DE69911590T2

DE69911590T2 - Verfahren zur herstellung von magnesium behandeltem eisen mit verbesserter bearbeitbarkeit

Info

Publication number: DE69911590T2
Application number: DE69911590T
Authority: DE
Inventors: Frank L. Kemeny
Original assignee: SinterCast AB
Current assignee: SinterCast AB
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2019-03-06
Also published as: EP1070147A1; US6372180B1; SE9800750L; SE9800750D0; DE69911590D1; JP2002505380A; EP1070147B1; SE512201C2; WO1999045156A1

Description

Gusseisen wird in verschiedenen Sorten hergestellt, welche sich nach der Graphitmorphologie klassifizieren lassen. Im Falle von Gussstücken aus grauem Gusseisen dominiert die flockenförmige Graphitstruktur. Diese Eisensorten werden nicht mit Magnesium behandelt und der Gehalt an gelöstem Sauerstoff wird durch das Silicium-Mangan-Komplex-Desoxidationsgleichgewicht kontrolliert. Diese Kontrolle führt zu nichtmetallischen Oxideinschlüssen, welche bei den Temperaturen, wie sie bei der Bearbeitungsprozessen vorherrschen, plastisch sind. Die deformierbare Natur dieser Mangansilicateinschlüsse ist zum Teil verantwortlich für die freie Bearbeitbarkeit von grauem Gusseisen.
Im Falle von magnesiumbehandeltem Eisen wird der Sauerstoff durch das Magnesium-Sauerstoff-Gleichgewicht kontrolliert und die resultierenden nichtmetalischen Einschlüsse sind Magnesiumsilicate oder Magnesiumoxid. Diese Einschlüsse sind nicht plastisch bei den Temperaturen, wie sie während eines Bearbeitungsprozesses auftreten. Sie sind deshalb nicht geeignet in den Prozessen der Werkzeugschmierung oder Spanbildung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Erzeugung einer Population von deformierbaren Einschlüssen in Mg-behandeltem Eisen, welche die Bearbeitbarkeit dieser Eisensorten verbessern. Erzielt wird dies durch Manipulation der Sauerstoffstoffkontrolle in dem Prozess, derart, dass die Magne siumgleichgewichte nur im letzten Stadium vor dem Gießen die Kontrolle innehaben.
Der vorliegende Prozess zur Herstellung von Mg-behandeltem Eisen beinhaltet die Herstellung eines Basismetalls vom Typ "Grauguss" mit den erforderlichen Legierungskonzentrationen. Dieses Eisen wird dann mit Calciumcarbid- oder Magnesium-Reagenzien entschwefelt, wenn das Eisen mehr als 0,02 (Gew.-)% Schwefel enthält. Bevorzugt enthält das Eisen nicht mehr als 0,008 (Gew.-)% Schwefel. Ferner wird der Sauerstoffgehalt durch diesen Schritt auf ein Niveau reduziert, bei dem die Mangan-Silicium-Desoxidation die Kontrolle nicht mehr innehat. Das Eisen sollte nicht mehr als 10 ppm Sauerstoff enthalten; bevorzugt nicht mehr als 5 ppm Sauerstoff. Das Eisen wird dann ferner mit Impfstoffen behandelt, welche das Sauerstoffpotential reduzieren und die Population der Einschlüsse erhöhen sollen. Geeignete Impfstoffe für die vorliegende Erfindung sind Impfstoffe, welche aus CaO, CaC₂ und/oder Aluminiumoxid bestehen. Das Ausmaß der Magnesiuminjektion, kombiniert mit anderen Kontrollaspekten, bestimmt den nach Erstarrung vorliegenden Grad der Kugeligkeit. In jedem Fall wird der Sauerstoff nun durch die Magnesiumsilicateinschlüsse kontrolliert.
Um die Bearbeitbarkeit von Mg-behandeltem Eisen zu verbessern, ist es notwendig, vor der Magnesiuminjektion für eine Desoxidation zu sorgen, so dass das Produkt einer solchen Desoxidation unter den bei der Bearbeitung herrschenden Bedingungen verformbar ist. Es wird vorgeschlagen, dass ein Prozess, welcher wenigstens einen Teil der folgenden Schritte enthält, dieses Ziel erreicht:

1. Desoxidieren und Entschwefeln des Basiseisens mit einer Calciumcarbid-Mischung, welche kein Mg enthält, falls erforderlich.
2. Abschöpfen der durch die Desoxidation gebildeten Schlacke und Entschwefelungsprodukte, falls notwendig.
3. Messen des Sauerstoffpotentials und der Temperatur.
4. Zugeben von Walzzunder oder einer anderen Sauerstoffquelle und/oder Anheben der Temperatur, um das Sauerstoffpotential nach Bedarf einzustellen, um die Siliciumkontrolle zu gewährleisten.
5. Zugeben von Aluminium und Calcium oder Calcium-haltigen Oxiden zu gelösten Anteilen, so dass die Desoxidationsprodukte in der Hauptsache Calciumaluminate oder Calciumaluminiumsilicate sind, welche plastisch sind.
6. Injizieren von Mg-haltigem Impfstoff zur Morphologiekontrolle nach Bedarf, kurz vor dem Gießen des Eisens.

Die relativen Mengen des gelösten Aluminiums, Calciums und der gelösten Oxide, welche gemäß Schritt 5 oben notwendig werden, sind abhängig von der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung des Eisens zum Zeitpunkt der Zugabe. Die Zieleinschlusszusammensetzung ist die eines niedrigschmelzenden plastischen Calciumaluminiumsilicats, wie aus dem Siliciumoxid-Aluminiumoxid-Kalk-Dreistoff-Phasendiagramm zu ersehen. Calcium kann auch die Modifikation von anderen in dem Eisen vorhandenen Einschlüssen, z. B. von Silicaten, bewirken.
Die Modifikation der gewünschten Einschlüsse durch Magnesium wird in einem gewissen Umfang auftreten, ist aber durch kinetische Faktoren begrenzt. Bei kontrollierter Zugabezeit kann die Modifikation in der Tat vorteilhaft sein, weil ein Teil des Magnesiumoxids die Liquidustemperatur der Einschlüsse herabsetzen kann.
Dementsprechend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von magnesiumbehandeltem Eisen, z. B. Gusseisen mit Kugelgraphit (SGI), Gusseisen mit Kompaktgraphit (CGI), mit Einschlüssen, welche sich beim Bearbeiten plastisch verformen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

