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Impfmittelmischung für den Zusatz zu Gußeisenschmelzen Die Behandlung
von Gußeisenschmelzen mit Impfmitteln dient dazu, die Bildung von Graphit aus den
vorhandenen Carbiden und die Ausscheidung in willkürlicher Flockenbildung zu unterstützen.
Die allgemein verwendeten Impfmittel enthalten Silicium und hängen hinsichtlich
des Impfeffekts von der Lösung von Silicium ab. Sie werden am besten an dem Kupolofenablauf
zu dem geschmolzenen Eisen zugegeben und sollen vorzugsweise auf eine Größe zerkleinert
sein, die nicht oberhalb einer Siebgröße mit einer lichten Maschenweite von 1,5
mm und nicht unterhalb einer Siebgröße mit einer lichten Maschenweite von 0,250
mm liegt.
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Gußeisenarten mit niedrigen Kohlenstoffäquivalenzwerten in der Größenordnung
von 3,7 oder darunter zeigen das größte Ansprechen auf Impfen. Viele solche Eisenarten
werden aus Chargen hergestellt, die 301/o oder mehr Weichstahlabfall enthalten.
Der Graphit in diesen Eisenarten besitzt die Neigung, sich in einer späteren Stufe
der Abkühlung abzuscheiden, als dies bei Eisenarten mit höherem Kohlenstoffgehalt
der Fall ist, die aus Gießereiroheisen und Gußeisenabfall hergestellt sind. Bei
dieser späteren Abscheidung nimmt der Graphit gewöhnlich eine sehr feine Form an,
die als unterkühlter Graphit bekannt ist. Der Graphit liegt auch in einer dendritischen
Ausbildung an den Grenzflächen der Kristallkörner anstatt in einem willkürlichen
Flockenmuster vor, wie es gewöhnlich in Gießereigußeisen gefunden wird. Unterkühlter
Korngrenzflächengraphit verhindert die Erreichung von maximalen mechanischen Eigenschaften,
insbesondere hinsichtlich der Schlagfestigkeit. Gleichzeitig sind Eisenarten, die
sich mit der unterkühlten Graphitstruktur verfestigen, viel empfindlicher gegenüber
Abschrecken oder Abkühlen und ergeben oft Schwierigkeiten während der Bearbeitung.
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Die Bildung von unterkühltem Graphit mit seinen Nachteilen kann durch
Zugabe von vergleichsweise geringen Mengen von Impfmitteln zur Gußeisenschmelze
erreicht werden, wobei oft keine größeren Mengen als etwa 4,5 kg/t oder 0,45 1/o
erforderlich sind. Wenn elektrische Öfen zum Schmelzen verwendet werden, sind höhere
überhitzungstemperaturen möglich, als sie mit im Kupolofen geschmolzenem Eisen erhalten
werden können. Unterkühlter Graphit bildet sich leichter, wenn die Überhitzungstemperatur
höher ist. Unter diesen Bedingungen ist daher ein Impfen um so notwendiger. Geimpftes
Eisen enthält weniger innere Spannungen und ist demzufolge weniger gegenüber Rißbildung
anfällig; es zeigt außerdem geringere Dimensionsänderungen beim Verarbeiten bzw.
Bearbeiten. Ferner werden die mechanischen Eigenschaften nicht nur auf ein höheres
Niveau gehoben, sondern sie werden auch mit weniger Änderung von Tag zu Tag erhalten.
Dies ist darauf zurückzuführen, daß geimpftes Eisen nicht so leicht durch geringere
unvermeidbare Änderungen in der Zusammensetzung der Schmelze bzw. der Ausführung
des Schmelzvorgangs beeinflußt werden.
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Aus der deutschen Patentschrift 851357 ist die Herstellung von Graugußeisen
unter Zusatz von Cer beschrieben, wobei der Schmelze vor dem Vergießen, jedoch nach
der Cerzugabe, ein graphitisierender, keimbildender oder desoxydierender Stoff,
wie Ferrosilicium, Calciumsilicid, Siliciumgraphit oder eine Calcium, Aluminium,
Mangan, Titan oder Zirkon enthaltende Siliciumlegierung, zugegeben wird.
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Die Eigenschaften des erhaltenen Gußeisens werden in erster Linie
durch den Cerzusatz bestimmt, der zur Herstellung eines sphärolithischen Gußeisens
dient.
