DE102016107944A1

DE102016107944A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus duktilem Gusseisen und Bauteil aus duktilem Gusseisen

Info

Publication number: DE102016107944A1
Application number: DE102016107944.8A
Authority: DE
Inventors: Friedrich W. Karau
Original assignee: Duktus Production GmbH
Current assignee: VR Production Duktus GmbH
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2017-11-02
Also published as: EP3449027A1; WO2017186444A1; EP3449027B1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus duktilem Gusseisen, das die folgenden Schritte aufweist; Bereitstellen einer fließfähigen Gusseisenmischung, Einbringen der fließfähigen Gusseisenmischung in eine Kokille, Erstarrung der Gusseisenmischung in der Kokille, Öffnen der Kokille und Entnahme des Bauteils aus Gusseisen, wobei die Gusseisenmischung einen Mindestgehalt von 3,0 Gew.-% Silicium aufweist. Weiterhin umfasst die Erfindung ein nach diesem Verfahren hergestelltes Bauteil aus duktilem Gusseisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus duktilem Gusseisen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Bauteil aus duktilem Gusseisen nach Anspruch 10.
Bauteile, wie beispielweise Rohre und Fahrzeugbauteile, werden oft aus duktilem Gusseisen gefertigt, weil dieses stahlähnliche Eigenschaften aufweist. Es ist zudem kostengünstig herzustellen und gut zu bearbeiten. Bauteile aus duktilem Gusseisen weisen eine gute plastische Verformbarkeit, Zugfestigkeit, Kerbschlagarbeit und Härte auf.
Zur Herstellung von Bauteilen aus Gusseisen wird mitunter das Kokillengussverfahren verwendet, wobei wiederverwendbare Gussformen, sogenannte Kokillen, eingesetzt werden. Dieses unterscheidet sich vom Sandgussverfahren dadurch, dass eine hohe Stückzahl eines Bauteils in kürzerer Herstellungszeit produziert werden kann. Weiterhin muss beim Kokillengussverfahren im Gegensatz zum Sandgussverfahren nicht für jedes einzelne herzustellende, formgleiche Bauteil eine separate Form angefertigt werden.
Allerdings birgt das Kokillenverfahren auch Nachteile, wie eine beschleunigte Erstarrung der Gusseisenschmelze. Die verwendeten Kokillen bestehen häufig aus einem metallischen Formwerkstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Dieses bewirkt – gegenüber dem im Sandgussverfahren zur Formgebung benutzten Formsand – eine beschleunigte Abkühlung der erstarrenden Schmelze, wodurch das Gusseisenmaterial in einer Weißerstarrung in einem bei Raumtemperatur metastabilen System erstarrt, welches keine Duktilität aufweist. Bei der Weißerstarrung liegt der im Gusseisen enthaltene Kohlenstoff nahezu ausschließlich in gebundener Form als Zementit, welches ein Eisencarbid ist, vor.
Um dies zu vermeiden, müssen mit dem Kokillengussverfahren hergestellte Gussstücke, regelmäßig nachbehandelt werden. Je nach gewünschter Materialendstruktur und daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften des Gusseisens werden unterschiedliche Glühbehandlungen angewendet. Sollen beispielweise Rohre aus Gusseisen ein ferritisches, duktiles Gefüge aufweisen, müssen diese geglüht werden. Durch die Glühbehandlung zerfallen die bei der Weißerstarrung entstandenen Carbide in elementaren Kohlenstoff und Metall. Bei hohen Carbidgehalten müssen die Glühzeiten verlängert werden und es kann es zu einer Kornvergröberung kommen, die den positiven Effekt der Carbidauflösung überkompensiert. Anschließend wird das Bauteil einem Ferritisierungsglühen (bei ca. 780 °C, ca. 30–45 Minuten) unterzogen, wodurch ein ferritisches Gefüge erhalten wird. Allerdings sind diese Glühbehandlungen kostenintensiv und es wird der Herstellungsprozess verlängert. Ferner müssen die entsprechenden Anlagen zum Glühen bereitgehalten und beheizt werden.
Weiterhin neigen beispielweise Rohre mit runden Querschnitt bei einer langen Glühbehandlung dazu eine ovale Form anzunehmen, wodurch es zu einem hohen Ausschuss kommt.
Eine solche Vorrichtung zur Wärmebehandlung schleudergegossener Eisenrohre ist beispielweise in DE 30 20 705 C2 offenbart.
