DE3809315A1

DE3809315A1 - Impflegierung auf basis von ferrosilicium oder silicium, verfahren zu ihrer herstellung und ihre verwendung

Info

Publication number: DE3809315A1
Application number: DE19883809315
Authority: DE
Inventors: Heinz Bruckmann; Hans Juergen Veutgen
Original assignee: SKW Trostberg AG; Goetze GmbH
Current assignee: Goetze GmbH; Evonik Operations GmbH
Priority date: 1988-03-19
Filing date: 1988-03-19
Publication date: 1989-10-05

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Impflegierungen auf Basis von Ferrosilicium oder Silicium zur Herstellung von Gußeisen mit Lamellen-, Kompakt- oder Kugelgraphit sowie Verfahren zur Herstellung dieser Impflegierungen und ihre Verwendung.

Gußeisen enthält neben Silicium als Hauptlegierungselement Kohlenstoff in einer Menge von 2 bis 4%. Durch die Verwendung bestimmter ferrosiliciumhaltiger Modifikationslegierungen oder Magnesium gelingt es, den Kohlenstoff in lamellaren, kompakten oder kugeligen Graphit zu überführen. Dieser in unterschiedlicher Modifikation vorliegende Graphit wirkt sich sehr stark auf die Festigkeit, Zähigkeit und Wärmeleitfähigkeit des Gußeisens aus. Zur weiteren Verbesserung dieser Eigenschaften können noch zusätzlich Impflegierungen eingesetzt werden, die als Keimbildner wirken. Ist die Anzahl an Keimbildnern zu gering und/oder die Abkühlungsgeschwindigkeit des flüssigen Eisens zu groß, so entsteht bevorzugt die frei ausgeschiedene intermetallische Verbindung Fe₃C, welche als Carbid oder Zementit bezeichnet wird und sich nachteilig auf die Eigenschaften des Gußeisens auswirkt. Durch die Zugabe von Impflegierungen unmittelbar vor dem Abgießen des Gußeisens kann die Ausscheidung dieser Carbide wirkungsvoll unterdrückt werden. Beim Impfen aber mit weniger aktiven Impfmitteln, wie Ferrosilicium, können in einem an und für sich gleichmäßig erstarrten Gefüge durch helle Flächen im Schliffbild erkennbare Störstellen mit erhöhtem Carbidgehalt bzw. Zementitgehalt auftreten, und zwar insbesondere bei dünnwandigen Gußstücken mit entsprechend hoher Abkühlungsgeschwindigkeit. Die Störstellen sind härter und spröder als die gleichmäßig erstarrten Gußeisenbereiche, es kann zu Schwierigkeiten bei der spanabhebenden Fertigbearbeitung der Gußstücke kommen und gelegentlich treten sogar dadurch bedingte Brüche der Werkstücke auf.

Aus der DE-PS 14 33 429 sind Impflegierungen auf Basis von Ferrosilicium bekannt, welche als impfwirksame Substanz Strontium in einer Menge von 1 bis 4% enthalten. Nachteilig bei diesen bekannten Impflegierungen sind die noch nicht befriedigende Unterdrückung der Carbidstörstellen sowie die technisch aufwendigen Verfahren zu ihrer Herstellung (vgl. bspw. DE-PS 15 08 273).

Wesentlich einfacher herstellbar sind die ferrosilicium- oder siliciumhaltigen Impflegierungen gemäß der DE-OS 34 33 610, welche einen Gehalt an Barium und/oder Zirkonium zwischen 0,1 und 10% sowie einen definierten Aluminium- und Calciumgehalt aufweisen.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, Impflegierungen auf Basis von Ferrosilicium oder Silicium für die Herstellung von Gußeisen mit Lamellen-, Kompakt- oder Kugelgraphit zu finden, welche eine weiter verbesserte Impfwirkung aufweisen und insbesondere die Bildung carbidhaltiger Störstellen in vor allem dünnwandigen Gußstücken noch besser unterbinden. Ihre Herstellung soll zugleich relativ kostengünstig sein.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß durch die Bereitstellung von Impflegierungen gelöst, welche gekennzeichnet sind durch einen Gehalt an

(a) Barium zwischen 0,1 und 15%
(b) Strontium zwischen 0,1 und 10%
(c) Aluminium mit weniger als 2,0%
(d) Calcium mit weniger als 2,5%.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß die erfindungsgemäßen Impflegierungen die Carbidausscheidung, und zwar gerade die Bildung carbidischer Störstellen, wirkungsvoll unterdrücken, wobei diese Wirkung durch die Legierungselemente Strontium und Barium zusammen größer ist, als es additiv von der bekannten Wirkung der einzelnen Elemente her zu erwarten gewesen wäre, d. h. es liegt überraschenderweise ein synergistischer Effekt vor.

