DE1232995B - Verfahren zum Herstellen von Eisengussstuecken aus Grauguss bzw. sphaerolithischem Gusseisen mit einer gehaerteten Oberflaechenschicht - Google Patents

Description

DEUTSCHES M PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 18 c - 5/02

Nummer: 1232 995

Aktenzeichen: S 99042 VI a/18 c

1 232 995 Anmeldetag: 25.August 1965

Auslegetag: 26. Januar 1967

Die Erfindung betrifft das Gießen von Metall, insbesondere ein Verfahren zum Herstellen von Eisengußstücken mit einer gehärteten Oberflächenschicht.

Es ist bekannt, daß nach dem Höganäs-Verfahren hergestelltes Schwammeisen vorteilhafterweise als Material für die Herstellung von Metallgußformen verwendet werden kann. Weiter wurde herausgefunden, daß dieses Material mit besonders großem Vorteil als Material für zumindest Teile von Gußformen brauchbar ist, in denen Eisengußstücke mit einer gehärteten, sich über einen Teil der Gußkörperoberfläche erstreckenden Schicht hergestellt werden.

Schwammeisen, das normalerweise als Ersatz für Eisenschrott bei der Herstellung von Qualitätsstahl in Siemens-Martin-Öfen oder Elektroöfen verwendet wird, ist ein Produkt, das bei der Reduktion von Eisenerz bei so geringer Temperatur (900 bis IlOO⁰ C) entsteht, daß weder das Erz noch das Eisen schmilzt, aber das Eisen während des Reduzierens teilweise flüssig wird, so daß ein schwammartiges Produkt hoher Porosität entsteht. Schwammeisen muß von normalen gesinterten Metallen unterschieden werden, die durch Zusammenpressen von Metallpulver unter hohem Druck und bei einer hohen Temperatur hergestellt werden. Solche Sintermetalle haben eine gewisse Porosität, jedoch ist diese viel geringer als die von Schwammeisen, dessen Porosität so groß ist, daß das Produkt sehr leicht (die Dichte liegt gewöhnlich bei etwa 2) und sehr gasdurchlässig ist. Schwammeisen enthält im allgemeinen sehr viel Eisen, und zwar zwischen 90 und 99 Gewichtsprozent, wobei der Rest im wesentlichen aus nicht reduziertem Erz und Schlacke besteht. Der Gehalt an Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel ist sehr gering.

Beim Höganäs-Verfahren zum Herstellen von Schwammeisen wird ein stark angereichertes Eisenerzkonzentrat, das etwa 70% Fe enthält, mit Kohle oder Koks als Reduktionsmittel reduziert. Das Erzkonzentrat und das Reduktionsmittel werden in abwechselnden Lagen in feuerfesten Schmelztiegeln aufgeschichtet, wobei Kalkstein zur Bindung des Schwefels der Füllung zugesetzt wird. Die Schmelztiegel werden in einem Ofen bei etwa IlOO⁰ C viele Stunden lang erhitzt, wodurch das Erz reduziert wird. Das Schwammeisen hat normalerweise die Form eines flachen Kuchens oder eines größeren Rohres. Das auf diese Weise erzeugte Schwammeisen ist sehr rein (96 bis 99°/o Fe), gleichmäßig gasdurchlässig und für die Verwendung bei dem Verfahren nach der Erfindung hervorragend geeignet. Es sind jedoch noch andere Verfahren zur Herstellung von Verfahren zum Herstellen von Eisengußstücken
aus Grauguß bzw. sphärolithischem Gußeisen mit einer gehärteten Oberflächenschicht

Anmelder:

Per Fredrik Sundin, Eskilstuna (Schwede
Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Splanemarm
und Dipl.-Ing. J. Richter, Patentanwälte,
j- München 2, Theatinerstr. 33-34

Als Erfinder benannt:

Per Fredrik Sundin, Eskilstuna (Schweden)

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 27. August 1964 (10 332)

Schwammeisen bekannt und werden auch ausgeführt. Nach diesen Verfahren hergestellte Schwammeisensorten können ebenfalls mit hinreichendem Erfolg für das Verfahren nach der Erfindung verwendet werden.

