DE602004000291T2

DE602004000291T2 - Verfahren zum Druckgiessen von Sphärogusseisen

Info

Publication number: DE602004000291T2
Application number: DE602004000291T
Authority: DE
Inventors: Kazumi Toyota-shi Aichi-ken Ohtake; Akira Toyota-shi Aichi-ken Manabe; Yoshihiro Toyota-shi Aichi-ken Hibino; Takahiro Sato; Kazufumi Niwa
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: DE602004000291D1; EP1440748B1; US20040250927A1; JP2004223608A; EP1440748A1; US7134478B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Druckgießen von Kugelgraphit-Gusseisen.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Kugelgraphit-Gusseisen wird auch als „sphärisches Gusseisen" und „Sphärogusseisen" bezeichnet und enthält kugelförmiges Graphit, sodass es eine deutlich höhere Festigkeit und Zähigkeit als Gusseisen ohne Kugelgraphit hat und eine höhere, mit Stahlguss vergleichbare Festigkeit und Zähigkeit besitzt.
In der Vergangenheit wurde Kugelgraphit-Gusseisen mit Sandformen gegossen, doch aufgrund der allmählichen Abkühlung der Metallschmelze vergröberte der kristallisierte Kugelgraphit und gab es daher Grenzen bei der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Des Weiteren unterliegen mit Sandformen erzeugte Güsse Beschränkungen hinsichtlich ihrer Formgenauigkeit und der Abmessungen. Es wurde daher nach Kugelgraphit-Gusseisenprodukten mit besseren mechanischen Eigenschaften oder besserer Formgenauigkeit und Abmessungen verlangt, die die Grenzen des Sandformgusses übertreffen. Um diesem Verlangen nachzukommen, wurden verschiedene Versuche zum.
Druckgießen von Kugelgraphit-Gusseisen durchgeführt. Wird Druckgießen verwendet, kann verglichen mit dem Sandformgießen eine weitaus schnellere Abkühlgeschwindigkeit erzielt werden, weswegen der Kugelgraphit fein auskristallisiert und die Gussstruktur insgesamt feiner wird, sodass es möglich ist, die Festigkeit und Zähigkeit zu verbessern und auch die Formgenauigkeit und die Abmessungen zu verbessern.
Beim Druckgießen ließ sich aufgrund der schnellen Abkühlgeschwindigkeit jedoch nicht die Bildung von Unterkühlungskristallen (rasch abgekühlte Struktur aus Zementit) vermeiden. Wenn sich Unterkühlungskristalle bilden, nimmt zwar die Härte des Gusses zu, verschlechtert sich schließlich aber die Zähigkeit, weswegen sich durch Druckgießen letztlich keine hervorragenden mechanischen Eigenschaften erzielen lassen. Daher war, wie es zum Beispiel das in der JP 2000-288716 A offenbarte Verfahren zeigt, eine Nachbehandlung wie eine Wärmebehandlung des Gusses notwendig, um das die Unterkühlungskristalle bildende Zementit zu Ferrit oder Kohlenstoff usw. aufzubrechen.
Die JP 02-165850 A offenbart ein Verfahren zum Druckgießen von Sphärogusseisen, bei dem der Druckgusshohlraum beschichtet ist.
Ein anderer wichtiger Punkt beim herkömmlichen Verfahren war der, dass bei der Verwendung von Sandformen wie auch von Druckgussformen eines der Hauptprobleme das Problem war, dass sich nicht die Bildung von inneren Fehlern wie Lunkern vermeiden ließ und dass daher die Ermüdungsfestigkeit sank. Im Allgemeinen werden Güsse bisher an der Bildung von Lunkern gehindert, indem der Speiser langsamer als der Produktabschnitt erstarren gelassen wird und Metallschmelze vom Speiser zum Produktabschnitt nachgeschoben wird.
Da dabei das Volumen des Gusseisens aufgrund der Graphitkristallisation während des Erstarrens zunimmt, ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem diese Volumenzunahme eingeschränkt wird, um im Hohlraum einen Innendruck zu erzeugen, und dieser Innendruck dazu verwendet wird, die Bildung von Lunkern zu verhindern. Und zwar wurde die Festigkeit der Sandform erhöht oder wurde die Sandform durch eine Druckgussform (Unterstützungsmetallhülle) unterstützt, um die Volumenausdehnung zu beschränken.
