DE102005062994A1

DE102005062994A1 - Verfahren zur Herstellung von dickwandigen Gussstücken

Info

Publication number: DE102005062994A1
Application number: DE200510062994
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Jonuleit; Werner Maschke
Original assignee: SKW GIESSEREI GmbH
Current assignee: ASK CHEMICALS METALLURGY GMBH, DE
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2005-12-30
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2025-12-31
Also published as: DE102005062994B4

Abstract

Zur Herstellung von dickwandigen Gussstücken mit einer Wandstärke > 30 mm wird auf ein neues Verfahren zurückgegriffen, bei dem als Impfmittel eine Kombination, bestehend aus a) einer Wismut- und Cermischmetall-haltigen Impflegierung auf Basis von Ferrosilicium und b) einer Impflegierung, bestehend mindestens aus Silicium, Aluminium, Calcium und Eisen, eingesetzt wird, wobei die Komponenten a) und b) im Gewichtsverhältnis von 1 : 2,0 bis 4,0 vorliegen und ein Gewichtsverhältnis von 1 : 3 als bevorzugt anzusehen ist. Beide Komponenten können in gemischter, gegossener, kompaktierter oder gepresster Form eingesetzt werden, wobei die Komponente a) allerdings eine Körnung zwischen 0,1 und 3 mm aufweisen sollte. Mit dem eingesetzten Impfmittel, welches in einer Menge von 0,05 bis 0,4 Gew.-%, bezogen auf die Gusseisenschmelze, in diese eingebracht wird, kann die Ausbildung von entartetem Graphit zumindest drastisch reduziert werden, wodurch die Ausschussquote dickwandiger Gusseisenstücke deutlich herabgesetzt wird.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von dickwandigen Gussstücken aus Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) mit einer Wandstärke > 30 mm mit Hilfe eines Impfmittels.

Gusseisen enthält beträchtliche Mengen an gelösten Kohlenstoff, der sich beim Erstarren der Schmelze normalerweise in Lamellenform ausscheidet. Durch den Zusatz von Magnesium und Selten-Erdmetallen kann man die Form des ausgeschiedenen Kohlenstoffs im erstarrten Metall gezielt beeinflussen, so dass es zur Ausbildung von kugelförmigem Graphit kommt. Solchermaßen behandelte Gusseisenschmelzen übertreffen nach der Erstarrung die mechanischen Eigenschaften von Gusseisen mit Lamellengraphit deutlich.

Gusseisenlegierungen erstarren grau, weiß oder meliert, je nachdem ob sich der Kohlenstoff als Graphit oder Eisencarbid ausscheidet. Im Gussstück können diese Ausscheidungsformen des Kohlenstoffs auch gemeinsam auftreten. Ursache hierfür ist der Keimhaushalt der Schmelze, welche in Wechselwirkung mit den Abkühlungsbedingungen für das Gussstück steht. Zur Gewährleistung der gewünschten Grauerstarrung wird die Schmelze meistens geimpft. Unter Impfen versteht man die Zugabe keimwirksamer Stoffe zur Schmelze, um das Erstarrungsverhalten bzw. die Gefügeausbildung im Gussstück gezielt zu beeinflussen. Die Impfung kann beim Abstich in der Rinne, beim Füllen der Pfanne, im Gießstrahl oder in der Form ein- oder mehrstufig erfolgen.

Von Wismut ist bekannt, dass es, in Verbindung mit Selten-Erdmetallen der GJS-Schmelze zugesetzt, für eine hohe Kugelzahl sorgt. Dieser Effekt steht allerdings im Gegensatz zu der Beobachtung, dass Wismut allein, wie auch z. B. Titan, Antimon und Blei, die Kugelgraphitbildung in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen eher negativ beeinflusst.

In der Praxis versucht man diesen vermeintlichen Widerspruch zu überwinden, indem man die Kombination mit Selten-Erdmetallen in angepassten Konzentrationen gezielt beeinflusst. Auf diese Weise kann man mit Wismut in Verbin dung mit Cermischmetallen die Kugelzahl in starkem Maße erhöhen und gleichzeitig der Graphit-Entartung entgegenwirken. Durch die Erhöhung der Kugelzahl und den damit verbundenen kurzen Diffusionswegen für Kohlenstoff können erhöhte Ferritanteile im Gusszustand erzielt werden.

