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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technischer Bereich
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Legierungsmaterial auf Eisenbasis
für ein
Thixogussverfahren und ein Verfahren zum Gießen des Materials.
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2. Verwandte Technik
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Thixogussverfahren
sind Verfahren, worin eine Druckbelastung auf einen halbgeschmolzenen
Block in einem gleichzeitig vorliegenden Fest-Flüssig-Zustand ausgeübt, um Spritzgießen in eine
Matrize durchzuführen.
Dieses Verfahren ermöglicht
die Bildung von Teilen mit dünneren
Wänden
und komplizierteren Formen im Vergleich mit herkömmlichen Formungsverfahren.
In diesem Verfahren können
die Herstellungskosten verringert werden aufgrund der Verringerung
maschinell zu bearbeitender Bereiche und die thermische Belastung der
Matrize wird extrem verringert, da das Gießen bei einer geringeren Schmelztemperatur
durchgeführt
werden kann als in dem herkömmlichen
Spritzguss- bzw. Formgussverfahren. Daher ist bekannt gewesen, das Thixogussverfahren
als ein Verfahren für
Spritzgussmaterialien, wie etwa Gusseisen, vielversprechend sind. Jedoch
bildet die flüssige
Phase von Gusseisen, das durch Thixogussverfahren hergestellt wird,
eine abgeschreckte Matrix mit geringer Zähigkeit. Beim Eisengießen unter
Verwendung eines Hochtemperaturblocks ist die Vertestigungskontraktion
groß beim
Kühlen
in der Matrize und es werden leicht Risse in der abgeschreckten
Matrix gebildet.
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In
der ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichungsschrift
(KOKAI) Nr. 239513/97 wird ein Verfahren vorgeschlagen, in welchem
die Bildung von Rissen unterdrückt
werden kann durch Verhindern der Bildung einer Hartgussmatrix durch
Verwenden einer Kohlenstoffmatrize. Jedoch weist die Kohlenstoffmatrize
eine nicht ausreichende Festigkeit auf und die Nutzungsdauer davon
ist kurz und die Herstellungseffizienz wird aufgrund häufiger Wartung
der Matrize verringert. In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung
(KOKAI) Nr. 123242/01 und in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung
(KOKAI) Nr. 144304/00 wird ein Verfahren vorgeschlagen, in welchem
die Bildung von Rissen unterdrückt
werden kann durch Verstärken
der abgeschreckten bzw. gequenchten Matrix durch Zugeben von Chrom
oder durch Mischen der abgeschreckten Matrix mit einer hochzähen Phase
durch Erhöhen
des Gehalts von Mangan. Jedoch wird die Matrize durch Reibung mit
einem Produkt, das eine harte abgeschreckte Matrix aufweist, während der
Verfestigungskontraktion davon verschlissen, da die Verfestigungskontraktion
noch zu einem großen
Ausmaß in
der Matrize auftritt. Wenn der Verschleiß in der Matrize gefördert wird,
ist die Größengenauigkeit
eines Produkts an dem verschlissenen Bereich verschlechtert und
die Nutzungsdauer der Matrize wird verkürzt. Wenn eine Waschlösung, die auf
der inneren Oberfläche
der Matrize zugeführt
wird, teilweise durch Reibung mit dem Produkt abgestreift wird,
variiert die Wärmeleitfähigkeit
zwischen der Matrize und dem Produkt in jedem Bereich. Als ein Ergebnis variiert
die Verfestigungsrate an jedem Bereich und dies führt zu Gussfehlern,
wie etwa Größevariationen
und Rissen. EP-A-864 662 offenbart eine Eisenlegierung, die geeignet
ist zum Thixogießen,
umfassend 1,8 bis 2,5 Kohlenstoff, 1,4 bis 3Si und wobei der Rest
Eisen ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Daher
ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung
eines Legierungsmaterials auf Eisenbasis für Thixogussverfahren und ein
Verfahren zum Gießen
des Materials, worin die Nutzungsdauer der Matrize ausgedehnt werden
kann, durch Verhindern der Verfestigungskontraktion, und worin Gussfehler,
wie etwa Größevariationen
und Risse, verhindert werden können.
