DE3924558C1 - - Google Patents
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- Refinement Of Pig-Iron, Manufacture Of Cast Iron, And Steel Manufacture Other Than In Revolving Furnaces (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein Mittel zum Behandeln von
Gußeisenschmelzen auf Basis einer Silicium-Legierung zur
Herstellung von Gußeisen mit Kugelgraphit, ein Verfahren
zur Herstellung dieses Mittels sowie dessen Verwendung.
Gußeisen enthält bekanntermaßen beträchtliche Mengen
Kohlenstoff gelöst, der sich beim Erstarren der Schmelze
normalerweise in Lamellenform ausscheidet. Die mit
solchen Schmelzen hergestellten Werkstücke weisen nur
ungenügende mechanische Festigkeitswerte auf.
Durch Zusatz von Magnesium und Seltenen Erdmetallen kann
man die Ausscheidung des Kohlenstoffs im erstarrten
Metall beeinflussen und erzielt damit dessen kugelförmige
Ausbildung. Solchermaßen behandelte Gußeisenschmelzen
übertreffen nach der Erstarrung die Festigkeitswerte von
Gußeisen mit Lamellengraphit bedeutend.
Es ist zwar prinzipiell möglich, metallisches Magnesium
zum Zwecke der Sphäroliten-Bildung in das flüssige Eisen
einzubringen, doch sind wegen der Explosionsgefahr
besondere technisch aufwendige Maßnahmen erforderlich.
Selbst bei Anwendung von Ferrosilicium-Magnesium kann es
zu heftigen ungleichmäßigen Reaktionen kommen, wodurch
die Reproduzierbarkeit des Verfahrens erheblich
beeinträchtigt wird. Dennoch sind Ferrosilicium-
Magnesium-Legierungen die am häufigsten verwendeten
Legierungen, die zur Förderung der Kugelgraphitbildung
verwendet werden. Gehalte an Cer, Seltenen Erdmetallen
und Calcium steuern die Reaktivität dieser Legierungen
(Foundry Trade J. Int. (1987), 33, 38 mittlere Spalte,
Absatz 1).
Es ist weiterhin bekannt, daß zur Entfaltung der vollen
Wirksamkeit solcher Kugeln oder Sphärolithe bildender
Zusätze die Gußeisenschmelzen entschwefelt werden müssen.
Dies bestätigt auch ein Hinweis im Foundry J. Int.
(1987), Nr. 33 auf Seite 38, linke Spalte, Absatz 2,
wonach ein niedriger Schwefelgehalt Vorraussetzung für
"sauberes Metall" ist, das in Formen abgegossen wird.
Aufgrund der hohen Affinität zum Schwefel übt jeder
Magnesiumzusatz zu schwefelhaltigen Gußeisenschmelzen
eine entschwefelnde Wirkung aus. Je höher der
Schwefelgehalt der Gußeisenschmelze ist, umso mehr
Magnesium wird für die Abbindung des Schwefels benötigt.
Um den Magnesiumsatz so niedrig wie möglich zu halten,
empfiehlt es sich daher, ein Basiseisen mit niedrigem
Schwefelgehalt anzustreben, was jedoch in der Praxis
nicht immer möglich ist. So ist es in vielen Fällen
erforderlich, eine Vorentschwefelung nach den bekannten
Vorentschwefelungsverfahren, z. B. durch Einbringen von
Calciumcarbid durchzuführen.
Gußeisenlegierungen erstarren grau, weiß oder meliert. Im
Gußstück können diese Erstarrungsformen auch gemeinsam
auftreten. Ursache ist der Keimhaushalt der Schmelze in
Wechselwirkung mit den Abkühlungsbedingungen für das
Gußstück, wobei die Gleichgewichtstemperatur der
eutektischen Grauerstarrung unterschritten wird. Zur
Gewährleistung der Grauerstarrung wird die Schmelze
geimpft, worunter man die Zugabe keimwirksamer Stoffe zur
Schmelze versteht, um das Erstarrungsverhalten bzw. die
Gefügeausbildung im Gußstück gezielt zu beeinflussen. Die
Impfung kann in der Rinne, beim Füllen der Pfanne, im
Gießstrahl oder in der Form ein- oder mehrstufig
erfolgen.
