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Verfahren zum herstellen einer Gußeisen-Schmelze für Gußstücke mit
stark unterschiedlichen Materialanhäufungen und hoher thermischer Beanspruchung,
wie Zylinderköpfe für Pahrzeugmotoren od. dgl.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer
Gußeisen-Schmelze für Gußstücke mit stark unterschiedlichen Materialanhäufungen
und hoher thermischer Beanspruchung, wie Zylinderköpfe für Fahrzeugmotoren od. -dgl.
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Es ist bekannt, die Gußeisen-Schmelze für Dieselmotor-Zylinderköpfe
im Kupolofen zu erzeugen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich mit solchen Schmelzen
großenteils keine gasdichten Zylinderköpfe unmittelbar erzeugen lassen.
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So waren bei der Prüfung mit Luftdruck zwischen 50% und 90% der Zylinderköpfe
nicht gasdicht. Um diese Zylinderköpfe nicht dem Ausschuß zuführen zu müssen, hat
man sie in einer Anlage mit Wasserglas mit bestimmten Anteilen an Püllstoffen imprägniert.
Diese Imprägnierung hat sich zwar bestens bewährt, jedoch verursacht die nachträgliche
Imprägnierung einen erheblichen Mehraufwand an Zeit und Kosten.
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Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die Gasdichte der Zylinderköpfe
durch gießtechnische Maßnahmen zu verbessern.
Trotz einwandfreier
Herstellungsbedingungen konnte die Gasdichte durch solche Maßnahmen Jedoch nicht
entscheidend verbessert werden. Für die mangelhafte Gasdichte sind nämlich vor allem
bestimmend: 1. Eine ungenügende Graphitausbild-ong in Form von spitz auslaufenden
und nadelförmigen Lamellenenden, die bei den großen wanddickenbedingten Erstarrungsunterschieden
bei Zylinderköpfen mit kompliziertem Wasserraum nicht zu beherrschen sind.
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2. Feinste Oxidhäute und Partikelchen (< 0,010 mm), die während
des Gießvorganges infolge der Turbulenz und der großen Gesamtoberfläche der Kerne
gebildet oder mit dem Eisen in Form von Suspensionen eingebracht werden.
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Dagegen seigen gasdichte Zylinderköpfe eine Graphitausbildung mit
stumpfen und kompakten Lamellenenden und keine oxidischen Mikroeinschlüsse. Die
stumpfe und kompakte Form der Lamellenenden bringt zudem noch bessere mechanische
und thermische Eigenschaften des Gußeisens mit sich.
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Es ist an sich bekannt, Gußeisenschmelzen im Netzfrequenz-Induktions-Tiegelofen
mit 2,5 Gew.-% Siliciumkarbid - bezogen auf den Gesamteinsatz - derart aufzusilicieren,
daß die Beschickung des Siliciumkarbids in kleineren Mengen gleichzeitig mit dem
Stahlschrott nach dem Einschmelzen der Anfahrblöcke erfolgte. Nach Herstellen der
"Ausgangsschmelze" fand eine weitere Auskehlung der Schmelze durch Zugabe von Elektrodengraphit
(mit 99 ffi Kohlenstoff) statt, wobei Kohlenstoffendgehalte von 3,25 - 3,68 %0 eingestellt
wurden. Durch eine abschließende Pfannenimpfung mit 0,2 % zirkonhaltigem Ferrosilicium
konnte die Zahl der eutektischen Zellen auf etwa 550 - 450 Zellen pro cm2 ohne nennenswerte
Veränderung der Unterkühlung gesteigert werden.
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Wahrend des Aufsilicierens trat eine Vorimpfung der Schmelze
eine.
