CH672604A5

CH672604A5 -

Info

Publication number: CH672604A5
Application number: CH154287A
Authority: CH
Inventors: Helmar Dr-Ing Lindscheid; Diethard Dr Schock
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1987-04-22
Publication date: 1989-12-15
Also published as: DE3713966C1

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Erstarrungs- und Abkühlungsbedingungen für Gussstücke aus Gusseisen, insbesondere aus Sphärogusseisen, für die die Schmelze in kalte, d.h. auf Temperaturen unterhalb der eutektoiden Umwandlungstemperatur des Gussstückes gehaltene Formen abgegossen wird, wobei die Abkühlungsgeschwindigkeit durch den Einsatz eines Kühlsteines (Kokille) beschleunigt wird. The invention relates to a method for controlling the solidification and cooling conditions for cast iron castings, in particular spheroidal cast iron, for which the melt is cold, i.e. is poured to molds held below the eutectoid transformation temperature of the casting, the cooling rate being accelerated by the use of a cooling stone (mold).

Bei der Herstellung von Gussstücken aus Gusseisen, insbesondere aus Sphärogusseisen, ist es üblich, die Abküh-lungs- und Erstarrungsbedingungen in bestimmten Bereichen gesteuert zu beeinflussen, um dem Gussstück bei der Erstarrung die Überhitzungs- und Erstarrungswärme möglichst schnell zu entziehen. Zum einen sollen damit die Erstarrungszeiten bei unterschiedlichen Wanddicken einander angeglichen werden, um Fehler durch Lunker zu vermeiden; zum zweiten wird damit ein feinkörniges Gefüge angestrebt, um die mechanischen Eigenschaften zu beeinflussen. When producing castings from cast iron, in particular from spheroidal cast iron, it is common to control the cooling and solidification conditions in certain areas in order to remove the overheating and solidification heat from the casting as soon as possible. On the one hand, the solidification times at different wall thicknesses are to be harmonized with one another in order to avoid faults caused by blowholes; secondly, a fine-grained structure is sought in order to influence the mechanical properties.

Der eine Weg dieser Beeinflussung — siehe z.B. DE-PS 32 16 327 — besteht in einer aktiven Kühlung, bei der ein durch Kühlschlangen fliessendes Kühlmittel die zu beeinflussenden Bereiche des Gussstückes bzw. der Schmelze kühlt. Nach Ablauf der Erstarrung kann bei dieser Art der Kühlung die Kühlleistung jedoch nicht beliebig gedrosselt werden, wenn die Kühleinrichtung nicht gefährdet werden soll. Der Bereich der eutektoiden Umwandlung des Gusseisens, der je nach Silizium-Gehalt bekanntlich zwischen 690 und 750 °C Hegt, wird daher ebenfalls mit relativ hoher Abkühlungsgeschwindigkeit «durchlaufen», was statt zu einem erwünschten überwiegend ferritischen Gefüge zu erheblichen Mengen an Perlit führt. One way of influencing - see e.g. DE-PS 32 16 327 - consists in active cooling, in which a coolant flowing through cooling coils cools the areas of the casting or the melt to be influenced. After solidification has expired, the cooling capacity cannot be restricted as desired with this type of cooling if the cooling device is not to be endangered. The area of eutectoid transformation of cast iron, which is known to be between 690 and 750 ° C depending on the silicon content, is therefore also "run through" with a relatively high cooling rate, which leads to considerable amounts of pearlite instead of a desired predominantly ferritic structure.

