Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von sphärolithischem Gusseisen, wobei durch dieses Verfahren die Sphärolithenzahl und -form des Gusseisens verbessert und andererseits die Menge an degenerierten Graphitformen vermindert werden soll.
Es ist bekannt, dass Gusseisen mit sphärolithischer Graphitausbildung, die durch die Anwesenheit von Magnesium und/oder Cer verursacht wird, eine relativ grosse Anzahl kleiner Ausscheidungen oder eine kleinere Anzahl voluminöserer Ausscheidungen enthalten kann. Diese Ausscheidungen können die ideale Kugelform besitzen oder unregelmässige Umrisse aufweisen, mit vermikulitartigem Graphit vermischt sein, kompakte Graphitflocken darstellen, sowie in Form von Zellengraphit oder zerplatzten Kugeln vorliegen, und man fasst bekanntlich alle diese Veränderungen unter der Bezeichnung degenerierte Graphitformen zusammen. Es ist weiterhin bekannt, dass die Anwesenheit derartiger degenerierter Formen im Gusseisen zur Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften beiträgt, insbesondere bezüglich der Schlagfestigkeit und der Dehnung.
Weiterhin ist bekannt, dass beim Vorliegen kleinerer, zahlreicherer, perfekter Kugeln die Zugfestigkeit und die Streckgrenze ansteigen und beim Vergiessen des Gusseisens zu geringerer Abscheidung von Graphit in der Form führen, was manchmal als Kohlenstoffflotation bezeichnet wird.
Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein sphärolithisches Gusseisen mit kleineren, möglichst idealen Graphitkügelchen zu schaffen. Dadurch soll es möglich werden, dem sphärolithischen Gusseisen bessere mechanische Eigenschaften zu verleihen, grössere Gussstücke mit homogener Struktur herzustellen, die Wirksamkeit von Störelementen herabzusetzen und das Problem der Kohlenstoff-Flotation auszu schalten.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von sphärolithischem Gusseisen, das sich dadurch auszeichnet, dass man die Sphärolithenzahl und -form verbessert und andererseits die Menge an degenerier ten Graphitformen vermindert, indem man einer Eisenschmelze, die mindestens eines der Elemente Aluminium, Titan und
Cer enthält, Antimon, Wismut, Blei, Germanium, Zinn, Ar sen oder eine Mischung aus zwei oder mehreren dieser Bestandteile in Form der Metalle oder Oxide oder als Salze in einer solchen Menge zugibt, dass der Gesamtgehalt an die sen Elementen 10 bis 75 o/o des Summengehaltes der Eisen schmelze an den Elementen Aluminium, Titan und Cer ausmacht.
Die beim erfindungsgemässen Verfahren verwendete Ei senschmelze, der die erwähnten Elemente, deren Oxide oder deren Oxiden oder Salzen, insbesondere Blei und/oder Ger Elemente Aluminium, Titan oder Cer oder eine Mischung aus
2 oder 3 dieser Elemente enthalten, wobei dann die Zugabe der Metalle Antimon, Wismut, Blei, Germanium, Zinn, Arsen oder einer Mischung aus 2 oder mehreren dieser Metalle oder deren Salze in einer solchen Menge zu erfolgen hat, dass der Gesamtgehalt an diesen Elementen 10 bis 75 0/0 des Summengehaltes der Eisenschmelze an Aluminium, Titan und Cer ausmacht.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Ver fahrens können also ohne weiteres auch Eisenschmelzen her angezogen werden, die nur eines der Elemente Aluminium,
Titan oder Cer enthalten, wesentlich ist in jedem Fall die richtige Zugabemenge an den oben genannten Metallen oder deren Oxiden oder Salzen, insbesondere Blei und/oder Ger mamum.
Bei einer speziellen Ausführungsart des erfindungsgemäs sen Verfahrens werden der Eisenschmelze Blei und/oder Ger manium entweder in Form der Metalle oder als Oxide oder Salze in einer solchen Menge zugegeben, dass die Gesamtmenge an diesen Elementen 0,002 bis 0,05 Gew.-O/o, insbesondere 0,002 bis 0,02 Gew.-0/0, beträgt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart des erfindungsgemässen Verfahrens stellt einen Grossteil oder die Gesamtmenge der zugegebenen Bestandteile Blei und/oder Germanium dar.