Dadurch war die Unterkühlung der Schmelze bei der Erstarrung gering und bewirkte
eine günstige Verteilung und Ausbildung des Graphits in Form dickerer Graphitlamellen
bei größeren Lamellenabständen sowie mittlerer Zellenzahl, die durch gezielte Impfung
in engen Grenzen eingestellt werden kann. Diese bekannte Gußeisen-Schmelze wurde
jedoch nur für Probestäbe weiterverwendet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art zu schaffen, das - entsprechendes Vergießen der Schmelze und entsprechende
Abkühlungsgeschwindigkeiten vorausgesetzt - mit größerer Treffsicherheit in allen
Gußstückbereichen mit perlitischem Grundgefüge eine stumpfe und kompakte Ausbildung
der Graphitlamellenenden gewährleistet und die oxidischen Mikro einschlüsse völlig
vermeidet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende, genau aufeinander
abgestimmte Gattierung und Schmelzweise gelöst: a) Schmelzen einer Gattierung mit
40 - 80 % Stahlschrott, bis 2 - 3 Gew.-% Siliciumkarbid, Kreislaufmaterial und bis
2 - 2,5 Gew.-% Elektrodengraphit im Netzfrequenz-Induktions-Tiegelofen derart, daß
das - bezogen auf das Gewicht des Stahlschrotts 4 - 7 Gew.-% (z.3. bei 50 % Stahlschrott:
5 Gew.-% SiC) betragende - Siliciumkarbid schrittweise in 3 - 5 etwa gleichen Teilmengen
zugegeben wird, wobei die Zugabe der letzten Siliciumkarbidmenge gleichzeitig mit
der letzten Schrottmenge vor dem Chargieren des Kreislaufmaterials erfolgt, b) Einschmelzen
des Stahlschrotts bei hoher Liquidustemperaturen von 1300 - 1370 DC bis zum Schmelzende
bei niedrigem Kohlenstoffgehalt von - bezogen auf die Schmelze - 0t7 - 1,5 %, 1,5
- 2,0 % Silicium und einem Verhältnis Kohlenstoff zu Silicium von 0,3 bis 0,6 bis
zu einer Badtemperatur von ca, 1450 °C,
c) nach der Entfernung der
Schlacke bei 1450 0C erfolgt eine schlagartige Aufkohlung der gußeisen-ännlichen
Schmelze während der 10 - 30-minütigen tberhitzungsphase auf 1500 -1550 °C C auf
einen Kohlenstoffendgehalt von ca. 3,4 % und d) Impfen des vergießfertigen Gußeisens
beim Abstich in aie Gießpfanne derart, daß sich für das erstarrende Gußteil in den
kritischen Bereichen ca. 250 - 350 eutektische Zellen pro cm² ergeben.
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Durch die erfindungsgemäße Gattierung und Schmelzweise wird nicht
nur die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, sondern darüber hinaus der
Vorteil erzielt, daß Schwankungen der Schrottqualität (insbesondere Verrostungsgrad)
in ihrer Wirkung auf den Oxid- und Gasgehalt des Gußeisens weitgehend ausgeschaltet
werden, da bereits während des Einschmelzens eine starke Desoxidation, 1Reinigung,
Homogenisierung und Entgasung stattfinden. Die Reaktionen der Siliciumkarbidzusätze,
der Schlacke, der Atmosphäre und der Stampfmasse sind abhängig von Temperatur, Konzentration
und chemischer Zusammensetzung, Reaktionsfläche, Reaktionszeit, Mischung, spezifischem
Gewicht der Schmelze und von der Wärmetönung. Die Verwendung der erfindungagemäßen
Schmelzen führt zu einem deutlichen Rückgang der metallurgisch bedingten Guts fehler
bei Zylinderkdpfen wie Randblasen, Porosität, Gaslunker und Kantenhärten (Weißerstarrung).
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden insbesondere der Kristallisationsverzug
bei der eutektischen Erstarrung vermindert und die Graphitaussoheidung erfolgt auch
bei unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten gleichmäßiger. Durch die schlagartige
Kohlenstoffzugabe bei einer Temperatur oberhalb 1450 °C und der etarken Durchwirbelung
in der Schmelze findet ein weitgehender Abbau der suspendierten Oxide statt und
der sogenannte Kochvorgang, d.h. eine Oxidation von Kohlenstoff zu CO, wird erzielt,
so daß eine Durchgasung die Folge ist. Der Reinigungseffekt einer solchen Durchgasung
ist sehr intensiv
und in kurzer Zeit bereits außergewöhnlich wirkungsvoll,
so daß auch während des Gießvorganges die Oxidhautbildung gering bleibt.
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Ir weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Tmpfen durch ein
Gemisch aus 0,2 % zirkonhaltigem Ferrosilicium und 0,10 Gew.-% Reinstgraphit, der
zuvor mit metallischem Aluminiumpulver in Plättchenform (( 0,010 mm) intensiv gemischt
wurde, wobei das Verhältnis Reinstgraphit zu Aluminiumpulver 3:1 beträgt.
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Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben.
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Je nach dem Stahlschrottanteil in der Größenordnung von 40 - 80 %,
der Stahlschrottqualität und der gewünschten Zusammensetzung, insbesondere hinsichtlich
des Siliciumgehaltes des Gußeisens, wird während des Schmelzvorganges gekörntes
Siliciumkarbid (Körnung 0-15 mm) schrittweise zugegeben.
