DE2034900B2 - Vorlegierung für die Modifizierung von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen - Google Patents

Description

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2 bis 8% Barium, 0,1 bis 6% Yttrium, 0,1 bis 6% Scandium, 51 bis 66% Silizium

«nd herstellungsbedingte Verunreinigungen besteht.

2. Vorlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus

7 bis 18% Kalzium,

2 bis 5% Magnesium,

7 bis 10% Seltenerdmetalle, 56 bis 65% Silizium

besteht.

3. Vorlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus

7 bis 18% Kalzium, 6 bis 9% Magnesium

3 bis 4% Seltenerdmetalle 56 bis 66% Silizium

besteht.

4. Vorlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus

6 bis 15% Kalzium, 0,5 bis 4% Magnesium,

4 bis 7% Seltenerdmetalle, Ibis5% Rubidium, 51 bis 66% Silizium

besteht.

5. Vorlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 6 bis 20% Kalzium, 0,2 bis 3% Magnesium, 3 bis 5% SeltenpTdmetalle, 3 bis 6% Barium, 2 bis 6% Strontium,

Ibis 3% Yttrium,

2 bis 5% Lithium,

Ibis 3% Scandium,

51 bis 66% Silizium

besteht.

6. Vorlegierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus

12% Kalzium, 9% Magnesium, 4% Seltenerdmetalle, 5% Barium, 3% Strontium, 3% Yttrium, 2% Lithium, 0,2% Scandium, 59% Silizium

7. Vorlegierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus

8% Kalzium, 2% Magnesium, 5% Seltenerdmetalle, 5% Barium, 3% Strontium, 3% Yttrium, 3% Lithium, 2% Scandium, 54% Silizium

besteht.

8. Vorlegierung nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß sie aus

8% Kalzium, 8% Magnesium, 3% Seltenerdmetalle, 4% Barium, 2% Strontium, 1% Lithium, 62% Silizium

besteht.

9. Vorlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus

9% Kalzium, 3% Magnesium, 9% Seltenerdmetalle, 4% Barium, 56% Silizium

besteht.

Die Erfindung betrifft eine Vorlegierung für die Modifizierung von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, wie

z. B. Gußeisen und Stähle.

Vorlegierungen erhöhen die Festigkeit von Gußeisen gegenüber nichtmodifiziertem Gußeisen um das zwei- bis fünffache, indem sie die Bildung von Kugelgraphit im Gußeisen begünstigt.

Es sind Vorlegierungen für Gußeisen bekannt, die z. B. Nickel-Magnesium-, Magnesium-Ferrosilizium-, Magnesium-Kupfer-, Magnesium-Nickel-Seltenerdmetalle-Legierungen sind. Auch Magnesium selbst wird als Vorlegierungsmittel verwendet.

Den genannten Vorlegierungen ist der Nachteil gemeinsam, daß bei ihrer Anwendung nichtmetallische Einschlüsse im Gußeisen entstehen, weil Magnesium Verbindungen mit Schwefel und Sauerstoff bildet. Dies führt zur Ungleichmäßigkeit des Gefüges des

Gußeisens und setzt dessen Festigkeit herab.

Die Verwendung von Seltenerdmetallen als alleinige Vorlegierung für Gußeisen ist ebenfalls bekannt. Auch bei dieser Verwendung entstehen nichtmetallische Einschlüsse im Gußeisen. Darüber hinaus sind diese

Vorlegierungen teuer.

Um die genannten nichtmetallischen Einschlüsse und Ausbildungen zu verhindern, ist man gezwungen, zusätzliche technologische Arbeitsschritte durchzuführen, nämlich Gußeisen zunächst zu entschwefeln, es auf hohe Temperaturen zu erhitzen und Zuschläge wie Kryolith, kalzinierte Soda u. ä. zu verwenden. Hierdurch wird die Herstellung von hochfestem Gußeisen erschwert und verteuert.

