EP0302540A1 - Verfahren zum Impfen von Gusseisen - Google Patents
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D1/00—Treatment of fused masses in the ladle or the supply runners before casting
- B22D1/007—Treatment of the fused masses in the supply runners
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
- C21C1/00—Refining of pig-iron; Cast iron
- C21C1/10—Making spheroidal graphite cast-iron
Definitions
- the invention relates to a method for inoculating cast iron according to the preamble of patent claim 1.
- DE-OS-19 36 153 discloses a process for the production of spheroidal graphite cast iron in the mold.
- the device used in the known method consists of a horizontally running pouring channel, which is followed by a rectangular chamber which is set downwards.
- the chamber is equipped with vertically running partitions which are arranged at a distance from one another and form a passage opening. The partitions ensure that the cast iron shooting into the chamber mixes well with the inoculant so as to form a large contact area between cast iron and the inoculant.
- FR-PS-2 034 907 a method and a device for treating molten metal is known, which is provided with a vertically running inlet part, an adjoining, horizontally running, one-part pouring channel, which extends with a cross section of the pouring channel, the reaction chamber receiving the vaccine is provided.
- inoculation for the melt and / or in the space to be filled by the melt contains inoculant granules and / or alloy-containing bodies which can be dissolved by the melt .
- the body is made from foam polystyrene enriched with inoculants.
- Another method known from DE-AS-12 48 239 for inoculating cast iron is that the cast iron melt is brought into contact with an inoculant molded into it when it flows through the sprue or gate system.
- the inoculant can be used in the form of a shaped body or a piece of pipe.
- the invention has for its object to provide a method for inoculating cast iron melts, in which the cast iron melt removes sufficient amounts of inoculant largely without turbulence and in a flow that is as laminar as possible.
- the object of the method according to the invention is to that the molded body is supported at both ends in opposite recesses (core marks) of the wall of the sprue or gate system.
- the recesses or core marks are advantageously adapted to the shape of the inoculant body in such a way that there is a kind of full bearing shell for the ends of the inoculant body to be inserted. In this way, practically no melt can penetrate the joint between the mold and the vaccine body.
- the bearing-like recesses for the inoculant body provided in the wall expediently lie in the parting plane of the molding box.
- the shape can be cut vertically or horizontally.
- the new type of storage according to the method of the invention requires a vaccine body, the longitudinal axis of which is longer than the transverse axis.
- solid rods of round or angular cross-section are suitable as shaped bodies, whereby these rods can expediently also have elliptical or spherical thickenings in the middle.
- the vaccine body can have the shape of a narrow cone.
- Vaccine bodies in the form of a double cone or a double pyramid are particularly suitable.
- an adaptation of the shape in the sprue part to the shape of the inoculant body is expedient, so that a streamlined flow of the cast iron melt is brought about.
- the formation of a build-up of the cast iron melt is provided in the area of the inoculant body, so that it lies and reacts, so to speak, in the melt standing in the gate.
- the circular cross section of the pouring channel is narrowed to a slit-shaped cross section immediately below the inoculant body, which in turn subsequently widens to the original circular cross section.
- the method of the invention has advantages.
- the vaccine body the metal melt flows practically completely around it and only a relatively small part of the respective ends is supported in the wall and covered by ceramic material. Due to the bilateral storage, the bearing shell can also be smaller. As a result, more surface area of the vaccine is available per unit weight of flowing melt.
- the outer surface of the vaccine body in the core brand does not have to be pressed.
- the double-sided mounting provides reliable protection of the body against breakout, since no torque effect can occur, which is caused by the flow pressure of the cast iron melt.
- the vaccination method of the invention can be applied to the molding mask method with particular advantage because the bearing shells can be molded well into the relatively thin walls of the (half) masks and, moreover, the vaccine bodies need only be inserted loosely into the core brands of the pressure-sensitive masks and do not need to be pressed in , thereby avoiding unnecessary rejects due to destruction.
- Spheroidal graphite cast iron crankshafts having a composition of 3.75% C, 0.32% Mn, 0.6% Cu, 2.1% Si, 0.009% S and 0.042% Mg were cast into a vertically split mold.
- the usual so-called post-inoculation was carried out in the sprue funnel of the mold using a truncated cone-shaped inoculant body with the composition 75% Si, 0.6% Ca, 1.8% Al, rest Fe at a casting temperature of 1395 ° C.