Eine zweite Methode der «gesteuerten» Kühlung einzelner Bereiche eines Gussstückes (siehe z.B. «Taschenbücher für das Giessereiwesen», Band IV «Grauguss» von Heinrich Poetter, Berlin 1954, Seite 82/83) besteht darin, an die zu beeinflussenden Bereiche Kühlsteine (Kokillen) anzulegen, die beispielsweise in die die Schmelze aufnehmende Form eingebracht werden. Üblicherweise bestehen diese Kühlsteine oder Kokillen, die unterschiedliche Grössen und Dicken haben können, aus Graphit oder Eisen. Sie nehmen die ihnen von der Schmelze oder dem Gussstück zufliessende Wärme auf, wobei die Art ihres Werkstoffes und ihr Volumen die Erstarrungsgeschwindigkeit bestimmen, die umso grösser ist, je grösser die Kühlsteine sind. Da die Wärmeaufnahme und -abfuhr eingebauter Kühlsteine nicht beeinflussbar ist, kann jedoch auch bei dieser Kühlmethode der Bereich der eutektoiden Umwandlung mit hoher Geschwindigkeit «durcheilt» werden, was wiederum zu einem vorwiegend perlitischen Gefüge im Gussstück führt. A second method of “controlled” cooling of individual areas of a casting (see, for example, “Taschenbuch für die Giessereiwesen”, Volume IV “Gray Cast Iron” by Heinrich Poetter, Berlin 1954, pages 82/83) consists of cooling stones (chill molds) on the areas to be influenced ) to be created, which are introduced, for example, into the mold receiving the melt. These cooling stones or molds, which can have different sizes and thicknesses, usually consist of graphite or iron. They absorb the heat flowing to them from the melt or the casting, the nature of their material and their volume determining the rate of solidification, which is greater the larger the cooling stones. Since the heat absorption and dissipation of built-in cooling stones cannot be influenced, even with this cooling method the area of eutectoid conversion can be rushed through at high speed, which in turn leads to a predominantly pearlitic structure in the casting.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlverfahren zu schaffen, bei dem die Abfuhr der Überhitzungs- und Erstarrungswärme beschleunigt erfolgt, die Abkühlung im Bereich der eutektoiden Umwandlung des Gussstückes jedoch verlangsamt ist. Dadurch soll beispielsweise die Ausbildung eines ferritischen Gefüges erreicht werden. The object of the invention is to provide a cooling process in which the dissipation of the superheating and solidification heat is accelerated, but the cooling in the area of the eutectoid conversion of the casting is slowed down. In this way, for example, the formation of a ferritic structure is to be achieved.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Erstarrung der Gusseisen-Schmelze durch Aufschmelzen eines Bestandteils des Kühlsteines beschleunigt und die Abkühlung im Bereich der eutektoiden Umwandlung durch die beim Wiedererstarren des Kühlsteinbestandteils freiwerdende Erstarrungswärme verzögert werden. According to the present invention, this object is achieved in that the solidification of the cast iron melt is accelerated by melting a component of the cooling stone and the cooling in the area of the eutectoid conversion is delayed by the heat of solidification released when the cooling stone component is re-solidified.

Bei diesem Verfahren nimmt der aufzuschmelzende Bestandteil des Kühlsteines oder der Kokille zunächst bis zu seiner Schmelztemperatur seine spezifische Wärme auf; für sein Aufschmelzen benötigt man seine Schmelzwärme. Ist er dann aufgeschmolzen, so wird er bis zum Temperaturgleichgewicht zwischen ihm und dem Gussstück überhitzt. Durch die zusätzlich aufzubringende Schmelzwärme wird dabei die Erstarrung der Gussstück-Schmelze beschleunigt. In this process, the component of the cooling stone or the mold to be melted initially absorbs its specific heat up to its melting temperature; for its melting you need its heat of fusion. Once it has melted, it is overheated to the temperature equilibrium between it and the casting. The solidification of the cast melt is accelerated by the additional heat of fusion to be applied.

Bei weiterer Abkühlung des Gussstückes erstarrt der aufgeschmolzene Kühlstein-Bestandteil wieder und gibt seine Erstarrungswärme an das Gussstück ab. Da sein Schmelzpunkt mindestens annähernd im Bereich der eutektoiden Umwandlung des Gusswerkstoffes liegt, wird durch die freiwerdende Erstarrungswärme diese eutektoide Umwandlung verzögert, so dass ein weitgehend ferritisches Gefüge entsteht. When the casting is cooled further, the molten cooling stone component solidifies again and releases its heat of solidification to the casting. Since its melting point lies at least approximately in the area of the eutectoid transformation of the cast material, this eutectoid transformation is delayed by the heat of solidification that is released, so that a largely ferritic structure is created.

