DE2143521C3 - Verfahren zur Herstellung von mit Magnesium behandeltem, Kugelgraphit enthaltenden Gußeisen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit Magnesium behandeltem, Kugelgraphit enthaltendem Gußeisen, das weitgehend frei von Einschlüssen, insbesondere von Magnesium-Reaktionsprodukten, ist, in zwei Behandlungsstufen mit zwischengeschalteter Aufheizperiode im schmclzfliissigen Zustand, wobei in der ersten Behandlungsstufe das aus zur Herstellung von Gußeisen mit Kugelgraphit geeignetem Einsatzmaterial erschmolzene Ausgangseisen mit Magnesium vorbehandelt und die aus den entstandenen Reaktionsprodukten gebildeten Schlacken entfernt werden, wobei ferner am Linde der Aufheizperiode der Gehall an im vorbehandeltcn Ausgangseisen gelöstem, metallischen Magnesium zur Kugelgraphitbildung nicht mehr ausreicht und wobei 'schließlich das vorbehandelte, aufgeheizte Ausgangseisen in der zweiten Behandlungsstufe mit einer für die Kugclgraphitbildung ausreichenden, minimalen Magnesiumzusatzmenge endbehandelt wird. In der nachfolgenden Beschreibung wird unter Gußeisen mit Kugelgraphit oder Kugelgraphit enthaltendem Gußeisen ein Gußwerkstoff verstanden, bei dem der als Graphit vorliegende Kohlenstoffanteil nahezu vollständig in kugeliger Form eingelagert ist, d. h. bei dem mindestens 90% des Graphits als Kugeln im Gefüge vorhanden ist.

Bei der Magnesiumbehandlung von Eisenschmel-

zen - der einzigen Behandlung, die sich in der Praxis zur Erzeugung von Gußeisen mit Kugelgraphit praktisch durchgesetzt hat - bilden sich bekanntlich durch Reaktionen des Magnesiums mit Schwefel und Sauerstoff sulfidische und oxidische Magnesiumreaktionsprodukte, die zu Einschlüssen in den Gußstücken führen, deren Qualität verschlechtern und Darbige und unsaubere Oberflächen an den Gußstücken hinterlassen.

In der Zeitschrift »Gießerei« vom 19. Februar 1953 wird in einem Aufsatz »Aus der Praxis des Sphärogusses« von H. Gries Seite 96 ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung mit einer ersten Magnesiumbehandlung zur Entschwefelung, nachfolgender Z\vischenaufhei7iing der Schmelze und anschlie-

^a5 Bender zweiter Magnesiumbehandlung zur Kugelbildung beschrieben. Die Zwischenaufheizung, die bis zu Temperaturen von etwa 1350 bis 1360" C erfolgt, dient dazu, es nicht zur Erstarrung der Schmelze kommen zu lassen. Da die Aufheiztemperatur relativ niedrig bleibt und nach der Aufheizung ein nochmaliges Entfernen der dabei entstandenen Reaktionsprodukte nicht vorgesehen ist, weisen die mit den bekannten Schmelzen hergestellten Gußstücke Qualitätseinbußen und narbige und unsaubere Oberflächen auf.

Nach der deutschen Patentschrift 1001299 wird die Schmelze des Ausgangscisens zunächst geteilt und der eine Teil mit Magnesium überbehandelt und sorgfältig entschlackt, wobei er sich abkühlt, während der zweite Teil im Ofen verbleibt und daher weiter aufgeheizt wird. Vor dem Gießen werden die abgekühlten und erhitzten Teilmengen wieder zusammengegeben, so daß die Mischung insgesamt mit Magnesium.behandelt ist und ungefähr die gewünschte Gießtemperatur besitzt. Bei diesem Verfahren, bei dem nicht ein eigentliches Zwischenaufheizen der Schmelze erfolgt, sondern ein Verschneiden des überbehandelten. abgekühlten ersten Teiles mit dem unbe! andcltcn, zweiten Teil höherer Temperatur stattfindet, gelingt es ebenfalls nicht, die Bildung der unerwünschten Magnesium-Reaktionsprodukte so weitgehend zu verhindern, bzw. diese Produkte so weitgehend zu entfernen, daß Gußstücke der gewünschten Qualität und Oberflächengüte erhalten werden.