Die Impflegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen im wesentlichen aus Silicium oder Ferrosilicium mit den üblichen technischen Verunreinigungen, wobei der Siliciumgehalt in der Ferrosiliciumlegierung zwischen 30 und 90% beträgt und vorzugsweise als handelsübliches FeSi 40, FeSi 75 oder FeSi 90 eingesetzt wird.

Neben diesen Hauptlegierungselementen weisen die erfindungsgemäßen Impflegierungen einen Bariumgehalt von 0,1 bis 15%, vorzugsweise 0,4 bis 2,0%, sowie einen Strontiumgehalt von ebenfalls 0,1 bis 10%, vorzugsweise 0,4 bis 2,0%, auf. Bei einem Gehalt von unter 0,1% dieser Elemente läßt die Impfwirkung der Legierung sehr stark nach, während oberhalb von 10% praktisch kein zusätzlicher Effekt mehr nachweisbar ist und folglich unwirtschaftlich wird.

Die Gehalte an Aluminium und Calcium in den Impflegierungen sollten möglichst niedrig sein. Der Aluminiumgehalt sollte unter 2,0%, vorzugsweise unter 1,0%, liegen und der Calciumgehalt unter 2,5%, vorzugsweise unter 0,4%.

Neben diesen erfindungswesentlichen Bestandteilen können die Impflegierungen zusätzlich noch weitere impfwirksame Elemente wie z. B. Magnesium bis zu 3% enthalten.

Die erfindungsgemäßen Legierungen kann man in technisch einfacher Weise herstellen, indem man Barium- bzw. Strontium in metallischer Form oder in Form von Vorlegierungen in die Ferrosilicium- bzw. Siliciumschmelze einbringt, wobei die Vorlegierungen vorzugsweise 5 bis 40% Barium und/oder Strontium enthalten.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der erfindungsgemäßen Legierungen besteht in der Zugabe einer Barium- und Strontiumverbindung in die Ferrosilicium- bzw. Siliciumschmelze, wobei die Reihenfolge der Zugabe unerheblich ist.

Als Barium- und Strontiumverbindungen sind prinzipiell alle Verbindungen geeignet, doch haben sich sauerstoffhaltige Verbindungen von Barium und Strontium als besonders vorteilhaft erwiesen, wobei insbesondere die Carbonate, Oxide, Hydroxide oder Sulfate eingesetzt werden. Die Menge der eingesetzten Verbindungen richtet sich im wesentlichen nach dem gewünschten Barium- bzw. Strontiumgehalt in der Legierung. Es kann vorteilhaft sein, zusätzlich zur Barium- bzw. Strontiumverbindung ein Reduktionsmittel einzusetzen. In der Praxis haben sich hierbei vor allem Erdalkalimetalle wie z. B. Calcium bzw. Magnesium oder Erdalkalimetall-Legierungen wie z. B. Calciumsilicium bzw. Ferrosiliciummagnesium bewährt. Das Gewichtsverhältnis von Barium- bzw. Strontiumverbindung hängt vom gewünschten Metallgehalt der betreffenden Elemente in der Impflegierung ab, wobei man das Reduktionsmittel in der Regel in stöchiometrischer bzw. unterstöchiometrischer Menge einsetzt.

Die Herstellung der Impflegierungen kann in den üblichen technischen Vorrichtungen wie z. B. Induktions- bzw. Niederschachtöfen erfolgen.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Impflegierungen, die in Mengen von 0,05 bis 1 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Gußeisens eingesetzt werden, sind gute keimbildende Eigenschaften bzw. gute Unterdrückung der Carbidausscheidung sowie technisch einfache und somit kostengünstige Herstellungsverfahren.

Im Sinne der Erfindung kann dabei das erfindungsgemäße Impfmittel auch zusammen mit anderen herkömmlichen Impfmitteln eingesetzt werden, wobei die erfindungsgemäße Impflegierung entweder im Gemisch mit den herkömmlichen Impfmitteln verwendet werden kann, oder die Impfung mehrstufig mit den verschiedenen Impfmitteln nacheinander erfolgen kann. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Impfmittel zum Impfen der Gußeisenschmelzen zum Gießen dünnwandiger Gußstücke angewendet.

