DE3713966C1

DE3713966C1 - Method for controlling the solidification and cooling conditions for cast iron castings

Info

Publication number: DE3713966C1
Application number: DE19873713966
Authority: DE
Inventors: Helmar Dr-Ing Lindscheid; Diethard Dr-Mont Schock
Original assignee: Sulzer AG; Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1987-04-25
Publication date: 1988-08-18
Also published as: CH672604A5

Abstract

Cooling blocks (2) are employed as cooling elements for controlled cooling of a cast-iron melt or casting (1). As an additional component in a jacket (3) of high thermal conductivity, these blocks contain a material (4) which melts or solidifies between 650 and 800@C. The heat of fusion of the material (4) additionally absorbed by this component of the cooling block (2) accelerates the cooling of the cast-iron melt and of the casting (1) in the overheating and solidification range. The heat of solidification given off by the fused component (4) - aluminium or a copper/tin alloy for example - during the process of further cooling delays the cooling of the casting (1) in the eutectoid transformation range at about 690 to 750@C and therefore makes possible the formation of a ferritic structure in the casting (1). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Erstarrungs- und Abkühlungsbedingungen für Gußstücke aus Gußeisen, insbesondere aus Sphärogußeisen, für die die Schmelze in kalte, d. h. auf Temperaturen unterhalb der eutektoiden Umwandlungstemperatur des Gußstückes gehal tene Formen abgegossen wird, wobei die Abkühlungsge schwindigkeit durch den Einsatz von Kühlsteinen (Kokillen) beschleunigt wird.The invention relates to a method for controlling the Solidification and cooling conditions for castings Cast iron, in particular made of ductile iron, for which the Melt into cold, d. H. to temperatures below the eutectoid transition temperature of the casting tene molds is poured, the cooling speed through the use of cooling stones (Mold) is accelerated.

Bei der Herstellung von Gußstücken aus Gußeisen, insbesondere aus Sphärogußeisen, ist es üblich, die Abkühlungs- und Erstarrungsbedingungen in bestimmten Bereichen gesteuert zu beeinflussen, um dem Gußstück bei der Erstarrung die Überhitzungs- und Erstarrungs wärme möglichst schnell zu entziehen. Zum einen sollen damit die Erstarrungszeiten bei unterschiedlichen Wand dicken einander angeglichen werden, um Fehler durch Lunker zu vermeiden; zum zweiten wird damit ein fein körniges Gefüge angestrebt, um die mechanischen Eigen schaften zu beeinflussen.When making cast iron castings, especially made of ductile iron, it is common to use the Cooling and solidification conditions in certain Areas controlled to influence the casting in the case of solidification, the overheating and solidification to withdraw heat as quickly as possible. On the one hand thus the solidification times for different walls thick to be matched to each other by mistakes Avoid cavities; the second is a fine granular structure aimed at the mechanical inherent influence.

Der eine Weg dieser Beeinflussung - siehe z. B. DE-PS 32 16 327 - besteht in einer aktiven Kühlung, bei der ein durch Kühlschlangen fließendes Kühlmittel die zu beeinflussenden Bereiche der Gußstücke bzw. der Schmelze kühlt. Nach Ablauf der Erstarrung kann bei dieser Art der Kühlung die Kühlleistung jedoch nicht beliebig gedrosselt werden, wenn die Kühleinrichtung nicht gefährdet werden soll. Der Bereich der eutektoiden Umwandlung des Guß eisens, der je nach Silizium-Gehalt bekanntlich zwischen 690 unmd 750°C liegt, wird daher ebenfalls mit relativ hoher Abkühlungsgeschwindigkeit "durchlaufen", was statt zu einem erwünschten überwiegend ferritischen Gefüge zu erheblichen Mengen an Perlit führt.The one way of this influence - see e.g. B. DE-PS 32 16 327 - consists of active cooling, in which a coolant flowing through cooling coils influencing areas of the castings or the melt cools. After the solidification process, this type of Cooling, however, does not throttle the cooling performance arbitrarily if the cooling device is not endangered should. The area of eutectoid cast transformation iron, which, depending on the silicon content, is known to be between 690 and 750 ° C is therefore also relative high cooling rate "go through" what is taking place to a desired predominantly ferritic structure leads to significant amounts of pearlite.