Ein Kühlstein zur Durchführung des neuen Verfahrens ist daher dadurch gekennzeichnet, dass er in seiner Umhüllung einen Werkstoff enthält, dessen Schmelzpunkt in einem Temperaturbereich zwischen 650 und 800 °C liegt. A cooling stone for carrying out the new method is therefore characterized in that it contains in its casing a material whose melting point is in a temperature range between 650 and 800 ° C.

Beispielsweise haben sich für Gussstücke aus Sphärogusseisen als schmelzende Kühlstein-Bestandteile Aluminium oder eine Kupfer/Zinn-Legierung bewährt. Bei einer derartigen Legierung kann der Schmelzpunkt in gewissem Umfang verändert werden, wobei eine Erhöhung des Kupferanteils den Schmelzpunkt erhöht und umgekehrt; für eine Legierung mit etwa 70 Gew.% Kupfer erhält man beispielsweise einen Schmelzpunkt von etwa 750 °C. For example, aluminum or a copper / tin alloy have proven to be useful as melting cooling stone components for castings from spheroidal cast iron. With such an alloy, the melting point can be changed to a certain extent, an increase in the copper content increasing the melting point and vice versa; for an alloy with approximately 70% by weight copper, for example, a melting point of approximately 750 ° C. is obtained.

Als Umhüllung für diesen Kühlstein-Werkstoff eignen sich vor allem Stoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. Graphit, Grauguss, Stahl oder Kupfer. Particularly suitable materials for this cooling stone material are materials with high thermal conductivity, e.g. Graphite, cast iron, steel or copper.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawing.

Fig. 1 zeigt schematisch und teilweise im Schnitt ein Gussstück mit daran angesetztem Kühlstein, wobei die beide Teile umgebende Sandform sowie giesstechnisch notwendige Elemente, wie Einguss- und Steigerkanäle, weggelassen worden sind; Fig. 1 shows schematically and partly in section a casting with a cooling stone attached to it, the sand mold surrounding both parts and elements necessary for casting, such as pouring and riser channels, having been omitted;

Fig. 2 gibt in einem Diagramm die Temperatur-Verläufe in Abhängigkeit von der Zeit wieder, die an verschiedenen Stellen der Anordnung nach Fig. 1 gemessen worden sind. FIG. 2 shows in a diagram the temperature profiles as a function of the time, which have been measured at various points in the arrangement according to FIG. 1.

2 2nd

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10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

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40 40

45 45

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55 55

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65 65

3 3rd

672 604 672 604

Das zu kühlende Gussstück 1 (Fig. 1) hat eine quadratische Grundfläche und steht in direktem Kontakt mit einem Kühlstein 2, der rechteckig ist. Dieser setzt sich zusammen aus einer Graphitumhüllung 3 und einer Aluminium-Füllung 4, die mit ihrem Schmelzpunkt von 660 °C als schmelzender.und erstarrender Bestandteil dient. The casting 1 to be cooled (FIG. 1) has a square base and is in direct contact with a cooling stone 2, which is rectangular. This consists of a graphite coating 3 and an aluminum filling 4, which serves as a melting and solidifying component with its melting point of 660 ° C.

Der Kühlstein 2 ist in seiner Grundfläche grösser als das zu kühlende Gussstück 1, um eine mit einem Keramikrohr 5 versehene Expansionsöffnung 6 für die Volumenänderungen beim Aufschmelzen bzw. Erstarren der Aluminium-Füllung 4 zu schaffen; gleichzeitig stellt die Expansionsöffnung 6 eine optimale Füllung der Graphit-Umhüllung 3 sicher. The cooling stone 2 is larger in its base area than the casting 1 to be cooled in order to create an expansion opening 6 provided with a ceramic tube 5 for the volume changes when the aluminum filling 4 melts or solidifies; at the same time, the expansion opening 6 ensures optimal filling of the graphite coating 3.

Die beschriebene Anordnung ist für den Abguss des Ver-suchs-Gussstückes 1 in furanharzgebundenem Formsand geformt worden, der diese Anordnung in gleichmässiger Schichtdicke umschlossen hat. The arrangement described has been shaped for casting the test casting 1 in furan resin-bonded molding sand, which has enclosed this arrangement in a uniform layer thickness.