- the casting weight including feeder and sprue system was 56 kg, the vaccine body weighed 63 g.
- the inoculant body was inserted into a core mark in the sprue funnel at about 1/3 of its height and fixed.
- the gate was covered with a 2.5 mm thick sheet of iron so that the delay required to fill the sprue funnel and activate the inoculum body occurred.
- the filling time of the mold was 11 seconds.
- the metallurgical result of the inoculation was determined on polished specimens (from the so-called journal of the shaft), the following sizes of the graphite balls in the predominantly pearlitic basic structure being determined: structure Spherolites per mm2 Size distribution ⁇ in ⁇ m 60-80 40-60 20-40 ⁇ 20 up to approx. 3% cementite 2.9% 2.9% 20.4% 73.8% approx. 15% ferrite 205 Remainder pearlite
- Crankshafts made of spheroidal graphite cast iron with the composition 3.75% C, 0.32% Mn, 0.6% Cu, 2.1% Si, 0.009% S and 0.042% Mg were again in a vertically divided form at 1395 ° C. shed.
- a vaccine body of the composition according to Example 1 was used for the subsequent vaccination.
- recesses in the manner of a core mark were made in the wall of the sprue at a small distance below the sprue funnel intended.
- the body of the inoculant was stored in the form of a truncated cone or a double truncated cone (see FIGS. 1 and 2) with its two ends in the form of cones in these recesses.
- the two body sections stored in the opposite recesses each had a length of about 1/8 of the total body length. Underneath the inoculant body, a congestion of the molten iron was achieved by narrowing the circular gate cross-section to a slit-shaped cross-section, with subsequent opening to the initial cross-section, so that the inoculant body lay virtually in the accumulated melt and could dissolve approximately in proportion to the amount of iron flowing through.
- Example 1 Using inoculant bodies according to FIGS. 1 and 2, the filling time of the mold, at 12-13 seconds, was only slightly longer than in Example 1.
- the weight of the truncated cone was 63.8 g and that of the double truncated cone was 66.2 g.
- Both inoculant bodies had the chemical composition of the inoculant body of Example 1.
- the cementite-free structure was immediately achieved using a graphite ball distribution according to the table below, using the inoculum body formed as a double-cone frustum and stored at both ends in recesses in the pouring wall.
- the metallurgical result of the vaccination was checked on a batch of 40 crankshafts.
- the table shows that the spherulites of the area with the largest diameter are now missing and that the mean ball diameter has become smaller. This significant improvement in the vaccine treatment leads to an increased bending fatigue strength of the casting or the crankshaft.
- vaccine bodies made from inoculation alloys based on FeSi 45, FeSi 60 and FeSi 90 were also produced with a similar result, containing vaccine-active elements such as strontium, calcium, zirconium, barium, bismuth and rare earth metals such as Ce, La and others. were alloyed.
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Impfen von Gußeisen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Es ist bekannt, Metallschmelzen in der Form mit Zusatzmitteln zu behandeln. Aus DE-OS-19 36 153 ist ein Verfahren zur Herstellung von Gußeisen mit Kugelgraphit in der Form bekannt. Die im vorbekannten Verfahren verwendete Vorrichtung besteht aus einem horizontal verlaufenden Gießkanal, an den sich eine nach unten abgesetzte, rechteckförmige Kammer anschließt. Die Kammer ist mit vertikal verlaufenden Trennwänden ausgerüstet, die mit Abstand zueinander angeordnet sind und eine Durchlaßöffnung bilden. Die Trennwände sorgen dafür, daß das in die Kammer einschießende Gußeisen sich gut mit dem Impfmittel vermischt, um somit eine große Kontaktfläche zwischen Gußeisen und dem Impfmittel zu bilden.
- Aus FR-PS-2 034 907 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von geschmolzenem Metall bekannt, die mit einem vertikal verlaufenden Einlaufteil einen sich an diesen anschließenden, horizontal verlaufenden, einteiligen Gießkanal versehen ist, der mit einer den Querschnitt des Gießkanals erweiternden, das Impfmittel aufnehmenden Reaktionskammer versehen ist.
- Bei der aus DE-PS-24 10 109 bekannten Vorrichtung zur Herstellung von Gußeisen mit Kugelgraphit mit einem Einlaufteil, einem sich an diesen anschließenden horizontal verlaufenden Gießkanal ist das Impfmittel im Boden des Gießkanals in eine flache, die laminare Strömung nicht unterbrechende Aussparung eingebracht.