Da bei diesen Verfahren jedoch ein Speiser verwendet wird, führt dies schließlich dazu, dass die Volumenausdehnung durch die Kristallisation des Graphits durch den Metallschmelzefluss zu dem noch nicht erstarrten Speiser erleichtert wird, sodass bei der Erzeugung von Innendruck durch die Ausdehnungsbeschränkung tatsächlich keine allzu große Wirkung erzielt wird. Außerdem ist bei dem Unterstützungsmetallhüllenverfahren die Formung der Sandform schwierig und muss die Sandformschicht dicker gemacht werden, sodass sie sich nicht wirksam durch eine Druckgussform unterstützen lässt. Das Ganze endet schließlich damit, dass sich der Sandformteil bewegt, sodass bei der Erzeugung eines Innendrucks aufgrund der Ausdehnungsbeschränkung erneut keine ausreichende Wirkung erzielt werden kann.
Andererseits wurden bei einer speiserlosen Bauform die Form des Produktabschnitts und die Form des Anschnitts optimiert, doch wurden keine Maßnahmen ergriffen, um die Bildung von Gussfehlern durch Einschränken der Volumenausdehnung zu verhindern.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Druckgießen von Kugelgraphit-Gusseisen zur Verfügung zu stellen, durch das sich die Bildung von Unterkühlungskristallen (Zementit) verhindern lässt und dadurch die Kristallisation feinen Kugelgraphits ermöglicht wird und durch das sich gleichzeitig die Bildung von inneren Fehlern verhindern lässt.
Um die obige Aufgabe zu lösen, ist ein wie in Anspruch 1 angegebenes Verfahren zum Druckgießen von Kugelgraphit-Gusseisen vorgesehen, das aus den folgenden Schritten besteht: Anfertigen einer Form, die an Innenwänden eines Hohlraums mit einer Wärmeisolationsschicht versehen ist, Einfüllen von Metallschmelze mit einer Zusammensetzung des Kugelgraphit-Gusseisens durch einen Anschnitt in den Hohlraum unter Verwendung einer speiserlosen Bauform, Verschließen des Anschnitts, um den Hohlraum zu versiegeln, direkt bevor die Metallschmelze im Hohlraum zu erstarren beginnt, und Erstarren lassen der Metallschmelze unter dem Einfluss des Innendrucks, der durch die Kristallisation des Kugelgraphits im versiegelten Hohlraum verursacht wird, wobei die Wärmeisolationsschicht eine Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 0,25 W/mK und eine Dicke von nicht mehr als 600 μm hat.
Bei dem in Patentanspruch 1 angegebenen erfindungsgemäßen Verfahren verhindert die an den Innenwänden des Formhohlraums vorgesehene Isolationsschicht eine übermäßig rasche Abkühlung, sodass die Bildung von Unterkühlungskristallen verhindert wird, während die Kristallisation von Kugelgraphit möglich ist. Des Weiteren wird der Anschnitt verschlossen, direkt bevor die Metallschmelze im Hohlraum zu erstarren beginnt, um den Hohlraum abzudichten und dadurch die Volumenausdehnung durch die Kristallisation des Kugelgraphits zu beschränken, was in dem Hohlraum zur Erzeugung eines Innendrucks führt, sodass die Erstarrung der Metallschmelze im Hohlraum unter dem Einfluss dieses Innendrucks voranschreitet und die Bildung von Gussfehlern verhindert wird. Aufgrund dessen ist es möglich, Kugelgraphit-Gusseisen mit einer hervorragenden Kugelstruktur (vorzugsweise mit einem Kugelgraphitverhältnis von mindestens 85%) zu gießen.
