DE2611247A1

DE2611247A1 - Herstellungsverfahren fuer gusseisen

Info

Publication number: DE2611247A1
Application number: DE19762611247
Authority: DE
Inventors: Franklin Bruce Rote
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-11-25
Filing date: 1976-03-17
Publication date: 1977-09-22
Also published as: FR2343808B1; GB1549319A; US3975191A; DE2611247C3; DE2611247B2; FR2343808A1

Description

Die Erfindung betrifft Gußeisen, insbesondere ein Verfahren zur Überwachung der Gießfähigkeit und der Gleichmäßigkeit von verformbaren grauen Tempergüssen.

Die bei Eisengießereien häufig auftretenden Schwierigkeiten bestehen in einer Ungleichmäßigkeit des Gefüges und der mechanischen Eigenschaften, einem starken Bestreben zur Schrumpfung und Rißbildung und, im Falle von Graußguß, in einer übermäßigen Abkühl- oder Abschrecktendenz.

Diese Nachteile erscheinen am ausgeprägtesten bei Güssen, welche von in Elektroöfen erschmolzenen Metallen sowie von Füllungen mit hohem Schrottstahlanteil erzeugt werden. Im Kupolofen erschmolzenes Eisen kann unter idealen Schmelzbedingungen weniger anfällig für diese Mangel sein, obwohl sie stets ein= wichtige und

-2-

709838/0313

kostspielige Frage darstellen. Durch Pfannenbehandlung läßt sich das Ausmaß dieser Mangel beim Temperguß kaum verringern, da eine korrigierende Pfannenbehandlung Melierungen im Weißguß erzeugen würde. Pfannenimpfung wird bei der Herstellung von grauem Temperguß verwendet, um bei Erstarrung die erwünschte Graphitbildungstendenz (Verringerung der Abschrecktendenz) zu erzeugen, doch führt dies häufig zu verstärkter Schrumpfung und Porigkeit. Diese ist eine Folge der Erhöhung der Erstarrungshohlraumzahl, die als Nebenergebnis der Gießpfannenimpfung entsteht. Eine Impfung mit gegenwärtig bekannten Stoffen wie Ferrosilizium, Graphit oder einer Verbindung entsprechender Impfstoffe führt stets zu einer erhöhten Hohlraumzahl.

Die Gründe für diese Mängel lassen sich am besten durch eine

; sorgfältige Beobachtung der genauen Vorgänge während der Ετι starrung des flüssigen Eisen erklären. Die Erstarrung von Gußeisen beginnt, wenn sich das Metall von der Gießtemperatur auf die Liquidus-Temperatur abgekühlt hat. Diese Temperatur ändert sich in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Eisens.Unlegierter Grauguß von einer für Gußstücke der Kraftfahrzeugindustrie typischen Zusammensetzung besitzt eine Liquidustemperatur von 2120 - 217O°F (1160 - 1188°C). Bei niedrig gekohltem Eisen mit geringem Siliziumanteil (d.h., bei Tempergußverbindungen) kann die Liquidustemperatur bis zu 238O°F (13O4°C) betragen. Nach dem Abkühlen des Eisens auf die Liquidustemperatur bildet sich der erste Festkörper und beginnt zu wachsen, wobei er die Zusammensetzung des übrigen Flüssigkeit solange ändert,

fO 9838/0313

bis diese eutektisch wird. Die eutektische Zusammensetzung von Gußeisen wird mit etwa 4/33 % Kohlenstoffäquxvalent angegeben. Der Kohlenstoffäquivalent wird wie folgt ausgedrückt:

C.Ä. = % C + 1/3 (% Si + % P)

Im übereutektischen Eisen ist das Kohlenstoffäquxvalent größer als 4,33 % und im untereutektischen Eisen-ist es kleiner als 4,33 %.

Wenn ein übereutektischer verformbarer oder Grauguß abkühlt, wird Graphit oder Eisenkarbid von der Schmelzmasse ausgeschieden bis der geschmolzene Rest die eutektische Zusammensetzung erreicht. Anschließend werden gleichzeitig bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur Graphit oder Eisenkarbit sowie Austenit ausgeschieden. Bei weiterer Abkühlung von der Liquidusauf die eutektische Temperatur wird mehr Austenit ausgefällt, und wenn die restliche Schmelzmasse die eutektische Zusammensetzung erreicht,· werden Austenit und Graphit oder Eisenkarbid gleichzeitig bei einer konstanten Temperatur ausgeschieden.

