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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
im Gusszustand bainitischen Gusseisens mit Kugelgraphit (GS) sowie
seine Anwendung zur Herstellung von Kurbelwellen.
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Bainitisches
GS-Gusseisen wird im Allgemeinen nach einem komplexen Gießerei-Verfahren
hergestellt, das nach dem Erstellen und Schmelzen einer Metalllegierung
einer bestimmten chemischen Zusammensetzung, wie beispielsweise
der nachfolgenden Zusammensetzung
unter
anderem die herkömmlichen
aufeinander folgenden Arbeitsschritte umfasst:
- – Sphäroidisierung
mit anschließender
Graphitisierungsbeimpfung,
- – Gießen und
Formen,
- – Abkühlen und
- – Gussputzen
vor der Nachbearbeitung.
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Die
Werkstücke,
die so beim Verlassen der Gießerei
erhalten werden, weisen ein perlitisches Gefüge auf und die bainitische
Umwandlung erfolgt erst nach einer bekannten geeigneten Wärmebehandlung
(Revue FFA 106, Juni–Juli
1991), die als gestuftes Abschrecken bezeichnet wird, fünf verschiedene
Phasen umfasst und an Rohlingen oder im Verlauf der Nachbearbeitung
unmittelbar nach den Rohbearbeitungsschritten und vor der abschließenden Feinbearbeitung
durchgeführt
wird.
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Mit
dem Ziel einer Reduktion der hohen Behandlungskosten, die durch
die oben beschriebene herkömmliche
Zwischenstufen-Vergütung
verursacht werden, wurden insbesondere von C.F. Wilford und I. Clarkson
in der Zeitschrift The Foundryman, in der Auszüge der 86ten Jahreskonferenz,
Institute of British Foundrymen's,
vom 22. Juli 1989 zusammengestellt sind, andere Verfahren vorgeschlagen:
Gemäß dieser
Druckschrift wurden nicht weniger als sechs Versuche zur Temperatur-Zeit-Folge
an Probekörpern
durchgeführt,
darunter:
- – das
Verfahren der Abkühlung
in der Form bis auf Umgebungstemperatur:
Es wird angegeben,
dass dieses Verfahren nur begrenzt anwendbar ist. Der bei dem Verfahren
eingesetzte hohe Gehalt an Legierungselementen verursacht Mehrkosten
sowie in den Werkstücken
eine Heterogenität im
Gefüge,
mit Ferrit in den massiven Teilen und Martensit in den dünnen Teilen.
- – das
Verfahren des Ausschlagens in der Wärme: Der wesentliche Gedanke
besteht darin, die Form in der Wärme
zu öffnen,
wenn die Temperatur der Werkstücke
nahe bei 900°C
liegt. Sie werden sofort in einen Behandlungsofen mit Austenitisierungstemperatur überführt. Die übrige Behandlung,
d.h. die Homogenisierung und die Härtung im Salzbad oder im Fließbett bei
350°C während 30
bis 120 Minuten, bleibt unverändert.
und
als Variante
- – das
Verfahren des Ausschlagens in der Wärme bei 900°C mit anschließender Abkühlung an
ruhender Luft auf eine Temperatur von 400°C. Bei dieser Temperatur werden
die Werkstücke
in Vermiculit getaucht, um sie möglichst
langsam abzukühlen
und so das Salzbad zu simulieren. Mit dieser Art der Behandlung
kann unter der Bedingung, dass ein Gusseisen mit einem Gehalt an
Legierungselementen vorliegt, der für die Massivität der Werkstücks ausreichend
ist, ein bainitisches Gefüge
erhalten werden.
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Auch
wenn nach denselben Autoren das Verfahren des Ausschlagens der Form
in der Wärme
weit davon entfernt ist, flexibel zu sein, da es beispielsweise
erfordert, dass sich die Wärmebehandlungseinheit
relativ nahe bei der Formanlage befindet ..., wird dieses Verfahren
im Vergleich zu den vorhergehenden Verfahren als vorteilhaft beurteilt,
weil es die Herstellung von Werkstücken mit mechanischen Eigenschaften
ermöglicht, die
den mechanischen Eigenschaften von Werkstücken aus herkömmlichem
bainitischen Gusseisen entsprechen, wobei eine Einsparung in der
Größenordnung
von 200 kW pro Stücktonne
erreicht wird.
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Es
bleibt festzuhalten, dass diese alternativen Verfahren zur herkömmlichen
Zwischenstufen-Vergütung
ganz offensichtlich an einfach geformten Probekörpern im Labor durchgeführt wurden.