Des Weiteren besteht die Wärmeisolationsschicht vorzugsweise im Wesentlichen aus Hohlkeramikteilchen, Vollkeramikteilchen und einem Bindemittel.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegebenen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele deutlicher. Es zeigen:
1 grafisch den Gussvorgang gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;
2 im Schnitt eine Form nach dem Verschließen des Anschnitts und die Metallschmelze im Formhohlraum;
3A eine zum Druck-/Einschränkungsguss verwendeten Formaufbau gemäß einem erfindungsgemäßen Beispiel, 3B eine als Vergleichsbeispiel verwendete Sandform und 3C eine Seitenansicht einer als Vergleichsbeispiel verwendeten Form;
4 eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Mikrostruktur einer aus Pulverteilchen bestehenden Wärmeisolationsbeschichtung, die erfindungsgemäß auf die Innenwände eines Formhohlraums aufgebracht wurde;
5 grafisch eine Temperaturänderungskurve, die beim erfindungsgemäßen Druck-/Einschränkungsguss für einen Anschnitt und einen Formhohlraum ermittelt wurde;
6A als makroskopische Skizze einen horizontalen Querschnitt durch einen zylinderförmigen Probekörper, der durch den erfindungsgemäßen Druck-/Einschränkungsguss erzielt wurde, und 6B eine lichtmikroskopische Aufnahme der Metallstruktur seines Mittelteils;
7 grafisch die Ergebnisse eines Rotationsbiegeermüdungsversuchs für das erfindungsgemäße Beispiel und Vergleichsbeispiele;
8 eine makroskopische Aufnahme der Mikrostruktur der gesamten Bruchfläche eines Probekörpers nach dem Ermüdungsversuch;
9A und 9B Rasterelektronenmikroskopaufnahmen der Mikrostruktur von Bruchursprüngen in einer Bruchoberfläche eines Probekörpers nach einem Ermüdungsversuch, wobei 9A den Druck-/Einschränkungsguss und 9B einen offenen Guss durch eine Sandform oder Druckgussform zeigt;
10 im Schnitt eine Schiffchenform für einen Gussversuch mit verschiedenen Wärmeisolationsbeschichtungen; und
11 grafisch eine Temperaturänderungskurve, die in einem Gussversuch mit verschiedenen Wärmeisolationsbeschichtungen gemessen wurde.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Der Gießvorgang gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 gibt auf der Ordinate die Temperatur T und die Zustandsänderung der Metallschmelze im Hohlraum bezüglich dem auf der Abszisse angegeben Zeitverlauf an. Wie in der Figur oben links gezeigt ist, wird ein Materialgemisch, das eine vorbestimmte Zusammensetzung von Kugelgraphit-Gusseisen ergibt, aufgeschmolzen, um eine Metallschmelze zu erzeugen. Diese wird der üblichen Sphäroidisierungsbehandlung unterzogen und dann in eine Form geschüttet, bei der zuvor auf den Wänden ihres Hohlraums eine Wärmeisolationsschicht aufgebracht wurde. Die Temperatur der Metallschmelze im Formhohlraum wird ständig mit einer geeigneten Temperaturmessvorrichtung (nicht gezeigt) überwacht. Zum Zeitpunkt t1, wenn die Temperatur der Metallschmelze die bekannte Erstarrungsbeginntemperatur erreicht, wird der Anschnitt der Form geschlossen, um das Innere des Hohlraums luftdicht zu versiegeln.
2 zeigt schematisch die Form nach dem Anschnittverschluss und die Metallschmelze im Formhohlraum. Die Form 10 besteht aus einer oberen Formhälfte 10A und einer damit zusammengeklemmten unteren Formhälfte 10B. Die Klemmkraft F ist durch den oberen und unteren weißen Pfeil angegeben. Die obere Formhälfte 10A und die untere Formhälfte 10B werden auf den Innenwänden des Hohlraums 10C vorab mit der Wärmeisolationsschicht 12 versehen.