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Aus der deutschen Patentschrift 973 431 ist die Herstellung einer
Magnesium enthaltenden Vorlegierung zum Herstellen von sphärolithischem Gußeisen
bekannt, wobei der Zusatz der Vorlegierung unmittelbar vor dem Vergießen erfolgen
soll. Die Vorlegierung. kann außerdem Nickel und gegebenenfalls Silicium enthalten.
Bei dem bekannten Verfahren wird praktisch eine Mg-, Ni-, Si-, C-Vorlegierung erhalten,
bei
welcher der Kohlenstoff keine wesentliche Bedeutung aufweist und höchstens 1% beträgt.
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Aus der deutschen Patentschrift 843 421 ist ein Verfahren zur Behandlung
von Gußeisenschmelzen für Schleude bgußhohlkörper bekannt, bei welchem der Schmelze
unmittelbar vor dem Vergießen Graphitkeime in Form von Temperkohle zugesetzt werden.
Zweck dieser Maßnahme ist die Schaffung einer Gußstruktur mit durchgehendem kugeligem
Graphit.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nicht die Schaffung von sphärolithischem
Eisen oder Kugelgraphiteisen, sondern die Schaffung eines Gußeisens, in dem der
Graphit in Form von feinen Flocken oder Plättchen dispergiert ist. Die Erfindung
bezweckt insbesondere die Schaffung einer Impfmittelmischung für den Zusatz zu Gußeisenschmelzen,
die große Anteile von Weichstahlabfällen enthalten können, wobei in dem Gußeisen
die genannte Verteilung von Graphit in Flocken- oder Plättchenform vorhanden ist.
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Die Impfmittelmischung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß sie außerdem einen wesentlichen Anteil an freiem Kohlenstoff enthält.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung kann der Kohlenstoff
10 bis 50 Gewichtsprozent der Gesamtimpfmischung darstellen. Der Kohlenstoff befindet
sich insbesondere in Form von Graphit.
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Das ideale Impfmittel soll die Bildung von willkürlichem Flockengraphit
fördern, während es die Bildung von Zementit unterdrückt. Vom Standpunkt höherer
Festigkeit soll das Impfmittel die Bildung von Perlit fördern und nicht die des
weicheren Ferrits. Ferner soll das Impfmittel reproduzierbare Ergebnisse unabhängig
von der Art des zum Schmelzen des Eisens verwendeten Ofens geben und soll sich den
normalen Änderungen der Eigenschaften des Eisens, die mit normalen Änderungen der
Schmelzbedingungen verbunden sind, anpassen. Silicium und Aluminium, die in großem
Umfang bei bekannten Impfmitteln gefunden werden, neigen dazu, die Perlitstruktur
zum Zusammenbruch zu bringen und die Ferritstruktur zu stabilisieren.
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Ferrosilicium allein ist als Impfmittel unbeständig und unzuverlässig,
da seine Impfwirkung, wie gefunden wurde, auf in ihm enthaltene Verunreinigungen
(z. B. Aluminium, Calcium) an Stelle des Ferrosiliciums selbst zurückzuführen ist.
Reines Ferrosilicium ist daher ein schlechtes Impfmittel.
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Impfmittel, die in der Praxis verwendet werden, bestehen aus Calciumsilicid,
Ferrosilicium allein oder zusammen mit Aluminium und Legierungen von Silicium, Mangan
und Zirkon. Aber alle diese Mittel weisen noch Mängel auf.
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Ihre Impfwirkung sinkt oder schwindet, wenn das geschmolzene Eisen
nach der Behandlung stehengelassen wird. Ein Schwund tritt rascher bei höheren Temperaturen
und langsamer ein, wenn die Temperatur fällt. Ein vollständiger Schwund bei Temperaturen,
wie sie in Gießpfannen vorherrschen, kann eine lange Zeit beanspruchen, besonders
wenn die Temperatur kontinuierlich fällt. Die Impfwirkung schwindet auch weniger
rasch, wenn komplexere Graphitierungsmittel im Vergleich mit direktem Ferrosilicium
verwendet werden. Bei den komplexen Graphitierungsmitteln sind die erhaltenen Ergebnisse
auch verl'äßlicher und weniger fehlerhaft als diejenigen, die mit der reinen Eisenlegierung
erhalten werden. Faktoren, welche das Auftreten von unterkühltem Graphit beeinflussen,
sind 1. steigende Tiefenwirkung bei Abschrecken, wie es durch die Zusammensetzung
bewirkt wird, d. h. hoher gebundener Kohlenstoff; 2. rasches Abkühlen: a) dünne
Abschnitte, b) niedrige Gießtemperaturen, 3. abnehmender Gesamtkohlenstoffgehalt
und/oder steigendes Verhältnis von Stahlabfall in der Charge, 4. steigende Schmelztemperatur
oberhalb 1565° C, d. h. Überhitzung, 5. Oxydationsgrad während des Schmelzens.