Ein weiterer Nachteil des Kokillengussverfahrens besteht darin, dass bei der Herstellung von qualitativ hochwertigen, duktilen Bauteilen mit überwiegend ferritischer Matrix aus herkömmlichen Gusseisenmischungen nur Rohstoffe mit einem niedrigen Gehalt an carbidbildenden und carbidstabilisierenden Elementen eingesetzt werden können. Zu den carbidbildenden Elementen gehören beispielweise Mangan und Chrom, welche Mischcarbide ausbilden. Zu den carbidstabilisierenden Elemente, die einen Carbidzerfall hemmen, gehören beispielweise Kupfer und Zinn. Diese carbidbildenden und carbidstabilisierenden Elemente können in Form eines Mangan-Äquivalents (MnE) zusammengefasst werden. Bei den herkömmlichen Gusseisenmischungen können daher nur Rohstoffe mit maximal 0,8 % MnE-Gehalt eingesetzt werden, denn ein höherer MnE-Gehalt im Kokillengussverfahren würde eine Weißerstarrung mit einer hohen Carbidkonzentration fördern. Bei hohen MnE-Gehalten kann zudem keine hinreichende Carbidauflösung durch Wärmenachbehandlung erreicht werden. Zwar könnten durch eine verlängerte Glühbehandlung die Carbide aufgelöst werden. Allerdings führt dies zu einer Kornvergröberung, welche die mechanischen Eigenschaften ebenfalls negativ beeinflusst und sogar den positiven Effekt der Carbidauflösung überkompensiert. Weiterhin ist bei hohen MnE-Gehalten von Nachteil, dass die hergestellten Bauteile eine schlechte Maßhaltigkeit aufweisen, so dass es zu einem hohen Ausschuss bei der Produktion kommt. Nachteilig ist ferner, dass Rohstoffe mit einem niedrigen MnE-Gehalt teurer sind, als die MnE-reichen Rohstoffe und somit die Herstellungskosten erhöht sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bestehenden Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus duktilem Gusseisen bereitzustellen, mit dem gusseiserne Bauteile qualitativ hochwertig und kostengünstig hergestellt werden können. Darüber hinaus soll ein qualitativ hochwertiges und kostengünstiges Bauteil nach diesem Verfahren bereitgestellt werden, welches neben optimalen Materialeigenschaften eine gute Maßhaltigkeit aufweist.
Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 und 10 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 9 und 11 bis 14.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus duktilem Gusseisen, das die folgenden Schritte aufweist;

– Bereitstellen einer fließfähigen Gusseisenmischung,
– Einbringen der fließfähigen Gusseisenmischung in eine Kokille,
– Erstarrung der Gusseisenmischung in der Kokille,
– Öffnen der Kokille und Entnahme des Bauteils aus Gusseisen,

Die Verwendung einer Gusseisenmischung mit einem derart erhöhten Siliciumgehalt ermöglicht es, ein Bauteil mittels Kokillengussverfahren herzustellen, das eine gegenüber herkömmlichen Bauteilen deutlich verbesserte Kerbschlagzähigkeit, Bruchdehnung und Zugfestigkeit aufweist. Dieses wird durch den erfindungsgemäßen Zusatz von Silicium ermöglicht.
Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Kokille entspricht einer Dauerform zur mehrfachen Benutzung in der Herstellung eines Bauteils aus Gusseisen, wobei diese Kokille vorzugsweise metallisch ist. Dabei kann die Kokille zur Herabsetzung der Wärmeleitfähigkeit eine keramische Innenbeschichtung aufweisen. Eine Innenkontur der Kokille entspricht dabei der Außenkontur des herzustellenden Bauteils. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass eine gewöhnliche Kokille verwendet werden kann und keine teuren Sandformen notwendig sind. Auch müssen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteile weniger aufwendig nachbehandelt werden, wodurch der Fertigungsprozess verkürzt wird und Kosten gespart werden können. Basierend auf einer vollständigeren Carbidauflösung ist die Maßhaltigkeit der hergestellten Bauteile verbessert, wodurch das Verfahren eine effizientere und kostengünstigere Herstellung von Bauteilen aus Gusseisen ermöglicht. Weiterhin vorteilhaft ist, dass kostengünstigere Gusseisenmischungen verwendet werden können, selbst wenn diese hohe MnE-Gehalte aufweisen.
