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Verfahren zur Herstellung von Gusseisen mit eutektischer Graphitausbildung, insbesondere für Kolbenringe
Verfahren zur Verfeinerung der Graphitausscheidungen bei grauerstarrenden Gusseisensorten sind be- reits in grösserer Anzahl bekannt. Gegenstand der Erfindung ist dagegen ein Verfahren, um aus einem be- reits zur bzw. zur melierten Erstarrung neigenden Gusseisen wieder ein grau erstarrendes zu machen, u. zw. ein solches mit besonders gleichmässig fein ausgeschiedenem Graphiteutektikum.
Unter eutektischer Graphitausbildung ist gemäss Eisen-Kohlenstoff-Silizium-Diagramm eine solche zu verstehen, die sich in feinster Verteilung beim oder in der Nähe des eutektischen Punktes C'abschei- det bzw. bei einem Sättigungsgrad nach Jass bei einem solchen Gusseisen etwa zwischen den Werten von
0,9 und 1, 1. Unter feinster Verteilung ist hiebei eine Graphitlamellenlänge unter 3 mm bei 100facher
Vergrösserung gemeint, entsprechend einer Graphitgrösse 7 und 8, vgl. E. Piwowarsky, "Gusseisen", Aus- gabe 1951, Seite 206, Abb. 230. Hiebei kann dieser fein verteilte Unterkühlungs-Graphit sowohl in der entarteten ungerichteten Anordnung als Type D als auch in der nicht entarteten Anordnung Type E auftre- ten, vgl.
Giesserei 38 [1951], Seite 356, Bild 4 und Bild 5, wobei beide Typen zu nennen sind, da in der Praxis hier kaum ein Unterschied gemacht werden kann (vgl. Giesserei 48 [1961], Heft 23, Seite 690).
Wichtig dabei ist nur, dass es sich stets auch nur um primär aus der Schmelze ausgeschiedenen Graphit handelt und nicht etwa um einen Segregatgraphit, ausgeschieden aus einem y-Mischkristall, vgl.
C. Englisch :"Kolbenringe" [1958], Springer Verlag, Band 1, Seite 158.
Von C. Englisch in seinem Buch"Kolbenringe", Band 1, Seite 232, 4. Absatz, wird dabei weiterhin angegeben, dass eine eutektische Graphitausbildung wie die oben beschriebene gerade bei Kolbenringen im allgemeinen als keine besonders günstige Gefugeausbildung bezeichnet werden darf, was jedoch im vorliegenden Falle nicht zutrifft, weil es sich hiebei nicht um gewöhnliche Kolbenringe, sondern nur um im Warmbad vergütete Grauguss-Kolbenringe handelt, die beim Fehlen eines solchen eutektischen Graphitgefüges niemals auf höchste Festigkeit gebracht werden könnten.
Um im Gusseisen ein bestimmtes Graphitgefüge zu erzielen, wurden bislang hiefür im allgemeinen dem flüssigen Eisen im Schmelzofen oder in der Giesspfanne Ferrosilizium, Kalziumsilizium oder ähnlich wirkende Impfstoffe hinzugesetzt, von denen jedoch im vorliegenden Falle kein Gebrauch gemacht werden soll, da die bisher verwendeten Impfstoffe entweder zu stark, zu ungleichmässig oder zu kurzzeitig wirkend waren, so dass sie sich alle zur Herstellung einer Schmelze für Gusseisen mit besonders gleichmässiger und einheitlicher eutektischer Graphitausbildung nicht eigneten. Um das letztere Ziel mit Sicherheit zu erreichen, wurde deshalb erfindungsgemäss gerade das normale Impfen eines flüssigen Gusseisens in der Giesspfanne verlassen und allein auf eine spezielle Schmelzbehandlung im Ofen übergegangen.