Bei der Verwendung von Magnesium als alleinigem Ergebnissen führen. Als Legierungsbestandteile neben

Modifizierungsmittel oder bei den genannten magne- Lithium kommen dort einzeln oder in verschiedensten

siumhaltigen Legierungen kommt es zu sogenannten Zusammenstellungen untereinander in Frage Silizium

Magnesiumblitzen und Ausbrüchen des flüssig» und solche Metalle, deren Oxide basischer, nicht-

Gußeisens. Es ist deshalb erforderlich, spezielle Schutz- 5 amphotärer Natur sind und welche schwerlösliche

vorrichtungen zu verwenden, z. B. hermetisch abge- Sulfide nicht zu bilden vermögen, und zwar sind dies

schlossene Pfannen, Autoklaven,' Schutzkammera u.a. die Vertreter der Gruppen der Alkalien, der Erdalkalien

Auch hierdurch wird die Erzeugung von hochfestem und der Seltenen Erden, die dort unter dem Begriff

Gußeisen erschwert und verteuert. »Alkalien im weiteren Sinne« zusammengefaßt wurden.

Eine weitere Schwierigkeit tritt ein, wenn im Guß- io Es ist dort angegeben, daß in dem Zusammenhang

eisen Beimengungen, wie Arsen, Titan, Wismut, Zinn, sich z. B. die Seltenen Erden den Erdalkalien durchaus

Blei und manche, andere Elemente vorhandsn sind, äquivalent verhalten. In dieser Vorveröffentlichung

weil die Bildung von stabilem Kugelgraphit, d. h. die sind konkrete Mengenangaben für Zusammensetzun-

Gewinnung von hochfestem Gußeisen mit Hilfe der gen nicht enthalten, so daß die Zahl der notwendigen

obengenannten Voriegierungen nicht gewährleistet 15 Versuche allein für das Nacharbeiten der dort be-

werden kann. schriebenen Gedanken erheblich ist. Es kommt hinzu,

Es sind auch Voriegierungen für Gußeisen bekannt, daß festgestellt wurde, daß im Hinblick auf die Bildung

die mechanische Gemische auf der Grundlage von von Kugelgraphit weder die Erdalkalien unter sich

Kalzium und Silizium darstellen, und zwar das Gemisch noch die Seltenen Erdmetalle unter sich gleich sind

aus Süikokalzhim und Magnesiumchloriden und ao und daß sin äquivalentes Verhalten zwischen Erd-

-fluoriden sowie Chloriden und Fluoriden von Selten- alkalimetallen und Seltenen Erdmetallen nicht besteht, erdmetallen. In der GB-PS 7 46 406 sind Zusatzmaterialien für

Auch diese Vorlegierungsmittel gewährleisten keine Gußeisen beschrieben, die 10 bis 25% Magnesium,

sichere Kugelgraphitbildung. Außerdem sind Magne- 3 bis 14% Kalzium, bis 30% Eisen, 0 bis 8% Selten-

sium- und Zerchloride sowie Chloride anderer Vor- 35 erdmetalle und Rest Silizium enthalten, wobei das

Iegierungsmetalle hygroskopisch, wodurch eine be- Verhältnis zwischen Magnesium und Kalzium 1,3:1

sondere Verpackung und Aufbewahrung derselben bis 5,5:1 beträgt. Die Umrechnung zeigt, daß der

erforderlich ist. Siliziumanteil zwischen 23 und 81% liegen kann,

Zu den Nachteilen der bekannten Modifizierungs- während der Magnesiumanteil mit 10 bis 25% so

mittel zählt auch, daß eine erhebliche Rauchentwick- 30 hoch ist, daß die Verarbeitung einer solchen Vorle-

lung während der Zugabe entsteht. gierung auf Schwierigkeiten stößt.

Es sind auch Modifizierungsmittel für Gußeisen Insgesamt sind die bekannten Modifizierungsmittel

bekannt, die Magnesium, Kalzium und weitere Le- für die Modifizierung von Stählen wenig geeignet, da

gierungselemente wie z. B. Nickel, Kupfer und Man- die Stähle eine gegenüber Gußeisen um 150 bis 35O°C

gan u. a. enthalten. 35 höhere Schmelztemperatur aufweisen und die Mehr-

Ein solches bekanntes Modifizierungsmittel, das zahl dei bekannten Modifizierungsmittel eine große

weit verbreitet ist, besteht aus 30% Mg, 20% Ca, Menge Magnesium enthält. Die Einführung derartiger

39% Si, 2,5% Al, 0,5% Mn und Rest Eisen oder aus Modifizierungsmittel in die geschmolzenen Stähle

22% Ca, 50% Si, 6 bis 15% Zr, 2 bis 4% Mg und 13 kann so große Blitze und Ausbrüche hervorrufen,

bis 20% Ni. 40 daß ihre Verwendung praktisch unmöglich wird.