Für eine Übertragung
auf die industrielle Produktion, bei der Werkstücke mit viel komplexerer Form,
wie beispielsweise Kurbelwellen, hergestellt werden sollen, erscheinen
sie nicht geeignet.
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Im Übrigen würde eine
Abkühlung
in der Form bis auf Umgebungstemperatur, wie sie in dem oben genannten
Artikel gelehrt wird, aufgrund der zu langen Dauer von insbesondere
12 bis 15 Stunden bedeuten, dass ein Lagerbestand von Werkstücken erzeugt
wird, was auf der industriellen Ebene eine kaum realisierbare Lösung ist.
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Es
ist deshalb überraschend
und bedeutet in gewisser Weise auch die Überwindung eines Vorurteils, dass
mit einem Gießereiverfahren,
das keine Wärmebehandlung
umfasst und einen Schritt der Abkühlung in situ in der Form mit
kontrollierter Geschwindigkeit beinhaltet, Werkstücke, wie
Kurbelwellen, hergestellt werden konnten, die an allen Stellen ein
Gefüge
aus oberem Bainit aufweisen.
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Die
vorliegende Erfindung hat daher im Wesentlichen zur Aufgabe, sich
von jeglicher Wärmebehandlung
vom Typ einer Zwischenstufen-Vergütung zu
befreien und die Nachteile der oben angegebenen Verfahren zu überwinden,
und sie hat ein Verfahren zur Herstellung eines GS-Gusseisens zum
Gegenstand, das im Gusszustand am Ende ein bainitisches Gefüge aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Werkstücken
aus im Gusszustand bainitischem Gusseisen mit Kugelgraphit, das
die nachfolgenden Arbeitsschritte umfasst, die darin bestehen:
- – (i)
eine flüssigen
Metalllegierung einer gewählten
chemischen Zusammensetzung zu erschmelzen,
- – (ii)
eine Sphäroidisierung
durchzuführen,
- – (iii)
Formen herzustellen,
- – (iv)
die flüssige
Metalllegierung in die Formen zu gießen und
- – (v)
die auf einer beweglichen Einrichtung angeordneten ausgegossenen
Formen in einer Vorrichtung mit kontrollierter Abkühlgeschwindigkeit
abzukühlen,
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- wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die
verwendeten chemischen Zusammensetzungen, abgesehen vom Eisen und
von den Verunreinigungen, den folgenden Zusammensetzungen entsprechen: und dadurch,
dass für
den Schritt der Abkühlung
der Werkstücke
in den Formen eine minimale Dauer von 5 Stunden gewählt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren,
das ohne Erwärmung
und Behandlung bei hoher Temperatur (Austenitisierung) durchgeführt werden
kann, verhindert, abgesehen von einer starken Reduktion der Kosten,
die es ermöglicht – keine
Investitionen in Härteöfen –, Deformationen
und führt
zu einer höheren
Genauigkeit der Abmessung der Werkstücke.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nachfolgend in Hinblick auf seine verschiedenen Merkmale
und Vorteile und mit Bezug auf die beigefügten Abbildungen detaillierter
beschrieben, wobei die Herstellung von Kurbelwellen als rein erläuterndes
und nicht einschränkendes
Beispiel herangezogen wird; in den Abbildungen zeigen
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1 die
Abkühlung
der Kurbelwellen in situ in der Form und
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2 und 3 mikrographische
Analysen der Gefüge
aus oberem Bainit, die nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
erhalten wurden.
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Der
Schritt (i) des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Erschmelzen der flüssigen
Metalllegierung wird in einem 25-t-Niederfrequenz-Induktionsofen
nach dem als Tap and Charge bezeichneten Verfahren durchgeführt, wobei
bei jeder Entnahme von 3600 kg flüssiger Metalllegierung mit
einer Temperatur von 1500°C
mit Hilfe von Kübeln
sofort die gleiche Menge fester Charge nachgefüllt wird. Die folgenden Stoffe
sind Bestandteil der Charge: Die Kreislaufstoffe von Kurbelwellen
(Eingüsse
und Ausschüsse)
zu 40%, wobei das Komplement durch Stahl gestellt wird, der in Form
von dicht gepackten Blechen konfektioniert ist.
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Bevor
der Ofen mit einem Kübel
beschickt wird, werden in Abhängigkeit
von der Menge und vom Typ der Stoffe, die die flüssige Metalllegierung bilden,
jeweils die Anpassungen durchgeführt,
die erforderlich sind, um die beabsichtigte chemischen Zusammensetzung
zu erhalten.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Werte für das Gewicht
der Elemente der Legierung mit ± 0,05% nach spektrometrischer
Analyse an den Werkstücken
angegeben.