Natürlich gibt es zum Beginn der Erstarrung von Gußeisen eine Zeitspanne, in welcher sich die ersten festen Metallteilchen ausformen. Diese Teilchen bilden einen Keim oder eine Grundlage, auf welcher sich v/eiteres Festmetall auskristallisieren kann. Da sich jedes Teilchen bei fortschreitender Erstarrung bildet und wächst, nimmt der Anteil an Festmetall in der Masse

-4-

109838/0313

zu, V7ährend sich der Anteil der Flüssigkeit verringert. Allmählich erreichen die erstarrenden Teilchen eine Größe, bei v/elcher sie beginnen, zusammenzustoßen. Anschließend ist die Erstarrung beendet, und das endgültige Primärgefüge aufgebaut. Jedes einzelne Teilchen, dessen Größe zugenommen hat und das mit anderen Teilchen zusammenstößt, bildet einen Hohlraum oder eine Zelle, die im Mikrogefüge des Gußstücks eindeutig zu identifizieren ist.

Bei Grauguß besteht die Zelle aus einem Ubergangsprodukt aus Aust nit (d.h., aus Ferrit, Perlit, Bainit, Martensit oder Verbindungen aus diesen Stoffen) und Graphit. Bei Weißguß besteht die Zelle aus einem Übergangsprodukt oder Produkten aus Austenit und Eisenkarbiden. In Abhängigkeit von der Abschrecktendenz des Eisen läßt sich in einer Erstarrungszelle sowohl Eisenkarbid als auch Graphit finden.

Gußstücke mit einem gleichmäßigen Gefüge und gleichmäßigen physischen Eigenschaften werden nach den vorstehend beschriebenen Erstarrungserscheingungen nur unter Idealbedingungen hergestellt, bei welchen die Erstarrung bei einer Temperatur beginnt, die ein wenig unter der Umwandlungsliquidustemperatur liegt. In der Praxis jedoch beginnt die Erstarrung bei Gußstücken von dünnem Querschnittynormalerweise nicht auf oder nahe der wahren Liquidustemperatur, sondern auf einer viel niedrigeren Temperatur. Dies ist in erster Linie dem UnterkühlungsVorgang zuzuschreiben, der bewirkt, daß sich das Metall unter die wahre Erstarrungstemperatur abkühlt, damit sich stabile Metallkerbe bilden können, auf welchen die Erstarrung fortschreiten kann. Wenn das Schmelzmetall

109&38/0313

erheblich unterkühlt wird, bilden sich viele Kerne, die bei fortgesetzter Abkühlung wachsen. Dies ergibt einen Guß mit vielen j kleinen Zellen. Wenn sich das Metall der vollständigen Erstarrung j

j nähert, stellen die vielen feinen Zellen ein schweres Hindernis j

für die Bewegung des restlichen Flüssigmetalls dar und leisten mit dem Erstarrungsschwund Vorschub. Daraus ergeben sich Porigkeit, Risse oder schwere innere Spannungen.

Gußstücke mit dicken Metallquerschnitten, die nur langsam abkühlen, können nahe der Umwandlungstemperatur erstarren. Es wer- ; den nur wenige stabile Festkerne ausgeformt und diese bilden bei Beendigung des Erstarrungsprozesses große Zellen. Das daraus entstehende Gußgefüge ist grob und porig und besitzt mindere mechanische Eigenschaften. Somit weisen Gußstücke mit Kombinationen aus dünnen und dicken Metallquerschnitten äußerst verschiedene I Erstarrungstemperaturen, Zellengrößen, Feingefüge und mechanische! Eigenschaften auf. Dies führt zu Gußmängeln wie Porigkeit, i

Schrumpfung und Rissen sowie stark unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften.

Aus dem Fehlen eines gleichmäßigen Gefüges bei Gußstücken entstehen viele Folgen. Wegen verschiedener Temperaturen und verschiedener Erstarrungsgeschwindigkeiten sind beispielsweise dünne und dicke Querschnitte eines Gußstück bestrebt, den kritischen Grad der Erstarrung zu verschiedenen Zeitpunkten zu erreichen, wenn nur eine geringe Menge der eutektischen Flüssigkeit übrig bleibt. Dies führt häufig zu Oberflächenabhüben oder Schrumpfungen, besonders bei den einspringenden Winkeln eines Gußstückes

-6-

709838/0313

oder am Schnittpunkt zwischen dicken und dünnen Querschnitten. Außerdem können Abschnitte mit kleinen Zellengrößen Innenporigkeit aufweisen, da sie in den Endstufen der Erstarrung die Speisung oder Zufuhr von Flüssigmetall nicht sichern können. Weiter kann der Unterschied im Gefüge und in der Zellengröße zwischen verschiedenen Teilen eines Gußstücks zu Maßungenauigkeiten bei dem daraus bearbeiteten Bauteil führen. Schließlich ergibt der Mangel an gleichmäßigem Gefüge zwischen den einzelnen Abschnitten des Gußstückes verschiedene mechanische Eigenschaften.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend erwähnten Gußmängel weitgehend durch Förderung der Erstarrung des flüssigen Eisen mit einer gleichmäßig geführten Zellengröße und einem gleichförmigen Graphitgefüge zu fördern.

