CH646457A5 - Process and mould for producing castings from iron-carbon melts with spheroidal or compact graphite - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gussstücken aus Eisen-Kohlenstoff-Schmelzen mit Kugelgraphit oder Kompaktgraphit, bei welchem eine Schmelze geeigneter Zusammensetzung innerhalb einer im Eingussystem einer Form vorgesehener Zwischenkammer mit einer festgelegten Menge an Kugelgraphitbildnern behandelt und nachgeimpft wird, bevor sie in den Formhohlraum einströmt.

Die Vorteile der Behandlung von Gusseisenschmelzen mit Zusätzen zur Erzielung der kugeligen oder einer anderen kompakten Graphitausbildung in der Form gegenüber der Behandlung einer Schmelze mit solchen Zusätzen ausserhalb der Form, z.B. in einer Giesspfanne, sind bekannt und z.B. in DT-OS 1936 153 oder GB-PS 1 278 265 beschrieben. Als wesentliche Vorteile einer Behandlung mit Kugelgraphitbildnern in der Form sind zu nennen: Geringer Verbrauch an kugelgraphitbildenden Zusätzen, Vermeidung des Abklingeffekts und damit sichere Fertigung mit gewährleisteten physikalischen Eigenschaften der Abgüsse, Qualitätssicherung durch nur stichprobenweise Kontrollen nach statistischen Methoden, Reduzierung des Futterverschleisses, insbesondere an Induktionstiegelöfen bei Rücknahme des unbehandelten Basiseisens, die Möglichkeit, Formen mit dünnwandigem Guss bei den erforderlichen hohen Giesstemperaturen ohne nennenswerten Abbrand an Kugelgraphitbildnern abgiessen zu können, sowie ein Verfahrensablauf ohne Belastung der Umgebung und des Giessers durch Lichtblitze, Rauch und Dämpfe. Alle diese Vorteile führen in der Regel zu einer Verringerung des Herstellungsaufwandes.

In den letzten Jahren wurden verschiedene Verfahren zur Behandlung geeigneter Basisschmelzen mit Kugelgraphitbildnern in der Form entwickelt. So beschreibt DE-OS 19 36 153 eine Methode, bei der eine Zwischenkammer innerhalb des Eingussystems ausgeformt und mit einer entsprechenden Menge von Kugelgraphitbildnern gefüllt wird. Zur Lösung der Aufgabe einer gleichmässigen Behandlung des einströmenden Eisens über die gesamte Giesszeit werden komplizierte Parameterberechnungen angegeben und notwendig, was in der Praxis eine umfangreiche Arbeitsvorbereitung für jedes Gussstück bzw. Formplatte erfordert.

Gemäss der US-PS 36 58 115 wird zwischen Einguss und Formhohlraum ein Einsatz aus zwei mit Bohrungen versehenen Deckplatten angeordnet, zwischen denen sich das Impfmittel befindet. Das Material der Deckplatten soll einen so hohen Schmelzpunkt haben, dass es sich nicht zu schnell auflöst, andererseits aber so zusammengesetzt sein, dass bei allmählich durch den Schmelzfluss grösser werdenden Löchern in den Platten eine übermässige Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Gusses nicht stattfindet. Dieses Verfahren enthält keine Behandlungskammer.

In der DE-OS 24 18 966 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Gussstücken mit Kugelgraphit in einer Giessform beschrieben, bei der das Volumen einer in den Formhohlraum mündenden Behandlungskammer gleich der Summe der Volumina des herzustellenden Gussstückes und der Speiser ist, wobei die Behandlungskammer eingusseitig mit einem Syphon und gussstückseitig mit einem temporären und durch die gemeinsame Wirkung von Temperatur und Druck der Schmelze zerstörbaren Verschlussorgan abgeschlossen ist. Dieses Verschlussorgan besteht aus einer Blechplatte, deren Dicke und Zusammensetzung die Dauer des Widerstandes gegen Temperatur und Druck der Schmelze bestimmt, so dass die Impfung in der Behandlungskammer während der Zeit erfolgt, die zur Zerstörung des Verschlussorgans notwendig ist. Unmittelbar stromabwärts wird hinter diesem Verschlussorgan eine Trennplatte aus neutralem feuerfestem Material angeordnet, die einen ein desoxidie-rendes und nachimpfendes Behandlungsmittel enthaltenden Hohlraum aufweist.