Von den bekannteren Verfahren zur Herstellung einer Gusseisenschmelze mit eutektischer Graphitausbildung bei der Erstarrung seien hiebei zunächst nur die drei wichtigsten genannt, nämlich erstens die Einstellung des Eisens auf eine möglichst eutektische chemische Zusammensetzung, zweitens die Schmelz- überhitzung mit Einhaltung bestimmter Temperaturen und Überhitzungszeiten und drittens das Behandeln der Schmelze mit bestimmten Schlacken und Gasen.
Von allen diesen Verfahren unterscheidet sich das im nachfolgenden beschriebene grundlegend dadurch, dass es sich hiebei um kein flüssiges Eisen handelt, dessen Graphitausscheidung nur verfeinert werden soll, und auch um kein Eisen, das nur in der Giesspfanne
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geimpft werden soll, sondern um ein Eisen, das weiss oder meliert erstarren würde, wenn es nicht durch eine ganz bestimmte Behandlungsweise im Schmelzofen dahin gebracht würde, dass seine spätere Erstarrung schliesslich zu einer ausserordentlich einheitlichen und gleichmässigen eutektischen Graphitausbildung im Gefüge führt.
Gemäss der Erfindung besteht diese besondere Schmelzbehandlung des flüssigen Gusseisens also nun darin, dass zunächst von einer Beschaffenheit des Eisens ausgegangen wird, die zu weiss oder meliert erstarrenden Gussteilen führen würde. Dies ist z. B.. mittels Abschreck-Probekeilen in Sandformen, deren dünnes Ende auf einer Eisenplatte scharf abgekühlt wird, an Hand der verschieden hohen hiebei erzielten Weisseinstrahlungen bzw. Einstrahltiefen sehr leicht festzustellen, so dass mit dieser Einstrahltiefe gleichzeitig eine Anhaltszahl für das Ausmass der weiteren notwendigen Nachbehandlungen der Schmelze gegeben ist.
Zu dem Zeitpunkt dieser Vorprüfungen des flüssigen Eisens soll sich letzteres dabei zunächst in seiner sogenannten ersten Erschmelzungsstufe befinden, in der es nur notwendig ist, das flüssige Eisen mit einer möglichst inaktiven kohlenstofffreien Schlacke zu bedecken, d. h. beispielsweise einer Schlacke, die aus aufgestreutem Formsand oder Glasscherben gebildet wird, um so den Zutritt von Luftsauerstoff zum Bade zu verhüten und damit eine, weitgehende Stabilität des im Ofen befindlichen Eisens, insbesondere in bezug auf seine Neigung zu Graphitausscheidungen, zu erreichen.
Erfindungsgemäss soll danach diese erste Schlacke von der Schmelze wieder abgezogen und auf die zweite Erschmelzungsstufe des Eisens übergegangen werden, die darin besteht, das flüssige Eisen mit einer Schicht Schuppengraphit zu bedecken, wobei dieser Schuppengraphit so lange auf der Schmelze verweilen soll, bis beim Erstarren der Schmelze mit einem ausreichenden Grauwerden gerechnet werden kann. Wie zahlreiche Untersuchungen dieses Eisens der zweiten Behandlungsstufe gezeigt haben, ist jedoch auch diese Behandlungsstufe noch nicht als ein optimaler Zustand des flüssigen Eisens für den vorliegenden Zweck zu bezeichnen, da die Erstarrung eines solchen Eisens aus der zweiten Stufe in der Regel immer noch zu einem sehr unregelmässigen Gefüge führt, d. h. mit groben und feinen Graphitnestern nebeneinander.
Um ein einheitliches und gleichmässiges fein-
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die darin besteht, nach der Einwirkungszeit des Schuppengraphits diesen nochmals vom blanken Metallbad zu entfernen und wieder durch eine neue, möglichst inaktive kohlenstofffreie Schlacke wie diejenige in der ersten Erschmelzungsstufe zu ersetzen. Wie bereits angedeutet, ist es die Aufgabe dieser dritten Behandlungsstufe, die unregelmässigen Graphitausscheidungen der zweiten Behandlungsstufe wieder zu beseitigen, indem jetzt, erneut unter einer gegen atmosphärische Einflüsse schützenden Schlackendecke, nur die zu grober Graphitbildung fahrenden Keime im flüssigen Eisen aufgeschmolzen werden, während die Neigung zu fein eutektischer Graphitbildung dabei noch gut aufrecht erhalten bleibt.