In der Regel werden die Entschwefelung, die
Magnesiumbehandlung und das Impfen getrennt durchgeführt,
was wiederum durch Foundry Trade J. Int. (1987), 33,
Seite 39, linke Spalte, 2. Absatz, bestätigt wird:
Wirksamere Impfmittel enthalten u. a. Calcium und Wismut, wobei deren Zugabe aber erst nach der Kugelgraphitbildung erfolgen darf. Ausnahmen bilden das Konverterverfahren und die Tauchbehandlung mit Reinmagnesium bzw. hochprozentigen Ferrosiliciummagnesium-Legierungen.
Wirksamere Impfmittel enthalten u. a. Calcium und Wismut, wobei deren Zugabe aber erst nach der Kugelgraphitbildung erfolgen darf. Ausnahmen bilden das Konverterverfahren und die Tauchbehandlung mit Reinmagnesium bzw. hochprozentigen Ferrosiliciummagnesium-Legierungen.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe
zugrunde, ein Behandlungsmittel für Gußeisenschmelzen zu
schaffen, mit dem sämtliche bisher notwendigen
Behandlungen in einem Arbeitsgang durchgeführt werden
können.
Gelöst wurde diese Aufgabe durch ein Mittel auf Basis
einer Silicium-Legierung mit Gehalten an Magnesium,
Calcium, Wismut, Seltenerdmetallen, Rest Eisen.
Es wird eine Legierung verwendet, die sich
folgendermaßen zusammensetzt:
Silicium | |
30 bis 80 Gew.-% | |
Magnesium | 5 bis 30 Gew.-% |
Calcium | 0,1 bis 25 Gew.-% |
Wismut | 0,1 bis 2 Gew.-% |
Cer-Mischmetall | 0,1 bis 5 Gew.-% |
Eisen | Rest |
Wismut in Verbindung mit den Seltenerdmetallen in dem
Mittel sorgt für eine hohe Keimwirksamkeit. Dies war
besonders überraschend, da Wismut neben z. B. Titan,
Aluminium und Blei zu den Elementen gehört, die die
Kugelgraphitbildung in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen eher
negativ beeinflussen. Aufgrund des Herstellungsverfahrens
des Mittels über eine Calciumsilicium- oder
Ferrosiliciumlegierung ist es möglich, daß das Mittel
rohstoffbedingt noch geringe Mengen Aluminium enthält.
Besonders bewährt hat sich ein Mittel, das gleichzeitig
entschwefelt, impfend und magnesiumbehandelnd wirkt und
folgende Zusammensetzung aufweist:
Silicium | |
40 bis 60 Gew.-% | |
Magnesium | 15 bis 25 Gew.-% |
Calcium | 5 bis 20 Gew.-% |
Wismut | 0,3 bis 1 Gew.-% |
Cer-Mischmetall | 0,3 bis 3 Gew.-% |
Eisen | Rest |
Je nach Schwefelausgangsgehalt der Basisschmelze und
deren Temperatur kann das Verhältnis von Calcium,
Magnesium und Silicium den Erfordernissen angepaßt
werden, womit man die Entschwefelungswirkung bzw. die
Reaktivität der Legierung steuern und somit ein für
jeden Anwendungsfall optimal zusammengesetztes Mittel
bereitstellen kann.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Mittels erfolgt
zunächst durch Herstellung einer Calciumsilicium- oder
Ferrosiliciumschmelze im Elektroniederschachtofen. Im
Fall von Calciumsilicium beträgt der Calciumgehalt etwa
30 Gew.-%, der Siliciumgehalt etwa 60 Gew.-% beim
Abstich, während im Fall des Ferrosiliciums die Schmelze
etwa 60-75 Gew.-% Silicium enthalten soll.