Für viele Zwecke ist es wünschenswert, Graugußstücke oder sphärolithische Gußeisenstücke mit einer Oberflächenschicht herzustellen, die härter und somit widerstandsfähiger gegen Druck und Abnutzung ist als andere Teile des Gußstückes. Der Hauptteil des Gußstückes soll eine normale Struktur (körniger Graphit oder Sphärographit in einem ferritischen oder perlitischen Gefüge) haben und so für die Aufnahme der Normalspannungen geeignet sein. Als Beispiele für diese Art von Gußstücken werden genannt: Räder mit gehärteten Laufflächen, Nockenwellen mit gehärteten Nocken, Bremstrommeln mit gehärteten Bremsflächen, Maschinenteile mit gehärteten Flächen, die der Abnutzung unterworfen sind (Schlitten und Führungen), Ventilstößel für Kolbenbrennkraftmaschinen mit einer gehärteten Stirnfläche und Dieselzylinderköpfe mit gehärteten Ventilsitzen.

Bisher wurden die gehärteten Flächen entweder durch das Gießen der entsprechenden Stelle des Guß-Stückes gegen einen Kühlkörper hergestellt, um eine weiße Zementitstruktur zu erhalten, oder durch eine Oberflächenhärtung des Gußstückes mittels einer

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Flamm- oder Induktionshärtung. Diese Verfahren haben Nachteile. Eine Oberflächenschicht mit Zementitgefüge ist spröde, empfindlich und schwer zu bearbeiten. Die Oberflächenhärtung ist ziemlich teuer, führt zu inneren Spannungen im Material, und außerdem ist die Tiefe der Härtung oft zu gering.

Bei Grauguß und sphärolithischem Gußeisen ist es möglich, ein zähes Zwischen- bzw. Martensitgefüge während des Abkühlens des Gußstückes in der Gußform durch Freilegen des Gußstückes oder eines Teiles desselben sehr bald nach dem Gießen und durch intensives Abkühlen desselben durch Besprühen des Gußstückes mit Wasser od. dgl. zu erhalten. Bisher wurden diese Verfahren in den Gießereien wegen der technischen Schwierigkeiten, die damit verbunden waren, nicht praktisch verwendet. Es ist schwierig, die Gußstücke in der Form schnell genug freizulegen und den Sand von der Oberfläche in so genügendem Maß zu entfernen, daß eine gleichmäßige Anwendung des Kühlmittels und dadurch eine gleichmäßige Härtung möglich sind. Für den Erfolg der Härtung ist es entscheidend, daß die Härtetemperatur innerhalb enger Grenzen eingehalten wird. Wenn ein Teil der Sandform durch ein Dauerformteil aus Stahl, Gußeisen, Graphit od. dgl. ersetzt wird, entsteht eine Neigung zum Auftreten von Gußfehlern, und es wird die Gefahr erhöht, daß eine weiße Struktur erhalten wird. Schließlich läuft allzuleicht die härtende Kühlflüssigkeit in den Sand neben der zu härtenden Fläche, was zu einer ungleichmäßigen Struktur führt.

Das neue Verfahren nach der Erfindung löst dieses Problem, so daß es möglich wird, eine harte Oberfläche an den gewünschten Teilen des Gußstückes und eine weichere Struktur in den übrigen Teilen bereits während des Gießvorganges zu erhalten. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem man das Eisen bis zur grauen Struktur in einer Form erstarren läßt, die mit der bzw. den zu härtenden Flächen im Eingriff stehenden Formteile unter Freigabe einer sandfreien Oberfläche unverzüglich abhebt und auf die freigelegten Oberflächen Abschreckflüssigkeit aufbringt, wobei nur im Bereich der freigelegten Oberfläche eine martensitische Zwischenstufengefügestruktur erzeugt wird, während die benachbarten Flächenteile im wesentlichen unbehandelt bleiben.

Hierbei wird das Gußstück in einer Form hergestellt, die im wesentlichen aus Sand besteht, und zwar in der Weise, daß Kohlenstoff aus dem geschmolzenen Metall als Graphit niedergeschlagen wird. Der Teil der Form, der den zu hältenden Teil des Gußstückes berührt, ist so ausgebildet, daß er nach dem Gießen sehr schnell von der Form abgehoben werden kann und daß er eine von Sand freie Fläche hinterläßt, die dann in der unten beschriebenen Weise gehärtet wird. Der abzunehmende Teil der Form soll sehr durchlässig, hitzebeständig und starr sein. Dieser Teil der Form kann aus verschiedenen Materialien, die diesen Anforderungen genügen, hergestellt sein. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß nach dem Höganäs-Verfahren hergestelltes Schwammeisen ein Material darstellt, das in der Praxis außerordentlich vorteilhaft einsetzbar ist. Dieses Material läßt sich auch sehr wirtschaftlich verwenden, da es einen austauschbaren, wiederholt einsetzbaren Formteil bildet. Das Schwammeisen wird vor jedem Gießvorgang zugerichtet, um zu verhindern, daß es mit dem Gußstück verschweißt Der aus Schwammeisen be-

stehende Formteil ergibt eine saubere Oberfläche an dem Gußstück, wenn er von der Form abgehoben wird.