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Die Fähigkeit des Eisens, unterkühlt zu werden und unterkühlten Graphit
auszuwerfen, ist von dem Einfluß der Faktoren Nr. 1 bis 5 abhängig. Je größer diese
Fähigkeit ist, um so mehr Impfmittel ist erforderlich, z. B.
| Kupoleisen Erforderlicher Zusatz |
| mit Gesamtkohlenstoffgehalt (Prozent von Metall) |
| 3,20 bis 3,25 . . . . . . . . . . . . . . 0,20 |
| 3,00 bis 3,20 . . . .. .. ...... . 0,30 |
| 2,75 bis 3,00 .............. 0,40 |
| 2,50 bis 2,75 .............. 0;50 |
Ein Eisen mit einem Gesamtkohlenstoffgehalt von 3,25 %, das in Abschnitte oder Querschnitte
von 3,175 mm vergossen oder auf 1620° C überhitzt ist, kann eine größere Menge an
Impfmittel erfordern als dies angezeigt ist, weil die Falttoren 2 (a) und 4 verstärkt
oder ausgeprägter sein können. Die Gußhaut von wenigen hundertstel Millimeter zeigt
unterkühlten Graphit, der nicht verhindert werden kann.
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Die zu verwendende Menge an Impfmittel hängt von folgenden Punkten
ab: 1. der Art und Zusammensetzung des Impfmittels, 2. der chemischen Zusammensetzung
des der Behandlung unterliegenden Eisens, 3. der Querschnittsdicke der Gußstücke.
Bei der Mehrzahl der bekannten Impfverfahren wird ein siliciumhaltiges Impfmittel
verwendet, das jedoch nicht allen Ansprüchen gerecht wird.
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Es ist auch vorgeschlagen worden, Kohlenstoff selbst als Impfmittel
zu verwenden, aber die erhaltenen Ergebnisse waren sehr veränderlich, und die Metalltemperatur
mußte auf einer sehr großen Höhe gehalten werden, so daß diese Methode keine Einführung
in die Praxis gefunden hat.
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Es ist jedoch überraschenderweise gefunden worden, daß die erfindungsgemäße
Impfmittelmischung mit einem Gehalt an Ferrosilicium, Silicium-Mangan-Zirkon-Legierung,
Silicium-Eisen-Zirkon-Legierung, einer Mischung von Ferrosilicium und Aluminium,
Calciumsilicid oder Gemischen davon und gleichzeitig einem Gehalt einer wesentlichen
Menge von Kohlenstoff, vorzugsweise Graphit, bei Zusatz zu einer Gußeisenschmelze
ein Produkt liefert, das weit überlegene Eigenschaften gegenüber denjenigen Produkten
aufweist, die durch die üblichen Impfmittel oder Graphit allein erhalten werden.
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Vorzugsweise bestehen bei der Impfmittelmischung gemäß der Erfindung
10 bis 50 0/a des gesamten Impfmittels
aus Kohlenstoff. Anteile
unter 10% zeigen einen abnehmenden Effekt, so daß bei sehr niedrigen Anteilen der
erhaltene Effekt so klein ist, daß er nur von geringem Wert ist. Andererseits neigen
Anteile über 50 °/o dazu, einen zu großen Verdünnungseffekt auf das Impfmittel als
solches auszuüben, und es ist anzunehmen, daß der bei solchen hohen Anteilen an
Kohlenstoff erhaltene herabgesetzte Effekt, der auf eine Wirkung des Kohlenstoffs,
das Impfmittel als solches abzuschirmen oder abzudecken, zurückgeführt werden kann,
so daß es in seiner Wirkung auf das geschmolzene Metall behindert wird.
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Der verwendete Kohlenstoff befindet sich vorzugsweise in der Form
von Graphit und vorzugsweise soll er einen hohen Grad an Reinheit und hoher Dichte
besitzen und im wesentlichen frei von Schwefel sein. Nichtsdestoweniger kann auch
Kohlenstoff geringerer Güte mit gewisser Wirkung verwendet werden, z. B. Koks od.
dgl.
