DE2817592C2

DE2817592C2 - Verfahren zur Herstellung von Gußstücken mit erosionsbeständiger Oberflächenschicht in Sandformen

Info

Publication number: DE2817592C2
Application number: DE19782817592
Authority: DE
Inventors: Gennadij S. Vladimir Moskva Achmetov; Anatolij M. Moskva Michailov; Michail K. Norilsk Sarlin
Original assignee: NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ KONSTRUKTORSKO-TECHNOLOGICESKIJ INSTITUT TRAKTORNYCH I KOMBAJNOVYCH DVIGATELEJ VLADIMIR SU
Current assignee: NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ KONSTRUKTORSKO-TECHNOLOGICESKIJ INSTITUT TRAKTORNYCH I KOMBAJNOVYCH DVIGATELEJ VLADIMIR SU
Priority date: 1977-04-21
Filing date: 1978-04-21
Publication date: 1983-11-17
Also published as: CA1111673A; SU753526A1; FR2387712A1; DE2817592A1; JPS53146928A; FR2387712B1

Description

20 bis 70% Nickel als Legierungselement,
20 bis 60% Korund,
3 bis 8% Wasserglas und

0,1 bis 2,0% eines Flußmittels der folgenden Zusammensetzung:

35 bis 40% Natriumchlorid,

35 bis <H>% Kaliumchlorid,

8 bis 10% Zinkchlorid,

8 bis 10% Cäsiumfluorid und

5 bis 9% Natriumfluorborat

enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Auftragen und Trocknen der Paste diese mit einer Lösung desselben Flußmittels beschichtet und wiederum getrocknet wird, bevor die Gießform mit überhitztem Gußeisen abgegossen wird.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Gußstücken mit erosionsbeständiger Oberflächenschicht in Sandformen, insbesondere von gußeisernen Kokillen für Anoden aus Nickellegierungen, wobei auf die Gießformoberfläche eine Paste aus körnigem Korund mit Wasserglas aufgetragen und vor dem Eingießen des Gußeisens getrocknet wird.

Aus den US-PS 18 93 540 und 18 93 539 sind Verfahren zur Herstellung von Gußstücken mit erosionsbeständiger Oberflächenschicht bekannt, bei denen auf die Gießformfläche eine Einbettungsschicht aus Schamotte aufgetragen wird, in die Körner aus natürlichem oder synthetischem Korund eingebettet werden, die bei der Temperatur des Gießmetalls nicht schmelzen, worauf die Schicht aus der Schamotte mit den eingebetteten Teilchen mit einer viskosen oder klebrigen Flüssigkeit, als die in der letztgenannten Patentschrift Wasserglas genannt wird, aufgetragen, trocknengelassen und mit einer Fackel behandelt wird.

Aus der DE-Patentanmeldung W 2837 31 c 16/05 ist ein Verfahren zur Herstellung von Gußkörpern mit sehr harter Oberfläche bekannt, bei dem die Gießform an den das flüssige Metall aufnehmenden Oberflächen vor dem Gießen mit einem Oberzug von Pulvern oder Körnern aus einem oder mehreren Hartkarbiden (von Metallen wie Wolfram, Titan, Tantal, Zirkon, Chrom usw. mit oder ohne Zusatz leichter schmelzender Metallpulver, z. B. von Metallen der Eisengruppe) versehen wird, der sich mit der Oberfläche des Gußmetalls vereinigt bzw. legiert. Damit sollen der Oberfläche des Gußkörpers durch die verwendeten Metallkarbide die Eigenschaften eines Hartmetalls verliehen werden, während bei der beispielsweise aus der DE-PS 710 259 bekannten Verwendung von Korundkörnern, die auf die Oberfläche der Gießform aufgeklebt und auf dieser mit Nägeln oder Drahtgeflecht befestigt werden, diese sich nicht mit dem Gußmetall zu legieren vermögen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Gattung anzugeben, das mit einfachem Auftrag einer Paste vorgegebener Zusammensetzung sehr haltbare und insbesondere auch gegen Auswaschen beim Gießen von Nickellegierungen beständige Oberzüge zu erzielen gestattet

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Bildung der Oberflächenschicht eine Paste verwendet wird, die

0,1 bis 2,0% eines Flußmittels der folgenden Zusammensetzung:

35 bis 40%

8 bis 10%

5 bis 9%

Natriumchlorid,
Kaliumchlorid,
Zinkchlorid,
Cäsiumfluorid und
Nttriumfluoborat

enthält.