Wenn das Gußstück in der oben beschriebenen Form erstarrt und auf eine Temperatur zwischen 1100 und 900° C abgekühlt ist, wird der erwähnte Formteil von der Form abgenommen und hinterläßt eine saubere Oberfläche, die sofort durch Übergießen mit Wasser oder anderen geeigneten Mitteln abgeschreckt wird. Das Abschrecken wird so lange fortgesetzt, bis das Gefüge in der Oberflächenschicht von austenitischem zu martensitischem und teilweise Zwischenstufengefüge umgewandelt ist.

Das Abschrecken wird so unterbrochen, daß eine Wiedererwärmung durch die Gußteile erfolgt, die noch warm sind, wodurch ein martensitisches Gefüge erhalten wird, das bis zu dem gewünschten Maß angelassen wird. Auf diese Weise wird eine harte Oberflächenschicht bereits beim Gießen erreicht, während der Rest des Gußstückes ein normales ferritisches oder perlitisches Gefüge erhält.

Das Härten während des Kühlens des Gußeisens nach dem Gießen stellt einen besonderen technischen Vorteil dar. Während des Kühlens hat der Austenit einen erheblich höheren Anteil an gelöstem Kohlenstoff als ein entsprechender Austenit, der während des Erhitzens beim Flammhärten hergestellt wird. Der Grund liegt darin, daß der Austenit einen um so höheren Kohlenstoffgehalt hat, je höher die Temperatur ist. Beim normalen, relativ langsamen Abkühlen nach dem Gießen fällt ein Teil des gelösten Kohlenstoffes als Sekundärgraphit aus dem Austenit aus, und der Kohlenstoffgehalt des Austenits wird vermindert. Wenn dieser Sekundärgraphit durch Flammhärten wieder gelöst werden soll, bedarf es einer sehr langen Erhitzungszeit und einer hohen Temperatur, wobei jedoch die Gefahr einer Oxydation und eines Verbrennens des Materials sowie eines Reißens zu groß ist. So ist es durch das neue Verfahren möglich, eine härtere Oberflächenschicht als bei den bekannten Verfahren zu erhalten und dies mit einer erheblich größeren Sicherheit für die Erzielung eines befriedigenden Ergebnisses.

Um ein Eindringen von Wasser in den Sand in der Umgebung der zu härtenden Oberfläche zu vermeiden, empfiehlt es sich, die Bildung eines Gußansatzes, ähnlich einem Steiger, rund um die zu härtende Oberfläche vorzusehen, d. h., daß man das Eisen in einen schmalen Zwischenraum zwischen der Sandform und dem abnehmbaren Formteil fließen läßt, der normalerweise aus Schwammeisen besteht. Der Ansatz verhindert dann ein Eindringen von Wasser in den Sand und somit ein Härten von Teilen des Gußstückes, die weich bleiben sollen. Der Ansatz trägt außerdem dazu bei, die Hitze von der zu härtenden Oberfläche abzuleiten. Wenn der Ansatz genügend dünn ist, erstarrt er mit einer weißen Struktur und kann leicht von dem fertigen Gußstück abgeschlagen werden. Bei der Verwendung eines anderen als dem oben beschriebenen Verfahren wäre es sehr schwierig, den sehr vorteilhaften dünnen Ansatz zu gießen. Das Schwammeisen ist sehr starr und hat eine geringe Wärmeausdehnung, wodurch es zur Herstellung des dünnen Gußansatzes sehr gut geeignet ist. Bei einer normalen Formzusammensetzung wäre die Herstellung des dünnen Ansatzes nicht möglich.

