DE2244092A1

DE2244092A1 - Nickel-magnesium-vorlegierung

Info

Publication number: DE2244092A1
Application number: DE2244092A
Authority: DE
Inventors: Gordon John Cox; John William Grant
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1971-09-09
Filing date: 1972-09-08
Publication date: 1973-03-29
Also published as: NL7212055A; US3829311A; LU66009A1; ZA725753B; FR2152243A5; IT969419B; BE788579A; ES406489A1; JPS4836023A; CA977187A

Description

Dipl.-Ing. H. Sauerland · Dr.-ing. R. König - Dipl.-Ing. K. Bergen Patentanwälte · aoqo Düsseldorf ao · Cecilienallee 7β - · Telefon .432733

7. September 1972 27 872 K

International Nickel Limited, Thames House Millbank London S.W.1/ England

"Nickel-Magnesium-Vorlegierung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nickel-Magnesium-Vorlegierung insbesondere zum Eindringen von Magnesium in Eisenschmelzen,

Vor allem beim Herstellen von Gußeisen mit Kugelgraphit muß eine bestimmte Menge Magnesium in die Eisenschmelze eingebracht werden, da das im Eisen verbleibende Magnesium eine sphärolithische Ausbildung des Graphits bewirkt. Um eine sphärolitische Ausbildung des Graphits beim Erstarren oder einem Graphitisierungsglühen sicherzustellen, muß das Eisen im allgemeinen 0,196, beispielsweise 0,02 bis 0,0896 Magnesium enthalten.

Die Eignung des Magnesiumträgers zum Einbringen von Magnesium in Eisenschmelzen drückt sich in der sogenannten Magnesiumausbeute aus, die durch die nachfolgende Formel definiert ist:

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Wirkungsgrad(%) = ^Ausbeute(96)*Mg-Gehalt der Vorlegierung(96)

"«Ausbeute^ * Mg W+3/4 ⁽* ^S)Fe ιοο

Mg-Zusatz (96) * ^ιυυ

Bei der Zugabe von im wesentlichen reinem Magnesium zu Eisenschmelzen ergäen sich große Schwierigkeiten, da der Dampfdruck des Magnesiums bei der Temperatur des flüssigen Elans, d.h. bei 1400 bis 1500⁰C 6 bis 10 atm beträgt, so daß sich eine äußerst heftige Reaktion ergibt. Es sind jedoch eine Reihe von Verfahren zum Einbringen von Magnesium bekannt, beispielsweise das Einbringen des Magnesiums mittels einer Vorlegierung. Dabei haben sich hinsichtlich der Abmilderung der Reaktionen zwischen dem Magnesium und dem Eisen insbesondere Nickel-Magnesium-Vorlegierungen bewährt.

Besondere Bedeutung kommt dem Wirkungsgrad zu, da mit abnehmendem Wirkungsgrad umso größere Mengen der Vorlegierung zugesetzt werden müssen, um eine bestimmte Menge Magnesium im Eisen zu lösen. Beim Zusatz größerer Mengen einer Vorlegierung kommt es zu einer Abkühlung der Schmelze, die die Gefahr von Schlackeneinschlüssen und anderen Gußfehlern mit sich bringt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Vorlegierung einen hohen Nickelgehalt besitzen muß, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Vorlegierungen mit hohem Nickelgehalt sind jedoch zwangsläufig mit hohen Kosten verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine preisgünstige Vorlegierung mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf der Feststel-

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lung, daß bestimmte Legierungen mit verhältnismäßig geringem, auf die Gehalte anderer Legierungsbestandteile abgestelltem Nickelgehalt einen überraschend hohen Wirkungsgrad besitzen und daher außerordentlich kostengünstig sind, d.h. bei minimalen Legierungskosten eine optimale Magnesiumausbeute gewährleisten.

Im einzelnen besteht die Erfindung in einer Nickel-Magnesium-Vorlegierung mit 5 bis 14% Magnesium, 5 bis 15% Nickel, 34 bis 60% Silizium, unter 3% Seltene Erdmetalle, 0 bis 4% Kalzium, bis 2,0% Kohlenstoff, 0 bis 10% Mangan und 0 bis 10% Kupfer, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen höchstens 50% Eisen.

