-
Die Erfindung betrifft eine Zusatzlegierung zur Ausbildung von kugelförmigem
Graphit in Gußeisen mit dem Ziel, die physikalischen und mechanischen Eigenschaften
zu modifizieren, insbesondere die Festigkeit, Kerbschlagzähigkeit und Dehnung zu
erhöhen.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Gußeisen
mit Kugelgraphit unter Verwendung der Zusatzlegierung. Durch die erfindungsgemäße
Zusatzlegierung wird also der Lamellengraphit des Gußeisens durch Kugelgraphit ersetzt.
-
Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um Gußeisen mit Kugelgraphit
zu gewinnen. Dabei hat sich eine doppelte Behandlung des flüssigen Gußeisens als
am wirksamsten erwiesen; diese Behandlung besteht aus den folgenden Schritten: a)
Einbringung eines oder mehrerer kugelgraphitbildende Mittel, wie Zer oder ein Mischmetall
desselben, Magnesium oder dessen Legierungen, Calcium (oder dessen Legierungen)
und andere Alkali- oder Erdalkalielemente.
-
b) Nachfolgende oder gleichzeitige Einbringung eines graphitisierenden
Elements, das im allgemeinen aus Silicium in Form von Ferro-Silicium, Calcium-Silicium
und/oder anderem besteht.
-
Das Gußeisen mit Kugelgraphit wird gebildet durch Ersetzen des Lamellengraphits
durch Kugelgraphit. Hierdurch verändern sich sämtliche mechanische Eigenschaften
des gewöhnlichen Graugusses wesentlich, wobei man ein verformbares Gußeisen mit
hoher Zug- und Schlagfestigkeit erhält.
-
Die Einbringung des metallischen Zers oder des Zer-Mischmetalls in
das flüssige Eisen muß ausschließlich bei Eisentemperaturen von mehr als 1400° C
erfolgen. Die Zusammensetzung des Gußeisens muß übereutektisch sein, d. h., es muß
ein Kohlenstoffäquivalent von mehr als 4,3 0% aufweisen. Unterhalb dieser Behandlungstemperatur
und bei eutektischer oder untereutektischer Zusammensetzung des Gußeisens hat man
praktisch keine Kugelgraphitbildung. Es ist auch zu beachten, daß das Zer und dessen
Mischmetall nur unvollkommene Kugelgraphitbildung bewirken.
-
Diese drei Nachteile zwangen zur Verwendung von Magnesium anstatt
des Zers als Mittel zur Kugelgraphitbildung. Die Verwendung des Magnesiums erfordert
wegen seines sehr niedrigen Siedepunktes (1l10° C) besondere Anwendungstechniken,
die in der Praxis nicht immer leicht durchgeführt werden können. Um diesen Nachteil
zu verringern, wird das Magnesium in Form von binären oder ternären Legierungen
der Elemente Ni, Cu sowie Si eingebracht, in denen der Magnesiumgehalt 2 bis 30%,
gewöhnlich 10 bis 20%, beträgt.
-
Die mit Magnesium legierten Elemente haben vorwiegend die Funktion
einer Trägersubstanz desselben, indem der Dampfdruck verringert wird. Einigen Magnesiumlegierungen
wird in kleinen Prozentsätzen (von 0,1 bis 1%) metallisches Zer oder dessen Mischmetall
beigegeben, aber ausschließlich, um die Störelemente der Kugelgraphitbildung zu
neutralisieren, wenn diese mit Magnesium erfolgt. Solche Störelemente sind hauptsächlich:
Ti, Sn, Pb, Bi, As.
-
Die vorliegende Erfindung hat den Zweck, eine wirtschaftliche Herstellung
des Gußeisens mit Kugelgraphit zu ermöglichen, das die gleichen Eigenschaften wie
das Gußeisen mit Kugelgraphit hat, wie es in bekannter Weise hergestellt wird; ferner
soll übereutektisches, untereutektisches und eutektisches Gußeisen mit Kugelgraphit
bei den normalen Temperaturen (1300 bis 1500° C) erzeugt werden.
