DE1583207C2

DE1583207C2 - Application of the injection of noble gas for the formation of spheroidal graphite

Info

Publication number: DE1583207C2
Application number: DE19671583207
Authority: DE
Inventors: Pierre Karinthi; Noel Lutgen
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1966-09-13
Filing date: 1967-09-11
Publication date: 1974-07-11
Also published as: GB1194265A; ES344845A1; LU54380A1; NL6712445A; BE703700A; FR92785E; DE1583207B1

Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Kugelgraphitbildung im geschmolzenen hypereutektoiden unlegierten oder legierten Stählen in rohem Gießzustand zur Verbesserung der Gießfähigkeit und der mechanischen Eigenschaften. Derartige Stähle mit 0,8 bis 2,5% Kohlenstoff liegen zwischen den eigentlichen Stählen und normalem Gußeisen und enthalten freien Kohlenstoff in Form von Kugelgraphit. Zur Kugelgraphitbildung behandelt man gewöhnlich den Stahl mit festen oder flüssigen Zusatzstoffen, beispielsweise Ferrolegierungen oder insbesondere Kalziumlegierungen. Ein in dieser Weise behandelter Stahl enthält in rohem Gußzustand vor einer thermischen Behandlung Kugelgraphit.The invention is concerned with spheroidal graphite formation in molten hypereutectoid unalloyed or alloyed steels in the raw as-cast state to improve castability and mechanical properties. Such steels with 0.8 to 2.5% carbon lies between the actual steels and normal cast iron and contains free Carbon in the form of spheroidal graphite. Steel is usually treated to form nodular graphite with solid or liquid additives, for example ferro alloys or especially calcium alloys. A steel treated in this way contains in the rough cast state before a thermal treatment Spheroidal graphite.

Andererseits ist die Anwendung von Spülgas- und Einblaseverfahren in der Gießerei in der Zeitschrift »Gießerei«, Heft 21, (1961), S. 639 bis 647, beschrieben. Zwar wird dort die Anwendung gasmetallurgischer Verfahren in Stahl-, Eisen- und Nichteisenmetallgießereien genannt, jedoch finden sich keine Angaben hinsichtlich einer Kugelgraphitbildung in Stahl, insbesondere hypereutektoidem Stahl in rohem Gießzustand. Dagegen wird ausführlich über die Anwendung der Spülgas- und Einblaseverfahren in der Produktion von hochwertigem Gußeisen mit Lamellen- und mit Kugelgraphit berichtet. Hierfür ist jedoch neben dem Blasgas ein flüssiger oder fester Zusatzstoff, wie Magnesium- oder Zeroxyd, erforderlich, und besonders zweckmäßig ist das Einblasen von Magnesium-Zer-Lanthan enthaltenden Siliziumlegierungen. Derartige Zusatzstoffe erhöhen die Herstellungskosten des Gußeisens mit Kugelgraphit.On the other hand, the use of purging gas and blowing processes in the foundry is in the magazine "Foundry", No. 21, (1961), pp. 639 to 647, described. It is true that the use there is becoming more gas-metallurgical Process in steel, ferrous and non-ferrous metal foundries mentioned, but no information is given with regard to spheroidal graphite formation in steel, in particular hypereutectoid steel in the raw as-cast state. On the other hand, there is a detailed description of the use of the purge gas and injection processes in the Production of high-quality cast iron with lamellar and spheroidal graphite reported. Therefor however, in addition to the blowing gas, a liquid or solid additive such as magnesium or cerium oxide is required, and the blowing in of silicon alloys containing magnesium-cerium-lanthanum is particularly expedient. Such additives increase the manufacturing cost of spheroidal graphite cast iron.

Demgegenüber hat die Erfindung sich die Aufgabe gestellt, die Kugelgraphitbildung in hypereutektoiden unlegierten oder legierten Stählen in rohem Gießzustand regelmäßiger zu gestalten und gleichzeitig billiger durchzuführen.In contrast, the invention has set itself the task of the spheroidal graphite formation in hypereutectoid unalloyed or alloyed steels in the raw as-cast state more regularly and at the same time cheaper to carry out.

Gegenstand der Erfindung ist die Anwendung des Einblasens von Edelgas in Form einer Vielzahl sehr feiner Blasen durch ein poröses feuerfestes Stück in geschmolzene hypereutektoide unlegierte oder legierte Stähle in rohem Gießzustand zu Verbesserung der Gießfähigkeit und der mechanischen Eigenschaften durch Kugelgraphitbildung ohne Anwendung eines festen oder flüssigen Mittels zur Kugelgraphitbildung.The subject of the invention is the application of the injection of noble gas in the form of a large number of very large fine bubbles through a porous refractory piece into molten hypereutectoid unalloyed or alloyed Steels in the as-cast state to improve castability and mechanical properties by nodular graphite formation without the use of a solid or liquid agent for nodular graphite formation.

