DE2508252C3

DE2508252C3 - Verfahren zum Herstellen einer Gußeisenschmelze, insbesondere für hochbeanspruchte Gußteile, wie Zylinderköpfe und Zylinderlaufbüchsen von Fahrzeugmotoren

Info

Publication number: DE2508252C3
Application number: DE2508252A
Authority: DE
Inventors: Heinz 8500 Nuernberg Caspers
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1975-02-26
Filing date: 1975-02-26
Publication date: 1984-05-17
Also published as: DE2508252B2; DE2508252A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Gußeisenschmelze, insbesondere für hoch beanspruchte Gußteile, wie Zylinderköpfe und Zylinderlaiufbüchsen von Fahrzeugmotoren, durch; Erschmelzen einer Gattierung aus Stahlschrott, Siliciumkarbicl, Elektrodengraphit und Kreislaufmaterial im Netzfrequenz-Induktionstiegelofen, wobei Siliciumkarbicl portionsweise gleichzeitig mit dem Stahlschrott in der zum Erreichen der Endzusammensetzung der Schmelze erforderlichen Menge von bis 4 bis 7 auf den Stahlschrott bezogenen Gewichtsprozent zugegeben wird, und wobei die Schmelze anschließend aufgekohlt und einer Pfannenimpfung unterzogen wird.

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. 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 Füllstoffen imprägniert. Diese Imprägnierung hat sich zwar bestens bewährt, jedoch verursacht die nachträgliche Imprägnierung einen erheblichen Mehraufwand an Zeit und Kosten.·
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 Graphitausbildung in Form von spitz auslaufenden und nadeiförmigen Lamellenenden, die bei den großen wanddickenbe-

'5 dingten Erstarrungsunterschieden bei Zylinderköpfen mit kompliziertem Wasserraum nicht zu beherrschen sind.

2. Feinste Oxidhäute und Partikelchen (<0,010 mm), die während des Gieß Vorganges infolge der

Turbulenz und der großen Gesamtoberfläche der

Kerne gebildet oder mit dem Eisen in Form von Suspensionen eingebracht werden.
Dagegen zeigen gasdichte Zylirvierköpfe 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.
Es ist an sich bekannt, Gußeisenschmelzen im Netzfrequenz-Induktions-Tiegelofen mit 2,5 Gew.% Siliciumcarbid - bezogen auf den Gesamteinsatz derart aufzusilicieren, daß die Beschickung des Siliciumkarbids in kleineren Mengen gleichzeitig mit dem Stahlschrott nach dem Einschmelzen der Anfahr-

J5 blöcke erfolgte. Nach Herstellen der »Ausgangsschmelze« fand eine weitere Aufkohlung der Schmelze durch Zugabe von Elektrodengraphit (mit 99% Kohlenstoff) statt, wobei Kohlenstoffendgehalte von 3,25-3,68% eingestellt wurden. Durch eine ab-

-)() schließende Pfannenimpfung mit 0,2% zirkonhaltigem Ferrosilicium konnte die Zahl der eutektischen Zellen auf etwa 350—450 Zellen pro cm² ohne nennenswerte Veränderung der Unterkühlung gesteigert werden. Während des Aufsilicierens trat eine Vorimpfung der Schmelze ein. 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 minierer Zellenzahl, die durch gezielte Impfung in engen Grenzen eingestellt werden kann. Diese bekannte Gußeisen-Schmelze wurde jedoch nur für Probestäbe weiterverwendet. (»Gießerei« 59,1972, Nr. 18,7. September). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

SS 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

ω eine stumpfe und kompakte Ausbildung der Graphit· lamellenenden gewährleistet und die oxidischen Mikroeinschlüsse völlig vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stahlschrott bei Liquidustemperaturen von 1300 bis 1370° C bis zum Schmelzende bei niedrigem Kohlenstoffgehalt von - bezogen auf die Schmelze - 0,7 bis 1,5% und einem Verhältnis Kohlenstoff zu Silicium von 0,3 bis 0,6 eingeschmolzen

und sodann die Badtemperatur auf 1450° C erhöht wird, daß anschließend, nach Entfernung der Schlacke bei ca. 1450° C, die Aufkohlung der gußeisenähnlichen Schmelze während der Überhitzungsphase schlagartig mit der zur Erzielung der Endzusammensetzung erforderlichen Menge von Elektrodengraphit bei gleichzeitiger starker Durch wirbelung erfolgt, und daß die Pfannenimpfung durch ein Gemisch von 0,2% zirkonhaltigem Ferrosilidum und 0,1 Gewichtsprozent Reinstgraphit, der zuvor im Verhältnis 3:1 gemischt wurde, erfolgt.

