DE1271909B - Schutzstoff zur Vermeidung von Randentkohlung und Oberflaechenfehlern bei Gussstuecken aus kohlenstoffhaltigen Legierungen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B22d

Deutsche Kl.: 31 b2 - 27/18

Nummer: 1271 909

Aktenzeichen: P 12 71 909.4-24 (S 98563)

Anmeldetag: 31. Juli 1965

Auslegetag: 4. Juli 1968

Die Erfindung betrifft einen Schutzstoff zur Vermeidung von Randentkohlung und Oberflächenfehlern bei Gußstücken aus kohlenstoffhaltigen Legierungen, der der Formmasse beigemischt ist und zur Zeit der Abkühlung des Gußstückes im wesentlichen bei 5 Formtemperaturen oberhalb der Brenntemperatur der Gießform Sauerstoff chemisch zu binden vermag.

Vor dem Eingießen des flüssigen Metalls zu brennende Gießformen werden insbesondere bei der Herstellung von Gußstücken nach dem Präzisionsgießverfahren angewendet. Bei diesem Verfahren wird die Gießform mit Hilfe eines ausschmelzbaren, herauslösbaren oder sonstwie in der Form zerstörbaren Modells gebildet. Dienen solche Formen zur Herstellung von Gußstücken aus kohlenstoffhaltigen Legierungen, insbesondere aus Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt, kann sich die Randzone der Gußstücke unter Umständen während der Abkühlung in der Form in schädlichem Maße entkohlen. Zugleich treten häufig Oberflächenfehler auf, meist in Form von ao Grübchen (pittings). Solche Erscheinungen treten dann besonders ausgeprägt auf, wenn die Gießformen heiß abgegossen werden, was in der Regel für Präzisionsgießformen zutrifft; diese werden unmittelbar vor dem Gießvorgang dem Brennofen entnommen. Der Vorgang der Randentkohlung und das Entstehen der genannten Oberflächenfehler beruhen darauf, daß Luft durch den Formkörper diffundiert und mit der Randzone des Gußstückes in Berührung kommt. Dabei kann ein Teil des in der Randzone befindlichen Kohlenstoffes verbrennen. Oxydationsprodukte des Eisens und seiner Begleitelemente können speziell bei 13%-Chromstahl zur genannten Grübchenbildung führen. Diese Gefahren treten in verstärktem Maße auf, wenn dickwandige und komplizierte Gußstücke hergestellt werden, welche während des Abkühlvorganges verhältnismäßig lange eine Temperatur oberhalb 800° C aufweisen.

Es ist in diesem Zusammenhang bereits vorgeschlagen worden, den geschilderten Erscheinungen durch Beigabe eines Schutzstoffes zu der für die Herstellung der Gießformen verwendeten Formmasse entgegenzuwirken; der Schutzstoff wird so gewählt, daß er zur Zeit der Abkühlung des Gußstückes im wesentlichen bei Formtemperaturen oberhalb der Brenntemperaturen der Gießform Sauerstoff chemisch zu binden vermag. Insbesondere sollen nach diesem bekannten Vorschlag Karbide oder Cyanide, beispielsweise Calciumkarbid bzw. Bariumcyanid verwendet werden.

Es ist auch bekannt, beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 1002 508 und der schweize-Schutzstoff zur Vermeidung von Randentkohlung und Oberflächenfehlern bei Gußstücken
aus kohlenstoffhaltigen Legierungen

Anmelder:

Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft,
Winterthur (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,

4000 Düsseldorf, Lindemannstr. 31

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Chem. Hans Schneider,
Winterthur (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 29. Juli 1965 (10 697)

rischen Patentschrift 320 021, zur Vermeidung von Randentkohlung und Oberflächenfehlern bei Gußstücken einen Schutzstoff in Gasform zu verwenden. Die Vergasung eines vergasbaren Schutzstoffes läßt sich jedoch praktisch überhaupt nicht steuern. Die Vergasung tritt bei den in Betracht kommenden Stoffen meist bei Temperaturen ein, die noch wesentlich unterhalb der üblichen Brenntemperatur von 800° C liegen. Mit steigender Temperatur verstärkt sich die Vergasung, so daß unter Umständen die Schutzwirkung im Zeitpunkt des Abgießens der Metallschmelze in die Gießform schon erschöpft ist. Bei den meisten der in Betracht kommenden Schutzstoffe ist die Vergasung an die Anwesenheit von Sauerstoff gebunden. Es liegt deshalb ein weiterer Faktor vor, der in der Regel ungesteuert die Entfaltung einer Schutzwirkung zu beeinflussen vermag. Davon ausgenommen wäre höchstens eine Destillation, wie sie bei der Verwendung von Steinkohle als Schutzstoff in Frage kommt, ein Material, das sich aber aus anderen Gründen nicht bewährt.

