EP0020819A1

EP0020819A1 - Process for manufacturing castings of cast iron with vermicular graphite

Info

Publication number: EP0020819A1
Application number: EP79105394A
Authority: EP
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. Feuring; Gerhard Dipl.-Ing. Gaede
Original assignee: Buderus AG
Current assignee: Buderus AG
Priority date: 1979-06-28
Filing date: 1979-12-28
Publication date: 1981-01-07
Also published as: DE2926020A1; JPS565911A

Abstract

By treating molten iron with a certain master alloy of silicon, magnesium, titanium, calcium and rare earth metals, it is possible to produce a compact form of graphite, so-called vermicular graphite. This is produced by adding the coarse granular master alloy to the ladle. The sulphur contents of the melt may vary within a fairly wide range. This is balanced by the quantity of master alloy. To enable even thin-walled castings to be produced from a cast iron with vermicular graphite, it is proposed to add a fine-granular master alloy during casting to a melt of very precisely adjusted sulphur content, preferably by filling a treatment chamber in the gating system of the casting mould. A uniform casting structure with vermicular graphite without carbide formation is achieved.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruhhes und die Verwendung des nach diesem Verfahren hergestellten Materials.The invention relates to a method according to the preamble of the patent claim and the use of the material produced by this method.

In der DE-OS 27 05 630 ist ein Verfahren zur Herstellung des speziellen Gußeisens beschrieben. Die in dieser Schrift erwähnte Vorlegierung enthält Magnesium zur Bildung von Grafitkugeln. Da Titan die Kugelbildung behindert, entsteht schließlich Vermicular-Grafit. Der Kalzium-Bestandteil verbessert die Fähigkeit, Vermicular-Grafit im Gußeisen zu erzeugen, und zwar über einem großen Bereich an ursprünglich vorhandenem Schwefel. Bezüglich des Schwefelgehaltes der Schmelze sind ausführliche Untersuchungen angestellt worden mit dem Ergebnis, daß die Vorlegierung bei Schwefelgehalten im Bereich von 0,01 bis 0,035 % verwendet werden kann, was insbesondere dem Kalziumzusatz zugeschrieben wird.DE-OS 27 05 630 describes a process for producing the special cast iron. The master alloy mentioned in this document contains magnesium for the formation of graphite balls. Since titanium hinders the formation of spheres, vermicular graphite is ultimately formed. The calcium component improves the ability to produce vermicular graphite in cast iron over a wide range of sulfur originally present. Extensive studies have been carried out with regard to the sulfur content of the melt, with the result that the master alloy can be used at sulfur contents in the range from 0.01 to 0.035%, which is attributed in particular to the calcium addition.

Die genannte Vorlegierung ist in grober Körnung im Handel. Sie wird der Schmelze in der Pfanne zugesetzt, und zwar unter Berücksichtigung der jeweils vorhandenen Schwefelgehalte. Ein Problem bei dieser Behandlungsart ist das mögliche Abklingen der Behandlung. Die Schmelze muß deshalb schnell vergossen werden. Die recht grobe Körnung verhindert zudem eine völlig gleichmäßige Verteilung in der Schmelze. Aus diesem Grunde scheidet das Behandlungsverfahren zur Erzeugung von Gußstücksarten mit dünnen Wandstärken aus. Es ist nämlich weder eine gleichmäßige Ausbildung von Vermicular-Grafit noch ein einheitlich weiches Gußgefüge ohne Karbidausbildungen zu erzielen. Diese Nachteile als Folge der groben Körnung der Vorlegierung und deren Einsatz in der Pfanne werden noch durch den empfohlenen, weit gespreizten Schwefelgehalt der Schmelze verstärkt. Es hat sich als unmöglich erwiesen, nach den Angaben in der DE-OS 27 05 630 ein brauchbares Gußeisen mit Vermicular-Grafit für dünnwandige,schnell erstarrende Gußstücke zu erzeugen.The above-mentioned master alloy is commercially available in coarse grain. It is added to the melt in the pan, taking into account the sulfur content present in each case. A problem with this type of treatment is that the treatment may fade away. The melt must therefore be poured quickly. The rather coarse grain also prevents a completely even distribution in the melt. For this reason, the treatment process for the production of casting types with thin wall thicknesses is ruled out. This is because neither uniform formation of vermicular graphite nor a uniformly soft cast structure without carbide formations can be achieved. These disadvantages as a result of the coarse grain of the master alloy and its use in the pan are exacerbated by the recommended, widely spread sulfur content of the melt. It has proven to be impossible to produce a usable cast iron with vermicular graphite for thin-walled, rapidly solidifying castings, according to the information in DE-OS 27 05 630.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, dem Gußeisen mit Vermicular-Grafit einen neuartigen Einsatzbereich zu erschließen, für den das bisher bekannte Behandlungsverfahren nicht geeignet war. Dieser Einsatzbereich sind dünnwandige Gußstücke, bei denen es auf ein karbidfreies Gußgefüge und auf eine gleichmäßige Ausbildung und Verteilung des Vermicular-Grafits ankommt. Zu diesem Zweck soll ein Verfahren zur Herstellung eines Gußeisens mit Vermicular-Grafit geschaffen werden, bei dem das Abklingen der Behandlung verhindert wird und bei dem die Verteilung des Vermicular-Grafits über die Schmelze gleichmäßig ist. Dabei soll außerdem die Ausscheidung von Karbiden verhindert werden.The object of the invention was to open up a new application area for the cast iron with vermicular graphite, for which the previously known treatment method was not suitable. These areas of application are thin-walled castings, which depend on a carbide-free casting structure and on a uniform formation and distribution of the vermicular graphite. For this purpose, a process for producing a cast iron with vermicular graphite is to be created, in which the treatment is prevented from subsiding and in which the distribution of vermicular graphite is uniform over the melt. The excretion of carbides is also to be prevented.

