DE1012317B

DE1012317B - Manufacture of malleable cast iron pieces of high toughness

Info

Publication number: DE1012317B
Application number: DER10971A
Authority: DE
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 1952-02-21
Filing date: 1953-02-16
Publication date: 1957-07-18

Description

Herstellung von Tempergußstücken hoher Zähigkeit Ein bereits vorgeschlagenes, aber nicht zum bekannten Stand der Technik gehörendes Verfahren bei der Herstellung von Temperguß ermöglicht es, fabrikmäßig Gußstücke von hoher Festigkeit mit elementarem Kohlenstoff in Form von Temperkohle als Knötchen oder Kügelchen zu erhalten, wenn von in Sandformen gegossenen Gußstücken üblicher Wanddicke mit weißem Bruchgefüge (Zementitstruktur) ausgegangen wird, und dem Graphitisierungsglühen eine besondere, im wesentlichen zweistufige Wärmebehandlung vorausgeht. Dabei wurde festgestellt, daß die einzelnen Behandlungsschritte sehr erleichtert werden bzw. schneller durchgeführt werden können und außerdem eine sehr viel feinere Ausscheidungsform des elementaren Kohlenstoffs, nämlich in Form sehr feiner und zahlreicher Körnchen erzielt wird, wenn das Erstarren des Gusses in Kokille erfolgt. Ein solches Fabrikationsverfahren läßt sich in der Praxis wegen des Auftretens von Blasen und Lunkern, insbesondere Feinlunkern, im Guß aber nicht durchführen.Manufacture of malleable castings of high toughness An already proposed, but not part of the known state of the art method of manufacture of malleable cast iron allows factory castings of high strength with elemental Get carbon in the form of tempered charcoal as nodules or globules, if of castings of normal wall thickness with a white fracture structure cast in sand molds (Cementite structure) is assumed, and the graphitization annealing a special, essentially precedes two-stage heat treatment. It was found that the individual treatment steps are made much easier or carried out more quickly and also a much finer form of excretion of the elementary Carbon, namely in the form of very fine and numerous granules, when the casting solidifies in the mold. Such a manufacturing process can be used in practice because of the occurrence of bubbles and cavities, in particular Fine holes, but do not perform in the casting.

Es ist weiterhin bekannt, daß das Gießen in Kokillen unter Druck (d. h. als Druckguß), der bei leicht schmelzbaren Legierungen von Zink, Aluminium, Magnesium und Kupfer anwendbar ist, bei Stählen zu Schwierigkeiten Anlaß gibt, und zwar hauptsächlich wegen der Veränderlichkeit des flüssigen Stahls im Warmhalteofen und weil die Herstellung solcher metallischer Kokillen Schwierigkeiten macht, die der Einwirkung des Metallstrahls bei der notwendigen hohen Temperatur widerstehen.It is also known that casting in permanent molds under pressure (i.e. H. as die cast), which is the case with easily fusible alloys of zinc, aluminum, magnesium and copper is applicable, gives rise to difficulties with steels, mainly because of the variability of the molten steel in the holding furnace and because of its manufacture Such metallic molds make difficulties that of the action of the metal beam withstand at the necessary high temperature.

Bei entsprechenden Versuchen hat sich weiterhin gezeigt, daß die erforderlichen Druckkräfte sehr hoch sind und claß sie darüber hinaus die endgültige Formgebung sicherstellen müssen, `nenn das Metall bereits teilweise verfestigt ist, so daß eine regelrechte Schmiedearbeit von ihnen geleistet werden muß.Appropriate tests have also shown that the necessary Compression forces are very high and they also determine the final shape must ensure, `nenn the metal is already partially solidified, so that a real blacksmith's work has to be done by them.

Versuche zur Herstellung von Gußstücken aus Gußeisen unter Anwendung des Druckgußverfahrens sind nur sehr vereinzelt gemacht worden. Neben anderen Schwierigkeiten besteht hierbei der Nachteil, daß es nicht gelungen ist, hohe mechanische Festigkeitseigenschaften zu erzielen, sei es, weil der Grauguß lamellaren Graphit enthält, welcher weder die Zugnoch die Scherungsbeanspruchungen überträgt, sei es, weil der Guß Zementitdendriten übergroßer Brüchigkeit enthält.Attempts to make cast iron castings using of the die-casting process have only been made very sporadically. Among other difficulties there is the disadvantage that it has not been possible to achieve high mechanical strength properties to achieve, be it because the gray cast iron contains lamellar graphite, which neither the tensile force still transmits the shear stresses, be it because the casting cementite dendrites contains excessive brittleness.