Die Gusseisenmetallschmelze 14 kristallisiert vom Erstarrungsbeginn t1 an in dem Hohlraum mit verstreichender Zeit in der festen Phase. Währenddessen kristallisiert Kugelgraphit 16, das eine geringere Dichte als die Metallphase hat, weswegen das Metall, wie durch die vier durchgezogenen Pfeile E angegeben ist, versucht, sich im Volumen auszudehnen, wobei die Volumenausdehnung jedoch eingeschränkt ist, da der Hohlraum 10C abgedichtet ist, und in der Metallschmelze 14 ein Innendruck erzeugt wird. Die Form 10 ist mit genügend Steifheit ausgestattet, um diesem Innendruck ausreichend standzuhalten. Auch die Klemmkraft ist weitaus größer als der Innendruck. Daher führt der Innendruck zu keiner Formbewegung und erstarrt das Metall in einem Zustand, in dem der Innendruck gehalten wird. Zum Zeitpunkt t2 beendet die gesamte Metallschmelze im Hohlraum 10C die Erstarrung. Es ist zu beachten, dass die Temperatur der Metallschmelze im Hohlraum aufgrund der latenten Erstarrungswärme, wie in 1 dargestellt ist, während der Zeitdauer vom Erstarrungsbeginn t1 bis zum Erstarrungsende t2 im Großen und Ganzen konstant bleibt.
Bei der Erfindung wird also (1) an den Innenwänden des Formhohlraums eine Wärmeisolationsschicht vorgesehen, um die Abkühlgeschwindigkeit zu steuern und eine stabile Kristallisation von Kugelgraphit zu gewährleisten, und wird (2) der Innendruck, der dadurch hervorgerufen wird, dass die Volumenausdehnung aufgrund der Kristallisation des Kugelgraphits durch das Abdichten des Hohlraums eingeschränkt wird, ständig auf die Metallschmelze einwirken lassen, bis die Erstarrung endet.
Aufgrund dessen kann feinerer Kugelgraphit als beim Sandformgießen auskristallisieren und wird aufgrund der Erstarrung unter der Einwirkung des Innendrucks gleichzeitig die Bildung von Gussfehlern wirksam unterdrückt, sodass die Herstellung von Kugelgraphit-Gusseisen mit besserer Festigkeit und Zähigkeit ermöglicht wird.
Beispiele
Mit dem erfindungsgemäßen Druck-/Einschränkungsgießen wurde Kugelgraphit-Gusseisen gegossen. Außerdem wurden zum Vergleich Güsse mittels Sandformgießen und nicht einschränkendem Druckgießen und dann aus diesen unter Druck HIP-Güsse angefertigt. Die Zusammensetzung der Güsse betrug Fe-3,6C-3,0Si-0,25Mn-xMg (Gew.-%). Dabei wurde die Zusatzmenge „x" des Sphäroidisierungsmittels Mg auf eine Menge eingestellt, die die Sphäroidisierung am stärksten förderte, und zwar auf 0,025 Gew.-% beim Druckgießen und auf 0,04 Gew.-% beim Sandformgießen. Die Verunreinigungen wurden für Phosphor auf weniger als 0,03 Gew.-% und für Schwefel auf weniger als 0,01 Gew.-% eingestellt. Die Eingießtemperatur in die Gießform wurde auf 1400°C eingestellt. Die Gießbedingungen des erfindungsgemäßen Beispiels und der Vergleichsbeispiele sind zusammen in Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1 : Gießverfahren
In Tabelle 1 entspricht der Probekörper (T/P) Nr. 1 einem erfindungsgemäßen Beispiel, bei dem der in 3A gezeigte Formaufbau verwendet wurde. Dieser verwendet keinen Speiser, und die vom Einguss aus eingegossene Metallschmelze wird durch den Anschnitt in den Formhohlraum eingespritzt (in der Figur ist die Lage der Form mit „T/P" angegeben).
Die Probekörper Nr. 2-5 sind Vergleichsbeispiele. Davon verwendet jedes eine Gussbauform mit einem Speiser. Die Probekörper Nr. 2 und Nr. 4 wurden durch offene Systeme mit dem in 3B gezeigten Y-Sandformblock gegossen, während die Probekörper Nr. 3 und Nr. 5 durch offene Systeme mit den in 3C gezeigten Formstäben gegossen wurden. Dabei entsprechen die Probekörper Nr. 4 und Nr. 5 Güssen mit einer HIP-Behandlung (HIP: heißisostatisches Pressen).