Bei diesen oder ähnlichen Modifizierungsmitteln ist Die Modifizierungsmittel, die eine verhältnismäßig

nachteilig, daß sie teuer und schwierig in der Herstel- geringe Menge an Magnesium (bis zu 10%) aufweisen,

lung sind, da die Einführung der Legierungsmetalle enthalten in der Regel beträchtliche Mengen anderer

Nickel, Kupfer, Mangan u. ä. zusätzliche Arbeitsgänge Legierungskomponenten, wie z. B. Nickel, Kupfer,

für das Schmelzen und die Vermischung der Kompo- 45 Mangan, Chrom, deren Einführung die Eigenschaften

nenten erfordert. der zu modifizierenden Stähle wesentlich verändert.

In der DT-AS 12 20 617 ist eine Vorlegierung für die Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu-Herstellung von feinkörnigen Stählen beschrieben, die gründe, unter Beseitigung der Nachteile der bekannten unter anderem weniger als 1,7 % Kohlenstoff, 0,001 bis Modifizierungsmittel eine Vorlegierung einer solchen 0,05% Kalzium und 0 bis 0,03% Zer, Lithium, Stron- 50 Zusammensetzung anzugeben, die ohne die bekannten tium, Barium und Magnesium, einzeln oder zu mehre- Nachteile, aber mit gleichem Erfolg für die Modifizieren enthalten, indem die Vorlegierung aus 5 bis 40% rung von Stählen und Gußeisen verwendet werden Kalzium, je 5 bis 55% Nickel, Silizium, Aluminium kann. Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die in den und Mangan, einzeln oder zu mehreren, 0 bis 10% Patentansprüchen angegebenen Vorlegierungen,
von Kalzium verschiedenen Metallen, wie Zer, Li- 55 Der Ausdruck »herstellungsbedingte Verunreinithium, Strontium, Barium und Magnesium, Rest Eisen, gungen« besagt, daß die Legierung außer den ausdrückbesteht, lieh genannten auch noch solche Elemente enthält, die

Sofern von Seltenerdmetall zerfreie Vorlegierungen durch die Zusammensetzung des zur Herstellung verangesprochen sind, gilt der oben beschriebene Nachteil, wendeten Rohmaterials und durch das Herstellungsdaß Legierungsmetalle wie Nickel und Mangan in die 60 verfahren eingebracht und nicht entfernt wurden.
Legierung nur unter Schwierigkeiten einzuführen sind. Für die Modifizierung von Gußeisen mit einem Für Voriegierungen, die überdies noch Zer enthalten, Schwefelgehalt bis 0,12%, von Hadfield-Stahl und wird geltend gemacht, daß hierdurch die Bildung von anderen Stählen wird zweckmäßigerweise eine Vor-Kugelgraphit in stabiler Form nicht gewährleistet ist. legierung der Zusammensetzung gemäß Anspruch 2

In der deutschen Patentanmeldung 019 209, aus- 65 verwendet.

gelegt am 13.2.36, ist beschrieben, daß gewisse Le- Für die Modifizierung von im Kupolofen erschmol-

gierUngen des Lithiums bei der Reinigung geschmol- zenem Gußeisen mit niedriger Temperatur (1300 bis

zener Metalle und Legierungen zu gänzlich neuen 137O⁰C) und hohem Schwefelgehalt (0,10 bis 0,13%)

«pe 5 Gewicht und 50 bis 150 mm Wanddicke erhalten. Die Form des Graphits vm Gußeisen war m allen Quer-

^Die7äfmdu«gs£mäße£ Vorlegierung«» kennen mit schnitten kugehg. Schwindungsporosita^Lunker und gleicht ErMgJürilieGBßeS^datunter *uch für nichtmetallische Einschlüsse fehlten. Ihe aus dem solche mit hoV^gehait an Schwefel Titan, Arseu, Gußstückkörper herausgeschnittenen^ Proben wiesen Zinn, Blei^NickeL Kupfer sowie auch _;für herkömm- io eine Zugfestigkeit as von 52 bis 58 kp/mm¹, erae liehe und legiejte Stähle yerwendet ^erdeß* Die An- Bruchdehnung δ yon 10 bis 15% und eme Bnnellwesenb*i]t,yoniStiontium,Barium,,Lithium, Scandium, härte von 179 bis 191 HB auf. Rubidium und Yttrium in dea Vorlegieruiigen verbessern dessen .raffinierende und modifizierende Wir- B e i s ρ i e 1 2 kung auf Gußeisen und Stahl. 15 ·_ ~