Als Gusswerkstoff dient GGG-40 (nach DIN 1693; Werkstoff-Nr. 0.7040), welcher bei einer in der Form gemessenen Giesstemperatur von 1380 °C und einer Giesszeit von 10 sec vergossen worden ist. GGG-40 (according to DIN 1693; material no. 0.7040) serves as the casting material, which was cast at a casting temperature of 1380 ° C measured in the mold and a casting time of 10 sec.

Zur Messung der Temperaturverläufe sind im Gussstück 1 und im Kühlstein 2 Keramikrohre 7 bis 9 für die Aufnahme von Thermoelementen (Pt/Rh 10%-Pt) vorgesehen. Das To measure the temperature profiles, ceramic tubes 7 to 9 are provided in the casting 1 and in the cooling stone 2 for receiving thermocouples (Pt / Rh 10% -Pt). The

Element im Rohr 7 erfasst dabei den Temperaturverlauf in der Mitte des Gussstückes 1; dasjenige im Rohr 8 misst die Temperaturen in der Nähe des Randes des Gussstückes 1, während für die Messung der Temperaturen in der Mitte der Aluminium-Füllung 4 ein Thermoelement im Rohr 9 dient. Element in tube 7 detects the temperature profile in the middle of casting 1; that in the tube 8 measures the temperatures near the edge of the casting 1, while a thermocouple in the tube 9 is used to measure the temperatures in the middle of the aluminum filling 4.

In Fig. 2 sind die Temperatur-Verlaufe von den einzelnen Messstellen 7 bis 9 — jeweils als Mittelwert aus mehreren Messungen — wiedergegeben, wobei auf der Ordinate dieses Diagramms die Temperatur T in CC und auf der Abszisse die Zeit t in Minuten aufgetragen sind. 2 shows the temperature profiles of the individual measuring points 7 to 9 - each as an average of several measurements - the temperature T in CC being plotted on the ordinate of this diagram and the time t in minutes being plotted on the abscissa.

Die Kurven 7 und 8 zeigen den zunächst beschleunigten Temperaturabfall in der Gusseisenschmelze und deren rasche Erstarrung. Gleichzeitig wird dabei die Aluminium-Füllung 4 aufgeheizt, aufgeschmolzen und auf eine maximale Temperatur von etwa 800 °C überhitzt. Nach Erreichen dieser maximalen Temperatur beginnt auch für die Alumini-um-Füllung 4 eine Abkühlung, wobei nach etwa 180 Minuten die Erstarrung des Aluminiums beginnt, dessen Erstarrungswärme dem Gussstück 1 zugeführt wird. Curves 7 and 8 show the initially accelerated drop in temperature in the cast iron melt and its rapid solidification. At the same time, the aluminum filling 4 is heated, melted and overheated to a maximum temperature of about 800 ° C. After this maximum temperature has been reached, cooling also begins for the aluminum filling 4, the solidification of the aluminum beginning after about 180 minutes, the heat of which being solidified being supplied to the casting 1.

Dessen Abkühlung wird dadurch über einen Zeitraum von 1 bis 2 Stunden erheblich verlangsamt, was bei der eutektoiden Umwandlung das gewünschte ferritische Gefüge des Gussstückes 1 ergibt. Its cooling is thereby slowed considerably over a period of 1 to 2 hours, which results in the desired ferritic structure of the casting 1 in the eutectoid transformation.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

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40 40

45 45

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55 55

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S S

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

672 604 PATENT CLAIMS

1. A method for controlling the solidification and cooling conditions for cast iron castings, in particular spheroidal cast iron, for which the melt is poured into cold molds, which are kept at temperatures below the eutectoid transformation temperature of the casting, the cooling rate being accelerated by the use of a cooling stone , characterized in that the solidification of the cast iron melt is accelerated by melting a component (4) of the cooling stone (2) and the cooling in the area of the eutectoid conversion is delayed by the heat of solidification released when this cooling stone component (4) solidifies again.

2. cooling stone for performing the method according to claim 1, characterized in that it contains in its casing (3) a material as a component (4) whose melting point is in a temperature range between 650 and 800 ° C.

3. Cooling stone according to claim 2, characterized in that the covering (3) consists of a material with high thermal conductivity.

4. cooling stone according to claim 2 or 3, characterized in that the melting and solidifying component (4) of the cooling stone (2) is aluminum or a copper / tin alloy.