In einer Ausführungsform weist die Gusseisenmischung vorzugsweise 3,0 Gew.-% bis 4,5 Gew.-% Silicium, bevorzugt 3,3 Gew.-% bis 4,2 Gew.-% Silicium, besonders bevorzugt 3,5 Gew.-% bis 3,8 Gew.-% Silicium auf. Bei diesen Siliciumgehalten werden qualitativ hochwertige Bauteile mit gegenüber herkömmlichen Gusseisenmischungen verbesserten Materialeigenschaften erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung enthält die Gusseisenmischung neben Eisen als Hauptkomponente 0,3 Gew.-% bis 2,1 Gew.-% MnE, bevorzugt 0,8 Gew.-% bis 1,8 Gew.-% MnE, besonders bevorzugt 1,1 Gew.-% bis 1,6 Gew.-% MnE und 2,8 Gew.-% bis 3,8 Gew.-% Kohlenstoff, bevorzugt 3,0 Gew.-% bis 3,6 Gew.-% Kohlenstoff, besonders bevorzugt 3,1 Gew.-% bis 3,3 Gew.-% Kohlenstoff. Diese Zusammensetzung ermöglicht die Herstellung von qualitativ hochwertigen Bauteilen nach dem erfindungsgemäßen Kokillengussverfahren. Der MnE-Gehalt wird nach der folgenden Formel berechnet: Gew.-% MnE = Gew.-% Anteil Mangan + (3 × Gew.-% Anteil Chrom) + Gew.-% Anteil Kupfer + (10 × Gew.-% Anteil Zinn), wobei der Anteil der jeweiligen Elemente auf die Gesamtzusammensetzung der Gusseisenmischung bezogen ist.
Dieses ermöglicht den Einsatz von Rohstoffen mit einem hohen MnE-Gehalt, welche kostengünstiger als MnE-arme Rohstoffe sind. Der erhöhte Siliciumgehalt von mindestens 3,0 Gew.-% Silicium hemmt dabei den carbidbildenden-Effekt der MnE-Elemente, wodurch ein MnE-Gehalt von bis zu 2,1 Gew.-% und mehr beim Kokillengussverfahren toleriert werden kann. Aufgrund dessen können kostengünstigere Rohstoffe eingesetzt werden und dennoch qualitativ hochwertige Bauteile produziert werden.
Die fließfähige Gusseisenmischung wird bei einer Temperatur von 1200 °C bis 1450 °C, bevorzugt bei einer Temperatur von 1280 °C bis 1390 °C, in die Kokille eingebracht.
In einer Ausführungsform werden in vorhergehenden Verfahrensschritten die Gusseisenbestandteile vermengt und in einem Schmelzofen unter Wärmezufuhr geschmolzen, wobei die fließfähige Gusseisenmischung erhalten wird.
Vorzugsweise wird dem fließfähigen Gusseisen vor der Einbringung in die Kokille ein Impfmittel zugesetzt. Dieses Impfmittel wird bevorzugt kurz vor oder während des Gießens, welches dem Einbringen der fließfähigen Gusseisenmischung in eine Kokille entspricht, zugesetzt. Dabei wird das Impfmittel beispielweise bereits in der Gießpfanne in die Gusseisenmischung gemischt und/oder in die Gießrinne oder den Gießstrahl gegeben. Durch die Zugabe eines Impfmittels in Form einer Legierung, wie beispielweise Ferrosilicium, werden Impfkeime in die fließfähige Gusseisenmischung eingebracht, die eine eutektische Erstarrung der Schmelze fördern. Die Einstellung eines günstigen Keimzustands durch das Impfmittel bewirkt, dass neben einer gezielten Graphitausscheidung auch das entsprechende Grundgefüge gebildet wird. Basierend auf der Einstellung eines bestimmten Grundgefüges können die Eigenschaften des fertigen Bauteils definiert werden. Das Impfmittel wird bevorzugt zu 0,05 bis 0,1 Gew.-% in Bezug auf die fließfähige Gusseisenmischung zugegeben.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Kokille gekühlt. Die Kühlung kann beispielweise durch eine aktive Kühlung in Form einer Wasserkühlung und/oder einer Luftkühlung erfolgen. Dadurch erstarrt das fließfähige Gusseisen schneller und das Bauteil kann eher der Kokille entnommen werden. Dies beschleunigt den Herstellungsprozess und ermöglicht eine kosteneffiziente Herstellung einer hohen Stückzahl eines Bauteils und somit eine rationelle Fertigung.
Bei einer bevorzugten Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kokille während dem Einbringen der fließfähigen Gusseisenmischung und/oder der Erstarrung der Gusseisenmischung rotiert. Dabei kann die fließfähige Gusseisenmischung beispielweise mittels einer Gießrinne in die Kokille eingebracht werden, wobei die Gießrinne langsam aus der Kokille gezogen wird. Die fließfähige Gusseisenmischung wird unter Einwirkung von Fliehkraft an die Wandungen der Kokille gedrückt, wodurch Bauteile mit Hohlraum, beispielweise Rohre, erhalten werden können. Die Benutzung einer rotierenden Kokille in einem Gussverfahren wird als Schleudergussverfahrens bezeichnet. Wird die rotierende Kokille zudem gekühlt, handelt es sich um eine Variante des Schleudergussverfahrens nach „de Lavaud“.
