SE513956C2 - Förfarande för framställning av föremål av gjutjärn med kompaktgrafit - Google Patents

Description

513 956 2 inom det normala uttemperaturområdet, och det föreligger god gltteranpassning (epitaxy) mellan grafitkristallema och kristobalit. Bildningen av SiOQ-partiklar kan, av kinetiska skäl, underlättas genom närvaron av partiklar av stabil oxid, såsom A12o3.

Kompaktgrafitjärn (CGI) Man har funnit att i kompaktgrafitjärn är SiOz-partil-:lar icke särskilt effektiva som kämbildande partiklar, vilket däremot olika former av magnesiumsilikater är. När SiO2 nårvarar finns en stor risk att grafitijâll kärnbildas, vilket är förstörande för kompaktgrafitjärnets kvalitet. Silikatpartiklarria är emellertid goda kämbildnings- medel för kompaktgrafitkristallerna, som utvecklas helt, förutsatt att den kvar- varande syrehalten, efter magnesiumbehandling av smältan, hàlles inom ett lämpligt område, normalt mellan 20 till 60 ppm.

Nodulärt giutjärn Det är icke helt klarlagt vilken typ av kärnbildande paitildar som år den mest verk- samma för att utlösa tillväxten av nodulära grafitpartiklar, vilka, vid en lcraftig desoxidering till en kvarvarande syrehalt mellan 5 och 10 ppm, utvecklas i nodulär form.

Av det ovanstående är det uppenbart att i gråjärn och i kompaktgrafitjårn utgöras kämbildande partiklar av desoxidationsprodukter, i gråjärri företrädesvis lcisel- dioxid (SiOz) och i kompaktgrafitjäm, efter tillsats av magnesium, av magnesium- silikatpartiklar. De sistnämnda partiklarna kräver en större grad av underkylning innan de blir aktiva som kärnor.

Uppfinningens bakgrund Den relativa mängden av silikatpartiklar, som bildas vid tillsatsen av magnesium vid början av desoxidationsprocessen beror på mängden syre som från början när- varar i smältan. En reglering av syrehalten (upplöst syre) är därför av stor betydelse vid framställning av kompaktgrafitjârn. Det finns ett flertal sätt att bestämma syrehalten från direkta, på EMF (elektromotorisk kraft) baserade, mätningar till indirekta metoder baserade på termisk analys. Sådana metoder är kända för 513Nv9S5f1ê s faclcmannen på området. Det bör emellertid observeras att direkta mätningar och bestämning av syrehalten i prover uttagna under vakuum visar lägre halter än prover utna i en provform, där syre kan absorberas från luften och från form- materialet.

I smält järn är vissa reaktioner av specifik betydelse för att bestämma de termo- dynamiska betingelserna. Först temperaturen för reduktion av SiOQ med kol: SiO2+2C<->Si+2CO I Denna temperatur kan beteclmas "koktemperaturen" ("boiling temperature") (TB) vid vilken bubblor uppträder när CO-gas avgår. Denna temperatur är vanligen 50 till l0O°C över "jämviktstemperaturen" ("equilibrium temperature") (TE), vid vilken ytterligare upptagning av syre leder till bildning av mättad SiO2. 27486 _ [oc] TE - - 273,15 _ I 15,47 - 1og(E; Sambandet mellan dessa två temperaturer anges av TB = O,7866 TE + 362 III som uttrycker förskjutningen av "kokpunkten". Temperaturintervallet mellan TE och TB beror på kol- och kiselhalten i smältan, men ligger i allmänhet mellan 1400 och l500°C. I detta temperaturområde kan syre lätt upptas, absorberas, av smäl- tan. Absorptionshastigheten för syre, upp till den punkt där FeO bildas, beror på temperaturskillnaden mellan den verkliga temperaturen hos smältan (TM) och TE.

Absorptionen följer en exponentialfiinlmon. Den temperatur vid vilken smältan tappas i formarna inställes vanligen till värden mellan TE och TB, ju högre desto tunnare sektionerna i götet av kompaktgrafitjärn är.

Vid framställning av CGI erfordras en tillsats av lcisel, följd av desoxidationen med magnesium. För beräkning av mängden av desoxiderande tillsats som erfordras för framställning av CGI måste syrepotentialen i smältan vara noga känd. Detta kan 513 956 4 bestämmas genom beräkningar, kalibrering eller genom en direkt eller indirekt mät- ning av syrehalten med i och för sig kända metoder.

Avsikten med desoxidationsprocessen är tvàfaldig: a) att utfâlla Mg/ Fe-silikatpartiklar, som utgör goda kärnbildningsställen för kom- paktgafitkristaller, och b) att sänka syrehalten i smältan till den önskade nivån, innan smältan tappas i formar.

Om processen icke regleras inom mycket snäva gränser, finnes en stor risk att ijällgrafitkristaller eller ett överskott av nodulära kristaller uppträder i götet. I det följande anges dessa gränser.