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Die Gesamtmenge an zuzugebendem Siliciumkarbid, die wegen der verschiedenen
metallurgischen Reaktionen und Aufgaben 4,0 - 7,0 Gew.-% - letztere %~Angabe auf
das Gewicht des Stahlschrotts bezogen - betragen muß, wird nicht auf einmal zugegeben,
sondern in kleineren Teilmengen (1/3 bis 1/5) - was abhängig ist von der Einschmelzgeschwindigkeit,
dem Stahlschrottanteil, der Temperatur, Konzentration und chemischen Zusammensetzung,
Reaktionsfläche, Reaktionszeit, Durchmischung - gleichzeitig mit der chargierten
Stahlschrott-Teilmenge. Die Zugabe des Siliciumkarbids erfolgt beim Kaltstart des
Netzfrequenz-Induktions-Tiegelofens erstmals nach dem Einschmelzen der Anfahrblöcke;
beim Arbeiten mit Ofensumpf im Simplexbetrieb wird die erste Xeilmenge des Siliciumkarbids
auf das flüssige Eisenbad vor dem Chargieren des Schrotts aufgegeben. Bei beiden
Betriebeweisen des Netzfrequens-Induktions-iegelofens erfolgt
die
Zugabe der letzten Siliciumkarbidmenge gleichzeitig mit der letzten Stahlschrottmenge
und vor dem Chargieren des Kreislaufmaterials. - Durch die Aufteilung in etwa gleiche
Teilmengen werden größere Konzentrationsunterschiede vermieden, eine lange Reaktionszeit
für den Auflösungsvorgang des Siliciumkarbids und für die metallurgischen Wechselbeziehungen
zwischen Schmelze, Schlacke, Atmoaphäre und feuerfester Auskleidung, gleichmäßige
Verteilung im Ofenraum während des Schmelzens - infolge starker Durchwirbelung -
sowie gleichbleibende Bedingungen hinsichtlich Keimbildung gewährleistet.
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Neben der geschilderten Zugabetechnik des Siliciumkarbids und der
Gattierungsbestandteile ist eine bestimmte Schmelzweise zur Erzeugung eines Gußeisens
für besonders beanspruchte Gußteile, wie Zylinderköpfe von Dieselmotoren, von Bedeutung.
Diese Schmelzweise ist durch folgende Punkte gekennzeichnet: 1. Einschmelzen des
Stahlschrotts bei hoher Liquidustemperatur von 1300 bis 1370 t und niedrigem Kohlenstoffgehalt
der gußeisenähnlichen Schmelze - 30 Gew.-% Kohlenstoff entstammen dem Siliciumkarbid
- . (Liquidustemperatur von ca. 1300 C bei 40 ffi Stahlanteil bzw. ca.
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1370 t bei 80 % Stahlanteil).
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Durch das Einschmelzen des Stahlschrotts bei hoher Liquidustemperatur
in Verbindung mit der gleichmäßigen Zugabe von Siliciumkarbid erfolgt eine gute
Reinigung und Homogenisierung der Schmelze über die gesamte Schmelzzeit hinweg.
Als bevorzugte Reaktionen kommen in Betracht: Si + 2 FeO = SiO2 + 2 Fe Si + °2 =
SiO2 2. Halten des Kohlenstoffgehaltes während des Einschmelzvorganges zwischen
0,7 - 1,5 % bei einem eingestellten Siliciumgehalt von 1,5 - 2,0 % (Prozentangaben
bezogen auf die gußeisenähnliche Schmelze). Bei einer Liquidustemperatur
von
1300 - 1370 °C wird die Kieselsäurereduktion durch den Kohlenstoff der Schmelze
weitgehend unterdrUckt.
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3. Das Kohlenstoff- zu Siliciumverhältnis beträgt während der gesamten
Schmelzzeit etwa 0,3 - 0,6. (Zum Vergleich: Kohlenstoff- zu Siliciumverhältnis bei
der bisher üblichen Gußeisenerschmelzung im Kupolofen 1,6 bis 1,9).
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4. Nach dem Einschmelzvorgang erfolgt eine tberhitzung der Schmelze
auf 1500 - 1550 °C. Bei ca. 1450 t wird die Schiacke abgezogen. Danach erfolgt während
der Überhitzungszeit von ca. 10 - 30 Minuten kurz vor dem Eisenabstich schlagartig
die Aufkohlung der Schmelze auf den bei Zylinderköpfen von Dieselmotoren erforderlichen
Endgehalt von ca. 3,4 % Kohlenstoff - % Angabe bezogen auf das flüssige Gußeisen
-. Als Aufkohlungsmaterial wird Elektrodengraphit mit 0,5 - 8 mm Körnung verwendet.