Die Kokille wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens um eine horizontale Drehachse rotiert. In einer möglichen Variante weist die Drehachse der Kokille eine Neigung gegenüber der horizontalen Achse auf, vorzugsweise von 3 bis 7 °. Allerdings kann die Kokille auch bis hin zu einer senkrechten Drehachse geneigt sein.
Das Bauteil aus Gusseisen wird in einer bevorzugten Fortbildung nach dem Öffnen der Kokille und der Entnahme nachbehandelt. In einer möglichen Ausgestaltung wird das Bauteil einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Wärmebehandlung kann in mehrere Schritte unterteilt werden:

a) zuerst wird das Bauteil schnell auf eine Temperatur von 900 °C bis 980 °C, bevorzugt 920 °C bis 950 °C, erhitzt. Bei dieser Temperatur werden die bei einer schnellen Erstarrung (Weißerstarrung) gebildeten Carbide gelöst.
b) Eine ausreichende Carbidauflösung des Gusseisens kann erhalten werden, wenn das Bauteil bevorzugt 20 bis 40 Minuten auf 920 °C bis 950 °C erhitzt wird, dabei Zerfallen die Carbide in Kohlenstoff und entsprechendes Metall. Der Kohlenstoff diffundiert zu bestehenden Keimen der Gusseisenmischung und bildet Kugeln aus. Ein ferritisches Gefüge wird erhalten. Die Carbidauflösung erfolgt hierbei mehr als doppelt so schnell, gegenüber einem Bauteil, welches mit einem herkömmlichen Verfahren hergestellt wurde.
c) Im Anschluß wird das erfindungsgemäß hergestellte Bauteil auf Raumtemperatur abgekühlt.

Auf einen zusätzlichen Glühbehandlungsschritt in Form des Ferritisierungsglühen kann bei der Herstellung des Bauteils nach dem beschriebenen Verfahren überraschenderweise verzichtet werden, wodurch die Produktionsdauer verkürzt und die Produktionskosten gesenkt werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung können weitere Nachbehandlungsschritte vorgesehen sein. Dazu gehören beispielweise Glätten der Oberfläche des Bauteils aus duktilem Gusseisen, Aufbringen einer Beschichtung und/oder eines Korrosionsschutzes.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Bauteil aus duktilem Gusseisen, welches mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Dieses Bauteil weist bevorzugt mindestens 3,0 Gew.-% Silicium auf. Dadurch können qualitativ hochwertige Bauteile günstig aus duktilem Gusseisen erhalten werden, die eine verbesserte Kerbschlagzähigkeit, Bruchdehnung und Zugfestigkeit aufweisen. Die erfindungsgemäßen Bauteile weisen nicht nur verbesserte Eigenschaften auf, sie sind zudem günstiger und effizienter herzustellen. Die erfindungsgemäßen Bauteile sind beispielweise Rohre, Walzen, Säulen, rotationssymmetrische Hohlkörper, sowie verschiedene andere Hohl- und Vollkörper.
In einer bevorzugten Ausgestaltungform ist das Bauteil ein Rohr. Rohre aus duktilem Gusseisen werden beispielweise als Trinkwasserrohre oder Abwasserrohre eingesetzt, so dass die Bauteile hohen Qualitätsanforderungen bei günstiger Bereitstellung gerecht werden müssen. Diese Anforderungen können mit den erfindungsgemäß hergestellten Bauteilen erfüllt werden. Dabei weist eine Wandung des Rohrs vorzugsweise eine Wandstärke von 2 bis 50 mm, bevorzugt eine Wandstärke von 3,5 bis 25 mm auf. Diese Wandstärke ermöglicht einen Einsatz des Rohres je nach Anwendungsgebiet, wobei unterschiedliche Anforderungen bezüglich Beständigkeit und Druckbelastung an das Rohr gestellt werden. Werden erhöhte Innendrücke erwartet muss das Rohr stärker ausgelegt werden, als im unbelasteten Zustand. Auch muss ein Rohr unter der Erde, gegenüber einem oberirdisch verbauten Rohr, erhöhten Außendrücken standhalten. Zudem kann die Rohrwand eines Rohrs, mit einem erfindungsgemäßen Siliciumgehalt, dünner ausgelegt werden, weil das Gusseisen stabiler und fester ist.