Wiederum ist auch diese jetzt verbesserte Graphitausbildung leicht mittels Abschreck-Probenkeilen wie in der ersten Erschmelzungsstufe des flüssigen Eisens nachzuweisen, wobei sich in der Praxis ungefähr folgende Veränderungen ergeben :
Erste Erschmelzungsstufe : 15 mm Einstrahltiefe.
Eisen erstarrt zu weiss bzw. zu stark meliert.
Zweite Stufe : 20 min Behandlung mittels Schuppengraphit :
Eisen erstarrt mit unregelmässiger Graphitausbildung.
Dritte Stufe : 10 mm Einstrahltiefe.
Eisen erstarrt mit einheitlicher feineutektischer
Graphitausbildung.
Die Vorteile, die mit oben genanntem neuen Schmelzbehandlungsverfahren zu erzielen sind, sind mannigfacher Art und bestehen vor allem darin, dass 1. man auf diese Weise von früher sehr labilen und den schwer beherrschbaren Schmelzbehandlungsznständen eines weiss oder meliert erstarrenden Gusseisens jetzt zu einem äusserst stabilen und gut einstellbaren Schmelzzustand gelangt ist, und dass man 2. mit dem auf einem blanken Bad befindlichen Schuppengraphit eine viel schnellere Graphitisierbarkeit des Eisens erreicht als beispielsweise durch dem Bad zugesetztes hochprozentiges Ferrosilizium, durch dessen Silizium in der Regel nur Anfangs-, aber keine nachhaltigen Erfolge erzielt werden, weil es in einer
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Abgesehen von einem möglichst niedrigen Siliziumgehalt bei höchsten Graphitbildungsgeschwindigkeiten in einem Eisen ist es natürlich auch erwünscht, dass diese höchsten Graphitbildungsgeschwindigkeiten bei gleichzeitig niedrigstem Kohlenstoffgehalt im Eisen erfolgen, wobei sich in der Tat die oben beschriebene Sonderbehandlung des flüssigen Eisens mittels Schuppengraphit zwischen zwei Schlackenbehandlungen immer wieder als das günstigste erwiesen hat.
Um zu einem grau erstarrenden Gusseisen mit feinster Graphitausbildung zu gelangen, wäre es natürlich das beste, wenn schon das Ausgangseisen durch Wahl seiner Zusammensetzung und eine entsprechende Schmelzüberhitzung diesem Zustand von vornherein entspräche, ohne besondere Nachbehandlung erst notwendig zu machen. Leider ist jedoch in der Praxis das Erreichen eines solchen optimalen Schmelzzustandes des Ausgangseisens eben sehr häufig nicht möglich und ist dieser optimale Zustand sozusagen überfahren worden, d. h. das Ausgangseisen hat bereits eine zu grosse Neigung zur Weiss- und Melierterstarrung bekommen.
In diesem Falle, und dies ist gerade der Gegenstand der Erfindung, muss dann also die Schmelze wieder rückläufig auf eine entsprechende Grauerstarrung gebracht werden, u. zw. ohne dabei weder eine zu starke noch eine zu grobe Graphitausbildung zu verursachen. Nur weil aber gerade hierin in der Praxis bei der grossen Empfindlichkeit eines solchen eutektischen Gusseisens eine besondere Schwierigkeit besteht, mussten aber nun zur Überwindung solcher Schwierigkeiten zunächst sehr viele Versuche ausgeführt werden, die schliesslich zum vorliegenden Verfahren einer dreistufigen Schmelzbehandlung geführt haben.