Eine bekannte hochwirksame Impflegierung auf Basis Ferrosilicium für Gusseisen mit Kugelgraphit, stellt das Produkt SMW 605 der SKW Giesserei GmbH dar. Dieses Produkt, welches in diversen Körnungen angeboten wird, kann der Schmelze in Form einer Gießstrahlimpfung oder einer Pfannenimpfung zugesetzt werden, wobei sich Mengen zwischen 0,05 und 0,15 % bzw. 0,2 und 0,3 % empfehlen. Die Richtanalyse derartiger Impflegierungen umfasst 62 bis 68 Gew.-% Silicium, maximal 1,0 % Aluminium, 1,8 bis 2,4 % Calcium, 0,8 bis 1,2 % Selten-Erdmetalle und 0,8 bis 1,2 % Wismut.

Das eben vorgestellte Impfmittel eignet sich bspw. hervorragend für die Herstellung von dünnwandigen Gussstücken.

Für mittlere und große Gussstücke haben sich seit langem Impfformlinge bewährt, die u. a. unter der Bezeichnung Germalloy^® in den Handel gelangen. Derartige gegossene und monolithische Formlinge mit definierter Analyse können eine Qualitätsverbesserung aufgrund einer optimalen Impfwirkung erzielen, da die jeweilige Impfmenge genau auf die Gussstückmasse abgestimmt werden kann, der Abklingeftekt der Impfung praktisch null ist und die Auflösung des Impfmittels unter Luftabschluss erfolgt. Dadurch gelingt es u. a. die Graphitkugelzahl zu erhöhen und der Bildung von Seigerungen entgegenzuwirken. Diese Formimpfmittel werden üblicherweise in das Gießbassin bzw. das Eingusssystem eingebaut und lösen sich gleichmäßig über die gesamte Gießzeit auf. Eine typische Legierungszusammensetzung des Typs Germalloy^® enthält 70 bis 78 Gew.-% Silicium, 3,2 bis 4,5 % Aluminium, 0,3 bis 1,5 % Calcium, Spuren an Magnesium und Selten-Erdmetallen sowie als Rest Eisen.

Insbesondere in den thermischen Zentren kommt es bei der Herstellung von dickwandigen Gussstücken aus Gusseisen mit Kugelgraphit zu unerwünschten Graphit-Ausbildungen in Form von "Chunky-Graphit". Die Hauptursache hierfür liegt darin, dass die Gussstückpartien lange im flüssigen Zustand verbleiben, was natürlich mit einer langen Erstarrungszeit verbunden ist. Bei dieser Form der Graphitentartung kommt es auch zu einer zellenförmigen Anordnung von kompaktem Graphit mit meist grobsphärolithischem Gefüge. In Gussstücken, die derartige Abweichungen an Graphit aufweisen, werden sowohl die gewünschte Festigkeit als auch die Dehnungseigenschaften nicht erreicht. In Abhängigkeit vom Ausmaß und dem Umfang der Anteile an entartetem Graphit ist das Gussteil meist zu verwerfen. Selbst Maßnahmen, wie magnesiumhaltige Behandlungsmittel ohne Cermischmetall-Anteile, niedrigen Silizium-Gehalten im Guss oder auch das Anlegen von Kokillen, sind nicht in jedem Fall ausreichend, um die Bildung von "Chunky-Graphit" zu vermeiden.

Aus dem bekannten Stand der Technik hat sich für die vorliegende Erfindung deshalb die Aufgabe gestellt, ein neues Verfahren zur Herstellung von dickwandigen Gussstücken mit einer Wandstärke > 30 mm mit Hilfe eines Impfmittels bereitzustellen. Durch den Einsatz eines Impfmittels sollte die Ausbildung von "Chunky-Graphit" unterdrückt werden, wobei im Vordergrund stand, dass die Produktqualitäten des erstarrten Gussstückes keine negative Beeinflussung erfahren. Insbesondere hinsichtlich der Festigkeit und Dehnungsfähigkeit der Gussstücke sollte es zu keinen Beeinträchtigungen kommen.

Gelöst wurde diese Aufgabe durch die Verwendung eines Impfmittels, welches als Kombination bestehend aus a) einer Wismut- und Cermischmetall-haltigen Impflegierung auf Basis von Ferrosilicium und b) einer Impflegierung bestehend mindestens aus Silicium, Aluminium, Calcium und Eisen eingesetzt wird, wobei die Komponenten a) und b) im Gewichtsverhältnis von 1 : 2,0 bis 4,0 vorliegen.