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Legierungsmaterial für ein Thixogussverfahren,
wobei das Material umfasst: 1,6 Gew.-% ≤ C ≤ 2,5 Gew.-%; 3,5 Gew.-% < Si ≤ 5,5 Gew.-%;
ein Kohlenstoffäquivalent
(der Wert von CE), definiert als "C (Gew.-%) + 1/3Si (Gew.-%)"; und welches 2,9 ≤ (C (Gew.-%)
+ 1/3Si (Gew.-%)) ≤ 3,5 erfüllt. Das
Legierungsmaterial auf Eisenbasis enthält auch 0,1 Gew.-% ≤ Cr ≤ 0,3 Gew.-%.
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Die
vorliegende Erfindung liefert auch ein Verfahren zum Gießen eines
Legierungsmaterials auf Eisenbasis für ein Thixogussverfahren, worin
das oben genannte Material der vorliegenden Erfindung in einen halb geschmolzenen
Zustand übergeführt wird,
mit 35 bis 50 Gew.-% einer festen Phase, um unter einer Druckbelastung
gegossen zu werden.
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Die
Gründe
für die
oben genannten numerischen Wertbegrenzungen und Auswirkungen werden
hier nachfolgend erklärt.
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Gehalt von Si: 3,5 Gew.-% < Si ≤ 5,5 Gew.-%.
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Es
ist möglich,
dass die Verfestigungskontraktionsrate in einem dünnwandigen
Teil von z.B. etwa 2,5 mm auf 0,6% oder weniger verringert wird,
durch Verringern des Ausmaßes
der Verfestigungskontraktion, in dem Falle, worin der Gehalt von
Si bei mehr als 3 Gew.-% begrenzt ist. Daher wird, da die Abrasion
des Gießens
für die
Matrize abnimmt, wodurch eine Schädigung der Matrize vermieden
wird, die Bildung von Rissen ebenfalls schwierig. Unter Betrachtung
dieser Auswirkungen, die gut erhalten werden, ist der untere Grenzwert des
Si-Gehalts mehr
als 3,5 Gew.-% oder mehr. Im herkömmlichen Sandform-Kugelgraphitgusseisen
neigen Dehnung und Zähigkeit
dazu deutlich verringert zu sein falls das Material 3,5 Gew.-% oder
mehr Si enthält. Jedoch
wird in einem Produkt, worin eine festgesetzte Härtungshitzebehandlung durchgeführt wird
nach dem Gießen
unter Verwendung des Materials der vorliegenden Erfindung eine ausreichende
Dehnung selbst dann erhalten, wenn der Si-Gehalt mehr als 3,5 Gew.-%
ist, und insbesondere eine Dehnung von 10% oder mehr wird mit einem
Si-Gehalt von 4 Gew.-% oder weniger sichergestellt. Gleichzeitig
ist es erforderlich, die Festphasenrate zu verringern, um ausreichend
Fluidität
sicherzustellen, da die Viskosität
in dem Guss durch Abnahme des Gehalts von C ansteigt, wenn der Gehalt
von Si auf den Wert von CE in dem jeweiligen Bereich angehoben wird.
Daher kann eine Abnahme des Ausmaßes der Verfestigungskontraktion
nicht erwartet werden in dem Falle, in welchem der Gehalt von Si
4,5 Gew.-% oder mehr ist, und es besteht die Möglichkeit, dass Risse in der
Form durch Verringern der Zähigkeit
der Matrix auftreten werden, selbst wenn die Verfestigungskontraktionsrate
gering ist, in dem Falle, in welchem der Gehalt von Si 6,5 Gew.-%
oder mehr ist. Darüber
hinaus ist es schwierig eine Form bzw. Gussform zu erhalten, die
eine einheitliche Matrix aufweist, durch Kristallisieren von Graphit
in der Form, in dem Falle, in welchem der Gehalt von Si mehr als
5,5 Gew.-% ist. Daher wird der Gehalt von Si in den Bereich von
3,5 Gew.-% < Si ≤ 5,5 Gew.-%
eingestellt.