Eine zweite Methode der "gesteuerten" Kühlung einzelner Bereiche eines Gußstückes (siehe z. B. "Taschenbücher für das Gießereiwesen," Band IV "Grauguß" von Heinrich Poetter, Berlin 1954, Seite 82/83) besteht darin, an die zu beeinflussenden Bereiche Kühlsteine (Kokillen) anzu legen, die beispielsweise in die die Schmelze aufnehmende Form eingebracht werden. Überlicherweise bestehen diese Kühlsteine oder Kokillen, die unterschiedliche Größen und Dicken haben können, aus Graphit oder Eisen. Sie nehmen die ihnen von der Schmelze oder dem Gußstück zufließende Wärme auf, wobei die Art ihres Werkstoffes und ihr Volumen die Erstarrungsgeschwindigkeit bestimmen, die umso größer ist, je größer die Kühlsteine sind. Da die Wärmeaufnahme und -abfuhr eingebauter Kühlsteine nicht beeinflußbar ist, kann jedoch auch bei dieser Kühlmethode der Bereich der eutektoiden Umwandlung mit hoher Geschwindigkeit "durcheilt" werden, was wiederum zu einem vorwiegend perlitischen Gefüge im Gußstück führt.A second method of "controlled" cooling of individuals Areas of a casting (see, for example, "Paperbacks for the foundry, "Volume IV" gray cast iron "by Heinrich Poetter, Berlin 1954, pages 82/83) consists of the areas to be influenced cooling stones (molds) place, for example, in the melt receiving Form are introduced. These usually exist Cooling stones or molds of different sizes and can have thicknesses of graphite or iron. they take them from the melt or the casting inflowing heat, the nature of their material and their volume determine the rate of solidification, the bigger the bigger the cooling stones are. There the heat absorption and dissipation of built-in cooling stones can not be influenced, but can also with this Cooling method using eutectoid conversion be "rushed" at high speed, which in turn leads to a predominantly pearlitic structure in the casting.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlverfahren zu schaf fen, bei dem die Abfuhr der Überhitzungs- und Erstar rungswärme beschleunigt erfolgt, die Abkühlung im Bereich der eutektoiden Umwandlung des Gußstückes jedoch verlangsamt ist. Dadurch soll beispielsweise die Ausbil dung eines ferritischen Gefüges erreicht werden.The object of the invention is to provide a cooling method fen, where the removal of overheating and solidarity heat is accelerated, cooling in the area the eutectoid transformation of the casting, however is slowed down. This should, for example, the training a ferritic structure can be achieved.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Erstarrung der Gußeisen- Schmelze durch Aufschmelzen eines Bestandteils des Kühlsteines beschleunigt und die Abkühlung im Bereich der eutektoiden Umwandlung durch die beim Wiedererstarren des Kühlsteinbestandteils freiwerdende Erstarrungswärme verzögert wird.According to the present invention, this object solved in that the solidification of the cast iron Melt by melting part of the The cooling stone accelerates and the cooling in the area of eutectoid conversion by the re-solidification of the Solidification heat released from the cooling stone is delayed.

Bei diesem Verfahren nimmt der aufzuschmelzende Bestand teil des Kühlsteines oder der Kokille zunächst bis zu seiner Schmelztemperatur seine spezifische Wärme auf; für sein Aufschmelzen benötigt man seine Schmelzwärme. Ist er dann aufgeschmolzen, so wird er bis zum Temperaturgleich gewicht zwischen ihm und dem Gußstück überhitzt. Durch die zusätzlich aufzubringende Schmelzwärme wird dabei die Erstarrung der Gußstück-Schmelze beschleunigt.In this process, the stock to be melted takes on part of the cooling stone or the mold up to its specific heat at its melting temperature; For its melting requires its heat of fusion. Is he then melted, so it is equal to the temperature weight between him and the casting overheated. By the additional heat of fusion to be applied becomes the Solidification of the casting melt accelerates.

Bei weiterer Abkühlung des Gußstückes erstarrt der aufgeschmolzene Kühlstein-Bestandteil wieder und gibt seine Erstarrungswärme an das Gußstück ab. Da sein Schmelzpunkt mindestens annähernd im Bereich der eutektoiden Umwandlung des Gußwerkstoffes liegt, wird durch die freiwerdende Erstarrungswärme diese eutektoide Umwandlung verzögert, so daß ein weitgehend ferritisches Gefüge entsteht.When the casting is cooled further, the melted cooling stone component again and gives its heat of solidification from the casting. To be there Melting point at least approximately in the range of eutectoid conversion of the cast material is due to the released heat of solidification this eutectoid Conversion is delayed, so that a largely ferritic Structure arises.