Nach dem Abstich der etwa 1800 bis 2000°C heißen
Calciumsiliciumschmelze mit einem Gehalt von etwa 28 bis
33 Gew.-% wird dieser in der Pfanne die benötigte
Menge Magnesium sowie das Wismut und das Seltenerdmetall
zweckmäßigerweise in metallischer Form durch Rühren
zulegiert.
Im Falle von Ferrosilicium als Ausgangslegierung sticht
man die etwa 1250 bis 1450°C heiße Schmelze in eine
Pfanne ab, legiert das Magnesium, bevorzugt als reines
Metall, zu, stellt durch Zugabe von metallischem Calcium
oder Calciumsilicium den gewünschten Calciumgehalt der
Legierung ein, und rührt schließlich Wismut und das Selten
erdmetall ein. Natürlich kann der Calciumgehalt auch
durch entsprechende Zusammensetzung des Möllers unter
Berücksichtigung der eingesetzten Rohstoffe direkt in der
Basisschmelze im Elektroniederschachtofen eingestellt
werden. Desgleichen kann ein Seltenerdmetall in Form
von Bastnäsit, Monazit oder in Form von Seltenerdoxiden
dem Möller zudosiert werden. Bevorzugt wird jedoch das
Seltenerdmetall der Basislegierung in Form von Cer-
Mischmetall zudosiert, wobei man eine genau einstellbare
Konzentration in der Legierung erhält.
Völlig analog verfährt man im Prinzip bei Herstellung des
erfindungsgemäßen Mittels im Induktionsofen. Die
benötigten Temperaturen der Basisschmelze liegen bei
1000 bis 1250°C. Unter diesen Bedingungen kann man die
benötigten Elemente einbringen und nach kurzer Zeit das
fertige Mittel abgießen.
Nach dem Erstarren kann das Mittel für die Behandlung von
Gußeisenschmelzen in Form von Brocken oder Stücken als
Übergieß- oder Tauchlegierung verwendet werden.
Bevorzugt wird das Mittel als feinkörniges Granulat mit
einer geeigneten Vorrichtung dem Gießstrahl zudosiert
oder besonders bevorzugt durch Umhüllen mit einem
Blechmantel in die Form eines gefüllten Drahtes gebracht.
Die Form des Drahtes ist deshalb besonders bevorzugt, da
sowohl der Transport des Mittels als auch die gezielte
Zugabe zu einer Gußeisenschmelze völlig problemlos
verlaufen.
Das erfindungsgemäße Mittel wird je nach Zusammensetzung
der Gußeisenschmelze in einer Menge von 0,35 bis
1,5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Gußeisens,
angewendet. Die Einspulgeschwindigkeit von gefüllten
Drähten von 5 bis 20 mm Durchmesser kann zwischen 1 bis
100 m/min. variieren; bevorzugt werden, bei entsprechend
gewählter Drahtstärke, 10 bis 50 m/min., eingestellt.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Mittels gelingt es in
optimaler Weise, die Behandlung von Gußeisenschmelzen zu
vereinfachen, indem lediglich noch eine einzige
Behandlungsmaßnahme notwendig ist. Die Behandlung kann in
einer Pfanne in kurzer Zeit durchgeführt werden, wobei
Temperaturverluste sehr gering bleiben. Gleichzeitig wird
durch die Kombination Silicium-Magnesium-Calcium mit
Wismut und Seltenerdmetall bei ausreichender Desoxidation
und Entschwefelung der Gußeisenschmelze gleichzeitig ein
hohes Keimbildungsvermögen geschaffen, wodurch eine
praktisch ausschließliche Grauerstarrung des Gußeisens
mit ausschließlicher Ausscheidung des Kohlenstoffs in
sphärolitischer Form erreicht wird. Hierdurch werden
völlig homogene Werkstoffeigenschaften, auch bei
unterschiedlichen Wanddicken der Gußstücke, erzielt.