5

10

IS

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

646457

Die DE-OS 26 11 278 beschreibt eine Methode der Formimpfung zur Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit, bei der mit zwei oder mehr Legierungskammern gearbeitet wird, die nacheinander vom einströmenden Metall durchflössen werden. Durch variabel bemessene Zusätze an lösungshemmenden Mitteln, vorzugsweise auf Eisenbasis, wird erreicht, dass in ein und derselben Form befindliche Gussstücke mit stark unterschiedlichem Gewicht mitgleich-mässig behandeltem Eisen gefüllt werden. Die Kammern arbeiten bei diesem Verfahren nicht gleichzeitig, sondern nacheinander, was bedeutet, dass sie eine Auflösung der Legierung in Perioden ermöglichen, die entweder weitgestuft sind oder aufeinanderfolgen.

Allen vorerwähnten Verfahren ist gemeinsam, dass die Behandlungskammern nach bestimmten Richtlinien in ihren Abmessungen abhängig vom jeweiligen Giessgewicht berechnet und ausgeformt werden müssen. Teilweise ist hierzu noch ein Vorversuch erforderlich. Für die Trennung der Reaktionsprodukte bzw. Schlacken nach Reaktion der Kugelgraphitbildner mit dem einströmenden Metall sind aufwendige Vorrichtungen oder ein kompliziertes, auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmtes und zu berechnendes Anschnittsystem erforderlich.

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine verbesserte Anwendungstechnik geschaffen werden, die die betriebliche Anwendung der Formimpfung mit Kugelgraphitbildnern vereinfacht und damit die Einsatzmöglichkeiten dieser umweltfreundlichen Technik erweitert. Das erfindungsge-mässe Verfahren ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet.

Dabei werden bevorzugt Cer, Didyn, Lithium, Magnesium, Strontium, Calcium, Barium, Lanthan oder Yttrium als kugelgraphitbildende Substanzen verwendet.

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Formvorrichtung im Schnitt entlang der Linie I-I der Fig. 2, und

Fig. 2 die Formvorrichtung der Fig. 1 im Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1.

Ein gesonderter, von der Formerei unabhängig hergestellter, innerhalb einer Zwischenkammer der Form angeordnet dargestellter Hohlkern 1, bildet die Behandlungskammer. Dieser Kern besteht aus Siliziumkarbid mit oder ohne Beimengungen von Ferro- und/oder Calcium-Silizium. Der Kern 1 hat zwei gegenüberliegende Leisten 5, welche die die äussere Mantelfläche des Kerns 1 umgebende Zwischenkammer 2, die sich später mit Eisen füllt, in zwei Abschnitte 2a und 2b unterteilen. Die Zwischenkammer 2 ist durch zwei Schlitze la und lb in der Umfangswand des topfförmigen Kerns 1 mit dem Innenhohlraum dieses Kerns verbunden. Im Inneren des Kerns 1 ist ein mit den Kugelgraphitbildnern und/oder Zusätzen separat gefüllter Einsatz 3 angeordnet, der den Kern 1 auskleidet und aus einem feuchtigkeitsdichten weitgehend rückstandlos verbrennenden oder zersetzbaren, wenig gasenden Material, wie z.B. Polyäthylen oder gewachstem Karton besteht und nach oben durch einen Deckel 3 a aus gleichem Material verschlossen ist. Der Kern 1 bildet mit dem gefüllten Einsatz 3 eine Einheit. Diese wird als kompaktes System dem Former angeliefert und von ihm in eine entsprechende Kernmarke, deren Aussenmasse dem konisch verlaufenden Aussendurchmesser des Kerns 1 entsprechen, eingesetzt. Das ganze System befindet sich vorteilhaft im Unterkasten 7 einer zweiteiligen Form, kann aber erforderlichenfalls auch im Oberkasten 8 hängend angebracht werden.