Die Erfindung wird durch die Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne sie jedoch darauf zu beschränken.

Beispiel 1

Im 10 kg fassenden Induktionsofen wurden 9,5 kg FeSi 75 eingeschmolzen. Dieser Schmelze wurden 90 g Barium und 90 g Strontium zugesetzt.

Das anschließend gebrochene Rohmaterial ergab folgende Analyse:

73,8% Silicium
23,0% Eisen
0,35% Aluminium
0,2% Calcium
0,8% Barium
0,7% Strontium

Diese Legierung wurde in einer Gießerei mit einer FeSi-Sr-Legierung folgender Zusammensetzung

74,1% Silicium
24,5% Eisen
0,9% Strontium
0,05% Calcium
0,42% Aluminium

nach folgendem Schema verglichen:

Vom Induktionsofen wird 1 t Gußeisen für Lamellengraphit in die Transportpfanne gefüllt. Jeweils 250 g kommen dann in die Gießpfanne. Während des Füllvorganges der Gießpfannen wurden dann die erfindungsgemäßen Impflegierungen und FeSiSr zugegeben. Die Zugabemenge betrug 0,25 Gew.-% bezogen auf die Eisenmenge. Die Eisentemperatur lag bei 1380°C.

Sofort nach der Zugabe wurden dann von jeder Gießpfanne sogenannte Keilproben genommen und die Weißeinstrahlung (Carbid-Ausscheidung) verglichen und in mm gemessen:

Beispiel 2

a) Im 100 kg fassenden Induktionsofen wurden 2 Schmelzen mit Eisen und Silicium hergestellt und anschließend Barium und Strontium eingerührt.

Einsatzmengen

Nach dem Brechen und Sieben auf 2-6 mm hatte das Material folgende Analyse:

b) Im Niederschachtofen wurde eine BaFeSi-Vorlegierung mit folgender Analyse hergestellt:

32,3% Barium
2,3% Calcium
53,3% Silicium
8,0% Eisen
1,0% Aluminium

Nach dem Einschmelzen von 96 kg FeSi 75 im 100 kg fassenden Induktionsofen und Einrühren von 3,1 kg dieser BaFeSi-Vorlegierung und zusätzlich 1,05 kg Strontium wurde das Rohmaterial gebrochen und abgesiebt mit folgender Analyse:

Schmelze C

24,3% Eisen
73,5% Silicium
0,95% Barium
0,73% Strontium
0,2% Calcium
0,45% Aluminium

c) Wie unter Punkt 1 beschrieben, zeigten die Probekeile folgende in mm gemessene Carbidausscheidungen:

Pfanne A

Pfanne B

Pfanne C

Beispiel 3

Für die Impfversuche wurde eine Gußeisenlegierung mit lamellarer Graphitausscheidung aus

3,73 Gew.-% Kohlenstoff
2,79 Gew.-% Silicium
0,69 Gew.-% Mangan
0,43 Gew.-% Phosphor
0,11 Gew.-% Schwefel
0,14 Gew.-% Chrom
0,16 Gew.-% Kupfer
Rest Eisen einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen

verwendet. Die Gußeisenlegierung wurde im Induktionsofen erschmolzen und nach Abgießen der Gußeisenschmelze in jeweils 140 kg fassende Gießpfanne erfolgte die Impfung der etwa 1530°C heiße Schmelze durch Zugabe der Impflegierung.

Zur Impfung wurden verwendet:

a) die nach Beispiel 1 hergestellte Impflegierung;
b) Impflegierung aus 74,2% Silicium
24,1% Eisen
0,59% Barium
0,17% Aluminium
0,14% Calcium;
c) Impflegierung aus 75,0% Silicium
23,3% Eisen
0,8% Strontium
0,08% Calcium
0,35% Aluminium;
d) Impflegierung FeSi 75 aus 75,2% Silicium
22,1% Eisen
0,89% Calcium
1,76% Aluminium;

Die Impfversuche wurden mit folgenden Legierungen und folgenden Mengen pro 140 kg Gußeisenschmelze durchgeführt:

Versuch 1
Impfmittel: Legierung a
Impfmittelmenge/Pfanne: 500 g

Versuch 2
Impfmittel: Legierung b
Impfmittelmenge/Pfanne: 500 g

Versuch 3
Impfmittel: Legierung c
Impfmittelmenge/Pfanne: 500 g

Versuch 4
Impfmittel: Gemisch von Legierung a mit d
Impfmittelmenge/Pfanne:
300 g Legierung a mit
300 g Legierung d

