DE1936153B2

DE1936153B2 - Verfahren und giessform zum herstellen von gusstuecken mit kugelgraphit

Info

Publication number: DE1936153B2
Application number: DE19691936153
Authority: DE
Inventors: Clifford Matthew; McCaulay James Lindsay; Reigate Surrey Dunks (Großbritannien)
Original assignee: Materials And Methods Ltd., Reigate, Surrey (Grossbritannien)
Priority date: 1968-07-17
Filing date: 1969-07-16
Publication date: 1977-01-13
Also published as: US3703922A; AT301060B; BG15588A3; SE353476B; AR203401Q; GB1278265A; LU59118A1; ES369657A1; NL163564B; RO54427A; BE736235A; NL163564C; CH525052A; DK121063B; NL6910959A; DE1936153A1; FR2013133A1

Description

Steiger bzw. einer Steigkammer der Gießform verbundene Zwischenkammer fließt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Graugußeisen durch einen am Einlauf der Gießform befindlichen, mit den Zwischenkammern verbundenen Spinner fließt

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kugelbildner in Klümpchenform, in Form eines zerkleinerten Schüttgutes, in Pulverform oder in Form von extrudierten oder agglomerierten Teilchen, z. B. Pellets, in die Zwischenkammer eingegeben wird.

5. Gießform zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, deren Eingußsystem einen Einguß, ein nach unten führendes Eingußrohr und einen in die eigentliche Gießform führender Einlauf mit einer Steigeinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingußsystem eine Zwischenkammer (3) zur Aufnähme des Kugelbildners angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkammer (3) mit einer Beruhigungs- oder Steigkammer (4) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkammer (3) direkt mit der Gießform (1) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (1) eine Mehrzahl von verengten Einlaufen (5) aufweist und wenigstens einer der Einlaufe mit einer Zwischenkammer (3) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (1) mehr als einen Einguß (5) und/oder mehr als eine Steigkammer (4) aufweist und daß mit jedem Einguß bzw. jeder Steigkammer (4) eine Zwischenkammer (3) verbunden ist.

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gußstücken mit Kugelgraphit mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Hauptanspruches. Außerdem betrifft die Erfindung eine Gießform zum Durchführen dieses Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 5.

Gußstücke, die Graphit in Kugelform enthalten, haben bessere Festigkeitseigenschaften als Gußstücke, und Yttrium behandelt, die bei der Temperatur der Schmelze leicht oxidierbar oder flüchtig sind und die, wenn sie in zu starker Konzentration mit der Schmelze in Kontakt kommen, sehr heftig reagieren, was zu einem starken Brodeln und Verspritzen der Schmelze und einer starken Rauch- und Feuerentwicklung führt. Um das Problem des allmählichen Nachlassens der Wirkung der die Kugelbildung bewirkenden Zuschlagstoffe auszugleichen und damit zu verhindern, daß sich der in der Schmelze gebildete Kugelgraphit in größerem Umfang wieder in die ursprüngliche Lamellenform zuriickbildet ist es bekannt, eine überschüssige Menge an Kugelbildner für die Behandlung der Schmelze zu verwenden. Ein anderer bekannter Vorschlag besteht darin, der bereits mit Kugelbildner behandelten Schmelze während des Vergießens erneut Zuschlagstoffe zuzugeben. Noch ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, die Schmelze in der Gießpfanne oder während des Vergießens zu impfen (»Gießerei« 54 [1967], Nr. 23, Seiten 621 bis 624). Alle diese bekannten Vorschläge erhöhen jedoch die Herstellungskosten, weil Kugelbildner teuer sind und bei diesen Verfahren selten mehr als 40% derselben ausgenutzt werden können. Außerdem nimmt bei Verwendung übergroßer Mengen Kugelbildner die Entstehung von in der Schmelze gebundenen Oxiden und Silikaten zu. so daß man unreine Gußstücke erhält oder durch Schaumbildung der Schmelze hervorgerufene Fehler entstehen. Auch kann ein Überschuß der für die Kugeibildung verwendeten Zuschlagstoffe unterhalb der Oberfläche der Gußstücke Lunker bilden und zu einer Entstehung von »Elefantenhaut« auf der Oberfläche führen. Auch nimmt das Schrumpfen des Gußeisens während des Verfestigungsvorganges zu und es können andere Fehler entstehen, wodurch sowohl die physikalischen Eigenschaften als auch die Formtreue der fertigen Gußstücke beeinträchtigt wird.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß die meisten als Kugelbildner verwendeten Alkalimetalle, Erdalkalimetalle oder seltene Erdmetalle auch Karbidstabilisierer sind, so daß die Benutzung eines großen Überschusses an Kugelbildner zu harten und brüchigen Gußstücken führt, so daß diese Gußstücke nicht mehr bearbeitbar sind und praktisch keine Geschmeidigkeit oder Zähigkeit und Verformbarkeit aufweisen.