Das Vorhandensein von Nickel in der verfestigten Oberflächenschicht des Gußstückes erhöht sowohl die Viskosität dieser Schicht, was zum Festhalten der Korundteilchen beiträgt, als auch die Festigkeit und die chemische Beständigkeit der verfestigten Oberflächenschicht, was letzten Endes eint beträchtliche Erhöhung der Standzeit von Gußstücken, wie Kokillen, die in Kontakt mit flüssigem Metall stehen oder von anderen Gußstücken, die Belastungen und Verschleiß in aggressiven Medien ausgese;.zf sind, zu erzielen gestattet. Der angegebene Nickelgehalt gewährleistet auch eine bessere Benetzung des Korundes und damit auch eine festere Einbettung.

Die Zusammensetzung des Flußmittels wurde aufgrund folgender Überlegungen gewählt. Die Grundlage des Flußmittels bilden Natriumchlorid und Kaliumchlorid und diese bestimmen dessen Schmelzbarkeit und Viskosität. Zinkchlorid in der angegebenen Menge vermindert die Schmelztemperatur des Flußmittels und gewährleistet ein raffinierendes gasförmiges Medium.

Cäsiumfluorid gilt dem Gußeisen gegenüber als oberflächenaktives Mittel und löst Korund gut auf. Natriumfluorborat ist ein aktiver Zuschlag zu Aluminiumoxid, der mit diesem chemisch zusammenwirken kann.

Vorteilhaft wird die Paste nach dem Auftragen und Trocknen mit einer Lösung desselben Flußmittels beschichtet und wiederum getrocknet, bevor die Gießform mit überhitztem Gußeisen abgegossen wird. Das Auftragen einer Schicht desselben Flußmittels auf die Oberfläche der Paste nach deren Trocknung verbessert die Benetzung der in der Paste vorhandenen Einschlüsse aus Korund mit dem abzugießenden Metall wesentlich, was ein tiefes Eindringen in die durch das überhitzte Metall erwärmte Pastenschicht gewährleistet.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung einen metallischen Abguß in Form einer Kokille aus Gußeisen mit verfestigter Oberflächenschicht in Draufsicht,

F i g. 2 einen Schnitt nach H-II in F i g. 1,

F i g. 3 einen Schnitt durch die Oberflächenschicht der Kokille nach III-III in Fig.2 in vergrößertem Maßstab,

F i g. 4 in graphischer Darstellung die Veränderung des Randwinkels der Benetzung bei Kokillengußeisen in Abhängigkeit von dem Gehalt an Natriumfluorborat (NaBF₄) im Flußmittel,

Fig.5 in graphischer Darstellung die Veränderung des Randwinkels der Benetzung bei Kokillengußeisen in Abhängigkeit von dem Gehalt an Cäsiumfluorid (CsF) im Flußmittel und

F i g. 6 in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der Zerfließdauer eines Gußeisentropfens auf der Oberfläche der Paste in Abhängigkeit von der Flußmittelzusammensetzung.

Als Beispiel eines Metallabgusses mit verfestigter Oberflächenschicht sei hier eine Kokiüe zur Herstellung von Anoden aus Nickellegierungen angeführt

Bekannt ist, daß Kokillen beträchtlichem femperaturgefälle bei gleichzeitiger hydrodynamischer Einwirkung des Strahles der flüssigen Legierung ausgesetzt sind.

In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Körper 1 (F i g. 1 und 2) der Kokille aus Gußeisen hergestellt und er weist einen Hohlraum 2 zum Vergießen einer flüssigen Legierung auf.