Des weiteren betrifft die Erfindung ein nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestelltes sphärolithisches Gusseisen mit verbesserter Sphärolithenzahl und -form, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es mindestens eines der Elemente Blei, Germanium, Wismut, Arsen, Antimon oder Zinn enthält, wobei die Summe der Gehalte an diesen Elementen 10 bis 75 Gew.- /0 des Summengehaltes des Gusseisens an den Elementen Aluminium, Titan und Cer ausmacht. In derZeichnung sind sowohl Mikrophotogramme von nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestelltem sphärolitischem Gusseisen als auch eines nach einem bisher bekannten Verfahren hergestellten sphärolithischen Gusseisens wiedergegeben. Ferner ist auch ein Zustandsdiagramm eines Eisens veranschaulicht.
Im einzelnen veranschaulichen die Fig. 1 bis 7 das Folgende:
Fig. 1 ein Mikrophotogamm, Vergrösserung 100fach, der Struktur eines bekannten sphärolithischen Gusseisens mit üblicher Graphitausbildung;
Fig. 2 ein Mikrophotogramm einer solchen Graphitausscheidung in 600facher Vergrösserung;
Fig. 3 ein Mikrophotogramm mit 100facher Vergrösserung des gleichen sphärolithischen Gusseisens, welches jedoch zusätzlich Blei enthält;
Fig. 4 ein Mikrophotogramm, 100fache Vergrösserung, des Eisens gemäss Fig. 2, dem man Germanium zugesetzt hat;
Fig. 5 ein Mikrophotogramm, 100fache Vergrösserung eines sphärolithischen Gusseisens, welches 0,056 o/o Aluminium als Störelement enthält;
Fig. 6 ein Mikrophotogramm mit 100facher Vergrösserung des Gusseisens gemäss Fig. 5, dem man 0,02 O/o Blei zugegeben hat, und
Fig. 7 ein Zustandsdiagramm eines Eisens mit 2 o/o Silicium, wobei auf der Abszisse der Kohlenstoffgehalt in Prozent und auf der Ordinate die Temperatur in C aufgetragen ist, und in welches man den Schmelzpunkt der Oxide mehrerer Elemente eingetragen hat, die sich in sphärolithischem Gusseisen finden oder diesem als Spurenelemente beigegeben werden.
Die Wirkung sogenannter Störelemente, oft auch schädliche Elemente genannt, auf die Form der Graphitausscheidung in Kugelgraphitguss ist schon so lange bekannt, als man gefunden hat, dass die Zugabe bestimmter Elemente wie Magnesium, Cer, Calcium, Yttrium und andere zu Gusseisen in bestimmten Mengen zum Auftreten der Graphitausscheidung in sphärolithischer Form in derartigen Gusseisen führen. Die Herstellung von sphärolithischem Gusseisen ist in den vergangenen 20 Jahren der Gegenstand zahlreicher Patente und
Patentanmeldungen gewesen.
Man weiss, dass die genaue Form der Ausscheidungen, Abwesenheit von degeneriertem Graphit und die Grösse der
Ausscheidungen, d. h. die Ausscheidungszahl, von sehr vielen
Faktoren abhängt, beispielsweise dem Kohlenstoffäquiva lent der Schmelze, der Abkühlungsgeschwindigkeit des Guss eisens, der Gegenwart oder Abwesenheit bestimmter Störele mente und dem Abkühlungswert oder der Graphitierungs fähigkeit der Schmelze. Beispielsweise scheiden sich aus einer Schmelze mit hohem anfänglichem Abkühlungswert im allgemeinen grössere Graphitteilchen aus, die weniger zahl reich sind und schlechtere Form haben als aus einer Schmel ze mit einem- niedrigeren Abkühlungswert.
Die wanderung des Abkühlungswertes der Schmelze auf einen niedrigeren Wert, beispielsweise durch spätere Zugabe von Silicium (entweder vor oder nach dem Zusatz des für den Kugelgraphit wirksamen Elements), erhöht im allgemeinen die Ausscheidungszahl und verbessert die Teilchenform. In ähnlicher Weise führt eine Schmelze mit einem höheren Kohlenstoffäquivalent, beispielsweise eine hyper-eutektische Zusammensetzung, zu einer besseren Ausscheidungszahl und verbesserter Form als ein Bad mit einer hypereutektischen Zusammensetzung.
Es wurdeweiterhln festgestellt, dass hyper-eutektische Schmelzen im allgemeinen dazu neigen, einen Guss mit stärkerer Kohlenstoffflotation als hypo-eutektische Schmelzen unter den gleichen Bedingungen zu liefern.