Beim Impfen von Gußeisen ist es bekannt, in einer Vertiefung des Eingußsystems einer Gießform einen Impfmittelklumpen anzuordnen und ein Hochsteigen dieses Klumpens in die eigentliche Gießformhöhlung durch ein Gitter zu verhindern (»Gießerei« a. a. O., insbesondere Seite 623). Mit dem Impfmittel ist eine

Kugelbildung von in schmelzflüssigem Gußeisen vorhandenem Graphit nicht möglich. Insbesondere ist es auch nicht möglich, eine gleichmäßige Behandlung der durch das Eingußsystem strömenden Schmelze zu erzielen, da die Oberfläche des Impfmittelklumpens mit der Zeit immer kleiner wird und damit die Koi\jaktfläche zwischen Schmelze und Impfmittel abnimmt, so daß zu Beginn mehr Impfmittel in die Schmelze ge'angt als am Ende der Behandlung. Ein weiterer Nachteil besteht darin, d?ß der Impfmittelklumpen von der Schmelze mitgenommen und gegen das zur Gießformhöhlung führende Gitter gedrückt wird und dadurch die Kontaktfläche zur Schmelze weiter, jedoch unkontrolliert abnimmt

Aus der DT-AS 12 48 239 ist ein Verfahren zum Impfen von Gußeisenschmelzen bekannt, bei dem das Impfmittel in das Eingußsystem einer Gießform oder Kokille eingeformt ist, beispielsweise in Form eines Formkörpers wie eines Siebkernes. Das wiederum nicht als Kugelbildner anzusprechende Impfmittel wird also an einen Formkörper gebunden oder sonstwie in das Eingußsystem einer Gießform eingebaut, was umständlich und kostspielig ist und den weiteren Nachteil hat, daß sich die Behandlung der Schmelze wegen des das Impfmittel bindenden Materials nicht genau steuern läßt.

Aus der GB-PS 9 45 208 ist es beim Vergießen von Gußeisen bekannt, in der Gießformhöhlung und/oder dem Eingußsystem befindliche und von der Schmelze zu vergasende Schaumstoffkerne mit die Graphitform verändernden Zuschlagmitteln anzuordnen. Aus der DT-PS 11 72 806 ist es bekannt, anstelle von Schaumstoffkernen oder vollen Schaumstoffkörpern Schaumstoffpartikeln in die Gießformhöhlung und das Eingußsystem einer Gießform einzugeben, welche zur metallurgischen Behandlung der Schmelze dienende feinverteilte Stoffe enthalten.