Erfindungsgemäß wird dies durch Einfügen eines Stoffes in die Gicht oder die Gießpfanne erreicht, der einen feuerfesten Kern besitzt, welcher die Zellenbildung bei einer Temperatur fördert, die nur wenig unter der wahren Liquidustemperatur liegt. Erfindungsgemäß ist insbesondere der Zusatz von Garschaum- oder Primärgraphit zum Eisen vorgesehen.

Der als "Garschaumgraphit" oder "Primärgraphit" bezeichnete Stoff besteht nach allgemeiner Übereinkunft in der Gießereitechnik aus Graphit, das auf allen Stufen der Behandlung vom Zeitpunkt des Hochofenabstichs bis zur Erstarrung zu Masseln oder bis zur Streckung oder Frischung bei der Stahlerzeugung aus der flüssigen Roheisengicht ausgetrieben wird. In der

-7-

70 9 8 38/0313

nachfölenden Beschreibung bezeichnet der Ausdruck "Garschaumgraphit" im wesentlichen freischwebende aus übereutektischer Roheisengicht gebildete Graphitblättchen. Gegenwärtig ist es ein störendes,doch unvermeidliches Nebenprodukt des Hochofenbetriebs, das mit erheblichen Kosten gesammelt und beseitigt werden muß.

Wenn Garschaumgraphit als Beimengung für verformbaren Grauguß oder grauen Temperguß verwendet wird, so ergeben sich große Ver- j besserungen der Eigenschaften. Die Vergießbarkeit des Eisen wird erhöht, Ungleichmäßigkeiten des Gefüges und die Schrumpf-, Rißbildungs- oder Abschrecktendenz wird weitgehend verringert. Bei dünnen Querschnitten oder Querschnitten von mäßiger Dicke ist die Abmessung der Zellen größer oder gröber als bei Eisen von derselben Zusammensetzung, das ohne Garschaumgraphit oder Masseleisen erzeugt worden ist. Bei starken Querschnitten wird die Zellengröße verringert.

Es wird angenommen, daß die verbesserten Eigenschaften des Eisens mit beigemengtem'Garschaumgraphit durch eine genaue Untersuchung des Garschaumgraphits erklärt werden können. Ich fand, daß jedes Garschaumgraphitteilchen einen Kern eines Keramikstoffes enthält. Das Gewicht des Kerns scheint von etwa 5 bis 30 % des Gesamtgewichts des Blättchens zu ändern. Eine Analyse verschiedener Garschaumgraphitproben ergibt einen Mangangehalt von etwa 0,5 - 1,5% sowie einen Schwefelgehalt von etwa 0,3 - 1 %. Dies ist das richtige Verhältnis von Mangan zu Schwefel (ca. 1,7 zu 1) für die Bildung von Mangansulfid, was mich vermuten läßt, daß der

-8-

709838/0313

Kern eines Garschaumgraphitteilchens vorwiegend aus Mangansulfid zusammen mit anderen feuerfesten Stoffen besteht. Die Zusammensetzung von Garschaumgraphit aus verschiedenen Gichten ändert sich, doch scheint es annähernd denselben Wirkungsgrad unabhängig von der Quelle zu besitzen.

Es wird angenommen, daß die höheren Qualitäten von mit Garschaumgraphit versetztem Gußeisen direkt dem Kern des Garschaumgraphitteilchens zuzuschreiben sind. Der Kern, der kein Kohlenstoff ist und der aus Rohsisengicht gebildet ist, muß notwendigerweise ein sehr feuerfester Stoff sein. Dies beruht auf der Tatsache, daß der Kern aus überhitztem Eisen gebildet ist (d.h. bei einer Temperatur von oder erheblich über ca. 270O⁰F oder 1482°C). Nach Ausformung dieses feuerfesten Kerns lagert sich Kohlenstoff auf ihm ab, wodurch ein Blättchen entsteht. Dieses Blättchen schwingt dann zuoberst im Gießstrahl oder auf der Gießpfanne, wird freischwebend und dann für die Beseitigung gesammelt. Wenn es einer Graußguß- oder Tempergußfüllung oder der Gießpfannenbeschickung beigemengt wird, wird der Kohlenstoffanteil des Garschaumgraphits im flüssigen Eisen aufgelöst. Daraus entsteht ein verringertes Abschreckbestreben. Jedoch der hochfeuerfeste Kern (ein Festkörper bei etwa 27OO°F oder 1482°C) bleibt im flüssigen Gußeisen bei Überhitzungstemperaturen von etwa 2700 - 285O°F (1482-1566°C) in der Schwebe. Somit steht bei Erstarrung des Eisen dieser Kern bei Liquidustemperatur zur Auslösung der Zellenbildung zur Verfügung. Wenn diese Kerne vorhanden sind bedarf es zur Einleitung der Zellenbildung keiner erheblichen Unterkühlung bei dünnen Metallquerschnitten wie im Falle von Eisen, das solcher Kerne er-