Durch die erfindungsgemäße Gattierung und Schmelzweise wird nicht nur die der Erfindung zugrundeliegende 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 Finschmelzens eine starke Desoxidation, Reinigung, Kpsnogenisierung 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 erfindungsgemäßen Schmelzen führt zu einem deutlichen Rückgang der metallurgisch bedingten Gußfehler bei Zylinderköpfen wie Randblasen, Porosität, Gaslunker und Kantenhärten (Weißerstarrung). Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden insbesondere der Kriitallisaiksnverzug bei der eutektischen Erstarrung ver.iiindert und die Graphitausscheidung erfolgt auch bei unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten gleichmäßiger. Durch die schlagartige Kohlenstoffzugabe bei einer Temperatur oberhalb 1450° C und der starken 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.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß eine auf die Endzusammensetzung bezogene Menge Elektrodengraphit in Höhe bis 2,5% zugegeben wird.

Die schlagartige Zugabe eine so hohen Menge Elektrodcngraphit reinigt die Schmelze gründlich von oxidischen Einschlüssen und führt obendrein zu Graphitlamellen mit stumpfen Enden, so daß dieses Verfahren vorzüglich für die Herstellung von gasdichten Zylinderköpfen und Zylinderlaufbüchsen von Verbrennungskraftmaschinen geeignet ist.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben.

Je nach dem Stahlschrottanteil in der Größenordnung von 4Q-8Q%, der Stahlschrottqualität und der gewünschten Zusammensetzung, insbesondere hinsichtlich des Siliciumgehaltes des Gußeisens, wird während des Schmelzvorganges gekörntes Siliciumkarbid (Körnung 0-15 mm) schrittweise zugegeben.

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 (V3 bis V5) — was abhängig ist von der Einschmelzgeschwindigkeit, dem Stahlschrottanteil, der Temperatur. Konzentration ϊ und chemischen Zusammensetzung, Reaktionsfläche, Reaktionszeit, Durchraischung - 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 Teilmenge des Siliciumkarbids auf das flüssige Eisenbad vordem Chargieren des Schrotts aufgegeben. Bei beiden Betriebsweisen des Netzfrequenz-Induktions-ΐί Tiegelofens 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, Atmosphäre und feuerfester Auskleidung, gleichmäßige Verteilung im Ofenraum 2i während des Schmelzens - infolge starker Durchwirbelung - sowie gleichbleibende Bedingungen hinsichtlich Keimbildung gewährleistet.

Neben der geschilderten Zugabetechnik des Siüciumkarbids und der Gattierungsbestandteile ist eine w 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 Liquidustemperaturvon 1300 bis 1370° C und niedrigem Kohlenstoffgehalt der gußeisenähnlichen Schmelze - 30 Gew.% Kohlenstoff entstammen dem Siliciumkarbid -. (Liquidustemperatur von ca. 1300° C bei 40% Stahlanteil bzw. ca.

1370° C bei 80% Stahlanteil).
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 + O₂ = 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 gußeisenähnliehe Schmelze). Bei einer Liquidustemperatur von 1300-1370° C wird die Kieselsäurereduktion durch den Kohlenstoff der Schmelze weitgehend unterdrückt.

3. Das Kohlenstoff- zu Siliciumverhälinis 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).

4. Nach dem Einschmelzvorgang erfolgt eine ö5 Überhitzung der Schmelze auf 1500-1550° C.

Bei ca. 1450° C wird die Schlacke abgezogen. Danach erfolgt während der Uberhitzungszcit von ca. 10-30 Minuten kurz vor dem Eisenab-

stich 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. In der Öberhitzungszeit steigt dabei — infolge der Aufkohlung - das Kohlenstoff zu Siliciumverhältnis stetig von 03-0,6 auf ca. 1,9 an.
Während des Aufkohlungsvorganges wird die <o Leistung des Induktionsofens hochgefahren, um die Schmelze, wie bereits erwähnt, zu überhitzen und darüber hinaus für eine gründliche Durchwirbelung der Schmelze mit den eingebrachten Elektrodengraphitpartikeln zu sorgen. Die Durchwirbelung ist auf eine Wechselwirkung der durch Induktion in der Schmelze hervorgerufenen Wirbelströme mit dem von außen einwirkenden Magnetfeld zurückzuführen und bewirkt, daß sich in der Umgebung der Graphitteilchen ein hohes Konzentrationsgeiäiie mit geringer Grenzschichtdicke zwischen Kohlenstoff und den oxidischen Einschlüssen einsteilt und somit nach den Gesetzen des Stofftransportes hervorragende Bedingungen für eine Reduktion vorliegen. Unterstützt wird die elektromagnetische Durchwirbelung noch durch die bei der schnell ablaufenden Reduktion sich bildenden CO-Blaschen, weiche zu einem Aufwallen der Schmelze führen. Die volle Reduktionskraft des Jo Kohlenstoffs wird hierbei ausgenutzt und die SiO₂-Suspensionen abgebaut. Kurz vor dem Eisenabstich findet also eine weitere, chemische Reinigung statt.