Die Vortegierungen können in bereits legierter Vorlegierung, die die unten angegebene Zusammen-

Form oder in Form mechanischer Gemische verwendet Setzung in Gewichtsprozent hat: werden. Die Anwendung in Form von Legierungen ist

dabei am vorteilhaftesten, da deren Herstellung billiger Kalzium 8

und die Qualität der Modifizierung am wirkungsvollsten ao Magnesium 8

ist. Seltenerdmetalle 3

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Aus- Strontium 2

führungsbeispielen näher erläutert. Lithium 1

Die Vorlegierung wird in flüssige Eisen-Kohlenstoff- Barium 4 Legierungen in zerkleinertem Zustand eingeführt. 35 Silizium 62 In diesem Falle nehmen die Wärmeverluste der zu

modifizierenden Metalle ab und erhöht sich der Grad Bei der Modifizierung von im Kupolofen erschmol-

dcr Aufnahme der Vorlegierung durch dieselben. Die zenem Gußeisen mit dem Gehalt von 0,12% Schwefel,

Zerkleinerung kann in herkömmlichen Brechern vor- 17% Nickel, 3% Chrom im Ausgangsmetall wurde ein

genommen werden, welche in Gießereien und anderen 30 Gußstück von 171 Gewicht mit 100%igem kugeligem

metallurgischen Betrieben Verwendung finden. Die Graphit erhalten. Die Zugfestigkeit des Gußstückes

Vorlegierungen werden meistenteils mit Flußmitteln, betrug ob 46 bis 49 kp/mm*.

vornehmlich mit Fluorit und Flußspat, mit denen sie Die Dehnung betrug 18 bis 25%.

sich in dem mechanischen Gemisch befinden, einge- Bei hydraulischen Prüfungen ab 70 atm wurden

führt. Das Verhältnis zwischen Vorlegierung und Fluß- 35 keine Leckverluste festgestellt. Im Gußstück fehlten

mittel ist normal und beträgt entsprechend 3:1,5 bis nichtmetallische Einschlüsse. 3:0,5.

Die erfindungsgemäßen Vorlegierungen ermöglichen Beispiel 3 es, Gußstücke aus hochfesten Gußeisen und Stählen

zu erzeugen, die keine nichtmetallischen Einschlüsse, 40 Vorlegierung, die die folgende Zusammensetzung

keine Weißfleckigkeit und weniger Gußfehler (Schwin- in Gewichtsprozent hat: dungsporosität, Lunker) im Vergleich mit Gußstücken

aus Gußeisen und Stahl, die mit Hilfe der bisher be- Kalzium 9

kannten Modifizierungsmittel hergestellt werden, auf- Magnesium 3

weisen. 45 Seltenerdmetalle 9

Außerdem sind bei der Einführung dieser Vorlegie- Barium 4

rangen in das zu modifizierende Metall keine Sonder- Silizium 56

vorrichtungen, wie Autoklaven, hermetisch abgeschlossene Pfannen, Schutzkammern usw. erforderlich, Bei der Modifizierung von Kohlenstoffstahl mit da bei der Einführung dieser Vorlegierungen in die 50 einem Gehalt an Kohlenstoff von 0,23% wurde ein Metallschmelze keine Blitze und Ausbrüche entstehen. Gußstück von 3,21 Gewicht erhalten. Die mecha-Nachstehend werden beispielsweise Zusammen- nischen Eigenschaften des Stahls an den aus Angüssen Setzungen und Anwendungsbeispiele der Vorlegie- herausgeschnittenen Proben waren wie folgt: Zugrungen für verschiedene Legierungen angeführt: festigkeit ob = 48 kp/mm¹, Dehnung δ = 28 %, Kerb_n . . . . SS Schlagzähigkeit or = 19 kpm/cm*. 0 e 1 s ρ 1 e 1 1 Bei der Modifizierung einss legierten Stahls mit Vorlegierung, die die unten angegebene Zusammen· 0,15 % Chrom und 0,26 % Nickel mittels derselben Vorsetzung in Gewichtsprozent hat: legierung wurde ein Gußstück mit dem Gewicht 1,91

erhalten. Die Eigenschaften des modifizierten Stahls

Kalzium 12 60 waren durch folgende Kennwerte gekennzeichnet: Magnesium 9 a_B = 69 kp/mm¹, δ = 18%, a_K = 16 kpm/cm¹. Seltenerdmetalle 4 Aus einem hochfesten Gußeisen, welches mit der Strontium 3 obengenannten Vorlegierung gewonnen war, wurde Lithium 2 ein Gußstück von 701 Gewicht erzeugt. Die mecha- Barium 5 65 nischen Eigenschaften der Proben waren die folgenden: Yttrium 3 σ_Β = 62kp/mm¹, δ = 3%, Brinellhärtc = 261 HB.