709838/0313

mangelt. Daher beginnen sich die Zellen bei einer höheren Temperatur und auf weniger Kernen aufzubauen, wobei die Graphitbildung gefördert wird. Daraus ergibt sich eine gröbere Zelle sowie ein größerer Graphitkern. Dicke Metallquerschnitte, die normalerweise nahe der Liquidustemperatur auf wenigen Kernen erstarren, um Zellengroßer Abmessung zu bilden, werden mit freien Kernen des Garschaumgraphits gespeist und erzeugen somit Zellen von geringerer Größe, welche sich der Abmessung der dünneren Gußstückquerschnitte annähert. Im Falle von Grauguß ist die Größe dar Graphitblättchen kleiner. Dies ergibt eine erheblich stärkere Gleichmäßigkeit der Zellengröße zwischen dicken und dünnen Metallquerschnitten und führt zur Meidung oder Herabsetzung der vorstehend beschriebenen Gußmängel. Bei Grauguß oder verformbaren Eisen ist die Größe des Graphitblättchens gleichmäßiger. Bei Gußstücken, deren Metal!querschnitte sich von dick zu dünn ändern, ist die Funktion des Garschaumgraphits besonders wichtig. Ohne Garschaumgraphit kühlen die dickeren Querschnitte langsamer ab; sie unterkühlen nicht wesentlich und weisen daher eine verhältnismäßig grobe Zellen- und Graphitblättchengröße auf. Wie jedoch vorstehend erwähnt wurde, unterkühlen sich die dünneren Querschnitte erheblich; sie bilden viele Kerne und entwickeln eine kleine Zellengröße mit feinem Graphit. Dies ist für die Ungleichmäßigkeit des Gefüges und die mechanischen Eigenschaften solcher Gußstücke verantwortlich. Die durch das Garschaumgraphit erzeugten freien Kerne üben eine sehr vorteilhafte Wirkung sowohl auf die dicken als auch die dünnen Querschnitte des Gußstücks aus. Bei dicken Querschnitten leiten die Garschaumgraphitrestkerne eine Erstarrung an mehr Stellen ein, wodurch sie tat-

709838/0313

no

sächlich die Zellen- und Graphitgröße verringern. In dünnen Querschnitten jedoch leiten die Kerne die Erstarrung auf einer hohen Temperatur ein, wodurch sie die Zellenabmessung vergrößern, die Graphitverteilung verbessern und größere Graphitblättchen entwickeln.

Für Temperguß, der ohne Graphit erstarren muß, werden geringere Mengen von kontrolliertem Garschaumgraphit verwendet. Die Garschaumgraphitkerne lösen eine Flüssigkeitserstarrung aus und erzeugen eine gleichmäßige Zellengröße, wodurch sie ernsthafte Erstarrungsmängel kontrollieren. Ferner wirken sie auch als Kerne zur Bildung von Temperagraphitkohle während der ersten Stufe des Temperns bei 1600 - 180O⁰F (871 - 982°C), wodurch sie ein gleichmäßigeres Graphitgefüge im getemperten Gußstück erzeugen. Infolge des Vorhandenseins dieser Kerne wird die Schnelligkeit dieser ersten Glühung erhöht.

Markenimpfstoffe für Gießpfannen erzeugen reichlich Graphitkerne, welche die Bildung von Graphitblättchen in dünneren Querschnitten fördern. Gleichzeitig erzeugen diese Impfstoffe jedoch eine sehr kleine Zellengröße. Somit löst das Garschaumgraphit die vorteilhaften Wirkungen der Gießpfannenimpfstoffe aus, doch vermeidet ihre nachteiligen Wirkungen.

Erfindungsgemäß kann Garschaumgraphit in der Metallgicht oder als Beigabe einer Gießpfannenfüllung verwendet werden. Es kann in der Form von Blättchen verwendet werden oder zur leichteren

7 09838/0313

Behandlung verarbeitet sein. Es kann durch Pressen zur Bildung von Kügelchen oder Scheiben brikettiert oder mit Zement verkittet 'werden. Ferner kann Garschaumgraphit zur Erzeugung von Hüttenkoks auch dem gemahlenen Kohlengemisch beigefügt werden, insbesondere für die Kupolofenschmelzung von Eisen. In diesem Falle würde der kohlenstoffhaltige Bestandteil des Garschaumgraphits einen Teil des festen Kohlenstoffgehaltes im Koks liefern. Während der Verkokung bleiben die Garschaumgraphitkerne unverändert und sind frei für eine Kontrolle der Graphit- und Zellengröße in der Kupolofenschmelze. Da die Menge des beim Schmeien und Überhitzen des Eisens in einem Kupolofen verbrauchten Kokses durch das Gewicht des erschmolzenen Eisens zwischen 10 und 20 % schwanken kann und da bis etwa 75 % der durch das Garschaumgraphit erzeugten Kerne während des Schmelzvorganges verschlackt werden können, müßte die dem gemahlenen Kohlengemisch beigesetzte Menge von Garschaumgraphit im Bereich zwischen etwa 2 - 20 % liegen. Der kleinere Prozentsatz würde bei der Herstellung von Koks für Temperguß und die höheren Prozentsätze für das Schmelzen von Grauguß verwendet werden.

