Die vorliegende Erfindung betrifft einen Modifikator, der in der Hüttenindustrie bei der Erzeugung von Roheisen mit Kugelgraphit und bei der Herstellung von eisen- und kohlenstoffhaltigen Legierungen eingesetzt werden kann.
Der genannte Modifikator findet beim Modifizieren von Roheisen mit unterschiedlichem Schwefelgehalt (etwa 0,15 Gew.- /0) zwecks Festigkeitserhöhung von Grauguss und Erzeugung von sphärolitischem Graphit, Desoxydation, Entgasung, Beseitigung der schädlichen Wirkung von Beimengungen und Verbesserung physikalisch-mechanischer Eigenschaften von Kohlenstoff- und Komplex-Stählen und Legierungen, Herstellung von Elektroden, Vergütung von Stahlblöcken, darunter auch bei Elektroschlacken-Umschmelzen von Stahl und der Beseitigung von Gussfehlern Verwendung. Die Modifikatoren können zur Verbesserung der Eigenschaften von Stahl bei dessen kontinuierlicher Erzeugung sowie zur Qualitätserhöhung von Hochofeneisen (bei Erzeugung von raffiniertem Giessereiroheisen) eingesetzt werden.
Bekannt sind Modifikatoren, die zum Modifizieren von Roheisen zwecks Gewinnung von sphärolitischem Graphit benutzt werden, sowie Stahlmodifikatoren. Diese Modifikatoren können als Legierung, einzelne Metalle, mechanische Gemische und Briketts vorkommen.
Bekannt ist ein Modifikator in Legierungsform mit folgender Zusammensetzung: 30 bis 32 Gew.-O/o Magnesium, 3 bis 4 Gew.-01o Kalzium, 9 bis 10 Gew.-O/o Seltenerdmetalle, 5 bis 7 Gew.- /0 Eisen, Rest-Silizium (US-Patentschrift Nr. 3 306 737).
Der erwähnte Modifikator ist mit einer Reihe von Nachteilen behaftet, die seinen Anwendungsbereich wesentlich einschränken. Der hohe Gehalt an Magnesium, das im Vergleich zur Temperatur von flüssigem Roheisen einen niedrigen Siedepunkt aufweist, bewirkt einen intensiven Pyroeffekt und eine reichliche Rauchentwicklung mit Auswürfen von Schmelzgut aus der Pfanne. Bei seinem Einsatz sind daher spezielle Sicherheitseinrichtungen (Kammern, geschlossenen Sonderpfannen, Autoklaven) mit intensiver Absaugung von anfallenden Gasen erforderlich. Widrigenfalls führt das Modifizieren bei fehlenden Sondervorrichtungen (z. B. bei der Einführung mit Hilfe einer Ausgussglocke gemäss der Patentschrift) eine erhöhte Vergasung der Betriebsabschnitte herbei.
Das Modifizieren von Gusseisen mittels Modifikatoren mit hohem Gehalt an Magnesium, das zu einem bestimmten Augenblick einen Karbidbildner darstellt, führt dazu, dass selbst dickwandige Güsse (Wanddicke von 50 bis 80 mm) vor der Wärmebehandlung (im gegossenen Zustand) mit einer Hartgussschicht kristallisiert werden. Das Metallgefüge dieser Güsse weist Karbide auf, die den Festigkeitsund Dehnungswert stark herabsetzen und die mechanische Bearbeitung erschweren. Zur Zerlegung von Karbiden muss eine Hochtemperaturbehandlung von Güssen (Tempern) vorgenommen werden, was ihre Herstellungstechnologie verteuert.
Das Modifizieren von Gusseisen mit dem erwähnten Modifikator mit einem hohen Ausgangsgehalt an Schwefel beseitigt nicht einen spezifischen Fehler bei Güssen aus Kugelgraphitgusseisen: die Bildung von schwarzen Stellen (Oxyd- und Sulfideinschlüsse von Magnesium in Form von Sandstellen), die die physikalisch-mechanische Eigenschaften der Güsse stark beeinträchtigen. Ein niedriger Gehalt an Kalzium liefert keine Möglichkeit, seinen aktiven Einfluss im Bestande vom Modifikator auf die Entschwefelung und Desoxydation von Legierungen auszunutzen. Ein hoher Gehalt an Magnesium und ein niedriger Gehalt an Kalzium bieten keine Möglichkeit, den Modifikator zum Modifizieren von Kohlenstoff- und Komplexstählen zu verwenden. Gemäss der US-Patentschrift wird Kalzium in einer Menge von 0,01 bis 0,03 Gew.-01o in das Roheisen eingeführt.
Mit einer solchen Kalziummenge kann eine sehr geringe Schwefelmenge entfernt werden. Bei der Behandlung von im Kupolofen er schmolzenem Gusseisen zwecks Gewinnung von Kugelgraphit muss eine grosse Menge von Schwefel (über 0,05 %), Sauerstoff und schädlichen Beimengungen daraus entfernt bzw. neutralisiert werden. Als Entschwefelungsmittel gelangen somit im wesentlichen kostspieligere Bestandteile, d. h.
Magnesium und Seltenerdmetalle, zum Einsatz, was einen beträchtlichen Verbrauch an Magnesium und Seltenerdmetallen und infolgedessen einen erhöhten Verbrauch an Modifikator bei der Erzeugung von Gusseisen mit Kugelgraphit mit sich bringt.
Der Anwendung eines solchen Modifikators steht auch die Tatsache im Wege, dass die Temperatur von für das Modifizieren empfohlenem Gusseisen nicht unter 1480 "C sein darf, während die besten Ergebnisse in der Sphärolitisierung von Graphit bei einer Temperatur des zu behandelnden Gusseisens von nicht über 1450 "C erreicht werden, zumal die Erzeugung von Gusseisen mit einer Temperatur von mehr als 1480 "C in solchen Schmelzöfen wie Kupolofen zur Zeit auf beträchtliche technische Schwierigkeiten stösst.
Bekannt ist ein Modifikator, der 30 Gew.-01o Magnesium, 20 Gew.-O/o Kalzium, 40 Gew.- /0 Silizium, 2,5 Gew.-01c Aluminium, 0,5 Gew.-01o Mangan und 7 Gew.-% Eisen enthält (Kusakava R. Jap. pat. 2207, 10.05.53). Dieser Modifikator hat einen hohen Magnesiumgehalt, weshalb ihm die gleichen Nachteile wie demjenigen gemäss der US-Patentschrift eigen sind. Das Nichtvorhandensein von Seltenerdmetallen in seiner Zusammensetzung liefert keine Möglichkeit, ihn zur Gewinnung von Gusseisen mit Kugelgraphit beim Modifizieren von Ausgangsroheisen einzusetzen, das solche desphärolitisierende Beimengungen wie Arsen, Wismut, Titan enthält.
Bei der Erzeugung von dickwandigen Güssen (Wanddicke über 120 mm) ist es praktisch auch unmöglich, Kugelgraphit über dem gesamten Querschnitt zu erhalten.
Wegen hohem Magnesiumgehalt haben die bekannten Modifikatoren: Mg-Ca-Ni-FeSi (15 Gew.-01o Mg, 15 Gew.- /0 Ca, 15 Gew.- /0 Ni, 45 Gew.-01o FeSi, 10 Gew.-O/o Fe); Mg-Cu- SiCa (12 bis 20 Gew.-% Mg, 20 Gew.-01o Cu, 60 bis 68 Gew.-01o SiCa); Mg-SiCa-FeSi (12 Gew.-01o Mg, 38 Gew.-01o SiCa, 50 Gew.-0!o FeSi) ähnliche Nachteile.
Weitverbreitet sind Modifikatoren in Form von Ligaturen: Mg-Si-Fe, Mg-Ni, Mg-Cu, Mg-Si-Fe-Ce, Mg-Ni-Ce zur Erzeugung von Gusseisen mit Kugelgraphit. Zu ihren Nachteilen ist Folgendes zu zählen:
1. Sie bieten alle keine Möglichkeit, Güsse ohne Hartguss schicht zu erzeugen, zu deren Beseitigung die Wärmebehandlung verwendet oder das sogenannte Sekundärmodifizieren durchgeführt werden muss.
2. Das Modifizieren wird von reichlicher Rauchentwicklung und Pyroeffekt und bei einem Magnesiumgehalt von mehr als 7 Gew.-0!o in den Ligaturen Mg-Si-Fe, Mg-Ni und Mg-Cu (mit oder ohne Zer) und Pfannenauswürfen begleitet.
3. Der Einsatz von den erwähnten Modifikatoren bringt die Bildung von schwarzen Stellen bei den Güssen aus Gusseisen mit Kugelgraphit mit sich. Unter Verwendung dieser Ligaturen sind starke Entschwefelung von Ausgangsroheisen, Erhöhung der Bearbeitungszugaben sowie Benutzung der Nachbehandlung von Gusseisen nach Modifizieren mit Sonderflussmitteln (z. B. Kryolith), die für das Bedienungspersonal gesundheitsschädlich sind, erforderlich.
4. Nach dem Modifizieren weist das Gusseisen eine erhöhte Neigung zur Schwindfehlerbildung auf. Zur Erzeugung von schwindporen- und lunkerfreien Güssen muss daher eine komplizierte Ausrüstung verwendet werden.
5. Selbst mit erhöhtem Verbrauch an Modifikator gelingt es bei der Herstellung von dickwandigem Guss nicht immer, den Kugelgraphit über dem gesamten Querschnitt zu erhalten.
6. Die genannten Modifikatoren sind für die Behandlung von Kohlenstoff- und Komplexstählen ungeeignet, weil ihre Zusammensetzung kein Kalzium aufweist, dass ein Sphärolitisier-, Raffinier- und Entgasungsvermögen besitzt.
7. Wenig geeignet sind die erwähnten Modifikatoren für die Gewinnung von hochfestem Grauguss mit ferritischem oder austenitischem metallischem Grundgefüge.
Die Nachteile von Magnesium als Modifikator sind allgemein bekannt. Wenig geeignet für diesen Zweck sind auch Briketts, die 15 Gew.-% Mg und 85 Gew.- /0 Eisenpulver enthalten.
Unter Verwendung von Seltenerdmetallen in Form einer Legierung Eisen-Zer-Magnesium und Zer-Lanthan-Eisen und Seltenerdmetalle ergibt sich keine Möglichkeit, fast bei allen Schmelzverfahren von Gusseisen den Kugelgraphit beständig zu erhalten.
