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Verfahren zur Herstellung von Eisenguß aus einer aus Stahlschrott,
Gußeisen und/oder Roheisen hergestellten Schmelze Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren zur Herstellung von Eisengußstücken aus Stahlschrott und Gußeisen
und/oder Roheisen.
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Es ist bekannt, daß die chemische Analyse weder hinsichtlich des Aufbaus
noch hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des erhaltenen Gusses der entscheidende
Faktor ist.
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Wenn eine Eisenschmelze bestimmter Analyse zu einem Rohling von ioo
mm Dicke oder stärker gegossen wird, so erweist es sich als gleichmäßig fest und
hat von der Kante bis zum Mittelpunkt die gleiche Graphitstruktur. Wenn eine andere
Schmelze gleicher Analyse zu einem Rohling von 25 mm oder auch von 5o mm Dicke gegossen
wird, so werden gleichmäßig feste Gußstücke erhalten, aber wenn es zu einem ioo
mm dicken Rohling gegossen wird, ergibt sich, daß die Graphitstruktur in der Mitte
grobkörniger ist als in den äußeren Zonen und daß im Mittelpunkt des Rohlings ferner
ein Gefügekern geringerer Festigkeit war. Wenn das Eisen Nr. i zu dem gleichen Rohling
gegossen wurde, d. h. einem ioo mm starken Rohling, so wurde über den gesamten Querschnitt
hin im wesentlichen dieselbe Zugfestigkeit erhalten, während, wenn das Eisen Nr.
2 zu einem ioo mm starken Rohling gegossen wird, die Zugfestigkeit in der Mitte
des Querschnitts auf weniger als die Hälfte des Wertes gefallen ist, den der 25,9-mm-A.S.T.M.-Probestab
hat.
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Es ergibt sich also, daß das Eisen Nr. i die Eigenschaft hat, sich
gleichmäßig über den gesamten Querschnitt von vernünftig proportionierten Gußstücken
zu verfestigen, während das Eisen Nr.2 nur bis zu
einer ungefähren
Dicke von 50 mm gleichmäßig feste Gußstücke liefert.
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Gewöhnlicher Grauguß, wie er in den üblichen Gießereien verwendet
wird, aus einem Gemisch von 40% Roheisen und 6o0/, Schrott, würde nur bis zu einer
Wandstärke von 25 mm feste Gußstücke liefern.
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Viele Jahre lang hat dieses Problem. und seine Lösung die Gießereien
behindert. Einige behaupten, daß mit Holzkohle geschmolzenes Roheisen oder die Verwendung
von besonders langsam geschmolzenem hochgraphitiertem Roheisen wegen seiner besseren
Flüssigkeit zu einem Graphitgefüge führt, das diesen Nachteil ausgleicht. Andere
bemühen sich, die Zusammensetzung des Eisens durch Zufügen von Zuschlägen oder durch
mechanisches Abschrecken oder durch Gießen in besonders beschaffenen Formen oder
auf anderen Wegen zu verbessern. Alle diese Versuche sind bestenfalls Hilfsmittel
und haben viele Begrenzungen in ihrer Anwendbarkeit bei der praktischen Herstellung
von Gußstücken. Die Zuverlässigkeit des erhaltenen Erzeugnisses, die Gleichmäßigkeit
des Ergebnisses und der Preis sind z. B. unbefriedigend.
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Es wurde nun gemäß der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß gute,
dichte Eisengußstücke, die über ihren gesamten Querschnitt hin gleichmäßig fest
sind, durch ein Verfahren gewonnen werden können, welches darin besteht, daß das
Stahlschrott, Gußeisen und/oder Roheisen enthaltende Gemisch zunächst geschmolzen,
darauf die Schmelze bis zu einem bestimmten, durch eine im folgenden beschriebene
Keilprobe kontrollierten Grade graphitiert und schließlich die erhaltene graphitierte
Schmelze vergossen wird.
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Die Keilprobe wird dadurch ausgeführt, daß aus der Schmelze ein Gußstück
in Keilform gegossen wird. Der Keil hat dabei vorzugsweise einen Scheitelwinkel
von 2o bis 30`. Die Keile können von verschiedenen Abmessungen sein, nämlich von
13 mm Grundlinie mit einem Scheitelwinkel von ungefähr 28,5°, von i9 mm Grundlinie
mit einem Scheitelwinkel von ungefähr z6,75°, von z,9 mm Grundlinie mit einem Scheitelwinkel
von ungefähr 25° und von 5o mm Grundlinie mit einem Scheitelwinkel von ungefähr
z3,5`.