Bei der Bestimmung der Garschaumgraphitmenge für die Herstellung bestimmter Gußstücke müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden wie die Zusammensetzung der Metallgicht, das Schmelzverfahren das Zuschlagsverfahren für Garschaumgraphit und schließlich die Art des zu erzeugenden Gußeisens. Soweit es die Zusammensetzung der Beschickung oder der Metallgicht betrifft, werden geringe Zusätze von Garschaumgraphit beigemengt, wenn die Beschickung bereits große Mengen von graphitischen Stoffen enthält wie

709838/0313

Roheisen und Anschnitte, Steiger und Graugußschrott, Gußeisen mit kugeliger Graphitausbildung oder gekühltem Temperguß. Diese Stoffe erzeugen einige vorteilhaften Kerne, so daß eine verhältnismäßig geringe Menge an Garschaumgraphit erforderlich ist, um die optimalen Erstarrungseigenschaften zu entwickeln. Solchen Beschickungen kann Garschaumgraphit in Mengen zwischen 0,1 % bis 0,5 % der Gicht zugesetzt werden. Wenn die Metallbeschickung einen großen Anteil von Schrottstahl und wenig graphitische Stoffe enthält, können 0,5 % - 4 % Graschaumgraphit der Gicht beigemengt werc'en, um die erforderliche Zellenführung zu entwickeln.

Das Schmelzverfahren bestimmt auch die zur Erzeugung der gewünschten Gleichmäßigkeit und Zellengröße erforderliche Menge an Garschaumgraphit. Bei der Produktion eines bestimmten Eisens von fester Metallbeschickung wird die Menge des Garschaumgraphits in der Beschickung vorteilhafterweise in Abhängigkeit vom SchmeIzverfahren verändert. Eine Schmelzung im Kupolofen erfordert am wenigstens GarschaumgrapHt, in einem Elektroinduktionsofen wird mehr gebraucht und in einem Lichtbogenofen am meisten. Diese Änderungen sind erforderlich, weil die Unterschiede in den Schmelzbedingungen und Verfahren verschiedene Mengen an Kernverlusten während des Schmelzvorganges ergeben. Wenn daher ein bestimmtes Schmelzgut etwa 0,25 bis 0,50 % Garschaumgraphit für die Kupolofenschmelze braucht, dann würde die Schmelzung in einem Induktionsofen etwa 0,5-1 % Garschaumgraphit und die Schmelzung des gleichen Schmelzgutes in einem Lichtbogenofen etwa 0,75 bis 1,5 % Garschaumgraphit erfordern.

-13-

709838/0313

Offensichtlich muß bei einem hohen Stahlanteil im Schmelzgut die erforderliche Garschaumgraphxtmenge größer sein.

Auch das Verfahren, mit welchem das Garschaumgraphit dem Eisen beigesetzt wird, bestimmt die erforderliche Garschaumgraphitmenge zur Erzeugung der gewünschten Eigenschaften. Bei Gießpfannenzuschlägen wird weniger Garschaumgraphit gebraucht als bei der Metallbeschickung selbst. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß Garschaumgraphit als schwacher Impfstoff wirkt, wenn es der Gießpfanne beigemengt wird. Es wirkt auch zur Steuerung der Zellengröße unabhängig, ob es der Gießpfanne, dem Schmelzgut oder als Teil der Kokszusammensetzung zugeschlagen wird. Ein Gießpfannenzuschlag bewegt sich normalerweise im Bereich zwischen etwa 0,05 - 0,5 %. Wenn Garschaumgraphit dem Schmelzugut beigemengt wird, so kann dies in Mengen bis zu 4 % erfolgen, insbesondere im Falle eines Lichtbogenofens. Garschaumgraphit kann

I zur Erzeugung des gesamten Kohlenstoffes im Eisen dienen, um den gewünschten Kohlenstoffgehalt zu erreichen oder, in einer geringeren Menge, um nur die Zellengröße zu steuern, wobei eine andere Kohlenstoffquelle für den Rest des erforderlichen Kohlenstoffes sorgt.