- Gemäß der aus DE-OS-19 01 366 bekannten Einrichtung zum Impfen, Legieren oder behandeln von Metallguß wird im Einlauf für die Schmelze und/oder in dem von der Schmelze auszufüllenden Raum ein Impfmittelgranulat und/oder Legierungselemente enthaltender, durch die Schmelze auflösbarer Körper angeordnet. Beispielsweise ist der Körper aus mit Impfmittel angereichertem Schaumpolystyrol hergestellt.
- Ein aus DE-AS-12 48 239 bekanntes weiteres Verfahren zur Impfung von Gußeisen besteht darin, daß die Gußeisenschmelze beim Durchströmen des Anguß- bzw. Anschnittsystems mit einem darin eingeformten Impfmittel in Berührung gebracht wird. Das Impfmittel kann in Gestalt eines Formkörpers oder eines Rohrstückes verwendet werden.
- Mit den vorbekannten Verfahren bzw. Einrichtungen hat man nicht in allen Fällen zufriedenstellende Ergebnisse erzielen können; sei es, daß die Formkörper der einströmenden Schmelze zu kleine Flächen zur Auflösung anbieten, unerwünschte Turbulenzen auftreten, aus ihrer Verankerung gerissene ungelöste Teile des Behandlungsmittels als Einschlüsse im Gußstück auftreten oder zu viel ungelöstes Behandlungsmittel in unwirtschaftlicher Weise im Angußsystem der Form verbleibt.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Impfen von Gußeisenschmelzen bereitzustellen, bei dem die Gußeisenschmelze weitgehend turbulenzfrei und in möglichst laminarer Strömung ausreichende Impfmittelmengen abträgt.
- Ausgehend von einem Verfahren zum Impfen von Gußeisenschmelzen in der Form, wobei die Gußeisenschmelze in der Form beim Durchströmen des Anguß- bzw. Anschnittsystems der Form mit dem darin angeordneten Impfmittelformkörper in Berührung gebracht wird, besteht in Lösung der Aufgabe das Verfahren gemäß der Erfindung darin, daß der Formkörper an beiden Enden in gegenüberliegenden Ausnehmungen (Kernmarken) der Wandung des Anguß- bzw. Anschnittsystems gelagert ist.
- Mit der beidseitigen Lagerung bzw. Stützung des Impfmittelkörpers in Aussparungen der Wandung bzw. in sogenannten "Kernmarken" wird, auch bei relativ geringer Tiefe der Aussparung, ein sicherer Sitz des Formkörpers gewährleistet, wozu ggf. noch eine Verankerung mittels eines Klebers beiträgt. Die Aussparungen bzw. Kernmarken werden vorteilhaft der Form des Impfmittelkörpers in solcher Weise angepaßt, daß sich eine Art Voll-Lagerschale für die einzulegenden Enden des Impfmittelkörpers ergibt. Auf diese Weise kann praktisch keine Schmelze in die Fuge zwischen Form und Impfmittelkörper eindringen.
- Zweckmäßig liegen die in der Wandung vorgesehenen lagerartigen Aussparungen für den Impfmittelkörper in der Teilungsebene des Formkastens. Dabei kann die Form vertikal oder horizontal geschnitten sein.
- Die neue Lagerungsart gemäß dem Verfahren der Erfindung erfordert einen Impfmittelkörper, dessen Längsachse länger als die Querachse ist. Beispielsweise eignen sich als Formkörper Massivstäbe von rundem oder kantigem Querschnitt, wobei diese Stäbe in der Mitte zweckmäßig noch elliptische oder kugelförmige Verdickungen aufweisen können. Ferner kann der Impfmittelkörper die Form eines schmalen Konus aufweisen. Insbesondere eignen sich Impfmittelkörper in Form eines Doppelkonus oder einer Doppelpyramide. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Impfmittelkörper des Verfahrens der Erfindung ist es nicht erforderlich, daß diese rotationssymmetrisch ausgebildet sind; vielmehr können diese auch quaderförmig ausgebildet sein und mit ihrer Schmalseite in der Strömungsrichtung der Gußeisenschmelze stehen. Zwecks weitgehender Vermeidung von Turbulenzen ist eine Anpassung der Form im Angußteil an die Gestalt des Impfmittelkörpers zweckmäßig, so daß ein strömungsgünstiger Fluß der Gußeisenschmelze herbeigeführt wird.
- Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Ausbildung eines Staus der Gußeisenschmelze im Bereich des Impfmittelkörpers vorgesehen, so daß dieser quasi in der im Einguß stehenden Schmelze liegt und reagiert. Hierzu wird unmittelbar unterhalb des Impfmittelkörpers eine Verengung des kreisförmigen Querschnitts des Eingußkanals auf einen schlitzförmigen Querschnitt vorgenommen, der sich nachfolgend wiederum auf den ursprünglichen kreisförmigen Querschnitt erweitert.
- Das Verfahren der Erfindung weist Vorteile auf. In dem erfindungsgemäßen Impfverfahren wird der Impfmittelkörper von der Metallschmelze praktisch vollständig umströmt und nur ein relativ kleiner Teil der jeweiligen Enden ist in der Wandung gelagert und von keramischem Material abgedeckt. Aufgrund der beidseitigen Lagerung kann die Lagerschale auch kleiner sein. Hierdurch steht mehr Impfmitteloberfläche pro Gewichtseinheit strömender Schmelze zur Verfügung. Darüber hinaus braucht die Mantelfläche des Impfmittelkörpers in der Kernmarke (Sackloch) nicht auf Pressung zu sitzen. Die beidseitige Lagerung gibt, gegenüber einer einseitigen Lagerung, einen sicheren Schutz des Körpers gegen Ausbruch, da keine Drehmomentwirkung eintreten kann, die durch den Strömungsdruck der Gußeisenschmelze verursacht wird. Mit besonderem Vorteil kann das Impfverfahren der Erfindung auf das Formmaskenverfahren angewendet werden, weil in die relativ dünnen Wandungen der (Halb-)Masken die Lagerschalen gut einzuformen sind und außerdem in die Kernmarken der druckempfindlichen Masken der Impfmittelkörper nur lose eingelegt und nicht eingepreßt zu werden braucht, wodurch unnötiger Ausschuß durch Zerstörung vermieden wird.
- Das Verfahren der Erfindung wird anhand der Abbildungen und des Beispiels näher und beispielhaft erläutert.
- In Fig. 1 a ist ein Schnitt durch den Einlauf (2) eines Formkastens (1) mit vertikaler Kastenteilung (5) (Linie A-B) schematisch dargestellt. In der Wandung des Einlaufs (2) befinden sich Kernmarken (3), in denen der konusförmige Impfmittelkörper (4) mit seinen beiden Enden gelagert ist.
- Fig. 1 b ist ein Schnitt entlang der Linie A-B (Teilungsebene) der Fig. 1 a.
- Fig. 2 a zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist in den Kernmarken (3) des Einlaufs (2) ein Impfmittelkörper in Form eines Doppelkonus (4) an beiden Enden gelagert.
- Fig. 2 b ist ein Schnitt entlang der Linie C-D (Teilungsebene) der Fig. 2 a.
- Es wurden Kurbelwellen aus Gußeisen mit Kugelgraphit der Zusammensetzung 3,75 % C, 0,32 % Mn, 0,6 % Cu, 2,1 % Si, 0,009 % S und 0,042 % Mg in eine vertikal geteilte Form vergossen. Die übliche sogenannte Nachimpfung erfolgte im Angußtrichter der Form unter Verwendung eines kegelstumpfförmigen Impfmittelkörpers der Zusammensetzung 75 % Si, 0,6 % Ca, 1,8 % Al, Rest Fe bei einer Gießtemperatur von 1395°C. Das Gießgewicht einschließlich Speiser und Angußsystem betrug 56 kg, der Impfmittelkörper wog 63 g. Der Impfmittelkörper wurde in eine Kernmarke im Angußtrichter zu etwa 1/3 seiner Höhe eingelassen und fixiert. Der Einguß wurde mit einem 2,5 mm dicken Eisenblech abgedeckt, so daß die zur Füllung des Angußtrichters und zur Aktivierung des Impfmittelkörpers erforderliche Verzögerung sich einstellte. Die Füllzeit der Form betrug 11 sec. Das metallurgische Ergebnis der Impfung wurde an Schliffproben (aus dem sog. Zapfen der Welle) ermittelt, wobei folgende Größen der Graphitkugeln im überwiegend perlitischen Grundgefüge ermittelt wurden:
Gefüge Sphärolithe pro mm² Größenverteilung ⌀ in µm 60-80 40-60 20-40 < 20 bis ca. 3 % Zementit 2,9 % 2,9 % 20,4 % 73,8 % ca. 15 % Ferrit 205 Rest Perlit - Bei Überprüfung der chargenweise vergossenen Kurbelwellen in Losgrößen von 40 Stück wurden in Einzelfällen im Gefüge geringe Zementitreste festgestellt, so daß die Kurbelwellen einer nachträglichen Normalisierungsglühung unterworfen werden mußten, um ein einwandfreies Gefüge sicherzustellen. Weitere Versuche, durch Veränderung der Anordnung des Impfmittelkörpers im Angußtrichter eine reproduzierbare Produktionssicherheit im Hinblick auf Zementitfreiheit des Wellenzapfens der Kurbelwelle zu erreichen, brachten keine Verbesserung.