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Es ist gefunden worden, daß der Impfeffekt der kohlenstoffhaltigen
Zusammensetzungen gemäß der Erfindung von einer sehr hohen Größenordnung ist und
daß wichtige Vorteile erhalten werden. Die hauptsächlichen von diesen Vorteilen
sind die folgenden: a) Daß die Menge der verhältnismäßig teuren Impfmittellegierungen,
wie Ferrosilicium oder Silicium-Mangan-Zirkon-Legierung, die notwendig ist, um einen
gegebenen Impfeffekt zu erzielen, wesentlich herabgesetzt wird, wodurch ein beträchtlicher
technischer Vorteil erzielt wird; b) das die hohe Menge an Kohlenstoff eine stark
reduzierende Atmosphäre aufrechterhält, welche die Wirksamkeit von denjenigen Elementen,
die dem Impfmittel hauptsächlich zum Zweck der Desoxydation einverleibt sind, stark
erhöht; c) daß die Neigung des Impfmittels zum Schwinden, wie sie vorstehend erläutert
wurde, stark verringert wird; d) daß, während viele übliche Formen an Impfmittel
eine nasse Schlacke ergeben, die an den Wänden der Gießpfanne od. dgl. haftet und
schwierig zu beseitigen ist, die kohlenstoffhaltigen Impfmittel gemäß der Erfindung
eine trokkene Schlacke liefern, die viel leichter entfernt werden kann.
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Die Wirksamkeit eines Impfmittels kann durch eine Elementaranalyse
nicht sehr genau beurteilt werden. Es ist gefunden worden, daß die Wirkung am besten
durch einen Versuch beurteilt werden kann, der als »Keiltest« bezeichnet wird. Dieser
Test ist auf die Tatsache gegründet, daß verschiedene Arten und Zusammensetzungen
von Gußeisen gewöhnlich gut ausgeprägte Unterschiede hinsichtlich der Abschreckbereitschaft
oder -neigung zeigen, wenn sie aus dem geschmolzenen Zustand rasch abgekühlt werden.
Die Abschreckneigung steht mit den Schmelzbedingungen der chemischen Zusammensetzung,
insbesondere hinsichtlich des Kohlenstoff- und Siliciumgehalts, in Beziehung und
auch mit der Querschnittsdicke des Gußstücks. Beispielsweise kann ein Eisen mit
normaler Dicke beim Gießen kein Abschrecken zeigen. Eine andere Qualität kann ein
Gußstück erzeugen, das einen vollständig weißen Bruch hat, während eine Zwischenqualität
ein Gußstück erzeugen kann, das einen Bruch hat, der teilweise grau und teilweise
weiß ist. So ist durch Vergießen eines Eisens unter sorgfältig geregelten Bedingungen
hinsichtlich der Querschnittsdicke usw. ein rasches Mittel zur Feststellung seiner
Geeignetheit für eine gewisse Art von Guß vorhanden.
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Um die zur Ausführung des Tests erforderliche Zeit und auch die in
Betracht kommenden Kosten auf ein Minimum herabzusetzen, soll der gewählte Keil
so klein wie möglich sein, wie dies damit zu vereinbaren ist, daß sich ein vernünftiges
Verhältnis von weißem zu grauem Bruch bei der besonders verwendeten Eisenart ergibt.
Es sind acht Standardkeilgrößen vorhanden, von denen A die kleinste und H die größte
ist, wie dies in folgender Tabelle im einzelnen angegeben ist. Die Tabelle zeigt
auch die zur Vollendung des Tests erforderliche Zeit.
| Grund- Beanspruchte Zeit |
| Keil Linie (b) Höhe (h) Länge (n zur |
| Vervollständigung |
| mm mm mm des Tests |
| A 6 11,1 57,1 35 Sekunden |
| B. 12,7 22,2 101 40 Sekunden |
| C 19 38 127 1 Minute |
| D, 25,4 57,1 127 l1/2 Minuten |
| E 38 85,7 152 3 Minuten |
| F 51 120,6 152 10 Minuten |
| G 63,5 165,1 203 15 Minuten |
| H 76,2 215,9 203 20 Minuten |
Ein Eisen, das für Gußstücke mit dünnem Querschnitt erforderlich ist, hat gewöhnlich
einen hohen Gesamtkohlenstoffgehalt und einen hohen Siliciumgehalt, um abgeschreckte
Abschnitte oder Querschnitte in den Gußstücken selbst zu vermeiden. Solche Eisenarten
würden daher wenig, wenn überhaupt, Abschreckung in den Teststücken zeigen, und
beim Prüfen würde einer der kleineren Keile A, B oder C gewählt werden. Andererseits
würde beim Prüfen eines Eisens, das für Gußstücke mit stärkerem Querschnitt erforderlich
ist, wobei höhere Festigkeit und höhere Härte erforderlich sind und das einen vollständig
weißen Bruch bei kleinen Prüfstücken zeigen würde, einer der größeren Keile D, E,
F usw. verwendet werden.