Für die Praxis eignet sich das obengenannte Verfahren besonders für die Herstellung von grau erstarrenden und anschliessend zu vergütenden Kolbenringen, die nur bei ausgesprochen feiner eutektischer Graphitausbildung sich am besten giessen lassen und hernach beim Vergüten zu den höchsten Festigkeitseigenschaften gelangen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Gusseisen mit eutektischer Graphitausbildung, dadurch gekennzeichnet, dass eine weiss oder meliert erstarrende Schmelze in der Weise nachbehandelt wird, dass Schuppengraphit zwischen zwei Behandlungen mit kohlenstofffreien Schlacken auf der blanken Metallschmelze kurzfristig zur Einwirkung gebracht wird.
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Process for the production of cast iron with eutectic graphite formation, in particular for piston rings
Processes for refining the graphite precipitates in gray-hardening cast iron types are already known in large numbers. The subject matter of the invention, on the other hand, is a method for converting cast iron that is already tending to or mottled solidification back into a gray solidifying iron, u. between one with a graphite eutectic that is particularly uniformly finely separated.
According to the iron-carbon-silicon diagram, eutectic graphite formation is to be understood as one which is finely distributed at or near the eutectic point C 'or, with a degree of saturation according to Jass, between the values for such a cast iron from
0.9 and 1, 1. Under the finest distribution, a graphite lamella length of less than 3 mm is 100 times as long
Enlargement meant, corresponding to a graphite size 7 and 8, cf. E. Piwowarsky, "Gusseisen", edition 1951, page 206, fig. 230. This finely distributed supercooling graphite can occur both in the degenerate non-directional arrangement as type D and in the non-degenerate arrangement type E, see.
Giesserei 38 [1951], page 356, Fig. 4 and Fig. 5, whereby both types are to be mentioned, since in practice hardly a difference can be made here (cf. Giesserei 48 [1961], issue 23, page 690).
The only important thing here is that it is always only graphite precipitated primarily from the melt and not, for example, a segregated graphite precipitated from a y mixed crystal, cf.
C. English: "Piston Rings" [1958], Springer Verlag, Volume 1, Page 158.
C. Englisch in his book "Piston Rings", Volume 1, Page 232, 4th Paragraph, further states that a eutectic graphite formation such as that described above, especially in the case of piston rings, may not be described as a particularly favorable structure formation, which however does not apply in the present case, because these are not ordinary piston rings, but only gray cast iron piston rings tempered in a hot bath, which in the absence of such a eutectic graphite structure could never be brought to the highest strength.
In order to achieve a certain graphite structure in cast iron, ferrosilicon, calcium silicon or similar vaccines have generally been added to the liquid iron in the melting furnace or in the pouring ladle, which, however, should not be used in the present case, as the vaccines previously used either were too strong, too unevenly or too briefly acting, so that they were all unsuitable for the production of a melt for cast iron with a particularly uniform and uniform eutectic graphite formation. In order to achieve the latter goal with certainty, according to the invention the normal inoculation of a liquid cast iron in the pouring ladle was abandoned and only a special melting treatment in the furnace was switched over.
Of the more well-known processes for producing a cast iron melt with eutectic graphite formation during solidification, only the three most important ones should be mentioned here, namely firstly adjusting the iron to a chemical composition that is as eutectic as possible, secondly overheating the melt with adherence to certain temperatures and overheating times, and thirdly that Treating the melt with certain slags and gases.
The one described below differs fundamentally from all these processes in that it is not a matter of liquid iron, the graphite precipitation of which is only to be refined, and also no iron that is only in the ladle
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should be inoculated, but about iron that would solidify white or mottled if it were not treated in a very specific way in the furnace so that its subsequent solidification ultimately leads to an extraordinarily uniform and even eutectic graphite formation in the structure.
According to the invention, this special melting treatment of the liquid cast iron consists in the assumption that the iron is initially of a quality that would lead to cast parts solidifying white or mottled. This is e.g. B .. by means of quenching test wedges in sand molds, the thin end of which is sharply cooled on an iron plate, on the basis of the different levels of white irradiation or irradiation depths achieved, so that with this irradiation depth at the same time a reference number for the extent of the further necessary after-treatments the melt is given.