Die eingangs erwähnten Gleichungen zeigen, daß der Wirkungsgrad einer Vorlegierung sowohl von der Magnesiumausbeute als auch vom Magnesiumgehalt der Vorlegierung abhängig ist, obgleich diese beiden Einflußgrößen nicht völlig unabhängig voneinander sind. Vorlegierungen mit unter 5% Magnesium ergeben eine gute Magnesiumausbeute, da ihr Magnesiumgehalt gering ist, jedoch ist ihr Wirkungsgrad schlecht. Mit steigendem Magnesiumgehalt werden die Reaktionen beim Einbringen der Vorlegierung in die Eisenschmelze immer heftiger, womit eine Verringerung der Magnesiumausbeute und damit auch ein schlechter Wirkungsgrad verbunden ist. Demzufolge soll die Vorlegierung höchstens 14% Magnesium enthalten; im Hinblick auf einen optimalen Wirkungsgrad beträgt der Magnesiumgehalt jedoch vorzugsweise 9 bis 13%·

Von wesentlicher Bedeutung ist, daß der Nickelgehalt mindestens 5% beträgt, um eine angemessene Magnesiumausbeute und demzufolge einen angemessenen Wirkungs-

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grad zu erreichen. Unterhalb des vorerwähnten Nickelgehaltes gehen diese Eigenschaften nämlich sehr räch verloren. Mit steigendem Nickelgehalt erhöhen sich jedoch andererseits auch die Kosten der Legierung, weswegen Nickelgehalte über 1596 als unwirtschaftlich anzusehen sind. Im Hinblick auf die Legierungskosten sollte der Nickelgehalt mindestens 8%, vorzugsweise 9 bis 13% betragen.

Siliziumgehalte von 34 bis 6O96 stellen eicher, daß der Schmelzpunkt der Vorlegierung für die üblichen Behandlungstemperaturen ausreichend niedrig ist. Bei hohem Schmelzpunkt der Vorlegierung, beispielsweise im Falle einer Schmelztemperatur von etwa 145O°C, läßt sich die Vorlegierung nur unter Schwierigkeiten herstellen, und in der zu behandelnden Schmelze lösen. Ein Siliziumgehalt innerhalb der vorerwähnten Gehaltsgrenzen bewirkt außerdem, daß beim nachfolgenden Impfen zum Herstellen eines Gußeisens mit Kugelgraphit weniger Ferrosilizium zugesetzt werden muß. Bei höheren Gießtemperaturen, beispielsweise 1480⁰C und mehr besteht jedoch bei höheren Siliziumgehalten die Geiäir einer geringeren Magnesiumausbeute, so daß der Siliziumgehalt in diesen Fällen vorzugsweise 50#, besser noch 4596 nicht übersteigt. Siliziumgehalte unter 50# erleichtern im übrigen die Fertigung, so daß der Siliziumgehalt der Vorlegierung vorzugsweise 34 bis 50#, besser noch 38 bis A5%peträgt.

Die Anwesenheit Seltener Erdmetalle kann zu einer Verbesserung der Magnesiumausbeute und damit auch des Wirkungsgrades führen. Außerdem wirken die Seltenen Erdmetalle zufälligen Begleitelementen entgegen, die die Ausbildung sphärolithischen Graphits beeinträchtigen. ,Die Seltenen Erdmetalle können der Vorlegierung als

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Misehmetall zugesetzt: werden·. Vorzugsweise enthält die Vorlegierung mindestens O_r 5$ Seltene Erdmetalle > wobei Gesamtgehalte von 3$ vxiü mehr keine Wirkungssteigerung ergeben und daher unnötig sind» Besonders bevorzugt werden Gehalte von 13 bis 2$

Die Anwesenheit von Kalzium kann sich ebenfalls günstig auf die Magnesiumau-sbeute auswirken, weswegen die Vorlegierung vorzugsweise mindestens 0,5$ Kalzium enthält. Das Kalzium wirkt sich umso günstiger auf die Magnesiumausbeute aus* je höher der Kalziumgehalt ist» wenngleich Kalziumgehalte über 4$ unnötig sind. Im übrigen dämpft das Kalzium ebenfalls die Reaktionen beim Einbringen des Magnesiums. Vorzugsweise beträgt der Kalziumgehalt 1,5 bis 2