Der Boden dieses Hohlraumes hat eine verfestigte Oberflächenschicht 3 in Form einer Legierung aus Gußeisen und Legierungselement.

Die verfestigte Oberflächenschicht 3 der Kokille enthält gleichmäßig darin verteilte Einschlüsse in Form von Korundkörnern 4 (Fig.3). Als Legierungselement ist in der verfestigten Oberflächenschicht 3 Nickel verwendet, welches der Legierung mit dem Gußeisen des Kokillenkörpers 1 eine Viskosität verleiht, wie sie zum Festhalten der Korundkörner 4 wesentlich ist.

Wenn, wie im vorliegenden Falle, in der Kokille zur Herstellung von Anoden aus Nickellegierungen als Legierungsdement Nickel verwendet worden ist, wirkt dies mit dem Nickel, das in den in die Kokille zu vergießenden Legierungen enthalten ist, nicht zusammen, wodurch die chemische Beständigkeit der verfestigten Schicht 3 der Kokille erhöht wird.

Die Konzentration von Nickel in der verfestigten Oberflächenschicht 3 nimmt von der Außenfläche zum Inneren des Kokillenkörpers 1 hin allmählich ab, wie dies schematisch in F i g. 3 abgebildet ist, wo die Nickeleinschlüsse schematisch durch kleine Punkte angedeutet sind. Infolgedessen entstehen an der Grenze des Kokillenkörpers 1 und der verfestigten Oberflächenschicht 3 keine wesentlichen inneren Spannungen, wodurch deren feste Verbindung gewährleistet wird.

Die Berührung der Oberflächenschicht 3 der Kokille mit der Nickellegierung während des Eingusses, der nachfolgenden Kristallisation und Erstarrung erfolgt hauptsächlich durch die Korundkörner 4, die eine bestimmte Rolle im Prozeß der Zusammenwirkung zwischen dem Abguß und der Kokille spielen, indem sie in der Masse der verfestigten Oberflächenschicht 3 mehr als 50% von deren Volumen einnehmen und eine bedeutende Größe (Durchmesser der Korundkörner 4 beträgt 0,2 bis 0,3 ram) und wesentliche Eigenschaften haben; die Korundkörner 4 nehmen die hydrodynamische Einwirkung des Strahles der flüssigen Legierung auf, tragen Korrekturen in die Wärmemasseübertragung und Wärmeableitung ein, und schützen das Metall der Kokille gegen Anschweißen an den Abguß und gegen Verschleiß.

Beim Auftreffen eines Strahls flüssiger Legierung auf der verfestigten Oberflächenschicht 3 der Kokille mit den darauf hervoru etenden Korundkörnern 4 wird der turbulente Charakter der Strahlströmung gestört, und es entsteht in den Zwischenräumen zwischen den

ίο Korundkörnern 4 eine Laminarschicht der flüssigen Legierung, die eine Art der Pufferschicht darstellt und die Falikraft des Strahles der flüssigen Legierung aufnimmt und hierdurch die verfestigte Oberflächenschicht 3 der Kokille gegen dessen thermische, mechanische und chemische Einwirkung schützt

Bei Korundkörnern 4, deren Größe unter 0,2 mm liegt, bringen die Korundeinschlüsse keinen bemerkbaren Effekt, während Korundeinschlüsse, deren Größe über 3 mm liegt, der mechanischen Einwirkung nicht widersteheil und bei Aufschlägen ausbrechen können.