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Wenn
der Gehalt von Si im Bereich von 3,5 Gew.-% < Si ≤ 5,5
Gew.-% ist, wird umso größer der
Gehalt von Si ist, umso eher ein harter passiver Oxidfilm, der aus
SiO2 besteht, auf der Oberfläche des
Materials gebildet wenn das Material, wie etwa ein Block, vor dem
Gießen
erhitzt wird. Daher wird es schwierig, das Material so umzuformen,
dass es leicht handzuhaben wird, und es ist ebenfalls schwierig,
dass Oxidation bei dem Erhitzen vorangetrieben wird. Darüber hinaus
wird das Material, das auf einer Palette usw. getragen wird, unter Verwendung
einer Induktionsheizschleife oder eines Ofens erhitzt wird und es
gibt Fälle,
in welchen die Adhäsion
des Materials und der Palette ein Problem wird; jedoch besteht ein
Vorteil darin, dass sich die Adhäsion schwer
erzeugen läßt, da der
harte Oxidfilm auf der Oberfläche
gebildet wird. Kohlenstoffäquivalent
(der Wert von CE): 2,9 ≤ der
Wert von CE ≤ 3,5.
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Das
Ausmaß der
eutektischen Phase nimmt ab, wenn der Wert von CE auf weniger als
2,9 fällt,
und in der Gussform wird in einem halbgeschmolzenen Zustand die
erneute Zuführung
von flüssiger
Phase unzureichend, dass das Befüllen
leicht unzureichend wird. In der Zwischenzeit steigt das Ausmaß der eutektischen Phase
zu stark an wenn der Wert von CE 3,5 überschreitet und Verformung
kann leicht auftreten wenn das Material in dem halbgeschmolzenen
Zustand erhitzt wird, sodass das Material schwer handzuhaben wird.
Daher gibt es eine Möglichkeit,
dass das Material umgeformt wird, in dem Falle, in welchem das halbgeschmolzene
Material in die Matrize in der Gussform gefüllt wird und der Oxidfilm der
Oberfläche
wird die Innenseite verunreinigen. Daher wird der Wert von CE auf
2,9 ≤ der
Wert von CE ≤ 3,5
eingestellt.
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Gehalt von C: 1,6 Gew.-% ≤ C ≤ 2,5 Gew.-%
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Der
Gehalt von C wird entsprechend dem Gehalt von Si und dem Wert von
CE entschieden und wird so eingestellt, dass er 1,6 Gew.-% ≤ C ≤ 2,5 Gew.-%
ist. Jedoch ist es wünschenswert,
dass der Gehalt von C klein ist, da eine Verringerung des Youngschen
Moduls bewirkt wird nachdem das Produkt hitzebehandelt wurde durch
Härten
nach dem Gießen
in dem Falle, in welchem der Gehalt von C nicht gering ist.
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Gehalt von Cr: 0,1 Gew.-% ≤ Cr ≤ 0,3 Gew.-%
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Cr
ist wirkungsvoll als ein Element, welches die Kristallisation des
Graphits in der Gussform unterdrückt.
Das vorstehend genannte Si ist ein Element, welches Graphitbildung
fördert
und das Graphit kristallisiert in der Gussform in dem Falle, in
welchem der Gehalt von Si in der Zusammensetzung des Materials 4,0 Gew.-% ist und in dickwandigen
Teilen, welche schwierig rasch zu kühlen sind, und das kristallisierte
Graphit wird grob in dem Produkt, wenn die Härtungshitzebehandlung durchgeführt wird
nach dem Gießen,
wobei mechanische Eigenschaften verschlechtert werden. Darüber hinaus
ist es nicht wünschenswert,
dass die Kristallisation des Graphits teilweise hervorgerufen wird,
da die Formgenauigkeit verringert wird, da die Verfestigungskontraktionsrate
sich in den Graphitkristallisationsteilen verändert. Dann ist die Zugabe
von Cr wirkungsvoll und die Kristallisation des Graphits kann nicht
unterdrückt
werden, wenn der Gehalt von Cr kleiner als 0,1 Gew.-% ist, und die
Zähigkeit
nach der Härtungshitzebehandlung
wird verringert wenn der Gehalt von Cr mehr als 0,3 Gew.-% ist.