Scandium 0,2 Im Gußstück wurden keine nichtmetallischen EinSilizium 59 Schlüsse festgestellt.

Beispiel 4

Vorlegierung, die die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat:

Kalzium 11

Magnesium 4

Seltenerdmetalle 8

Silizium 65

Die Vorlegierung wurde für Gußeisen mit einem Schwefelgehalt von 0,11% verwendet. Aus diesem Gußeisen wurden Gußstücke für Drehbänke hergestellt. Das Gewicht der Gußstücke betrug bis zu 100 kg, die Wanddicke S bis 40 mm. Nichtmetallische Einschlüsse fehlten in den Gußstücken vollkommen, der Graphit war nur kugelig. Strukturell freie Karbide in den Gußstücken mit unterschiedlicher Wanddicke waren nicht feststellbar. Ohne thermische Behandlung wurde ein Gußeisen mit folgenden mechanischen Eigenschaften gewonnen:

Biegefestigkeit σ»β = 125 bis 135 kp/mm¹, Zugfestigkeit σ* = 62 bis 70 kp/mm*, Dehnung δ = 2,54%, Härte = 241 bis 269 HB.

Die Versuche beim Modifizieren von Hadfield-Stahl mit 13% Mangangehalt zeigten gegenüber dem nicht modifizierten Stahl eine starke Kornverfeinerung (um das 2- bis 4fache) und eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit. Die Gußstücke zeigten eine beträchtlich verminderte Schwindung.

Beispiel 5

Vorlegierung, die die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat:

Kalzium 15

Magnesium 9

Seltenerdmetalle 3

Silizium 64

Die Vorlegierung wurde für Gußeisen mit einem Schwefelgehalt von 0,11 % verwendet Die Temperatur des Gußeisens betrug beim Abstich desselben aus dem Kupolofen 1350⁰C. Es wurden gleichzeitig 12 t flüssiges Gußeisen modifiziert. Hergestellt wurden Gußstücke mit einem Gewicht von 1,5 bis 81 und mit einer Wanddicke von 20 bis 120 mm. In allen Querschnitten der Gußstücke wurde Kugelgraphit erhalten. Nichtmetallische Einschlüsse waren praktisch nicht nachweisbar. Die aus kleeblattförmigen Proben herausgeschnittenen Proben waren durch folgende Kennwerte gekennzeichnet:

αβ = 52 bis 58 kp/mm*, δ = 3,2 bis 4,3 %, Härte = 229 bis 241HB.

Beispiel 6

Vorlegierung, die die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat:

Kalzium 8

Magnesium 2

"° Seltenerdmetalle 5

Barium 5

lithium 3

Strontium 3

Yttrium 3

^a5 Scandium 2

Silizium 54

Die Vorlegierung wurde für Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl verwendet

Im Ergebnis der Modifizierung hat sich bedeutend die Makrostruktur des Stahls verbessert und der Gehalt an Gasen und nichtmetallischen Einschlüssen in ihm mehr als um das 2fache vermindert Die Festigkeit stieg um 25 bis 30% und die Kerbschlagzähigkeit im

Vergleich mit den nicht modifizierten Stählen um 40%. Das vorgenannte Modifizierungsmittel wurde für

die Modifizierung des austenitischen Stahls verwendet, welcher 18% Chrom, 9% Nickel, 0,5% Titan enthielt

Es wurde nach dem Modifizieren an den Versuchs-

gußstücken von 100 kg Gewicht eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit um mindestens das 2fache festgestellt

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Vorlegierung für die Modifizierung von Eisenkohlenstoff-Legierungen, dadurch ge· kennzeichnet, daß sie aus

6 bis 24% Kalzium, 5 bis 10 % Magnesium, 2 bis 10% Seltenerdmetalle, 0,2 bis 6% Strontium,