Schließlich kann es sich als zweckmäßig erweisen - obwohl
die Impfwirkung der Kombination Wismut/Seltenerdmetall
relativ lange anhält und nicht dem normalen Abklingeffekt
unterliegt - im Anschluß an das vorbeschriebene
kombinierte Behandlungsverfahren eine nochmalige Impfung
mit handelsüblichen Impfmitteln, insbesondere mit
Ferrosilicium, in verschiedenen Qualitäten folgen zu
lassen. Aufgrund der Behandlung mit der erfindungsgemäßen
Legierung erfordert der nochmalige Zusatz an Impfmittel
jedoch nur eine geringe Menge.
Zu 770 kg flüssigen Calciumsiliciums mit einem Gehalt von
30 Gew.-% Calcium wurden bei 1500 bis 1600°C 350 kg
Magnesium, danach 7 kg Cer-Mischmetall eingerührt und
schließlich 6 kg Wismut in Form von Granalien zugegeben.
Die Legierung hatte folgende Zusammensetzung:
Silicium | |
40,4 Gew.-% | |
Magnesium | 23,5 Gew.-% |
Calcium | 19,8 Gew.-% |
Wismut | 0,5 Gew.-% |
Cer-Mischmetall | 0,49 Gew.-% |
Eisen | 15,1 Gew.-% |
Die Legierung wurde gebrochen, auf eine fülldrahtgerechte
Körnung von 0,2 bis 1,6 mm abgesiebt und in Fülldrähte
mit einem Durchmesser von 13 mm verpackt.
Der so hergestellte Draht hatte folgende Kenndaten:
Drahttype|13 mm | |
Drahtgewicht | 350 g/m |
Füllstoffgewicht | 200 g/m |
Füllfaktor | 57% |
Calciumgehalt | 40 g/m |
Magnesiumgehalt | 47 g/m |
Siliciumgehalt | 80 g/m |
Wismutgehalt | 1 g/m |
Cer-Mischmetall | 1 g/m |
Im Kaltwindkupolofen erschmolzenes Basiseisen folgender
chemischer Zusammensetzung
Kohlenstoff | |
3,68 Gew.-% | |
Silicium | 2,04 Gew.-% |
Mangan | 0,14 Gew.-% |
Phosphor | 0,048 Gew.-% |
Schwefel | 0,073 Gew.-% |
wird mit Fülldraht der oben genannten Kenndaten
behandelt, wobei der Draht mit einer Einspulvorrichtung
in die Gußeisenschmelze eingebracht wird. Die behandelte
Eisenmenge variiert zwischen 630 und 650 kg. Als
Behandlungsgefäß diente eine typische abgedeckte
Sphärogußpfanne, deren Verhältnis Höhe zu Durchmesser
2,4 : 1 betrug.
Die erhaltenen Versuchsergebnisse von fünf Behandlungen
werden tabellarisch wiedergegeben.
Der Schwefelabbau von 0,073% auf <0,01% wurde bei
jeder der 5 Behandlungen erreicht. Die Graphitausbildung
in der abgegossenen Y-2 Proben (25 mm) hatte über 90%
Kugelform. Die Sphärolitenzahl mit 100-200 Kugeln/mm²
entsprachen dem zu erwartenden Vorimpfeffekt der
Behandlungslegierung.
Zu 760 kg einer 75 Gew.-% Silicium enthaltenden
Ferrosiliciumschmelze, deren Calciumgehalt durch Zugabe
von Kalk bereits auf 7,6 Gew.-% eingestellt war, wurden
bei 1400 bis 1500°C 350 kg Magnesium, 7 kg Cer-
Mischmetall und 6 kg Wismut eingerührt.
Die Legierung hatte folgende Zusammensetzung:
Silicium | |
50,2 Gew.-% | |
Magnesium | 24,3 Gew.-% |
Calcium | 5,1 Gew.-% |
Wismut | 0,5 Gew.-% |
Cer-Mischmetall | 0,48 Gew.-% |
Eisen | Rest |
Die Aufarbeitung der Legierung erfolgte wie in Beispiel 1
beschrieben.