Die Erfindung bezweckt, die genannten Nachteile zu vermeiden. Der Schutzstoff gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sein Schmelzpunkt im Intervall zwischen Gießtemperatur des Metalls und der Brenntemperatur (mindestens 800⁰C) der Gießform liegt.

809 568/452

Der große Vorteil eines in flüssigem Zustand zur Wirkung kommenden Schutzstoffes gegenüber vergasbaren Schutzstoffen liegt darin, daß die Entfaltung der Schutzwirkung im betrachteten Temperaturintervall zeitlich sehr genau abgestimmt werden kann. Diese Abstimmung kann durch einfache Beeinflussung des Schmelzpunktes des Schutzstoffes stattfinden; der Schmelzpunkt kann beispielsweise durch einen mehr oder weniger großen Anteil von Begleitstoffen bestimmt werden. Vor Erreichen des flüssigen Zustandes erfolgt keine Konsumation des Schutzstoffes, weil die Reaktionsfähigkeit in festem Zustand auch bei erhöhten Temperaturen klein ist. Gegenüber den bekannten Schutzstoffen, die zur Zeit der Entfaltung ihrer Schutzwirkung in festem Zustand in der Gießform vorhanden sind, hat ein in flüssigem Zustand zur Wirkung kommenden Schutzstoffes den Vorteil, daß seine Reaktionsfähigkeit weit stärker ist. Mit Hufe der Erfindung gelingt es, besonders empfindliche Stähle einwandfrei zu vergießen, ohne daß eine schädliche Entkohlung oder pockenartige Oberflächenbereiche auftreten.

Zweckmäßig wird als Schutzstoff ein Silicid bzw. eine Silicidmischung verwendet; besonders geeignet erweisen sich Calciumsilicide, deren Schmelzpunkte im Bereich von etwa 920 bis 1220° C liegen. Vorteilhaft sind aber auch Aluminium-Silizium-Legierungen, wobei es sich empfiehlt, Legierungen mit einem Gehalt von wenigstens 30% Aluminium und 20% Silizium zu verwenden.

Die Erfindung und weitere mit ihr zusammenhängende Merkmale und Vorteile sind an Hand der nachstehenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

250 kg feingemahlene Schamotte, 25 kg feuerfester Zement und 25 kg CaSi werden mit Wasser zu einer breiartigen Formmasse vermischt. Ein auf bekannte Weise mit einem feuerfesten Überzug aus Zirkonmehl und wässeriger kolloidaler Kieselsäure versehenes Wachsmodell des herzustellenden Gußstückes wird auf übliche Weise in einen Formkasten gestellt und mit der gebildeten Formmasse hinterfüllt. Der so erhaltene Formkörper wird über Nacht bei einer Temperatur von etwa 900° C gebrannt und dabei das Modell zerstört. In die fertige Gießform wird unmittelbar nach dem Herausnehmen aus dem Brennofen flüssiger 13 % -Chromstahl mit einer Gießtemperatur von etwa 1600° C gegossen. Der Schmelzpunkt des in der Gießform befindlichen Calciumsilicides liegt etwa bei 1220⁰C; der Schutzstoff hat somit während des Brennvorganges seine feste Form beibehalten, in welcher er verhältnismäßig reaktionsträge gegenüber dem in der Ofenatmosphäre vorhandenen Sauerstoff ist. Es erübrigt sich deshalb, eine reduzierende oder eine Schutzgasatmosphäre im Brennofen aufrechtzuerhalten. Unter dem Hitzeeinfluß der einströmenden Metallschmelze erhöht sich die Temperatur der Gießform sprungartig unter Verflüssigung des Calciumsilicides in der Hinterfüllung. In der flüssigen Form ist letzteres außerordentlich reaktionsfreudig und bindet praktisch allen Sauerstoff, der durch Poren der Gießform eindiffundiert und ohne Anwesenheit des Schutzstoffes eine schädliche Randentkohlung und Oberflächenfehler herbeiführen könnte. Das fertige Gußstück zeichnet sich durch eine gleichmäßige Verteilung des Kohlenstoffes auch in der Randzone aus. Ferner weist es eine ausgezeichnete Oberflächengüte auf und ist insbesondex>i frei von pockenartigen Grübchen.