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Es
werden bevorzugt die nachfolgenden chemischen Zusammensetzungen
verwendet:
und
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Die
Anteile von Nickel und/oder Molybdän können in Abhängigkeit von der Größe, der
Form und der Massivität
der Werkstücke,
die hergestellt werden sollen, selbstverständlich innerhalb des Intervalls
von 2 bis 3% bzw. 0,5 bis 1% variieren.
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Der
Schritt (ii) der Sphäroidisierung
findet in der 3600-kg-Pfanne nach dem Tundish-Cover-Verfahren statt,
d. h. die Produkte werden unmittelbar vor der Entnahme der Metalllegierung
auf den Pfannenboden gegeben, zuerst ein Ferro-Silico-Calcium-Magnesium-Gemisch
(36 kg), das dann mit einem Impfmittel wie Ferro-Silicium (10 kg)
bedeckt wird, welches wiederum mit Stahl in Form von Metallschrott bedeckt
wird, der als Abdeckung dient. Die Sphäroidisierung erfolgt beim Transport
zum Gießraum
in der Pfanne, die als Sphäroidisierungspfanne
bezeichnet wird.
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Wenn
die Pfanne an ihrem Bestimmungsort angekommen ist, wird entschlackt
und anschließend
in die Stahlgießpfannen
umgegossen. Beim Umgießen
wird ein Ferro-Silico-Lanthan-Gemisch zugegeben. Dieses Gemisch übernimmt
die Funktion des Graphitisierungsimpfstoffs und dient der Bekämpfung von
Mikrolunkern. Nach dem Entschlacken erfolgt das Gießen der
Formen.
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Der
Schritt (iii) zur Formherstellung des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung erfolgt vorzugsweise nach dem Verfahren unter Verwendung
von mit Kohlendioxid (CO2) ausgehärtetem Sand
mit Natronwasserglas, beispielsweise mit einer Formmaschine mit
4-Posten-Karusell, die bei der Firma OSBORN im Handel erhältlich ist.
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Die
Form ist vorteilhaft aus zwei symmetrischen Teilen zusammengesetzt,
die durch den gemeinsamen Einguss getrennt sind. In jedem Teil befinden
sich zwei Kurbelwellen mit einem gemeinsamen zentralen Speiser, über den
die Stücke
durch den zweiten Zapfen beschickt werden. Das Arbeiten mit einem
Speiser ermöglicht
die zuverlässige
Herstellung eines Werkstücks
ohne Mangel.
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Nach
dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung erfolgt der Gießvorgang
vorteilhaft vertikal.
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Bei
Schritt (iv) des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Form nach dem Guss zu einem geeigneten Kühlkanal
mit kontrollierter Abkühlgeschwindigkeit
befördert.
Ein Beispiel für
einen solchen Kanal ist der von der Firma SIETAM vertriebene Kanal.
Vor dem Eintritt in den Kühlkanal
wird aufgerissen, wobei die Formblöcke (die Kurbel wellen-Gießtraube
und der Sand) von ihren Einformrahmen aus Metall (Formkästen) befreit
werden und anschließend
auf eine bewegliche Platte im Inneren des Kanals gestellt werden.
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Das Öffnen der
Formen erfolgt erst nach einer minimalen Dauer von 4,5 Stunden,
wobei die Kurbelwellen-Gießtraube
vorteilhaft mit Hilfe eines vibrierenden Gitters, das nach der Abkühlungsstraße angeordnet ist,
von dem Sand getrennt wird.
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Bei
diesem Schritt findet gemäß der vorliegenden
Erfindung die bainitische Umwandlung statt; noch genauer weist die
Kurbelwelle vorteilhaft ein aus oberem Bainit zusammengesetztes
Gefüge
auf, wenn die Form geöffnet
wird.
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Beispiel 1
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Bestimmung
der Abkühlung
einer Legierung der folgenden chemischen Zusammensetzung in der Form:
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Die
Parameter der Formherstellung und des Erschmelzens der Metalllegierung
entsprechen den oben beschriebenen Parametern. Eine Halbform wird
mit 4 Thermoelementen pro Kurbelwelle ausgestattet, die in mehr
oder weniger massiven Bereichen in den oberen und unteren Teilen
der Form angeordnet werden.