At the time of these preliminary tests of the liquid iron, the latter should initially be in its so-called first melting stage, in which it is only necessary to cover the liquid iron with a carbon-free slag that is as inactive as possible, i.e. H. For example, a slag that is formed from scattered molding sand or broken glass in order to prevent the entry of atmospheric oxygen into the bath and thus to achieve a high degree of stability of the iron in the furnace, especially with regard to its tendency to graphite precipitates.
According to the invention, this first slag should then be withdrawn from the melt again and transferred to the second melting stage of the iron, which consists in covering the liquid iron with a layer of flake graphite, this flake graphite should remain on the melt until it solidifies Melt can be expected to turn gray sufficiently. As numerous studies of this iron of the second treatment stage have shown, however, this treatment stage cannot yet be described as an optimal state of the liquid iron for the present purpose, since the solidification of such iron from the second stage is usually still too great leads to an irregular structure, d. H. with coarse and fine graphite nests next to each other.
In order to achieve a uniform and even fine
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which consists in removing the flake graphite from the bare metal bath again after the exposure time and replacing it with a new, preferably inactive, carbon-free slag like the one in the first melting stage. As already indicated, the task of this third treatment stage is to remove the irregular graphite precipitations of the second treatment stage by melting only the coarse graphite formation germs in the liquid iron, again under a layer of slag protecting against atmospheric influences, during the inclination too fine eutectic graphite formation is still well maintained.
Again, this now improved graphite formation can easily be verified by means of quenching sample wedges as in the first melting stage of molten iron, with approximately the following changes occurring in practice:
First melting stage: 15 mm irradiation depth.
Iron solidifies too white or mottled too much.
Second stage: 20 min treatment with flake graphite:
Iron solidifies with irregular graphite formation.
Third stage: 10 mm irradiation depth.
Iron solidifies with uniform fine eutectic
Graphite training.
The advantages that can be achieved with the above-mentioned new melt treatment process are manifold and consist primarily in the fact that 1. In this way, from previously very unstable and difficult to control melt treatment conditions of a white or mottled solidifying cast iron now to an extremely stable and A well-adjustable melting state has been reached, and that 2. with the flaky graphite on a bare bath, the iron can be graphitized much more quickly than, for example, by adding high-percentage ferrosilicon to the bath, the silicon of which usually only achieves initial, but no lasting successes because it's in a
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Apart from the lowest possible silicon content at the highest graphite formation speeds in an iron, it is of course also desirable that these highest graphite formation speeds take place at the same time with the lowest carbon content in the iron, with the above-described special treatment of liquid iron using flake graphite between two slag treatments has proven to be the most beneficial.
In order to achieve a gray solidifying cast iron with the finest graphite formation, it would of course be best if the starting iron would correspond to this condition from the outset by choosing its composition and corresponding melt overheating, without requiring any special post-treatment. Unfortunately, in practice, however, it is very often not possible to achieve such an optimal melting state of the starting iron and this optimal state has, so to speak, been exceeded, ie. H. the starting iron has already got too great a tendency to solidify white and mottled.
In this case, and this is precisely the subject matter of the invention, the melt must then be brought back to a corresponding gray solidification, u. without causing either too strong or too coarse graphite formation. However, just because there is a particular difficulty in practice with the great sensitivity of such a eutectic cast iron, a large number of experiments had to be carried out to overcome such difficulties, which ultimately led to the present method of a three-stage melting treatment.
In practice, the above-mentioned process is particularly suitable for the production of piston rings that solidify gray and then need to be tempered, which can only be best cast with extremely fine eutectic graphite formation and then achieve the highest strength properties during tempering.
PATENT CLAIMS:
1. A method for the production of cast iron with eutectic graphite formation, characterized in that a white or mottled solidifying melt is aftertreated in such a way that flake graphite is briefly brought into action on the bare metal melt between two treatments with carbon-free slag.