Je nach Einsatzgebiet sieht eine bevorzugte Fortbildung des Bauteils vor, dass das Bauteil auf einer Innenfläche und/oder einer Außenfläche eine Beschichtung aufweist. Dabei kann beispielweise die Wandung des Rohrs auf einer Innenfläche und/oder einer Außenfläche beschichtet sein. Mögliche Beschichtungen der Innenfläche können Zementmörtel, zum Beispiel Hochofenzement oder Tonerdezement, oder andere Betonarten sein. Auch Epoxidharz und Polyurethan können als Innenbeschichtung aufgebracht sein. Als Außenbeschichtung sind vorzugsweise Bitumen, verschiedene Betonarten, Epoxidharz, Polyurethan, Acryllack und/oder Polyethylen einsetzbar.
In einer Fortbildung weist das Rohr an mindestens einem Ende eine Verbindungsanordnung auf. Diese Verbindungsanordnung kann beispielweise eine Muffe und/oder ein Nippel sein, die in einer Muffenverbindung fluiddicht verbunden werden können. Dabei sind sowohl längskraftschlüssige Muffenverbindungen als auch nicht-längskraftschlüssige Muffenverbindungen herstellbar. Die Muffen können bevorzugt Schraubmuffen, Steckmuffen und/oder Stopfbuchsenmuffen sein.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus den folgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
Es zeigen:
1 Ein Diagramm mit Messergebnissen aus Kerbschlagbiegeversuchen der Probe P1 und der Referenzprobe PR,
2 Ein Diagramm mit Messergebnissen aus Zugversuchen der Probe P1 und der Referenzprobe PR,
3 Ein Diagramm mit weiteren Messergebnissen aus Zugversuchen der Probe P1 und der Referenzprobe PR,
4 Ein Diagramm mit Messergebnissen aus Kerbschlagbiegeversuchen der Probe P2,
5 Ein Diagramm mit Messergebnissen aus Zugversuchen der Probe P2,
6 Ein Diagramm mit weiteren Messergebnissen aus Zugversuchen der Probe P2,
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zuerst eine fließfähige Gusseisenmischung bereitgestellt, die dann in eine Kokille eingebracht wird. In der Kokille erstarrt die Gusseisenmischung, welches durch eine beschleunigte Abkühlung an den Wandungen der Kokille deutlich schneller erfolgt als im Sandgussverfahren. Nach einer vollständigen Erstarrung der Gusseisenmischung wird die Kokille geöffnet und das Bauteil entnommen. Erfindungsgemäß weist die Gusseisenmischung einen Mindestgehalt von 3,0 Gew.-% bis 4,5 Gew.-% Silicium, bevorzugt 3,3 Gew.-% bis 4,2 Gew.-% Silicium, besonders bevorzugt 3,5 Gew.-% bis 3,8 Gew.-% Silicium auf. Die auf diese Weise in einer Kokille hergestellten Bauteile weisen gegenüber Bauteilen, die ebenfalls mittels eines Kokillenverfahrens hergestellten wurden, verbesserte Materialeigenschaften auf.

Weitere Ausführungsformen von Gusseisenmischungen sind in Tabelle 1 aufgeführt, wobei jeweils Eisen der Hauptbestandteil ist. Neben den Bestandteilen Silicium, Kohlenstoff und Elementen, die als Mangan-Äquivalent (MnE) zusammengefasst wurden, können weitere Bestandteile in der Gusseisenmischung enthalten sein. Der MnE-Gehalt wird nach der oben genannten Formel berechnet. Tabelle 1: Weitere Ausführungsformen von Gusseisenmischungen

Bestandteil	Anteil an einer Gusseisenmischung [Gew.-%]	Bevorzugter Anteil an einer Gusseisenmischung [Gew.-%]	Besonders bevorzugter Anteil an einer Gusseisenmischung [Gew.-%]	Ganz besonders bevorzugter Anteil an einer Gusseisenmischung [Gew.-%]
Si	3,0 bis 4,5	3,3 bis 4,2	3,5 bis 3,8	3,5
C	2,8 bis 3,8	3,0 bis 3,6	3,1 bis 3,3	3,2
MnE	0,3 bis 2,1	0,8 bis 1,8	1,1 bis 1,6	1,3

Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in Form der Gusseisenmischung 1 in Tabelle 2 gezeigt. Zum Vergleich ist eine Zusammensetzung einer Referenzgusseisenmischung R aufgeführt, die weniger als 3,0 Gew.-% Silicium aufweist. Der in der Tabelle 2 nicht aufgeführte Hauptbestandteil der Gusseisenmischung 1 und der Referenzgusseisenmischung R ist jeweils Eisen. Tabelle 2: Bestandteile einer Gusseisenmischung 1 sowie einer Referenzgusseisenmischung R.