Daher wird der Gehalt von Cr auf 0,1 Gew.-% ≤ Cr ≤ 0,3 Gew.-% eingestellt.
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Festphasenrate: 35 bis
50%
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Im
Hinblick auf die Festphasenrate beim Gießen des Materials, wenn der
Wert geringer als 35% ist, tritt Verformung des Materials leicht
auf und das Material wird schwierig handzuhaben, während wenn
der Wert mehr als 50% ist, die Fluidität verringert wird, da der Festphasenanteil
zu groß ist
und es tritt auf, dass ein Befüllen
der Matrize nicht möglich
wird. Daher wird die Festphasenrate in dem Guss auf 35 bis 50% eingestellt.
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KURZE ERKLÄRUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Längsschnittansicht
einer Gussausstattung, durch welche Druckbelastung ausgeübt werden
kann, die verwendet wird in einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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2A ist
eine Seitenaufrissansicht eines Prüfkörpers, der in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
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2B ist
eine Vorderansicht eines Prüfkörpers, der
in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
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3 ist
ein Graph, der die Ergebnisse des Ausmaßes der Verfestigungskontraktion
in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und in einem Vergleichsbeispiel zeigt.
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4 ist
eine fotomikroskopische Aufnahme, die die interne Textur eines Materials
in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 ist
eine fotomikroskopische Aufnahme, die die interne Textur eines Materials
in einem Vergleichsbeispiel, das mit einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zu vergleichen ist, zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden hier nachfolgend unter Bezugnahme
auf die Figuren erklärt,
um die Auswirkungen der Erfindung klarzustellen.
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A. Gussausstattung
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1 ist
eine Längsschnittansicht
der Gussausstattung, durch welche Druckbelastung ausgeübt werden
kann, um ein Prüfkörper in
dünner
Plattenform, der zwei Dicken aufweist, welche sich schrittweise ändern, wie
in den 2A und 2B gezeigt,
zu gießen.
Der Druckbelastungstyp der Gussausstattung 1 umfasst eine
fixierte Matrize 2 und eine bewegliche Matrize 3,
welche beide aus Kupfer hergestellt sind und welche lotrecht abgestimmte
Ebenen 2a und 3a, die aufeinander abgestimmt sind,
einen Angusskanal 4 und Hohlräume 5 aufweisen, in
welchen Prüfkörper zwischen
zwei lotrecht aufeinander abgestimmten Ebenen 2a und 3a gebildet
werden. Eine Kammer 6, welche Block B als das Gussmaterial
aufnimmt, ist in der fixierten Matrix 2 ausgebildet und
die Kammer 6 führt
zu dem Angusskanal 4 mittels des Eingusskanals 7.
Darüber
hinaus ist die Buchse 8, welche zu der Kammer 6 führt, horizontal
in der fixierten Matrize 2 installiert und der Stempel 9, welcher
in die Kammer 6 eingeführt
ist, ist horizontal in die Buchse 8 eingepasst, um frei
verschiebbar zu sein. Dann wird Block B in die Vertiefungen 5 des
Angusskanals 4 eingefüllt,
durch Anordnen des Blocks B im halbgeschmolzenen Zustand in der
Buchse 8 einer Einschuböffnung 8a,
die am oberen Teil des Verbindungseinbringungsgangs in Buchse 8 gebildet
ist, und durch Bewegen des Stempels 9 horizontal in eine
Richtung der beweglichen Matrize 3.