Bei dem Formaufbau des erfindungsgemäßen Beispiels (3A) wurde auf die Innenwände des Formhohlraums (T/P- Teile) vorab die folgende Wärmeisolationsbeschichtunq aufgebracht. Der Anschnitt wurde ohne Wärmeisolationsbeschichtung gelassen.
Wärmeisolationsbeschichtung

Zusammensetzung: Mullithohlpulver (Teilchengröße 50 um) + Siliziumoxidpulver (massiv, Teilchengröße von nicht mehr als 10 μm)
(Gewichts-)Verhältnis Mullit : Siliziumoxid: 30:70
Bindemittel: 5 Gew.-% Bentonit und 10 Gew.-% Wasserglas auf Basis von 100 Gew.-% brutto
Beschichtungsdicke: 600μm

4 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Innenwand des mit der obigen Wärmeisolationsbeschichtung versehenen Formhohlraums. Es ist zu erkennen, dass auf der Innenwand des Formhohlraums eine poröse Wärmeisolationsbeschichtung mit einem gleichmäßigen Gemisch aus Mullithohlteilchen und Siliziumoxidvollteilchen ausgebildet ist.
Während des erfindungsgemäßen Gießens wurde, wie in 3A gezeigt ist, durch an dem Anschnitt und dem Formhohlraum (T/P-Teile) vorgesehene Temperatursensoren ständig die Temperatur überwacht. Die Messergebnisse sind in 5 gezeigt.
Wie in 5 gezeigt ist, fiel die Temperatur in dem Anschnitt ohne Wärmeisolationsbeschichtung rasch und wurde die Erstarrungstemperatur des untersuchten Gusseisens (etwa 1150°C) früh erreicht, weswegen die Metallschmelze im Anschnitt die Erstarrung wenige Sekunde nach dem Gießbeginn beendete. Und zwar begann die Metallschmelze an dem linken Ende der Zone. in der die Temperaturkurve des Anschnitts in der Figur horizontal verläuft, zu erstarren, und beendete sie das Erstarren am rechten Ende der Zone.
Im Gegensatz dazu wurde das Innere des mit der Wärmeisolationsbeschichtung versehenen Hohlraums (in der Figur „T/P") auch noch, als der Anschnitt die Erstarrung beendete, auf einer höheren Temperatur als die Erstarrungstemperatur (etwa 1150°C) und in einem geschmolzenen Zustand gehalten. Und zwar beginnt die Erstarrung im Hohlraum, unmittelbar nachdem der Anschnitt die Erstarrung beendet hat (linkes Ende in der horizontalen Zone der T/P-Temperaturkurve in der Figur). Aufgrund dessen läuft der gesamte Erstarrungsvorgang im Hohlraum im versiegelten Zustand mit verschlossenem Anschnitt ab.
Der durch das erfindungsgemäße Druck-/Einschränkungsgießen erzielte zylinderförmige Probekörper ist in dem horizontalen Schnitt von 6A als makroskopische Skizze und sein Mittelteil in der lichtmikroskopischen Aufnahme von 6B dargestellt. Wie in der makroskopischen Skizze von 6A gezeigt ist, wurde an der Oberflächenschicht des Probekörpers eine gewisse Bildung von Zementit beobachtet, doch hatte der größte Teil eine Mikrostrutur mit fein ausgebildetem Kugelgraphit, wie sie in 6B gezeigt ist. Das Kugelgraphitverhältnis betrug mindestens 85%. Dabei ist zu beachten, dass das Kugelgraphitverhältnis quantitativ gemäß JIS G5502 ermittelt wird.
Der auf diese Weise angefertigte Probekörper des erfindungsgemäßen Beispiels und die Probekörper der Vergleichsbeispiele wurden zurechtgeschnitten und dann einem Ermüdungsversuch unterzogen. Die Versuchbedingungen waren wie folgt:
Ermüdungsversuchsbedingungen

Versuchssystem: Rotationsbiegeermüdungsversuch Versuchsstück
Wärmebehandlung: 930°C × 3,5 Std. + 730°C × 6 Std.