überraschenderweise hat sich gezeigt, daß Edelgas allein sehr wirksam die Kugelgraphitbildung begünstigt, wenn es in feinen Blasen eingedrückt wird, wodurch die Notwendigkeit eines Impfmittels zur Ausscheidung freien Zementits entfällt. Wegen seines niedrigen Preises empfiehlt sich als Edelgas das Argon, aber auch Helium kommt in Betracht, sofern man über billiges Helium verfügt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in ihrer Anwesenheit auf nicht besonders reine hypereutektoide Stähle, wie die nachfolgenden Beispiele zeigen werden. Insbesondere eignet sich die Anwendung des Einblasens von Edelgas in feinen Blasen für die Kugelgraphitbildung in Stählen mit 0,3 bis 1% Mangan.Surprisingly, it has been shown that noble gas alone is very effective in promoting spheroidal graphite formation, when it is squeezed into fine bubbles, eliminating the need for an inoculant There is no excretion of free cementite. Because of its low price, it is recommended as an inert gas Argon, but also helium, can be considered if cheap helium is available. Another advantage the invention insists in their presence on not particularly pure hypereutectoid steels, such as the following Examples will show. In particular, the application of blowing noble gas into fine bubbles for the formation of spheroidal graphite in steels with 0.3 to 1% manganese.

Als Einblasvorrichtung kann in üblicher Weise ein einfacher poröser Stopfen benutzt werden, jedoch kann auch der Boden der Behandlungspfanne oder ein Teil der Pfannenseitenwand porös gestaltet sein. Der vorzugsweise zur Einblasung des Edelgases verwendete poröse Stopfen kann in der Seitenwand oder im Boden des Schmelztiegels befestigt sein; er kann auch von einem Rohr getragen sein, das man in den Tiegel einführt. Porendurchmesser kleiner als 0,5 mm, im allgemeinen von 0,2 oder 0,3 mm, liefern gute Ergebnisse. A simple porous plug can be used in the usual way as the blowing device, however the bottom of the treatment pan or part of the pan side wall can also be designed to be porous. The porous plug preferably used for blowing in the noble gas can be in the side wall or be fixed in the bottom of the crucible; it can also be carried by a pipe that is inserted into the Introduces crucible. Pore diameters smaller than 0.5 mm, generally 0.2 or 0.3 mm, give good results.

Die nach der Erfindung behandelten hypereutektoiden Stähle haben mehr als etwa 0,8% Kohlenstoff; sie können frei von Legierungselementen, wie Chrom, Nickel. Molybdän, sein und verhältnismäßig beträchtliche Mengen an Mangan und Schwefel enthalten. Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Gießfähigkcit, d. h. ihre Fließfähigkeit in geschmolzenem Zustand, erhält man mit rohem Stahlguß, ohne daß im allgemeinen eine anschließende thermische Behandlung notwendig wäre.The hypereutectoid steels treated according to the invention have greater than about 0.8% carbon; they can be free of alloy elements such as chromium, nickel. Molybdenum, its and relatively sizable Contain quantities of manganese and sulfur. The improvement of mechanical properties and the pourability kit, d. H. their flowability in the molten state is obtained with raw steel casting, without a subsequent thermal treatment generally being necessary.

Unabhängig von der Zusammensetzung des hypereutektoiden Stahles vermindert das Verfahren der Erfindung die Härte und führt zur Bildung einer perlitischen Struktur. Es kann zum völligen oder weitgehenden Verschwinden der Karbide führen. Diese Wirkungen kann man mehr oder weniger weit führen, indem man das Einblasen mehr oder weniger weit treibt, beispielsweise die Einblasdauer nach der gewünschten Struktur regelt.Regardless of the composition of the hypereutectoid steel, the process reduces the Invention the hardness and leads to the formation of a pearlitic structure. It can be total or extensive disappearance of the carbides. These effects can be more or less far lead by pushing the blowing in more or less far, for example the blowing time after the desired structure.

Die Erfindung gestattet die Transformierung eines sehr erheblichen Anteiles oder sogar des gesamten über den Eutekoidgehalt hinausgehenden Kohlenstoffs von hypereutektoiden Stählen sehr verschiedener Zusammensetzung in Kugelgraphit.The invention allows the transformation of a very substantial portion or even all of it of hypereutectoid steels of very different carbon in excess of the eutectoid content Composition in spheroidal graphite.