Bei der Herstellung von Nockenwellen wurde beispielsweise ein bestimmter Teil derselben mittels des Druckgußverfahrens gefertigt. Um jedoch eine Zementitbildung und die dadurch bedingte Sprödigkeit zu vermeiden, war man gezwungen, die Gußstücke bereits bei einer Temperatur von etwa 1100° aus der Form zu nehmen und sie an der Luft abkühlen zu lassen. In einigen Fällen konnten auf diese Weise zwar gewisse Verbesserungen in den mechanischen Eigenschaften, verglichen mit Sandguß, erzielt werden, doch konnte die Zugfestigkeit niemals auf einen Wert über 37 kg/mm2 gesteigert werden. Ein solcher Wert wird aber heute als ganz ungenügend für stark beanspruchte mechanische Teile betrachtet, wie sie beispielsweise in Automobilen Verwendung finden. Daher wurde ein solches Gießverfahren bei Gußeisen bisher allgemein als nicht geeignet für die industrielle Anwendung betrachtet.In the manufacture of camshafts, for example, a certain Part of the same manufactured by means of the die-casting process. However, a cementite formation and to avoid the resulting brittleness, one was forced to use the castings take them out of the mold at a temperature of around 1100 ° and attach them to the Let air cool down. In some cases certain Improvements in mechanical properties compared to sand casting achieved but the tensile strength could never be increased to a value above 37 kg / mm2 will. Such a value is now considered to be quite insufficient for heavily used considered mechanical parts, such as those used in automobiles, for example. Therefore, such a casting method has heretofore been generally deemed unsuitable for cast iron considered for industrial use.

Es wurde nun gefunden, daß die Kombination des Gießens in Kokille, des Gießens unter Druck und der erwähnten Graphitisierungsbehandlung einschließlich Einschalten unter anderem einer Keimungsvorbchandlung es gestattet, die Vorzüge dieser Verfahren bei der Herstellung von Tempergußteilen auszunutzen, ohne ihre Nachteile mit in Kauf nehmen zu müssen. Diese Kombination führt bei fabrikmäßiger Durchführung zu neuartigen Produkten mit hoher Qualität und insbesondere hoher Zähigkeit des Gusses, und sie erlaubt die Massenfabrikation von Serienteilen mit guter Maßhaltigkeit und großer Oberflächengüte der einzelnen Gußstücke.It has now been found that the combination of casting in a permanent mold, casting under pressure and the aforementioned graphitization treatment including Switching on a germination pretreatment, among other things, allows the advantages to use this method in the manufacture of malleable cast iron parts without their Having to accept disadvantages. This combination results in factory-like Implementation of novel products with high quality and especially high toughness of the casting, and it allows the mass production of series parts with good dimensional accuracy and great surface quality of the individual castings.

In der Tat wird das Gießen von Gttßeisen in Kokille unter Druck (d. h. die Herstellung von Gußeisen unter Anwendung des Druckgußverfahrens) im Vergleich zu Stahl wesentlich erleichtert durch die geringe Neigung geschmolzenen Gußcisens zu Veränderungen im Warmhalteofen, durch die niedrigere Gießtemperatur und durch die erhebliche Verminderung der Erosionswirkung auf die Kokille im warmen Zustande. .Indeed, the casting of cast iron in permanent mold under pressure (i.e. H. the production of cast iron using the die-casting process) in comparison much easier to steel due to the low tendency towards molten cast iron to changes in the holding furnace, due to the lower casting temperature and through the substantial decrease the effect of erosion on the mold in warm condition. .