Gemäß diesen Vorschlägen wird der Kugelbildner also an Schaumstoffe gebunden in die Form eingegeben, um die Reaktion zwischen Schmelze und Kugelbildner über einen längeren Zeitraum zu strecken, was dadurch erreicht wird, daß der das Behandlungsmittel enthaltende Schaumstoff auf der Schmelze schwimmt und sich nur allmählich auflöst. Eine gleichförmige Behandlung der gesamten in die Gießform eingegossenen Schmelze ist auf diene Weise nicht möglich, weil die mit Kugelbildner beladenen Schaumstoffe in der ganzen Form vorhanden sind und dementsprechend der erste Teil der einfließenden Schmelze länger mit Kugelbildner behandelt wird als der letzte Teil der einfließenden Schmelze. Hinzu kommt, daß es das Volumen der Schaumstoffe verbietet, den Kugelbildner nur im Eingußsystem unterzubringen, denn das benötigte Volumen übersteigt den Rauminhalt des Eingußsystems und das Behandlungsmittel darf den Querschnitt des Eingußsystems auch nicht voll ausfüllen, weil dadurch das Eingießen behindert würde, bis sich die Schmelze durch den im Eingußsystem befindlichen Schaumstoff einen Weg gebahnt hat.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit einfachen Mitteln eine gleichförmige Behandlung der in eine. Gießform strömenden Gußeisenschmelze mit Kugelbildner zu gewährleisten, ohne daß ein wesentlicher Überschuß an Kugelbildner für die Behandlung benötigt würde.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des HauDtanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4. Weiterhin wird die Aufgabe mit einer Gießform mit den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst, wobei vorteilhafte Weiterbildungen dieser Gießform Gegenstand der Ansprüche 6 bis 9 sind.

Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik wird gemäß der Erfindung der Zuschlagstoff so angeordnet, daß die Schmelze kontinuierlich über ihn hinwegströmt, so daß die Oberfläche des in der Zwischenkammer befindlichen Kugelbildners stets gleich bleibt und dementsprechend die an die durch die Zwischenkammer strömende Schmelze abgegebene Menge Behandlungsmittel sich nicht ändert Auch wenn der Kugelbildner in Klümpchenform, in Form eines zerkleinerten Schüttgutes, in Pulverform oder in Form von extrudierten oder agglomerierten Teilchen wie beispielsweise Pellets in die Zwischenkammer eingegeben wird, steigen keine Teilchen des Kugelbildners in der Schmelze auf, sondern es wird lediglich die jeweils obere Schicht des Kugelbildners unter Einfluß der Hitze der Schmelze gelöst, so daß die dabei entstehenden leicht flüchtigen Gase in die Schmelze eindringen. Auf diese Weise erhält man Gußstücke mit überall gleicher Qualität, bei denen den Graphit unmittelbar vor dem Erstarrungsvorgang in Kugelform überführt worden ist und somit nur eine sehr geringe Zeitspanne für eine mögliche Rückumwandlung des Graphits in Lamellenform zur Verfügung steht. Auch lassen sich mit der Erfindung die Herstellungskosten der Gußeisenstücke senken, weil Kugelbildner nicht in überschüssiger Menge benutzt werden muß. Die Erfindung ist insbesondere für die Massenproduktion von Gußeisenstücken wie beispielsweise für die Produktion von für die Automobilherstellung benötigten Gußeisenstücken geeignet.

Die den Kugelbildner aufnehmende Zwischenkammer kann an jeder beliebigen Stelle im Eingußsystem einer Gießform angeordnet sein und liegt zweckmäßig möglichst nahe am Einlauf in die eigentliche Gießform. Der Kugelbildner bedeckt den Boden der Zwischenkammer vollständig, so daß die Koniaktfläche zwischen Schmelze und Kugelbildner der Bodenfläche der Zwischenkammer entspricht.

Falls eine Zwischenkammer nicht ausreicht bzw. falls die Gießform mit mehreren Eingußöffnungen versehen ist, können auch mehrere Kugelbildner enthaltende Zwischenkammern vorgesehen sein.

Die Reaktion zwischen Kugelbildner und Schmelze beginnt, sobald die Schmelze den Kugelbildner überdeckt hat, und endet erst, wenn die Schmelze nicht mehr weiterfließt. Der Kugelbildner wird dabei ohne Kontakt mit Luft nach und nach in der vorbeifließenden Schmelze aufgelöst, wobei sich am Ende des Gießvorganges praktisch kein oder allenfalls ein sehr geringer Rest Kugelbildner in der Zwischenkammer befindet.