Die Vorlegierung kann auch bis 2% Kohlenstoff enthalten, da anzunehmen- ist, daß auch der Kohlenstoff in vorteilhafter Weise zu einer Dämpfung der Reaktionen beim Einbringen der Vorlegierung in die Eisenschmelze beiträgt. Vorzugsweise übersteigt der Kohlenstoffgehalt, jedoch 12& nicht*

Die Vorlegierung kann ohne Beeinträchtigung ihrer Eigenschaften auch bis 1Q$6 Mangan und bis 10% Kupfer enthalten; vorzugsweise übersteigen die Gehalte der beiden vorerwähnten Elemente jedoch jeweils 596 nicht.

Zu den die Eigenschaften der Vorlegierung nicht nachteilig beeinflussenden Legierungsbestandteilen gehört ein Schwefelgehalt bis höchstens 0,196. Vorzugsweise liegt der Schwefelgehalt jedoch so niedrig wie möglich, da der Schwefel einen Teil des Magnesiums abbindet und diesen

daher unwirksam für die Bildung von sphärolithisehem Graphit macht und auf diese Weise den Wirkungsgrad der ¥orlegierung beeinträchtigt.

Der Legierungsrest besteht in jedem Falle aus Eisen.Zu hohe Eisengehalte können zu einem zu hohen Schmelzpunkt der Vorlegierung führen, der dann zu Schwierigkelten bei der Legierungsherstellung und beim Aufschmelzen in der zu behandelnden Eisenshmelze führt. Aus diesem Grunde sollte der Eisengehalt 5096 nicht übersteigen.

Eine besonders bevorzugte Legierung enthält 9 bis 1396 Magnesium, 9 bis 13# Nickel, 38 bis 45Jf Silizium, 1,5 bis 2,5% Seltene Erdmetalle, 1,5 bis 2,596 Kalzium und 1J6 Kohlenstoff, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen.

Die Vorlegierung eignet sich ohne weiteres zum Behandeln von Eisen- und Stahlschmelzen und kann der Schmelze zugesetzt oder auch in eineäeere Pfanne eingebracht werden, in die alsdann die Schmelze abgestochen wird. Optimale Ergebnisse werden jedoch erzielt, wenn die Vorlegierung nach dem bekannten Sandwich-Verfahren in die Schmelze eingebracht wird, bei dem der Pfannenboden etwa zur Hilfte eine Erhöhung um 1096 besitzt bzw. stufenförmig ausgebildet ist und die Vorlegierung gegen die so entstandene Stufe gelegt und mit Zuschnitten aus weichem Stahl in einer üblichen Menge von 2% des Gewichts der Schmelze abgedeckt wird. Die Schmelze wird alsdann auf die Stufe bzw. höher liegende Fläche des Pfannenbodens gegossen und fließt über die Zuschnitte auf die Vorlegierung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.

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Beispiel 1

Vier erfindungsgemäße Vorlegierungen 1 bis 4 mit der sich aus Tabelle I ergebenden Zusammensetzung wurden in einem basischen HF-Induktionsofen durch Zugabe von Nickel, Magnesium, Kalzium und Seltenen Erdmetallen zu einer Eisen-Silizium-Schmelze bei 115O°C erschmolzen. Ein ruhiges Aufschmelzen der Zusatzmetalle ließ sich durch deren Eintauchen durch eine Deckschicht aus gemahlenem Graphit erreichen. Danach wurde die Ofentemperatur auf 1240°C erhöht und die Graphitschicht vor dem Vergießen zu Blöcken der Abmessung 30 χ 30 χ 5 cm entfernt. Außerdem wurden zwei nicht unter die Erfindung fallende Vergleichslegierungen A und B erschmolzen.