In der deutschen Offcnlcgungsschrift 1433 565 wird ein Verfahren zur Roheisenhersteliung offenbart, bei dem das Roheisen mit Magnesium vorbehandelt und bis zur vollständigen Erstarrung abgekühlt wird; dieses vorbehandeltc, feste Roheisen wird dann einer Ofencharge zugesetzt, diese Charge erschmolzcn und ein zweites Mal mit Magnesium behandelt. Ein bewußtes Ausreagicren des Magnesiums der ersten Behandlungsstufe durch gezieltes Erhitzen in der Aufheizperiode ist nicht vorgesehen. Da auch eine Reinigung des Ausgangseisens weder vor dem ersten Erstarren noch nach dem Wiederaufschmelzen vorgesehen ist, kann auch mit diesem Verfahren die Qualität der Gußstücke nicht verbessert werden.

Die Herstellung von Großgußstücken aus ferriti-

schem Gußeisen mit Kugelgraphit ist in der Zeitschrift »Gießerei« 55, Heft 6 (14, 3. 1968), Seiten 121 bis 126 beschrieben. Das Behandlungsverfahren besteht dort in einer einmaligen Magnesiumzugabe bei etwa 1470° C zu einem entsprechend aufgeheiztem Eisen, Der Forderung nach der für die Güte der Gußstückoberfläche notwendigen Reinheit der Schmelzen vor dem Gießen wird durch die Auswahl tiefer Schwefel- und Sauerstoffgehalte des Ausgangseisens in gewissem Umfang Rechnung getragen, ohne daß dabei die Qualitätsanforderungen, die zur vorliegenden Erfindung geführt haben, in vollem Umfang erfüllt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Bildung der erwähnten Magnesium-Reaktionsprodukle zum einen weitgehend zu verhindern und bereits gebildete, derartige Reaktionsprodukte zumindest weitgehend vor dem Gießen zu entfernen, um Werkstücke aus Gußeisen mit Kugelgraphit zu erzeugen, die verbesserte Qualitätseigenschaften sowie saubere und glatte Oberflächen besitzen; die Beurteilung der Oberflächen soll dabei, wie üblich, an den unbearbeiteten oder bearbeiteten Gußstücken durch einfachen Augenschein erfolgen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe unter Anwendung des eingangs beschriebenen Verfahrens mit zwei Behandlungsstufen und zwischengeschalteter Aufheizperiode dadurch, daß in der Aufheizperiode ein Erhitzen unter gleichzeitiger Badbewegung auf eine Temperatur von mindestens 1480° C erfolgt, und daß spätestens nach diesem Erhitzen die noch ausgeschiedenen Reaktionsprodukte entfernt werden, ehe die erneute Magnesiumbehandlung in der zweiten Behandlungsstufe durchgefünrt wild.

Das Aufheizen auf dii- verhältn ;mäßig hohe Temperatur von mindestens 14S()° C lind die Dauer des Erhitzcns erlauben eine sehr gute Reinigung des vorbehandelten Ausgangseisens. Auf diese Weise lassen »ich qualitativ hochwertige Gußstücke ohne Oberflächcnfehler herstellen. Auf Grund dieser Maßnahme und des vollständigen Entfernens der mit Magnesium reagierenden Verunreinigungen des Einsatzmaterials vorder Endbehandlung können die Einsatzstoffe ül,-licher Reinlichkeit an im Zusammenhang mit der Erfindung wichtigen Verunreinigungen bis /u 0.05%, insbesondere bis zu 0,03 Gewichtsprozent Schwefel und bis zu 0,01, insbesondere bis zu 0,008 Gewichtsprozent Sauerstoff enthalten.

Die für die Behandlung optimale und zur Kugelgraphitbildungausreichende minimale Magnesiummenge muß, wie üblich, von Fall zu Fall experimentell oder »us der Erfahrung bestimmt werden, da sie von dein Verfahren für die Magnesium-Zugabe, z. B. Überschutt-oder Tauchverfahren, der chemischen Analyse bezüglich der Restgehalte an Schwefel und Sauerstoff in der behandelten Schmelze, der Schmelzentempera-Uir vor dem Gießen und von der Badgeomelrie, d. h. dem Verhältnis Oberfläche /u Volumen des Bades abhängt. Überschüsse an Magnesium durch Reaktionen mit dem Luftsauerstoff, der Ofen- ode ι G'-fäßauskleidung oder den Formstoffen führen bekanntlich zu den unerwünschten Reaktionsprodukten der genannten Art, während zu geringe Magnesiunimengen nicht die erforderliche Reinigung bringen und die Kugelgraphitbildung nicht sicherstellen.

