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Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Gußeisenschmelze mittels
Durchblasen von Gas Es ist bekannt, daß das Erstarren von Eisenschmelze aus dem
ursprünglich flüssigen Zustand je
nach der Abkühlgeschwindigkeit nach zwei
verschiedenen Prozessen verlaufen kann, wobei sich einmal weißes Gußeisen und einmal
Grauguß ergibt, also zwei Arten von Gußeisen, die sehr unterschiedliche Eigenschaften
aufweisen. Diese Neigung zum Erstarren nach dem einen oder anderen Prozeß hängt
von der Zusammensetzung der Grundbestandteile des Gusses, insbesondere des Kohlenstoff-
und Siliziumgehaltes, ab.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, mittels welchem die
Neigung einer gegebenen flüssigen Gußeisenschmelze, zu Grauguß zu erstarren, in
wenigen Minuten erhöht werden kann. Es sind verschiedene Behandlungsverfahren bekannt,
die in dem einen oder anderen Sinne auf die Neigung des Gusses einwirken, nach dem
einen oder anderen dieser beiden Prozesse zu erstarren.
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Das Erstarren der Schmelze unter Bildung von Graphit wird in bekannter
Weise dadurch begünstigt, daß Stäbe, Rohre oder massive Blöcke aus Graphit oder
graphitisierendem Material mit oder ohne Relativbewegung in die Schmelze getaucht
werden. Sie üben jedoch eine Wirkung auf die Art des Erstarrens erst nach
so langer Zeit und mit einem so geringen Wirkungsgrad aus, daß dieses Verfahren
nicht mehr als industriell zur Behandlung von Gußeisen anwendbar betrachtet werden
kann.
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Es ist weiterhin ein sogenanntes Impfungsverfahren bekannt; dieses
besteht darin, daß am Ausgang des Schmelzofens oder in das Schmelzgefäß gewisse
Produkte zugeführt werden, die die Neigung des Schmelzgusses, in Form von Weißguß
zu erstarren, herabsetzen. Diese Produkte sind im allgemeinen auf Eisen-Silizium-
oder Silizium-Kalzium-Basis mit verschiedenen Zusätzen aufgebaut. Der Nachteil dieses
Verfahrens besteht darin, daß seine Wirkung nicht immer sicher ist und die Homogenität
des produzierten Schmelzgusses oft zu wünschen übrig läßt.
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Ferner ist bereits vorgeschlagen worden, ein Gas durch eine Eisenschmelze
perlen zu lassen. Diese Maßnahme findet jedoch in einem Entschwefelungsverfahren
Anwendung und dient dazu, die Schmelze mit einer Entschwefelungsschlacke in Berührung
zu bringen.
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Schließlich ist es schon bekanntgeworden, bei einer Gußeisenschmelze
ein Gas durchzuleiten. Auch diese Verfahrensweise hat sich aber als nicht ausreichend
gezeigt.
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Zur Lösung der Aufgabe, die Neigung einer gegebenen flüssigen Gußeisenschmelze,
zu einwandfreiem Grauguß zu erstarren, in kurzer Zeit zu erhöhen, wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daß das durch die Schmelze hindurchgeleitete Gas während des Durchblasens
der Schmelze eine aus graphitisierendem Material bestehende Wand be-
streicht
und von solcher Beschaffenheit ist, daß es keine chemische Wirkung auf das Bad ausübt
und mit solchem Druck zugeleitet wird, daß die Badbewegung genügend heftig ist,
um ein Hochschleudern von Metall über die Badoberfläche hinaus herbeizuführen. In
besonders vorteilhafter Weise wird das Gas durch einen aus graphitisierendem Material
bestehenden Hohlkörper eingeblasen, welcher ganz oder teilweise in die Schmelze
eingetaucht ist. Das Einblasen kann beispielsweise durch ein Graphitrohr erfolgen,
welches mit einem Ende in die flüssige Schmelze eingetaucht ist.
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Das Gas wird durch das in das Metall eingetauchte Rohr eingeblasen,
ohne daß ihm vorher ein aktiver Körper in Form von Pulver, Spänen, Tröpfchen od.
dgl. beigegeben zu werden braucht.
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Das Gas wird so durch die Schmelze geblasen, daß diese in heftige
Bewegung gerät und flüssiges Metall über die Oberfläche der Schmelze hinaus hochgeschleudert
wird.
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Für das Durchblasen kann ein indifferentes Gas, beispielsweise Argon
oder Stickstoff, verwendet werden.