Infolge des während des Erstarrens ausgeübten Druckes läßt sich ein Erstarren des weißen Gußeisens ohne Feinlunker und Blasen erreichen. Außerdem werden Risse vermieden, wenn das Gußstück sofort nach dem -Erstarren aus der Form genommen wird.As a result of the pressure exerted during the solidification, a Achieve solidification of the white cast iron without pinholes and bubbles. Also be Cracks are avoided if the casting is removed from the mold immediately after solidification will.

i Infolge des Gießens in Kokille kann das Gußeisen auch einen verhältnismäßig hohen Gehalt an Silizium aufweisen, wodurch die Gießtemperatur herabgesetzt und den Rohgußstücken doch eine weiße Struktur verliehen wird. Man kann auf diese Weise die üblichen Gehalte der Tempergußstücke an Silizium erheblich überschreiten und Werte bis zu 1,5 bis 2% erreichen. Aus den gleichen Gründen können auch höhere Kohlenstoffgehalte (2,6 bis 3 %) zugelassen werden.i As a result of the casting in a permanent mold, the cast iron can also be a relatively have high silicon content, which lowers the casting temperature and the raw castings are given a white structure. You can this way exceed the usual silicon content of malleable cast iron and Reach values of up to 1.5 to 2%. For the same reasons, higher carbon contents can also be used (2.6 to 3%).

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung schließt unmittelbar eine insgesamt im wesentlichen dreiteilige Wärmebehandlung ein, nämlich Abschreckhärten, Anlassen zwecks Bildung von Keimen elementaren Kohlenstoffs und Graphitisierungsglühen. Für die vorgenannten Phasen der dreistufigen Wärmebehandlung ergeben sich folgende Einzelheiten, welche hinsichtlich des Grundsätzlichen denjenigen entsprechen, welche im Rahmen des obenerwähnten, schon vorgeschlagenen Verfahrens bei der Herstellung von Temperguß angewendet werden. Die Härtung kann durchgeführt werden, indem man das Gußstück noch recht heiß - bei über 810° - aus der Form nimmt und direkt im Salzbad durch Eintauchen, beispielsweise auf die Dauer einer Minute bei 180° härtet und hierauf in ruhender Luft abkühlt, wodurch man einen gehärteten Kokillenguß ohne die Gefahr von Haarrissen oder Härterissen erhält. Falls das Gußstück dünne Teile besitzt, welche sich zu schnell abkühlen würden, kann es sofort nach dem Herausnehmen aus der Form in ein Stabilisationsbad von 810° getaucht werden und dann, d. h. 1 Minute später, im Salzbad bei 180° gehärtet werden. Das Gußstück wird dann dem Anlassen zwecks Keimbildung bei einer Temperatur zwischen 400 und 450°, im allgemeinen 5 bis 100, bevorzugt 36 bis 48 Stunden lang unterworfen; beispielsweise wird 48 Stunden lang bei 450° angelassen. Hierauf wird das Gußstück - mit oder ohne Zwischenabkühlung - einer Graphitisierungsglühung bis zur Zersetzung des ledeburitischen und voreutektoiden Eisencarbids unterworfen; hierzu werden die Gußteile bei einer Temperatur zwischen 850 und 900° 20 Minuten bis 12 Stunden lang, vorzugsweise 1 Stunde bei 875°, geglüht. Damit die Graphitisierung vollständig ist, muß eine Temperatur von 875° mindestens 2 bis 6 Stunden lang aufrechterhalten werden, jedoch kann dieser Zeitraum auf 20 Minuten bis 2 Stunden verkürzt werden, wenn man bei 900° glüht. Tu der nachstehenden Tabelle ist die Anzahl IV der j e Quadratmillimeter nach diesem Verfahren gebildeten feinen Temperkohlekügelehen mit einem mittleren Durchmesser von 2 bis 6 Mikron angegeben. Bei diesen Versuchen wurde der Kokillenguß mit einer Wanddicke von 14 mm bei über 820° aus der Form herausgenommen und direkt im Salzbad bei 180° gehärtet. Er wurde zunächst 48 Stunden lang bei 450° angelassen und anschließend 3 Stunden lang bei 8751 geglüht. Guß-Nr. Zusammensetzung (°%) N/mm 2 C I Si I Mn I Cu 2163 2,40 1,58 0,61 0,40 12000 2162 2,42 1,56 0,62 1,20 14000 2164 2,46 1,51 0,60 1,84 15000 Um die optimale Wirkung zu erreichen, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung zweckmäßig, kupferhaltige Gußeisensorten zu verwenden. Das Kupfer verbessert die Gießbarkeit und wirkt gleichzeitig als Mittel für die Bildung von Keimen elementaren Kohlenstoffs sowie als Zusatzelement zur Förderung der Wärmebehandlung beim Härten und Anlassen.The method according to the present invention directly includes an essentially three-part heat treatment, namely quench hardening, tempering for the purpose of nucleation of elemental carbon and graphitization annealing. For the aforementioned phases of the three-stage heat treatment, the following details result, which fundamentally correspond to those which are used in the context of the above-mentioned, already proposed method in the manufacture of malleable cast iron. The hardening can be carried out by taking the casting out of the mold while it is still quite hot - at over 810 ° - and hardening it directly in the salt bath by immersion, for example for a minute at 180 °, and then cooling it in still air, creating a hardened chill casting without the risk of hairline cracks or hardening cracks. If the casting has thin parts that would cool down too quickly, it can be immersed in a stabilization bath at 810 ° immediately after removing it from the mold and then, ie 1 minute later, hardened in a salt bath at 180 °. The casting is then subjected to tempering for the purpose of nucleation at a temperature between 400 and 450 °, generally 5 to 100, preferably 36 to 48 hours; for example, it is tempered at 450 ° for 48 hours. The casting is then - with or without intermediate cooling - subjected to graphitization annealing until the ledeburitic and pre-eutectoid iron carbide decomposes; for this purpose, the castings are annealed at a temperature between 850 and 900 ° for 20 minutes to 12 hours, preferably 1 hour at 875 °. In order for the graphitization to be complete, a temperature of 875 ° must be maintained for at least 2 to 6 hours, but this period can be shortened to 20 minutes to 2 hours by annealing at 900 °. The table below shows the number IV of fine tempered carbon globules with an average diameter of 2 to 6 microns formed per square millimeter by this process. In these tests, the permanent mold casting with a wall thickness of 14 mm was removed from the mold at over 820 ° and hardened directly in the salt bath at 180 °. It was initially tempered at 450 ° for 48 hours and then annealed at 8751 for 3 hours. Casting no. Composition (°%) N / mm 2 CI Si I Mn I Cu 2163 2.40 1.58 0.61 0.40 12000 2162 2.42 1.56 0.62 1.20 14000 2164 2.46 1.51 0.60 1.84 15,000 In order to achieve the optimum effect, it is expedient according to the present invention to use types of cast iron containing copper. The copper improves the castability and at the same time acts as a means for the formation of nuclei of elemental carbon and as an additional element to promote the heat treatment during hardening and tempering.

