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Verfahren zur Herstellung von Gusseisen mit eutektischer Graphitausbildung, insbesondere für Kolbenringe
Verfahren zur Verfeinerung der Graphitausscheidungen bei grauerstarrenden Gusseisensorten sind be- reits in grösserer Anzahl bekannt. Gegenstand der Erfindung ist dagegen ein Verfahren, um aus einem be- reits zur bzw. zur melierten Erstarrung neigenden Gusseisen wieder ein grau erstarrendes zu machen, u. zw. ein solches mit besonders gleichmässig fein ausgeschiedenem Graphiteutektikum.
Unter eutektischer Graphitausbildung ist gemäss Eisen-Kohlenstoff-Silizium-Diagramm eine solche zu verstehen, die sich in feinster Verteilung beim oder in der Nähe des eutektischen Punktes C'abschei- det bzw. bei einem Sättigungsgrad nach Jass bei einem solchen Gusseisen etwa zwischen den Werten von
0,9 und 1, 1. Unter feinster Verteilung ist hiebei eine Graphitlamellenlänge unter 3 mm bei 100facher
Vergrösserung gemeint, entsprechend einer Graphitgrösse 7 und 8, vgl. E. Piwowarsky, "Gusseisen", Aus- gabe 1951, Seite 206, Abb. 230. Hiebei kann dieser fein verteilte Unterkühlungs-Graphit sowohl in der entarteten ungerichteten Anordnung als Type D als auch in der nicht entarteten Anordnung Type E auftre- ten, vgl.
Giesserei 38 [1951], Seite 356, Bild 4 und Bild 5, wobei beide Typen zu nennen sind, da in der Praxis hier kaum ein Unterschied gemacht werden kann (vgl. Giesserei 48 [1961], Heft 23, Seite 690).
Wichtig dabei ist nur, dass es sich stets auch nur um primär aus der Schmelze ausgeschiedenen Graphit handelt und nicht etwa um einen Segregatgraphit, ausgeschieden aus einem y-Mischkristall, vgl.
C. Englisch :"Kolbenringe" [1958], Springer Verlag, Band 1, Seite 158.
Von C. Englisch in seinem Buch"Kolbenringe", Band 1, Seite 232, 4. Absatz, wird dabei weiterhin angegeben, dass eine eutektische Graphitausbildung wie die oben beschriebene gerade bei Kolbenringen im allgemeinen als keine besonders günstige Gefugeausbildung bezeichnet werden darf, was jedoch im vorliegenden Falle nicht zutrifft, weil es sich hiebei nicht um gewöhnliche Kolbenringe, sondern nur um im Warmbad vergütete Grauguss-Kolbenringe handelt, die beim Fehlen eines solchen eutektischen Graphitgefüges niemals auf höchste Festigkeit gebracht werden könnten.
Um im Gusseisen ein bestimmtes Graphitgefüge zu erzielen, wurden bislang hiefür im allgemeinen dem flüssigen Eisen im Schmelzofen oder in der Giesspfanne Ferrosilizium, Kalziumsilizium oder ähnlich wirkende Impfstoffe hinzugesetzt, von denen jedoch im vorliegenden Falle kein Gebrauch gemacht werden soll, da die bisher verwendeten Impfstoffe entweder zu stark, zu ungleichmässig oder zu kurzzeitig wirkend waren, so dass sie sich alle zur Herstellung einer Schmelze für Gusseisen mit besonders gleichmässiger und einheitlicher eutektischer Graphitausbildung nicht eigneten. Um das letztere Ziel mit Sicherheit zu erreichen, wurde deshalb erfindungsgemäss gerade das normale Impfen eines flüssigen Gusseisens in der Giesspfanne verlassen und allein auf eine spezielle Schmelzbehandlung im Ofen übergegangen.
Von den bekannteren Verfahren zur Herstellung einer Gusseisenschmelze mit eutektischer Graphitausbildung bei der Erstarrung seien hiebei zunächst nur die drei wichtigsten genannt, nämlich erstens die Einstellung des Eisens auf eine möglichst eutektische chemische Zusammensetzung, zweitens die Schmelz- überhitzung mit Einhaltung bestimmter Temperaturen und Überhitzungszeiten und drittens das Behandeln der Schmelze mit bestimmten Schlacken und Gasen.