Form und Abmessungen: Gesamtlänge 170mm, zwei Endklemmteile mit jeweils Φ15 mm × 60 mm, mittleres Versuchsteil Φ12 mm × 50 mm
(*) einschließlich Übergangszone (R25) an beiden Klemmteilen

7 zeigt sämtliche Ergebnisse des Ermüdungsversuchs. Die Eintragungen in der Figur entsprechen den in der Tabelle 1 angegebenen Probekörpernummern.

O:: Erfindungsgemäßes Beispiel (Probekörper Nr. 1, Druck-/Einschränkungsguss)
Δ:: Vergleichsbeispiel (Probekörper Nr. 4, Sandform-/Offenguss + HIP-Behandlung (*1))
♢:: Vergleichsbeispiel (Probekörper Nr. 5, Druck-/Offenguss + HIP-Behandlung (*1))
+:: Vergleichsbeispiel (Probekörper Nr. 2, Sandform-/Offenguss)
x:: Vergleichsbeispiel (Probekörper Nr. 3, Druck-/Offenguss)

(*1) Bedingungen HIP-Behandlung Druck: 98 MPa, Ar-Atmosphäre Temperatur: 930°C Dauer: 3,5 Std.

Wie in 7 gezeigt ist, hatten die mit dem Druck-/Einschränkungsguss (O) erzielten erfindungsgemäßen Beispiele im Vergleich zu den durch Offenguss mit der Sandform oder Druckgussform (+, x) erzielten Vergleichsbeispielen eine stark verbesserte Ermüdungsfestigkeit und Dauerfestigkeit und ergaben das gleiche hohe Niveau wie die durch Offenguss mit einer Sandform oder Druckgussform mit HIP-Behandlung (Δ, ♢) erzielten Vergleichsbeispiele. Im Vergleich der Ermüdungsfestigkeit bei 10⁷ Zyklen zeigten die durch Offenguss (ohne HIP-Behandlung) erzielten Vergleichsbeispiele (+, x) eine Niveau von 200 MPa. Im Gegensatz dazu zeigte das erfindungsgemäße Beispiel ein Niveau von 300 MPa, das gleich hoch wie das Niveau der durch Offenguss mit HIP-Behandlung erzielten Vergleichsbeispiele (Δ, 0) ist. Dabei ist zu beachten, dass die Wiederholungslast 10⁷ für alle Probekörper in dem Bereich lag, wo der horizontale Teil (konstante Teil) der Ermüdungskurve erschien, sodass die 10⁷-Ermüdungsfestigkeit im Wesentlichen als Dauerfestigkeit angesehen werden kann.
Nach dem obigen Ermüdungsversuch wurde die Bruchfläche des Probekörpers untersucht. 8 zeigt eine Makroaufnahme der Bruchfläche, während die 9A und 9B Rasterelektronenmikroskopaufnahmen des Bruchursprungs der Bruchfläche zeigen.
Wie in 8 dargestellt ist, trat in jedem Fall ein Ermüdungsriss auf, der von der Oberfläche des Probekörpers ausging, durch die gesamte Querschnittsfläche lief und schließlich zum Endbruch wurde. Es konnte festgestellt werden, dass sich der Ermüdungsbruch von dem in der Figur durch den Pfeil angegebenen Punkt (Ursprung) in Radialform (Fächerform) ausbreitete. Als der Ermüdungsbruch wuchs und die (durch den dem Material eigenen Bruchzähigkeitswert vorgegebene) kritische Rissgröße überschritt, trat ein instabiler Bruch auf und kam es sofort zu einem Bruch des gesamten Querschnitts.
Im Fall des erfindungsgemäßen Druck-/Einschränkungsgusses sind, wie in 9A gezeigt ist, am makroskopischen Bruchursprung Kugelgraphitteilchen mit einer Größe von etwa 30 μm vorhanden. Es ist wird davon ausgegangen, dass die Ermüdungsrisse an diesen Teilchen (Spannungskonzentrationsquellen aufgrund von Phasengrenze) entstehen. Im Gegensatz dazu sind im Fall des Offengusses mit einer Sandform oder Druckgussform (beide ohne HIP-Behandlung), wie in 9B gezeigt ist, am makroskopischen Bruchursprung etwa 50 μm große Gussfehler vorhanden. Es wird davon ausgegangen, dass die Ermüdungsrisse an diesen Fehlern (Spannungskonzentrationsquellen aufgrund von Luftlöchern) ausgehen.