Es ist aber vorteilhaft, daß Gußstück beim Herausnehmen aus der Kokille zunächst abkühlen zu lassen, es dann zwecks Austenitisierens beispielsweise 30 Minuten lang bei 810° einer Lösungsglühung und anschließend einer abgestuften Abschreckhärtung; beispielsweise 1 Minute lang bei 180°, zu unterziehen. Die Gußstücke werden dann beispielsweise bei 4504 während 48 Stunden angelassen, abgekühlt und wieder erhitzt, beispielsweise bei 875°, und zwar ausreichend lange, um die Graphitisierung des primären Zementits durchzuführen und dann in ruhender Luft gekühlt. Es muß darauf geachtet werden, daß die Glühdaü:er nicht zu lange gewählt wird, damit nicht ein Zusammenfließen des in Form von Temperkohle ausgeschiedenen elementaren Kohlenstoffs mit der damit verbundenen Herabsetzung der Anzahl der Kügelchen und Minderung der mechanischen Eigenschaften stattfindet. Dies zeigt die nachstehende Tabelle, welche die Anzahl der Temperkohlekügelchen je Quadratmillimeter mit einem Durchmesser von unter 2 Mikron angibt. Nummer der Güsse ..... 2163 2162 2164 Kupfergehalt in % . . . . . 0,4 1,2 1;84 Glühdauer bei 875° 1 Stunde . . . . . . . . . . . . 32 000 40 000 26 000 3 Stunden ........... 30 000 35 000 23 000 6 Stunden ........... 16 000 23 000 14 000 In allen Fällen ist die Zementitmenge gleich Null, so daß ein Glühen von einer Stunde Dauer bei 87!5F ausreicht. Es ist zu sehen, daß das beste Ergebnis bei einem Guß mit einem Gehalt von 1,2% an Kupfer mit 40 000 Temperkohlekügelchen/mm2 erhalten wird.However, it is advantageous that the casting is initially allowed to cool when it is removed from the mold, then for the purpose of austenitizing, for example, for 30 minutes at 810 °, a solution heat treatment and then a graduated quench hardening; for example 1 minute at 180 °. The castings are then tempered, for example, at 4504 for 48 hours, cooled and reheated, for example at 875 °, for a long enough time to carry out the graphitization of the primary cementite and then cooled in still air. Care must be taken to ensure that the annealing time is not chosen for too long, so that the elemental carbon precipitated in the form of tempered carbon does not flow together with the associated reduction in the number of spheres and a reduction in mechanical properties. This is shown in the table below, which gives the number of tempered carbon spheres per square millimeter with a diameter of less than 2 microns. Number of casts ..... 2163 2162 2164 Copper content in%. . . . . 0.4 1.2 1; 84 Annealing time at 875 ° 1 hour . . . . . . . . . . . . 32,000 40,000 26,000 3 hours ........... 30,000 35,000 23,000 6 hours ........... 16,000 23,000 14,000 In all cases the amount of cementite is zero, so that an annealing of one hour at 87! 5F is sufficient. It can be seen that the best result is obtained with a casting with a content of 1.2% copper with 40,000 tempered carbon spheres / mm 2.