Es war ausgesprochen überraschend, dass die beim erfindungsgemässen Verfahren zugesetzten Bestandteile schon in sehr kleinen Mengen den vorher beschriebenen Einfluss der Zusammensetzung und des Abkühlungswertes der Eisenschmelze maskieren oder neutralisieren können.
Es ist bekannt, dass bestimmte Elemente, insbesondere Titan, Blei, Aluminium u. a. starke Störfaktoren darstellen, die zu degenerierter Graphitform führen, insbesondere in schweren, langsam abkühlenden Gussstücken. Man ist daher dazu übergegangen, den Elementen, welche den Kugelgraphitguss bilden, Cer beizugeben. Dieses Metall kann zu einer beliebigen Zeit zugegeben werden, ist jedoch in einem späteren Zeitpunkt besonders wirksam.
Andere Elemente, wie Zinn, Arsen, Wismut, Antimon u. a. führen unter bestimmten Bedingungen zur Verbesserung der Ausscheidungszahl und der Form der Graphitteilchen. Bei Zugabe in zu grossen Mengen ändert sich jedoch deren Wirksamkeit, und die Graphitteilchen werden degeneriert. Wismut beispielsweise, welches die Ausscheidungszahl verbessert, muss in Verbindung mit Cer angewendet werden, um die Produktion degenerierter Teilchen zu vermeiden.
Bezüglich der genauen Mengen, in denen man diese verschiedenen Elemente zugeben soll, und die unter gewissen Bedingungen nützlich, unter anderen jedoch schädlich sind, herrscht eine beträchtliche Verwirrung. Diese Verwirrung gründet sich einesteils auf die grosse Anzahl derartiger Elemente, die eine bestimmte Wirkung ausüben können, auf die Schwierigkeit der genauen chemischen Bestimmung dieser Elemente, den kumulativen Effekt verschiedener Kombinationen dieser Elemente, wobei sich eine additive oder eine subtraktive Wirkung ergeben kann, und im allgemeinen auf das Fehlen einer genauen Kenntnis des Mechanismus, nach dem bei der Abkühlung Graphit in sphärolithischer Form auftritt.
Beispielsweise wird das Cer von vielen Fachleuten als ein schädliches Element angesehen, wogegen die gleiche Anzahl an erfahrenen Metallurgen es als ein Element ansieht, welches nützlich ist, weil es schädliche Effekte anderer Elemente neutralisiert.
Die Wahrheit liegt zwischen diesen Extremen. Unter bestimmten Bedingungen hat Cer in kleinen Mengen günstige Auswirkung, und in grösseren Mengen und unter anderen Bedingungen kann es degenerierte Graphitformen erzeugen.
Das gleiche Verhalten kann man dem Element Magnesium zuschreiben, welches zur Erzeugung von Kugelgraphit zugesetzt wird. Kleine Mengen an Magnesium erzeugen keine vollständig sphärolithischen Strukturen.
Man nimmt allgemein an, dass die Gegenwart von mindestens 0,03 bis 0,04 o/o Magnesium zur Erzeugung vollständig sphärolithischer Strukturen erforderlich ist. Unter anderen Bedingungen kommt man jedoch mit 0,05 bis 0,1 o/o Magnesium vollständig aus. Unter bestimmten Bedingungen erzeugen andererseits grössere Mengen an Magnesium, beispielsweise etwa 0,08 o/o oder darüber, weniger perfekte Graphitformen.
Im allgemeinen üben die bekannten Störelemente unter bestimmten Bedingungen einen günstigen Einfluss in kleinen Mengen und einen ungünstigen Einfluss in grösseren Mengen aus; die Vorhersage des Vehaltens dieser Spurenelemente unter bestimmten, gegebenen Bedingungen ist eine ausserordentlich schwierige, wenn nicht unmögliche Aufgabe.
Während man einen allgemeinen qualitativen Effekt vorhersagen kann, ist es beim jetzigen Stand der Technik noch nicht möglich, irgendwelche quantitative Vorhersagen zu machen.
Es ist als ausgesprochen überraschend zu bezeichnen, dass die beim erfindungsgemässen Verfahren zugesetzten Elemente mit niedrigem Schmelzpunkt, nämlich Antimon, Wismut, Blei, Germanium, Zinn und Arsen und von diesen insbesondere Blei und Germanium bei der Zugabe zu sphärolithischem Gusseisen eine Erhöhung der Ausscheidungszahl und eine Verbesserung der Graphitausscheidung verursachen.