Zum eingusseitigen Anschnitt der Zwischenkammer 2

führt ein vom vertikalen Einguss kommender Lauf 4. Das einströmende Eisen verteilt sich über den Mantelabschnitt 2a, wobei es seine Strömungsgeschwindigkeit verlangsamt und schichtweise durch den vertikalen Schlitz la im Kern 1 zu dem die Kugelgraphitbildner enthaltenden Einsatz 3 vordringt. Nach der Reaktion verlässt das Metall als behandeltes Eisen über den gegenüberliegenden Schlitz lb den die Behandlungskammer bildenden Kern 1 und strömt in den zweiten Abschnitt 2b der Zwischenkammer 2 ein, aber nicht bevor es aus der Impfstoffsubstanz des Kerns 1, vornehmlich von dessen Innenoberfläche her, eine zur Desoxidation und einer wirksamen Nachimpfung notwendige Menge an Impfmittel aufgenommen hat. Infolge der beträchtlichen Querschnittserweiterung in diesem zweiten gussstückseitigen Mantelabschnitt 2b kommt es zu einer Strömungsdämpfung, wobei gleichzeitig ein Mischeffekt erreicht wird. Versuche haben ergeben, dass es besonders vorteilhaft ist, dass das mit Kugelgraphitbildnern behandelte Eisen durch Reaktion mit dem aus Impfstoffen für die Nachbehandlung bestehenden Kern 1 desoxidiert und nachgeimpft wird, so dass bis auf wenige Ausnahmefälle für extrem dünnwandigen Guss keine Karbide mehr auftreten. Von dem zweiten gussstückseitigen Abschnitt 2b der mantelförmig den Kern 1 umgebenden Zwischenkammer 2 wird das behandelte Eisen über flache Rechteckanschnitte 6 zu dem oder den Gussstücken geführt. Bei sehr hohen Giessgewichten/Form ist die Anordnung von zwei und mehr Zwischenkammern 2 mit je einem Behandlungskern 1 in dem Giessystem ohne Schwierigkeiten möglich.

Für eine gute Kugelausbildung des Graphits über das gesamte Gussstück ist es notwendig, dass die Lösung der kugelgraphitbildenden Zusätze gleichmässig über die gesamte Formfüllung abläuft. Dies wird bei dem erfindungs-gemässen Verfahren dadurch erreicht, dass die Verweilzeit der Schmelze in dem Zwischenkammerkern 1 durch dessen Schlitzquerschnitte im Zusammenwirken mit dem diesen Behandlungskern 1 umgebenden Mantelhohlraum 2 geregelt wird. Die Giesszeit ist als reine Funktion der Giessleistung anzusehen, die durch die repräsentative Wanddicke des Gussstückes bestimmt ist. Die Giesszeit hängt somit lediglich vom Querschnitt und der wirksamen Höhe der Eingussäule ab. Dagegen bleiben die Querschnitte des Zulaufs zu den Zwischenkammerkernen immer konstant, während sich die Querschnitte der flachen Rechteckanschnitte 6 zu den Gussstücken oder vorgesetzten Masseln nach der Zahl der Gussstücke und den dort vorhandenen Anschnittmöglichkeiten richten. Hier gelten die gleichen Regeln wie sie bei der Anschnittbemessung für Gussstücke aus Gusseisen mit Lamellengraphit Stand der Technik sind, allerdings unter Berücksichtigung eines anderen Strömungsbeiwertes. Da im gesamten Anschnittsystem die Kontinuitätsbedingung «Querschnitt x Strömungsgeschwindigkeit = const.» gilt, hat man es über die Dimensionierung der Schlitze la und lb im Kern 1 sowie die Dicke und Höhe des geteilten Mantelhohlraumes 2a und 2b in der Hand, die Verweilzeit des einströmenden Eisens in dem das Behandlungsmittel enthaltenden Einsatz 3 entsprechend der Lösungsgeschwindigkeit des verwendeten Behandlungsmittels zu regeln. Eine auf das Gussstückvolumen abgestimmte Berechnung von Behandlungskammervolumen und von «Schikanen» zum Schlackenfang ist nicht nötig, was die betriebliche Handhabung des Verfahrens sehr vereinfacht. Vorzugsweise sind die Anschnitte 4 und 6 jeweils gegen die Schlitze la und lb seitlich versetzt.

Der geteilte Mantelhohlraum 2 sorgt nicht nur für eine wirksame Durchmischung der behandelten Schmelze, sondern verhindert durch die gleichzeitig erreichte Strömungsberuhigung auch unerwünschte Turbulenzen, Funkensprühen oder Auswurf infolge Dampfbildung, so dass das Verfahren

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

646457

umweltfreundlich und ohne Belästigung des Giessers abläuft. Dadurch ist es auch möglich, bei aus betrieblichen Gründen unvermeidbaren höheren Schwefelgehalten des Basiseisens eine entsprechend stärkere Dosierung an Kugelgraphitbildnern vorzunehmen und somit die notwendige Entschwefelung zu erreichen. Durchgeführt wurden Versuche mit Basisschmelzen, die einen hohen Schwefelgehalt aufwiesen, so z.B. eine Zusammensetzung von 3,76% C; 2,68% Si; 0,22% Mn; 0,033 % P; 0,043 % S hatten. Erzielt wurden im Guss 100% Sphärolithen in einem Gefüge aus 80% Perlit und 20% Ferrit.