Es kann jedoch auch Sauerstoff
oder Luft durch die Schmelze geblasen werden, vorausgesetzt, daß man das Gas nur
während eines verhältnismäßig kurzen Zeitraumes, bei den üblichen Gußeisensorten
etwa eine bis vier Minuten, durch die Schmelze perlen läßt, wobei die Temperatur
der Schmelze einen gewissen Höchstwert nicht überschreiten darf, der für die jKängigsten
Gußeisensorten etwa bei 14501 C liegt. Wenn das Durchblasen während eines
längeren Zeitraumes und bei einer höheren Temperatur erfolgt, besteht die Gefahr,
daß sich die umgekehrte Wirkung ergibt, d. h. eine gesteigerte Neigung der
Schmelze, zu weißem Gußeisen zu erstarren. Die letztgenannte Wirkung ist übrigens
bekannt.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auf viele verschiedene Arten
praktische Anwendung finden: I. Behandlung von gewöhnlichem Grauguß Die bei diesen
Gußeisensorten im allgemeinen erwünschten Eigenschaften sind größtmögliche Homogenität,
leichte Bearbeitbarkeit und Freiheit von harten Stellen auch in Bereichen, in denen
die Gußstücke nur eine geringe--Dicke aufweisen.
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Wenn man das Verfahren gemäß der Erfindung bei Gußeisensorten dieser
Art anwendet, d. h., wenn man durch ein Graphitrohr ein Gas in die flüssige
Schmelze einleitet und- dieses durch die Schmelze perlen läßt, wird die
. Neigung zum Erstarren zu weißem Gußeisen verringert. Auf diese Weise lassen
sich Gußstücke herstellen, die eine gleichmäßigere Härte, eine bessere Bearbeitbarkeit
und ganz allgemein eine größere Homogenität aufweisen als gleichartige Teile, die
ohne eine derartige Behandlung gegossen werden, was sich insbesondere bei der Bruchprobe
unter Verwendun-'-g- von als Abschreckproben bekannten Prüfstäben feststellen läßt.
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Be-i-spiel 1
Gewöhnlicher, im Kupolofen gewonnener, jedoch nicht
gemäß der Erfindung behandelter Grauguß mit einem Gehalt von 3,611/o Kohlenstoff,
1,71/o Silizium, 0,5% Mangan, 0,1% Schwefel und 0,111/o Phosphor kann an bestimmten
Stellen eines Gußstückes, an denen dessen Dicke nicht mehr als 5 mm beträgt,
,eine Brinellhärte von 255 und Härteunterschiede von 60 Brinelleinheiten
zwischen zwei Punkten eines ver-,schiedene Stärken aufweisenden Gußteiles erreichen.
Bei einer Härteprobe in Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds von 20 X
50 X 80 mm, dessen eine 20 X 80 mm messende Fläche
gegen einen Gußeisenblock und dessen andere Flächen gegen eine Sandform gegossen
wurden, hat die weiße Gußeisenschicht unter diesen Bedingungen eine Tiefe von
5 bis 10 mm.
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Unter sonst gleichen Gewinnungsbedingungen leitet man nun vor dem
Guß durch ein Graphitrohr 90 Sekunden lang Luft mit einem Durchsatz von
13 Liter pro Minute in eine etwa 60 kg flüssige Schmelze enthaltende
Gießpfanne ein und läßt die Luft durch die Schmelze perlen.
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Die größte Härte der den vorgenannten Gußteilen entsprechenden Stücke
sinkt auf 219 Brinell, der größte Härteunterschied auf 42 Brinelleinheiten.
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Wenn man an Stelle von Luft Stickstoff verwendet, ergeben sich Werte
von 202 bzw. 41 Brinelleinheiten. Bei der wie vorstehend beschrieben gegossenen
Abschreckprobe weist die Schicht weißen Gußeisens nach der Behandlung nur mehr eine
Tiefe von etwa 1 bis 3 mm auf.
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Beispiel 2 Ein in üblicher Weise gewonnener Guß mit einem Gehalt von
3,3 % Kohlenstoff, 1,9 % Silizium, 0,611/o Magan, 0,0911/o Schwefel
und 0,61/o Phosphor wies eine Weißerstarrung von 4 mm Tiefe auf.
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Durch eine Gießpfanne mit 1200 kg flüssiger Schmelze wurde
mittels vier Graphitrohren mit 110 X 10 mm Durchmesser und
760 mm Länge zwei Minuten lang mit einem Durchsatz von 180 Liter pro
Minute Stickstoff geblasen. Durch diese Behandlung ergab sich eine Weißerstarrung
von 2 mm Tiefe.