Diese Feststellung ist deshalb so überraschend, denn bis jetzt ist wenig oder fast nichts über das Verhalten von Germanium in Gusseisen bekannt geworden, und man hat ausserdem bis jetzt Blei stets als ein sehr schädliches Element angesehen, da dessen Anwesenheit zur Ausbildung degenerierter Graphitstrukturen im Kugelgraphitguss führte. Aus diesen Gründen war bisher stets die Verwendung von Cer in Gusseisen vorgeschlagen worden, um die schädlichen Auswirkungen des Bleis zu neutralisieren. Um so überraschender ist, dass nunmehr gefunden wurde, dass gerade das Gegenteil richtig ist, und dass nach dem erfindungsgemässen Verfahren Blei zur Schmelze des sphärolithischen Gusseisens zugegeben werden kann, um die schädlichen Auswirkungen des in der Schmelze enthaltenen Cers zu neutralisieren.
Neben den beim erfindungsgemässen Verfahren zugesetzten Elementen können gegebenenfalls zusätzlich noch Selen und gewisse andere Materialien beigegeben werden, die unter bestimmten Herstellungsbedingungen die Wirksamkeit des beim erfindungsgemässen Verfahren bevorzugt zugesetzten Bleis und Germaniums erhöhen können.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist es nicht nötig, die eingeführten Materialien als solche zuzusetzen, sondern es können auch deren Oxide oder Salze, insbesondere die Silikate zugegeben werden. Unter manchen Bedingungen sind jedoch die Salze nicht so wirksam wie die Elemente selbst.
Beim erfindungsgemässen Verfahren wird die Zugabe von Germanium und/oder Blei deshalb bevorzugt, weil diese Zusätze die wirksamste Verbesserung der Ausscheidungszahl hervorrufen, und zwar bereits dann, wenn sie in Mengen von 0,002 bis 0,02 Gew.-O/o, bezogen auf das Gewicht des in Gusseisen enthaltenen Eisens, zugesetzt werden. Das erfindungsgemässe Verfahren ist jedoch nicht auf die Anwendung dieses Konzentrationsbereiches beschränkt, weil gegebenenfalls in der Schmelze ein gewisser Verlust bei den zugesetzten Materialien auftreten kann und es schwierig ist, die Elemente im Endprodukt mit ausreichender Genauigkeit chemisch zu bestimmen. Unter bestimmten Bedingungen können ausserdem noch geringere Mengen an Blei oder Germanium wirksam sein und es sind andere Verfahrensbedingungen denkbar, bei denen grössere Mengen immer noch wirksam sind.
Weil noch viele der anderen Spurenelemente die Wirksamkeit von Blei oder Germanium steigern oder auch herabsetzen können, ist verständlich, dass eine genaue Angabe des Zusatzes von Blei oder Germanium, einzeln oder zusammen, sehr schwie rigist.
Es ist nicht mit Genauigkeit bekannt, warum Blei oder Germanium die Ausscheidungszahl und die Form der Ausscheidungen so bedeutend verbessern, es wird jedoch angenommen, dass diese Elemente niedrig schmelzende Einschlüs se oder Verbindungen bilden, und es scheint wichtig zu sein, dass diese Elemente im Periodensystem nahe beieinander stehen. Es konnte jedoch eine Arbeitstheorie entwickelt werden, die den Mechanismus der Erfindung erklärt, und es war möglich, demgemäss die Verwendung einer grossen Anzahl von Elementen anzugeben und die Technik bedeutend zu bereichern. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Theorie beschränkt.
Es besteht keine allgemein annehmbare Theorie über die Art der Bildung von Kugelgraphit bei der Verfestigung von Gusseisen, dem man bestimmte Mengen an Agenzien zugesetzt hat, die die Sphärolithisierung bewirken. Man nimmt allgemein an, dass sich Kugelgraphit auf einem Kern abscheidet, beispielsweise Magnesiumsilicid, wenn man Magnesium zur Schmelze gegeben hat, und dass die Verfestigung, mit Ausnahme hyper-eutektischer Ausscheidungen, mit der Kristallisation von Austenit und Sphärolithen beginnt, wobei der Austenit die Sphärolithen umgibt und wobei die Sphärolithen durch Wanderung von Kohlenstoff vom Austenit zum Graphitsphärolithen wachsen. Die Abwesenheit anderer bekannter Kerne, beispielsweise Mangansulfid, ist zur Bildung von Kugelgraphit essentiell, und daher muss man den Schwefelgehalt auf sehr geringe Werte bringen, bevor eine Sphärolithenbildung einsetzen kann.