Überraschend hat sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herausgestellt, dass nicht nur die Aufgabenstellung gelöst werden konnte, indem es selbst in starkwandigen Gussstücken von mehr als 50 mm zu keinerlei "Chunky-Graphit"-Ausbildung mehr kommt, wobei die Festigkeit und Dehnung der Gussstücke den jeweiligen Vorgaben in vollem Umfange entsprechen, sondern dass dabei auch im Wesentlichen auf bekannte Produkte zurückgegriffen werden kann, was insbesondere unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten hinsichtlich der Herstellung, Handhabbarkeit und Variationsmöglichkeit bedeutende zusätzliche Vorteile bietet. Selbst in dickwandigen Gussstücken, die Erstarrungszeiten über 80 Minuten aufweisen, sind Nachteile durch entarteten Graphit mit Hilfe des neuen Verfahrens nicht mehr zu beobachten, wodurch die Ausschussquote deutlich reduziert werden kann. Die Vorteile des neuen Verfahrens waren in diesem Ausmaß nicht vorherzusehen.

Hinsichtlich der Komponente a) haben sich Zusammensetzungen als besonders günstig erwiesen, die Anteile an Wismut und Cermischmetall aufweisen, die je zwischen 0,1 und 2,0 Gew.-%, bevorzugt zwischen 0,5 und 1,5 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 0,8 und 1,2 Gew.-% liegen. Besondere Vorteile zeigt in diesem Zusammenhang eine Komponente a), die neben Wismut und Cermischmetall-Anteilen Silicium, Aluminium, Calcium und Eisen enthält und die insbesondere aus 60 bis 75 Gew.-% Si, maximal 1,0 Gew.-% Al, 1,5 bis 3,0 Gew.-% Ca und 0,5 bis 1,5 Gew.-% SE, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Bi und als Rest Eisen besteht.

Hinsichtlich der Komponente b) hat es sich erfindungsgemäß als vorteilhaft herausgestellt, wenn sich diese aus 66 bis 78 Gew.-% Si, 1,5 bis 4,5 Gew.-% Al, 0,3 bis 1,5 Gew.-% Ca sowie Spuren and Mg und SE sowie als Rest Fe zusammensetzt.

Die Menge, in der die Komponenten a) und b) im Verfahren gemäß Erfindung eingesetzt werden sollen, können in relativ breiten Bereichen variiert werden. Allerdings hat sich ein Gewichtsverhältnis als besonders geeignet erwiesen, bei dem die Komponenten a) und b) im Verhältnis 1 : 2,5 bis 3,5 und insbesondere im Gewichtsverhältnis 1 : 3 vorliegen. Auch sollte die Komponente a) eine Körnung von 0,1 bis 3,0 mm und vorzugsweise zwischen 0,2 und 2,5 mm aufweisen.

Der Einfachheit halber kann als Komponente a) auch eine Impflegierung auf Basis von Ferrosilicium eingesetzt werden, wie sie unter der Produktbezeichnung SMW 605 bekannt ist. Als Komponente b) eignen sich insbesondere Fer tigprodukte vom Germalloy^®-Typ. Beide Produkte werden seit langem von der SKW Giesserei GmbH als separate Impfmittel für die Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit in den Handel gebracht.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden speziellen Verfahrensvariante gemäß Erfindung, bei der eine Kombination der Komponenten a) und b) eingesetzt wird, können weitere Impfmittelvarianten dadurch erzielt werden, dass die Komponenten a) und/oder b) in gemischter, gegossener, kompaktierter und/oder gepresster Form eingesetzt werden. Als besonders bevorzugt ist die gemeinsame Verwendung in Form eines einzigen Impfmittels anzusehen. Sämtliche genannten Einsatzformen können natürlich auch als Mischformen zum Einsatz gebracht werden, was die Vielseitigkeit des vorliegenden Verfahrens zusätzlich erhöht.

Bezogen auf die Gusseisenschmelze sollte die Komponente a) in einer Menge von 0,01 bis 0,1 und die Komponente b) in einer Menge von 0,04 bis 0,3 Gew.-% in der jeweiligen Kombinationsform eingesetzt werden. Das kombinierte Impfmittel selbst, welches aus den Komponenten a) und b) besteht, sollte schließlich in einer Menge von 0,05 bis 0,4 Gew.-% und vorzugsweise in einer Menge von 0,2 bis 0,25 Gew.-%, jeweils bezogen auf die zu vergießende Eisenmenge zugesetzt werden.

Mit dem vorgeschlagenen neuen Verfahren lassen sich Behandlungsmittel, die seit langem in voneinander unterschiedlichen Anwendungsgebieten routinemäßig eingesetzt werden, zu einem neuen Impfmittel kombinieren, womit die gezielte Vermeidung von entartetem Graphit des Typs "Chunky-Graphit" erfolgreich gelingt.