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Der Keil wird dann der Länge nach an zwei Stellen gebrochen, worauf
sich zeigt, daß der Teil nächst der Schneide weiß, der Teil nächst der Grundfläche
dagegen grau aussieht. In dem weißen Teil befindet sich aller Kohlenstoff, im allgemeinen
in gebundener Form, und in dem grauen Teil ist ein Teil des Kohlenstoffes frei und
im allgemeinen in der Graphitform. Die Länge der weißen Spitze oder die Breite des
Keiles an der Demarkationslinie zwischen dem weißen und grauen Teil ist ein Maß
für den Zustand des Eisens. Diese Breite, in Millimeter gemessen, soll im folgenden
als erster Karbidkeilwert bezeichnet werden.
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Nachdem die vorbeschriebene Keilprobe gemacht ist, wird die Schmelze
durch irgendein bekanntes Verfahren graphitiert, das beispielsweise darin besteht,
daß man Graphitiermittel der Schmelze beim Ausfließen aus dem Kupolofen oder in
der Gießpfanne zusetzt. Der Zweck des Aufkohlens besteht darin, den freien Zementit,
welcher sonst in dem Endgefüge des Gußstückes enthalten sein würde, zu zersetzen
und sicherzustellen, daß das Endgefüge freien Kohlenstoff in einem Perlitgefüge
enthält. - Zu diesem Zweck ist es wesentlich, durch eine weitere Keilprobe den Grad
zu kontrollieren, bis zu welchem die Schmelze graphitiert ist. ' - - -Hierzu wird
ein keilförmiges Probegußstück von der graphitierten Schmelze gegossen, und der
erhaltene Keil wird wiederum zweimal der Länge nach gebrochen und geprüft. Es zeigt
sich, daß die Demarkationslinie zwischen dem weißen und grauen Eisen, verglichen
mit der ersten Keilprobe, sich nach dem Scheitel dieses zweiten Keils zu verschoben
hat: Die Breite der Demarkationslinie in dem Querschnitt des zweiten Keils ist ein
Maß für die Beschaffenheit des Eisens nach dem Graphitieren.
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Es wurde nun gefunden, daß nach einer Graphitierung des geschmolzenen
Gemisches in einem Ausmaß, daß der zweite Karbidkeilwert kleiner als die Hälfte
des ersten Karbidkeilwertes ist, wobei diese Werte gemäß den vorstehenden Angaben
bestimmt wurden, die mechanischen Eigenschaften des Metalls nach dem Gießen in Gußstücke
beliebigen Querschnitts immer höher sind, als wenn der Grad des Graphitierens nicht
ausreicht, um den Wert auf die Hälfte Herabzudrücken.
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Es wurde überdies gefunden, daß es zur Sicherung leicht bearbeitbarer
Gußstücke wesentlich ist, daß so stark graphitiert wird, daß der zweite Karbidkeilwert
nicht größer als 1/3 der Dicke des herzustellenden Gußstückes ist und nicht kleiner
als ein Mindestwert, welcher beträgt: 1/1o der Dicke des Gußstückes für Querschnitte
von einer Dicke bis zu 38 mm, 1/12 der Dicke des Gußstückes für Qu,-rschnitte von
einer Dicke von 38 bis zoo mm und 1/18 der Dicke des Gußstückes für Querschnitte
von einer Dicke über roo mm.
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Das Verfahren zur- Herstellung von Gußstütken nach der Erfindung besteht
daher darin, daß zunächst ein Gemisch von Stahlschrott, Gußeisen und/oder Roheisen
geschmolzen, darauf ein Probekeil gegosse-n und der erste Karbidkeilwert bestimmt
und anschließend die Schmelze so stark graphitiert wird, daß ein aus der graphitierten
Mischung gegossener Probekeil einen zweiten Karbidkeilwert zeigt, der nicht größer
als die Hälfte des ersten Karbidkeilwertes und nicht größer als 1J3 der Dicke des
herzustellenden Gußstückes und nicht kleiner als der im vorstehenden angegebene
Mindestwert ist, worauf schließlich die graphitierte Schmelze in die gewünschte
Form g@-gossen wird.
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Es ist einleuchtend, daß für jedes neue Gemisch, welches Stahlschrott,
Gußeisen und/oder Roheisen enthält, eine Serie von Probestücken gemacht werden muß,
indem man in verschiedenem Maße graphitiert, Probekeile gießt und die Keihverte
bestimmt, bis ein Grad der Graphitierung erreicht ist, welcher einen Probekeil liefert,
der den gewünschten, in den oben definierten Bereich fallenden zweiten Karbidkeilwert
hat. Da in der Praxis jede neue Schmelze in gewissem Ausmaß andere Eigenschaften
zeigt, ist es wesentlich, daß die Herstellung jeder Schmelze in der beschriebenen
Weise überwacht wird.