Dadurch, daß der auftreffende S~*ahl des flüssigen Metalis nicht auf der Oberfläche 3 der Kokille, sondern auf der laminaren Metallschicht aufschlägt und auf dieser fließt, verändern sich die Prozesse der Wermeübertragung, der Auflösung und der chemischen Einwirk'.ng stark. Dies ist in einem großen Maße durch eine beträchtliche Größe der Korundkörner 3 bedingt, da die Prozesse der Auflösung und der Wärmeübertragung in der Laminarschicht des flüssigen Metalls von dem Größenfaktor in der zweiten Potenz abhängig sind. Die Wärmeübertragung von einem erstarrten Gußblock erfolgt von dessen Oberfläche zu der verfestigten Oberflächenschicht 3 der Kokille zwischen den Korundkörnern 4 durch Strahlung, und durch die Korundkörner

J5 4 durch Wärmeleitung. Bei Strahlung hängt die Wärmeübertragung ebenfalls in zweiter Potenz von dem Abstand zwischen dem ausstrahlenden und dem absorbierenden Körper, d. h. vom Durchmesser der Korundkörner 4 ab. Die Korundeinschlüsse leisten der Wärmeableitung einen großen Widerstand und sie tragen zu einer gleichmäßigen Durchwärmung der Kokide bei.

Die reinen, keine Mineralbeimengungen enthaltenden Korundkörner 4, die sich durch hohe Feuerfestigkeit und chemische Neutralität gegenüber dem Metall auszeichnen, verleihen somit der verfestigten Oberflächenschicht 3 der Kokille eine hohe Festigkeit und Beständigkeit gegen die Zerstörung durch hydrodynamische Einwirkung des Strahls des flüssigen Metalls, und

ίο die hochlegierte Grundlage der Oberflächenschicht 3 gewährleistet deren Beständigkeit gegen thermische und chemische Einwirkung.

Es sei bemerkt, daß solche Kokillen auch zum Gießen andere· Legierungen verwendet werden können, wobei sie keine geringere Beständigkeit haben, da das Anodennickel im Vergleich zu anderen Legierungen ein höheres spezifisches Gewicht und eine hohe Auflösungsfähigkeit für Sauerstoff (bis zu 2%) besitzt.
Das Verfahren zur Herstellung von Gußeisenkokillen mit verfestigter Oberflächenschicht 3 sieht die Bereitung einer Paste durch Vermischen pulverförmigen Nickels mit Wasserglas, Korund und einem Flußmittel, das aus einem Gemisch aus Metallsalzen (Natrium, Kalium, Zink und Cäsium) besteht, die in folgenden Verhältnissen genomrren werden (in Gew.-%):

35 bis 40 Natriumchlorid (NaCI)
35 bis 40 Kaliumchlorid (KCI)

8 bis 10 Zinkchlorid (ZnCI;)
0 bis 10 Cäsiumfluorid (CsF)
5 bis 9 Natriumfluoborat (NaBF₄)

Sämtliche Bestandteile der Paste werden gemäß der Erfindung in folgenden Verhältnissen (in Gew.-%) verwendet:

20 bis 70 Nickel
20 bis 60 Korund

0,1 bis 2,0 Flußmittel

3 bis 8 Wasserglas

Nach der Trocknung der auf die Oberfläche der Gießform aufgetragenen Pastenschicht wird diese Schicht dann mit einer Lösung von demselben Flußmittel beschichtet und wiederum getrocknet.

Das Flußmittel mit der obengenannten Zusammensetzung gestattet es. die Natur der Zusammenwirkung des flüssigen Gußeisens bei dessen Vergießen in die Gießform mit den Einschlüssen des Korundes, der als Bestandteil der Paste dient, zu ändern. Das sich auf die Oberfläche der Korundkörner verteilende Flußmittel bildet einen Film aus aktivem Stoff, der zur Benetzung der Oberfläche mit flüssigem Gußeisen und folglich zu einem Eindringen in die Poren der Paste zwischen den Korundkörnern 4 bei gleichzeitiger Zusammenwirkung mit Nicke! beiträgt.

Wird die Gießform mit flüssigem Gußeisen bei Überhitzung gefüllt, wird eine Durchwärmung der Pastenschicht und ein besseres Durchtränken derselben mit Gußeisen gewährleistet. Die Überhitzungsgröße des Gußeisens wird in Abhängigkeit von der Dicke des Gußstückes und der Dicke der Pastenschicht gewählt.