Ein Kühlstein zur Durchführung des neuen Verfahrens ist daher dadurch gekennzeichnet, daß er in seiner Umhüllung einen Werkstoff enthält, dessen Schmelzpunkt in einem Temperaturbereich zwischen 650 und 800°C liegt. A cooling stone is used to carry out the new process therefore characterized in that it is in its wrapping contains a material whose melting point is in one Temperature range is between 650 and 800 ° C.

Beispielsweise haben sich für Gußstücke aus Sphäroguß eisen als schmelzende Kühlstein-Bestandteile Aluminium oder eine Kupfer/Zinn-Legierung bewährt. Bei einer derartigen Legierung kann der Schmelzpunkt in gewissem Umfang verändert werden, wobei eine Erhöhung des Kupfer anteils den Schmelzpunkt erhöht und umgekehrt; für eine Legierung mit etwa 70 Gew.-% Kupfer erhält man beispiels weise einen Schmelzpunkt von etwa 750°C.For example, have been chosen for castings from nodular cast iron iron as melting cooling stone components aluminum or a copper / tin alloy has proven itself. At a Such an alloy can have a melting point in certain Scope can be changed, increasing the copper proportionally increases the melting point and vice versa; for one Alloy with about 70 wt .-% copper is obtained for example have a melting point of about 750 ° C.

Als Umhüllung für diesen Kühlstein-Werkstoff eignen sich vor allem Stoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Graphit, Grauguß, Stahl oder Kupfer.Suitable as a covering for this cooling stone material especially fabrics with high thermal conductivity, such as. B. Graphite, cast iron, steel or copper.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs beispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläu tert.The invention based on an embodiment example in connection with the drawing tert.

Fig. 1 zeigt schematisch und teilweise im Schnitt ein Gußstück mit daran angesetztem Kühlstein, wobei die beiden Teile umgebende Sandform sowie gieß technisch notwendige Elemente, wie Einguß- und Steigerkanäle, weggelassen worden sind; Fig. 1 shows schematically and partially in section a casting with a cooling stone attached to it, the two parts surrounding sand mold and casting technically necessary elements, such as sprue and riser channels, have been omitted;

Fig. 2 gibt in einem Diagramm die Temperatur-Verläufe in Abhängigkeit von der Zeit wieder, die an ver schiedenen Stellen der Anordnung nach Fig. 1 gemessen worden sind. Fig. 2 shows in a diagram the temperature curves as a function of time, which have been measured at different points in the arrangement of FIG. 1.

Das zu kühlende Gußstück 1 (Fig. 1) hat eine quadrati sche Grundfläche und steht in direktem Kontakt mit einem Kühlstein 2, der rechteckig ist. Dieser setzt sich zusammen aus einer Graphitumhüllung 3 und einer Alumimium-Füllung 4, die mit ihrem Schmelzpunkt von 660°C als schmelzender und erstarrender Bestandteil dient. The casting to be cooled 1 ( Fig. 1) has a quadrati cal base and is in direct contact with a cooling stone 2 , which is rectangular. This consists of a graphite coating 3 and an aluminum filling 4 , which, with its melting point of 660 ° C., serves as a melting and solidifying component.

Der Kühlstein 2 ist in seiner Grundfläche größer als das zu kühlende Gußstück 1, um eine mit einem Keramikrohr 5 versehene Expansionsöffnung 6 für die Volumenänderungen beim Aufschmelzen bzw. Erstarren der Aluminium-Füllung 4 zu schaffen; gleichzeitig stellt die Expansionsfüllung 6 eine optimale Füllung der Graphit-Umhüllung 3 sicher.The cooling stone 2 is larger in its base area than the casting 1 to be cooled, in order to create an expansion opening 6 provided with a ceramic tube 5 for the volume changes when the aluminum filling 4 melts or solidifies; at the same time, the expansion filling 6 ensures an optimal filling of the graphite coating 3 .

Die beschriebene Anordnung ist für den Abguß des Versuchs-Gußstückes 1 in furanharzgebundenem Formsand geformt worden, der diese Anordnung in gleichmäßiger Schichtdicke umschlossen hat.The arrangement described has been molded for casting the test casting 1 in furan resin-bonded molding sand, which has enclosed this arrangement in a uniform layer thickness.