	1	R
Bestandteil	Gusseisenmischung für erfindungsgemäßes Verfahren [Gew.-%]	Referenzgusseisenmischung [Gew.-%]
C	3,07	3,45
Si	3,54	2,42
Mn	0,29	0,293
P	0,038	0,043
S	0,008	0,006
Cr	0,082	0,117
Mg	0,052	0,058
Cu	0,224	0,18
Sn	0,007	0,006
MnE	0,831	0,89
CEQ	3,873	4,08

Der in der Tabelle 2 aufgeführte CEQ-Wert entspricht einem Kohlenstoffäquivalent und wird nach folgender Formel berechnet: CEQ = Gew.-% Anteil Kohlenstoff + (1/3 Gew.-% Anteil Silicium) + (1/3 Gew.-% Anteil Phosphor), wobei der Anteil der jeweiligen Elemente auf die Gesamtzusammensetzung der Gusseisenmischung bezogen ist
Die eingesetzten Bestandteile werden in der entsprechenden Zusammensetzung miteinander vermischt und gemeinsam aufgeschmolzen. Alternativ werden einzelne Bestandteile der Gusseisenmischung erst zu der fließfähigen Schmelze zugegeben oder verschiedene Bestandteile separat aufgeschmolzen und zu einer fließfähigen Gusseisenmischung zusammengefügt.
Die 1 bis 3 zeigen einen Vergleich der Materialeigenschaften einer erfindungsgemäß hergestellten Probe P1 aus der Gusseisenmischung 1 mit einer Probe PR aus der Referenzgusseisenmischung R, die eine herkömmliche Zusammensetzung aufweist und mittels Kokillengussverfahrens hergestellt wurde.
1 zeigt die Ergebnisse von Kerbschlagbiegeversuchen zur Ermittlung der Kerbschlagarbeit A, auch Kerbschlagzähigkeit genannt, der Proben P1 und PR. Die Versuche wurden unter Normbedingungen an einer ISO 10 × 10-Spitzkerbprobe (ISO-V-Probe, Probengröße: 10 × 10 mm) durchgeführt. Die ermittelte Kerbschlagarbeit A in Joule [J] ist gegen die Temperatur T in °C aufgetragen. Es ist ersichtlich, dass die Kerbschlagarbeit/Kerbschlagzähigkeit A der Probe P1, hergestellt durch das erfindungsgemäße Verfahren mit der Gusseisenmischung 1, im Vergleich zu PR deutlich erhöht und somit verbessert ist.
2 und 3 zeigen die Ergebnisse von Zugversuchen zur Ermittlung weiterer Materialeigenschaften der Probe P1 im Vergleich zu PR. Die in 2 und 3 dargestellten Messergebnisse wurden durch Versuche nach der Norm (DIN EN) ISO 6892-1:2009-12 „Metallische Werkstoffe: Prüfverfahren bei Raumtemperatur" ermittelt.
In 2 sind die ermittelten Werte der Zugfestigkeit R_m in MPa und die 0,2 % Dehngrenze R_p0,2 in MPa angegeben. Die Dehngrenze entspricht der Spannung, die eine nicht proportionale Dehnung bewirkt. Zum leichteren Vergleich der Dehngrenze wird der Zahlenwert der nichtproportionalen Dehnung als %-Anteil der Dehngrenze angegeben. Sowohl die Zugfestigkeit R_m als auch die 0,2 % Dehngrenze R_p0,2 sind bei der Probe P1 gegenüber PR deutlich verbessert. Mithin können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren qualitativ hochwertige Bauteile aus duktilem Gusseisen hergestellt werden, die eine verbesserte Zugfestigkeit R_m und Dehngrenze R_p0,2 aufweisen.
3 zeigt die Ergebnisse von Zugversuchen zur Ermittlung der Dehnung am Spannungsmaximum A_gt in %, die Bruchdehnung A_t in % und die Brucheinschnürung Z in %. Sowohl die Dehnung am Spannungsmaximum A_gt, die Bruchdehnung A_t und die Brucheinschnürung Z sind bei der Probe P1 gegenüber der Probe PR aus der Referenzgusseisenmischung R deutlich erhöht. Auch diese Ergebnisse bestätigen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren qualitativ hochwertige Bauteile aus duktilem Gusseisen hergestellt werden können, die eine verbesserte Dehnung am Spannungsmaximum A_gt, Bruchdehnung A_t und Brucheinschnürung Z aufweisen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Tabelle 3 gezeigt. Die Gusseisenmischung 2 und die Referenzgusseisenmischung R2 weisen einen hohen MnE-Gehalt von 1,3 Gew.-% auf. Die Referenzgusseisenmischung R2 dient dem Vergleich mit der erfindungsgemäßen Gusseisenmischung 2, die mehr als 3,0 Gew.-% Silicium aufweist. Die Referenzgusseisenmischung R2 weist weniger als 3,0 Gew.-% Silicium auf. Die Gusseisenmischung 2 und die Referenzgusseisenmischung R2 weisen jeweils Eisen als Hauptbestandteil auf. Tabelle 3: Bestandteile einer Gusseisenmischung 2 sowie einer Referenzgusseisenmischung R2.