In der japanischen Praxis sind OZ- und KS-Verfahren verbreitet. Zu diesem Zweck finden Silikokalzium mit niedrigem Magnesiumgehalt (etwa 3 Gew.- /0) sowie Fluoride von Magnesium und Seltenerdmetalle Verwendung. Die OZ- und KS-Verfahren sind für im Kupolofen erschmolzenes Gusseisen mit hohem Schwefelgehalt und für das Modifizieren von Stahl ungeeignet. Sogar bei schwefelarmen Gusseisen gewährleisten die OZ- und KS-Verfahren keine Erzeugung von Kugelgraphit über dem gesamten Querschnitt von dickwandi gen Güssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Modifikator zu schaffen, der ein erhöhtes Raffinier-, Sphärolitisierund Modifiziervermögen aufweist, wodurch der Verbrauch an Modifikator abnimmt, die Güsse aus modifiziertem Gussei sen ohne Hartgussschicht kristallisiert werden, keine schwarzen Stellen und minimale Vorschwindausdehnung aufweisen, die zu modifizierenden Legierungen erhöhte physikalisch-mechanische Eigenschaften, feingemahlenes Gefüge der Metallbasis und hohe Bildsamkeit, darunter auch bei tiefen Temperaturen, besitzen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Modifikator, der Magnesium, Kalzium, Seltenerdmetalle, Eisen und Silizium enthält, erfindungs gemäss die genannten Bestandteile in folgenden Mengen in Gew.-0/o aufweist: 2,1 bis 9,0 Magnesium, 4,1 bis 22,0 Kalzium, 0,01 bis 25,0 von mindestens zwei Seltenerdmetallen, 5,0 bis 25,0 Eisen, Rest-Silizium.
Neben dem Vorhandensein von Seltenerdmetallen bieten niedriger Magnesium- und erhöhter Kalziumgehalt die Möglichkeit, den vorliegenden Modifikator zum Modifizieren von Gusseisen mit erhöhtem Schwefelgehalt (etwa 0,15 /0) bei dessen relativ niedrigem Verbrauch, geringerem Pyroeffekt und Rauchentwicklung oder vollkommen ohne diese zu verwenden. Ausserdem bietet der Einsatz des vorliegenden Modifikators die Möglichkeit, Güsse ohne Hartgussschicht und schwarze Stellen zu erzeugen, verbessert physikalischmechanische Eigenschaften von Gusseisen und Stahl, insbesondere Festigkeit, Kerbschlagzähigkeit, Dehnung und Verengung sowie Dämpfungsfähigkeit, Gestalt- und Verschleissfestigkeit.
Die Herstellung von Güssen ohne Hartgussschicht gestattet die Herstellungskosten von hochfestem Gusseisen mit Kugelgraphit aufgrund einer Kostensenkung von Tempern bei hohen Temperaturen beträchtlich herabzusetzen.
Im Gegensatz zu dem bekannten Modifikator (US-Patent Nr. 3 306 737), der zum Modifizieren von schwefelarmen Gusseisen eingesetzt wird, findet der vorliegende erfindungsgemässe Modifikator beim Modifizieren von flüssigem Stahl, von im Elektro-, Hoch- oder Kupolofen erschmolzenem bzw.
nach einem anderen Schmelzverfahren gewonnenem Roheisen, bei Bedarf mit einer Überhitzungstemperatur von weniger als 1450 "C und einem Schwefelgehalt von etwa 0,15 OIo Verwendung. Im Vergleich zu den bekannten Modifikatoren nimmt die Aneigung von Magnesium, Kalzium und Seltenerdmetallen unter Verwendung des Komplexmodifikators 1,5 bis 2fach zu. Wegen erhöhtem Verbrauch und der Unmöglichkeit, die Kugelgraphitform über dem gesamten Querschnitt des Gusses zu erhalten, sind die bekannten Modifikatoren (z. B. Si-Mg-Fe) für die Behandlung von schwefelreichem Gusseisen praktisch unanwendbar.
Das Modifizieren von Gusseisen austenitischer Klasse mit dem vorliegenden Modifikator bietet die Möglichkeit, die Dehnungswerte im Vergleich zu dem mit einer Nickel-Magnesium-Ligatur modifi zierten Gusseisen der gleichen Klasse um das Anderthalbbis Zweifache zu erhöhen. Die Zugfestigkeit und Schwingungsbelastung von Kohlenstoff- und legierten Stählen erhöht sich um 10 bis 30 % und die Dehnungswerte (Kerbschlagzähigkeit, spezifische Dehnung, Verengung) vermehren sich um das Anderthalb- bis Zweifache.
Die Porenfreiheit der Gussteile aus dem mit Hilfe des Komplexmodifikators gewonnenen hochfesten Gusseisen ist höher als die des gleichen, mit Hilfe der bekannten Modifikatoren und Ligaturen gewonnenen Guss eisens. Dies bietet die Möglichkeit, Güsse mit einem Mindestverbrauch an Metall für Anschnittsystem, verlorene Köpfe und Einlaufwülste zu erzeugen.
Es ist zweckmässig, dass der erfindungsgemässe Modifikator zusätzlich Bor, Vanadium, Mangan, Molybdän, Nickel, Kupfer und Chrom in einer Menge von 0,1 bis 17 Gew.-0/o in Kombination oder einzeln enthält.
Die genannten Legierungsmetalle dienen dazu, die Aufnehmbarkeit des Modifikators zu erhöhen und Sondereigenschaften (z. B. Verschleissfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit) der zu behandelnden Legierung zu verleihen. Die Einführung von Bor und Vanadium gemeinsam mit den anderen Bestandteilen des Modifikators bietet die Möglichkeit, neben der gemeinsamen Erhöhung der Dehnungswerte von Stahl das Korn in Stahl zu verfeinern und die Gusshärte in den verschiedenen Querschnitten auszugleichen. Der Mechanismus des Modifizierens mit dem borhaltigen Modifikator verläuft in zwei Richtungen: Unterkühlung und daher zwangsläufige Kristallisation hinsichtlich der Anderung von freier Energie des Systems, einerseits, und Schaffung künstlicher Kristallisationskeime, andererseits.
Mangan, Molybdän, Nickel, Kupfer und Chrom, die zusätzlich im Modifikator enthalten sein können, dienen zum Raffinieren und Legieren von Metall, zur Erhöhung der Festigkeit (1,2 bis 1,5fach) und der Dehnungswerte (1,3 bis 1,7fach) von Gusseisen und Stahl. Die erwähnten Metalle wandeln ausserdem das Gefüge der Metallbasis der zu behandelnden Legierung um, verleihen der letzteren erhöhte Verschleissfestigkeit (Erzeugung von Gusseisen mit perlitischem anstatt ferritisch-perlitischem Grundgefüge), Korrosionsbeständigkeit (aufgrund des Verfeinerns und Mikrolegierens der Metallbasis) sowie verbessern die Dämpfungsfähigkeit von Gusseisen (d. h. die Fähigkeit von Gusseisen Schwingungsbelastungen zu dämpfen) durch Verminderung der Korngrössen von Graphiteinschlüssen und erhöhen deren Menge bei ein- und demselben gemeinsamen Kohlenstoffgehalt.
Die in die Zusammensetzung des Modifikators eingehenden Bestandteile bieten die Möglichkeit, das spezifische Gewicht des Modifikators um 0,3 bis 1,7 g/cm3 zu vergrössern, was die Einführung des Modifikators ins Metall vereinfacht, den Grad dessen Aneignung erhöht, Verluste an Magnesium, Kalzium und Seltenerdmetallen für Pyroeffekt und Rauchentwicklung sowie dessen Verbrauch herabsetzt.
Der erfindungsgemässe Modifikator enthält 0,01 bis 17 Gew /0 Aluminium.
Aluminium stellt ein starkes Desoxydationsmittel für Stahl dar und seine Verwendung in der Zusammensetzung des Modifikators verstärkt seine Desoxydationsfähigkeit und setzt den Verbrauch an modifizierenden Bestandteilen, die in die Zusammensetzung des Modifikators eingehen, für die Verminderung von Sauerstoff in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen herab.
Eine besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Modifikator in Form einer Legierung ausgebildet ist. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beruht darauf, dass der Modifikator in Form eines mechanischen Gemisches vorliegt.
Die besten Ergebnisse werden in der Regel unter Verwendung des Modifikators als Legierung erreicht. In einer ganzen Reihe von Fällen steht jedoch seine Gewinnung in Legierungsform mit grossen technischen Schwierigkeiten in Verbindung.
Der Modifikator kann auch als mechanisches Gemisch vorliegen. Das Gemisch kann je nach Erfordernissen aus einer Legierung und anderen Metallen mit willkürlicher Zusammensetzung bestehen und in Form von Briketts aufbereitet werden. Der erfindungsgemässe Modifikator in Brikettform kann unter Verwendung von Bindemitteln (z. B. Wasserglas) oder ohne diese, aber mit anschliessendem Pressen, hergestellt werden. Die Anwendung des brikettförmigen mechanischen Gemisches bietet die Möglichkeit, Gusseisen mit Kugelgraphit bei ein- und demselben gesamten Verbrauch an Modifikator dadurch beständig zu erzeugen, dass der brikettförmige Modifikator ein einheitliches Ganzes und nicht einzeln eingeführte Bestandteile, wie im Fall der Einführung des mechanischen Gemisches, darstellt.
Der Verbrauch an Modifikator bei dessen Einführung in Form eines Gemisches mit den vorliegenden Metallen nimmt im Vergleich zu dessen Verbrauch bei der Einführung in Form einer Legierung zum Erreichen des gleichen Effekts um das 1,1 bis 1,5fache zu. Die Anwendung von mechanischen Gemischen ist bei Kleinserienfertigung am zweckmässigsten, wo z. B. eine kleine Partie Gussteile mit speziellen Eigenschaften erzeugt werden muss (Teile, die unter Verschleissbedingungen beansprucht werden oder erhöhte Dehnungswerte erfordern).
Hier wird nun ein Modifikator vorgeschlagen, der Magnesium, Kalzium, Seltenerdmetalle, Eisen, Silizium enthält, wobei er erfindungsgemäss die erwähnten Bestandteile in folgenden Mengen in Gew.-0/o aufweist: 2,1 bis 9 Magnesium, 4,1 bis 22,0 Kalzium, 0,01 bis 25 Seltenerdmetalle (zumindest zwei), 5,0 bis 25,0 Eisen, Rest-Silizium.
