DE2054534C3 - Verfahren zur Herstellung von Temperguß - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Temperguß.

Der sogenannte »schwarze« Temperguß wird aus untereutektischem Gußeisen hergestellt. Die Legie rungselemente, besonders der Silizium-, Phosphor- und Mangangehalt wird so gewählt, daß der Guß zwar weiß (karbidisch) erstarrt, seine Karbidphasen aber womöglich wenig stabil sind. Der rohe, karbidische Guß ist hart und spröde und ist in diesem Zustand für praktische Zwecke unbrauchbar. Vor der Anwendung werden deshalb die Gußstücke wärmebehandelt; durch die Wärmebehandlung werden die Karbide in metallisches Eisen und in Temperkohle umgewandelt

Die Kristallisation- bzw. Umwandlungsvorgänge in Gußstücken sind sehr kompliziert und trotz der seit mehr als einem halben Jahrhundert andauernden Forschungsarbeiten bis heute nicht in allen Einzelheiten geklärt Die wichtigsten Kenntnisse sind aber in zahlreichen Handbachern zusammengefaßt, während die Fertigungstechnologie der Betriebe meist auf jahrzehntelangen Erfahrungen beruht, viel Unsicherheit in sich trägt und in ihrer traditionellen Form wenig geeignet ist zur Verwirklichung einer zeitgemäßen, großindustriellen Produktion. so

Die wichtigeren Abschnitte der Herstellung von Temperguß sowie die Art der sich ergebenden Problem?, sind nachfolgend aufgeführt:

a) Das Gußeisen-Material der Tempergüsse wird meistens in einem Kupolofen erschmolzen. Die eine κ große Schwierigkeit ist hier, daß man in solchen öfen nur schwer die den strengen Vorschriften entsprechenden Zusammensetzungen einhalten dann. Die leistungsfähigen, modernen Gießereien erschmelzen deshalb zwar das Eisen im Kupolofen, bringen aber das eo geschmolzene Eisen in einen zweiten, meist Induktionsofen. Während sich das Eisen in diesem zweiten Ofen befindet, wird die Zusammensetzung der Charge analysiert und nötigenfalls noch korrigiert; erst dann wird das Eisen in die Formen vergossen (Duplex-Verfahren).

b) Der Rohguß wird meistens in zwei Stufen wärmebehandelt: In der ersten Stufe werden bei verhältnismäßig hoher Temperatur die eutektischen Karbide graphitisiert, in der zweiten Stufe — bei Temperaturen der eutektoidischfen Umwandlung — wird der perlitische Zementit durch Ferrit und Temperkohle ersetzt Der richtig wärmebehandelte, klassische (schwarze) Temperguß besteht aus Ferrit und aus der in den Ferrit gelagerten Temperkohle. Der neuerdings verbreitete perlitische Temperguß unterscheidet sich insofern vom klassischen schwarzen, daß die zweite Stufe der Wärmebehandlung weggelassen bzw.. durch eine Vergütung rückgängig gemacht wird.

Die Schwierigkeiten stammen meist daher, daß die Karbide nur ziemlich langsam zerfallen, daß also die Gußstücke nur langsam graphitisiert werden können; die Glühdauer beträgt mehrere Tage. Im Interesse der Wirtschaftlichkeit müssen möglichst kurze Glühdauern erstrebt werden. Einesteils soll der Guß eine solche Zusammensetzung haben, daß er möglichst leicht zu graphitisieren ist; das gegossene Gefüge muß aber auf jeden Fall karbidisch ausfallen. Diese Bedingungen können nicht leicht gleichzeitig sichergestellt werden. Andererseits soll bei gegebenem Rohguß der Glühvorgang nur so lange dauern, bis die Graphitisierung gerade vollendet ist (Die zweckmäßigen Glähtemperaturen sind durch Betriebsumsiände gegeben und können meist nur wenig geändert werden.) Wird der Glühvorgang vorzeitig abgebrochen, dann bleiben Karbide im Gefüge zurück, die entweder durch eine Wiederholung des Glühvorganges beseitigt werden müssen, oder den Guß unbrauchbar machen. Ein übermäßig langer Glühvorgang dagegen nimmt die Kapazität der Glüheinrichtungen überflüssig in Anspruch und verteuert das Endprodukt Das Problem wird noch dadurch erschwert, daß innerhalb einer Ofenladung die guten und die unvollständig temperierten Gußstücke kaum voneinan der getrennt werden können. Ein Fehler wirkt sich demnach auch auf die ganze Ofenladung aus, selbst wenn tatsächlich nur ein Bruchteil der Stücke fehlerhaft ist Die erforderlichen Glühzeiten werden in den Betrieben aufgrund langer Erfahrungen durch Abschätzen festgestellt Eine Kontrolle ist allenfalls dadurch möglich, daß von Zeit zu Zeit eine im Ofen untergebrachte Probe herausgehoben wird, wobei an Hand dieser Proben der Fortschritt der Graphilisierung verfolgt wird. Diese Kontrolle ist nicht verläßlich, denn es ist möglich, daß die Proben nicht den exakt gleichen Bedingungen beim Glühen unterworfen waren wie die Gußstücke, und es ist praktisch unmöglich, daß alle Gußstücke einer Charge gleichzeitig einer genau gleichen Wärmebehandlung unterzogen werden können. Es besteht also keine Garantie dafür, daß die Proben für das Material aller der im Ofen geglühten Stücke gleichzeitig charakteristisch sind.