Niedrige Schwefelgehalte des unbehandelten Eisens sind natürlich, vorwiegend aus Kostengründen, erwünscht. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Giessereien zunehmend grössere Schwierigkeiten haben, niedrige Schwefelwerte, etwa 0,01 %, zu erreichen. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren ist die Erzeugung von Gussstücken mit Kugelgraphit bei Schwefelwerten des Ausgangseisens im Bereich von 0,02 bis 0,025% mit sehr guter Kugelausbildung treffsicher möglich.

Die erwünschte Nachimpfung durch Reaktion des behandelten Eisens mit dem aus Impfstoffen bestehenden Kern 1 sorgt gleichzeitig für eine besonders feine Kugelausbildung und Vermeidung von Karbiden. Nachfolgend werden als Beispiele die Werte von zwei Versuchen wiedergegeben, die unter Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zum Giessen von druckdichten Rohrbögen für den Kraftwerksbetrieb durchgeführt wurden.

Beispiel 1

«Der zu giessende, druckdichte Rohrbogen hatte ein Gewicht von 31,5 kg. Die Basisschmelze hatte eine Zusammensetzung von 3,79% C, 2,70% Si; 0,18% Mn; 0,028% P; 0,029% S. Die Temperatur des Gusseisens beim Eingiessen in die Form betrug 1480°C, die Giesszeit 10 s.

Der Ausgleichspeicher 2 und Hohlkern 3 mit gefülltem Einsatz 3 hatten die aus der Zeichnung ersichtlichen Formen und Proportionen. Die Gesamthöhe des Kerns 1 betrug dabei 10 cm. Das gesamte Behandlungssystem war im Unterkasten angebracht und wurde oberhalb der Teilung durch den Oberkasten abgeschlossen. Die Durchtrittsöffnungen la und lb sowie die Teiler für die Ausgleichsspeicher 5 hatten die aus der Zeichnung ersichtlichen Proportionen. Sowohl Ausgleichsspeicher 2 als auch Kern 1 waren, abgesehen von Durchtrittsöffnungen, Rippen 5 usw. vollständig rotationssymmetrisch, desgleichen auch Einsatz 3. Der Hohlkern bestand aus Quarzsand, zementgebunden, der als Impfstoff 60% Calcium-Silicium, mit 30% Ca und 50% Si enthielt. Der Einsatz 3 aus Kunststoff mit Deckel aus dem gleichen Material, wie beispielsweise in der Verpackungstechnik üblich,

verschloss die darin befindliche Menge an Kugelgraphitbildnern luftdicht. Der Einsatz 3 verschloss auch die Schlitze la und lb, die erst durch die einströmende Schmelze aufgeschmolzen wurden. Der Einsatz 3 war mit 200 g einer NiMg-Legierung in der Körnung 0,5 ... 5 mm gefüllt, was einem Einsatz an Kugelgraphitbildnern von 0,63 Gew.-%, bezogen auf das Giessgewicht, entspricht. Eine Prüfung des fertigen Gussstückes ergab 100% Sphärolithen bei 75 % Perlit und 25 % Ferrit.».

Beispiel 2

Das gleiche Teil wurde mit folgender Basisschmelze gegossen: 3,71 % C; 2,70% Si; 0,21 % Mn; 0,029% P, 0,028% S; 0,06% Cr; 0,09% Cu. Das Giessgewicht war mit 31,5 kg gleich wie im Beispiel 1. Die Giesszeit betrug 8 s, die Giesstempe-ratur 1425 C. Der Einsatz im Behandlungskern enthielt 100 g einer FeSiMg-Legierung mit 5% Mg + 30 g feine Späne aus Rein-Magnesium. Dies bedeutet einen Anteil von 0,4 Gew.-% an Kugelgraphitbildnern. Der Giessvorgang verlief völlig ruhig, die Kugelgraphitausbildung erreichte 100%, das Gefüge bestand im Gusszustand aus 5% Perlit und 95%

Ferrit. Diese Beispiele zeigen, dass das Verfahren von der Art der Kugelgraphitbildner in verhältnismässig weiten Grenzen unabhängig ist.