Es wurde festgestellt, dass der Modifikator mit dem angegebenen Verhältnis der Bestandteile für Stahl und Gusseisen am meisten universal beim Modifizieren von Gusseisen, dar unter auch mit erhöhtem Schwefelgehalt (etwa 0,15 /0) am wirksamsten ist, eine starke Raffinierwirkung (etwa um das
1,5 bis 6fach hohe als die von Magnesium und Seltenerdme tallen sowie Silikokalzium, Ferrosilikokalzium, Ferromangan und anderen Desoxydationsmitteln) aufweist, bei der Behand lung von Stahl die Möglichkeit bietet, dessen Güte, Festig- keit, insbesondere Dehnungswerte zu erhöhen und den Ge halt an Oxyden, Nitriden und Sulfiden um das Mehrfache zu vermindern. Bekanntlich bringt die Einführung von Modifika toren mit erhöhtem Magnesiumgehalt ins Flüssigmetall reich liche Rauchentwicklung, Pyroeffekt und Auswürfe mit sich.
Deswegen erfordern die Modifikatoren mit einem Magnesi umgehalt von mehr als 9 /n (insbesondere solche wie
Mg-Ni, Mg-Si-Fe, Mg-Cu) den Einsatz von Sicherheitsein richtungen. Magnesium ist ebenfalls ein starker Karbidbild ner in Gusseisen während der Kristallisation. Bei der Behand lung von Gusseisen bildet Magnesium Karbide (MgC2 oder
Mg2C3), die als Zentren für die Bildung von Eisenkarbiden dienen, und bewirkt' somit die Erzeugung von Güssen mit
Hartgussschicht. Bei der Behandlung von Gusseisen mit Mo difikatoren mit erhöhtem Magnesiumgehalt ohne andere mo difizierende und graphitisierende Bestandteile wird daher
Gusseisen in der Regel mit Hartgussschicht, d. h. mit hoher Härte, und dadurch mit erhöhter Sprödigkeit kristallisiert.
Es ist zu betonen, dass die Behandlung von Stahl mit einem Modifikator mit erhöhtem Magnesiumgehalt (insbesondere über 9 /0) wegen einer hohen Temperatur der Schmelze (die Temperatur von flüssigem Stahl beträgt über 1500 "C) praktisch unmöglich ist. Die Einführung eines solchen Modifikators in den Stahl und sogar ins Gusseisen mit einer tieferen Temperatur wird von beträchtlichen Auswürfen begleitet, und der Modifikator verbrennt, ohne reagiert zu haben. Die Aneignung des Modifikators mit hohem Magnesiumgehalt ist gering.
Aufgrund des Karbideffekts, der zum erstenmal bei der Untersuchung des Mechanismus zur Bildung von Kugelgraphit im Gusseisen gefunden wurde, wurde festgestellt, dass dieser durch den Zerfall von Modifizierkarbiden entsteht.
Ihr fast diffusionsloser Zerfall führt die Bildung von amorphen Graphitkeimen herbei. Das amorphe Gefüge der Keime bestimmt das Graphitwachstum in Form von Sphäroiden voraus. Aufgrund der durchgeführten Untersuchungen wurde gefunden, dass Kalzium ein stärkeres raffinierendes und sphärolitisierendes Metall als Magnesium ist. Seine Wirkung tritt aber im allgemeinen bei Vorhandensein von einer geringeren Menge von Magnesium und Seltenerdmetallen zutage. Kalzium kann Karbide von vier monotropen Modifikationen mit Kohlenstoff bilden, von denen nur die erste und vierte in Dimensionen ihrer Gitterkonstanten denen des Eisenkarbids entsprechen. Die günstigsten Bedingungen für die Bildung des Kalziumkarbids der ersten und vierten Modifikation sind nur bei der Einführung von Kalzium gemeinsam mit Magnesium oder Seltenerdmetallen möglich.
Magnesium und Seltenerdmetalle bilden selbst Karbide, deren Gitterkonstanten denen des Eisenkarbids nahe sind, und beeinflussen somit auch die Modifikation des Kalziumkarbid. In die Zusammensetzung des Modifikators werden daher Magnesium und Seltenerdmetalle eingeführt. Die entstehenden Kalziumkarbide sind in diesem Fall weniger beständig als Ma gnesium- und Seltenerdmetallkarbide. Bereits während der Kristallisation von Gusseisen und während dessen anschliessender Abkühlungszeit zerfallen sie deswegen mit hohen Geschwindigkeiten. Somit bewirkt Kalzium die Bildung von Kugelgraphit und die Beseitigung der Hartgussschicht bei Eisengussstücken. Ein Modifikator mit niedrigem Magnesium- und erhöhtem Kalziumgehalt wird in Anwesenheit von Seltenerdmetallen gut mit Flüssigmetall aufgenommen, ohne dass er praktisch Rauchentwicklung und einen Pyroeffekt verursacht.
Die Aneignung solch eines Modifikators mit flüssigem Metall beträgt 85 bis 95 /0.
Bekanntlich stellt Kalzium (in Reinform oder als Bestandteil von Legierungen) ein stärkeres Desoxydations- und Entschwefelungsmittel als Magnesium dar. Die chemische Aktivität gegenüber Schwefel ist bei Kalzium um das 1 ,6fache höher als bei Magnesium, Kalzium, das in die Zusammensetzung des Modifikators eingeht, entschwefelt das Gusseisen intensiv, raffiniert den Stahl, und die entstandenen Kalziumsulfide gehen im Gegensatz zu den Magnesiumsulfiden intensiver auf die Oberfläche von Flüssigmetall (in die Schlacke) wegen geringerer Benetzbarkeit mit flüssigem Eisen über.
Es ist somit eine der Ursachen, dass die Gussteile aus Gusseisen mit Kugelgraphit keine schwarzen Stellen aufweisen. In der Praxis der Flussstahlgewinnung findet auch die Entschwe felung von Metall mit Hilfe von basischen Schlacken, deren Basis kalziumhaltige Stoffe bilden, weitgehende Verwendung. Es ist ein weiterer indirekter Beweis für die Wichtigkeit des erhöhten Kalziumgehaltes im Modifikator. Bei der Erzeugung von Gusseisen mit Kugelgraphit werden je nach dem Ausgangsgehalt an Schwefel 0,05 bis 0,4 /o Gew.-0/o Kalzium in der Zusammensetzung des Modifikators in flüssiges Gusseisen eingeführt, das für Entschwefelung, Entgasung des Gusseisens und Sphärolitisierung des Graphits verbraucht wird.
Unter den Seltenerdmetallen ist Yttrium besonders wertvoll. Aufgrund von Untersuchungen nimmt es in seinem sphärolitisierenden Einfluss auf die Graphitform den dritten Platz, nach Kalzium und Magnesium ein. Es hat jedoch viele Vorteile, sogar Magnesium und Kalzium gegenüber: hohe Sie detemperatur und hohes spezifisches Gewicht. Dem Komplexmodifikator mit Yttrium muss man daher den Vorzug geben, besonders beim Modifizieren von Stahl. Unter den Sel tenerdmetallen sind Zer und Lanthan für die Modifizierzwecke von Gusseisen am wenigsten geeignet. Die Scheidung der Seltenerdmetalle ist unwirtschaftlich und kann nicht mehr für die Modifizierzwecke von Eisen-Kohlenstoff Legierungen verwirklicht werden. Es wird daher vorgeschla gen, mindestens zwei Seltenerdmetalle in die Zusammenset zung des Komplexmodifikators einzuführen.
In einer Reihe von Fällen muss man ferner den Seltenerdmetallen der Yttri um- und nicht Zergruppe den Vorrang geben. Da Kalzium die Basis der vorliegenden Modifikatoren bildet, so können sämtliche, zumindest jedoch zwei Seltenerdmetalle Verwen dung finden. Wie Untersuchungen zeigten, ist - was den Ein fluss von reinen Seltenerdmetallen auf die Vorgänge der Gra phitbildung und den Zerfall von Primärkarbiden im Gussei sen anbetrifft - der Einsatz der Seltenerdmetallen im Kom plex am wirksamsten (z. B. Yttrium-Holmium, Zer-Lanthan,
Gadolinium-Skandium usw.) Dabei wird mit einem im Ver gleich zur einzelnen Einführung eines reinen Seltenerdme talls geringeren Gesamtverbrauch an Seltenerdmetallen im
Komplex der gleiche Effekt erzielt.
Je nach dem Gehalt an
Schwefel, Arsen, Wismut, Titan in der zu behandelnden Aus gangslegierung wird eine unterschiedliche Menge von Sel tenerdmetallen in den Komplexmodifikator eingeführt. Gerin ger Magnesium- und erhöhter Seltenerdmetallgehalt findet vorzugsweise beim Modifizieren von Stahl und Gusseisen mit niedrigem Schwefelgehalt Verwendung. Mit niedrigem
Magnesiumgehalt kann man in allen Fällen Gusseisen mit Ku gelgraphit erzeugen. Dabei nimmt jedoch der Verbrauch am
Modifikator zu.
Das Verfahren zum Herstellen des Modifikators in Form einer Legierung und sogar eines mechanischen Gemisches macht die Verwendung unterschiedlicher Einsatzstoffe erforderlich, deren Zusammensetzung Begleit- oder Zwangsbe standteile aufweist. Zwangsbestandteile sind in der Zusam mensetzung des Komplexmodifikators Silizium und Eisen.
Sie fördern aber die Erzeugung der Güsse ohne Hartguss schicht, mit minimaler Schwindung sowie eine bessere Aneig nung des Modifikators. Dabei vergrössert der höhere Eisen gehalt im Modifikator sein spezifisches Gewicht. Die Beglei telemente üben auf den Modifiziervorgang von Eisen-Kohlen stoff-Legierungen keinen Einfluss aus. Ihr Gehalt ist daher nicht besonders zu beachten. Aluminium ist auch ein Begleit metall (es liegt im Modifikator vorzugsweise in einer Menge von 0,01 bis 3 Gew.-% vor). In vielen Fällen aber ist seine Anwendung, darunter auch in erhöhten Mengen, d. h. etwa 17 Gew.-0/o zweckmässig, weil es ein starkes Desoxydationsmittel ist und somit die Verminderung des Verbrauchs am Modifikator bewirkt. Es ist am zweckmässigsten, einen erhöhten Aluminiumgehalt in der Zusammensetzung des Modifikators beim Modifizieren von Stahl zu verwenden.
Der Gehalt an Seltenerdmetallen in der Zusammenset zung des Modifikators richtet sich nach vielen Faktoren. Ein niedriger Gehalt an Seltenerdmetallen kann beim Modifizie ren von Legierungen ohne schädliche Beimengungen (Arsen, Antimon, Wismut, Titan in Ausgangsroheisen und Stahl) zulässig sein. Beim Modifizieren von Stahl und Gusseisen, die aus Erzen gewonnen wurden, die die aufgezählten Demodifikatoren (Arsen, Antimon, Wismut, Titan) enthalten, ist es im Gegenteil zweckmässig, wenn in der Zusammensetzung des Modifikators ein erhöhter Gehalt an Seltenerdmetallen vorliegt, weil diese den schädlichen Einfluss der Demodifikatoren auf das Gefüge und die Eigenschaften von Gusseisen und Stahl neutralisieren. Ein erhöhter Gehalt an Seltenerdmetallen bei einem geringen Magnesiumgehalt muss für den Fall vorliegen, wenn die Betriebsbedingungen überhaupt keine Rauchentwicklung zulassen.