An Stelle von CaSi könnte auch ein anderes Calciumsilicid, nämlich Ca₀Si (Schmelzpunkt 920⁰C) oder CaSiO₂ (Schmelzpunkt 1020⁰C) oder aber Mischungen dieser Silicide verwendet werden. Gute Erfahrungen werden gemacht bei einem Gehalt von 2 bis 15 Gewichtsprozent — vorzugsweise 4 bis 10 Gewichtsprozent — Schutzstoff, bezogen auf das Trockengewicht der Formstoffmischung.

Beispiel 2

Es wird eine Formstoffmischung aus einer Lösung von 51 Äthylsilikat, 2,51 Alkohol, 0,251 Wasser, 5 cm³ Salzsäure (32%) und 18 kg Zirkonmehl hergestellt.

Zum Bilden der Gießform wird ein Harnstoffmodell des gewünschten Gußstückes in die erhaltene Formmasse eingetaucht und nach Antrocknen des Tauchüberzuges der Tauchvorgang wiederholt. Unmittelbar nach dem vierten Eintauchen wird auf den Tauchüberzug als Schutzstoff im Sinne der Erfindung eine feinteilig gemahlene Aluminium-Silizium-Legierung aufgestreut, die im Handel unter der Bezeichnung »Alsimin« bekannt ist und etwa 0,8% C, 33% Si, 48 % AI, 3 % Ti, 13 % Fe und übliche Begleitelemente und Verunreingungen enthält. Das Aufstreuen des Schutzstoffes wird auch nach dem fünften bis zum achten und zweitletzten Tauchen wiederholt; die insgesamt aufgestreute Schutzstoffmenge beträgt etwa 14 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der Trockenmasse in der fertigen Gießform.

Die erhaltene schalenartige Gießform wird mehrere Stunden an der Luft trocken und verfestigen gelassen und hierauf in ein Wasserbad verbracht, welches das Harnstoffmodell im Innern des Formkörpers zu lösen vermag. Das Herauslösen kann vollständig erfolgen oder aber nur teilweise, wobei zurückbleibende Reste des Modells beim anschließenden Brennen der Gießform vernichtet werden. Das Brennen erfolgt in einem Ofen während 6 Stunden bei einer Temperatur von 900° C. Der zwischen den einzelnen Tauchschichten befindliche Schutzstoff behält während des Brennens seinen festen Zustand bei; seine Schmelztemperatur liegt etwa bei 1100° C.

Nach dem Herausnehmen aus dem Brennofen wird ein kohlenstoffhaltiger Stahl mit einer Gießtemperatur von 1600° C in die Gießform eingegossen. Unter dem Einfluß der Gießhitze schmilzt die Aluminium-Silizium-Legierung und kann als Schutzstoff gegen Randentkohlung wirken. Als reduzierende Elemente stehen Aluminium, Silizium und Titan im Vordergrund. Das Gußstück ist frei von jeglicher Randentkohlung und zeichnet sich durch sehr gute Oberflächengüte aus.

Die Erfindung ist nicht auf die geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt. So könnten auch andere Formherstellungsverfahren benutzt werden, z. B. solche, bei denen das Modell ohne Tauchüberzug in eine geeignete Formmasse mit gleichmäßig verteiltem Schutzstoff eingeformt wird.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schutzstoff zur Vermeidung von Randentkohlung und Oberflächenfehlern bei Gußstücken aus kohlenstoffhaltigen Legierungen, der der Formmasse beigemischt ist und zur Zeit der Ab-

kühlung des Gußstückes im wesentlichen bei Formtemperaturen oberhalb der Brenntemperatur der Gießform Sauerstoff chemisch zu binden vermag, dadurch gekennzeichnet, daß sein Schmelzpunkt im Intervall zwischen Gießtemperatur des Metalls und der Brenntemperatur (mindestens 800° C) der Gießform liegt.

2. Schutzstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzstoff ein Silicid bzw. eine Silicidmischung ist.

3. Schutzstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzstoff ein Calciumsilicid ist.

4. Schutzstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzstoff eine Aluminium-Silizium-Legierung ist.

5. Schutzstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzstoff eine Legierung mit einem Gehalt von wenigstens 30 % Aluminium und 20% Silizium ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
ίο Deutsche Patentschriften Nr. 383 944, 571602, 692173;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1002 508;
schweizerische Patentschrift Nr. 320 021.

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