-
Gegenstand der Erfindung bildet die Erkenntnis, daß das Magnesium
mit dem Eisen bei Vorhandensein von Bor eine Legierung bilden kann und daß das mit
Magnesium und mit Bor legierte Zer oder dessen Mischmetall gegen Schwankungen der
Behandlungstemperatur unempfindlich sind, so daß man vollständige Kugelgraphitbildung
im Gußeisen bei einer Behandlungstemperatur von 1300 bis 1500° C erreicht, ohne
zu den kostspieligen Trägersubstanzen auf Ni-Grundlage greifen zu müssen.
-
Es wurde außerdem gefunden, daß die Nachteile des Zers oder dessen
Mischmetalls durch Beigabe von Bor behoben werden, während diese Beigabe die Vorteile
der Verwendung des Zers oder dessen Mischmetalls nicht aufheben. Insbesondere vermeidet
die Beigabe des Bors den Nachteil der Bildung von unregelmäßigen Sphärolithen, die
die Formen von Rosetten annehmen, länglich und zum größten Teil nicht vollkommen
rund.
-
Es wurde weiter gefunden - und dies zu dem Zweck, um bei den Gußeisensorten
die wirtschaftlichen Schwierigkeiten der Verwendung von Legierungen zu überwinden,
die einen hohen Gehalt an Zer oder dessen Mischmetall erfordern -, daß man gleich
aktive Legierungen bilden kann, die geringere Prozentsätze von Zer (oder Zer-Mischmetall)
enthalten, aber höhere Gehalte von Magnesium und außerdem Eisen in hohen Prozentsätzen
aufweisen, da das Bor die Bildung von Verbindungen in den Legierungen ermöglicht,
die hohe Prozentsätze an Eisen sowie Zer (oder Zer-Mischmetall) und Magnesium enthalten.
Außerdem vermeidet man die Verwendung von kostspieligen Trägersubstanzen für das
Magnesium (z. B. Ni).
-
Die erfindungsgemäße Zusatzlegierung besteht aus 10 bis 60 % Zer,
1 bis 10% Magnesium, 0,1 bis 2% Bor, Rest Eisen. Sie kann aber auch aus 10 bis 600%
Zer-Mischmetall, 1 bis 100% Magnesium, 0,1 bis 2% Bor, Rest Eisen bestehen.
-
Eine vorzugsweise Zusammensetzung der Zusatzlegierung besteht aus
15 bis 60'0% Zer-Mischmetall, 2 bis 10% Magnesium, 0,1 bis 2'% Bor, Rest Eisen.
-
Insbesondere ist eine Legierung innerhalb der folgenden Bereiche einbegriffen:
45 bis 55'% Mischmetall, bevorzugt 20 bis 30'%, 5 bis 8 % Magnesium, 0,2 bis 0,5%
Bor.
Die Erfindung sieht bei einem Herstellungsverfahren von Gußeisen
mit Kugelgraphit als kugelgraphitbildendes Mittel die Einführung einer dieser Legierungen
in das flüssige Gußeisen und eines graphitisierenden Elements vor.
-
Sowohl das Eisen wie das Zer (oder Zer-Mischmetall) schwächen den
Dampfdruck des reinen Magnesiums ab, weshalb keine Schwierigkeit besteht, das Magnesium
ohne Explosionen und Spritzen in das flüssige Gußeisen einzuführen.
-
Es ist klar, daß die höchsten Prozentsätze von Bor sich auf die Legierungen
höherer Prozentsätze von Eisen und Magnesium beziehen, insofern als das Bor erstens
für die Bildung der Sphärolithe verantwortlich ist, und zweitens dem Magnesium die
Möglichkeit gibt, im Eisen gelöst zu bleiben.