Der Modifikatorverbrauch mit erhöhtem Gehalt an Seltenerdmetallen ist ebenfalls geringer und darauf kommt es besonders an, wenn der Siliziumgehalt in Stahl oder Gusseisen nach den Betriebsbedingungen nicht erhöht werden darf.
Der Modifikator, der vorzugsweise Nickel, Mangan, Chrom, Molybdän, Vanadium enthält, reagiert ruhig mit Gusseisen und gewährleistet die Bildung eines erwünschten Gefüges der Metallbasis, insbesondere des hochfesten Gusseisens mit perlitischem Gefüge. Der Aneignungsgrad des Modifikators, der Legierungselemente enthält, nimmt zu, und ihr Vorhandensein in der Zusammensetzung des Modifikators bietet die Möglichkeit, Aufgaben bei der Erzeugung von Güssen aus spezielle Eigenschaften (Verschleissfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit) aufweisenden Eisen-Kohlenstoff-Legierungen zu lösen. Die Legierungselemente sind in der Zusammensetzung des Modifikators mit Rücksicht auf ihren Einfluss auf Karbidbildung, Austenitzerfall und Haltepunkte gewählt. So wird die Wirkung von Nickel im Gusseisen mit dem graphitisierenden Einfluss von Silizium beim sekundären Modifizieren verglichen.
In vielen Fällen haben alle aufgezählten Elemente viel gemeinsames, doch ist ihre Wirkung zugleich verschieden. Da Magnesium, Kalzium, Seltenerdmetalle zur Karbidbildung beitragen, so kann dieser Vorgang entwickelt oder abgebremst werden. Bei hohen Temperaturen darf die Karbidbildung keine Entwicklung erfahren. Dies wird aufgrund des komplexen Einflusses von Silizium, Kalzium, Magnesium, Seltenerdmetallen, einerseits, und Kupfer, Nickel, Mangan, Vanadium, Chrom, andererseits, erreicht. Bei Temperaturen der eutektoiden Umwandlung aber, wenn z. B. ein perlitisches Gefüge im Gusseisen mit Kugelgraphit gebildet werden muss, wird der Einfluss von Legierungs-, Modifizierund Graphitisierelementen entgegengesetzt sein. Hier spielen Chrom, Vanadium, Mangan, Nickel, Kupfer eine positive und Silizium, Kalzium, Magnesium und Seltenerdmetalle eine negative Rolle.
Nur ihre Kombination gewährleistet in gegossener Form ein bestimmtes Gefüge der Metallbasis bei den Gussteilen (z. B. ferritisches bzw. ferritisch-perlitisches Gefüge im Gusseisen mit Kugelgraphit mit einem Mindestgehalt an Legierungselementen in der Zusammensetzung des Modifikators und im perlitischen Gefüge mit deren Höchstgehalt sowie - in einzelnen Fällen - das Härtegefüge, das sich durch eine erhöhte Verschleissfestigkeit und Härte auszeichnet). Menge und Grösse der Graphiteinschlüsse hängen auch vom Gehalt an Legierungs-, Modifizier- und Graphitisierbestandteilen ab. Die Regelung von Menge und Grösse der Graphiteinschlüsse im Gusseisen hat für die Ausbildung von maximal möglichen mechanischen Eigenschaften, Dämpfungsfähigkeit von Gusseisen, dessen Dünnflüssigkeit und der Porenfreiheit der Gussteile eine wichtige praktische Bedeutung.
Zahlenmässig können in die Zusammensetzung des Modifikators ein (z. B. bei der Behandlung von Stahl, dessen Zusammensetzung keine Begleiter von anderen Metallen zulässt) oder insgesamt zwei und mehrere Legierungselemente eingehen (je nach der Zusammensetzung des zu behandelnden Metalls). In die Zusammensetzung des Modifikators sind Bestandteile mit einer hohen Siede- und Dampfbildungstemperatur eingeführt (Kalzium, Seltenerdmetalle, Legierungsmetalle haben eine Dampfbildungstemperatur von mehr als 1800 "C), was die Möglichkeit liefert, die Rauchentwicklung und den Pyroeffekt beträchtlich herabzusetzen sowie die An eignung des Modifikators durch Flüssigmetall zu erhöhen. Zugleich sind die Seltenerdmetalle und Legierungselemente in ihrem spezifischen Gewicht dem des Flüssigmetalls nahe oder überschreiten es wesentlich.
Ihre Einführung in die Zusammensetzung des Modifikators bietet daher die Möglichkeit, sein spezifisches Gewicht zu erhöhen und somit den Verbrauch an Modifikator zu reduzieren, seine Aneignung zu steigern und die Rauchentwicklung und den Pyroeffekt zu mindern oder vollkommen zu beseitigen.
Der Volumenschwund (Lunker, Schwindporigkeit) von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die mit Ligaturen Mg-Si-Fe, Mg-Ni, Komplexmodifikatoren modifiziert sind, hängen von der Grösse der Vorschwindausdehnung von Gusseisen ab.
Die Untersuchungen zeigten, dass das Modifizieren mit dem Modifikator aufgrund der graphitisierenden Wirkung von Kalzium, Seltenerdmetallen und anderen Bestandteilen eine Senkung der Vorschwindausdehnung um das 1,5 bis 2,1 fache im Vergleich zu der des mit Magnesium, Ligaturen Mg-Si-Fe oder Mg-Ni modifizierten Gusseisens mit sich bringt.
Je nach den Betriebsbedingungen- und -forderungen können die Modifikatoren als Legierung, mechanisches Gemisch oder Briketts zum Einsatz gelangen. Dabei können mechanische Gemische sich aus den in die Zusammensetzung des Modifikators eingehenden Bestandteilen - in willkürlich gewählter Komposition - zusammensetzen.
Die als mechanisches Gemisch in die Zusammensetzung des Modifikators eingehenden Seltenerdmetalle können sowohl als Reinmetalle, als auch als deren Verbindungen Verwendung finden. Die durchgeführten Versuche zeigten, dass sich unter Verwendung von Verbindungen der Seltenerdmetalle im mechanischen Gemisch mit der Legierung Magnesium-Kalzium-Silizium-Eisen-Aluminium die Möglichkeit ergibt, durch die Bildung von ferritischem Gefüge der Metalle sis und feineren Kugelgraphiteinschlüssen die Dehnungswerte von Gusseisen mehr als um das 2fache zu erhöhen.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus den nachfolgenden Beispielen ersichtlich.
Beispiel 1
Bei der Einführung des Modifikators, der 4,7 Gew.-% Mg, 15,3 Gew,-0/o Ca, 7,6 Gew.-% Seltenerdmetalle, 19 Gew.-0/o Fe, 0,1 Gew.-% Al, Rest-Si enthält, ins Gusseisen mit einem Schwefelgehalt von 0,12 /0 gestattet er folgende Eigenschaften von Gusseisen (in gegossenem Zustand) zu erhalten:
: Mechanische Vor Nach Modi Eigenschaften Modi- fizieren von Gusseisen fizieren Biegefestigkeit, oisg kg/mm2 34 121,5 Zugfestigkeit, ab kg/mm2 16,5 56,2 Dehnungsverhältnis, 8 % 0,2 3,6 Kerbschlagzähigkeit, ak kp/cm2 0,1 2,3 Beispiel 2
Beim Modifizieren des Elektroofengusseisens mit einem Schwefelgehalt von 0,03 O!o mit dem Modifikator, der 3,2 Gew.-0/o Mg, 10,5 Gew.-0/o Ca, 4,2 Gew.-0/o Seltenerdmetall (Yttrium), 25 Gew,olo Fe, Rest-Si enthält, wurden im Vergleich zu den Eigenschaften des Gusseisens, das mit dem Modifikator gemäss der US-Patentschrift Nr. 3 306 737 unter anschliessendem Sekundärmodifizieren mit Ferrosilizium behandelt wurde, folgende Eigenschaften ermittelt:
: Mit dem gemäss der Mit dem erfindungsgemässen US-Patentschrift beschriebenen Modifikator modifiziertes Modifikator unter Gusseisen anschliessendem Sekundärmodifizieren modifziertes Gusseisen aisg ab 3 ak oisg ob 3 ak kg/mm2 kg/mmZ % kp/cm2 kg/mm2 kg/mm2 OIo kg/cm2 106,4 52,3 2,5 1,3 126,2 63,4 6,8 3,9 Beispiel 3
Mechanische Eigenschaften von Gusseisen austenitischer Klasse beim Modifizieren mit dem Modifikator in Legierungsform mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-%): 3,5 Mg, 9 Ca, 14 Seltenerdmetalle (Yttrium und Holmium), II Fe, Rest-Si, verglichen mit Gusseisen gleicher Klasse, das mit der Nickel-Magnesium-Ligatur unter anschliessender Wärmebehandlung zur Zerlegung von Karbiden modifiziert ist.
