DE3431263A1 - Verfahren zur behandlung von gusseisenschmelzen mit siliciumcarbid - Google Patents
Verfahren zur behandlung von gusseisenschmelzen mit siliciumcarbidInfo
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Description
Verfahren zur Behandlung von Gußeisenschmelzen mit Siliciumcarbid
Die Verwendung von Siliciumcarbid zur Behandlung von Gußeisenschmeizen,
wie zum AufsiXizieren, Aufkohlen, Desoxidieren
und Impfen ist seit langem Stand der Technik (vgl. US-A-2020171, DE-C-2215266 und DE-A-2746478).
Hierfür wird üblicherweise sogenanntes metallurgisches Siliciumcarbid eingesetzt, dessen SiC-Gehalt im Bereich
von etifiä 85 - 95 Gew.-% variiert und das von der Herstellung
her noch, etwa 2-5 Gew.-% freien Kohlenstoff und etwa 2-3 Gqw.-% Siliciumdioxid aufweist, das in Form
von Körnungen im Bereich bis zu 20 mm mit einem Maximum der Kornverteilung von <
10 mm im Handel verfügbar ist.
Die Verwendung von metallurgischem Siliciumcarbid als Legierungsmittel
hat einen positiven Einfluß auf die Qualität des Gußeisens, da während des Aufsilizierens eine Vorimpfung
der Schmelze eintritt und dieser Vorimpfeffekt nur langsam abklingt. Er äußert sich in einer geringen Unterkühlung der
Schmelze, einer Erhöhung der Zahl eutektische^ Körner, einer günstigen Verteilung und Ausbildung des Graphits und einer
verminderten Neigung zur Weiß- bzw. verstärkten Neigung zur Grauerstarrung. Die Folge ist eine Verbesserung der Festigkeitseigenschaften,
der ralativen Härte und der gleichmäßigen Güte der Gußwerkstoffe (vgl. Untersuchungen von K. H. Caspers
in "Gießerei", Bd. 59 (1972), S. 556-559 und zusammenfassend^ Darstellung von Th. Benecke in "Gießerei", Bd. 68
(19^1), S. 344-349).
- r-
.3. . f 3A31263
Über die Ursachen der Impfwirkung des metallurgischen
Siliciumcarbids und deren Langzeiteffekt ist praktisch nichts bekannt. Aus vergleichenden Untersuchungen von
R. L. Doelmann und Mitarbeitern in "Gießerei-Praxis", Nr. 12 (1981), S. 205-212 scheint zwar hervorzugehen,
daß mit 80 %igem Siliciumcarbid ein Gußeisen mit besseren Eigenschaften erzeugt werden kann als mit 90 %igem Siliciumcarbid,
was die Autoren mit dem höheren Kohlenstoffgehalt (7,2 %) in Form von Graphit und thermisch behandeltem
Petrolkoks in dem 80 %igen Siliciumcarbid in Verbindung zu bringen versuchen.
Das ermöglicht jedoch nicht die gezielte Auswahl bestimmter metallurgischer SiC-Sorten, die reproduzierbar zu jeweils
gleichen Ergebnissen unter jeweils gleichen Schmelzbedingungen führen, da die einzelnen Faktoren, die bei Einsatz
von SiC für die Keimbildung in der Schmelze verantwortlich sind, nach wie vor unbekannt sind.
Es stellt sich somit die Aufgabe der Auswahl eines Siliciumcarbids
für die Behandlung von Gußeisenschmelzen, das so beschaffen sein muß, daß es die Keimbildung in der Gußeisenschmelze
gezielt zu steuern vermag, ohne daß hierzu eine aufwendige Vorsortierung handelsüblicher metallurgischer
SiC-Qualitäten erforderlich ist, die von der Herstellung
her jeweils unterschiedliche Mengen an Begleitstoffen enthalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein
SiC verwendet wird, das vor dem Einbringen in die Gußeisenschmelze
einer oxidierenden Behandlung unterzogen worden ist, derart, daß die einzelnen Siliciumcarbidkörner teilweise
mit einer Siliciumdioxid enthaltenden Hülle umgeben sind.
