3 C 4 D 5 D 5 3 L C 4 C 4 C 5 C 4 C 4 C 4 E 5 C 4 D 6 D 7
ze n
Tabelle Ausgangszustand der zu untersuchenden Schmel % Sätti-che Zusammensetzung in gungs-Mo grad S Cr Ti Ni S P V c 1. unlegiertes, hochwertiges Gußeisen 0,80 0,095 0,096 0,89 0,107 0,082 0,96 0,081 0,080 1,06 0,082 0,124 0,070 0,076 0,93 0,92 0,095 0,086 0,98 0,014 0,34 0,016 0,84 0,32 0,76 0,032 0,27 0,86 0,032 0,27 2. Gußeisen mit Kugelgraphit (1,023) 0,499 0,011 1,75 3. niedrig legiertes, hochwertiges Gußeise (0,87) 0,310 0,020 0,49 (0,85) 0,310 0,020 1,00 (0,85) 0,310 0,016 1,50 (0,92 0,310 0,019 0,45 0,16 (0,92) 0,300 0,019 0,78 0,26 (0,91) 0,283 0,016 1,08 0,37 0,46 (0,97) 0,270 0,016 (0,05) 0,270 0,016 0,93 0,64 0,49( 1,07) 0,027 0,008 0.50 0.38(0,92) 0.08_1 O.O~lL_
hemis Mn 0,55 0,54 0,55 0,61 0,58 0,58 0,70 0,69 0,75 0,66 0,62 0,46 0,40 0,37 0,59 0,56 0,53 0,69 0,67 0,70 0.70
C i 69 73 79 76 22 26 55 10 94 54 55 90 90 90 26 68 73 73 80 47 02
S 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 1, 2, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2.
_
C geb. 1,08 0,98 1,04 1,10 0,95 0,96 0,70 0,91 0,64 0,54 0,71 0,53 0,65 0,69 0,65 0,72 0,77 0,79 0,88 0,39 °L60
s. 9 0 5 9 9 4 2 2 1 5 3 4 6 5 2 1 5 9 0 0 3
e 9 3 5 8 5 2 4 0 8 9 8 4 3 3 5 4 3 5 5 7 3
g 2, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3.
e
z
melNr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
h 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2
c
S
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
A b b i 1 dun g 2
Schnittzeichnung des Härtbarkeitsprüfers nach JOMINY,
Bauart Peddinghaus
3. Versuchsanordnung und -durchführung
Abbildung 2 zeigt einen Schnitt durch den Peddinghaus-Härtbarkeitsprü
fer nach JOMINY. Die gesamte Versuchseinrichtung für den JOMINY-Stirn
abschreckversuch mit Ofenerhitzung jst aus Abbildung 3 ersichtlich. Die
im Muffelofen erwärmte JOMINY-Probe wird mit der Zange in den Proben
halter eingesetzt und die Öffnung des Wasserrohres freigegeben. Die
gleichmäßige Steighöhe des Wasserstrahles ist dadurch gewährleistet,
daß das Wasser aus einem Behälter mit Überlauf entnommen wird. Abschreck
und Überlaufwasser vereinigen sich am Fuße des Prüfgerätes und werden
gemeinsam abgeführt. Die Abschreckwassertemperatur wird mit einem Ther
mometer geprüft.
Die normale JOMINY-Prüfung wurde für jede Schmelze an drei Proben durch
geführt. Die Abmessungen dieser Probe sowie die der Probe für den Stirn
abschreckversuch mit Umlauferhitzung sind aus Abbildung 4 ersichtlich.
Die Proben für den normalen Stirnabschreckversuch nach JOMINY wurden in
einem Muffelofen mit selbsttätiger Temperaturregelung 30 min bei 8500
geglüht (15 min aufheizen, 15 min auf Temperatur halten) und anschlie
ßend in den betriebsbereiten Härteprüfer eingehängt.Die Zeit von 5 s
Sei te 9
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
A b b i 1 dun g 3
Versuchseinrichtung für den JOMINY-Versuch mit Ofenerhitzung
..
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Jominy-Probe tür Umlauferhitzung
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normale Jommy-Probe
scharfe Konte
A b b i 1 dun g 4
Abmessungen der Härtbarkeitsproben für Ofenerhitzung
und Umlauferhitzung
vom Ende der Glühung bis zum Beginn der Abschreckung wurde nicht über
schritten. Nach Freigabe der Wasserrohröffnung wurde die Probe 15 min
der Abkühlung überlassen. Die Temperatur des Abschreckwassers war 9°.
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Die Prüfvorrichtung für das Verhalten der zu untersuchenden Gußeisen
sorten beim Oberflächenhärten mittels Brennererhitzung zeigt Abbildung
5. Die sich drehenden Proben werden mit zwei Schlitzbrennern auf die ge
wünschte Oberflächentemperatur gebracht. Ist die Härtetemperatur er
reicht, schließt man die Brenner durch einen Hebel am Griffrohr ab (in
Abb. 5 rechts unterhalb des Milliskops). Gleichzeitig wird auch die
A b b i 1 dun g 5
Versuchseinrichtung für den JOMINY-Versuch nach Brennererhitzung;
links Erhitzungs- und Abschreckeinrichtung,
rechts Temperaturmeßgerät
Blende, die den Wasserstrahl beim Erhitzen der Probe abdeckt, herumge
schwenkt, und der Wasserstrahl trifft so auf die Stirnfläche der auf
Härtetemperatur erhitzten Probe. Die Steighöhe des Wasserstrahles ist
die gleiche wie bei der normalen JOMINY-Prüfung und ist auch hier durch
einen Überlauf gewährleistet.
Vor Beginn der Härtbarkeitsversuche nach Umlauferhitzung mußten zu
nächst in Vorversuchen die Brenner richtig eingestellt werden, um auf
dem ganzen Bolzen eine gleichmäßige Einhärtetiefe zu erzielen. Zu die
sem Zweck brachte man mit den beiden Schlitzbrennern die drehenden Pro
ben auf Härtetemperatur und schreckte sie mit einer Tunnelbrause, wie
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