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Bei dem Abschätzen der Dicke eines Gußstückes zur Berechnung des obenerwähnten
Bereiches, in dem
der zweite Karbidkeilwert liegen muß, ist es erforderlich,
auf die Bauart des Gußstückes Rücksicht zu nehmen. Dies sei durch Vergleichen eines
einfachen, 50 mm starken Stabes mit einem großen hydraulischen Zylinder von
5o mm Wandstärke veranschaulicht.
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Es ist nicht schwer zu erkennen, daß die Verfestigung eines 5o mm
starken Stabes durch nichts anderes als durch einen einfachen, normal verlaufenden
Kühlvorgang beeinflußt wird. Mit anderen Worten: Das geschmolzene Eisen wird die
Form innerhalb von 2 bis 3 Sekunden ausfüllen,- und seine Verfestigung ist einfach
zu überschlagen. Handelt es sich jedoch um einen großen hydraulischen Zylinder von
z. B. 3 m Länge und einem schweren Gußkern aus ölgetränktem Sand in der Mitte, so
muß das geschmolzene Metall in der Form eine Entfernung von 3 m zurücklegen, wobei
es diese aufheizt. Obgleich sich ein Gußkern aus Sand in dem Mittelpunkt der Form
befindet, wird die Hitze der Schmelze von der Außenseite der Form in der gleichen
einfachen Weise abgeleitet werden wie bei dem. 5o mm starken Stab, aber der mittlere,
aus Ölsand bestehende Gußkern wird schnell die Temperatur des geschmolzenen Eisens
annehmen, und dann ist keine weitere Möglichkeit für die im Mittelpunkt des Gußstückes
befindliche Wärme, zu entweichen. Die Gegenwart dieses Olsandgußkernes wird daher
die Abkühlung sehr erheblich verlangsamen. Ein derartiges Gußstück wird daher hinsichtlich
seiner Verfestigung und seiner Eigenschaften mehr einem 75-mm- als einem So-mm-Stab
ähneln.
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Dieser Unterschied tritt bei zahlreichen Arten von Gußstücken auf,
da die Zahl und die Art der Gußkerne, die Entfernung, welche das Metall in der Form
zurückzulegen hat, die Art der Öffnungen, welche das Modell erfordert, und die Art
der Steiger das Maß des Abkühlens des Metalls beeinflußt und auf diese Weise natürlich
die Eigenschaften des Gußstückes bestimmt.
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Untersuchungen haben z. B. ergeben, daß bei dem oben angeführten hydraulischen
Zylinder trotz seiner Wandstärke von 50 mm die Zeit-Temperatur-Verfestigungs-Kurven
ergeben, daß er sich nach Art eines 75 mm starken Gußstückes verfestigt. Es wurde
daher bei den Berechnungen für dieses Gußstück ein Querschnitt von 75 mm zugrunde
gelegt und danach der erste und zweite Karbidkeilwert eingestellt.
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Die folgenden Beispiele veranschaulichen, wie das Verfahren gemäß
der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden kann. Beispiel 1 Es werden zwei Mischungen,
A und B bezeichnet, miteinander verglichen, welche beide die gleichen Chargenbestandteile
enthalten und zur gleichen Zusammensetzung führen, aber ein verschiedenes Maß der
Aufkohlung haben, welches die Beschaffenheit der Schmelze beeinflußt. .
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A: 75 °/o Stahl, 25 °/o Reste und Trichter; Silicium-und Manganbriketts,
um einen errechneten chemischen Gehalt zu ergeben von: 1,12 % Gesamtkohlenstoff,
1,500/, Silicium, i"/, Mangan, o,12 °/o Phosphor.
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B : 65)/,) Stahl, 35 % Reste und Trichter; Silicium-und Manganbriketts,
um einen errechneten chemischen Gehalt zu ergeben von: 1,53 % Gesamtkohlenstoff,
1,500/, Silicium, i0/0 Mangan, o,12 °/o Phosphor.
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Nach dem Schmelzen dieser Gemische ergab die chemische Analyse des
erhaltenen Produktes: A: 3,08 °/o Gesamtkohlenstoff, 1,46 °/a Silicium, o,890/()
Mangan, o,12o °/o Phosphor.
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B : 3,08 °/o Gesamtkohlenstoff, 1,46 °/o Silicium, o,88 °/o
Mangan, o,128 °/o Phosphor.