Diese in Kokille gegossenen Gußstücke (30 Minuten lang bei 810° erhitzt, im Salzbad 1 Minute lang bei 180° gehärtet, in ruhender Luft abgekühlt, 48 Stunden lang bei 450° erhitzt, in ruhender Luft abgekühlt, dann bei 875° 1 Stunde lang erhitzt und in ruhender Luft abgekühlt) sind lamellar-perlitisch und ergeben an Probestäben von 4 mm Durchmesser, die den Teilen von 20 mm Stärke entnommen wurden, die folgenden Werte: Nummer der Güsse Kupfer Streckgrenze Zugfestigkeit Dehnung 0/0 kg/mm2 kg/mm2 o/' 2163 0,4 59 70 3 2162 1,2 47 72 4,8 2164 1,84 57 79 4,2 Schließlich kann man die Zusammensetzung und die Eigenschaften dieser Gußsorten durch Legierungselemente, wie z. B. Ni, Mo, Ti, Al, Zr usw., ändern. Hierdurch kann in an sich bekannter Weise der in dem Guß enthaltene Stickstoff gebunden werden. Infolge des Graphitgehalts ist die Bearbeitbarkeit nach der Graphitbildung, mit oder ohne Härten und Anlassen, besonders gut.These ingot castings (heated for 30 minutes at 810 °, hardened in a salt bath for 1 minute at 180 °, cooled in still air, heated for 48 hours at 450 °, cooled in still air, then heated at 875 ° for 1 hour and cooled in still air) are lamellar-pearlitic and give the following values on test rods of 4 mm diameter, which were taken from parts of 20 mm thickness: Number of castings Copper Yield strength Tensile strength Elongation 0/0 kg / mm2 kg / mm2 o / ' 2163 0.4 59 70 3 2162 1.2 47 72 4.8 2164 1.84 57 79 4.2 Finally, you can determine the composition and properties of these types of castings by alloying elements, such as. B. Ni, Mo, Ti, Al, Zr, etc., change. In this way, the nitrogen contained in the casting can be bound in a manner known per se. As a result of the graphite content, the machinability after graphite formation, with or without hardening and tempering, is particularly good.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. A process for the production of malleable castings of high toughness, characterized in that castings with a white fracture structure are produced as pressure casting and that these are then subjected to a three-part heat treatment consisting of the following measures to be taken one after the other: a) The castings are either preferably solution heat treatment to be used; z. B. of 30 minutes at 810 °, or directly quenched using the casting heat, this quenching being carried out as hot bath hardening or preferably as direct martensitic hardening; b) then the castings are tempered at a temperature to be precisely maintained between 400 and 500 °, generally at 450 ° and 5 to 100, preferably 36 to 48 hours, and c) finally a graphitization annealing until the ledeburitic and pre-eutectoid iron carbide decomposes 850 to 900 ° for a period of 20 minutes to 12 hours, preferably 1 hour at 875 °.

2. The method according to claim 1, characterized in that the after Malleable castings produced by die-casting process 0.4 to 311 / o, preferably 1 up to 211 / o, copper included.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that that the castings produced by the die-casting process are made of a substance such as aluminum contained in an amount such that any nitrogen present is bound. In Documents considered: German Patent No. 834 432; »Workshop books«, Springer Verlag, Issue 19, 3rd edition (1950), p. 50.