Die gestellte Aufgabe wird durch die im Patentanspruch erwähnten Verfahrensschritte gelöst.The object is achieved by the method steps mentioned in the claim.

Die Mängel der bisher eingesetzten grobkörnigen Vorlegierung werden durch die speziell zu diesem Zweck hergestellte Feinkörnung beseitigt. Es ergibt sich eine wesentlich bessere Auflösung und Verteilung, was zu einer einwandfreien Ausbildung des Vermicular-Grafits auch bei dünnwandigen Gußstücken führt.The shortcomings of the coarse-grained master alloy used up to now are eliminated by the fine-graining specially produced for this purpose. The result is a much better resolution and distribution, which leads to a perfect formation of the vermicular graphite even with thin-walled castings.

Die Eingabe einer Vorlegierung in die zu behandelnde Schmelze während des Eingießens in die Gießform, etwa durch Eingabe in eine Behandlungskammer im Eingußsystem, ist aus der DE-AS 19 36 153 und der DE-AS 25 18 367 an sich bekannt. Es handelt sich dort aber ausschließlich um die Erzeugung von Gußeisen mit Kugelgrafit. Die Anwendung dieses Verfahrens für andere Gußeisensorten, insbesondere für Gußeisen mit Vermicular-Grafit, ist dort weder angedeutet noch nahegelegt worden.The input of a master alloy into the melt to be treated during the pouring into the casting mold, for example by input into a treatment chamber in the pouring system, is known per se from DE-AS 19 36 153 and DE-AS 25 18 367. There, however, it is exclusively a question of producing spheroidal graphite cast iron. The use of this process for other types of cast iron, in particular for cast iron with vermicular graphite, has not been indicated or suggested there.

Die eingangs genannte DE-OS 27 05 630 erfaßt Schmelzen mit einem Schwefelgehalt von 0,01 bis 0,035 %. Sie deutet jedoch nicht an, daß gerade bei etwa 0,02 % Schwefel hervorragende Ergebnisse bezüglich der Vermicular-Grafit-Ausbildung und eines karbidfreien Gußgefüges bei dünnwandigen Gußstücken erzielt werden. Ein solcher Schwefelgehalt ist auch bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Gußeisen mit Kugelgrafit nirgends als besonders günstig angegeben. Dort strebt man bewußt niedrigere Schwefelgehalte um 0,01 % an.The aforementioned DE-OS 27 05 630 covers melts with a sulfur content of 0.01 to 0.035%. However, it does not indicate that excellent results with regard to the formation of vermicular graphite and a carbide-free casting structure can be achieved with thin-walled castings, especially at about 0.02% sulfur. Such a sulfur content is nowhere as special in the known processes for producing spheroidal graphite cast iron stated cheaply. There they consciously strive to lower sulfur levels by 0.01%.