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In der Überhitzungszeit steigt dabei - infolge der Aufkohlung-das
Kohlenstoff zu Siliciumverhältnis stetig von 0,3 - 0,6 auf ca. 1,9 an. Da der Aufkohlungsvorgang
während der Periode hoher Leistungsbeaufschlagung des Induktionsofens stattfindet,
wird die Schmelze bei einer Temperatur oberhalb der Kohlenstoff-Silicium-Isothermen
gründlich mit Graphitpartikelchen durchwirbelt. Die volle Reduktionskraft des Kohlenstoffs
wird hierbei ausgenutzt und die SiO2-Suspensionen abgebaut. Kurz vor dem Eisenabstich
findet also eine weitere chemische Reinigung statt.
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Nach der Uberhitzung auf 1500 - 1550 °C liegt eine Aufkohlung mit
hohem Nutzungsgrad für Kohlenstoff und starker Ankeimung der Schmelze vor, wobei
das Ankeimen außer bei der Aufsilicierung mit Siliciumkarbid besonders bei der schlagartigen
Aufkohlung durch den Reinetgraphit
erfolgte. (Zugabemenge; 2,8
- 3,1 - Gew.-%, bezogen aiif deti Stahlanteil). Trotz hoher Stahlschrottanteile
ergebeil sich weitgehend unabhängig von der Schrottqualität eine geringe Unterkühlung
aN, die ein Maßstab für die ausgezeichnete ankeimung und guten Kristallisationsbedingungen
des Graphits ist, und damit die Voraussetzung für die Erzielung des h-Graphits mit
kompakten und stumpfen Lamellenenden bildet, im Verlauf der Abkühlungskurven des
Gußeisens (Unterkühlung der eutektischen Erstarrung unter die Gleichgewichtstempeia£ur),
gute Desoxidation und Reinigung sowie geringe Gasgehalte.
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5. Das vergießfertige Gußeisen wird beim abstich in die Gießpfanne
mit handelsüblichem Impfmaterial (z.B. 0,2 Vo zirkonhaltiges Ferrosilicium - Handelsname
ZL 80-) und einem Zusatz von 0,10 Gew.-% Reinstgraphit, der mit metallischem Aluminiumpulver
gemischt wird (1 Teil Al-Pulver und Teile Reinstgraphit) geimpft. Durch dieses Impfen
ernöht sich die Zellenzahl auf etwa 450 Zellen 2 pro cm ohne nennenswerte Veränderung
der Unterkühlung ( bT ca. 6 - 10 °C).
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Die Ausgangsschmelze des Gußeisens (vor der Aufkohlung und Impfung)
weist außerdem in der beka-nnten Weise einen Mangangehalt von 0,45 - 0,75 %, einen
Phosphor - und Schwefelgehal-t von 0,10 Vo, sowie als Restgehalt Eisen auf. Für
die Erzeugung der gewünschten Lamellenform und die Vermeidung der oxidischen Mikroeinschlüsse
sind diese Gehalte an Mangan, Phosphor und dgl. Jedoch ohne Bedeutung.
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aLbschließend se die Erfindung an Hand eines konkreten Beispiels
erläutert.
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Zur Herstellung der Schmelze wird ein 1,5 t bzw. 5,0 t Netzfrequenztiegelofen
mit saurer Zustellung verwendet.
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Eingesetzt werden in den Ofen 65 % Stahlschrott, 2,9 % Siliciumkarbid,
30 % Kreislaufmaterial und 2,1 % Elektrodengraphit.
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Das Siliciumkarbid wird in vier gleichen Teilmengen zugegeben.
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Elektrode raphit wird während der Überhitzungsperiode auf 1550 °C
schlagartig zugesetzt. Die Pfannenimpfung erfolgt beim Abstich mit ZL 80 und einem
Zusatz von 0,10 % Reinstgraphit und metallischem Aluminiumpulver.
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An Probes@@ben von )0 mm pl wurden folgende Größen ermittelt: Sättigungsgrad
Sc : 0,94 Zugfestigkeit O2 : 278, 282, 275 N/mm² Reifegrad : 199 % Relative Harte
: 0,94 Gefüge : 100 % Perlit Graphit : 100 % A-Graphit mit stumpfen und kompakten
Graphitlamellenenden Zellenzahl : 450 pro cm2 Unterkühlung # T : 5 - 10 °C Wärmeleitfähigkeit
: 0,515 W/cm K Sauerstoff : 0,80 cm³/100 g Wasserstoff : 1,65 cm³/100 g Stickfstoff
: 8,90 cm3/100 g.