Der Argonverbrauch schwankt mit dem Fassungsraum und der Höhe des Metallbades. Beispielsweise kann er 0,4 Nm³/t für den Versuch der letzten Reihe der nachstehenden Tabelle betragen, der sich auf 5,5 t bezieht und weit über den Augenblick hinausgetrieben ist, wo der Kugelgraphit aufgetreten ist. Er kann auf 2 Nm³/t bei einem Laboratoriumsofen von kleinem Fassungsvermögen ansteigen. Die Dauer des Einblasens ist eine Funktion der Blasbedingungen, insbesondere der Art des porösen Stückes. Im allgemeinen ist die Dauer langer als 5 Minuten. Der Stahl wird auf Temperaturen zwischen seiner Schmelztemperatur und 1600⁰C erhitzt.The argon consumption fluctuates with the capacity and the height of the metal bath. For example, it can be 0.4 Nm ³ / t for the test in the last row of the table below, which relates to 5.5 t and is carried well beyond the moment at which the spheroidal graphite occurred. It can rise to 2 Nm ³ / t in a laboratory furnace of small capacity. The duration of the blowing is a function of the blowing conditions, particularly the type of porous piece. Generally the duration is longer than 5 minutes. The steel is heated to a temperature between its melting temperature and 1600 ⁰ C.

Die Figur erläutert schematisch beispielshalber einen Induktionsofen, der für die Durchführung des Verfahrens der Erfindung geeignet ist. Der Tiegel 2, der von einer Induktionswicklung 4 umgeben ist, enthält den zu behandelnden Stahl 6, beispielsweise 5 t Stahl mit 1,10% C; 1,60% Si;0,45% Mn; 0,025% P; 0,065% S; 0,95% Ni; 0,60% Cr. Die Temperatur wird auf annähernd 1575° C gehalten. Andererseits kannThe figure explains schematically by way of example an induction furnace which is used for carrying out the Method of the invention is suitable. The crucible 2, which is surrounded by an induction winding 4, contains the steel 6 to be treated, for example 5 t steel with 1.10% C; 1.60% Si; 0.45% Mn; 0.025% P; 0.065% S; 0.95% Ni; 0.60% Cr. The temperature is maintained at approximately 1575 ° C. On the other hand, can

man eine einfache, nicht beheizte Pfanne verwenden, wobei man die Temperatur im Verlauf der Behandlung beispielsweise von 1575 auf 1500⁰C abfallen läßt! Durch den porösen Stopfen 8, der in einen feuerfesten Stein K) eingetrieben ist, wird vom Rohr 12 her Argon in den Stahl eingeblasen. Die Pfeile 14 und 16 deuten die aufsteigenden feinen Argon-Blasen an. Außer ihrer physikalisch-chemischen Wirkung auf den Stahl rühren die Blasen den Stahl um und erneuern den jeweiligen behandelten Stahlanteil. Diese Behändlung dauert beispielsweise 15 Minuten bei einer Durchsatzmenge von 14 Nm³/Stunde, was einen Verbrauch von 1,2 Nm³/t bedeutet. Der Stahl wird dann in eine Form gegossen, wo er abkühlt; vorzugsweise beschleunigt man die Abkühlung bei einem schweren und massiven Stück. Der erhaltene Stahl besitzt ein völlig perlitisches Gefüge, in welchem der gegenüber dem Eutectoid überschüssige Kohlenstoff in Form von Graphitkügelchen ausgefallen ist. Die Zugfestigkeit ist um 18 bis 20% erhöht; die Härte ist vermindert, während der Zementit völlig verschwunden ist. Die nachstehende Tafel zeigt andere Stahlzusammensetzungen, fdr die das Verfahren die genannten Ergebnisse beliefert hat.a simple, unheated pan is used, the temperature being allowed to drop, for example, from 1575 to 1500 ^° C. in the course of the treatment! Argon is blown into the steel from the pipe 12 through the porous plug 8, which is driven into a refractory brick K). The arrows 14 and 16 indicate the rising fine argon bubbles. In addition to their physicochemical effect on the steel, the bubbles stir the steel and renew the respective treated steel portion. This treatment takes, for example, 15 minutes at a throughput of 14 Nm ³ / hour, which means a consumption of 1.2 Nm ³ / t. The steel is then poured into a mold where it cools; it is preferable to accelerate the cooling process for a heavy and massive piece. The steel obtained has a completely pearlitic structure in which the excess carbon compared to the eutectoid has precipitated in the form of graphite spheres. The tensile strength is increased by 18 to 20%; the hardness is reduced, while the cementite has completely disappeared. The table below shows other steel compositions for which the process has given the stated results.