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II. Gewinnung von hochfestem, spanabhebend bearbeitbarem Guß Zum Zwecke
der Herstellung von hochfestem, spanabhebend bearbeitbarein Guß läßt sich das Verfahren
gemäß der Erfindung auch auf bestimmte Gußeisensorten mit niedrigem Kohlenstoff-
und Siliziumgehalt anwenden. Bei Gewinnung mittels der üblichen Verfahren weisen
diese Gußeisenarten nach dem Erstarren in ihrer ganzen Tiefe ein weißes Gefüge auf;
sie sind hart, nicht spanabhebend bearbeitbar und schlagbrüchig.
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Bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung erhalten solche Gußarten
ein graues Gefüge, wobei der Graphit in Form meist kurzer dicker Lamellen auftritt.
Die so behandelten Gußarten weisen sehr beachtliche mechanische Eigenschaften auf,
lassen sich jedoch noch gut spanabhebend bearbeiten.
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Beispiel 3
Ein mittels bekannter Verfahren gewonnener Guß mit
einem Kohlenstoffgehalt von 2,6 bis 2,811/o und einem Siliziumgehalt von
1,4 bis 1,6% ist nicht bearbeitbar und spröde. Seine Brinellhärte übersteigt 400,
Härteproben der obenerwähnten Art weisen eine völlig weiße Bruchfläche auf.
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Gemäß der Erfindung wurde in die flüssige Schmelze bei einer Temperatur
von 1480' C durch ein Graphitrohr Stickstoff oder Argon eingeblasen und das
Durchblasen zwei Minuten lang fortgesetzt.
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Der so gewonnene Guß wies eine Zugfestigkeit zwischen 37 und
42 kg/mm2 auf (festgestellt an einem Prüfstab, der aus einem Gußstück oder einem
gegossenen Stab von 22 mm Durchmesser entnommen wurde). Der Guß ließ sich in einwandfreier
Weise spanabhebend bearbeiten, selbst bei einer Dicke von 5 mm und einer
Brinellhärte von 220 bis 260, und die Bruchfläche der Abschreckprobe zeigte
eine Weißerstarrung mit einer Tiefe von nur mehr 10 bis 15 mm vom
Kühlkörper aus gemessen.
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Beispiel 4 Mittels der bekannten Verfahren wurde ein Guß mit einem
Gehalt von 3,3% Kohlenstoff, 1,111/o Silizium, 0,8% Mangan, 0,08% Schwefel und 0,15%
Phosphor gewonnen. Dieser Guß wurde an Hand eines Präfstabes von 100 X 40
X 140 mm untersucht, dessen eine Fläche von 100 X 40 mm gegen einen Gußeisenblock
gegossen worden war. Die Tiefe der Weißerstarrung betrug 45 mm Derb Guß hätte
sich also an den Stellen, an denen #& Dicke des Gußstückes nicht mehr als 4
cm beüW
nur sehr schwer bearbeiten lassen und wäre außerdem spröde
gewesen.
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Gemäß der Erfindung leitete man in eine 1700 kg
Schmelze enthaltende
Gießpfanne durch vier in die Schmelze eingetauchte Graphitrohre mit 110
X 10 mm Durchmesser und 760 mm Länge Stickstoff mit einem Durchsatz
von 160 Liter pro Minute ein und ließ diesen zwei Minuten lang durch die
Schmelze perlen. Die Tiefe der Weißerstarrung verringerte sich dadurch auf 12 mm,
der Guß war an allen Stellen der Gußstücke, an denen die Dicke nicht weniger als
15 mm betrug, ohne Schwierigkeiten bearbeitbar, die Bruchfestigkeit betrug
34 kg/mm2. III. Gewinnung von Guß hoher Verschleißfestigkeit Die Erfindung ist auch
anwendbar auf Guß, welcher wie die vorerwähnten Gußarten einen niedrigen Siliziumgehalt
aufweist, und zwar derart, daß im Guß ein größerer Anteil von Zementit verbleibt,
welcher dem Guß zwar eine hohe Verschleißfestigkeit verleiht, der jedoch so niedrig
gehalten wird, daß er ffie Bearbeitbarkeit nicht beeinträchtigt.
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Dieses Ergebnis wird erzielt, indem man eine Gußeisenschmelze mit
einem Kohlenstoffgehalt von 2,4% und einen Siliziumgehalt von 1,311/o zwei Minuten
lang in der oben beschriebenen Weise durchbläst. Nach der Behandlung weist der Guß
eine Festigkeit von 28 bis 32 kg/mm2 auf, also eine geringere Festigkeit
als in dem vorhergehenden Beispiel. Die mikrographische Untersuchung des Gusses
zeigt jedoch ein Zementitnetz, das dem Guß unter gewissen Reibungsbedingungen eine
sehr beträchtliche Verschleißfestigkeit verleiht.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist, wie ersichtlich, sehr vielseitig
verwendbar, da die erzielten Wirkungen eine Funktion des Gasdurchsatzes und der
Dauer des Durchblasens sind, die sich in einfacher Weise regeln lassen. Bei den
bisher üblichen sogenannten »Einiinpfungs«-Verfahren, bei denen der Schmelze Stoffe
in mehr oder weniger fein verteilter Form zugesetzt werden, ist die Einwirkung dieser
Stoffe dagegen viel schwieriger zu regeln und zu beherrschen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist somit sicherer und wirtschaftlicher
als die bisher bekannten Beimengungsverfahren.