	11.2	Tabelle	I	Si (96)	Seltene Erdmet. (96)	Ca (96)	C (96)	Al (96)	Fe/ (90
	11.4	Mg (96)	38.3	"2.16	2.2	0.44		Rest
Vorle- Ni gierung (96)	10.95	9.7	34.8	2.35.	3.0 ,	0.56	- -	Il
1	6.0	. 10.0	49.5	2.4	2.8	0.19	-	Il
2	11.0	.42.1	2.16	2.1	0.21		It
3	6.9
4

A Rest 15.9 - 0.46 - 1.5 B - 10.7 47.4 1.16 - 0.096 1.0 42.0

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Die Vorlegierungen 1 bis 4 wurden alsdann zum Herstellen von Gußeisen mit Kugelgraphit nach dem Sandwich-Verfahren eingesetzt. Dabei wurde in einem basischen 100-kg-HF-Ofen unter Verwendung von Ferrosilizium zum Einstellen des Siliziumgehaltes eine Gußeisenschmelze mit 3,896 Kohlenstoff, 1,5% Silizium, 0,1% Mangan, 0,025% Phosphor und 0,01% Schwefel erschmolzen. Die Temperatur der Schmelze wurde auf 145O⁰C eingestellt und etwas Mangan zugesetzt sowie die Schmelze bei der vorerwähnten Temperatur in eine die Vorlegierung enthaltende Pfanne abgestochen. Zuvor wurden 0,8% der Vorlegierung, bezogen auf das Gewicht der Schmelze, am Pfannenboden gegen die Bodenstufe gelegt und mit insgesamt 2% Zuschnitten auf weichem Stahl, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schmelze, bedeckt und anschließend das Eisen auf die Bodenstufe gegossen. Abschließend wurde die Schmelze mit Ferrosilizium geimpft. In ähnlicher Weise wurde unter Verwendung der Vergleichslegierungen A und B Gußeisen mit Kugelgraphit erzeugt. Von jeder Schmelze wurden je eine Keilprobe der Abmessung 30 χ 35 x 165 mm sowie je eine Analysenprobe abgegossen. Die Zusammensetzung der Proben sowie die Magnesiumausbeute und der Wirkungsgrad ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle II.

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Tabelle II.

Vorle	1	Si	Mn	Ni	Mg	Mg-Aus-	Wirkungs
gierung	2					beute	grad
>	3	W)	(%)	(%)	(96)	(%)	(%)
4	2.00	0.51	0.14	0.037	57.2	5.5
A	2.90	0,52	0.10	0.038	56.9	5.7
B	2.05	0.50	0.11	0.044	58.4	6.4
1.90	0.54	0.26	0.031	69.0 ·	4.8
1.50	0.4	0.37 .	0.036	66.5	10.6
1.40	0.4	0.02	0.032	29.2	3.1

Die Daten der vorstehenden Tabelle zeigen, daß die Magnesiumausbeute und der Wirkungsgrad bei Verwendung der Vorlegierungen 1, bis 4 im Vergleich zu der hochnickelhaltigen Vorlegierung A und der nickelfreien Vorlegierung B sehr günstig abschneiden.

Beispiel 2

Weitere νβΓβμοΙιβ wurden bei Gießtemperaturen von 1480 C unter Verwendung der Vorlegierungen 3 und B gemäß Tabelle I und einer weiteren Vorlegierung mit 5 bis 10,696 Nickel, 11,2% Magnesium, 38,3% Silizium, insgesamt 2,7% Seltene Erdmetalle, 1,24% Kalzium und 1,12% Kohlenstoff, Rest

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einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen durchgeführt. Die Zusammensetzung des jeweiligen mit den vorerwähnten Vorlegierungen behandelten Eisens ergibt sich aus der nachfolgenden Tabelle III. Die Schwefelgehalte der Eisenschmelzen vor der Zugabe der Vorlegierungen betrug im Falle der Vorlegierung 3 0,006%, im Falle der Vorlegierung B 0,015% und im Falle der Vorlegierung 5 0,025%.

	0.	2	Si	Tabelle	III	1	Mg	Mg-Aus- beute M	Wirkungs grad *()**
	1.	2	.21			1	0.032	41.5	4.6
	0.	2	.45	Mn		1	0.018	22.4	2.4
	.8		.32	0.51	Ni		0.039	57.6	6.4
Vorle-Zu- gie- satz rung	.2	0.28	<0.
3	.9	0.18	<°·
B		<0.
5

Die Daten der Tabelle III zeigen, daß angesichts der hohen Gießtemperatur die Vorlegierung 5 eine bessere Magnesiumausbeute und einen höheren Wirkungsgrad ergab als die hochsiliziumhaltige Vorlegierung 3.