Garschaumgraphit kann auch mit herkömmlichen Impfstoffen wie Ferrosilizium oder anderen entsprechenden Legierungen für den Gießpfannenzuschlag gemischt werden. Die Verbindung von Garschaumgraphit mit einem herkömmlichen Impfstoff ergiht eine hohe graphitische Legierungsleistung für Gußstücke mit dünnen Querschnitten. Jedoch die Anwesenheit von Garschaumgraphitkernen

709838/0313

26ΪΪ247' "

erfordert die frühe Bildung von Zellen und Graphit während des Erstarrungsvorgangs. Wenn daher Garschaumgraphit in dieser Weise benutzt wird, erzeugt es eine gröbere Zellengröße und gleichzeitig vermeidet es ein nachteiliges Merkmal der herkömmlichen Impfstoffe.

In den nachstehenden Beispielen sind die Wirkungen von Garschaumgraphitzuschlägen für verschiedene Gußeisenarten aufgezeigt:

Beispiel I

Die für eine herkömmliche Kraftfahrzeugnockenwelle vorgeschriebene Zusammensetzung ist wie folgt:

Kohlenstoff,insgesamt 3,30 - 3_f5O %

Silizium 2,20 - 2,40 %

Mangan 0,70 - 0,80 %

Schwefel 0,12 % maximal

Chrom 1,20 - 1,40 %

Molybdän 0,40 - 0,60 %

Nickel oder Kupfer 0,20 - 0,40 %

Das vorgeschriebene Feingefüge der gegossenen Nockenerhebung an der Nockenwelle besteht aus 10 - 20 % Primäreisenkarbid, Graphit und Perlit. Zusammensetzung und Schmelzführung müssen zur Entwicklung des gewünschten Feingefüges der Nockenerhebung angepaßt werden, doch gleichzeitig müssen sie eine zerspanbare Brinell härte von 262 - 311 im Lager- und Radteil der Nockenwelle er-

-15-

7 09838/0313

geben. Häufig müssen Gußstücke, die mit dem erforderlichen Feingefüge der Nockenwe1lenerhebung sowie mit einer Brinellhärte von 285 oder höher für das Lager hergestellt wurden, infolge von Oberflächenlunkern oder inneren Schrumpfungen an der Verbindung zwischen den Rad- und Wellenkeilen verschrottet werden. Beispielsweise wurde eine Schmelze mit einem Lichtbogenofen erstellt, deren Schmelzgut aus folgendem bestand:

800 lbs. (363 kg) Stahl

1000 lbs. (454 kg) Rücklaufanschnitte und Steiger

1200 lbs. (544,7 kg) Gußeisenschrott

60 lbs. (27,2 kg) Flockengraphit

4 lbs. (1,81 kg) Ferromangan

20 lbs. (9,07 kg) Ferrosilizium

16 lbs. (7,26 kg) Ferromolybdän

34 lbs. (15,4 kg) Ferrochrom

8 lbs. (3,63 kg) Kupfer

Die Zusammensetzung des erzeugten Metalls war: 3,45 T.C, 2,39 Si, 0,78 Mn, 1,40 Cr, 0,32 Mo, 0,24 Cu und 0,085 S. Die Nockenerhebungen besaßen das gewünschte Gefüge, und das Lager wies eine Brinellhärte von 285 auf. Alle Gußstücke wurden wegen schwerer Schrumpfung zwischen Lager und Welle verschrottet. Einige zerrissen praktisch während des Erstarrungs- und Abkühlvorgangs.

-16-

709838/0313

Eine zweite Schmelze wurde erzeugt, in welcher 20 lbs. (9,07 kg) Flockengraphit durch 24 lbs. (10,9 kg) Garschaumgraphit ersetzt wurden, wobei alle anderen Bestandteile gleich blieben. Dies ergab eine Zusammensetzung von 3,42 T.C, 2,37 Si, 0,75 Mn, 1,38 C: 0,36 Mo, 0,29 Cu und 0,09 S. Das Feingefüge war hervorragend, und die Brinellhärte betrugt 302. Es fanden sich keinerlei Anzeichen von Schrumpfung oder Lunkerbildung. Der Zellendurchmesser der ersten Schmelze betrug etwa 50 % der zweiten Charge. In diesem Falle wurde die Menge des im Schmelzgut verwendeten Garschaumgraphits verhältnismäßig gering gehalten, um eine große Anzahl von Restkernen zu vermeiden, welche die in der Nockenerhebung anwesende Karbidmenge reduzieren könnte.

Beispiel II

Ein Fahrradrahmen mit dem Rohr für das Kettenrad und den davon ausgehenden Trägern wird häufig als Temperguß hergestellt. Produktionsgußstücke für diese Teile wurden aus Schmelzgut gefertigt, das aus Folgendem bestand:

53 % Stahlschrott

40 % Weißeisenanachnitt und Steiger

5 % TempersehrOtt

2 % Flockengraphit

Die Objektanalyse des Metalls ergab: 2,50 - 2,60 % T.C, 1,50 1,60 % Si, 0,30 - 0,35 % Mn, 0,03 - 0,05 % S. Das Metall wurde

H09838/0313

in einem kernlosen Induktionsofen mit einem Beschickungsvermogen von 13t erschmolzen. Beim Produktionsausstoß mußten 50-95 % der Gußstücke in Abhängigkeit von den täglichen Änderungen der Schmelzführung auf Schrumpfungen (Lunker) an den Schnittpunkten des Hauptkettenradrohres und der Rahmenträger repariert werden.