Nach dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Gußeisenkokillen wird eine verfestigende Oberflächenschicht 3 in Form einer zähflüssigen Legierung von Gußeisen und Nickel mit gleichmäßig darin verteilten Korundeinschlüssen erzeugt.

Die Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von Metallgußstücken gestattet es. auf deren Oberfläche eine verfestigende Oberflächenschicht 3 zu erzeugen, deren Dicke das O.OSfache bis 0,2fache der Dicke des Gußkörpers ausmacht, was die Dicke der Schicht, die bei bekannten Verfahren erzeugt wird, bedeutend übertrifft.

Bei der Herstellung von Gußeisenkokillen wurde praktisch auf diesen eine bis zu 15 mm dicke verfestigende Oberflächenschicht 3 erzeugt.

Außerdem gestattet es das erfindungsgemäße Verfahren, den technologischen Prozeß der Herstellung von Gußstücken mit verfestigter Oberflächenschicht bedeutend zu vereinfachen, deren Anwendung zu erweitern und die Qualität derselben zu verbessern.

So ist die Beständigkeit der verfestigten Oberflächen- : schicht 3 bei Gußeisenkokillen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, gegen das Auswaschen mit flüssiger Nickellegierung dreimal so hoch, und die Verschleißfestigkeit in einem aggressiven Medium bedeutend höher, als bei den bekannten oberflächenlegierten Abgüssen.

Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Gußstücke bildenden Metallabgüssen mit verfestigter Oberflächenschicht wird nachstehend an einem Beispiel der Fertigungsablauf bei der Herstellung einer Gußeisenkokille zum Gießen von Anoden aus Nickellegierungen beschrieben. Zuerst wird die Pasle aus einem Gemisch von Nickelpulver (Korngröße 0.0063 mm) und Korui; !pulver (Korngröße 0.1 bis 2.0 mm) unter Verwendung von

ι Wasserglas als Bindemittel bei folgendem Verhältnis der Bestandteile (in Gew.-¹Vo) bereitet:

55 Nickel
40 Korund
5 Wasserglas

Nach sorgfältigem Durchmischen wird die Paste mit einem Flußmittel in Form eines feindispersen Pulvers, das in einer Menge von 0,5 bis 1% in Abhängigkeit von der Korundkorngröße genommen wird, behandelt.

Als Flußmittel verwendet man ein Gemisch aus Metallsalzen (Natrium. Kalium. Zink und Cäsium), die in folgenden Verhältnissen genommen werden (in Gew.-"''o):

40 Natriumchlorid (NaCl)
J5 Kaliumchlorid (KCI)
10 Zinkchlorid (ZnCl;)
10 Cäsiumfluorid (CsF)
5 Natriumfluoborat (NaB '4)

Nach nochmaligem Durchmischen trägt man die Paste auf die Oberfläche der Gießform in einer Dicke von 8 mm auf und trocknet bei 1 50 bis 200^s C. Nach der Trocknung bedeckt man die heiße Paste mit 20'Voieer Lösung desselben Flußmittels und trocknet dann wieder bei 50 bis 150³C.

Nach Zusammenbau der Gießform wird diese mit flüssigem Gußeisen bei einer Überhitzung auf !390 bis 1400^cC gefüllt. Nach dem Erstarren des Gußeisens entsteht auf der Arbeitsfläche der Kokille eine verfestigte metallkeramische Oberflächenschicht mit einer Dicke von 10 mm, die aus hochlegiertem Nickelgußeisen mit darin gleichmäßig verteilten Korundeinschlüssen besteht, dessen Körner in der Gesamtmasse der Oberflächenschicht über 50% vo.i deren Volumen einnehmen.

Nachstehend wird eine Tabelle angeführt, die die Haltbarkeit von Gußeisenkokillen in Abhängigkeit von der Gußpastenzusammensetzung veranschaulicht.

Lfd. Nr.

Bestandteile der Paste in Gew.¹.,

Korund

Nickel

Flußmittel

Bindemittel
(Wasserglas)

Haltbarkeit der Kokillen

Anzahl
von Einfüllungen

% zu den
nicht verfestigten
Kokillen

Qualität der
Arbeitsfläche
von Kokillen

20

74,7

0.8

58

120

metallische

Portsetzung

Lfd. Nr.