Für das erfindungsgemäß zu verwendende Siliciumcarbid ist
es entscheidend, daß die einzelnen SiC-Körner nicht vollständig mit einer gleichmäßig dicken Siliciumdioxid enthaltenden
Schicht umgeben sind, sondern daß diese Schicht an einzelnen Stellen der Kornoberfläche unterbrochen ist,
d.h. an diesen Stellen entweder vollständig fehlt oder nur sehr dünn ist. Das kann beispielsweise dadurch erreicht
werden, daß ein Siliciumcarbid in körniger Form in ruhender oder bewegter Schüttung einer oxidierenden Atmosphäre, wie
Luft, Sauerstoff oder Wasserdampf, bei Temperaturen im Bereich von 900 0C - 1.600 0C ausgesetzt wird. Dabei werden
die einzelnen Körner an den freien Oberflächen unter Bildung der SiO„-Schicht oxidiert und gleichzeitig agglomeriert,
Die Agglomerate werden anschließend einer schonenden Zerkleinerung unterzogen zur Freilegung der Siliciumcarbidoberflachen,
die durch die Agglomeratbildung dem oxidativen ÄHgriff ganz öder teilweise entzogen warfen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Siliciumcarbid mit Korngrößen von 0,5 mm und feiner,
insbesondere im Bereiph von 0,1 mm bis 0,5 mm, und einem SiC-Gehalt von mindestens 95 Gew.-% in ruhender Schüttung
unter Verwendung von stömender Luft bei Temperaturen von
1.250 0C - 1.300 0C der oxidierenden Behandlung unterzogen.
Unter diesen Bedingungen können in Abhängigkeit von der Zeit Schichtdicken der Siliciumdioxid enthaltenden Hülle
bis etwa 15 μΐη, insbesondere im Bereich 0,5.μΐη bis 5 μπι,
erzeugt werden. Der Oxidationsgrad kann dabei aus der Abnahme des ursprünglichen SiC-Gehaltes ermittelt werden.
Die anschließende Zerkleinerung unter schonenden Bedingungen kann beispielsweise in einem Mörser vorgenommen
werden. Unter schonenden Bedingungen ist hierbei zn verstehen,
daß nur die agglomerierten Körner getrennt, nicht aber die Körner selbst weiter zerkleinert werden, so daß
die prsprünglich eingesetzten Korngrößen praktisch unverändert
bleiben. Durch diese gezielte Vorbehandlung wird ein Siliciumcarbid von genau definierter Beschaffenheit
erhalten, dessen Impfwirkung mit Langzeiteffekt in Gußeisenschmelzen
mit unterschiedlichem Sättigungsgrad nachgewiesen wurde, wie in den folgenden Beispielen näher
erläutert. Als Gußeisenschmelzen wurden dabei solche von hoher Reinheit verwendet, die naturgemäß besonders keimarm
sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf diese
bevorzugte Ausführungsform beschränkt, sondern es liegt im Rahmen der Erfindung, daß sowohl die Parameter für die
oxidierende Behandlung, als auch für das Siliciumcarbid, das dieser Behandlung unterzogen wird, in breitem Rahmen
variiert werden können.
Das Einbringen des erfindungsgemäß vorbehandelten Siliciumcarbids
in die Gußeisenschmelze kann in üblicher bekannter Weise vorgenommen werden, wie durch Zugabe im Schmelzaggregat
, im und vor dem Warmhalteaggregat oder im Vorherd oder durch Zugabe zu der Gattierung vor dem Aufschmelzen.
Ferner kann es sowohl in Form einer losen Körnung als auch in Form von Pellets oder Briketts eingesetzt werden, die
in üblicher bekannter Weise kompaktiert worden sind.
-L-
Herstellung eines vorbehandelten Siliciumcarbids:
Als Ausgangsmaterial wurde kristallines Siliciumcarbid mit einem SiC-Gehalt von 98,5 Ge.w.-%, einem SiO2~Gehalt
von 0,26 Gew.-% und einer Korngröße von 0,1 - 0,5 mm
verwendet, das frisch aufgemahlen und abgesiebt worden
Dieses SiC wurde als lose Schüttung in einem elektrisch
beheizten Rohrofen untergebracht und bei 1.250 0C 1,300
0C unter leichtem Unterdruck (0,4 - 0,6 Bar)in
strömender Luftatmosphäre 72 Stunden oxidiert. Nach dem Abkühlen wurde das agglomerierte Produkt aus dem Ofen
entnommen und durch schonendes Brechen in einem Mörser zerkleinert.