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Das A-Gemisch hat einen Aufkohlungswert von 1,96 °/o, der durch Subtraktion
des Gesamtkohlenstoffgehalts von 1,12 % in dem Gemisch vor dem Schmelzen vom Gesamtkohlenstoffgehalt
von 3,o8 °/o der Mischung nach dem Schmelzen erhalten wird. Die Mischung B hat demgegenüber
einen Aufkohlungswert von 1,55"/0, der durch Subtraktion von 1,53()/0 Gesamtkohlenstoff
des Gemisches vor dem Schmelzen von dem Gesamtkohlenstoffgehalt der Schmelze von
3,o8 % erhalten ist. Das A-Eisen zeigt einen ersten Karbidkeilwert von 16,66 mm,
während das B-Eisen einen ersten Karbidkeilwert von 11,11 mm hat.
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Die beiden Eisengemische A und B wurden graphitiert, bis ein Probekeil
einen zweiten Karbidkeilwert von 5,56 mm zeigte. Beim Gießen zu 31,15-mm-Probestäben
wurden die folgenden Festigkeitseigenschaften festgestellt, wobei das Probestück,
das aus der graphitierten A-Mischung gegossen war, mit Eisen Nr. A und das Probestück,
das aus dem graphitierten B-Gemisch gegossen war, mit Eisen Nr. B bezeichnet wurde.
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Eisen Nr. A: Zugfestigkeit 4120 kg/cm2. Eisen Nr. B : Zugfestigkeit
336o kg/cm2.
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Es ist zu bemerken, daß in dem obenstehenden Fall A der zweite Karbidkeilwert
1/3 und im Fall B 1/2 des entsprechenden ersten Karbidkeil-,vertes ist. Es ist ferner
zu bemerken, daß in jedem Fall der zweite Karbidkeilwert 7/4o der Dicke des Gußstückes
beträgt.
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Beispiel 2 Zwei Reihen von Schmelzen zur Herstellung von Gußstücken
der unten angegebenen Dicken wurden aus zwei verschiedenen Arten von Eisen hergestellt,
welche die unten angegebenen' Aufkohlungswerte hatten. In jedem. Fall wurden Probekeile
gegossen und die ersten Karbidkeilwerte bestimmt. Diese Werte sind unten aufgeführt:
| Dicke der herzustellenden Gußstücke |
| Eisentyp 25 mm 50 mm 75 mm roo
mm Aufkoholungswert |
| (oder größer) /o |
| (Erster Karbidkeilwert in mm) |
| Nr. 1 ......... 9,57 14,9,9 15,88 sg,o5 bis42,86 2,5o
bis 1,5o |
| Nr. 2 ......... 6,35 I 11,11 ` 14,29 I 15,88 bis34,13
1,50 bis 0,50 |
Die geschmolzenen Mischungen wurden darauf graphitiert, bis ein
Probekeil die unten angegebenen verfahrensmäßigen Karbidkeilwerte 2 zeigte und darauf
in Formen gegossen, um Gußstücke zu ergeben, welche die angegebene Zugfestigkeit
haben.
| Dicke der hergestellten Gußstücke |
| Eisentyp zg mm 50 mm 75 mm Zoo
mm Zugfestig@ eit |
| (oder größer) kglI cm |
| (Zweiter Karbidkeilwert in mm) |
| Nr. i ......... 4,76 6,35 793 9,52 bis 15,87 ungefähr
3370 |
| Nr. 2 ......... 3,i7 4,76 |
| 6,35 |
| 7,93 bis 14,29 ungefähr Q790 |
Die oben angegebenen Werte sind typische Beziehungen, die dichte, feste, feinkörnige
Gußstücke von bestimmten physikalischen Eigenschaften liefern, welche gut zu bearbeiten
sind und durch und durch Perlitstruktur zeigen.
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Zur Erklärung der vorstehenden Zahlentafeln sei angenommen, daß man
im Betrieb einer Gießerei ein Gußstück von 25 mm Dicke gießen will, das eine Zugfestigkeit
von ungefähr 340o kg/cm2 hat. Zu diesem Zweck muß zunächst der Kupolofen mit einem
Gemisch beschickt werden, das einen Aufkohlungswert zwischen 2,50 und 1,50
°/g hat, der vorzugsweise durch Verwendung von 6o bis 8o °/g Stahlgemisch erzielt
wird. Das Gemisch wird geschmolzen und aufgekohlt und ein Probekeil von einem ersten
Karbidkeilwert von 9,52 mm gefunden. Der nächste Schritt besteht darin, daß die
Schmelze, während sie aus dem Kupolofen ausfließt oder sich in der Gießpfanne befindet,
in dem Maße graphitiert wird, daß ein Probekeil einen zweiten Karbidkeilwert von
4,76 mm zeigt. Das- Eisen, welches dann in ein Stück von 25 mm Durchmesser gegossen
wird, würde eine Zugfestigkeit von ungefähr 34oo kg/cm2 haben.