Von allen diesen Verfahren unterscheidet sich das im nachfolgenden beschriebene grundlegend dadurch, dass es sich hiebei um kein flüssiges Eisen handelt, dessen Graphitausscheidung nur verfeinert werden soll, und auch um kein Eisen, das nur in der Giesspfanne
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geimpft werden soll, sondern um ein Eisen, das weiss oder meliert erstarren würde, wenn es nicht durch eine ganz bestimmte Behandlungsweise im Schmelzofen dahin gebracht würde, dass seine spätere Erstarrung schliesslich zu einer ausserordentlich einheitlichen und gleichmässigen eutektischen Graphitausbildung im Gefüge führt.
Gemäss der Erfindung besteht diese besondere Schmelzbehandlung des flüssigen Gusseisens also nun darin, dass zunächst von einer Beschaffenheit des Eisens ausgegangen wird, die zu weiss oder meliert erstarrenden Gussteilen führen würde. Dies ist z. B.. mittels Abschreck-Probekeilen in Sandformen, deren dünnes Ende auf einer Eisenplatte scharf abgekühlt wird, an Hand der verschieden hohen hiebei erzielten Weisseinstrahlungen bzw. Einstrahltiefen sehr leicht festzustellen, so dass mit dieser Einstrahltiefe gleichzeitig eine Anhaltszahl für das Ausmass der weiteren notwendigen Nachbehandlungen der Schmelze gegeben ist.
Zu dem Zeitpunkt dieser Vorprüfungen des flüssigen Eisens soll sich letzteres dabei zunächst in seiner sogenannten ersten Erschmelzungsstufe befinden, in der es nur notwendig ist, das flüssige Eisen mit einer möglichst inaktiven kohlenstofffreien Schlacke zu bedecken, d. h. beispielsweise einer Schlacke, die aus aufgestreutem Formsand oder Glasscherben gebildet wird, um so den Zutritt von Luftsauerstoff zum Bade zu verhüten und damit eine, weitgehende Stabilität des im Ofen befindlichen Eisens, insbesondere in bezug auf seine Neigung zu Graphitausscheidungen, zu erreichen.
Erfindungsgemäss soll danach diese erste Schlacke von der Schmelze wieder abgezogen und auf die zweite Erschmelzungsstufe des Eisens übergegangen werden, die darin besteht, das flüssige Eisen mit einer Schicht Schuppengraphit zu bedecken, wobei dieser Schuppengraphit so lange auf der Schmelze verweilen soll, bis beim Erstarren der Schmelze mit einem ausreichenden Grauwerden gerechnet werden kann. Wie zahlreiche Untersuchungen dieses Eisens der zweiten Behandlungsstufe gezeigt haben, ist jedoch auch diese Behandlungsstufe noch nicht als ein optimaler Zustand des flüssigen Eisens für den vorliegenden Zweck zu bezeichnen, da die Erstarrung eines solchen Eisens aus der zweiten Stufe in der Regel immer noch zu einem sehr unregelmässigen Gefüge führt, d. h. mit groben und feinen Graphitnestern nebeneinander.
Um ein einheitliches und gleichmässiges fein-
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die darin besteht, nach der Einwirkungszeit des Schuppengraphits diesen nochmals vom blanken Metallbad zu entfernen und wieder durch eine neue, möglichst inaktive kohlenstofffreie Schlacke wie diejenige in der ersten Erschmelzungsstufe zu ersetzen. Wie bereits angedeutet, ist es die Aufgabe dieser dritten Behandlungsstufe, die unregelmässigen Graphitausscheidungen der zweiten Behandlungsstufe wieder zu beseitigen, indem jetzt, erneut unter einer gegen atmosphärische Einflüsse schützenden Schlackendecke, nur die zu grober Graphitbildung fahrenden Keime im flüssigen Eisen aufgeschmolzen werden, während die Neigung zu fein eutektischer Graphitbildung dabei noch gut aufrecht erhalten bleibt.