Mit der Ni-Mg-Ligatur Mit dem Modifikator modifiziertes modifiziertes Gusseisen (nach Gusseisen (in gegossenem Zustand) Wärmebehandlung) ob 3 ak ab 3 ak kg/mm2 % kplcm2 kg/mm2 OIo kplcm2 42,5 15,2 4,5 49,0 21,2 10,4 Beispiel 4
Mechanische Eigenschaften von Gusseisen austenitischer Klasse beim Modifizieren mit dem Modifikator mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-0/o): 4,2 Mg, 13,7 Ca, 5,2 Fe, Rest-Si;
5,8 Seltenerdmetalle 3 Ni (der Modifikator bestand aus Legierung Mg-Ca-Fe-Si und einzeln genommenen Seltenerdmetallen und Ni-mechanisches Gemisch), verglichen mit Gusseisen gleicher Klasse, das mit der Nickel-Magnesium-Ligatur unter anschliessendem Sekundärmodifizieren mit Ferrosilizium modifiziert ist:
Mit der Ni-Mg-Ligatur unter Mit dem Modifikator als anschliessendem mechanisches Gemisch Sekundärmofizieren modifiziertes Gusseisen modifiziertes Gusseisen ab 3 ak ab 3 kg/mm2 % kp/cm2 kg/mm2 / kp/cm2 38,4 11,5 3,7 43,5 24,1 15,6 Beispiel 5
Einwirkung des als Legierung genommenen Modifikators mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-%);
2,1 Mg, 21 Ca, 24,5 Seltenerdmetalle (mehr als zwei), 12 Fe, 3,0 Al, Rest-Si: Koh- Vor dem Modifizieren Nach dem Modifizieren lenstoffstahl- ab (yT 3* v ab aT 6 MJ sorte kg/mm2 kg/mm2 o/0 /0 kg/mm2 kg/mm2 o/0 o/0 50,0 31,0 21,0 - 60,0 35,0 24,0 2 54,0 - 15,0 - 64,0 - 18,0 3 60,0 35,0 18,0 28,0 66,0 52,0 - 35,0 * ab - Zugfestigkeit 6T - Zugfliessgrenze 8 - Dehnungsverhältnis - - Einschnürung Beispiel 6
Einwirkung des als Legierung verwendeten Modifikators mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-%):
3,0 mg, II Ca, 5,4 Seltenerdmetalle, 20 Fe; insgesamt 16,5 Cr, Ni, Mn, V, Rest-Si auf mechanische Eigenschaften von Komplexstählen:
Komplexstahl- Vor dem Modifizieren Nach dem Modifizieren sorte ab aT 3 w a ab aT 3 # ak kg/mm2 kg/m- % Clo kplcm2 kg/mm2 kg/m- % % kplcm2 m2 m2 (nach Normalglühen) 50,3 26,3 28,4 30,6 20 50,7 29,3 68,7 70,8 > 37 2 (nach Normalglühen,
Härten und Anlassen) 102,3 97,4 6,3 20,4 3 103,1 98,5 12,3 49,6 8 Technische Bedingungen für '100 '85 #12 '55 #10 longitudinal gestanzten und geschmiedeten 1 90 '77 1 6 #33 1 4 sehnen Stahl transversal Beispiel 7
Einwirkung des als Legierung verwendeten Modifikators mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-%):
4 Mg, 12 Ca, 7 Seltenerdmetalle, 18 Fe, 5 B, 12,5 Al, Rest-Si auf mechanische Eigenschaften von Kohlenstoff- und Komplexstählen:
Stahl Vor dem Modifizieren Nach dem Modifizieren #b #T # # αk #b #T # # αk kg/mm2 kg/mm2 010 010 kplcm2 kg/mm2 kg/mm2 % % kplcm2 Kohlenstoffstahl 62,0 34,0 16,0 24,0 - 69,0 54,0 20,0 37,0 Legierter Stahl 41,0 33,6 30,0 70 5,6* 50,8 38,3 31,0 79 14,4
28 37,0 Komplex- AFVN stahl 58,0 - 36,0 - - 62,0 - 50,0 - * Im Zähler des Bruches ist Kerbschlagzähigkeit von Stahl in gegossenem Zustand, im Nenner - nach Wärmebehandlung angegeben.
Beispiel 8
Einwirkung des Modifikators I und des Modifikators 2 auf Gefüge und Eigenschaften des Gusseisens. (Der Modifikator 2 unterscheidet sich von dem Modifikator 1 dadurch, dass insgesamt 15 10 Mn und Cu zusätzlich darin eingeführt sind).
Mit dem Modifikator 1 modifiziertes Mit dem Modifikator 2 modifizier Gusseisen tes Gusseisen kg/mm2 kg/mm2 010 kp/cm2 HB* Gefü- kg/mm2kg/mim20% kp/cm2 HB* Gefü aisg b 8 ak ge #isg ob 8 ak ge 125 62 6 3,4 198 KG 137 72 4,2 2,7 269 KG F, + P P * HB - Brinellhärte
KG- Kugelgraphit
F - Ferrit
P - Perlit Beispiel 9
Einwirkung des Modifikators mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-0/o): 6 Mg, 4,2 Ca, 5 Seltenerdmetalle, 15 Mn, 18 Fe, 0,2 Al, Fest-Si auf die Eigenschaften von Manganstahl:
:
Vor dem Modifizieren Nach dem Modifizieren ab T 3 ak ob T 3 ak kg/mm2 kg/mm2 % kplcm2 kglmm2 kg/mm2 /o kplcm2 60,0 25,0 40,0 100 80,0 37,0 58,0 24,0 Beispiel 10
Einwirkung des Modifikators mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-0/o): 5 Mg, 16 Ca, 6 Seltenerdmetalle, 17 Ni, 12 Fe auf die Eigenschaften von synthetischen Gusseisen, verglichen mit dem gleichen mit einer Nickel-Magnesium-Ligatur und Ferrosilizium behandelten Gusseisen (Zusammensetzung der Nicke!-Magnes!um-Ligatur: 85% Ni und 15% Mg).
Mit Ni-Mg-Ligatur und Mit dem Modifikator behandeltes Ferrosilizium behandeltes Gusseisen Gusseisen ab aT 3 ak ab aT 3 ak kg/mm2 kg/mm2 o/0 kplcm2 HB kg/mm2 kg/mm2 o/0 kplcm2 HB 63,0 51,0 5 2,5 229 70,3 59 9,7 7,2 229
Beispiel 11
Einwirkung des Modifikators mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-0!o): 8,7 Mg, 21,0 Ca, 0,01 Seltenerdmetalle, 17
Fe;
insgesamt 0,1 B, V, Mn, Mo, Ni, Cu, 0,01 Al, Rest-Si auf
Mit Fe-Si-Mg-Ligatur und Mit dem Modifikator behandeltes Ferrosilizium behandeltes Gusseisen Gusseisen ab aT 3 ak ab aT 3 ak kg/mm2 kg/mm2 % kp/cm2 kg/mm2 kg/mm2 % kplcm2 62,5 50,3 3 1.5 72,1 65,3 4 3 die Eigenschaften von synthetischem Gusseisen, verglichen mit dem mit Ligatur und zusätzlich mit Ferrosilizium behandelten Gusseisen: Beispiel 12
Einwirkung des als mechanisches Gemisch verwendeten Modifikators mit folgender Zusammensetzung (in Gew.- /o):
: 3 Mg, 12 Ca, 7,9 Seltenerdmetalle, 5,7 Al, 4,0 Ni, 3,0 Cu, 4,0 Mn, 3,0 Cr, 0,5 V, 16 Fe, Fest-Si auf die Eigenschaften von Komplexstahl Stahl Vor dem Modifizieren Nach dem Modifizieren ab aT 3 W ak ab (yT 3 V ak kg/mm2 kg/mm2 % 010 kp/cm2 HB kg/mm2 kg/mm2 % % kplcm2 HB Nach Normalglühen und Anlassen 78,0 53,0 16,0 40,0 6,6 217 80,0 60,5 19,5 57 12 217 Nach Härten und Anlassen 85,0 68,0 16,0 38,0 8 255 89,0 78 19,5 50 12 255 Beispiel 13
Die aus Gusseisen erzeugten Bauteile, das einen Ausgangsschwefelgehalt von Modifizieren von 0,15 Gew.-0/o aufweist und mit dem als mechanisches Gemisch verwendeten Modifikators mit folgender Zusammensetzung:
4 Gew.-O/o Magnesium, 22,0 Gew.-0/o Kalzium, 5 Gew.-01o Seltenerdmetalle, 1,0 Gew.-% Aluminium, 23,0 Gew.-0/o Eisen, (insgesamt) 8 Gew.-0/, Kupfer, Chrom, Nickel, Mangan, modifiziert ist, besit zen im Vergleich zu den aus Bronze hergestellten die dreifache und im Vergleich zu dem unmodifizierten Gusseisen der gleichen Zusammensetzung die zweifache Verschleissfestigkeit. Ausserdem weisen die aus Kohlenstoffstählen hergestellten Bauteile im Vergleich zu denen aus dem erwähnten modifizierten Gusseisen die um das 2fache erhöhte Verschleissfestigkeit auf.
Beispiel 14
Die aus dem gemäss Beispiel 13 modifizierten Gusseisen hergestellten Bauteile weisen die um das 1,5 bis 2fache erhöhte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu den aus dem nichtmodifizierten Gusseisen hergestellten Bauteile und die um das 1,2 bis 1,4fache erhöhte Korrosionsbeständigkeit als die aus Kohlenstoffstählen hergestellten Bauteile auf.
Beispiel 15
Einwirkung des erfindungsgemässen Modifikators auf die Entgasung von Gusseisen:
Im Vergleich zu dem Gusseisen der gleichen Zusammensetzung, das mit der Legierung Zer-Magnesium-Eisen oder der Ligatur Magnesium-Silizium-Eisen mit einem Magnesiumgehalt von etwa 12 0/0 und Mischmetallen behandelt ist, bietet der Modifikator mit folgender Zusammensetzung: 4,9 Gew.-0/o Magnesium, 3,1 Gew.-0/o Seltenerdmetalle, 21,9 Gew.-0/o Kalzium, 22,0 Gew.-0/o Eisen, 3,0 Gew.-% Aluminium, Rest-Chrom, die Möglichkeit, den Gehalt an Wasserstoff um das 2fache, Sauerstoff um das 15fache, Stickstoff um das 2fache zu vermindern.
The present invention relates to a modifier which can be used in the metallurgical industry in the production of pig iron with spheroidal graphite and in the production of iron and carbon-containing alloys.
The named modifier is used when modifying pig iron with different sulfur content (about 0.15% by weight) for the purpose of increasing the strength of gray cast iron and producing spherical graphite, deoxidation, degassing, eliminating the harmful effects of admixtures and improving the physical-mechanical properties of carbon - and complex steels and alloys, manufacture of electrodes, tempering of steel blocks, including also in electro-slag remelting of steel and the removal of casting defects. The modifiers can be used to improve the properties of steel in its continuous production as well as to increase the quality of blast furnace iron (in the production of refined foundry iron).
Modifiers are known which are used to modify pig iron for the purpose of obtaining spherical graphite, as well as steel modifiers. These modifiers can come as alloys, individual metals, mechanical mixtures, and briquettes.
A modifier is known in alloy form with the following composition: 30 to 32% by weight of magnesium, 3 to 4% by weight of calcium, 9 to 10% by weight of rare earth metals, 5 to 7% by weight of iron , Residual silicon (U.S. Patent No. 3,306,737).
The above-mentioned modifier suffers from a number of disadvantages which significantly limit its field of application. The high content of magnesium, which has a low boiling point compared to the temperature of liquid pig iron, causes an intensive pyro effect and an abundant smoke development with the ejection of molten material from the pan. When it is used, therefore, special safety devices (chambers, closed special pans, autoclaves) with intensive extraction of gases are required. Otherwise, if there are no special devices (e.g. when introducing with the aid of a pouring bell according to the patent), the modification leads to increased gasification of the operating sections.