Die Verwendung von mehreren Eingußöffnungen und dementsprechend von mehreren Zwischenkammern ist besonders dann zu empfehlen, wenn komplizierte Gußstücke hergestellt werden sollen. Man kann jedoch auch alle Eingußöffnungen in eine einzige Zwischenkammer für Kugelbildner münden lassen.

Bei Anwendung der Erfindung ist der Temperaturabfall des Gußeisens beim Eingießen in die Gießform vernachlässigbar klein und es treten überhaupt keine Verluste durch Verflüchtigung und Oxidation des Kugelbildners auf.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, die für ein bestimmtes Gewicht bzw. eine bestimmte Menge Gußeisen genau benötigte Menge an

Kugelbildner zu bestimmen und in die Gießform einzugeben, wobei sich diese Arbeitsweise auch für Massenproduktion einschließlich Fließbandherstellung von Gießformen eignet. Dadurch vermeidet man die Gefahr, daß sich Schaumeinschlüsse in den Gußstücken bilden oder das Gußeisen überbehandelt wird und dementsprechend die Gußstücke zu hart und brüchig sind.

Bei Anwendung der Erfindung wurde beispielsweise eine vollständige Umwandlung von lamellenförmigem in kugelförmigen Graphit mit nur 0,15% Zuschlagstoff erzielt. Bei jedem der bekannten bisher angewandten Verfahren mußte man hingegen wenigstens 0,75% Zuschlagstoff zugeben. Durch die Erfindung ergibt sich also eine bedeutende Einsparung der kostspieligen Zuschlagstoffe.

Für die Erfindung kann jeder Kugelbildner oder jedes die Kugelbildung von im Gußeisen enthaltenem Graphit bewirkendes Gemisch verwendet werden. Bei der Behandlung tritt keine Turbulenz auf, es entwickelt sich kein Rauch, kein Feuer und kein Geräusch und man erhält Gußeisenstücke mit Kugelgraphit, die eine gleichmäßige und feine Struktur aufweisen.

Die Größe und Form der Partikeln der Zugschlagstoffe und die benötigte Menge derselben hängt von einer Anzahl von Parametern ab, zu denen die Größe und Form der Zwischenkammer, die Strömungsgeschwindigkeit und die Menge der durch die Zwischenkammer strömenden Schmelze, die Dichte des schmelzflüssigen Graugußeisens, die Temperatur der Schmelze, die Zusammensetzung derselben, das Gewicht und die Art der Gußstücke und das Herstellungsverfahren derselben gehören.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert und zwar zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine schematisch dargestellte Gießform zum Herstellen eines Kulissensteines, wobei der Deckel der Gießform weggelassen ist,

F i g. 2 einen Längsschnitt mit durch den Teil der Gießform aus Fig. 1, der das nach unten führende Eingußrohr, die Zwischenkammer und eine Schikane und einen Auslaß zur Steigeinrichtung aufweist, in vergrößertem Maßstab und

F i g. 3 eine Draufsicht auf den in F i g. 2 dargestellten Teil der Vorrichtung.

Die in der Zeichnung dargestellte Form dient zum Gießen von Kulissensteinen od. dgl. Diese Form enthält eine eigentliche Gießform 1. In diese Gießform 1 gelangt das geschmolzene Material über einen nicht dargestellten Eingußstutzen oder Eingußtrichter, ein nach unten führendes Eingußrohr 2, eine Zwischenkammer 3, eine Steigkammer 4 und eine Eingußöffnung 5. In die als Reaktionskammer dienende Zwischenkammer 3 wird die Kugelbildung des im Gußeisen befindlichen Graphits bewirkender Zuschlagstoff in einer auf Grundlage der obengenannten Parameter berechneten Menge eingegeben. Die Zwischenkammer 3 ist mit einer Schikane 6 versehen, welche den Durchfluß des flüssigen Metalls reguliert and eine genügende Verweilzeit des zu behandelnden flüssigen Metalls in der Zwischenkammer 3 gewährleistet Die gesamte Gußeinrichtung ist in einem Gehäuse 7 untergebracht