Lfd.
Nr.Serial
No. CC. SiSi MnMn PP. ^ss NiNi CrCr 00 MoMon ii 1,351.35 1,841.84 0.430.43 0.0220.022 0,030.03 0,840.84 00 00 22 1,491.49 2,032.03 0.700.70 . 0,017. 0.017 0,0310.031 1,061.06 00 00 ->-> 1.991.99 0,940.94 0.580.58 0,0480.048 0.0300.030 0,4600.460 00 00 44th 1,371.37 1,801.80 0.470.47 0.0550.055 0.0310.031 00 0.310.31 00 55 1.041.04 0,950.95 0.520.52 n.dn.d n.dn.d 1,511.51 00 00 66th 1,341.34 0.980.98 0.440.44 n.dn.d n.dn.d 0,52 ■0.52 ■ 00 00 77th 1.051.05 1,901.90 0.670.67 n.dn.d 0.1000.100 0.910.91 0,370.37 00 88th 1,461.46 . 0.89. 0.89 0,310.31 n.dn.d n.dn.d 0.930.93 0.870.87 00 99 0,950.95 , 1,84, 1.84 0.330.33 0.0320.032 0,0330.033 0.810.81 0.620.62 00 1010 1,141.14 1,821.82 0.450.45 0.0260.026 0,0650.065 0,960.96 00 00 I!I! 1,261.26 1,161.16 0.780.78 0.0410.041 0.1100.110 1.031.03 0,990.99 00 1212th 1,761.76 1,631.63 0.750.75 0.040.04 0,0170.017 0,990.99 0.3460.346

Die Buchstaben »n.d« bedeuten, daß die Bestimmung nicht vorgenommen worden ist. Die Stähle 1. 6 und 12 sind während des Einblasens von Argon geimpft worden. Die Analysen sind nach der Behandlung vorgenommen.The letters "n.d" mean that the determination has not been made. The steels 1. 6 and 12 were inoculated while argon was blown. The analyzes are after treatment performed.

Der Gang der Abkühlung nach dem Guß ist von geringer Bedeutung. Eine beschleunigte Abkühlung begünstigt die Ausfällung des Kohlenstoffes in Kugeiform, aber ein Sandguß von 1,5 t des letzten Stahls der Tabelle in Form eines Zylinders von 0.56 m Durchmesser hat die gewünschte Textur geliefert.The cooling process after casting is of little importance. An accelerated cooling favors the precipitation of the carbon in spherical form, but a sand casting of 1.5 t of the last steel the table in the form of a cylinder with a diameter of 0.56 m provided the desired texture.

Die Erhöhung der Zugfestigkeit infolge der Behandlung nach der Erfindung liegt im allgemeinen in der Größenordnung von 20 bis 30%. Die Fließfähigkeit des geschmolzenen Metalls ist beträchtlich gesteigert.The increase in tensile strength as a result of the treatment according to the invention is generally in the range Range of 20 to 30%. The flowability of the molten metal is considerably increased.

Außer seinem Einfluß auf das Gefüge bietet Argon oder sonstiges Edelgas auch den Vorteil, daß es die festen Verunreinigungen der Metallschmelze aufsteigen läßt, die von der Schlacke umschlossen werden. Bei dem wiedergegebenen Versuch, der sich auf 5,5 t bezog, erfolgte der Guß vollkommen bei 132O^;C (Ablesung am optischen Thermometer: 1300"C). Der Gehalt an Kohlenstoff und Legierungselementen eines üblichen Stahles dieser Zusammensetzung machen sein Vergießen bei einer so niedrigen Temperatur üblicherweise schwierig.In addition to its influence on the structure, argon or other noble gas also has the advantage that it allows the solid impurities of the molten metal, which are enclosed by the slag, to rise. In the experiment reported, which was based on 5.5 t, the casting was carried out completely at 132O ^; C (Optical thermometer reading: 1300 "C). The carbon and alloying element content of a conventional steel of this composition usually makes it difficult to cast at such a low temperature.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen COPV1 sheet of COPV drawings

Claims

Patent claims:

1. Application of the injection of noble gas in the form of a multitude of very fine bubbles through one porous refractory piece in molten hypereutectoid unalloyed or alloyed steels in raw Cast condition to improve castability and mechanical properties through spheroidal graphite formation without the use of a solid or liquid agent to form spheroidal graphite.

2. Application of the method according to claim 1 to steels according to claim 1 with 0.3 to 1% manganese.