Neben dem Vorteil, dass der Behandlungskammerkern 1 immer gleiche Abmessungen hat und für seine Anordnung innerhalb der Form auf der Modellplatte nur eine einfach herzustellende, in der Zeichnung nicht gezeigte runde Kernmarke mit Formkonus benötigt wird, bietet das Verfahren als weiteren Vorzug die Unabhängigkeit vom Formerpersonal bezüglich der richtigen Bemessung der notwendigen Menge an Kugelgraphitbildnern, die bei den bekannten Kammerverfahren jeweils mit einem Messbecher oder ähnlichem Gerät in die Form eingebracht werden müssen. Bei der vorgeschlagenen Verfahrenstechnik lässt sich der Einsatz 3 mit den gewählten Behandlungsmitteln sowie ggf. weiteren Zusätzen z.B. auf Durchlauf-Dosierwaagen sehr genau füllen. Dieses Füllen kann in sauberen trockenen Räumen geschehen, so dass die Behandlungsmittel immer trocken zur Reaktion kommen, weil sie bei dem erfindungsgemässen Verfahren durch den verschlossenen Einsatzbecher 3 bis zum Abgiessen der Form vor Kontakt mit dem Nassgussand geschützt bleiben. Dem Former wird - wie bereits erwähnt - das kompakte System, bestehend aus Kern 1 und gefülltem Einsatz 3 zugeführt. Er wird damit von jeder Dosierarbeit entlastet, was manche Fehlerquellen ausschliesst. So ist am Abguss beispielsweise sofort erkennbar, ob im Extremfall der Former vergessen hat, den Kern 1 einzulegen.

4

s

10

15

20

25

30

35

40

45

B

1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

646 457

1. Verfahren zur Herstellung von Gussstücken aus Eisen-Kohlenstoff-Schmelzen mit Kugelgraphit oder Kompaktgraphit, bei welchem eine Schmelze geeigneter Zusammensetzung innerhalb einer im Eingussystem einer Form vorgesehenen Zwischenkammer mit einer festgelegten Menge an Kugelgraphitbildnern behandelt und nachgeimpft wird, bevor sie in den Formhohlraum einströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelgraphitbildnermenge innerhalb eines Einsatzes angeordnet wird, welcher einen in der Zwischenkammer angeordneten Hohlkern auskleidet, der die Zwischenkammer in zwei Teile unterteilt, dass der Hohlkern einen Stoff zur Nachimpfung enthält und mit einem Durch-lass zum Zulauf vom Einguss einerseits und mit einem Durchlass zum gussstückseitigen Teil der Zwischenkammer verbunden wird, und dass an diesem Teil der Zwischenkammer wenigstens ein Kanal zum Formhohlraum angeschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als kugelgraphitbildende Stoffe Alkali- und Erdmetalle in Form von Legierungen oder Mischmetallen, gekörnt oder in Pulverform, sowie auch gekörntes Reinmagnesium in Gemengen von Ferro- und/oder Calcium-Silicium mit oder ohne Zusätze zur Beeinflussung des Lösungsverhaltens verwendet werden.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelgraphitbildner in Höhe von 0,15 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der eingegossenen basischen Schmelze, eingesetzt werden, wobei der Schwefelgehalt der Basisschmelze bis zu 0,04 Gew.-% beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Einsatz untergebrachten Kugelgraphitbildner zusätzlich mit Ferro-Silicium oder Calcium-Silicium vermischt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelgraphitbildner in auf das Giessgewicht abgestimmter Menge abgepackt in einen durch die einströmende Schmelze verbrennenden Einsatz eingebaut werden, welche den Hohlkern wenigstens zum Teil auskleidet und mit diesem zusammen als komplettes System in die Form eingesetzt wird.

6. Formvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer im Eingussystem vorgesehenen, Kugelgraphitbildner enthaltenden Zwischenkammer, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenkammer (2) ein gesondert gefertigter Hohlkern (1) aus Silici-umcarbid oder einem Gemisch aus Siliciumcarbid mit Cal-cium-Silicium oder Ferro-Silicium vorgesehen ist, dass der Hohlkern (1) eine festgelegte Gestalt mit ein- und auslauf-seitig festgelegten Schlitzen hat und durch Binder so weit verfestigt ist, dass er ohne Beschädigung und/oder Abrieb in entsprechende Kernmarken der Zwischenkammer (2) einsetzbar ist, andererseits aber bei der Reaktion mit der eingegossenen Schmelze in impfender Weise wirkt.

7. Formvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ein- und auslaufseitig festgelegten Schlitze ( 1 a, 1 b) des Hohlkerns ( 1 ) zusammen mit einem den Kern ( 1 ) umhüllenden, von der Zwischenkammer (2) gebildeten, in zwei Teilformen (2a, 2b) geteilten Hohlraum den Durchfluss so regulieren, dass die zur Kugelgraphitbildung eingesetzten Zuschlagstoffe bei einem Ausbringen von mehr als 80% über den gesamten Giessvorgang gleichmässig ausgelöst werden, und dass die sich bildende Schlacke vor Eintritt in das eigentliche Anschnittsystem zum Gussstück infolge Beruhigung der Strömung zurückgehalten wird.