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An
den verschiedenen Teilen des analysierten Werkstücks wird das Vorliegen eines
Kugelgraphit-Gefüges
mit einem flächenbezogenen
Anteil in der Größenordnung
von 8,9% und etwa 260 Sphäroiden/
mm2 beobachtet. Es wird festgestellt, dass
degenerierter Graphit sowie Uneinheitlichkeiten in der Größe der Knötchen vorliegen,
wobei dies hauptsächlich
in den Lagern der Fall ist.
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Das
Gefüge
besteht aus Bainit (siehe 2), wobei
an den Zellverbindungen Carbide (Verfestigung) vorliegen, die nicht
mehr als 1% ausmachen, jedoch stellenweise ein Netzwerk bilden können.
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Die
Abkühlungskurve
entspricht der in 1 dargestellten Kurve.
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Das
Endstück
der Kurbelwelle und direkt anschließend die Wange sind die ersten
Teile, die den bainitischen Bereich nach 3,5 Stunden erreichen und
die ersten, die diesen Bereich 2,5 Stunden später verlassen, wobei schematisch
die Umwandlung bei 450°C
beginnt und bei 350°C
endet. Die langsamsten Teile sind die Lager und die Zapfen, wobei
der bainitische Bereich 4,5 Stunden nach dem Guss erreicht wird
und der Austritt ebenfalls nach 2,5 Stunden erfolgt.
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Beispiel 2
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Bestimmung
der Abkühlung
einer Legierung der folgenden chemischen Zusammensetzung in der Form:
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Die
Parameter der Formherstellung und des Erschmelzens der Metalllegierung
entsprechen den oben beschriebenen Parametern.
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Eine
Halbform wird wie in Beispiel 1 ausgestattet.
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Es
werden ein Kugelgraphit mit etwa 270 Sphäroiden/mm2 sowie
immer noch degenerierter Graphit und Uneinheitlichkeiten in der
Größe der Knötchen erhalten.
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Das
Gefüge
ist aus oberem Bainit zusammengesetzt, wobei um die Knötchen herum
Ferrit vorliegt (siehe 3). Eine Konzentration von Carbiden
(Verfestigung) an den Zellverbindungen ist nicht vorhanden; statt
dessen liegen einige isolierte Carbide vor.
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Der
Verlauf der Abkühlungskurven
entspricht dem Verlauf der Kurven von Beispiel 1, wodurch bestätigt werden
kann, dass die Teile, die am schnellsten abkühlen, die Wangen und die Endstücke sind.
Diese Teile erreichen die Temperatur von 450°C 3,5 Stunden nach dem Guss
und 2,5 Stunden später
die Temperatur von 350°C.
Was die massiveren Teile anbelangt, so erfolgt der theoretische
Reaktionsbeginn erst 4,5 Stunden nach dem Guss, wobei die Reaktion
2,5 Stunden später
abgeschlossen ist.
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Die
beiden vorstehenden Beispiele zeigen, dass die Verweilzeit/Abkühlungszeit
in der Form, die erforderlich ist, um vollständig bainitische Kurbelwellen
zu erhalten, im Minimum 5 Stunden beträgt, bevor dann die Formen geöffnet werden
können.
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In
den zwei Kurbelwellen, wie sie in den beiden vorstehenden Beispielen
analysiert wurden, ist ferner die Abwesenheit von Ferrit in freiem
Zustand und von allen weiteren unerwünschten Gefügen festzustellen.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
werden Kurbelwellen erhalten, die ein Gefüge aus oberem Bainit mit den
nachfolgenden mechanischen Eigenschaften aufweisen:
Zugfestigkeit
Rm = 850 bis 950 MPa,
Dehnung A% = 3 bis 6% und
Brinell-Härte HB =
300 bis 330.
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In
den letzten Jahren wurde durch die Entwicklung der Dieselmotoriserung
mit Direkteinspritzung die Verwendung von Materialien erforderlich,
die gegenüber
mechanischen Belastungen widerstandsfähi ger sind. Es ist festzustellen,
dass die Zahl von Kurbelwellen, die aus geschmiedetem Stahl hergestellt
sind, zu Ungunsten von Kurbelwellen, die mit herkömmlichem
GS-Gusseisen mit perlitischer Matrix erhalten werden, zunimmt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung von Werkstücken,
wie beispielsweise von Kurbelwellen, aus GS-Gusseisen mit einer
Matrix aus oberem Bainit weist den Vorteil auf, dass es weniger
kostspielig und dabei ebenso leistungsfähig wie ein Verfahren unter
Verwendung von Schmiedeeisen ist.