Bei einer Probeschmelzung mit Garschaumgraphit als Ersatz für einen Teil des Graphits der oben angegebenen Beschickung wurde der Graphitzuschlag auf 1,5 % herabgesetzt, und 0,6 % Garschaumgraphit beigegeben. Von den tausend hergestellten Stücken wiesen nur fünf Anzeichen von Schrumpfung und Lunkerbildung auf.

Die Dendritengröße der Weißgußstücke mit Garschaumgraphit in der Gicht war gröber und gleichmäßiger als in der Standardproduktionsschmelze. Dies war auf die Keimbildung durch die Garschaumkerne bei Temperaturen zurückzuführen, die höher lagen als beim normalen Produktionsguß. Der Garschaumgraphitzuschlag wurde verhältnismäßig niedrig" gehalten, um das erforderliche Weißgußgefüge zu bewahren. Die Gußstücke wiesen die folgende Analyse auf: 2,46 % T.C, 1,53 % Si, 0,33 % Mn und 0,05 % S.

Beispiel III

Eine Gruppe von Hydraulikpumpengehäusen,die jeweils etwa 49 lbs. (22,2 kg) wogen und Querschnitte zwischen 2,5 und 0,5 Zoll (63,5 und 12,7 mm) aufwiesen, wurde als Grauguß mit einer vor-

geschriebenen Zugfestigkeit von 40.000 Ibs./squ. in (2.810 kg/cm ] gefertigt. Die Sollzusammensetzung war: 2,90 - 3,10 % T.C,

709838/0313

1,90 - 2,10 % Si, 0,60 - 0,70 % Mn, 0,10 - 0,20 % Cr und 0,05 008 % S. Das Metall wurde in einem kernlosen Induktionsofen mit einem Aufnahmevermögen von 7 t geschmolzen, wobei sich die Beschickung wie folgt zusammensetzte:

40 % Stahl

40 % Rücklaufanstieg und Steiger

20 % Gußschrott

1,2 % Flockengraphit

0,15 % Ferrochrom (70 % Cr)

Die Brinellhärte der Gußstücke änderte sich von 241 beim 1/2-Zoll querschnitt (12,7 mm) bis herab zu 163 beim Querschnitt von 2,5 Zoll (63,5 mm). Die Zellengröße war bei den dicken Querschnittteilen sehr grob und bei den dünnen Querschnitteilen sehr fein. Viele Gußstücke wiesen Schrumpfungen und Risse an den Schnittpunkten zwischen den dünnen und dicken Querschnitteilen auf.

Eine Probeschmelzung wurde gegossen, bei welcher alle Einsatzbestandteile gleich blieben, ausgenommen, daß 1% Flockengraphit durch 1,2 % Garschaumgraphit ersetzt wurde. Dies ergab Gußstücke mit einer Brinellhärte von 217 bei den dünnen Querschnitten und 197 bei den dicken Querschnitten. Im Vergleich zu den Produktionsgüssen wurde die Zellengröße in den dicken Querschnitt teilen verringert und in den dünnen Querschnitteilen vergrößert. Es fanden sich keine Anzeichen von Schrumpfung oder Lunkerbildung. Die Metallzusammensetzung der mit der Probeschmelze erzeugten Gußstücke war: 3.08 % T.C, 2,07 % Si, 0,67 % Mn, 0,17 % Cr und 0,07 % S. -19-

709838/0313

Beispiel IV

Eine Gruppe von 6-Zylindermotorblöcken mit einem Gewicht von 380 lbs. (172 kg) wurde aus Kupolofengrauguß gefertigt. Die Gußstücke wiesen die folgende Zusammensetzung auf: 3,20 - 3,40 % T.C, 2,20 - 240 % Si, 0,70 - 080 % Mn und 0,15 % S maximal. Das

Metall wurde vom Kupolofen in einen erwärmten Vorofen abgestochen und dann in eine Gießpfanne gegossen. Während der Beförderung vom Vorofen zur Gießpfanne wurde dem Gußstrom ein Zuschlag von 0,25 % eines Ferrosiliziumimpfstoffes beigemengt. Der Impfstoff war erforderlich, um keine Abschreckung bei den dünnen Querschnitten und an den Kanten des Zylinderblocks aufkommen zu lassen. Bis zu etwa 30% der auf diese Weise gefertigten Zylinde blocke mußten wegen innerer Schrumpfungen ausgeschlachtet oder verschrottet werden. Die Gußstücke besaßen eine feine Zellengröße.

