DE2136508C3 - Eisen-Silizium-Legierung zur Impfung von Grauguß oder Gußeisen mit Kugelgraphit und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Eisen-Silizium-Legierung zur Impfung von Grauguß oder Gußeisen mit Kugelgraphit und Verfahren zu deren HerstellungInfo
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Description
Vergleich der Wirkung von Si und C bei der Impfung von Formgußeisen
Die Gußzusammensetzung von beispielsweise lamellarem
Grauguß wird im allgemeinen durch das sogenannte Kohlenstoffäquivalent charakterisiert, wobei
sich die mechanischen Eigenschaften des Graugusses in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung
ändern und beispielsweise die Zugfestigkeit mit Abnahme des Kohlenstoffäquivalents zunimmt.
Andererseits weiß man, daß bei Verminderung des Kohlenstoffäquivalents die Tendenz steigt, daß die
Gußstücke mit weißem Gefüge erstarren. Ebenso erhält man beim Vergießen von Schmelzen mit niedrigem
Kohlenstoffäquivalent eine MikroStruktur mit interdendritischem Graphit, was zu schlechten Gebrauchseigenschaften
führt.
Es ist weiter bekannt, daß eine dem Vergießen vorangehende Einführung von Silizium in Form einer
Legierung oder von »Impfmittel« bezeichneten zusammengesetzten Produkten zu einem viel ausgeprägteren
Graphitisierungseffekt führt als die Einführung von Silizium — in der gleichen Form — in die Gußeisenschmelze.
Durch Anwendung derartiger Impfmittel kann die Ausbildung einer weißen Struktur vermieden und damit
Gußeisen mit niedrigem Kohlenstoffäquivalent mit verbesserten mechanischen Eigenschaften erhalten
werden.
Es ist im übrigen bekannt, daß die Anwendung von Impflegierungen nicht auf den Grauguß beschränkt ist
und daß bei Verwendung derartiger Legierungen bei Gußeisen mit Kugelgraphit eine Verbesserung seiner
Eigenschaften erreicht werden kann, wie beispielsweise:
eine Verlängerung der Wirkungsdauer der zum Zwecke kugeliger Graphitausbildung zugesetzten
Elemente,
eine Verfeinerung des Korns und
eine Verbesserung des Gefüges durch Eliminierung
von Carbiden.
Man weiß, daß Fcrrosilizium unterschiedlicher
Abstufungen zu den in der Impfpraxis am häufigsten verwendeten Legierungen gehört. Die günstige Wir-
Wirkung | Wirkung | Wirkung | Wirkung | |
auf die | auf die | auf die | auf die | |
Härtungs | Graphit- | Struktur | Härte der | |
tiefe | struktur | der Matrix | Matrix | |
Si | Abnahme | Ver | Ferriti- | weich |
gröberung | sierung | machend | ||
C | Abnahme | Ver | Ferriti- | weich |
feinerung | sierung | machend |
Die Tabelle I zeigt, daß Kohlenstoff bezüglich der Härtungstiefe, der Struktur und Härte der Matrix im
gleichen Sinne wirkt wie Silizium und daß er den durch Silizium hervorgerufenen Vergröberungseffekt bei der
graphitischen Struktur ausbalancieren bzw. ausgleichen kann.
Es ist bekannt, daß siliziumreiches Ferrosilizium selbst bei Herstellung in aufkohlendem Milieu wenig
Kohlenstoff enthält. Das gilt insbesondere für das am allgemeinsten für die Impfung von Gußeisen verwendete
industrielle Ferrosilizium in dem Maße, daß es üblicherweise nicht möglich ist, von der günstigen
Wirkung des Kohlenstoffs bei der Impfung zu profitieren. Zwar wurde bereits vorgeschlagen, Mischungen
von Ferrosilizium und Graphit anzuwenden, aber vom Gebrauch derartiger Produkte wird abgeraten,
wenn Gußeisen mit Kugelgraphit hergestellt werden soll. Im übrigen kann mit solchen Mischungen
keine so gleichmäßige Verteilung der Zusätze wie mit homogenen Legierungen erreicht werden.
Man kennt auch eine im Handel erhältliche Impflegierung mit z. B. 71,9 oder 75,5% Silizium, 4,4,4,7
oder 5% Kalzium, höchstens 1,5% Aluminium und Rest Eisen mit einem durch· Analyse ermittelbaren Kohlenstoffgehalt
von etwa 0,25%. Zum oben erläuterten Stand der Technik sei im übrigen auf »B.C.I.R.A. Report
Nr. 588«, 9. Jahrgang, 1961, Nr. 2, Seiten 199/236 verwiesen.