Der im Patentanspruch genannte Körnungsbereich von etwa 1-3 mm schließt ein nach oben und unten begrenztes Körnungsspektrum ein, welches weitgehend frei von Staubanteilen ist und eine obere Grenze von 4 mm besitzt. Auf jeden Fall ist die Körnung wesentlich kleiner als die bisher übliche und ausschließlich im Handel erhältliche Körnung der Vorlegierung von etwa 10-30 mm.The grain size range of about 1-3 mm mentioned in the claim includes an upper and lower grain size range, which is largely free of dust and has an upper limit of 4 mm. In any case, the grain size is significantly smaller than the previously customary and only commercially available grain size of the master alloy of about 10-30 mm.

Während bisher ein Schwefelgehalt von 0,01 bis 0,035 % zugelassen war und die Menge der Vorlegierung je nach dem gerade vorhandenen Schwefelgehalt eingestellt wurde, wird gemäß der Erfindung ein fester Schwefelgehalt in der Schmelze eingestellt, um immer mit einer konstanten Vorlegierungsmenge arbeiten zu können. Das Einstellen des Schwefelgehaltes in der Schmelze ist natürlich wesentlich schwieriger als eine Anpassung der Vorlegierungsmenge an den gerade vorhandenen Schwefelgehalt. Dafür bringt aber nur diese Methode unter Verwendung eines ganz eng begrenzten Schwefelgehaltes die gewünschten Ergebnisse bei dünnwandigen Gußstücken. Der in Patentanspruch genannte Schwefelgehalt von etwa 0,02 % schließt je nach Art der Vorlegierung und nach Ausbildung der Behandlungskammer einen Bereich um 0,02 bis 0,03 % mit einer Abweichung von höchstens t 10 % vom genau festgelegten Wert ein.While a sulfur content of 0.01 to 0.035% was previously permitted and the amount of the master alloy was adjusted according to the sulfur content currently present, a fixed sulfur content in the melt is adjusted according to the invention in order to always be able to work with a constant amount of master alloy. Adjusting the sulfur content in the melt is, of course, much more difficult than adjusting the amount of pre-alloy to the current sulfur content. However, only this method, using a very narrowly limited sulfur content, brings the desired results for thin-walled castings. The sulfur content of approximately 0.02% mentioned in the patent includes a range of 0.02 to 0.03% with a deviation of at most t 10% from the precisely defined value, depending on the type of master alloy and the design of the treatment chamber.

Es wurde festgestellt, daß bei einer Verwendung einer einzigen Behandlungskammer, wie sie bei der Herstellung von Gußeisen mit Kugelgrafit üblich ist, einige nicht ausreichend behandelte Zonen im Gußstück entstehen. Dieses wird durch eine zusätzliche vom ersten Gießstrahl zu erreichende Behandlungskammer abgestellt, in die ein Teil der Vorlegierung eingefüllt wird. Hier kann evtl. auch ein gewisser überschüssiger Anteil an Vorlegierung eingesetzt werden. Der erste Gießstrahl, der bisher nicht genügend zur Auflösung der Vorlegierung beitragen konnte, wird jetzt ebenfalls ausreichend behandelt. Als zusätzliche Behandlungskammer empfiehlt sich der Bereich unter dem Eingußtrichter.It has been found that when using a single treatment chamber as used in the manufacture of Spheroidal graphite cast iron is common, some inadequately treated zones arise in the casting. This is switched off by an additional treatment chamber to be reached by the first pouring jet, into which part of the master alloy is filled. A certain excess proportion of master alloy may also be used here. The first pouring jet, which has so far not been able to contribute sufficiently to the dissolution of the master alloy, is now also treated adequately. The area under the pouring funnel is recommended as an additional treatment chamber.

Es ist auch möglich, den zusätzlichen Anteil an Vorlegierung direkt in den Gießstrahl einzugeben. Eine vollständige Behandlung im Gießstrahl ist grundsätzlich ebenfalls denkbar. Hierfür muß die gesamte Vorlegierung in dosierter Menge kontinuierlich dem Gießstrahl zugegeben werden.It is also possible to enter the additional proportion of master alloy directly into the pouring stream. A complete treatment in a pouring jet is basically also conceivable. For this purpose, the entire master alloy must be continuously added to the pouring jet in a metered amount.