-
Die kugelgraphitbildende Wirkung der gegenwärtig bekannten Magnesiumlegierungen
im flüssigen Gußeisen hat eine Maximaldauer von einigen Minuten, während mit Legierungen,
die mehr als 10% Zer oder Zer-Mischmetall enthalten, diese Dauer sich um das Dreifache
erhöht und die Vergießbarkeit mehr als das Doppelte beträgt; dies ermöglicht mehr
Zeit für das Abgießen der Formen, ohne infolge des Verschwindens des kugelgraphitbildenden
Effekts Mißerfolge zu haben.
-
Bei dieser neuen Zusatzlegierung für die Herstellung von Gußeisen
mit Kugelgraphit ist das erste für die Kugelgraphitbildung verantwortliche Element
das Zer oder dessen Mischmetall. Mischmetall bedeutet eine Mischung von Metallen
der Seltenen Erden, so wie man sie z. B. insbesondere durch die Elektrolyse der
entsprechenden Chloride erhält, in denen das Zer in etwa 50% vorhanden ist. Das
Zer ist unter den Metallen der Seltenen Erden das einzige kugelgraphitbildende Element;
aber wegen des hohen Preises des reinen metallurgischen Zers - infolge der geringen
Weltproduktion und der schwierigen Prozesse, die für seine Herstellung nötig sind
- ist es vorteilhaft, das Mischmetall zu benutzen, sofern die anderen mit dem Zer
vergesellschafteten Elemente keine Störelemente der Kugelgraphitbildung sind, sondern
an vorteilhaften sekundären Wirkungen teilnehmen, wie die Desoxydation und Entschwefelung.
-
Die Zusatz-Prozentsätze der kugelgraphitbildenden Elemente zum Gußeisen
variieren mit dem Anfangsgehalt an Schwefel, sofern die ersten Reaktionen die der
Desoxydation und der Entschwefelung sind. Bei diesen Reaktionen verbindet sich ein
Teil der Elemente mit dem Sauerstoff und dem Schwefel, während der Rest in dem flüssigen
Gußeisen verbleibt und die Kugelgraphitbildung bewirkt.
-
In der Hauptsache genügt es bei einem Schwefelgehalt von 0,01 bis
0,10% kugelgraphitbildende Elemente zuzugeben. Bei einem maximalen Schwefelgehalt
von 0,10% muß man 0,30% kugelgraphitbildende Elemente zusetzen.
-
Das erfindungsgemäß erhaltene Gußeisen weist Graphitkugeln in einer
Grundmasse auf, die von 100% Ferrit bis zu 100% Perlit geht, wobei die Variation
von der Abkühlungsgeschwindigkeit des Gußstücks und der Zusammensetzung des Gußeisens
abhängt.
-
Die Gußstücke haben, wenn sie im Gußzustand ohne jede thermische Behandlung
ferritisch sind, eine Festigkeit von 40 bis 60 kg/mrn2 und eine Dehnung von 1,8
bis 16%. Wenn sie perlitisch sind, haben sie eine Festigkeit von 50 bis 70 kg/mm2
und eine Dehnung von 2 bis 8%.
-
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht,
aber nicht darauf beschränkt: Beispiel 1 übereutektisches Gußeisen, in das 1% einer
Legierung eingebracht wird, die 50% Zer-Mischmetall, 50% Magnesium, 0,3% Bor, den
Rest Eisen enthält und dem auch 0,5% Ferro-Silicium mit 75 bis 80% Silicium zugesetzt
wird. Einbringungstemperatur 1380° C. Endzusammenstellung des Gußeisens: C = 3,78%;
Si = 2,2%; P = 0,10%; S = 0,018%; Mn = 0,420%.
-
Mechanische Eigenschaften: Festigkeit 57,4 kg/mm2; Dehnung 4,4%.
-
Beispiel 2 Untereutektisches Gußeisen; Endzusammensetzung des Gußeisens:
C=3,25%; Si = 2,45%; Mn= 0,39%; P=0,11"/o; S=0,011%; sonst wie Beispiel 1. Mechanische
Eigenschaften: Festigkeit 58 kg/mm2; Dehnung 7,2 0/0.