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Bei weiteren Versuchen wurden verschiedene Zusatzmengen der erfindungsgemäßen Vorlegierung zur Behandlung von Eisenschmelzen verwendet, wobei sich überraschenderweise ergab, daß die Magnesiümausbeute mit geringer werdender Zusatzmenge besser wurde. Dies macht es möglich, einen gegebenen Magnesiumgehalt mit geringeren Zusatzmengen der Vorlegierung einzustellen und auf diese Weise die Kühlwirkung ebenso wie die Behandlungskosten zu verringern.

Die erfindungsgemäße Vorlegierung ist durch drei Phasen gekennzeichnet, und zwar durch eine Silizium-Magnesium-Phase in einem Grundgefüge aus einer Eisen-Silizium- und einer Nickel-Silizium-Phase. Bei einer Untersuchung der Silizium-Magnesium-Phase der Vorlegierung 1 mit einer Mikrosonde ergab sich ein hohes Gewichtsverhältnis von Silizium zu Magnesium von 8,1 : 1. Eine nickelfreie, der Legierung B in Tabelle II ähnliche Vorlegierung mit 9>6% Magnesium und 48,7% Silizium, Rest Eisen bestand lediglich aus einer Eisen-Silizium und einer Silizium-Magnesium-Phase, wobei der Anteil der Silizium-Magnesium-Phase merklich unter dem der Vorlegierung 1 mit 9,796 Magnesium und 38,3% Silizium lag und das Gewichtsverhältnis von Silizium zu Magnesium in dieser Phase ■ nur 0,9 : Λ% betrug. Die Magnesiumausbeute der vorerwähnten Vergleichslegierung lag unter den Bedingungen des Beispiels 1 bei nur 26,7%, verglichen mit einer Magnesiumausbeute von 57,2.% im Falle der Vorlegierung Diese Daten zeigen, daß sich die Magnesiumausbeute mit zunehmendem Verhältnis von Silizium zu Magnesium in der Silizium-Magnesium-Phase der Vorlegierung erhöht.

Claims

International Nickel Limited, Thames House Millbank London S.W.1/ England Patentansprüche;

1. Nickel-Magnesium-Vorlegierung zum Behandeln von Eisenschmelzen bestehend aus

5 bis 14% Magnesium,

5 bis 15% Nickel, bis 60% Silizium,

unter 3% Seltene Erdmetalle,

0 bis 4% Kalzium,

bis 2% Kohlenstoff,

G bis 10% Mangan,

0 bis 10% Kupfer,

Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen höchstens 50% Eisen.

2. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch mindestens 0,5% Seltene Erdmetalle enthält.

3. Legierung nach Anspruch 2, die jedoch 1,5 bis 2,5% Seltene Erdmetalle enthält.

4. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3» die jedoch mindestos 0,5% Kalzium enthält.

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5. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, die jedoch bis 1% Kohlenstoff enthält.

6. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 1,5 bis 2,5% Seltene Erdmetalle, mindestens 0,5% Kalzium, bis 1% Kohlenstoff und höchstens Spuren an Kupfer enthält.

7. Legierung nah Anspruch 6, die jedoch 8 bis 15% Nickel enthält.

8. Legierung nach Anspruch 6 oder 7» die jedoch 1,5 bis 2,5% Kalzium enthält.

9. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, die jedoch 9 bis 13% Nickel.enthält.

10. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, die jedoch 9 bis 13% Magnesium enthält.

11. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, die jedoch höchstens 45% Silizium enthält.

12. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, die jedoch 38 bis 45% Silizium enthält.

13· Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, die jedoch 9 bis 13% M gnesium, 9 bis 13% Nickel, bis 45% Silizium, 1,5 bis 2,5% Seltene Erdmetalle, 1,5 bis 2,5% Kalzium und bis 1% Kohlenstoff enthält.

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14. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, die jedoch 10% Magnesium, 11% Nickel, 38% Silizium, 2%. Seltene Erdmetalle, 2% Kalzium und 0,4% Kohlenstoff enthält.

15. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, die jedoch 11% Magnesium, 11% Nickel, 38% Silizium, 3% Seltene Erdmetalle, 1% Kalzium und 1% Kohlenstoff enthält.

16. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 15 als Vorlegierung zum Herstellen von Gußeisen mit Kugelgraphit .

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