Wie bei jeder Verfestigung eines geschmolzenen Metalls ist auch hier die Gegenwart oder Abwesenheit bestimmter Kristallisationskerne in der Schmelze ein wesentliches Erfordernis der Kristallisation. In Abwesenheit von Kernen, die eine Unterkühlung mit schneller und gleichzeitiger Kristallisation von Graphit und Austenit verhindern, hängt die Grösse und Form der Sphärolithen hauptsächlich von der Zahl der Kerne und der linearen Kristallisationsgeschwindigkeit ab. Bei Anwesenheit sehr vieler Kerne sind die entstehenden Sphärolithen ausserordentlich klein, und bei einer hohen linearen Kristallisationsgeschwindigkeit besteht die Neigung zur Ausbildung der perfekten Kügelchen.
Wenn sich in der Schmelze andere Kerne, üblicherweise in Form von Inklusionen, befinden, können diese das sehr labile Gleichgewicht stark beeinflussen, welches zur Bildung der Graphitsphärolithen notwendig ist, und auch wenn sie diese Bildung nicht völlig unterdrücken, können sie trotzdem die Anzahl der Kerne und die lineare Kristallisationsgeschwindigkeit beeinflussen, und zwar soweit, dass die Sphärolithen weniger zahlreich sind und sich nur unvollständig und ungleichförmig ausbilden oder sich so langsam bilden, dass sie zum Schwimmen auf der Schmelze neigen und eine starke Abtrennung verursachen, die als Kohlenstoff-Flotation bekannt ist.
Die genaue Bestimmung der Zusammensetzung der bekannten Einschlüsse in Gusseisen ist ganz ausserordentlich schwierig. In erster Linie lassen sich die allgemeinen Gesetze über chemische Wechselwirkungen nicht immer bei den hohen Temperaturen anwenden, die im geschmolzenen Gusseisen auftreten, welches den Prozess der Verfestigung durchmacht. Man nimmt allgemein an, dass diese Inklusionen in Form der Oxide, Silikate, Sulfide und Nitride verschiedener Elemente vorliegen, genauer gesagt, als Komplexe von Oxiden und Sulfiden, Es ist weiterhin bekannt, dass diese Komplexe hohe Schmelzpunkte haben und im flüssigen Gusseisen unlöslich sind, wodurch sie sich vor der Verfestigung abscheiden, oder sie haben niedrige Schmelzpunkte und sind löslich oder mischbar mit flüssigem Gusseisen.
Ihre Bildungstemperatur und relative Löslichkeit in der Schmelze beeinflusst in grossem Masse ihre allgemeine Auswirkung auf die Verfestigung und ihren Effekt auf die Fällung sphärolithischen Graphites aus der Schmelze.
In den meisten Fällen sind die Silikatkomplexe des Mangans, Aluminiums und Titans im Gusseisen anwesend, und es wird angenommen, dass sie den grössten Einfluss bei der Verfestigung ausüben. Für den Silikat-Sulfid-Komplex des Mangans ist es beispielsweise bekannt, dass entweder die Entfernung des Schwefels oder des Mangans die Bildung von sphärolithischem Graphit herbeiführt oder, was genauer ist, die Bildung von Flockengraphit unmöglich macht Im Falle der Titan-Komplexe ist es bekannt, dass die Gegenwart von Titan zur Bildung des unterkühlten Graphits der Struktur D führt und nicht zu gewöhnlichem Flockengraphit.
Die Rolle der Aluminium- oder Tonerdekomplexe ist noch nicht so gut bekannt, jedoch da die meisten feuerfesten Stoffe, Ferrolegierungen und Impfmittel Aluminium enthalten, ist es ansser- ordentlich schwierig, eine Schmelze zu erzeugen, die keine Tonerdekomplexe und andere, aluminiumhaltige Inklusionen aufweist.
Bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wurde gefunden, dass bei hochreinen Schmelzen insbesondere Elemente, die gewöhnlich noch anwesend sind und hochschmelzende Inklusionen bilden, beispielsweise Aluminium, Cer und Titan, auch Magnesium in höheren Mengen, zur Ausbildung schlechterer und degenerierter Graphitformen neigen.