a) Herstellung eines Basiseisens;
b) Entschwefeln des in Schritt a) hergestellten Basiseisens mit einem magnesiumfreien Reagens, wenn seine Schwefelkonzentration 0,02 (Gew.-)% überschreitet;
c) Kontrollieren des Sauerstoffpotentials und der Temperatur des Basiseisens, um die Silicium-Kontrolle des Sauerstoffs zu erleichtern, wenn der Gehalt an Sauerstoff 10 ppm überschreitet;
d) Zugeben von Aluminium und Calcium und/oder Calcium-enthaltenden Oxiden zu dem Basiseisen in Mengen, welche ein Dicalciumaluminat-Desoxidationsprodukt oder ein Calciumaluminiumsilicat-Desoxidationsprodukt mit niedrigem Schmelzpunkt entstehen lassen;
e) Behandeln des Basiseisens mit einem magnesiumhaltigen Impfstoff, um eine gewünschte Bedingung für eine gewünschte Kugeligkeit zu erzielen; und
f) Fortsetzen des Verfahrens zur Herstellung von magnesiumbehandelten Eisen in einer an sich bekannten Weise.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält das in Schritt b) hinzugegebene Entschwefelungsreagens 0–50% Al, 0–30% Ca, 0–50% CaO, 0–100% CaC₂, unter der Voraussetzung, dass die Summe der Prozentanteile von Al, Ca, CaO und CaC₂ größer ist als 0% und dass die Summe der Prozentanteile aller der Bestandteile 100% nicht überschreitet. Bevorzugt ist das Verhältnis des Calciums, welches in Schritt d) zugegeben wird, zum Gesamtsauerstoff in einem Bereich von 1 bis 20 angesiedelt.
Es ist weiter vorteilhaft, Schritt c) bei einer Eisentemperatur von mindestens 1400°C und bei einem Gehalt an gelöstem Sauerstoff von mehr als 5 ppm durchzuführen.
Bevorzugt ist die chemische Zusammensetzung der nach der Zugabe in Schritt d) gebildeten Initial-Desoxidationsprodukt-Einschlüsse ca. 50% Kalk und 50% Aluminiumoxid. Die chemische Zusammensetzung der Final-Desoxi dationsprodukt-Einschlüsse ist ca. 50% Siliciumoxid, 10% Aluminiumoxid, 25% Calcia und 15% Magnesiumoxid.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Entschwefelungsschritt b) durchgeführt, wenn der Schwefelgehalt 0,008 (Gew.-)% überschreitet.

Claims

Verfahren zur Herstellung von magnesiumbehandeltem Eisen, wie Kugelgraphit-Eisen (SGI), Kompaktgraphit-Gusseisen (CGI), mit Einschlüssen, welche sich beim Bearbeiten plastisch verformen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a) Herstellung eines Basiseisens; b) Entschwefeln des in Schritt a) hergestellten Basiseisens mit einem magnesiumfreien Reagens, wenn seine Schwefelkonzentration 0,02 (Gew.-)% überschreitet; c) Kontrollieren des Sauerstoffpotentials und der Temperatur des Basiseisens, um die Silicium-Kontrolle des Sauerstoffs zu erleichtern, wenn der Gehalt an Sauerstoff 10 ppm überschreitet; d) Zugeben von Aluminium und Calcium und/oder Calciumenthaltenden Oxiden zu dem Basiseisen in Mengen, welche ein Dicalciumaluminat-Desoxidationsprodukt oder ein Calciumaluminiumsilicat-Desoxidationsprodukt mit niedrigem Schmelzpunkt entstehen lassen; e) Behandeln des Basiseisens mit einem magnesiumhaltigen Impfstoff, um eine gewünschte Bedingung für eine gewünschte Kugeligkeit zu erzielen; und f) Fortsetzen des Verfahrens zur Herstellung von magnesiumbehandelten Eisen in einer an sich bekannten Weise.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das in Schritt b) zugegebene Entschwefelungsreagens 0–50% Al, 0–30% Ca, 0–50% CaO, 0–100% CaC₂ enthält, unter der Voraussetzung, dass die Summe der Prozentanteile von Al, Ca, CaO und CaC₂ größer ist als 0% und dass die Summe der Prozentanteile aller der Bestandteile 100% nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Verhältnis des Calciums, welches in Schritt d) zugegeben wird, zum Gesamtsauerstoff zwischen 1 und 20 liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Eisentemperatur in Schritt c) auf mindestens 1400°C angehoben wird und wobei der Gehalt an gelöstem Sauerstoff höher ist als 5 ppm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die chemische Zusammensetzung der in Schritt d) gebildeten Initial-Desoxidationsprodukt-Einschlüsse ca. 50% Kalk und 50% Aluminiumoxid ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die chemische Zusammensetzung der Final-Desoxidationsprodukt-Einschlüsse ca. 50% Siliciumoxid, 10% Aluminiumoxid, 25% Calcia und 15% Magnesiumoxid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Entschwefelungsschritt b) durchgeführt wird, wenn der Schwefelgehalt 0,008 (Gew.-)% überschreitet.