Wiederum ist auch diese jetzt verbesserte Graphitausbildung leicht mittels Abschreck-Probenkeilen wie in der ersten Erschmelzungsstufe des flüssigen Eisens nachzuweisen, wobei sich in der Praxis ungefähr folgende Veränderungen ergeben :
Erste Erschmelzungsstufe : 15 mm Einstrahltiefe.
Eisen erstarrt zu weiss bzw. zu stark meliert.
Zweite Stufe : 20 min Behandlung mittels Schuppengraphit :
Eisen erstarrt mit unregelmässiger Graphitausbildung.
Dritte Stufe : 10 mm Einstrahltiefe.
Eisen erstarrt mit einheitlicher feineutektischer
Graphitausbildung.
Die Vorteile, die mit oben genanntem neuen Schmelzbehandlungsverfahren zu erzielen sind, sind mannigfacher Art und bestehen vor allem darin, dass 1. man auf diese Weise von früher sehr labilen und den schwer beherrschbaren Schmelzbehandlungsznständen eines weiss oder meliert erstarrenden Gusseisens jetzt zu einem äusserst stabilen und gut einstellbaren Schmelzzustand gelangt ist, und dass man 2. mit dem auf einem blanken Bad befindlichen Schuppengraphit eine viel schnellere Graphitisierbarkeit des Eisens erreicht als beispielsweise durch dem Bad zugesetztes hochprozentiges Ferrosilizium, durch dessen Silizium in der Regel nur Anfangs-, aber keine nachhaltigen Erfolge erzielt werden, weil es in einer
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Abgesehen von einem möglichst niedrigen Siliziumgehalt bei höchsten Graphitbildungsgeschwindigkeiten in einem Eisen ist es natürlich auch erwünscht, dass diese höchsten Graphitbildungsgeschwindigkeiten bei gleichzeitig niedrigstem Kohlenstoffgehalt im Eisen erfolgen, wobei sich in der Tat die oben beschriebene Sonderbehandlung des flüssigen Eisens mittels Schuppengraphit zwischen zwei Schlackenbehandlungen immer wieder als das günstigste erwiesen hat.
Um zu einem grau erstarrenden Gusseisen mit feinster Graphitausbildung zu gelangen, wäre es natürlich das beste, wenn schon das Ausgangseisen durch Wahl seiner Zusammensetzung und eine entsprechende Schmelzüberhitzung diesem Zustand von vornherein entspräche, ohne besondere Nachbehandlung erst notwendig zu machen. Leider ist jedoch in der Praxis das Erreichen eines solchen optimalen Schmelzzustandes des Ausgangseisens eben sehr häufig nicht möglich und ist dieser optimale Zustand sozusagen überfahren worden, d. h. das Ausgangseisen hat bereits eine zu grosse Neigung zur Weiss- und Melierterstarrung bekommen.
In diesem Falle, und dies ist gerade der Gegenstand der Erfindung, muss dann also die Schmelze wieder rückläufig auf eine entsprechende Grauerstarrung gebracht werden, u. zw. ohne dabei weder eine zu starke noch eine zu grobe Graphitausbildung zu verursachen. Nur weil aber gerade hierin in der Praxis bei der grossen Empfindlichkeit eines solchen eutektischen Gusseisens eine besondere Schwierigkeit besteht, mussten aber nun zur Überwindung solcher Schwierigkeiten zunächst sehr viele Versuche ausgeführt werden, die schliesslich zum vorliegenden Verfahren einer dreistufigen Schmelzbehandlung geführt haben.
Für die Praxis eignet sich das obengenannte Verfahren besonders für die Herstellung von grau erstarrenden und anschliessend zu vergütenden Kolbenringen, die nur bei ausgesprochen feiner eutektischer Graphitausbildung sich am besten giessen lassen und hernach beim Vergüten zu den höchsten Festigkeitseigenschaften gelangen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Gusseisen mit eutektischer Graphitausbildung, dadurch gekennzeichnet, dass eine weiss oder meliert erstarrende Schmelze in der Weise nachbehandelt wird, dass Schuppengraphit zwischen zwei Behandlungen mit kohlenstofffreien Schlacken auf der blanken Metallschmelze kurzfristig zur Einwirkung gebracht wird.