Es ist auch bekannt, daß der Zusatz von Kalzium zum Ferrosilizium einen verstärkenden Effekt auf die
Impfung analog zu demjenigen des Kohlenstoffs ausübt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Eisen-Silizium-Legierung zur Impfung von Grauguß oder Gußeisen mit
Kugelgraphit mit besseren Wirkungsqualitäten als die mit Kohlenstoff oder Kalzium versetzten Ferro-Silizium-Produkte
aufzuzeigen und ein Verfahren zur Herstellung dieses Legierungstyps zu entwickeln.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist zunächst eine Eisen-Silizium-Legierung
zur Impfung von Grauguß oder Gußeisen mit Kugelgraphit, mit 70 bis 80% Silizium und Gehalten an
Kalzium und Kohlenstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen, darunter weniger als 1,5%
Aluminium, mit dem Kennzeichen, daß die Gehalte der Impflegierung an Kalzium 2 bis 4% und an Kohlenstoff
0,3 bis 0,7% betragen.
Die Verunreinigungen stammen vorwiegend aus dem N usgangsmaterial. Beispielsweise besteht ein im Handel
erhältliches Ferro-Silizium aus i,3 bis 1,5% ΛΙ, 0 bis
0,003% Ti, 0 bis 0,20% Mn, 0 bis 0,10% Ni, 0 bis 0,02%
Cr. 0 bis 0,003% S, 0 bis 0,003% P sowie O bis 0,002% Cu.
Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß sich die Wirkungen des in das Ferro-Silizium eingeführten
Kohlenstoffes und Kalziums wechselseitig verstärken, so daß der erzielte Erfolg größer ist als die Summe der
durch Zusatz von Kohlenstoff bzw Kalzium allein erreichten Verbesserungen bzw. Erfolge.
Diese Legierung kann nach den verschiedenen bei der Impfung praktizierten Verfahren, die in der Gießereitechnik
üblich sind, in die Schmelze bzw. das Gußeisen eingebracht werden.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Impflegierung, mit
dem Kennzeichen, daß der Kohlenstoffgehalt durch Zugabe von Gußeisen zu der Silizium und Kalzium
enthaltenden Schmelze eingestellt wird.
Vorzugsweise vergießt man die Legierung rasch.
Nach diesem Verfahren sind auch Impflegierungen mit Gehalten an Silizium von 55 bis 85% an Kalzium
von 2 bis 5%, an Kohlenstoff von 0,2 bis 1,0% und an Aluminium von bis zu 2% herstellbar.
Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung.
In einen Induktionsofen werden 12 kr· einer SiCa-Legierung
(mit 31,8% Ca) und 100 kg technisches Silicium (97,7% Si) gebracht Nach Verflüssigung des Metalls
gibt man 20 kg kleine Stücke eines hypereutektischen Gußeisens mit 5,6% Kohlenstoff hinzu. Nach Auflösung
der Gußeisenstücke wird rasch vergossen. Das erhaltene Produkt enthält:
Si | = 78,7% |
C | = 0,69% |
Ca | = 2,81% |
Al | = 1,10% |
In eine Pfanne mit 198 kg verflüssigter industrieller Legierung der Zusammensetzung: Si = 88,1%,
Ca = 4,83%, Al = 1,3%, Eisen und Verunreinigungen = ergänzend zu 100%, werden wie im Beispiel 1 40 kg
Gußeisen mit 4,12% Kohlenstoff hinzugegeben. Nach Auflösen des Gußeisens wird rasch vergossen. Das
erhaltene Produkt enthält:
Si = 72,7<Vb
Ca = 3,62%
C = 0,63%
Al = 1,04%
In eine Pfanne mit 607 kg verflüssigter industrieller
Legierung folgender Zusammensetzung: Si = 90,1%, Ca = 2,8%, Al = 1,22%, Eisen und Verunreinigungen
= ergänzend zu 100%, werden 120 kg Gußeisen mit 3,14% C und 2,3% Si wie vorstehend gebracht und
gelöst. Nach Auflösung des Gußeisens in der Ausgangslegierung wird rasch vergossen. Das erhaltene Produkt
enthält:
Si | = 73,8% |
C | = 0,47% |
Ca | = 2,11% |
Al | = 0,98% |
Bei jeweils dem gleichen Grauguß wurden Gießversuche unter Verwendung von bekannten Impflegierungen
und erfindungsgemäßen Legierungen durchgeführt:
Versuch I
Zu Vergleichszwecken wurde ein »Ferrosilicium 75%« folgender Zusammensetzung verwendet (nicht
erfindungsgemäß):
Si = 75,7%
Ca = 0.19%
C = 0,05%
Al = 1,10%
Eisen und Verunreinigungen ergänzend zu 100%.