Die Magnesiumbchandlungen erfolgen <m allgemeinen mit magnesiumhaitigen Vorlegicrungcn, die neben Magnesium auch noch andere der bekannten kugelbildenden und/oder desoxydierendcn und cntschwefelnden Elemente, wie z. B. Kalzium oder Seltene Erdmetalle, enthalten können.

Die Zugabe des Magnesiums bei beiden Behandlungen kann vorteilhafterweise nach dem Überschüttverfahren mit Abdecken der Magnesium-Vorlegierung erfolgen; hierbei wird die zu behandelnde Schmelze auf die am Boden des Behandlungsgefiißes gelagerte Magnesium-Vorlegierung, welche mit einem Abdeckmittel, das sich mit dem herzustellenden Gußeisen mit Kugelgraphit verträgt, geschüttet. Selbstverständlich kann die Magnesiumzugabe jedoch auch nach einem der anderen, bekannten Einbringverfahren, z. B. durch Tauchen oder Einblasen, erfolgen. Durch Überschütten läßt sich aber eine besonders

¹S intensive Durchmischung des Magnesiums mit der Schmelze erreichen. Weiterhin kann die Magnesiummenge der ersten Behandlungssiufe zweckmäßigerweise so bemessen werden, daß der Schwefelgehalt der Schmelze nach der Vorbehandlung k!e -ler als 0,01 Gewichtsprozent ist.

Das Schmelzen und erneute Aufheizen des Ausgangseisens kann mit Vorteil in einem Induktionsofen durchgeführt werden; auf diese Art wird das elektromagnetische Wechselfeld der Ofenspuie gleichzeitig zur Badbewegung genützt. Die Verwendung von anderen Elektroöfen, wie z. B. Lichtbogenofen, bei denen die Badbewegung geringer ist, ist damit selbstverständlich nicht ausgeschlossen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausfiihrungsbeispieles näher erläutert, in dem die Herstellung eines Gußstückes mit einem Gußgewicht von etwa 5 t beschrieben wird.

In einem 5-t-Mittelfrequenz-Induktionsofen mit saurer Auskleidung wurden 4700 kg Einsatzmaterial, das 7.U 30 Gewichtsprozent aus für die Herstellung von Gußeisen mit Kugelgraphit geeignetem Roheisen und zu H)^r/c aus Stahlschrott bestand, zusammen mit 200 kg Graphit und 100 kg Silizium zu Ausgangseisen erschmolzen. Die Schmelze hat Jic nachstehende Zu-

4& sammensetzung in Gewichtsprozent: 3,4 C; 2.0Si; 0,5 Mn: 0.08 P; 0,03 S; 0,008 O₂.

Als magnesiumhaltiges Behandlungsmittel dient eine Vorlegierung der Zusammensetzung (in Gewichtsprozent bezogen auf das Gewicht der Vorlegierung): 9 bis 1 1 Mg; 1,8 bis 2,8 Ca; 0.8 bis 1 Mischmetall; 45 bis 50 Si: Rest Eisen.

Für die Magnesiumvorbehandlung in der ersten Behandlungsstufe wurden in einer ebenfalls sauer ausgekleideten Behandlungspfanne geeigneter Größe 50 kg (1 Gewichtsprozent der Schmelze) dieser Vorlegierung auf den Boden gelegt und mit etwa 100 kg (2 Gewichtsprozent) kleinstückigen Stahlabfiillen abgedeckt. Dieses abgedeckte Behandlungsmittel wurde dann mit dem geschmol/ ■■ η Ausgangseisen iiberschüttet, wobei die [\.nperatur des flüssigen Ausgangscisens rnindi .tens hei 1450" C lag, was durch pyrometrische Messungen des Eisens überwacht wuHe.

Hei der von Licht- up'.I Kocherscheinungen begleiteien bekannten Magnesiumreaktion, die etwa eine Minute andauerte, entstanden an Reaktionsprodukten vor allem sulfidische und oxydische Magnesiumverbindungen. Nach Beendigung dieser Reaktionen wurde die Schmelze sauber abgeschlackt und anschließend in den Ofen zurückgeschüttet.