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In jedem Falle wurde, unabhängig von der Art des Gußeisens, eine auf
die Behandlung gemäß der Erfindung zurückzuführende Verbesserung der Vergießbarkeit,
ein feineres Korn und ein homogenes Gefüge festgestellt. Die Oberfläche der Schmelze
ist sauberer, vor allem sind keine Oxydeinschlüsse zu beobachten, die sich bei Guß,
dem gemäß den bisher üblichen Verfahren Ferrosilizium oder Calciumsilicid beigemengt
wurde, nur sehr schwer vermeiden lassen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung findet vorteilhaft Anwendung bei
der Herstellung hochwertiger mechanischer Teile, wie Teile von Werkzeugmaschinen,
Walzen für Walzwerke, Zylinderlaufbüchsen für Dieselmotoren und andere. Brennkraftmaschinen,
Kokillen usw., wobei diese Anwendungsmöglichkeiten jedoch nur beispielsweise erwähnt
werden.
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Aus Vorstehendem ergibt sich, daß die Ergebnisse der Behandlung
je nach Art des eingeblasenen Gases etwas voneinander abweichen können; Grundbedingung
ist jedoch das Vorhandensein einer Einblasvorrichtung mit Wänden aus Graphit oder
graphitisierendem Material.
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In der Zeichnung sind zwei beispielsweise Ausführungsformen einer
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt. Es
zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrensprinzips und F
i g. 2 eine Ausführungsforin, welche §ich besser für eine industrielle Anwendung
eignet und zwar insbesondere für dieDurchführung desVerfahrens nach Beispiel 2.
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F i g. 1 zeigt eine Gießpfanne oder einen Schmelztiegel
1, in welchem sich die flüssige Schmelze befindet. In diese Schmelze ist
ein Graphitrohr 2 eingetaucht, welches mittels einer Verbindungsmuffe
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mit einem gebogenen starren Rohr 4 verbunden ist, das seinerseits über einen
biegsamen Schlauch 5 und einen Strömungsmesser 6 mit einer Druckgasflasche
7
in Verbindung steht, welche beispielsweise Luft oder Stickstoff enthält.
Aus der Zeichnung ist klar ersichtlich, daß das aus der Flasche 7 kommende
Gas beim Eintreten in die Schmelze die Wände des Graphitrohres 2 bestreicht.
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Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform finden sich
wieder die Gießpfanne oder der Schmelztiegel 1, die Druckgasflasche
7 und die zur Regelung des Gasdurchsatzes dienende Vorrichtung
6. Die letztgenannte Vorrichtung ist ihrerseits über den Schlauch
8 und den Druckminderer 9 an die Flasche 7 angeschlossen. Bei
dieser Ausführungsform sind vier Graphitrohre 2 vorgesehen, welche in einer gemeinsamen
Halterung 10 mit Spannvorrichtung 11 angeordnet sind. Die Halterung
10 ist ihrerseits am Ende der Spindel 12 einer Hebevorrichtung
13 befestigt. Die Hebevorrichtung 13 wird von einer über dem Schmelztiegel
1 angeordneten feststehenden Konsole 14 getragen. Die verschiedenen Graphitrohre
2 sind mittels Rohren 15 mit einem Verteilerkopf 16 und von dort über
einen gemeinsamen elastischen Schlauch 17 mit der Druckgasflasche und dem
Strömungsmesser 6 verbunden. Die Rohrleitungen 15
sind schließlich
bei 19 an den Graphitrohren angeschlossen.
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In F i g. 2 ist bei 18 außerdem eine hohle Verbindung
zwischen zwei aneinandergesetzten Teilen eines Graphitrohres 2 dargestellt. Die
Hebevorrichtung 13
gestattet ein beliebiges Senken und Anheben der Graphitrohre
2 gegenüber der Gießpfanne oder dem Schmelztiegel, so daß die Dauer der Behandlung
genau geregelt werden kann.
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Die vorstehend beschriebene und in den Zeichnungen dargestellte Vorrichtung
kann in ihrer Ausführung zahlreiche Abänderungen erfahren, ins- -
besondere
hinsichtlich der zum Anheben und Senken der Graphitrohre dienenden Vorrichtung.