Der Anwendungsbereich für dünnwandige, schnell erstarrende Gußstücke stellt eine völlige Neuheit dar, da solche Gußstücke wegen der geschilderten Mängel des bekannten Herstellungsverfahrens bisher nicht mit Vermicular-Grafit erzeugt werden konnten. Gerade bei dünnwandigen Teilen, die hohen Temperaturwechselbeanspruchungen ausgesetzt sind, wie etwa bei Auspuffkrümmern, bringt das Gußeisen mit Vermicular-Grafit mit seiner hohen Festigkeit bei niedrigem Elastizitätsmodul, seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und guter Zunderbeständigkeit beste Ergebnisse.. Den fortwährenden Temperaturwechseln wird ohne übermäßigen Verzug und ohne zu starke Verzunderung der Oberfläche begegnet. Es war bisher nicht möglich, diese Erkenntnis in die Tat umzusetzen. Alle Versuche, zu diesem Zweck Gußeisen mit Vermicular-Grafit einzusetzen, schlugen fehl, weil die bekannte Herstellungsmethode für dünnwandige Gußstücke ungeeignet war. Die erforderliche gleichmäßige Ausbildung und Verteilung des Vermicular-Grafits konnte hierdurch nicht erzielt werden. Ferner ergab sich kein karbidfreies Gußgefüge, während sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein größtenteils ferritisches bzw. ein ferritisch-perlitisches Gefüge ergibt. Da ein Glühen nicht erforderlich ist, sind Verzugserscheinungen zu vermeiden.The area of application for thin-walled, rapidly solidifying castings is completely new, since such castings could not previously be produced with vermicular graphite because of the deficiencies described in the known manufacturing process. Especially with thin-walled parts that are exposed to high temperature changes, such as exhaust manifolds, the cast iron with vermicular graphite with its high strength with low modulus of elasticity, its high thermal conductivity and good scaling resistance gives the best results. The constant temperature changes are without excessive distortion and without excessive scaling of the surface encountered. So far it has not been possible to put this knowledge into practice. All attempts to use cast iron with vermicular graphite for this purpose failed because the known production method was unsuitable for thin-walled castings. The required uniform formation and distribution of the vermicular graphite could not be achieved in this way. Furthermore, there was no carbide-free cast structure, while the process according to the invention results in a largely ferritic or a ferritic-pearlitic structure. Since annealing is not necessary, signs of distortion should be avoided.

Auch andere dünnwandige Gußstücke, wie etwa Rohre, bei denen die geringe Oxydations- und Korrosionsneigung des Gußeisens mit Vermicular-Grafit zum Tragen kommt, können auf diese Weise hergestellt werden.Other thin-walled castings, such as pipes, in which the low oxidation and corrosion tendency of the cast iron with vermicular graphite come into play, can also be produced in this way.

Claims

1. Process for producing a cast iron with vermicular graphite for the production of thin-walled, rapidly solidifying castings by treating a melt containing 0.01-0.035% sulfur with a master alloy,
characterized in that a master alloy with a known composition of silicon, magnesium, titanium, calcium and rare earth metals is used in a grain size of about 1-3 mm and brought into contact with the melt to be treated during the pouring into the casting mold and that the sulfur content of the melt is adjusted to about 0.02%.

2. The method according to claim 1, characterized in that the master alloy is entered into a treatment chamber in the casting system of the casting mold.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that part of the master alloy is introduced into an additional treatment chamber to be reached by the first pouring jet.

4. Verfahren.nach claims 1 and 2, characterized in that part of the master alloy is entered directly into the first pouring stream.

5. The method according to claim 1-, characterized in that the master alloy is continuously added to the pouring jet in a metered amount.

6. The method according to claim 1, characterized in that a master alloy is entered into the treatment chamber, which is largely free of dust and has a maximum grain size of 4 mm and that the sulfur content of the melt to a value of 0.02% to a maximum of 0 , 03% with a maximum deviation of t 10% from the value determined exactly as a function of the specified amount of master alloy.

7. Cast iron manufactured according to claim 1 or one of claims 1 to 6, characterized by its use for exposed to strong temperature changes stressed castings such as exhaust manifolds.

8. Cast iron produced according to claim 1 or one of claims 1 to 6, characterized by its use for castings with a carbide-free structure which are at risk of oxidation and corrosion.