c) Es ist bekannt, daß die in üblicher Weise festgestellte chemische Zusammensetzung nicht genügend eindeutig die erforderliche Wärmebehandlung der Charge festlegt. Aus den Ergebnissen der Betriebsanalyse kann also nicht ohne weiteres berechnet werden, wie lange die aus der Charge gegossenen Werkstücke in den einzelnen Stufen der Temperierung geglüht werden müssen, damit die Graphitisierung gerade vollständig vor sich gehen kann. Eine Ursache hiervon liegt darin, daß auf die Graphitisierung, d. h. auf die Stabilität der Karbide, sich eine Reihe von Elementen auswirkt, die nur in sehr geringen Mengen vorliegen und betriebsmäßig nicht analysiert werden oder auch nicht analysiert werden können. Andererseits wird aber die Wärmebe handlung durch das Zusammenwirken aller im Eisen

anwesender Elemente bestimmt. Hierbei ist die gemeinsame Wirkung der Elemente nicht unbedingt additiv, kann also auch nicht einfach aufgrund der separaten Wirkungen der einzelnen Legierungsbestandteile summiert werden. (Charakteristisch ist das Beispiel des Mangans und Schwefels; Einzeln stabilisieren beide Elemente sehr ausgeprägt die Karbide. Sie reagieren aber leicht miteinander, und die im Gußeisen als intermetallische Verbindung anwesenden Mengen werden dann fast unwirksam, sie können zusammen sogar als graphitisierende Legierungselemente erscheinen.) Den Betrieben bleibt meist keine andere Wahl übrig, als daß sie stillschweigend voraussetzen, daß die verwendeten Rohstoffe immer die gleiche Zusammensetzung haben, wobei die Legierungselemente innerhalb sehr strenger Grenzen konstant gehalten werden. Trotz dieser Vorkehrungen bleiben aber Unsicherheiten im Fertigungsprozeß, die ein unregelmäßiges Streuen der Eigenschaften der Gußstücke bewirken.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, zur Herstellung von Temperguß zu finden, das Gußstücke gleichbleibender Qualität bei industrieller Großherstellung gewährleistet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Erschmelzen und. dem Gießen und/oder zwischen dem Gießen und dem Glühen Proben entnommen und bei einer die Schmelztemperatur des Materials um 5 bis 215° C annähernden Temperatur geglüht werden, wobei die zur Beendigung der Graphitisierung der Probe erforderliche Glühdauer gemessen und daraus die der Betriebstemperatur erforderliche Glühdauer der Charge ^circh Extrapolieren bestimmt wird, und auf «fieser Grundlage die Zusammensetzung der Schmelze und/c fer die technologischen Parameter des Glühens eingestellt werden.