Der hergestellte Draht zeigte folgende Kenndaten:
Drahttype|13 mm | |
Drahtgewicht | 348 g/m |
Füllstoffgewicht | 198 g/m |
Füllfaktor | 57% |
Calciumgehalt | 10 g/m |
Magnesiumgehalt | 48 g/m |
Siliciumgehalt | 99 g/m |
Wismutgehalt | 1 g/m |
Cer-Mischmetall | 1 g/m |
1000 kg im Lichtbogenofen erschmolzenes Basiseisen mit
folgender chemischen Zusammensetzung
Kohlenstoff | |
3,78 Gew.-% | |
Silicium | 1,75 Gew.-% |
Mangan | 0,50 Gew.-% |
Phosphor | 0,06 Gew.-% |
Schwefel | 0,019 Gew.-% |
wurde durch Einspulen von 24 m des Drahtes behandelt,
wobei die aus der Tabelle 2 hervorgehenden Ergebnisse
erhalten wurden.
Aufgrund des niedrigen Schwefelgehalts im Basiseisen
konnte ein Behandlungsmittel mit nur 10 g Calcium/m Draht
gewählt werden. Weiterhin war die Basislegierung auf die
Herstellung eines dickwandigen Gußstückes abgestimmt.
Kugelgraphitanteil und Sphärolitenzahl in den
abgegossenen Y-3 Proben (50 mm) entsprachen den
Erwartungen.
Claims (11)
1. Mittel zum Behandeln von Gußeisenschmelzen in einem
Arbeitsgang auf Basis einer Silicium-Legierung,
gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:
Silicium
30 bis 80 Gew.-%
Magnesium 5 bis 30 Gew.-%
Calcium 0,1 bis 25 Gew.-%
Wismut 0,1 bis 2 Gew.-%
Cer-Mischmetall 0,1 bis 5 Gew.-%
Eisen als Rest
2. Mittel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende
Zusammensetzung:
Silicium
40 bis 60 Gew.-%
Magnesium 15 bis 25 Gew.-%
Calcium 5 bis 20 Gew.-%
Wismut 0,3 bis 1 Gew.-%
Cer-Mischmetall 0,3 bis 3 Gew.-% und
Eisen als Rest
3. Verfahren zur Herstellung des Mittels nach den
Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
einer Ferrosilicium- oder Calciumsilicium-Schmelze
die übrigen Komponenten in metallischer Form
zugegeben werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die übrigen Komponenten der Ferrosilicium- oder
Calciumsilicium-Schmelze nach dem Abstich in einer
Pfanne zugegeben werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Verwendung von Calciumsilicium als
Ausgangsmaterial nach dem Abstich der Legierung in
eine Pfanne Magnesium, Wismut und Seltenerdmetall
durch Rühren zulegiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Verwendung von Ferrosilicium der
Calciumgehalt der Legierung durch entsprechende
Möllerzusammensetzung eingestellt wird und nach dem
Abstich in einer Pfanne Magnesium, Wismut und
Cer-Mischmetall eingerührt werden.
7. Verfahren zur Herstellung des Mittels nach den
Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Legierung im Induktionsofen durch Zusammenlegieren
der metallischen Komponenten hergestellt wird.
8. Verwendung des Mittels nach den Ansprüchen 1 oder 2
in Form eines gefüllten Drahtes, bestehend aus einer
Blechmantelumhüllung und einem feinteiligen
Füllmaterial, für das Entschwefeln,
Magnesiumbehandeln und Impfen von Gußeisenschmelzen
in einem Arbeitsgang.
9. Verwendung nach Anspruch 8, in einer Menge von 0,35
bis 1,5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des
Gußeisens.
10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Draht mit einer
Geschwindigkeit von 1 bis 100 m/min., vorzugsweise 10
bis 50 m/min., in die Gußeisenschmelze eingebracht
wird.
11. Abänderung der Verwendung nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Behandlung der
Gußeisenschmelze eine Nachbehandlung mit einem
herkömmlichen Impfmittel folgt.
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