In Fig. 7 ist zum Vergleich der Schmelzpunkt der Oxide bestimmter Elemente angegeben, da bezüglich des Schmelzpunktes der Zusammensetzung, der Löslichkeit und der Stabilität von Silikaten oder Silikat-Sulfid-Komplexen dieser Elemente nur sehr wenige Werte verfügbar sind. Dabei wurde von der allgemeinen Annahme ausgegangen, dass Ele mente mit hohem Schmelzpunkt ihrer Oxide hochschmelzende Silikate oder Silikatkomplexe bilden. Dabei ist aber selbstverständlich, dass bei einer Elementkombination der genaue Schmelzpunkt nur eine Vermutung darstellt, und dass alle keramischen Kombinationen eutektische Gemische mit niedrigeren Schmelzpunkten bilden.
Andererseits wurde gefunden, dass Elemente mit niedriger schmelzenden Oxiden und auch niedriger schmelzenden Silikaten und Silikatkomplexen zur Bildung von kleineren und perfekteren sphärolithischen Graphitteilchen günstig sind, obschon diese Elemente als solche nicht direkt zur Ausbildung von Sphärolithen führen. Es wird weiter angenommen, dass die Elemente mit niedriger schmelzenden Oxiden die Neigung besitzen, sich mit den Elementen zu verbinden, die höher schmelzende Komplexe bilden und deren Neigung zur Herstellung schlechterer Sphärolithen bekannt ist, und durch Erniedrigung des Gesamtschmelzpunktes diese Elemente unwirksam machen und vielleicht auch die Löslichkeit dieser Komplexe in der Schmelze erhöhen.
Daher war es möglich, Elemente wie Blei zur Vermeidung der schädlichen Wirkungen des Aluminiums zu verwenden, vgl. Fig. 6 und Fig. 5. Es wird angenommen, dass das Blei zusammen mit dem Aluminium einen niedrig schmelzenden Silikatkomplex bildet, wodurch eine mögliche Auswirkung auf die Kristallisation von sphärolithischem Graphit ausgeschaltet wird. Es ist weiterhin vernünftig anzunehmen, dass überschüssige Mengen an Blei oder anderen Elementen, die niedrig schmelzende Komplexe oder Inklusionen bilden, mit dem im Kugelgraphitgusseisen anwesenden Magne sium reagieren, welches Kerne von Magnesiumsilikat bildet, und dann die Wirksamkeit des Magnesiums neutralisieren.
Im erfindungsgemässen Verfahren hat die Zugabe von kleinen Mengen der genannten Elemente, deren Oxide oder Salze bei Temperaturen unterhalb des Liquidus-Solidus-Bereiches von Kugelgraphitgussschmelzen die Wirkung in Richtung einer Verbesserung der Sphärolith-Struktur. Die Wirkung der Zugabe dieser Elemente und anderer Elemente ist in Fig. 7 veranschaulicht. Andererseits führt die Gegenwart von Elementen, deren Oxide weit oberhalb des Liquidus Solidus-Bereiches schmelzen, z.
B. der in Fig. 7 gezeigten Ele mente Aluminium, Titan und Cer zur Degenerierung der Graphitausscheidungen, und diese Tendenz zur Erzeugung degenerierter Formen kann durch die vorsichtige Zugabe von Elementen, deren Oxide einen Schmelzpunkt stark unterhalb des Liquidus-Solidus-Bereiches von Kugelgraphitguss haben, nämlich von Antimon, Wismut, Blei, Germanium, Zinn, Arsen oder eine Mischung aus zwei oder mehreren dieser Bestandteile, beseitigt werden.
Bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird die angeführte Menge eines der genannten Elemente, ihrer Oxide oder Salze, beispielsweise Blei, der Schmelze zugesetzt, um die Menge eines Elementes mit hochschmelzendem Oxid, beispielsweise Aluminium, zu neutralisieren, welches in der Schmelze anwesend sein kann; wenn beispielsweise Aluminium in Mengen von 0,05 o/o in der Schmelze anwesend ist, so wird dieser zwischen 10 ovo und 75 /0 der angegebenen Menge an Blei zugesetzt. Wenn Titan, Blei und Cer anwesend sind, so wird die Summe ihrer Konzentrationen zur Bestimmung der zuzugebenden Menge an Blei zugrunde gelegt. Wenn andererseits Elemente wie Arsen, Antimon, Wismut und Zinn anwesend sind, die niedrig schmelzende Oxide bilden, so wird deren Menge von der zuzugebenden Bleimenge abgezogen.
