DE4308614A1 - Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus Gußeisen und danach hergestellte hohle Gußstücke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hohlen Werkstücken aus Gußeisen mit lokal unterschiedlichen Eigenschaften durch Behandlung der Schmelze in der Gußform und so hergestellte Werkstücke.

Gußstücke können durch Zusatz von Legierungselementen in ihren Eigenschaften modifiziert werden. Werden die Legierungselemente der Gußeisenschmelze zugesetzt, so verteilen sie sich darin und beeinflussen die Eigenschaften des gesamten Werkstücks. Es gibt aber Fälle, wo die Eigenschaften eines hohlen Gußstücks nur bereichs- oder abschnittsweise verändert werden sollen, um so unterschiedlichen Beanspruchungen optimal zu entsprechen. So muß ein bestimmtes Werkstück, z. B. eine Nockenwelle, bereichsweise hoch verschleißfest sein. An anderen Abschnitten des Werkstücks wird aber erhöhte Festigkeit und/oder Zähigkeit verlangt. Man hat schon versucht, über die Schlichte in der Gießform bestimmte Legierungselemente in die Oberfläche des Gußstücks eindiffundieren zu lassen. Dies hat aber nur in sehr begrenztem Umfang Anwendung gefunden, weil die Werkstücke an ihrer Außenumfangsfläche, also dort, wo sie am stärksten durch die eindiffundierten Legierungselemente modifiziert worden sind, spangebend bearbeitet werden müssen. Bei der Zerspanung werden dann aber gerade die am stärksten modifizierten Schichten abgetragen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Verfahren zu schaffen, durch welches eine lokale Umwandlung des Gefüges eines hohlen Gußteils sowohl in ihrer räumlichen Ausdehnung als auch in ihrer Struktur steuerbar vorgenommen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Abgießen der Schmelze in die Gußform solche Legierungselemente aus der Schlichte auf lokal begrenzte Abschnitte der Kernoberfläche in die erstarrende Schmelze diffundieren, die wie S und O₂ die Wachstumsgeschwindigkeit der Graphitkristalle parallel zur Basisebene steigern oder wie Mg, Te oder Se verlangsamen bzw. sogar zum Stillstand bringen.

Hohle Gußstücke mit gezielt eingestellten unterschied­ lichen Eigenschaften in verschiedenen Gußstückbereichen werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erzeugt, daß man die die Modifikation des Gußgefüges bewirkenden Legierungselemente in die Schlichte auf den­ jenigen Oberflächenabschnitten eines Kerns aufträgt, die den zu modifizierenden Gußstückabschnitten gegenüber­ liegen. Beim Abguß lösen sich dann die Legierungselemente aus der Schlichte und wandern in die jeweils gegenüber­ liegenden erstarrenden Oberflächenabschnitt des Gußstücks hinein. Dabei entsteht in der Gußstückwand ein von innen nach außen abnehmender Konzentrationsgradient. Die stärkste Modifikation infolge der stärksten Anreicherung durch das Legierungselement findet im Inneren des Gußstücks statt, während die Außenzone am schwächsten legiert und modifiziert ist. Da diese schwach modifizierten Außenschichten jedoch durch die spangebende Bearbeitung abgetragen werden, treten nach der Zerspanung stärker modifizierte Gußstückoberflächenabschnitte zutage.

Ferner stören bei einem Überangebot z. B. von Schwefel entstehende Schlacken auf der Gußstückoberfläche nicht, denn die Schlacken bilden sich im Hohlraum der Gußstücke und treten so nicht an die äußere Oberfläche der Gußstücke.

Ein weiterer Vorteil bei Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens ist der, daß beim Abguß die Erstarrung im Inneren des Gußstücks in den dem Kern gegenüber­ liegenden Abschnitten langsamer vonstatten geht als am Außenumfang, so daß mehr Zeit für eine Diffusion von Legierungselementen aus der Schlichte auf der Oberfläche des Kerns in das Gußstück zur Verfügung steht. Die Diffusionszeit ist nämlich an sich sehr kurz und beschränkt sich auf die Periode vom Abguß bis zur Erstarrung. Die stärkste Diffusion tritt ein, wenn die Schmelze noch flüssig ist und endet nach der Erstarrung bei einer Temperatur, die eine Diffusion nicht mehr zuläßt.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet ein breit gefächertes Anwendungsspektrum. So lassen z. B. die Elemente Schwefel und Sauerstoff die Umwandlung eines ledeburitischen Gefüges in Gußeisen mit Kugelgraphit (GGG), weiter in Vermikulargraphit (GGV) bis hin zum Gußeisen mit Lamellengraphit (GG) zu. In dieser Richtung lassen sich alle möglichen Paarungen erzeugen, z. B. Ledeburit mit GGV oder GGG mit GG oder Ledeburit mit GGV usw.