Versuch 5
Impfmittel: Gemisch von Legierung c mit d
Impfmittelmenge/Pfanne:
300 g Legierung c mit
300 g Legierung d

Mit den geimpften Gußeisenschmelzen wurden im Sandgußverfahren jeweils 50 dünnwandige ringförmige Werkstücke mit 4,6 mm axialer Höhe und 2,9 mm radialer Wanddicke gegossen. Im Test wurden die Ringe im spanabhebenden Verfahren auf eine radiale Wanddicke von 1,45 mm bearbeitet, wobei die harten zementitischen Störstellen im Gefüge (Kernbereich) sichtbar wurden und den Verlauf der spanabhebenden Bearbeitung störten.

Die mit der erfindungsgemäßen Impflegierung a) nach den Versuchen 1 und 4 geimpften Gußeisenschmelzen ergaben Gußstücke mit gleichmäßigen Gefüge und ohne zementitische Fehlstellen.

Die nach Versuch 2 mit Legierung b geimpften Gußeisenschmelzen ergaben Ringe, die zu 40% zementitische Fehlstellen besaßen, das lamellare Graphitgefüge dieser Ringe war allerdings nicht befriedigend ausgebildet.

Die nach den Versuchen 3 und 5 geimpften Gußeisenschmelzen ergaben Ringe, die alle zementitische Fehlstellen besaßen.

Die Abbildungen 1 bis 3 zeigen photographische Querschnittsbilder von nach den Versuchen gegossenen Ringen.

Fig. 1 zeigt das Querschnittsbild eines nach Versuch 1 gegossenen Ringes in 23facher Vergrößerung. Das Grundgefüge ist gleichmäßig perlitisch mit darin fein verteiltem lamellarem Graphit. Die Fig. 2 zeigt das Querschnittsbild eines nach Versuch 3 gegossenen Rings in 23facher Vergrößerung, und im gleichmäßigen Gefüge ist etwa in der Mitte als helle Stelle eine zementitische Fehlstelle zu erkennen. Diese Fehlstelle ist in der Fig. 3 in 500facher Vergrößerung als Ausschnitt zu erkennen. Im perlitischen Grundgefüge sind hier die weißen Carbid- bzw. Zementitkristalle sichtbar.

Claims

1. Impflegierungen auf Basis von Ferrosilicium oder Silicium für die Herstellung von Gußeisen mit Lamellen-, Kompakt- oder Kugelgraphit, gekennzeichnet durch einen Gehalt an

2. Impflegierungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bariumgehalt zwischen 0,4 und 2,0% liegt.

3. Impflegierungen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strontiumgehalt zwischen 0,4 und 2,0% liegt.

4. Impflegierungen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumgehalt <1,0% beträgt.

5. Impflegierungen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Calciumgehalt <0,4% beträgt.

6. Verfahren zur Herstellung der Impflegierungen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man Barium bzw. Strontium in metallischer Form in geschmolzenes Ferrosilicium oder Silicium einbringt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das Barium bzw. Strontium in Form einer Vorlegierung mit 5 bis 40% Barium und/oder Strontium einsetzt.

8. Verfahren zur Herstellung der Impflegierungen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Barium- und Strontiumverbindung in geschmolzenes Ferrosilicium oder Silicium einbringt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Barium- bzw. Strontiumverbindung zusammen mit einem Reduktionsmittel in die Schmelze einbringt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Reduktionsmittel Erdalkalimetalle wie Calcium bzw. Magnesium oder Erdalkalimetall- Legierungen wie Calciumsilicium bzw. Ferrosiliciummagnesium verwendet.

11. Verwendung der Impflegierungen nach den Ansprüchen 1 bis 5 in einer Menge von 0,05 bis 1 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Gußeisens.

12. Verwendung der Impflegierungen nach den Ansprüchen 1 bis 5 zum Impfen von Gußeisen zuammen mit herkömmlichen Impfmitteln auf Basis von Ferrosilicium und/oder Silicium, wobei die Impfmittel im Gemisch einstufig oder nacheinander mehrstufig in die Gußeisenschmelze eingegeben werden.

13. Verwendung der Impflegierungen nach den Ansprüchen 1 bis 5 zum Impfen von Gußeisen für das Gießen dünnwandiger Gußstücke im Sandgußverfahren.