Bestundteile der Paste in Gew.% Haltbarkeit der Kokillen

Korund

Nickel

Flußmittel

Bindemittel (Wasserglas)

Anzahl von Einfullungen

% zu den nicht verfestigten Kokillen

Qualität der Arbeitsfläche von Kokillen

50

70

44,7

24.7

0,8

o.s

136

50

300

106

reine ebene
metallische
Oberfläche

es gibt Stellen, mit nicht
assimilierter
Paste

Wie aus der Tabelle ersichtlich, wird bei einem (JchaIt an Korund von weniger als 20% keine Erhöhung der Beständigkeit der verfestigten Oberflächenschicht der Kokillen gegen das Auswaschen mit flüssiger Legierung erzielt, und bei einem Gehalt an Korund von 70% ist die Bildung dieser Schicht erschwert.

Bei Untersuchungen von verschiedenen zur Behandlung von korundhaltigen Pasten bestimmten Flußmitteln wurde als Flußmittelgrundlage ein Gemisch der Salze des Natriumchlorids (NaCI) und des Kaltumchlorids (KCl) in einem Gewichtsverhältnis von I : 1, die die Schmel/barkeit und die Zähflüssigkeit des Flußmittels bestimmen, und 10% Zinkchlorids (ZnCL-) zur Senkung der Schmelztemperatur des Flußmittels verwendet.

Als Aktiuerungszuschläge wurden Natriumfluoborat (NaBF₄) und Cäsiumfluorid (CsF) verwendet.

Die Ergebnisse der Einwirkung der genannten Zuschläge auf den Randwinkel »Q« der Benetzung der

Γ U31C WCl UCI

und 5) gezeigt, auf denen auf der Ordinatenachse die Werte des Randwinkels »Q« der Benetzung der Paste aufgetragen sind. Auf der Abszissenachse in Fig.4 ist der prozentuale Anteil an Natriumfluoborat (NaBF₄) im Flußmittel und in Fig. 5 der prozentuale Anteil an :<i ί'iisiuml'iuorid((. sH)im HiilJmittel autgetragen.

Die Kurven /\ (F i g. 4) und S(F i g. 5) zeigen, daß der optimale prozentuale Anteil an Zuschlägen (schraffierte Bereiche), die die Benetzbarkeit der korundhaltigen Gußpaste verbessern, in einem Bereich von 5 bis 8% für

2ϊ Natriumfluoborat (NaBF₄) und von 8 bis 10% für Cäsiumfluorid (CsF) liegt.

Ein hoher Anteil an Zuschlagen vermindert stark die Qualität der verfestigten Oberflächenschicht der Abgüsse wegen einer beträchtlichen Ausscheidung von BFj bei

to Zersetzung von NaBF₄ oder ist wenig wirksam, was aus der graphischen Darstellung in Fig. 5 für CsF zu ersehen ist.

Eine gemeinsame Wirkung der Zuschläge NaBF₄ und CsF. die in Fig. 6 durch die Kurve »E« angedeutet ist.

ü gewährleistet ein gutes zeitbezogenes Zerfließen (Winkel 0 ) (t_s) von heißen Gußeisentropfen auf der Oberfläche der korundhaltigen Paste, was aufgrund

Schlüsse mit dem Flußmittel erfolgt.
Zum Vergleich der Benetzbarkeitswerte sind in F i g. 6 die Kurve »C« für eine Paste ohne Flußmittel und die Kurve »D« für eine Paste ohne Aktivierungszuschläge angeführt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Gußstücken mit erosionsbeständiger Oberflächenschicht in Sandformen, insbesondere von gußeisernen Kokillen für Anoden aus Nickellegierungen, wobei, auf die Gießformoberfläche eine Paste aus körnigem Korund mit Wasserglas aufgetragen und vor dem Eingießen des Gußeisens getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Oberflächenschicht eine Paste verwendet wird, die