Versuch Il
Es wurde eine (nicht erfindungsgemäße) kohlenstoffreiche Legierung folgender Zusammensetzung verwendet:
Si
Ca
C
Al
Ca
C
Al
74,2%
0,09%
0,31%
1,11%
0,09%
0,31%
1,11%
Eisen und Verunreinigungen
100%.
100%.
= ergänzend zu
Diese Legierung wurde ausgehend von 98%igem Silicium und Gußeisen (Zusatz von Kohlenstoff)
hergestellt.
Versuch lla
Verwendung einer (nicht erfindungsgemäßen) kohlenstoffreichen Mischung der Zusammensetzung
»Fe-Si 75%« (Korngröße
0,5 bis 2 mm) 90 Gewichtsprozent
Graphit in Kornform 10 Gewichtsprozent
Das »Fe—Si 75%« war das gleiche wie bei Versuch I.
Versuch Hb
Verwendung einer (nicht erfindurgsgemäßen) kohlenstoffreichen Mischung der Zusammensetzung
»Fe-Si 75%«(Korngröße
0,5 bis 2 mm) 99,7 Gewichtsprozent
Graphit in Kornform 0,3 Gewichtsprozent
Das »Fe —Si 75%« war das gleiche wie bei den Versuchen 1 und Ha.
Versuch III
Verwendung einer (nicht erfindungsgemäßen) calciumreichen Legierung der Zusammensetzung
Si
C
Ca
Al
C
Ca
Al
75,4%
0,05%
3,58%
1,09%
0,05%
3,58%
1,09%
Eisen und Verunreinigungen = ergänzend zu ,00%.
Diese Legierung wurde ausgehend von 98%igen". Si, 30%igem Si-Ca und Eisen hergestellt.
Versuch IV
Verwendung einer erfindungsgemäßen Legierung
gemäß Beispiel 2 der folgenden - bereits
im Beispiel 2 angegebenen — Zusammensetzung
im Beispiel 2 angegebenen — Zusammensetzung
Si = 72,7%
Ca = 3.6: Vo
C = 0.63%
Al = 1,04%
Eisen und Verunreinigungen = ergänzend zu '"
100%.
Bei 1450+10°C wurde ein Grauguß mit folgenden Gehalten:
C = 3.45% '"'
Si = 1,90%
Mn= 0,54%
P = 0,1%
unter jeweils gleichen Bedingungen in der Abstichrinne 2u
bzw. dem Gießkanal geimpft. Für die gesamte Impfseric wurden die Produkte gemäß den Versuchen I. II, Ha, Mb.
III und IV unter gleichen Bedingungen in einer solchen
Menge verwendet, daß der Anteil der zum Impfen verwendeten Eisenlegierung 0,3 Gewichtsprozent des
Gußeisens betrug (entsprechend einem Zusatz von 0,225% Silicium bei 75% Si-Gehalt).
Die einzelnen Impfbehandlungen erfolgten an 40 ±2 kg Gußeisen und die Zusätze an den verschiedenen
Legierungen betrugen:
Impfmitlei gemäß | Zugesetzte Menge |
Versuch | (kg) pro 40 kg |
Gußeisen | |
I | 0,120 |
Il | 0,120 |
Ha | 0,134 |
Hb | 0,120 |
III | 0,120 |
IV | 0,120 |
Die mit den sechs Produkten erhaltenen Vergleichsergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle Il
zusammengefaßt:
Impfmitlcl
Zahl der Einhärtungstiefe Zugfestigkeit Brinell-Härte
eutektixchcn Zellen in mm ')
eutektixchcn Zellen in mm ')
pro cm' (kp/mm-) (kp/mm-)
E') Ä*) E') Ä*) E') A*) II·) A")
I (Fe-Si; Bezugswert) | 164 | 12 | — | 29,1 | — | 215 | — | |
11 (Fe-Si-C) | 174 | + 10 | 9.1 | -2,9 | 28,6 | -0,5 | 209 | -6 |
Ua (Fe-Si +10% Graphit) | 210 | + 46 | 9,8 | -2.2 | 27,4 | -1.7 | 202 | -13 |
lib (Fc-Si+ 0.3% Graphit) | 172 | + 8 | 12.1 | + 0,1 | 28,7 | -0.4 | 217 | + 2 |
111 (Fc-Si-Ca) | 196 | + 32 | 8 | -4 | 28.3 | -0.8 | 208 | -7 |
IV(Fe-Si-Ca-C) | 241 | + 77 | 4.8 | -7.2 | 32.6 | + 3,5 | 196 | -19 |
(vgl. nicht geimpftes Gußeisen) | (83) | — | (18) | — | (26.8) | — | (221) | — |
) Restimmt an einer Gießprobe, die in eine vorgewärmte, im Bild 1 dargestellte Form vergossen wurde, die aus einem t.inguU-
kasten 1. einem Sandkern 2 und einem Kühlbett 3 besteht.