Nach Änderung der Schmelzführung durch Ersatz von 0,15 % Garschaumgraphit für den Ferrosiliziumimpfstoff wurde die innere Porigkeit beseitigt, die sich aus der Schrumpfung ergab, und die Gußstücke wiesen keinerlei Abschreckungserscheinungen an den dünnen Querschnitten und an den Kanten auf. Die Zellengröße war etwa 75 % gröber als beim Produktionsmetall. Die Metallzusammensetzung war: 3,35 % T.C, 2,33 % Si, 0,72 % Mn und 0,11 % S.

-20-

709838/0313

Zur weiteren Darstellung der Natur des Garschaumgraphits und der Auswirkungen der Garschaumgraphitzuschläge zu Gußeisen sei auf die Zeichnung verwiesen, welche zeigt:

Fig. 1 eine Fotomikrographie eines Garschaumgraphitblättchens bei 800-facher linearer Vergrößerung;

Fig. 2 eine Fotomikrographie eines legierten Eisens bei 80-fa- j

eher linearer Vergrößerung, das in einem Lichtbogenofen ohne Garschaumgraphitzuschlag erschmolzen wurde;

Fig. 3 eine Fotomikrographie des gleichen in der Fig. 2 gezeigten legierten Eisens bei 80-facher linearer Vergrößerung, jedoch mit einem Zuschlag von 0,8 % Garschaumgraphit in der Beschickung.

Das Graphitblättchen selbst der Fig. 1 ist die große flockige oder verschwommene helle Fläche 10, und der Keim ist das kleine winkelförmige hell gefärbte Teilchen 12 in der Mitte des Blättchens .

Die Darstellungen der Fign. 2 und 3 sind 80-fach linear vergrößert, um die verschiedenen Zellengrößen zu zeigen, die man mit den beiden Güssen des vorstehend gebrachten Beispiels I erhält: Fig. 2 zeigt einen Querschnitt dss Produktionsgusses ohne Garschaumgraphit und Fig. 3 den gleichen Querschnitt des erfindungsgemäßen Gusses,bei welchem 20 lbs. (-,07 kg) Flockengraphit

-21-

109838/031 3

durch 24 lbs (10,9 kg) Garschaumgraphit ersetzt wurden. Der Unterschied der Zellengrößen bei diesen beiden Güssen ist ganz offensichtlich, weil die Eisenkarbide 14 an den Zellengrenzen ausgefällt wurden und damit die Kennzeichnung der Zellengröße sehr deutlich machen.

909838/0313

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von Gußeisen, bei welchem eine Metallbeschickung in einem Hochofen erschmolzen wird und das flüssige Eisen zur Herstellung eines Gußstückes in eine Gußform gegossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Metall vor 4em Gießen in die Gußform eine Menge von feuerfesten Kernen von mikroskopischer Größe zugeschlagen wird, die bei einer Temperatur von über ca. 27OO°F (1482°C) schmelzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feuerfeste Stoff in einem kohlenstoffhaltigen Träger enthalten ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kohlenstoffhaltige Träger als Garschaumgraphit ausgebildet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Garschaumgraphit dem Metall in einer Menge zwischen 0,05 und 4,0 Gew.-% zugesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Garschaumgraphit der Metallbeschickung zugesetzt wird.

-23-

709838/0313

ORIGINAL INSPECTED

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Garschaumgraphit dem flüssigen Eisen zugesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Eisen vom Schmelzofen zu einer Gießpfanne befördert wird und das Garschaumgraphit der Gießpfanne in einer Menge von etwa 0,05 - 0,5 Gew.-% zugesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Garschaumgraphit mit einem Gießpfannenimpfatoff vor dem Zuschlag zur Gießpfanne vermischt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gefertigte Gußstück Querschnitte besitzt, deren Dicke sich von 0,5 Zoll (12,7 mm) bis 2,5 Zoll (63,5 mm) ändert.

10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen in einem Elektroofen geschmolzen wird und daß Garschaumgraphit der Metallgicht in einer Menge zwischen 0,2 und 4,0 % der Gicht zugesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen in einem Kupolofen geschmolzen wird, und daß Garschaumgraphit der Metallgicht in einer Menge zwischen 0,2 und 0,5 % der Gicht zugesetzt wird.

109838/0313

12. Verfahren zur Herstellung von Gußeisen durch Erwärmung einer Metallbeschickung und von Hüttenkoks auf eine Schmelztemperatur in einem Kupolofen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Sollkohlengehalts des Eisen durch Zuschlag von Garschaumgraphit zu einem gemahlenen Kohlengemisch zur Erzeugung des Kokses gewonnen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Garschaumgraphit der gemahlenen Kohlenmischung in einer Menge zwischen 2 und 20 Gew.-% zugesetzt wird.

8 838/0 3 13