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Um Änderungen infolge von Sandbedingungen auf ein Minimum herabzusetzen,
ist es zu empfehlen, daß Keile in Formen gegossen werden, die aus feuchtigkeitsbeständigem
Ölsand hergestellt sind. Zum Gießen können die Formen in einen Formkasten gesetzt
werden und mit lose gepacktem Formsand hinterfüllt werden.
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Eine Probe des zu prüfenden Metalls wird in eine geeignete Größe von
Keilformen gegossen. Die Gießtemperaturen sollten standardisiert sein und vorzugsweise
mittels eines Pyrometers überprüft werden. Wenn das Metall sich verfestigt hat,
soll der Keil aus der Form bei dunkelroter Hitze - etwa 600° C -herausgenommen und
in Wasser abgeschreckt werden. Die Grundseite des Versuchsstücks soll zuerst in
das Wasser eintreten, und das Stück soll rasch durch das Wasser bewegt werden, um
ein Spritzen durch den Dampf zu vermeiden. Nach Entfernung aus dem Wasser wird der
Keil auf einem Brechblock gebrochen. Der Bruchabschnitt zeigt dann klar eine weiße
Fläche am Kopf oder Rand. Die Messung der Grund- oder Basisabmessungen des gebrochenen
Ab-
Schnitts, in Millimeter, wird dann als Keilablesung genommen.
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Eine besondere Zusammensetzung gemäß der Erfindung besteht aus Ferrosilicium
....... 40 Gewichtsprozent Kohlenstoff-Elektrodenabfall . . 50 Gewichtsprozent
Zirkon-, Eisen-, Siliciumlegierung . . 5 Gewichtsprozent Calciumsilicid
...... 5 Gewichtsprozent In den nachstehenden Beispielen ist die Verwendung
dieser Zusammensetzung, die als Zusammensetzung A bezeichnet wird, näher erläutert.
Beispiel 1 Geschmolzenes Gußeisen wird bei Verlassen des Kupolofens mit etwa a)
1,2 kg je 1000 kg der Zusammensetzung A, b) 1,95 kg je 1000 kg von Calciumsilicid
mit einem Gehalt von 11/p 1/o Aluminium behandelt.
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Wenn man die Produkte dem Abschreckkeiltest unterwarf, war der Wert
für a) 3 mm, während derjenige für b) 12 mm betrug.
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Beispiel 2 Geschmolzenes Eisen mit einem Kohlenstoffäquivalent von
4,13 und einem Gehalt von 3,3% Kohlenstoff, 2,4%. Silicium, 0,0.9% Phosphor und
0,7% Mangan wurde mit Impfmittel behandelt. Die Kupolcharge betrug 508 kg, bestehend
aus 30 % Roheisen; mit niedrigem Phosphorgehalt, 55 0"o Fabrikabfall und 15 % Stahl.
Das geschmolzene Metall wurde bei einer Temperatur von 1430° C behandelt.
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a): mit 1 kg je 1000 kg Metall der Zusammensetzung A, b) mit 2 kg
je 1000 kg Metall eines Impfmittels, bestehend im wesentlichen aus einer Legierung
aus Silicium, Mangan und Zirkon mit Spuren von Calcium und Aluminium. Wenn man das
nichtgeimpfte Metall dem Abschreckkeiltest unterwarf, wurde ein Wert von 6 mm erzielt.
Nach der Behandlung a) wurde dieser Wert auf 2 mm herabgesetzt, während zach der
Behandlung b) er nur auf 3 mm herabgesetzt wurde.
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Beispiel 3 Eisen Nr. 17 wurde zum Gießen von Zylinderblöcken für Kraftfahrzeugmotoren
verwendet. Bei Zugabe von 1 kg von üblichem Impfmittel je 1000 kg Metall zeigte
der Abschreeklceiltest eine Herabsetzung des Wertes von 6 auf 5 mm. Wenn jedoch
das Eisen mit einem gleichen Gewicht der Zusammensetzung A behandelt ist, wurde
der Wert auf 3 mm herabgesetzt.