Nach der Oxidation betrug der SiOGehalt 9 3,9 Gew.-% und
der SiO2-Gehalt 4,6 Gew.-%. Der Oxidationsgrad, d.h. der
Prozentsatz an oxidiertem SiC, errechnet aus der Abnahme des SiC-Gehalts und entsprechend der Zunahme des SiO--Gehaltes,
betrug somit 3 %. Die Schichtdicke der SiO2-Umhüllung
betrug maximal 5 μπι.
Die Erzeugung der teilweisen SiO2-Umhüllung der SiC-Körner
ist in Figur 1a - c schematisch dargestellt.
Figur 1a zeigt die SiC-Körner vor der Oxidation: 1 sind die Berührungsstellen der Körner;
Figur 1b zeigt die SiC-Körner nach der Oxidation: 2 ist die erzeugte SiO^-Schicht;
Figur 1c zeigt die SiC-Körner nach dem schonenden Brechen: 2 ist die erzeugte SiO„-Schicht, die durch freigelegte
Oberflächen an den Stellen 3 untex-brochen ist,
Einsatz des nach Beispiel 1 vorbehandelten Siltciumcarbids
zum Vorimpfen von Gußeisenschmelzen im Vergleich zu unbehandeltem SiC:
Die Schmelze enthielt jeweils 2 Gew.-% Si.
Zugabe des Si-Trägers entweder im Kalteinsatz oder durch
Einrühren bei 1.350 0C.
Sofern nicht anders angegeben, Sättigungsgrad (Sc) der Schmelze = 0,91 %, = C-Gehalt der Schmelze 3,3 Gew.-%.
S-Gehalt der Schmelze = 0,03 5 Gew.-%.
Korngröße des SiC: unbehandelt 0-1 mm
vorbehandelt 0,1 - 0,5 mm.
Einsatz im kalten Tiegel: Reinsteisen (99,9 Gew.-% Fe), Graphit (99,99 Gew.-% C) , Eisensulfid (>
99 Gew.-% FeS) .
Aufheizen, Schmelzen, Halten in einem elektrisch beheizten Tiegelofen unter CO-Gasschleier:
1. Aufheizen mit 70 - 80 °C/min bis
2. 1.350 0C: 2 min Rühren bzw. Einrühren der Si-Träger
und je nach Beispiel Halten oder
3. Weiteraufheizen mit 50 - 60 °C/min bis 1.500 0C: Halten;
4. Abkühlen der Schmelze im Tiegel mit 25 - 30 °C/min.
Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1-3 zusammengestellt. Wie hieraus ersichtlich, ist der verbesserte Vorimpfeffekt
des erfindungsgemäß vorbehandelten SiC im Vergleich zu unbehandeltem
SiC deutlich nachweisbar. Er äußert sich in einer
— t ^
geringeren eutektischen Unterkühlung, Vergrößerung der Zahl
der eutektischen Körner, Verbesserung der Graphitausscheidung in Form von Α-Graphit und insbesondere in einer beträchtlichen
Verbesserung der Neigung zur Grauerstarrung.
Zum weiteren Vergleich wurde ein handelsübliches FeSi 75 Ca herangezogen.
Vorimpfeffekt von vorbehandeltem SiC im Vergleich zu unbehandeltem SiC in Abhängigkeit vom
Sättigungsgrad nach 10 min Halten bei 1.500 0C;
Einsatz der Si-Träger im kalten Tiegel.