In diesem erfolgte ein erneutes Aufheizen des während der Behandlung und des Abschlackens auf etwa 1350° C abgekühlten Eisens auf mindestens 1480° C.

Die Aufhetzung wurde zweckmäßigerweise mit der maximalen verfügbaren Ofenleistung in möglichst kurzer Zeit durchgeführt, damit eine intensive Badbewegung durch das elektromagnetische Wechselfeld erreicht wurde. Eine ohne weiteres mögliche Badbewegung durch eine Badumwälzung mittels elektrischer Rührspulen oder mechanischer Rührvorrichtungen bekannter Art wurde nicht vorgenommen.

Die genannte Temperatur von mindestens 1480° C wurde so lange gehalten, bis der Gehalt des im Eisen gelösten, metallischen Magnesiums aus der Vorbehandlung zur Kugelgraphitbildung nicht mehr ausreichte, was schon kurz, nach Erreichen der genannten Temperatur der Fall war, und durch Abgießen und Gefügebeurteilung von Probestücken kontrolliert wurde.

Als nächster Verfahrensschritt erfolgte ein nochmaliges, sorgfältiges Abziehen der Schlacke, ehe in der zweiten Behandiungsstufe die Magnesium-Hauplbehandlung durchgeführt wurde. Diese erfolgte wiederum in der sauer zugestellten Behandlungspfunne und wurde ebenfalls nach dem überschüttverfahren mit 70 kg (1,4%) der genannten Vorlegierung

durchgeführt, die wiederum mit 2% Abdeckmittel bedeckt war. Unmittelbar anschließend an das Überschütten wurde in bekannter Weise zur Förderung der Grauerstarrung der Gußstücke 0,5% (25 kg) Fe,rro-Silizium mit 75% Si-Anteil als Impfmittel zugegeben.

Die so doppelt behandelte Schmelze wurde dann in eine Sandform abgegossen, wobei die Gießtemperatur 1380" C betrug.

Das auf diese Weise hergestellte Gußstück zeigt nach dem Ausformen sehr saubere und glatte, ein-

»5 schlußfreie Oberfliichen, im Gegensatz zu Gußslükken, die nach bisher bekannten Verfahren aus gleichen LUnsatzstoffcn üblicher Reinheit ohne besondere in der Praxis kaum anwendbare Vorsichtsmaßnahmen hergestellt worden sind.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von mit Magnesium behandeltem, Kugelgraphit enthaltendem Gußeisen, das weitgehend frei von Einschlüssen, insbesondere von Magnesium-Reaktionsprodukten, ist, in zwei Behandlungsstufen mit zwischengeschalteter Aufheizperiode im schmelzflüssigen Zustand, wobei in der ersten Behandlungsstufe das aus zur Herstellung von Gußeisen mit Kugelgraphit geeignetem Einsatzmaterial erschmolzene Ausgangseisen mit Magnesium vorbehandelt und die aus den entstandenen Reaktionsprodukten gebildeten Schlacken entfernt werden, wobei ferner am Ende der Aufheizperiode der Gehalt an im vorbehandelten Ausgangseisen gelöstem, metallischen Magnesium zur Kugelgraphitbildung nicht mehr ausreicht, und wobei schließlich das vorbehandelte, aufgeheizte Ausgangseisen in der zweiten Behandlungsstufe mit einer für die Kugelgraphitbildung ausreichenden, minimalen Magnesiumzusatzmenge endbehandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aufheizperiode ein Erhitzen unter gleichzeitiger Badbewegung auf eine Temperatur von mindestens 1480° C erfolgt, und daß spätestens nach diesem Erhitzen die noch ausgeschiedenen Reaktionsprodukte entfernt werden, ehe die erneute Magnesiumbchandlung in der zweiten Behandlungsstufe durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Magnesium nach dem Überschüttverfahren mit Abdecken der Magnesium-Vorlegierung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesium-Menge der ersten Behandlungsstufe derart bemessen wird, daß der Schwefelgehalt des Ausgangseisens nach der Vorbehandlung kleiner als 0,01 Gewichtsprozent ist.

4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizen des vorbehandelten Ausgangscisens in einem Induktionsofen durchgeführt wird.