The modification of cast iron by means of modifiers with a high content of magnesium, which at a certain moment represents a carbide former, means that even thick-walled castings (wall thickness of 50 to 80 mm) are crystallized with a chilled cast layer before the heat treatment (in the cast state). The metal structure of these castings contains carbides, which greatly reduce the strength and elongation values and make mechanical processing more difficult. In order to break down carbides, castings must be treated at high temperatures (tempering), which makes their production technology more expensive.
The modification of cast iron with the above-mentioned modifier with a high initial content of sulfur does not eliminate a specific defect in castings made of nodular cast iron: the formation of black spots (oxide and sulphide inclusions of magnesium in the form of sand spots), which affect the physical-mechanical properties of the castings severely affect. A low calcium content does not provide an opportunity to use its active influence as a part of the modifier on the desulfurization and deoxidation of alloys. A high level of magnesium and a low level of calcium do not provide an opportunity to use the modifier to modify carbon and complex steels. According to the US patent, calcium is introduced into the pig iron in an amount of 0.01 to 0.03 wt.
With such an amount of calcium, a very small amount of sulfur can be removed. When treating cast iron melted in a cupola for the purpose of obtaining spheroidal graphite, a large amount of sulfur (over 0.05%), oxygen and harmful additions must be removed or neutralized from it. Substantially more expensive components are used as desulfurizing agents, i.e. H.
Magnesium and rare earth metals, are used, which entails a considerable consumption of magnesium and rare earth metals and consequently an increased consumption of modifier in the production of spheroidal graphite cast iron.
The use of such a modifier is also prevented by the fact that the temperature of cast iron recommended for modification must not be below 1480 "C, while the best results in the spherulitization of graphite at a temperature of the cast iron to be treated of not above 1450" C, especially since the production of cast iron with a temperature of more than 1480 "C in such melting furnaces as cupola furnaces is currently encountering considerable technical difficulties.
A modifier is known which contains 30% by weight of magnesium, 20% by weight of calcium, 40% by weight of silicon, 2.5% by weight of aluminum, 0.5% by weight of manganese and 7% by weight - contains iron (Kusakava R. Jap. Pat. 2207, 05/10/53). This modifier has a high magnesium content, which is why it has the same disadvantages as that according to the US patent. The absence of rare earth metals in its composition does not provide the possibility of using it for the production of spheroidal graphite cast iron when modifying starting pig iron which contains such despherolitizing additions as arsenic, bismuth, titanium.
When producing thick-walled castings (wall thickness over 120 mm) it is also practically impossible to obtain spheroidal graphite over the entire cross-section.
Because of the high magnesium content, the well-known modifiers have: Mg-Ca-Ni-FeSi (15% by weight of Mg, 15% by weight of Ca, 15% by weight of Ni, 45% by weight of FeSi, 10% by weight) O / o Fe); Mg-Cu-SiCa (12 to 20 wt% Mg, 20 wt% Cu, 60 to 68 wt% SiCa); Mg-SiCa-FeSi (12% by weight of Mg, 38% by weight of SiCa, 50% by weight of FeSi) have similar disadvantages.
Modifiers in the form of ligatures are widely used: Mg-Si-Fe, Mg-Ni, Mg-Cu, Mg-Si-Fe-Ce, Mg-Ni-Ce for the production of spheroidal graphite cast iron. Their disadvantages include:
1. They all do not offer the possibility of producing castings without a chilled cast iron layer, the removal of which requires heat treatment or what is known as secondary modification.
2. The modification is accompanied by abundant smoke development and pyro-effect and with a magnesium content of more than 7% by weight in the ligatures Mg-Si-Fe, Mg-Ni and Mg-Cu (with or without cerium) and pans.
3. The use of the above-mentioned modifiers results in the formation of black spots in the cast iron with spheroidal graphite. When using these ligatures, strong desulphurisation of the starting pig iron, an increase in the machining allowances and the use of post-treatment of cast iron after modification with special fluxes (e.g. cryolite), which are harmful to the health of the operating personnel, are required.
4. After modification, the cast iron has an increased tendency to form shrinkage defects. Complicated equipment must therefore be used to produce castings free of shrinkage pores and voids.
5. Even with increased consumption of modifier, it is not always possible to maintain the spheroidal graphite over the entire cross-section when producing thick-walled castings.
6. The mentioned modifiers are unsuitable for the treatment of carbon and complex steels because their composition does not contain any calcium that has spherulitizing, refining and degassing properties.
7. The mentioned modifiers are not very suitable for the production of high-strength gray cast iron with a ferritic or austenitic metallic basic structure.
The disadvantages of magnesium as a modifier are well known. Briquettes containing 15% by weight of Mg and 85% by weight of iron powder are also not very suitable for this purpose.
Using rare earth metals in the form of an alloy iron-cerium-magnesium and cerium-lanthanum-iron and rare earth metals does not result in the possibility of maintaining nodular graphite consistently in almost all melting processes of cast iron.
OZ and KS methods are common in Japanese practice. For this purpose, calcium silicate with a low magnesium content (about 3% by weight) as well as fluorides of magnesium and rare earth metals are used. The OZ and KS processes are unsuitable for cast iron with a high sulfur content melted in a cupola furnace and for modifying steel. Even with low-sulfur cast iron, the OZ and KS processes do not guarantee that spheroidal graphite is generated over the entire cross-section of thick-walled castings.
The invention is based on the object of creating a modifier which has an increased refining, spherulitizing and modifying capacity, as a result of which the consumption of modifier decreases, the castings made from modified cast iron are crystallized without a chilled cast iron layer, have no black spots and minimal pre-draft expansion that leads to Modifying alloys have increased physical-mechanical properties, finely ground structure of the metal base and high malleability, including at low temperatures.
According to the present invention, this object is achieved in that the modifier, which contains magnesium, calcium, rare earth metals, iron and silicon, according to the invention has the stated components in the following amounts in weight percent: 2.1 to 9.0 Magnesium, 4.1 to 22.0 calcium, 0.01 to 25.0 of at least two rare earth metals, 5.0 to 25.0 iron, residual silicon.
In addition to the presence of rare earth metals, lower magnesium and increased calcium content offer the possibility of using the present modifier for modifying cast iron with increased sulfur content (about 0.15 / 0) with its relatively low consumption, lower pyro effect and smoke development or completely without them. In addition, the use of the present modifier offers the possibility of producing castings without a chilled cast layer and black spots, improves the physical-mechanical properties of cast iron and steel, in particular strength, notched impact strength, elongation and constriction, as well as damping, shape and wear resistance.
The production of castings without a chilled cast iron layer allows the production costs of high-strength spheroidal graphite cast iron to be reduced considerably due to a reduction in the cost of annealing at high temperatures.
In contrast to the known modifier (US Pat. No. 3,306,737), which is used to modify low-sulfur cast iron, the present inventive modifier is used in the modification of liquid steel, of which is melted in an electric, blast furnace or cupola.
Pig iron obtained by another smelting process, if necessary with a superheating temperature of less than 1450 "C and a sulfur content of about 0.15%. Compared to the known modifiers, the tendency of magnesium, calcium and rare earth metals to increase when using the complex modifier 1, Due to the increased consumption and the impossibility of maintaining the spheroidal graphite shape over the entire cross-section of the cast, the known modifiers (e.g. Si-Mg-Fe) are practically inapplicable for the treatment of high-sulfur cast iron.
The modification of cast iron of the austenitic class with the present modifier offers the possibility of increasing the elongation values by one and a half to two times compared to the cast iron of the same class modified with a nickel-magnesium ligature. The tensile strength and vibration load of carbon and alloy steels increase by 10 to 30% and the elongation values (notched impact strength, specific elongation, narrowing) increase by one and a half to two times.
The freedom from pores of the cast parts from the high-strength cast iron obtained with the help of the complex modifier is higher than that of the same cast iron obtained with the help of the known modifiers and ligatures. This offers the possibility of producing castings with a minimum consumption of metal for the gate system, lost heads and run-in beads.
It is expedient that the modifier according to the invention additionally contains boron, vanadium, manganese, molybdenum, nickel, copper and chromium in an amount of 0.1 to 17% by weight in combination or individually.
The alloy metals mentioned serve to increase the absorbability of the modifier and to give special properties (e.g. wear resistance, corrosion resistance) to the alloy to be treated. The introduction of boron and vanadium together with the other components of the modifier offers the possibility, in addition to the joint increase in the elongation values of steel, to refine the grain in steel and to compensate for the hardness of the casting in the various cross-sections. The mechanism of modification with the boron-containing modifier runs in two directions: supercooling and therefore inevitable crystallization with regard to the change in free energy of the system, on the one hand, and the creation of artificial crystallization nuclei, on the other.
Manganese, molybdenum, nickel, copper and chromium, which can also be contained in the modifier, are used to refine and alloy metal, to increase strength (1.2 to 1.5 times) and elongation values (1.3 to 1.7 times) ) of cast iron and steel. The metals mentioned also transform the structure of the metal base of the alloy to be treated, give the latter increased wear resistance (production of cast iron with a pearlitic instead of ferritic-pearlitic basic structure), corrosion resistance (due to the refinement and microalloying of the metal base) and improve the damping properties of cast iron ( ie the ability of cast iron to dampen vibration loads) by reducing the grain size of graphite inclusions and increasing their amount with one and the same common carbon content.
The components included in the composition of the modifier offer the possibility of increasing the specific weight of the modifier by 0.3 to 1.7 g / cm3, which simplifies the introduction of the modifier into the metal, increases the degree of its appropriation, losses of magnesium, Calcium and rare earth metals for the pyro effect and smoke development as well as its consumption decreases.
The modifier according to the invention contains 0.01 to 17% by weight of aluminum.
Aluminum is a powerful deoxidizer for steel and its use in the composition of the modifier enhances its ability to deoxidize and reduces the consumption of modifying ingredients that go into the composition of the modifier for the reduction of oxygen in iron-carbon alloys.
A particular embodiment of the present invention consists in that the modifier is designed in the form of an alloy. Another embodiment of the invention is based on the modifier being in the form of a mechanical mixture.
The best results are usually achieved using the modifier as an alloy. In a number of cases, however, its production in alloy form is associated with great technical difficulties.
The modifier can also be present as a mechanical mixture. Depending on requirements, the mixture can consist of an alloy and other metals with any composition and be prepared in the form of briquettes. The modifier according to the invention in briquette form can be produced using binders (e.g. waterglass) or without them, but with subsequent pressing. The use of the briquette-shaped mechanical mixture offers the possibility of consistently producing spheroidal graphite cast iron with one and the same total consumption of modifier, in that the briquette-shaped modifier represents a uniform whole and not individually introduced components, as in the case of the introduction of the mechanical mixture .