Durch Zugabe anderer die Wachstumsgeschwindigkeit der Graphitkristalle parallel zur Basisebene verlangsamenden Legierungselementen, wie Magnesium, Tellur, Selen, lassen sich aber auch eine Gefügepaarung in entgegengesetzter Richtung, also von GG über GGV und GGG zu Ledeburit, verwirklichen. So können Gefügepaarungen, wie GG mit GGG oder GGV mit Ledeburit usw. geschaffen werden. So kann man z. B. ein Grundgefüge aus GG aufbauen für Werkstückabschnitte, die gute Wärmeleitfähigkeit besitzen müssen, während höher auf Festigkeit beanspruchte Werkstückabschnitte durch den Zusatz der Legierungselemente in GGV umgewandelt werden. So kann man auch mehrere Gefüge innerhalb ein und desselben Werkstücks erzeugen.

Von den in Betracht kommenden Legierungselementen wurden einige speziell genannt. Es handelt sich dabei jedoch nicht um eine abschließende Aufzählung. Grundsätzlich kommen alle in Betracht, die in der einen oder anderen Richtung die Wachstumsgeschwindigkeit der Graphitkristalle parallel zur Basisebene in der einen oder anderen Richtung verändern, also steigern oder verlangsamen. Die Gefüge umwandelnden Elemente werden von dafür geeigneten Schlichten geliefert. So enthält z. B. die Schlichte bei der beabsichtigten lokalen Umwandlung der Graphitausbildung von vermikular zu lamellar als Hauptbestandteil eine Komponente, die bei den in Frage kommenden Gieß- und Erstarrungstemperaturen unter Sauerstoffabgabe zerfällt. Dieser Sauerstoff bindet das für die Vermikulargraphitbildung erforderliche Magnesium und bewirkt die Umwandlung zu Lamellengraphit. Neben Sauerstoff oder anstelle von Sauerstoff kann die Schlichte auch Schwefel oder andere gleichwirkende Legierungselemente enthalten.

Bei einem Anwendungsfall wurden Teilbereiche des Gehäusehohlraums eines Turboladers, die besonders stark auf Erosion und Korrosion beansprucht sind, über die Schlichte, die Tellurdioxid und Schwefel enthielt, bis zu einer Tiefe von 0,5 bis 1,0 mm aus ferritischem Gußeisen mit Kugelgraphit in Ledeburit umgewandelt. Dadurch konnte eine wesentlich teurere Beschichtung oder Auskleidung aus korrosionsbeständigem Material vermieden werden.

Anhand der Zeichnung werden zwei Ausführungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer einstückigen innenbelüfteten Bremsscheibe mit der topfförmigen Nabe 1 und der hohlen Bremsscheibe 2. Mit 3 sind Stege im Inneren der Bremsscheibe 2 bezeichnet. Die topfförmige Nabe 1 besteht aus dem GGV höherer Festigkeit und die Bremsscheibe 2 aus GG mit besserer Wärmeleitfähigkeit als GGV. Dazu wurden der Schlichte auf dem Abschnitt der Kernoberfläche im Hohlraum der Bremsscheibe 2 insgesamt 5 bis 20% einer Sauerstoff abgebenden Substanz, wie KMnO₄, und/oder 5 bis 20% Schwefel zugesetzt.

Fig. 2 zeigt den Längsschnitt einer einstückigen hohlen Nockenwelle aus Schalenhartguß auf der Basis eines legierten Gußeisens zur Erlangung der notwendigen Mikrohärte und Zähigkeit des Zementits. Die Gußeisenschmelze wird in eine Form mit partiell im Bereich der Nocken 6 geschlichtetem Kern abgegossen. Die Schlichte enthält insgesamt 5 bis 20% einer Schwefel und/oder Tellur oder einer Tellur enthaltenden Legierung, vorzugsweise einer Chromlegierung.

Der kreuzschraffierte Außenabschnitt 5 der Nocke 6 besteht nach der Gefügeumwandlung aus Ledeburit, während die Nockenwelle in den übrigen Abschnitten ein Gefüge aus GGG, GGV oder GG mit niedrigerer Verschleißfestigkeit, dafür aber besserer Zerspanbarkeit hat.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von hohlen Werkstücken aus Gußeisen, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abgießen der Schmelze in die Gußform Legierungselemente aus der Schlichte auf lokal begrenzte Abschnitte der Kernoberfläche in die erstarrende Schmelze diffundieren, die wie S und O₂ die Wachstumsgeschwindigkeit der Graphitkristalle parallel zur Basisebene steigern oder wie Mg, Te, Se verlangsamen bzw. zum Stillstand bringen.

2. Nockenwelle aus Gußeisen, deren Nocken (6) in ihrem äußeren Bereich (5) aus Ledeburit und deren übrige Abschnitte aus graphitischem Gußeisen bestehen.

3. Bremsscheibe für Kraftfahrzeuge, deren Topf (1) aus Gußeisen mit Vermikulargraphit (GGV) und deren Bremsscheibe (2) aus Gußeisen mit Lamellengraphit (GG) bestehen.