- Es wurden wiederum Kurbelwellen aus Gußeisen mit Kugelgraphit der Zusammensetzung 3,75 % C, 0,32 % Mn, 0,6 % Cu, 2,1 % Si, 0,009 % S und 0,042 % Mg in eine vertikal geteilte Form bei 1395°C vergossen. Zur Nachimpfung wurde ein Impfmittelkörper der Zusammensetzung gemäß Beispiel 1 verwendet. Hierzu wurden in der Wandung des Eingusses in kleinem Abstand unterhalb des Eingußtrichters Aussparungen nach Art einer Kernmarke vorgesehen. In diesen Aussparungen wurde der Impfmittelkörper in Form eines Kegelstumpfes bzw. eines Doppelkegelstumpfes (s. Fig. 1 u. 2) mit seinen beiden Enden zapfenartig gelagert. Die in den gegenüberliegenden Aussparungen gelagerten beiden Körperabschnitte hatten eine Länge von jeweils etwa 1/8 der Gesamtkörperlänge. Unterhalb des Impfmittelkörpers wurde durch Verengung des kreisförmigen Eingußquerschnitts auf einem schlitzförmigen Querschnitt, mit nachfolgender Öffnung auf den Ausgangsquerschnitt, ein Stau der Eisenschmelze erreicht, so daß der Impfmittelkörper quasi in der gestauten Schmelze lag und sich etwa proportional zur durchströmenden Eisenmenge auflösen konnte.
- Unter Verwendung von Impfmittelkörpern gemäß Fig. 1 und Fig. 2 war die Füllzeit der Form mit 12 - 13 sec. nur unwesentlich länger als in Beispiel 1. Das Gewicht des Kegelstumpfes betrug 63,8 g, das des Doppelkegelstumpfes 66,2 g. Beide Impfmittelkörper wiesen die chemische Zusammensetzung des Impfmittelkörpers des Beispiels 1 auf. Unter Verwendung des als Doppelkegelstumpf ausgebildeten, an beiden Enden in Aussparungen der Eingußwand gelagerten Impfmittelkörpers wurde unmittelbar das zementitfreie Gefüge erzielt mit einer Graphitkugel-Verteilung gemäß nachstehender Tabelle. Das metallurgische Ergebnis der Impfung wurde an einer Charge von 40 Kurbelwellen geprüft. Hierzu wurden Proben aus den sogenannten Wellenzapfen entnommen und hiervon Schliffe angefertigt und die Gefügeausbildung überprüft. Zusätzlich wurde der Schliff auf Zementit hin geätzt.
Gefüge Sphärolithe pro mm² Größenverteilung ⌀ in µm 60-80 40-60 20-40 < 20 frei von Zementit 20 % Ferrit 235 - 1,0 % 34,6 % 64,4 % Rest Perlit - Der Tabelle ist zu entnehmen, daß die Sphärolithen des Bereichs mit größtem Durchmesser nunmehr fehlen, und daß der mittlere Kugeldurchmesser kleiner geworden ist. Diese deutliche Verbesserung der Impfmittelbehandlung führt zu einer erhöhten Biegewechselfestigkeit des Gußstücks bzw. der Kurbelwelle.
- Neben der in den Beispielen genannten Impflegierung wurden mit ähnlichem Ergebnis auch Impfkörper aus Impflegierungen auf Basis FeSi 45, FeSi 60 und FeSi 90, die mit impfwirksamen Elementen wie Strontium, Kalzium, Zirkonium, Barium, Wismut und Seltene Erdmetalle wie Ce, La u.a. legiert waren, verwendet.
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