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B. Prüfkörper
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Ein
Prüfkörper, gegossen
in Hohlraum 5 in der vorstehenden Gussausstattung 1 des
Druckbelastungstyps, ist 90 mm breit und 110 mm hoch, wie in den 2A und 2B gezeigt,
und ist eine dünne
Platte mit zwei Dicken, welche sich stufenweise verändern, worin
sich ein dünnwandiger
Teil 10A mit 2,5 mm Dicke ab der Hälfte des Weges nach oben zum
einen Ende (oberes Ende der 2A und 2B)
erstreckt und ein dickwandiger Teil 10B mit 5 mm Dicke
sich von der Hälfte
des Weges in der Höhenrichtung
zu anderen Ende (unteres Ende der 2A und 2B)
erstreckt.
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C. Gusstest
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Legierungen
auf Eisenbasis der Ausführungsformen
1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 mit C-Gehalten, Si-Gehalten
und Cr-Gehalten wie in Tabelle 1 gezeigt, wurden als Materialien
in dem folgenden Test verwendet, zylindrische Blöcke mit 50 mm Durchmesser und
65 mm Länge
wurden aus diesen Materialien hergestellt und diese wurden induktiv
erhitzt. Die Erhitzungsbedingungen waren wie folgt: Temperatur und Festphasenrate,
bei welcher der Block in das Teil mit 2,5 mm Dicke des oben genannten
Hohlraumes 5 eingefüllt
wurde, wurden unter Messung der internen Temperatur in der Tiefe
von 5 mm vom Ende der Endfläche des
Blocks genau eingestellt. Die Erhitzungsbedingungen sind in Tabelle
1 angegeben. Die erhitzten Blöcke wurden
unter einer Druckbelastung gegossen, unter Verwendung der Gussausstattung 1 des
Druckbelastungstyps, die in 1 gezeigt
ist und die Prüfkörper wurden
gegossen. Die Druckkraft im Guss war 70 MPa, die Erhitzungstemperatur
in den Matrizen 2 und 3 war 200°C und die
Prüfkörper wurden
entnommen durch Öffnen
der Matrizen 2 und 3 nach einer Haltezeit von
1 Sekunde.
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Das
Ausmaß der
Verfestigungskontraktion wurde erhalten durch Messen der Breite
des dünnwandigen
Teils 10A in den Prüfkörpern der
Ausführungsformen
1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5, welche auf die obige
Art gegossen wurden. Darüber
hinaus wurde die interne Textur des dickwandigen Teils 10B im Zustand
wie gegossen (as-cast condition) nach dem Polieren durch ein Mikroskop
betrachtet und das Vorliegen von Kristallisation von Graphit wurde
untersucht. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben und die Ergebnisse
der Ausmaße
der Verfestigungskontraktion sind in 3 gezeigt.
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D. Zugfestigkeitstest
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Für die Prüfkörper der
Ausführungsformen
1 bis 5 wurde eine Härtungshitzebehandlung
durchgeführt, in
welcher die Prüfkörper in
einem Ofen gekühlt
wurden nachdem sie bei 950°C
für 60
Minuten gehalten wurden. Hiernach wurden die Zugprüfkörper, wobei
die Zugprüfteile
6 mm Breite und 27 mm aufwiesen, in parallelen Teilen von dem dickwandigen
Teil 10B abgeschnitten. Die Dehnungen dieser Zugprüfkörper wurden
gemessen durch Durchführen
der Zugtests. Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
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E. Ergebnis des Gusstests
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In
den Ausführungsformen
1 bis 5, die auf dieser Erfindung basieren, sind die Ausmaße der Vertestigungskontraktion
kleiner als 0,6% in jeder der Ausführungsformen und dieser Wert
ist äquivalent
dem oder kleiner als der Wert von Spritzgussprodukten, die aus Aluminium
bestehen. Daher kann sie deutlich eine Schädigung, wie etwa Abrasion,
der Matrize verhindern. Darüber
hinaus wurde der Oxidfilm auf der Oberfläche des Blocks an dem Eingusskanal
(Gate) abgefangen und so wurde die Verunreinigung des Prüfkörpers durch
den Oxidfilm nicht beobachtet, da der Block so umgeformt wurde,
dass er nicht zusammenbrach wenn der Block in die Buchse gegeben
wurde.