Es ist zu beachten, dass auch dann, wenn an dem mit einer Sandform oder Druckgussform erzielten Offengussteil eine HIP-Behandlung vorgenommen wird, sich am Bruchursprung das Vorhandensein von Kugelgraphitteilchen mit einer Größe von etwa 30 μm nachweisen lässt, wie sie auch bei dem in 9A gezeigten erfindungsgemäßen Beispiel gefunden wurde. Diese werden als die Bruchursprünge angesehen.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Druck-/Einschränkungsgusses werden also keine großen Gussfehler mit einer Größe von 50 μm oder mehr gebildet, die Bruchrisse einleiten könnten. Aufgrund dessen wird die Entstehung eines Bruchrisses zumindest unterdrückt und die Ermüdungsfestigkeit (Dauerfestigkeit) stark verbessert. Bei Berücksichtigung des Bruchmechanismus, bei dem der Bruchriss durch die drei Stufen Rissbildung, Risswachstum und instabiler Bruch geht, bedeutet die Abwesenheit großer Gussfehler auch eine Verbesserung des Widerstands gegenüber dem Risswachstum und schließlich gegenüber dem instabilen Bruch und verbessert sich das Bruchverhalten insgesamt.
Der erfindungsgemäße Bruch (Probekörper Nr. 1) zeigt ein gleichwertiges Bruchverhalten (Ermüdungskurve) wie die Vergleichsbeispiele (Probekörper Nr. 4 und 5) der Offengüsse durch die Sandform oder Druckgussform mit der HIP-Behandlung, sodass davon ausgegangen werden kann, das durch den erfindungsgemäßen Druck-/Einschränkungsguss im Großen und Ganzen die gleiche Wirkung von weniger Gussfehlern wie durch die HIP-Behandlung erreicht werden kann.
Bevorzugte Ausführungsformen des Wärmeisolationsschichtmaterials Um stabil die Wirkungen der Kristallisation von Kugelgraphit und der Verringerung von Gussfehlern aufgrund des erfindungsgemäßen Druck-/Einschränkungsgusses erzielen zu können, ist es äußerst wichtig, an den Innenwänden des Formhohlraums eine Wärmeisolationsschicht vorzusehen.
Beim Druckgießen von Eisenguss wird im Allgemeinen Kieselgurerde oder ein anderes Tonmineral als Formbeschichtung verwendet. Eine solche Formbeschichtung auf Basis eines Tonminerals wird dazu verwendet, den Hitzeschock oder den Verschleiß durch den direkten Kontakt mit der heißen Metallschmelze zu unterbinden, um so die Haltbarkeit der Form zu verbessern. Allerdings ist bei einer solchen herkömmlichen Formbeschichtung das Wärmeisolationsvermögen gering und ist es bei den üblichen Dicken von 1 bis 2 mm auch nicht möglich, stabil die Bildung von Unterkühlungskristallen (Zementit) zu verhindern.
Im Gegensatz dazu besitzt der in diesem Beispiel verwendete Hohlmullit ein äußerst hohes Isolationsvermögen und ist als Material für die erfindungsgemäße Wärmeisolationsschicht anzustreben. In der Praxis wird in den Hohlmullit Vollsiliziumoxid eingemischt, um eine Beschichtung zu bilden und Ablagerungen zu verhindern, und wird für den Gebrauch ein Bindemittel (Bentonit, Wasserglas, usw.) hinzugegeben.
Es wurde ein Gießversuch durchgeführt, bei dem Wärmeisolationsschichten (Nr. 11 bis 14) mit verschiedenen, wie in Tabelle 2 angegebenen Verhältnissen von Hohlmullitpulver und Siliziumoxidpulver verwendet würden. Zum Vergleich wurde ein ähnlicher Gießversuch für den Fall ohne Isolationsschicht (Vergleich A) und für den Fall einer herkömmlichen Formbeschichtung (Vergleich B) durchgeführt.