*) H = Ergebnis. A = Änderung gegenüber 1.
Wie man sieht, führt der Versuch IV gemäß der
Erfindung /u den besten Ergebnissen. Dabei ist die Änderung von derjenigen verschieden, die man auf
Grund einer Summierung der Wirkungen von Kohlenstoff und Calcium bei getrennter Zugabe erwarten
konnte. Insbesondere führen Kohlenstoff bzw. Calcium
allein zu einer Verminderung der Zugfestigkeit, während ihre gleichzeitige Anwesenheit zu einer
Erhöhung der Zugfestigkeit führt.
Beispiel 5
Die Impflegierungen gemäß den Versuchen I. Hl und
IV von Beispiel 4 wurden bei diesem Beispiel für die Impfung von Gußeisen mit 3.9% C und 1.3°/« Si
verwendet. Es ist bekannt, daß von der Einführung von Graphit nach Art der Versuche lla und Hb des
Kennwerte von aus massiven Stücken gearbeiteten Stäben
impfmincl
vorangehenden Beispiels bei diesem Gußeisentyp abzuraten ist. Nach Sphäroüthisierungsbehandlung
durch eine Magnesiumlegierung wurde das Gußeisen mit den drei Produkten gemäß Versuch I. Versuch III
und Versuch IV geimpft, wobei die drei Produkte in einer Menge von 0.75% unter folgenden Bedingungen
angewandt wurden:
Impftemperatur
Stückgußtemperatur
Stückgußtemperatur
1460 ±5 C
1420 ±5 C
1420 ±5 C
Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle III zusammengefaßt. An Hand der Ergebnisse kann man
einen erheblichen Erfolg bezüglich der Dehnung und eine sehr empfindliche Veränderung des Prozentsatzes
an Carbiden in dem mit der erfindungsgemäßen Legierung behandelten Gußeisen feststellen.
Be Mechanische Kennwerte
schalfcn-
heii des
Graphits Filasii/i- Zugfesiig- Dehnung
tatserenze keil
(kp/mm-) (kp/mm-) ("/«) Struktur an dünnen Analyse an Stücken
Teilen von 5 mm
Teilen von 5 mm
"Ai
%
Carbide Ferrit
Si
Mg
i errosilicitim mn
niedrigem C und C
niedrigem C und C
kugelig 36.1
59.2
14.6 45
45
3.6 2.69 0.042/0.044
Fortsetzung | Be schaffen heit des Graphits |
Mechanische Kennwerte Elastizi- Zugfestig- Dehnung tätsgrenze keit (kp/mm2) (kp/mm2) (%) |
51,0 17,5 50,5 22,2 |
Struktur an dünnen Teilen von 5 mm % ü/o Carbide Ferrit |
65 65 |
Analyse an C Si |
2,71 2,67 |
Stücken Mg |
Impfmittel | kugelig kugelig |
31.5 31,9 |
1 Blatt Zeichnungen | 35 5 |
3,6 3,6 |
0,042/0,044 0,042/0,044 |
||
III.Ferrosilicium wenig C mit Ca IV.Fe-Si-Ca-C gemäß der Erfindung |
Hierzu | |||||||
Claims (3)
1. Eisen-Silizium-Legierung zur Impfung von Grauguß oder Gußeisen mit Kugelgraphit, mit 70 bis
80% Silizium und Gehalten an Kalzium und Kohlenstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingten
Verunreinigungen, darunter weniger als 1,5% Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gehalte der Impflegierung an Kalzium 2 bis 4% und an Kohlenstoff 0,3 bis 0,7% betragen.
2. Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Silizium-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kohlenstoffgehalt durch Zugabe von Gußeisen zu der Silizium und Kalzium enthaltenden
Schmelze eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung rasch vergießt
i-. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte an
Silizium auf 55 bis 85%, an Kalzium auf 2 bis 5%, an Kohlenstoff auf 0,2 bis 1,0% und an Aluminium auf
bis zu 2% eingestellt werden.
kung von Kohlenstoff bei der Impfung von Gußeisen ist
ebenfalls bekannt, und seine Wirkung im Vergleich zu derjenigen von Silizium wird in der nachfolgenden
Tabelle 1 schematisch zusammengefaßt:
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