DE3924558C1

DE3924558C1 -

Info

Publication number: DE3924558C1
Application number: DE3924558A
Authority: DE
Inventors: Friedrich 8221 Tacherting De Wolfsgruber; Detlef Dr. 8261 Engelsberg De Missol; Wolfgang 8223 Trostberg De Geiger
Original assignee: SKW Trostberg AG
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1989-07-25
Filing date: 1989-07-25
Publication date: 1990-11-22
Anticipated expiration: 2009-07-26
Also published as: AU628197B2; AU5916490A; EP0410360A1; US5087290A; CA2021451A1; JPH03122208A

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.

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.

Beispiel 1

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.

Tabelle 1

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.

Beispiel 2

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.

Tabelle 2

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

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.