The consumption of modifier when it is introduced in the form of a mixture with the present metals increases by 1.1 to 1.5 times compared to its consumption when it is introduced in the form of an alloy to achieve the same effect. The use of mechanical mixtures is most appropriate in small series production, where z. B. a small batch of cast parts with special properties has to be produced (parts that are stressed under wear conditions or require increased elongation values).
A modifier is now proposed which contains magnesium, calcium, rare earth metals, iron, silicon, and according to the invention it has the mentioned constituents in the following amounts in weight percent: 2.1 to 9 magnesium, 4.1 to 22, 0 calcium, 0.01 to 25 rare earth metals (at least two), 5.0 to 25.0 iron, residual silicon.
It has been found that the modifier with the specified ratio of components for steel and cast iron is most universal in modifying cast iron, including most effective with increased sulfur content (about 0.15 / 0), a strong refining effect (about
1.5 to 6 times higher than that of magnesium and rare earth metals as well as silicon calcium, ferrosilicon calcium, ferromanganese and other deoxidizing agents), offers the possibility of increasing its quality, strength, in particular elongation values and the content when treating steel of oxides, nitrides and sulfides to be reduced several times. As is well known, the introduction of modifiers with increased magnesium content in the liquid metal brings with it rich smoke, pyro-effect and emissions.
Therefore, the modifiers with a magnesium content of more than 9 / n (especially those like
Mg-Ni, Mg-Si-Fe, Mg-Cu) the use of safety devices. Magnesium is also a strong carbide former in cast iron during crystallization. When cast iron is treated, magnesium forms carbides (MgC2 or
Mg2C3), which serve as centers for the formation of iron carbides, and thus causes the production of castings
Chilled cast layer. When treating cast iron with Mo difikatoren with increased magnesium content without other modifying and graphitizing components is therefore
Cast iron usually with a chilled cast layer, i.e. H. with high hardness, and thus crystallized with increased brittleness.
It should be emphasized that treating steel with a modifier with increased magnesium content (especially above 9/0) is practically impossible due to a high melt temperature (the temperature of liquid steel is above 1500 "C). The introduction of such a modifier in the steel and even in the cast iron with a lower temperature is accompanied by considerable ejection and the modifier burns without having reacted. The appropriation of the modifier with high magnesium content is poor.
Due to the carbide effect, which was first found when investigating the mechanism for the formation of spheroidal graphite in cast iron, it was found that this is caused by the decay of modifying carbides.
Their almost diffusion-free decay leads to the formation of amorphous graphite nuclei. The amorphous structure of the nuclei determines graphite growth in the form of spheroids. Based on the research carried out, it was found that calcium is a more refining and spherulitizing metal than magnesium. However, its effect is generally evident in the presence of a smaller amount of magnesium and rare earth metals. Calcium can form carbides of four monotropic modifications with carbon, of which only the first and fourth correspond to those of iron carbide in terms of their lattice constants. The most favorable conditions for the formation of the calcium carbide of the first and fourth modifications are only possible when calcium is introduced together with magnesium or rare earth metals.
Magnesium and rare earth metals themselves form carbides, the lattice constants of which are close to those of iron carbide, and thus also influence the modification of calcium carbide. Therefore, magnesium and rare earth metals are introduced into the composition of the modifier. In this case, the resulting calcium carbides are less resistant than magnesium and rare earth metal carbides. As a result, they disintegrate at high speeds during the crystallization of cast iron and during its subsequent cooling period. Calcium thus causes the formation of spheroidal graphite and the removal of the chilled cast layer in iron castings. A modifier with a low magnesium and high calcium content is well absorbed with liquid metal in the presence of rare earth metals, without practically causing smoke and a pyro effect.
The suitability of such a modifier with liquid metal is 85 to 95/0.
It is well known that calcium (in pure form or as a component of alloys) is a stronger deoxidizing and desulphurising agent than magnesium. The chemical activity against sulfur is 1.6 times higher with calcium than with magnesium, calcium, which is included in the composition of the modifier, the cast iron desulphurizes intensively, refines the steel, and the resulting calcium sulphides, in contrast to magnesium sulphides, are transferred more intensively to the surface of liquid metal (into the slag) because of their lower wettability with liquid iron.
It is therefore one of the causes that the castings made of spheroidal graphite cast iron do not have black spots. In the practice of mild steel production, the desulphurisation of metal with the help of basic slag, which is based on calcium-containing substances, is widely used. It is further indirect evidence of the importance of the increased calcium content in the modifier. In the production of spheroidal graphite cast iron, depending on the initial sulfur content, 0.05 to 0.4% by weight of calcium in the composition of the modifier is introduced into liquid cast iron, which is used for desulfurization, degassing of the cast iron and spherulitization of the Graphite is consumed.
Yttrium is particularly valuable among the rare earth metals. Based on research, it takes third place in its spherulitic influence on the graphite form, after calcium and magnesium. However, it has many advantages, even over magnesium and calcium: high temperature and high specific weight. The complex modifier with yttrium must therefore be given preference, especially when modifying steel. Of the rare earth metals, cerium and lanthanum are the least suitable for the purpose of modifying cast iron. The separation of the rare earth metals is uneconomical and can no longer be realized for the purpose of modifying iron-carbon alloys. It is therefore proposed to include at least two rare earth metals in the composition of the complex modifier.
Furthermore, in a number of cases, priority must be given to the rare earth metals of the yttri and not the zeroth group. Since calcium forms the basis of the present modifiers, all or at least two rare earth metals can be used. As studies have shown, when it comes to the influence of pure rare earth metals on the processes of graphite formation and the decay of primary carbides in cast iron, the use of rare earth metals in the complex is most effective (e.g. yttrium-holmium, cerium-lanthanum ,
Gadolinium scandium, etc.) This is compared to the individual introduction of a pure rare earth metal lower total consumption of rare earth metals in
Complex achieved the same effect.
Depending on the content of
Sulfur, arsenic, bismuth, titanium in the starting alloy to be treated, a different amount of rare earth metals is introduced into the complex modifier. Low magnesium and high rare earth content are preferred in modifying steel and cast iron with low sulfur content. With low
Magnesium content can be produced in all cases with cast iron with spherical graphite. However, consumption increases
Modifier to.
The process for producing the modifier in the form of an alloy and even a mechanical mixture requires the use of different starting materials, the composition of which has accompanying or compulsory components. In the composition of the complex modifier, silicon and iron are compulsory.
But they promote the production of casts without a chilled cast iron layer, with minimal shrinkage and better appropriation of the modifier. The higher iron content in the modifier increases its specific weight. The accompanying elements have no influence on the modification process of iron-carbon alloys. Your salary is therefore not particularly important. Aluminum is also a companion metal (it is preferably present in the modifier in an amount of 0.01 to 3% by weight). In many cases, however, its use, including in increased amounts, i.e. H. about 17% by weight is advisable because it is a strong deoxidizer and thus reduces the consumption of the modifier. It is most convenient to use an increased aluminum content in the composition of the modifier when modifying steel.
The content of rare earth metals in the composition of the modifier depends on many factors. A low content of rare earth metals can be permissible when modifying alloys without harmful admixtures (arsenic, antimony, bismuth, titanium in basic pig iron and steel). When modifying steel and cast iron obtained from ores that contain the demodifiers listed (arsenic, antimony, bismuth, titanium), it is, on the contrary, advisable if the composition of the modifier contains an increased content of rare earth metals, because these are the Neutralize the harmful influence of the demodifiers on the structure and properties of cast iron and steel. An increased content of rare earth metals with a low magnesium content must be present in the event that the operating conditions do not allow smoke to develop at all.
The modifier consumption with increased content of rare earth metals is also lower and this is particularly important if the silicon content in steel or cast iron must not be increased according to the operating conditions.
The modifier, which preferably contains nickel, manganese, chromium, molybdenum, vanadium, reacts calmly with cast iron and ensures the formation of a desired structure of the metal base, in particular the high-strength cast iron with a pearlitic structure. The degree of appropriation of the modifier, which contains alloying elements, increases, and their presence in the composition of the modifier offers the possibility of solving tasks in the production of castings from iron-carbon alloys with special properties (wear resistance, corrosion resistance). The alloying elements are selected in the composition of the modifier with regard to their influence on carbide formation, austenitzfall and breakpoints. The effect of nickel in cast iron is compared with the graphitizing influence of silicon during secondary modification.
In many cases, all the elements listed have much in common, but their effect is different at the same time. Since magnesium, calcium and rare earth metals contribute to the formation of carbides, this process can be developed or slowed down. The carbide formation must not develop at high temperatures. This is achieved due to the complex influence of silicon, calcium, magnesium, rare earth metals, on the one hand, and copper, nickel, manganese, vanadium, chromium, on the other hand. At temperatures of the eutectoid transformation, however, if z. If, for example, a pearlitic structure has to be formed in cast iron with spheroidal graphite, the influence of alloying, modifying and graphitizing elements will be opposite. Chromium, vanadium, manganese, nickel, copper play a positive role and silicon, calcium, magnesium and rare earth metals play a negative role.
Only their combination guarantees a certain structure of the metal base in the cast parts in the cast form (e.g. ferritic or ferritic-pearlitic structure in cast iron with spheroidal graphite with a minimum content of alloy elements in the composition of the modifier and in the pearlitic structure with their maximum content as well as - in individual cases - the hardness structure, which is characterized by increased wear resistance and hardness). The amount and size of the graphite inclusions also depend on the content of alloying, modifying and graphitizing components. The regulation of the amount and size of the graphite inclusions in cast iron has an important practical meaning for the development of the maximum possible mechanical properties, damping capacity of cast iron, its thin fluidity and the absence of pores in the cast parts.
In terms of numbers, the composition of the modifier can include one (e.g. when treating steel, the composition of which does not allow any other metals to be associated with it) or a total of two or more alloying elements (depending on the composition of the metal to be treated). In the composition of the modifier components with a high boiling and vapor formation temperature are introduced (calcium, rare earth metals, alloy metals have a vapor formation temperature of more than 1800 "C), which provides the possibility of considerably reducing the smoke development and the pyro-effect as well as the appropriation of the modifier At the same time, the specific gravity of the rare earth metals and alloying elements is close to or significantly greater than that of the liquid metal.
Their introduction into the composition of the modifier therefore offers the possibility of increasing its specific weight and thus reducing the consumption of modifier, increasing its appropriation and reducing or completely eliminating the smoke development and the pyro effect.
The volume shrinkage (cavities, shrinkage pores) of iron-carbon alloys that are modified with ligatures Mg-Si-Fe, Mg-Ni, complex modifiers depend on the size of the pre-shrinkage expansion of cast iron.