Nach der Überhitzung 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 Reinstgraphit erfolgte. (Zugabemenge: 2,8-3,1 Gewichtsprozent, bezogen auf den Stahlanteil). Trotz hoher Stahlschrottanteile ergeben sich weitgehend unabhängig von der Schrottqualität eine geringe Unterkühlung Δ T, die ein Maßstab für die ausgezeichnete Ankeimung und guten Kristallisationsbedingungen des Graphits ist, und damit die Voraussetzung für die Erzielung des Α-Graphits mit kompakten und stumpfen Lamellenenden bildet, im Verlauf der Abkühlungskurven des Gußeisens (Unterkühlung der eutektischen Erstarrung unter die Gleichgewichtstemperatur), gute Desoxidation und Reinigung sowie geringe Gasgehalte.
Das vergießfertige Gußeisen wird beim Abstich in die Gießpfanne mit handelsüblichem Impfmaterial (z. B. 0,2% zirkonhaltiges Ferrosflicium) und einem Zusatz von 0,10 Gew..% Reinstgraphit, der mit metallischem Aluminiumpulver gemischt wird (1 Teil Al-Pulver und 3 Teile Reinsigraphit) geimpft. Durch dieses Impfen erhöht sich die Zellenzahl auf etwa 450 Zellen pro cm² ohne nennenswerte Veränderung der Unterkühlung (ΔΓ ca. 6-10⁰C).

Die Ausgangsschmelze des Gußeisens (vor der Aufkohlung und Impfung) weist außerdem in der bekannten Weise einen Mangangehalt von 0,45-0,75% einen Phosphor- und Schwefelgehalt von 0,10% sowie als Restgehalt Eisen auf. Für die Erzeugung der ge wünschten Lamellenform und die Vermeidung der oxidischen Mikroe.'nschlüssesind diese Gehalte an Mangan, Phosphor u. dgl. jedoch ohne Bedeutung.
Abschließend sei die Erfindursg an Hand eines konkreten Beispiels erläutert.
Zur Herstellung der Schmelze wird ein 1,5 t bzw. 5,0 t Netzfrequenztiegelofen mit saurei Zustellung verwendet. Eingesetzt werden in den Ofen 65% Stahlschrott, 2,9% Siliciumkarbid, 30% Kreislauf material und 2,1% Elektrodengraphit. Das Siliciumkarbid wird in vier gleichen Teilmengen zugegeben.

Elektrodengraphit wird während der Überhitzungsperiode auf 1550° C schlagartig zugesetzt. Die Pfannenimpfung erfolgt beim Abstich mit zirkonhaltigem Ferrosilizäum und einem Zusatz von 0,10% Reinstgraphit und metallischem Aluminiumpulver.

An Probestäben von 30 mm 0 wurden folgende Größen ermittelt:

Sättigungsgrad Sc:
Zugfestigkeit a_z:
Reifegrad:
Relative Härte:
Gefüge:
Graphit:

Zellenzahl: Unterkühlung ΔΓ: Wärmeleitfähigkeit: Sauerstoff: Wasserstoff: Stickstoff:

0,94

278, 282, 275 N/mm² 119%
0,94

100% Perlit
100% A-Graphit
mit stumpfen
und kompakten
Graphitlamellenenden 450 pro cm²
5-10° C
51,5 W/m K
0,80 cmiVlOO g
1,65 cmVlOO g
8,90 ciTiVlOO g.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer Gußeisenschmelze, insbesondere für hochbeanspruchte Gußteile, wie ZyHiiderköpfe und Zylinderlaufbüchsen von Fahrzeugmotoren, durch Erschmelzen einer Gattierung aus Stahlschrott, Siliciumkarbid, Elektrodengraphit und Kreislaufmaterial im Netzfrequenz-Induktionstiegelofen, wobei Siliciumkarbid portionsweise gleichzeitig mit dem Stahlschrott in der zum Erreichen der Endzusammensetzung der Schmelze erforderlichen Menge von bis 4 bis 7 auf den Stahlschrott bezogenen Gewichtsprozent zugegeben wird, und wobei die Schmelze anschließend aufgekohlt und einer Pfannenimpfung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlschrott bei Liquidustemperaturen von 1300 bis 1370° C bis zum Schmelzende bei niedrigem Kohlenstoffgehalt von — bezogen auf die Schmelze - 0,7 bis 1,5% und einem Verhältnis Kohlenstoff zu Silicium von 0,3 bis 0,6 eingeschmolzen und sodann die Badtemperatur auf 1450° C erhöht wird, daß anschließend,, nach Entfernung der Schlacke bei ca. 1450° C, die Aufkohlung der gußeisenähnlichen Schmelze während der Uberhitzungsphase schlagartig mit der zur Erzielung der Endzusammensetzung erforderlichen Menge von Elektrodengraphit bei gleichzeitiger starker Durchwirbelung erfolgt, und daß die Pfannenimpfung durch ein Gemisch von 0,2% zirkonhaltigem Ferrosilicium und 0,1 Gewichtsprozent Reinstgraphit, der zuvor im Verhältnis 3:1 mit metallischem Aluminiumpulver in Plättchenform intensiv gemischt wurde, erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Endzusammensetzung bezogene Menge Elektrodengraphit in Höhe bis 2,5% zugegeben wird.