Als Gußwerkstoff dient GGG-40 (nach DIN 1963; Werkstoff-Nr. 07 040), welcher bei einer in der Form ge messenen Gießtemperatur von 1380°C und einer Gießzeit von 10 sec vergossen worden ist.GGG-40 (according to DIN 1963; Material number. 07 040), which is ge in the form measured casting temperature of 1380 ° C and a casting time of 10 sec has been shed.

Zur Messung der Temperaturverläufe sind im Gußstück 1 und im Kühlstein 2 Keramikrohre 7 bis 9 für die Aufnahme von Thermoelementen (Pt/Rh 10%-Pt) vorgesehen. Das Element im Rohr 7 erfaßt dabei den Temperaturverlauf in der Mitte des Gußstückes 1; dasjenige im Rohr 8 mißt die Temperaturen in der Nähe des Randes des Gußstückes 1, während für die Messung der Temperaturen in der Mitte der Aluminium-Füllung 4 ein Thermoelement im Rohr 9 dient.To measure the temperature profiles, ceramic tubes 7 to 9 are provided in the casting 1 and in the cooling stone 2 for receiving thermocouples (Pt / Rh 10% -Pt). The element in the tube 7 detects the temperature profile in the middle of the casting 1 ; that in the tube 8 measures the temperatures near the edge of the casting 1 , while a thermocouple in the tube 9 is used to measure the temperatures in the middle of the aluminum filling 4 .

In Fig. 2 sind die Temperatur-Verläufe von den einzelnen Meßstellen 7 bis 9 - jeweils als Mittelwert aus mehreren Messungen - wiedergegeben, wobei auf der Ordinate dieses Diagramms die Temperatur T in °C und auf der Abszisse die Zeit t in Minuten aufgetragen sind.In FIG. 2, the temperature profiles are from the individual measuring points 7 to 9 - in each case as the average of several measurements - reproduced, wherein on the ordinate of this diagram, the temperature T in ° C and the abscissa represents time t in minutes.

Die Kurven 7 und 8 zeigen den zunächst beschleunigten Temperaturabfall in der Gußeisenschmelze und deren rasche Erstarrung. Gleichzeitig wird dabei die Aluminium-Füllung 4 aufgeheizt, aufgeschmolzen und auf eine maximale Temperatur von etwa 800°C überhitzt. Nach Erreichen dieser maximalen Temperatur beginnt auch für die Aluminium-Füllung 4 eine Abkühlung, wobei nach etwa 180 Minuten die Erstarrung des Aluminiums beginnt, dessen Erstarrungswärme dem Gußstück 1 zugeführt wird.Curves 7 and 8 show the initially accelerated temperature drop in the cast iron melt and its rapid solidification. At the same time, the aluminum filling 4 is heated, melted and overheated to a maximum temperature of about 800 ° C. After this maximum temperature has been reached, cooling also begins for the aluminum filling 4 , the solidification of the aluminum beginning after about 180 minutes, the heat of which being solidified being supplied to the casting 1 .

Dessen Abkühlung wird dadurch über einen Zeitraum von 1 bis 2 Stunden erheblich verlangsamt, was bei der eutektoiden Umwandlung das gewünschte ferritische Gefüge des Gußstückes 1 ergibt.Its cooling is thereby slowed considerably over a period of 1 to 2 hours, which results in the desired ferritic structure of the casting 1 in the eutectoid transformation.

Claims

1. A method for controlling the solidification and cooling conditions for castings from cast iron, in particular from spheroidal cast iron, for which the melt is poured into cold molds, ie molds kept at temperatures below the eutectoid conversion temperature of the casting, the cooling rate being determined by the use is accelerated by cooling bricks (molds), characterized in that the solidification of the cast iron melt accelerates the cooling block (2) by melting of a component (4) and the cooling in the field of eutectoid transformation released by the on re-solidify this Kühlstein component (4) Solidification heat can be delayed.

2. cooling stone for performing the method according to claim 1, characterized in that it contains in its casing ( 3 ) a material as a component ( 4 ) whose melting point is in a temperature range between 650 and 800 ° C.

3. Cooling stone according to claim 2, characterized in that the covering ( 3 ) consists of a material of high thermal conductivity.

4. cooling stone according to claim 2 or 3, characterized in that the melting and solidifying component ( 4 ) of the cooling stone ( 2 ) is aluminum or a copper / tin alloy.