Tabelle 2: Ergebnisse Schiffchenformversuch
Wie in 10 gezeigt ist, wurde auf die Innenwände des Hohlraums einer Schiffchenform vom JIS-Typ 4 eine Wärmeisolationsschicht aufgebracht, eine Eisengussmetallschmelze der obigen Zusammensetzung eingeschüttet und die Temperatur der Metallschmelze in der Gussform ständig durch ein Thermoelement gemessen. Die Dicke der Mullit/Siliziumoxid-Wärmeisolationsschicht wurde auf die maximale Filmbildungsdicke, d.h. auf 600 μm eingestellt. Ist die Schicht dicker, löst sich die Wärmeisolationsschicht ab und bleibt nicht stabil. Des Weiteren wurde die Dicke der herkömmlichen Formbeschichtung auf die allgemein üblichen 2 mm eingestellt. 11 zeigt die Ergebnisse der Temperaturmessung. Des Weiteren sind in Tabelle 2 die Messergebnisse für die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeisolationsschicht und die Untersuchungsergebnisse für die Gussstruktur (Vorhandensein von Unterkühlungskristallen) angegeben.
Wie in 11 und Tabelle 2 angegeben ist, konnte die Abkühlgeschwindigkeit gegenüber einer herkömmlichen Formbeschichtung verlangsamt werden und wurde verhindert, dass sich in den Wärmeisolationsschichten Nr. 12, 13 und 14 Unterkühlungskristalle bildeten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeisolationsschicht nicht mehr als 0,25 W/mK betrug. Des Weiteren wird die Dicke der Wärmeisolationsschicht vom Gesichtspunkt der Filmbildung auf nicht mehr als 600 μm eingestellt.
Werden die Wirkungen der Erfindung zusammengefasst, so wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Druckgießen von Kugelgraphit-Gusseisen zur Verfügung gestellt, das die Bildung von Unterkühlungskristallen (Zementit) verhindern kann, sodass es zu einer Kristallisation von feinem Kugelgraphit kommt, und gleichzeitig innere Fehler verhindern kann.
Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben, die aus Veranschaulichungsgründen gewählt wurden, doch ist es ersichtlich, dass der Fachmann verschiedene Abwandlungen vornehmen kann, ohne von dem in den Ansprüche angegebenen Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Ein Verfahren zum Druckgießen von Kugelgraphit-Gusseisen, das die Bildung von Unterkühlungskristallen verhindern kann, die Kristallisation von feinem Kugelgraphit erlaubt und gleichzeitig die Bildung von inneren Fehlern verhindert, umfasst die Schritte Anfertigen einer Form, die an Innenwänden eines Hohlraums mit einer Wärmeisolationsschicht versehen ist, Einfüllen von Metallschmelze mit der Zusammensetzung des Kugelgraphit-Gusseisens durch einen Anschnitt in den Hohlraum, Verschließen des Anschnitts, um den Hohlraum zu versiegeln, direkt bevor die Metallschmelze im Hohlraum zu erstarren beginnt, und Erstarren lassen der Metallschmelze unter den Einfluss des Innendrucks, der durch die Kristallisation des Kugelgraphits im versiegelten Hohlraum verursacht wird.

Claims

Verfahren zum Druckgießen von Kugelgraphit-Gusseisen, mit den Schritten: Anfertigen einer Form (10), die an Innenwänden eines Hohlraums (10C) mit einer Wärmeisolationsschicht (12) versehen ist, Einfüllen von Metallschmelze (14) mit der Zusammensetzung des Kugelgraphit-Gusseisens durch einen Anschnitt in den Hohlraum (10C) unter Verwendung einer speiserlosen Bauform, Verschließen des Anschnitts, um den Hohlraum (10C) zu versiegeln, direkt bevor die Metallschmelze im Hohlraum zu erstarren beginnt, und Erstarren lassen der Metallschmelze unter dem Einfluss des Innendrucks, der durch die Kristallisation des Kugelgraphits im versiegelten Hohlraum verursacht wird, wobei die Wärmeisolationsschicht (12) eine Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 0,25 W/mK und eine Dicke von nicht mehr als 600 μm hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wärmeisolationsschicht (12) im Wesentlichen aus Hohlkeramikteilchen, Vollkeramikteilchen und einem Bindemittel besteht.