Das nachfolgende Beispiel verdeutlicht die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beispiel:
Es wurden quaderförmige GJS-Stücke mit einer Wanddicke von bis zu 600 mm hergestellt.
Die Impfung der Eisenschmelze erfolgte gemäß Stand der Technik nach der Mg-Behandlung mit einem Impfmittel auf FeSi-Basis. Trotz teilweise angelegter Kokillen und einer für dickwandige Teile typischen Analyse kam es im inneren Bereich der dickwandigen Partien zum Abfall der mechanischen Eigenschaften durch "Chunky-Graphit" mit vereinzelt großen Graphitkugeln.
Erfindung: Der Impfprozess wurde gegenüber dem Stand der Technik nach der Mg-Behandlung geändert: Das Gießen erfolgt aus der Behandlungspfanne über ein Gießbassin. In dem Gießbassin waren Formimpflinge des Typs Germalloy^® eingeformt. Die Menge Germalloy^® betrug 0,15 % Gew.-% bezogen auf die Menge der zu vergießenden Eisenmenge. Die Anzahl und damit Menge von 0,15 % Gew.-% waren auf die Gussstückmasse, die Gießzeit, Gießtemperatur und Auflösungszeit der Formlinge abgestimmt. Zusätzlich wurde beim Gießen ein zweiter Impfvorgang durchgeführt. Dabei wurden 0,05 % Gew.-% des Impfmittels SMW 605 zusätzlich während des Gießens der Schmelze zugeführt.
Durch diese doppelte Impfung und die spezielle Wirkung des geringen Anteils des zweiten Impfmittels kam es zur Ausbildung von mehr und kleineren Graphitkugeln als bei der sonst üblichen Verfahrensweise beobachtet wurde. Dabei wurde die Ausbildung von "Chunky-Graphit" unterbunden. Das Grundgefüge bestand aus mind. 90 % Ferrit mit Perlitresten. Die mechan. Eigenschaften entsprechend der gültigen DIN EN 1563 für dickwandige Teile wurden voll erreicht.

Claims

Verfahren zur Herstellung von dickwandigen Gussstücken mit einer Wandstärke > 30 mm aus Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) mit Hilfe eines Impfmittels, dadurch gekennzeichnet, dass als Impfmittel eine Kombination bestehend aus a) einer Wismut- und Cermischmetall-haltigen Impflegierung auf Basis von Ferrosilicium und b) einer Impflegierung, bestehend mindestens aus Silicium, Aluminium, Calcium und Eisen eingesetzt wird, wobei die Komponenten a) und b) im Gewichtsverhältnis von 1 : 2,0 bis 4,0 vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente a) Anteile an Wismut und Cermischmetall aufweist, die je zwischen 0,1 und 2,0 Gew.-%, bevorzugt zwischen 0,5 und 1,5 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 0,8 und 1,2 Gew.-% liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente a) neben Wismut- und Cermischmetall-Anteilen Silicium, Aluminium, Calcium und Eisen enthält und insbesondere aus 60 bis 75 Gew.-% Si, maximal 1,0 Gew.-% Al, 1,5 bis 3,0 Gew.-% Ca und 0,5 bis 1,5 Gew.-% SE, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Bi und als Rest Eisen besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Komponente b) aus 66 bis 78 Gew.-% Si, 1,5 bis 4,5 Gew.-% Al, 0,3 bis 1,5 Gew.-% Ca, Spuren an Mg und SE sowie als Rest Fe zusammensetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten a) und b) im Gewichtsverhältnis 1 : 2,5 bis 3,5 und insbesondere im Gewichtsverhältnis 1 : 3 eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente a) eine Körnung von 0,1 bis 3,0 mm und vorzugsweise zwischen 0,2 und 2,5 mm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten a) und/oder b) in gemischter, gegossener, kompaktierter und/oder gepresster Form und insbesondere gemeinsam in Form eines einzigen Impfmittels eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente a) in einer Menge von 0,01 bis 0,1 und die Komponente b) in einer Menge von 0,04 bis 0,3 Gew.-%, jeweils bezogen auf die zu vergießende Eisenmenge, eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Impfmittel, bestehend aus den Komponenten a) und b) in einer Menge von 0,05 bis 0,4 Gew.-% und vorzugsweise in einer Menge von 0,2 bis 0,25 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gusseisenschmelze, eingesetzt wird.