Unlegierte Eisengußstücke können mit besonderem Vorteil nach dem beschriebenen Verfahren ge-

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härtet werden. Es ist auch möglich, das Gußeisen mit einem geringen Anteil von beispielsweise Nickel oder Kupfer zu legieren, um die Härtbarkeit zu verbessern. In vielen Fällen ist es jedoch nicht notwendig, das ganze Gußstück zu legieren, wobei dann das nachfolgend beschriebene Verfahren Anwendung finden kann. Der abnehmbare Formteil, der normalerweise aus Schwammeisen besteht, wird mit einer Schicht Schwärze versehen. Anschließend wird eine dünne Lage, beispielsweise aus Kupfer oder Nickel, auf die Schwärze aufgebracht. Wenn das Eisen gegossen ist, löst sich diese Lage in dem Metall, das dadurch eine größere Härtbarkeit erhält. Dieses Verfahren ist besonders dann vorteilhaft, wenn nur kleine Teile eines großen Gußstückes gehärtet werden sollen, wie z. B. die Ventilsitze eines Dieselzylinderkopfes. Als Beispiel für die Durchführung des Verfahrens wird die Herstellung sogenannter Ventilstößel für Kolbenbrennkraftmaschinen beschrieben. In diesem Fall ist eine gehärtete Stirnfläche erforderlich und gleichzeitig eine perlitische oder eventuell ferritische Struktur im übrigen Teil des Gußstückes. F i g. 1 zeigt einige Formhöhlen 1 für Gußstücke in einem Formmaterial 2 innerhalb eines Formkastens 3. Der Oberteil 4 besteht aus einer Schwammeisenplatte, die so angeordnet ist, daß ein Zwischenraum 5 von 1 bis 3 mm zwischen der Platte und dem unteren Formteil entsteht. In dem Zwischenraums bildet sich ein Gußansatz 6 an dem Gußstück zwisehen den Gußteilen 7 (F i g. 2) in den Formhöhlen 1 aus. Wenn die Gußteile 7 zu einer grauen Struktur (mit Ausnahme des Ansatzes 6) erhärtet sind und der Formteil 4 aus Schwammeisen abgenommen ist, läßt man, unter Zuhilfenahme eines Deckels 8 (Fig. 2), mit einer Dichtung 9, einem Einlaß 10 und einem Auslaß 11 Wasser über die glatte, saubere Oberfläche fließen. Hierdurch wird der Austenit an der Oberfläche in einen Martensit 12 umgewandelt, d. h. eine Härtung erzielt. Der Ansatz 6 verhindert das Eindringen von Wasser in die Sandform und ein Härten der unteren Teile des Ventilstößels. Nach dem Härten der Oberfläche läßt man diese wieder erhitzen, und zwar von den noch rotglühenden unteren Teilen der Gußstücke, so daß der Martensit 12 angelassen wird. Wenn das Gußstück dann aus der Form genommen ist, wird der Ansatz 6, der eine weiße Struk- tür hat, abgeschlagen und das Gußstück in der üblichen Weise gereinigt (F i g. 3 und 4). Eine Analyse von Gußeisen mit 3,7 0Zo C und 2,1% Si ergab eine Härte von 450 bis 500 HB an der gehärteten Stirnfläche und eine Härte von 200 bis 250 HB in anderen Teilen des Gußstückes. Die Struktur der Oberflächenschicht besteht aus körnigem Graphit, Martensit, angelassenem Martensit und Zwischenstufengefüge. Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Eisengußstücken aus Grauguß bzw. sphärolithischem Gußeisen mit einer gehärteten Oberflächenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß man das Eisen bis zur grauen Struktur in einer Form erstarren läßt, die mit der bzw. den zu härtenden Flächen im Eingriff stehenden Formteile unter Freigabe einer sandfreien Oberfläche unverzüglich abhebt und auf die freigelegten Oberflächen Abschreckflüssigkeit aufbringt, wobei nur im Bereich der freigelegten Oberfläche eine martensitische Zwischenstufengefügestrukrur erzeugt wird, während die benachbarten Flächenteile im wesentlichen unbehandelt bleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als abnehmbare Formteile nach dem Höganäs-Verfahren hergestelltes Schwammeisen eingesetzt wird, das zur Verhinderung eines Verschweißen mit dem Gußeisen mit Schwärze bedeckt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der abnehmbare Formteil an der Form unter Freilassung eines Zwischenraumes befestigt wird, in dem ein dünner Ansatz rund um die zu härtende Oberfläche ausgebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärtete Oberfläche von den übrigen Teilen des Gußstückes zum Anlassen erwärmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die freie Oberfläche der auf den Schwammeisenteil aufgebrachten Schwärze ein dünner Überzug einer Legierungssubstanz aufgetragen wird, die sich in dem Gußeisen löst.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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