Beim Strömen in die Gießform 1 kommt das geschmolzene Eisen mit dem die Kugelbadung des Graphits bewirkenden Zuschlagstoff in der Zwischenkamraer 3 in Kontakt, so daß der im Eisen zunächst vorhandene flockige Graphit in knötchen- oder kugelförmigen Graphit umgewandelt wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die nachfolgenden Beispiele:

Beispiel 1

Eine mit unbehandeltem geschmolzenem Graugußeisen mit einer Bruchfestigkeit von 227 kg/cm² gefüllte Gießpfanne wurde verwendet um eine Reihe von Schwungrädern für Automobile zu gießen.

Sämtliche hierfür verwendete Gußformen waren untereinander völlig gleich und besaßen eine Zwischenkammer, die direkt unterhalb dem nach unten führenden Eingußrohr angeordnet war. Die hierfür benötigte Menge des die Kugelbildung des Graphits bewirkenden Zuschlagstoffes (im vorliegenden Fall bestand die Legierung des Zuschlagstoffes aus 55% Silizium, 4% Magnesium und im übrigen aus Eisen) wurde auf der Grundlage von 0,35% des Gesamtgewichtes des Gußkörpers, des Einlaufes, der Eingußöffnung und des Steigers berechnet. Dieses Gesamtgewicht betrug pro Gießform 38,5 kg, d. h. es wurde pro Gießform etwa 13,5 g Zuschlagstoff für die Kugelbildung des im Gußeisen enthaltenden Graphits verwendet, wobei im vorliegenden Falle der Zuschlagstoff in Form von Klümpchen mit Abmessungen von etwa 12,7 χ 6,3 mm zugegeben wurde.

Anschließend wurde das so behandelte flüssige Gußeisen nacheinander innerhalb einer Zeit von 12 min in die einzelnen Gießformen eingegossen. Es fand keine Turbulenzerscheinung innerhalb der Schmelze während des Gießvorganges statt und es wurde nicht einmal eine Dunst- oder Flammenbildung beobachtet.

Bei einer anschließenden Untersuchung enthielten alle Gußkörper Graphitkügelchen in gleichförmiger

Verteilung in einem Gefüge, das überhaupt keine Carbide besitzt. Die Gußkörper waren durch und durch fest und dicht und besaßen eine Oberflächenglätte, die man bisher für unmöglich hielt. Das so behandelte und vergossene Gußeisen besaß am Ende eine Bruchfestig-

keil von 830 kg/cm² und eine Bruchdehnung von 4%.

Beispiel 2

Bei einem anderen Versuch wurde eine Gießpfanne

mit unbehandeltem Graugußeisen mit einer Bruchfestigkeit von 220 kg/cm² verwendet um eine Reihe von Kurbelwellen für Dieselmotore zu gießen.

In diesem Falle wurde die Zwischenkammer entsprechend dem Gießformkasten für die Gußteile vergrößert

und die benötigte Menge des für die Kugelbildung des Graphits vorgesehenen Zuschlagstoffes wurde aufgrund des Gußgewichtes der einzelnen Kurbelwellen berechnet In diesem Falle wurde der Zuschlagstoff in Form zusammengepreßter Pellets zugegeben. Es wurden

genau 226£ g dieser Pellets in jede Zwischenkammer eingebracht bevor die Formen geschlossen wurden.

Das Gußeisen wurde dann wie beim vorhergehenden Beispiel in die Formen eingegossen, wobei keine Dunstoder Feuerbildung beobachtet wurde.

to Die so erhaltenen Gußkörper besaßen wiederum eine ausgezeichnete Struktur mit Graphitkügelchen. Die Bruchfestigkeit betrug 858 kg/cm² und die Brachdefanbarkeit2%.