Beskrivning av uppfinningen Denna uppfinning avser sålunda ett förfarande för framställning av föremål av utjärn innehållande kompakt-(verrnikuläfl-grafitlcxistaller, genom: a) beredning av en utjärnsmälta företrädesvis med samma krav beträffande utgångsmaterial som är allmän praxis för framställning av seärn, med en kolhalt som är väsentligen vid den önskade slutnívån, och en kiselhalt under det önskade slutvärdet, så att jämviktstemperaturen (TE) för reaktionen mellan kol och SiOQ ligger nära 1400°C; b) inställning av temperaturen hos smältan (TM) till ett värde mellan jämviktstem- peraturen (TE) och "koktemperaturen" (TB), vid vilken kolmonoxid (CO) bortgår från smältan, varvid smältan tillåtes absorbera syre till en halt som överstiger den öns- kade halten när smältan tappas i en form, företrädesvis till över en halt av 50- 100 ppm, tillsats av en erforderlig mängd av kisel och därefter sänkning av syrehalten genom tillsats av magnesium eller ett magnesiumhaltigt material, företrädesvis en F eSiMg-legering, till en syrehalt av 10 till 20 ppm syre i lösningi smältan, och bildning av magnesiurnhaltiga silikater under reduktionsprocessen.

Srnälttemperaturen (TM) kan under absorptionen av syre instâllas på ett värde av minst 20°C över TE och högst 10°C under TB. 1l 513 956 5 Tillsatsen av desoxideringsmedel beräknas företrädesvis för att ge ett gjutstycke innehållande mer än 80 % kompaktgrafitkristaller, varvid återstoden utgöres av nodulära grafitkristaller och praktiskt taget ingen fjällgrafit, i väggsektioner mellan 3 och 10 mm.

Det är lämpligt att syrehalten analyseras, företrädesvis genom termisk analys, före tillsatsen av syrereduktionsmedlet.

Enligt en föredragen utföringsform uppvisar de utna föremålen pà grund av syre- absorption under tappning och fyllning av sandformen med smâltan, en slutlig syrehalt av: i en modul M av 0,5 cm (väggtjocklek upp till 10 mm) 40-60 ppm i en modul M mellan 0,5 och 1,0 cm (väggtjocklek 10 till 20 mm) 30-50 ppm i en modul M över 1 cm (vâggtjocklek över 20 mm) 20-40 ppm varvid mângdförhållandet av magnesiumsilikater till jårnsilikater bör vara >2 och en ytterligare mängd av företrädesvis maximalt 20 ppm syre tillåtes närvara i andra former. I de stelnade gjutstyckena återfinnes syret huvudsakligen kombinerat till silikater, såsom FeO.SiO2 och MgO.SiO2 och/ eller 2FeO.SiO2 och 2MgO.SiO2.

Uppfinningen avser även gjutna föremål som kan framställas såsom beskiives ovan, i syrmerhet motorblock, topplock, balanshjul, skivbromsar och likartade produkter, i vilka, i delar med en väggtjocklek av 3- 10 mm, det grafitformiga kolet till minst 80 % och företrädesvis minst 90 % är kompaktgrafitkristaller, varvid återstoden är nodulära grafitkristaller, samt materialet är praktiskt taget fritt från fiällgrafit.

Alla delar och procentuppgifter avser vikten.

Tillvägagångssätt Vid ett praktiskt genomförande beredes en giutjärnsmälta med användning av utgångsmaterial med låg svavelhalt, såsom allmänt tillämpas vid framställning av nodulârt gjutjârn. Kolhalten inställes till nära det önskade slutliga värdet, under det att kiselhalten är lägre än en önskad slutlig halt och inställes så att TE-tempe- raturen ligger nära l400°C. Smältans verkliga temperatur TM inställes nu till ett 513 956 6 värde något under TB, dvs. i det område där syre kan absorberas av smältan från den omgivande luften med förhållandevis hög hastighet. Efter en uppskattad tid vid en specificerad temperatur uppmätes den nu erhållna syrehalten, företrädesvis med ett standardförfarande med termisk analys, vilket förutom halten av upplöst syre även kan ge information om typerna av oxidinneslutningar och om det inherenta krístallisationsbeteendet hos småltan vid detta stadium. Erfarenheten visar att smälttemperaturen ßreträdesvis bör vara minst 20°C över TE och 10°C under TB och att hålltiden skall regleras beroende av småltans utgångs-syrehalt.

Företrädesvis tillsättes den återstående mängden av kisel när syrehalten hos smältan har nått ett värde av 50- 100 ppm, så att den beräknade TE nu ligger runt 20°C under TM. För bibehållande av höga syrehalter kan kisel alternativt tillsättas under överför-ingen av smältan i en behandlingsskänk.

Exempel Vid en kolhalt av 3,6 % kräver en smälta en kiselhalt av 1,4 % för att uppnå ett TE- värde av 1400°C. l detta fall kan ett TB-värde lika med l460°C beräknas enligt de formler som angivits ovan. Genom höjning av den verkliga smâlttemperaturen (TM) från 1380 till l440°C äger en hastig syreupptagning rum, över den som erfordras för att tillfredsställa S102. Tillsatsen av kisel till en slutkoncentration av 2,3 % sänker skillnaden TM-TE, varigenom den fortsatta upptagningen av syre minskas.