Vorimpfeffekt | Sc = 0,85 | SiC vorbe handelt |
Sc - 0,91 | SiC vorbe handelt |
Sc = 0,96 | SiC vorbe handelt |
eutekt. Unterkühlung Δ Τ (K) Zahl eutekt. Körner Z (cm"2) Graphit-Anordnung % A % B % D % E Perlit (Vol.-*) Ferrit " |
SiC unbe- handelt |
5,5 74 30 - 40 0 Z10 60 - 70 100 0 |
SiC unbe- handelt |
2 77 50 - 60 0 ~10 30 - 40 100 0 |
SiC unbe- handelt |
1,5 66 60 - 70 ~10 10-20 100 0 |
17,5 38 20 - 30 0 10 - 20 50 - 60 100 0 |
12,5 41 40 - 50 0 10 - 20 40 - 50 100 0 |
9,5 40 50 - 60 0 10 - 20 30 - 40 100 0 |
Vorimpfeffekt von vorbehandeltem SiC im Vergleich zu unbehandeltem SiC nach 6 0 min
Halten bei 1 .500 0C;
Einrühren der Si-Träger bei 1.350 0C.
Vorimpfeffekt | SiC unbehandelt | SiC vorbehandelt |
eutekt. Unterkühlung | ||
Δ Τ (K) | 17,5 | 7,5 |
Zahl der eutekt. Körner | ||
Z (cm"2) | 4,4 | 29 |
Graphitanordnung: | ||
% A % B % D % E |
<10 0 50 - 60 40 - 50 |
20 - 30 < 5 20 - 30 50 - 60 |
Perlit (Vol.-%) | <-^ 95 | 90 - 95 |
Ferrit " | ^j 5 | 10-5 |
NJ CD CO
Abschreckversuch für die Ermittlung der Neigung zur Grauerstarrung durch vorbehandeltes
SiC im Vergleich zu unbehandeltem SiC und FeSi 75 Ca in Abhängigkeit von der Haltezeit bei 1.500 0C und 1.350 0C;
Einrühren der Si-Träger bei 1.350 0C.
Einrühren der Si-Träger bei 1.350 0C.
Haltezeit | FeSi | 75 Ca | Anteil | SiC | Grauerstarrung | (Vol. | -%) |
(min) | 1 . | ** \ | 0C | unbehandelt | SiC | ||
0 | 500 | vorbehandelt | |||||
10 | 0 | 0 | |||||
30 | 0 | 0 | 100 | ||||
60 | 1 . | 0C | 0 | 90 | |||
60 120 |
350 | 25 - | |||||
40 - 20 - |
|||||||
- 30 | |||||||
- 50 - 30 |
*) Ansaugen der Schmelze mittels Quarzrohr, 14 mm 0, bei 1.280 - 1.300 0C : 10 see
Halten an Luft, dann Tauchen in Wasser. **) 72,3 Gew.-% Si; 1,1 Gew.-% Al; 1,1 Gow.-% Ca.
KJ CD GJ
7*.
Leerseite
Claims (3)
1. Verfahren zur Behandlung von Gußeisenschmelzen mit
Siliciumcarbid,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Siliciumcarbid verwendet wird, das vor dem
Einbringen in die Gußeisenschmelze einer oxidierenden Behandlung unterzogen worden ist, derart, daß die
einzelnen Siliciumcarbidkörner teilweise mit einer Siliciumdioxid enthaltenden Hülle umgeben sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Siliciumcarbid in körniger Form in ruhender oder bewegter Schüttung einer oxidierenden Atmosphäre
bei Temperaturen im Bereich von 900 0C bis 1.600 0C
ausgesetzt wird, die gebildeten Agglomerate anschließend einer schonenden Zerkleinerung unterzogen werden zur
Freilegung der Siliciumcarbidoberflachen, die durch die Agglomeratbildung dem oxidativen Angriff ganz oder
teilweise entzogen waren und das so vorbehandelte Siliciumcarbid in die Gußeisenschmelze eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Siliciumcarbid mit Korngrößen von 0,5 mm und feiner und einem SiC-Gehalt von mindestens 9 5 Gew.-%
in ruhender Schüttung einer strömenden Luftatmosphäre
bei Temperaturen von 1.250 0C bis 1.300 0C bis zur Bildung
einer Schichtdicke der Siliciumdioxid enthaltenden Hülle von bis zu 15 μ.χη ausgesetzt wird, die agglomerierten
Körner anschließend unter schonenden Bedingungen getrennt und dann in die Gußeisenschmelze eingebracht
werden.
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