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß mit ihrer Hilfe solche Rohgüsss hergestellt werden können, die analog zu garantiert härtbaren Stählen temperfähig sind. Die Produktion derartiger Gußstücke sichert die gleichmäßig gute Qualität des schwarzen bzw. des perlitischen Tempergusses und steigert die Wirtschaftlichkeit, wobei diese Gußstücke unter vorgeschriebener technologischer Behandlung (also bei bestimmter Temperatur, während bestimmter Zeitdauer) gerade verläßlich graphitisiert werden können.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß das weiß erstarrte Gußeisen um so schneller graphitisiert, je höher die technisch sinnvoll zu wählende Temperatur ist An einer erfindungsgemäß hergestellten Gußeisen-Charge wurden folgende Meßergebnisse erzielt:

Temperatur der isothermen	Die zur vollkommenen
Glühung, C	Graphitisierung erforderliche
	Glühdauer
800	50 h
8S0	26 h
900	12 h 30 min
950	5 h 18 min
1000	2 h 36 min
1050	40 min
1100	18 min

Aus diesen Daten ist ersichtlich, daß der rohe Guß im Falle einer Betriebsglühung bei 900⁰C mindestens 124 Stunden lang geglüht werden muß, urn den eutektischen Zementit vollständig zu graphitisieren. Wird aber die Graphitisierung — im Sinne unserer Erfindung — bei höherer Temperatur, ζ. B. bei UOO⁰C untersucht, geht dieselbe Graphitisierung schon innerhalb von 18 Minuten vor sich. Die größere Geschwindigkeit der Vorgänge ist die Ursache davon, daß die Messung bei einer Temperatur durchgeführt wird, die höher ist als die der Betriebsglühung.

Garantiert temperfällige Gußstücke können eigentlich auf zwei verschiedene Weisen hergestellt werden, wie wir das an Hand der untenstehenden, auch das Wesen unserer Erfindung erläuternden theoretischen Beispiele zeigen:

Für beide Fälle sei vorausgesetzt, daß Temperguß jeweils gleicher Qualität hergestellt werden muß. Zu diesem Zweck wird, wie bisher, Eisen erschmolzen. Im weiteren können die folgenden zwei erwähnten Möglichkeiten ausgenützt werden:

Variante A

Nach der ersten Variante werden die Werkstücke — nach einer üblichen Einstellung der Zusammensetzung — abgegossen, und zweckmäßig gleichzeitig mit den üblichen Prüfstäben auch Proben zur physikalischen Messung der Graphitisierung gegossen. Diese Proben können aber auch nachträglich, aus dem Material der Gußstücke, hergestellt werden. Im Laboratorium werden die Qualifizierungsuntersuchungen durchge-

jo führt, unter anderem die chemische Analyse. Mit Hilfe der an sich bekannten physikalischen Methode wird an den entsprechenden Proben die zur vollständigen Graphitisierung erforderliche Glühdauer festgestellt und zwar bei einer Temperatur, die um 5 bis 215° C unter

j5 der Anfangsschmelztemperatur liegt Diese Graphitisierungsuntersuchung wird zweckmäßig aufgrund der Änderung des spezifischen Volumens des Gußeisens mit einem Dilatometer durchgeführt Wird das Material, an dem die Daten der obigen Tabelle festgestellt wurden, bei ti00°C untersucht dann ergibt sich die schon gezeigte, erforderliche Glühdauer von 18 Minuten. Daraus kann ohne weiteres aus der Tabelle entnommen werden, daß im Falle einer Betriebsglühung bei 950⁰C 5 Stunden und 18 Minuten, also rund 54 Stunden Glühdauer angewendet werden müssen. Würde das zweite Probematerial bei 1100° C während 22 Minuten graphitisieren, also infolge einer GlUhdauer, die um ^=1,22mal länger ist ?Js die erforderliche Glühdauer der bei der Tabelle verwendeten Charge, dann folgt daraus« daß bei der zweiten Charge bei 950° C 5,5 χ 1,22=6,7 Stunden lang geglüht werden muß, um den eutektischen Zementit vollständig zu graphitisieren. Bei 950°C ist also unser Material mit 6,7 Stunden Glühzeit »garantiert temperfähig«. — Ähnlich ergibt sich zur Glühtemperatur von 900°C I24xl,22-15j Stunden erforderliche Glühdauer; usw.

Bei der ersten Variante wird also aufgrund der bei erhöhter Temperatur durchgeführten (beschleunigten) Messung der Graphitisierung die bei der Betriebsdauer jeweils erforderliche Glühdauer individuell bestimmt.