	2	R2
Bestandteil	Gusseisenmischung für erfindungsgemäßes Verfahren mit viel MnE [Gew.-%]	Referenzgusseisenmischung mit viel MnE [Gew.-%]
C	3,28	3,45
Si	3,55	2,42
Mn	0,33	0,293
P	0,05	0,043
S	0,005	0,006
Cr	0,211	0,117
Mg	0,056	0,058
Cu	0,23	0,18
Ti	0,039	0,028
Sn	0,01	0,006
MnE	1,29	1,30
CEQ	4,19	4,08

Die 4 bis 6 zeigen die ermittelten Materialeigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Probe P2 auf Basis der Gusseisenmischung 2. Messungen mit einer Probe PR2 mit der Zusammensetzung der Referenzgusseisenmischung R2, mit einem zu 2 vergleichbaren hohen MnE-Gehalt, können nicht gezeigt werden, weil die Messergebnisse außerhalb des messbaren Bereichs liegen.
4 zeigt die Ergebnisse von Kerbschlagbiegeversuchen zur Ermittlung der Kerbschlagarbeit A, auch Kerbschlagzähigkeit genannt, der Probe P2. Die Versuche wurden ebenfalls unter Normbedingungen an einer ISO 10 × 10-Spitzkerbprobe (ISO-V-Probe, Probengröße: 10 × 10 mm) durchgeführt. Die ermittelte Kerbschlagarbeit A in Joule [J] ist gegen die Temperatur T in °C aufgetragen. Es ist ersichtlich, dass die Kerbschlagarbeit/Kerbschlagzähigkeit A trotz eines hohen MnE-Wertes von 1,3 Gew.-% im guten Bereich liegt. Zudem ist die Kerbschlagarbeit/Kerbschlagzähigkeit A von P2 gegenüber PR2 deutlich verbessert. Es ist erkennbar, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Bauteil erhöhte MnE-Gehalte bei guter Qualität toleriert werden können. Mithin können MnE-reiche Rohstoffe eingesetzt werden, die kostengünstiger sind als MnE-arme Rohstoffe.
5 und 6 zeigen die Ergebnisse von Zugversuchen zur Ermittlung der weiteren Materialeigenschaften der Probe P2 basierend auf der Gusseisenmischung 2. Die in 5 und 6 dargestellten Messergebnisse wurden ebenfalls durch Versuche nach der Norm (DIN EN) ISO 6892-1:2009-12 „Metallische Werkstoffe: Prüfverfahren bei Raumtemperatur" ermittelt.
In 5 sind die ermittelten Werte der Zugfestigkeit R_m in MPa und die 0,2 % Dehngrenze R_p0,2 in MPa angegeben. Sowohl die Zugfestigkeit R_m als auch die 0,2 % Dehngrenze R_p0,2 bei der Probe P2 liegen trotz eines hohen MnE-Gehalts im guten Bereich und sind gegenüber PR2 deutlich verbessert. Mithin können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren qualitativ hochwertige Bauteile aus duktilem Gusseisen auch mit hohen MnE-Gehalten hergestellt werden.
6 zeigt die Ergebnisse von Zugversuchen zur Ermittlung der Dehnung am Spannungsmaximum A_gt in %, die Bruchdehnung A_t in % und die Brucheinschnürung Z in % der Probe 2. Sowohl die Dehnung am Spannungsmaximum A_gt, die Bruchdehnung A_t und die Brucheinschnürung Z der Probe P2 sind gegenüber der Probe PR2 verbessert und liegen im guten Bereich. Auch diese Ergebnisse bestätigen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren duktile, gusseiserne Bauteile mit hohen MnE-Gehalten hergestellt werden können, die verbesserte Materialeigenschaften aufweisen und qualitativ hochwertig sind.