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Zusätzlich lag
in dem Vergleichsbeispiel 1 unter den Vergleichsbeispielen 1 bis
5, welche außerhalb des
Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen, eine große Menge
der eutektischen Phase vor, da der CE-Wert hoch war, sodass der
Block leicht bei dem Erhitzen umgeformt wurde. Daher brach der Block
zusammen, wenn der Block in die Buchse gegeben wurde und der Oxidfilm
auf der Oberfläche
des Blocks gelangte durch den Eingusskanal, um den Prüfkörper zu
verunreinigen und daher traten Risse und Kaltschweißstellen auf
der Oberfläche
des Prüfkörpers auf.
Wenngleich die Fehler, die mit der Füllung des Materials in Verbindung stehen,
in den Vergleichsbeispielen 2 bis 4 nicht beobachtet wurden, war
es klar, dass das Ausmaß der
Verfestigungskontraktion groß war,
0,6% oder mehr, Beschädigung,
wie etwa Abrasion der Matrize auftrat und Brüche leicht in dem Produkt erzeugt
wurden. Wenngleich die Füllung
nicht unzureichend in dem Vergleichsbeispiel 5 mit dem hohen Gehalt
von Si war und das Ausmaß der
Verfestigungskontraktion ebenfalls gering war, wurden Risse im Übergangsbereich
der Grenze zwischen dem dünnwandigen
Teil und dem dickwandigen Teil aufgrund der geringen Zähigkeit
erzeugt.
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F. Ergebnisse der Zugtests
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Bei
Beurteilung der Zugtests, die auf den Ausführungsformen 2 bis 5 durchgeführt wurden,
war klar, dass desto größer der
Gehalt von Si ist, umso mehr die Dehnung dazu neigte, abzunehmen;
jedoch wurde ausreichende Dehnung selbst dann erhalten wenn der
Gehalt von Si 3,5 Gew.-% überstieg.
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G. Ergebnisse der Untersuchung
der Matrix
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4 ist
eine fotomikroskopische Aufnahme der Matrix in Ausführungsform
4 und 5 ist eine fotomikroskopische Aufnahme der Matrix
in Vergleichsbeispiel 5. Es ist klar, dass die Matrix in Ausführungsform
4 einheitlich und einwandfrei ist; jedoch in Vergleichsbeispiel
5 wird Kristallisation (schwarzer Teil) des Graphits in Teilen nachgewiesen.
Daher wird angenommen, dass mechanische Eigenschaften nach Härtungshitzebehandlung
und Formgenauigkeit in Vergleichsbeispiel 5 verringert werden wenn
die Verfestigungskontraktionsrate sich verändert, usw.
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Ein
Legierungsmaterial auf Eisenbasis für ein Thixogussverfahren und
ein Verfahren zum Gießen
des Materials, welches die Nutzungsdauer von Matrizen verlängert durch
Verhindern von Verfestigungskontraktion und worin Gussfehler, wie
etwa Größevariationen
und Brüche
verhindert werden können,
wird bereitgestellt. Das Material umfasst 1,6 Gew.-% ≤ C ≤ 2,5 Gew.-%
und 3,5 Gew.-% < Si ≤ 5,5 Gew.-%
und ein Kohlenstoffäquivalent
(der Wert von CE), definiert als "C (Gew.-%) + 1/3Si (Gew.-%)" von 2,9 bis 3,5.
Dieses Material wird in einen halbgeschmolzenen Zustand gebracht
mit 35 bis 50 Gew.-% einer festen Phase, die unter einer Druckbelastung
gießbar
ist.