Variante B

b5 Auch bei der zweiten Variante wird die Charge nach den üblichen Betriebserfahrungen erschmolzen, wird aber nicht sofort abgegossen, sondern — zweckmäßig nach dem Duplexverfahren, ζ. B. in einem Induktions-

ofen — in geschmolzenem Zustand gehalten. Aus dem Eisen wird nach dem Erschmelzen eine Probe genommen, und an dieser Probe bei einer die Schmelztemperatur des Eisens um 5 bis 215°C annähernden Temperatur (z, B. mit einem Dilatometer) die bei dieser erhöhten Temperatur zur vollständigen Graphitiiierung erforderliche Glühdauer bestimmt. Beim Beispiel wird davon ausgegangen, daß bei 1100⁰C wieder 22 Minuten als erforderliche Glühdauer erhalten werden, d. h„ daß wieder eine 1,22fache Glühdauer nötig ist, als vorgesehen wurde. Es soll bei der automatisierten Massenproduktion aber an der Glühdauer von 5,5 Stunden bei 950⁰C nichts geändert werden. Zu garantiert temperfähigem rohem Guß gelangt man in diesem Falle dadurch, daß aufgrund des Ergebnisses der Untersuchung die noch flüssige Schmelze so beeinflußt wird, daß die Temperfähigkeit den vorausgesehenen, günstigeren Wert .annimmt. Aufgrund der parallel ohnehin durchgeführten chemischen Analyse sowie in Kenntnis der Wirkung der die Graphitisierung fördernden Elemente ist die Beeinflussung ohne weiteres möglich. Es ist z. B. bekannt, daß ein Zusatz von 0,1% Si, im Rahmen der zulässigen Grenzen des Si-Gehaltes, mit guter Näherung nach einem Multiplikationsfaktor 0,8 die erforderlichen Graphitisierungszeiten verringert (Der Zusatz von 0,2% Si also nach 0,8²=0,64 usw.) Im Beispiel müßte

eine Beschleunigung von γ^( = 0^2) erreicht werden.

d. h„ es muß vor dem Formgießen noch rund 0,1 % Si zur Charge gegeben werden. Falls aus der Analyse ersichtlich sein sollte, daß dieser Zusatz die Qualität aus anderen Gesichtspunkten gefährden würde, z. B. daß infolge dieses Zusatzes die Gefahr einer graphitischen Erstarrung entstehen könnte, dann wird die Temperfähigkeit mit einem anderen, graphitisierenden Element durch die entsprechende Abänderung der Zusammensetzung der Schmelze eingestellt (zurückgesteuert).

ίο Bei einer Massenproduktion ist es ein weiterer Vorteil des dargestellten Fertigungsprozesses, daß die chemische Zusammensetzung der Schmelzen in der Betriebstechnologie mit weiteren Grenzen vorgeschrieben werden kann als bisher, wobei die Qualität der Gußstücke trotzdem immer verläßlich gut wird. Wenn aus verschiedenen Chargen stammende Gußstücke gemischt anwesend sind, dann muß bei Fall A die am langsamsten graphitisierbare Charge für die ganze Glühung als charakteristisch betrachtet werden. Im Falle B dagegen können die technologischen Parameter konstant gehalten werden, weil ji vorher jede einzelne Charge auf dieselbe TemperierbarkeL zurückgesteuert wurde.

Es ist auch möglich, die Zusammensetzung der Chargen nach der Variante B einzustellen, aber unter Verwendung weiterer Proben, um nach der Variante A die Glühparameter nötigenfalls doch noch zu korrigieren.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   1, Verfahren zur Herstellung von Temperguß, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Erschmelzen und dem Gießen und/oder zwischen dem Gießen und dem Glühen Proben entnommen und bei einer die Schmelztemperatur des Materials um 5 bis 215° C annähernden Temperatur geglüht werden, wobei die zur Beendigung der Graphitisierung der Probe erforderliche Glühdauer gemessen und daraus die bei der Betriebstemperatur erforderliche Glühdauer der Charge durch Extrapolieren bestimmt wird und auf dieser Grundlage die Zusammensetzung der Schmelze und/oder die technologischen Parameter des Glühens eingestellt werden.
2. 2. Das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Beendigung der Graphitisierung erforderliche Zeitdauer aufgrund der Änderung des spezifischen Volumens des Materials mit einem Dilatometer gemessen wird.