The investigations showed that the modification with the modifier due to the graphitizing effect of calcium, rare earth metals and other components, a reduction of the pre-wind expansion by 1.5 to 2.1 times compared to that with magnesium, ligatures Mg-Si-Fe or Mg-Ni modified cast iron with it.
Depending on the operating conditions and requirements, the modifiers can be used as an alloy, mechanical mixture or briquettes. Mechanical mixtures can be composed of the components that go into the composition of the modifier - in an arbitrarily chosen composition.
The rare earth metals which go into the composition of the modifier as a mechanical mixture can be used both as pure metals and as their compounds. The tests carried out showed that the use of compounds of rare earth metals in a mechanical mixture with the alloy magnesium-calcium-silicon-iron-aluminum results in the possibility of the elongation values of cast iron more than by the formation of ferritic structure of the metals and finer spheroidal graphite inclusions to increase 2 times.
Further objects and advantages of the present invention will be apparent from the following examples.
example 1
With the introduction of the modifier, the 4.7 wt .-% Mg, 15.3 wt .-% Ca, 7.6 wt .-% rare earth metals, 19 wt .-% Fe, 0.1 wt. -% Al, contains residual Si, in cast iron with a sulfur content of 0.12 / 0 it allows the following properties of cast iron (in the cast state) to be obtained:
: Mechanical Before After Modes Properties Modifying cast iron, flexural strength, oisg kg / mm2 34 121.5 tensile strength, from kg / mm2 16.5 56.2 elongation ratio, 8% 0.2 3.6 notched impact strength, ak kp / cm2 0.1 2.3 Example 2
When modifying the electric furnace cast iron with a sulfur content of 0.03% by weight with the modifier containing 3.2% by weight Mg, 10.5% by weight Ca, 4.2% by weight Rare earth metal (yttrium), containing 25% by weight of Fe, residual Si, the following properties were determined in comparison with the properties of the cast iron which was treated with the modifier according to US Pat. No. 3,306,737 with subsequent secondary modification with ferrosilicon :
: With the modifier modified according to the modifier described with the US patent according to the invention, under cast iron subsequent secondary modification, modified cast iron aisg from 3 ac oisg ob 3 ac kg / mm2 kg / mmZ% kp / cm2 kg / mm2 kg / mm2 OIo kg / cm2 106 , 4 52.3 2.5 1.3 126.2 63.4 6.8 3.9 Example 3
Mechanical properties of cast iron of austenitic class when modified with the modifier in alloy form with the following composition (in% by weight): 3.5 Mg, 9 Ca, 14 rare earth metals (yttrium and holmium), II Fe, residual Si, compared with cast iron of the same class, which is modified with the nickel-magnesium ligature with subsequent heat treatment to decompose carbides.
With the Ni-Mg ligature Modified cast iron modified with the modifier (after cast iron (in cast state) heat treatment) ob 3 ak from 3 ak kg / mm2% kplcm2 kg / mm2 OIo kplcm2 42.5 15.2 4.5 49, 0 21.2 10.4 Example 4
Mechanical properties of cast iron of austenitic class when modified with the modifier with the following composition (in% by weight): 4.2 Mg, 13.7 Ca, 5.2 Fe, remainder Si;
5.8 rare earth metals 3 Ni (the modifier consisted of the alloy Mg-Ca-Fe-Si and rare earth metals taken individually and a Ni-mechanical mixture), compared with cast iron of the same class, which was modified with the nickel-magnesium ligature with subsequent secondary modification with ferrosilicon is:
With the Ni-Mg ligature under With the modifier as a subsequent mechanical mixture Secondary certification Modified cast iron Modified cast iron from 3 ak from 3 kg / mm2% kp / cm2 kg / mm2 / kp / cm2 38.4 11.5 3.7 43, 5 24.1 15.6 Example 5
Effect of the modifier taken as an alloy with the following composition (in% by weight);
2.1 Mg, 21 Ca, 24.5 rare earth metals (more than two), 12 Fe, 3.0 Al, remainder-Si: Koh- Before modifying After modifying lenstoffstahl- ab (yT 3 * v from aT 6 MJ grades kg / mm2 kg / mm2 o / 0/0 kg / mm2 kg / mm2 o / 0 o / 0 50.0 31.0 21.0 - 60.0 35.0 24.0 2 54.0 - 15, 0 - 64.0 - 18.0 3 60.0 35.0 18.0 28.0 66.0 52.0 - 35.0 * ab - tensile strength 6T - tensile yield point 8 - elongation ratio - - constriction example 6
Effect of the modifier used as an alloy with the following composition (in% by weight):
3.0 mg, II Ca, 5.4 rare earth elements, 20 Fe; a total of 16.5 Cr, Ni, Mn, V, residual Si on mechanical properties of complex steels:
Complex steel- Before modification After modification grade from aT 3 wa from aT 3 # ak kg / mm2 kg / m-% Clo kplcm2 kg / mm2 kg / m-%% kplcm2 m2 m2 (after normalizing) 50.3 26.3 28.4 30.6 20 50.7 29.3 68.7 70.8> 37 2 (after normalizing,
Hardening and tempering) 102.3 97.4 6.3 20.4 3 103.1 98.5 12.3 49.6 8 Technical conditions for '100 '85 # 12 '55 # 10 longitudinally stamped and forged 1 90' 77 1 6 # 33 1 4 chords steel transversal example 7
Effect of the modifier used as an alloy with the following composition (in% by weight):
4 Mg, 12 Ca, 7 rare earth metals, 18 Fe, 5 B, 12.5 Al, residual Si on mechanical properties of carbon and complex steels:
Steel Before Modifying After Modifying #b #T # # αk #b #T # # αk kg / mm2 kg / mm2 010 010 cplcm2 kg / mm2 kg / mm2%% cplcm2 carbon steel 62.0 34.0 16.0 24.0 - 69.0 54.0 20.0 37.0 Alloy steel 41.0 33.6 30.0 70 5.6 * 50.8 38.3 31.0 79 14.4
28 37.0 Complex AFVN steel 58.0 - 36.0 - - 62.0 - 50.0 - * The numerator of the fracture indicates the notched impact strength of steel in the as-cast condition, the denominator - after heat treatment.
Example 8
Effect of modifier I and modifier 2 on the structure and properties of cast iron. (The modifier 2 differs from the modifier 1 in that a total of 15 10 Mn and Cu are additionally introduced therein).
Cast iron modified with modifier 1 Cast iron modified with modifier 2 kg / mm2 kg / mm2 010 kp / cm2 HB * structure kg / mm2kg / mim20% kp / cm2 HB * structure b 8 ak ge #isg ob 8 ak ge 125 62 6 3.4 198 KG 137 72 4.2 2.7 269 KG F, + PP * HB - Brinell hardness
KG spheroidal graphite
F - ferrite
P - perlite example 9
Effect of the modifier with the following composition (in wt. 0 / o): 6 Mg, 4.2 Ca, 5 rare earth metals, 15 Mn, 18 Fe, 0.2 Al, solid Si on the properties of manganese steel:
:
Before modifying After modifying from T 3 ak ob T 3 ak kg / mm2 kg / mm2% kplcm2 kglmm2 kg / mm2 / o kplcm2 60.0 25.0 40.0 100 80.0 37.0 58.0 24, 0 example 10
Effect of the modifier with the following composition (in% by weight): 5 Mg, 16 Ca, 6 rare earth metals, 17 Ni, 12 Fe on the properties of synthetic cast iron compared with the same with a nickel-magnesium ligature and ferrosilicon treated cast iron (composition of the Nicke! Magnes! um ligature: 85% Ni and 15% Mg).
With Ni-Mg ligature and Ferrosilicon treated with the modifier Cast iron from aT 3 ak from aT 3 ak kg / mm2 kg / mm2 o / 0 cplcm2 HB kg / mm2 kg / mm2 o / 0 cplcm2 HB 63.0 51, 0 5 2.5 229 70.3 59 9.7 7.2 229
Example 11
Action of the modifier with the following composition (in weight 0! O): 8.7 Mg, 21.0 Ca, 0.01 rare earth metals, 17
Fe;
a total of 0.1 B, V, Mn, Mo, Ni, Cu, 0.01 Al, remainder Si
With Fe-Si-Mg ligature and Ferrosilicon treated with the modifier Cast iron from aT 3 ak from aT 3 ak kg / mm2 kg / mm2% kp / cm2 kg / mm2 kg / mm2% kplcm2 62.5 50.3 3 1.5 72.1 65.3 4 3 the properties of synthetic cast iron compared with the cast iron treated with ligature and additionally with ferrosilicon: Example 12
Effect of the modifier used as a mechanical mixture with the following composition (in weight / o):
: 3 Mg, 12 Ca, 7.9 rare earth elements, 5.7 Al, 4.0 Ni, 3.0 Cu, 4.0 Mn, 3.0 Cr, 0.5 V, 16 Fe, solid Si on the Properties of complex steel Steel Before modification After modification from aT 3 W ak ab (yT 3 V ak kg / mm2 kg / mm2% 010 kp / cm2 HB kg / mm2 kg / mm2%% kplcm2 HB After normalizing and tempering 78.0 53.0 16.0 40.0 6.6 217 80.0 60.5 19.5 57 12 217 After hardening and tempering 85.0 68.0 16.0 38.0 8 255 89.0 78 19.5 50 12 255 Example 13
The components made from cast iron, which have an initial sulfur content of 0.15% by weight modification and with the modifier used as a mechanical mixture with the following composition:
4% by weight magnesium, 22.0% by weight calcium, 5% by weight rare earth metals, 1.0% by weight aluminum, 23.0% by weight iron, (total) 8% by weight, copper, chromium, nickel, manganese, modified, have three times the wear resistance compared to those made from bronze and twice the wear resistance compared to unmodified cast iron of the same composition. In addition, the components made from carbon steels have twice the wear resistance compared to those made from the aforementioned modified cast iron.
Example 14
The components made from the cast iron modified according to Example 13 have 1.5 to 2 times increased corrosion resistance compared to the components made from the unmodified cast iron and the 1.2 to 1.4 times increased corrosion resistance than the components made from carbon steels on.
Example 15
Effect of the modifier according to the invention on the degassing of cast iron:
Compared to the cast iron of the same composition treated with the alloy cerium-magnesium-iron or the ligature magnesium-silicon-iron with a magnesium content of about 12% and mixed metals, the modifier with the following composition offers: 4.9 0 / o by weight magnesium, 3.1 0 / o by weight rare earth metals, 21.9 0 / o by weight calcium, 22.0 0 / o by weight iron, 3.0% by weight aluminum, Remaining chromium, the possibility of reducing the hydrogen content by 2 times, oxygen by 15 times, nitrogen by 2 times.