Zusätzlich wird anhand der 1 bis 6 gezeigt, dass hohe Kohlenstoffgehalte (CEQ) in den Gusseisenmischungen 1 und 2 bei der Herstellung eines Bauteils unter Verwendung einer Kokille, wie im erfindungsgemäßen Verfahren, tolerierbar sind. Bei der schnellen Erstarrung fällt Kohlenstoff nicht aus, wie es aus dem Sandgussverfahren bekannt ist. Im Falle des Sandgussverfahrens kommt es bei hohen Kohlenstoffgehalten zu einer sogenannten Kohlenstoffflotation, wobei elementarer Kohlenstoff ausfällt. Dieses beeinflusst die Materialeigenschaften negativ. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können hohe Kohlenstoffgehalte eingesetzt werden ohne dass eine Kohlenstoffflotation auftritt.
Insgesamt wurde gezeigt, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erfindungsgemäße Bauteile hergestellt werden können, die gegenüber Proben PR und PR2 mit vergleichbaren Referenzgusseisenmischungen R und R2 verbesserte Materialeigenschaften aufweisen. Dabei können nicht nur Rohstoffe mit einem niedrigen MnE-Gehalt, wie beispielweise in Probe P1, eingesetzt werden, sondern auch MnE-reiche Rohstoffe, wie in Probe P2. Mitunter dadurch begründet, können bei der Herstellung von duktilen, gusseisernen Bauteilen Kosten gesenkt werden.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Gusseisenmischung 1 (MnE-arm)
2: Gusseisenmischung 2 (MnE-reich)
A_gt: Dehnung am Spannungsmaximum
A_t: Bruchdehnung
P1: Probe aus Gusseisenmischung 1
P2: Probe aus Gusseisenmischung 2
PR: Probe aus Referenzgusseisenmischung R
PR2: Probe aus Referenzgusseisenmischung R2
R: Referenzgusseisenmischung (MnE-arm)
R2: Referenzgusseisenmischung 2 (MnE-reich)
R_m: Zugfestigkeit
R_p0,2: 0,2 % Dehngrenze
T: Temperatur
Z: Brucheinschnürung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3020705 C2 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm (DIN EN) ISO 6892-1:2009-12 „Metallische Werkstoffe: Prüfverfahren bei Raumtemperatur“ [0045]
Norm (DIN EN) ISO 6892-1:2009-12 „Metallische Werkstoffe: Prüfverfahren bei Raumtemperatur“ [0051]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus duktilem Gusseisen, das die folgenden Schritte aufweist; – Bereitstellen einer fließfähigen Gusseisenmischung, – Einbringen der fließfähigen Gusseisenmischung in eine Kokille, – Erstarrung der Gusseisenmischung in der Kokille, – Öffnen der Kokille und Entnahme des Bauteils aus Gusseisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gusseisenmischung einen Mindestgehalt von 3,0 Gew.% Silicium aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Gusseisenmischung 3,0 Gew.-% bis 4,5 Gew.-% Silicium, bevorzugt 3,3 Gew.-% bis 4,2 Gew.-% Silicium, besonders bevorzugt 3,5 Gew.-% bis 3,8 Gew.-% Silicium aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Gusseisenmischung neben Eisen als Hauptkomponente: – MnE: 0,3 Gew.-% bis 2,1 Gew.-%, bevorzugt 0,8 Gew.-% bis 1,8 Gew.-%, besonders bevorzugt 1,1 Gew.-% bis 1,6 Gew.-% und – Kohlenstoff: 2,8 Gew.-% bis 3,8 Gew.-%, bevorzugt 3,0 Gew.-% bis 3,6 Gew.-%, besonders bevorzugt 3,1 Gew.-% bis 3,3 Gew.-% enthält.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die fließfähige Gusseisenmischung bei einer Temperatur von 1200 °C bis 1450 °C, bevorzugt bei einer Temperatur von 1280 °C bis 1390 °C, in die Kokille eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der fließfähigen Gusseisenmischung vor der Einbringung in die Kokille ein Impfmittel zugesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille beim Einbringen der fließfähigen Gusseisenmischung und der Erstarrung der Gusseisenmischung rotiert.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nachbehandelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil einer Wärmenachbehandlung unterzogen wird.
Bauteil aus duktilem Gusseisen, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
Bauteil aus duktilem Gusseisen nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mindestens 3,0 Gew.% Silicium aufweist.
Bauteil aus duktilem Gusseisen nach einem der Ansprüche 10 und 11 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Rohr ist.
Bauteil aus duktilem Gusseisen nach einem der Ansprüche 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung des Rohrs eine Wandstärke von 2 bis 50 mm, bevorzugt eine Wandstärke von 3,5 bis 25 mm aufweist.
Bauteil aus duktilem Gusseisen nach einem der Ansprüche 10 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil auf einer Innenfläche und/oder einer Außenfläche eine Beschichtung aufweist.