Beispiel 3

Als Ausgangsmaterial for diesen Versuch wurde ein unbehandeltes geschmolzenes Gußeisen mit flockeaartigen oder lameDenartigen GrapniteinscbJüssen ver-

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wendet, das die folgende Zusammensetzung bzw. die folgenden Eigenschaften besaß:

Kohlenstoff insgesamt	3,62%
Silizium	2,12%
Phosphor	0,05%
Mangan	0,64%
Schwefel	0,01%
Bruchfestigkeit	218 kg/cm*
Bruchdehnbarkeit	0%

In diesem Falle wurde die sogenannte »Zwischenkammer« getrennt in Form eines Kernes od. dgl. hergestellt und außerhalb der eigentlichen Gußform angeordnet. Diese »Zwischenkammer« wurde in einem Gießtrichter mit Einlauf und Auslauf derart angeordnet, daß der Auslauf direkt über dem nach unten führenden Eingußrohr der Gießform lag. Dieses Verfahren ist dann nützlich, wenn innerhalb des Gießformkastens nicht genügend Platz vorhanden ist, um eine geeignete »Zwischenkammer« vorzusehen oder wenn große

Gußteile gegossen werden sollen oder wenn schwierig geformte Gußteile und Eingußöffnungen mit Steigeinrichtungen verwendet werden.

Es wurden etwa 2540 kg dieses Eisens verwendet, um einen Kühlsegmentgußkörper zu gießen, wobei in der außenliegenden »Zwischenkammer« 0,7% einer Kalzium-Magnesium-Ferro-Silizium-Legierung angeordnet waren.

Der Gußkörper wurde gegossen, und nach dem Erstarren und Entfernen aus der Gußform sah man genau dieselben äußeren Erscheinungen wie bei den vorhergehenden Beispielen. Nach dem Kühlen und der anschließenden Untersuchung stellte man fest, daß der Gußkörper in jeder Hinsicht in Ordnung war und der im Gußeisen enthaltene Graphit vollständig in Kugelform vorlag. Der Gußkörper war ein Kühlsegment, das durch und durch kompakt bzw. voll war, d. h. keine Lunker oder sonstigen Lufteinschlüsse aufwies und eine Bruchfestigkeit von 890 kg/cm² und eine Bruchdehnung von 4% zeigte.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen «»582/355

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Gußstücken mit Kugelgraphit, bei dem im schmelzflüssigen Zustand befindliches Gußeisen in der Gießform mit einem Behandlungsmittel in Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß Graugußeisen ohne Vorbehandlung durch wenigstens eine, Kugelbildner in zum Umwandeln des Graphits in Kugelform gerade ausreichender Menge enthaltende, im Eingußsystem zwischen dem Einguß und dem Einlauf der eigentlichen Gießform angeordnete Zwischenkammer in die Gießform fließt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 15 Schmelze mit die Kugelbildung des Graphits bewirkenzeichnet, daß das Graugußeisen durch eine mit dem den Zusatzmetallen wie Magnesium, Kalzium, Lithium,

Strontium, Barium, Zer, Neodym, Praseodym, Lanthan

die den Graphit in der natürlichen Lamellenform enthalten. Kugelgraphit ist jedoch in schmelzflüssigem Gußeisen instabil und wird allmählich in die ursprüngliche Lamellenform zurückverwandelt falls das Gußeisen nicht vorher erstarrt ist

Es besteht daher das praktische Bedürfnis, zwischen der Umwandlung des Graphits in Kugelform und dem Erstarren des Gußeisens sine möglichst geringe Zeitspanne vergehen zu lassen.

In jüngerer Zeit wurden zahlreiche Verfahren entwickelt um den in Grauguß vorhandenen Graphit in Kugelform umzuwandeln, während die Schmelze aus dem Schmelzofen ausströmt oder sich in einer Gießpfanne befindet Zu diesem Zweck wird die