Efter detta steg höj es smälttemperaturen under en kort tidrymd till behandlings- temperaturen (TT) för att kompensera för sänkningen av temperaturen under över- föringen till behandlingsskânken (denna sänkning âr av storleksordningen 50°C).

Under överföringen kommer en ytterligare upptagning av syre inom området 20 ppm att äga rum, vilket måste beaktas vid beräknande av den erforderliga mängden desoxideringsmedel. Efter desoxidationsbehandlíngen erfordras ingen ytterligare behandling och smältan kan tappas i formar.

Under behandling av smâltan med magnesium eller en FeSiMg-legering kan magne- siumsilikater (MgO, SiO2 eller 2MgO, SiO2) liksom jårnsilikater (FeO, SiO2 eller 2FeO, SiOQ) och blandningar, såsom olivin bildas beroende på aktiviteterna av 513 956 7 kisel, syre och magnesium. Magnesiumsilikaterna utgör de mest potenta kärnorna för kompaktgrafitkristaller, under det att jårnhaltiga föreningar synes vara inaktiva.

Med ökande kylningshastighet under stelnandet i formen, dvs. sektioner med tunnare väggar, måste det relativa antalet av kärnbildande partiklar vara högt för att förhindra bildning av fiâllgrafit, och samtidigt måste syrealcfiviteten vara hög för att förhindra bildning av nodulåra kristaller.

Man har empiriskt funnit att vid en vâggtjocklek <1O mm (M < 0,5 cm) erfordras en syreaktivitet av 40-60 ppm, vid M = 0,5-1,0 cm (vâggtjocklek 10-20 mm) bör syre- halten vara 30-50 ppm och för M>1,0 (vâggtjocklek >20 mm) erfordras en syrehalt av 20-40 ppm.

Syre upptages under tappningen och fyllningen av formen. Ju större förhållandet mellan yta och volym är, desto större blir upptagningen av syre. Syrehalten omedel- bart före tappningen måste därför optimeras för en viss modul.

Claims (4)

5 'i 3 9 5 6 s PATENTmAv

1. Förfarande för framställning av föremål av utjårn innehållande kompakt- (vermikulâfl-grafitkristaller, k ä n n e t e c k n a t av att man: a) framställer en utjårnsmâlta, företrädesvis med samma krav beträfïande utgängsmaterial som allmänt tillämpas för framställning av seârn, med väsent- ligen en kolhalt vid den önskade slutnivån, och en lciselhalt under det önskade slutvärdet, så att jämviktstemperaturen (TE) för reaktionen mellan kol och SiOQ ligger nära l400°C; b) inställer temperaturen hos småltan (TM) till ett värde mellan jämviktstempera- turen (TE) och "koktemperaturen" (TB), vid vilken kolmonoxid (CO) bortgår från smâltan, för att tillåta absorption av syre i småltan till en halt överstigande den halt som önskas hos smältan vid tappning av smältan i en form, företrädesvis till över en halt av 50-100 ppm, tillsätter den erforderliga mängden kisel, samt därefter sän- ker syrehalten genom tillsats av magnesium eller ett magnesiumhaltígt material, företrädesvis en FeSiMg-legering, till en syrehalt av lO till 20 ppm syre löst i smäl- tan, med bildning av partiklar av magnesiurrihaltiga silikater under sänkningen av syrehalten.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att man inställer smält- temperaturen (TM) under absorptionen av syre på ett värde av minst 20°C över TE och högst lO°C under TB.

3. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t av att tillsatsen av desoxidationsrnedel är beräknad för att ge ett utstycke innehållande mer än 80 % av kompaktgrafitlnistaller, varvid återstoden utgöres av nodulâra kristaller och praktiskt taget ingen fiällgrafit, iväggsektioner mellan 3 och 10 mm.

4. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t av att syrehalten analyseras, företrädesvis genom termisk analys, före tillsatsen av syre- reducerande material. bil 513 956 9 S. Förfarande enligt något av föregående patentlcrav, k â n n e t e c k n a t av att de gjutna föremålen genom syreabsorption under tappning och fyllning av sandformen med smâltan uppnår en slutlig syrehalt av: i en modul M av 0,5 cm (vâggtjocklek upp till 10 mm) 40-60 ppm i en modul M mellan 0,5 och 1,0 cm (vâggtjocklek 10 till 20 mm) 30-50 ppm i en modul M över 1 cm (vâggtjocldek över 20 mm) 20-40 ppm varvid förhållandet av magnesiumsilikater till jârnsilikater företrädesvis är >2 och en ytterligare mängd av företrädesvis maJdmalt 20 ppm syre kan närvara i andra former, samt i de stelnade gjutstyckena återfinnes syret huvudsakligen kombinerat i till silikater, såsom FeOSiOQ och MgO.SiO2 och/ eller 2FeO.SiO2 och 2MgO.SiO2.