Beispiel
Es wurde eine Gusseisenschmelze hergestellt, die 0,02 o/o Titan und 0,03 o/o Aluminium enthielt. Die Schmelze enthielt weiterhin 0,005 o/o Arsen, 0,001 ovo Blei und 0,002 o/o Zinn. Zu einem Teil der Schmelze wurde eine Magnesium-Silicium Legierung zugegeben, bis der Gehalt dieses Teiles der Schmelze an Magnesium 0,04 o/o betrug. Es wurde gefunden, dass ein gegossener Stab aus dieser Schmelze etwa 80 o/o sphärolithischen Graphit und etwa 20 o/o degenerierten sphärolithischen Graphit enthielt, wobei etwa die Hälfte dieses degenerierten Graphites in Form einer explodierten hyper-eutektischen Graphitstruktur vorlag.
Da der Gesamtgehalt an Elementen mit hochschmelzenden Oxiden 0,02 + 0,03 = 0,05 o/o und die Summe der Elemente mit niedrigschmelzenden Oxiden 0,005 + 0,001+0,002 = 0,008 O/o betrug, so ergab sich der Überschuss an Elementen mit hochschmelzenden Oxiden zu 0,05 minus 0,008 = 0,042 O!o. Demgemäss wurden 50 o/o dieses Wertes, d. h. 0,021 /o, an Blei zur Schmelze gegeben und dann die Magnesium-Silicium Legierung zugegeben, bis der Gehalt an Magnesium 0,04 o/o betrug. Aus diesem zweiten Teil der Schmelze wurde ein zweiter Versuchsstab gegossen.
Es wurde nun gefunden, dass dessen Struktur zu 100 o/o aus kleinen, perfekten Sphärolithen bestand, und dass praktisch kein degenerierter Graphit und keine explodierten graphitischen Sphärolithen anwesend waren.
Andere Elemente mit niedrig schmelzenden Oxiden und Oxidkomplexen, wie Kupfer und Molybdän, wirken zwar in ähnlicher Weise wie die beim erfindungsgemässen Verfahren zugegebenen Elemente, sie sind jedoch im allgemeinen schwierig quantitativ zu bestimmen und demgemäss werden sie beim erfindungsgemässen Verfahren nicht oder höchstens zusätzlich zu den genannten Elementen, beispielsweise Blei oder Germanium, eingesetzt. Die Elemente Wismut, Antimon und Arsen verhindern wirksam die Bildung degenerierter Graphitstrukturen durch die hochschmelzenden Oxide. Da aber Blei und Germanium die Ausscheidungszahl stark erhöhen und Wismut nur zusammen mit Cer vollständig wirksam ist, werden vorzugsweise nur Blei und Germanium beim erfindungsgemässen Verfahren verwendet.
Wegen der schwierigen genauen chemischen Bestimmung der verschiedenen Spurenelemente wird die Zugabe der erwähnten Elemente im allgemeinen durch einen Versuch bestimmt. Dabei wird einer vorgegebenen Schmelze so viel Magnesium zugegeben, dass diese 0,04 o/o Mg enthält, worauf man einen Versuchsstab giesst, der entweder 25 oder 75 mm Durchmesser hat, was vom mittleren Querschnitt des zu giessenden Stücks abhängt. Dann wird dieser Versuchsstab auf Ausscheidungszahl und die Anwesenheit von degeneriertem Graphit geprüft. Je nach dem Resultat dieser Prüfung wird Blei oder Germanium zur Schmelze zugegeben, wobei man sich in der Hauptsache auf die Menge von Aluminium und Titan in der Schmelze stützt.
Dann giesst man einen zweiten Versuchs stab und prüft dessen Struktur. Auf dieser Grundlage wird die minimale Zugabe an Blei oder Germanium ermittelt, die vollständig wirksam ist, ohne einen Überschuss darzustellen. Diese Versuchsergebnisse können dann später unter ähnlichen Bedingungen wieder verwendet werden.
Es wird vorgezogen, stets vom Blei und Germanium so wenig wie möglich zuzugeben. Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass man von vornherein den Aluminiumoder Titangehalt der Schmelze möglichst stark verringert.
Wenn man die Wahl zwischen der Zugabe von Blei oder Germanium hat, so wird Blei wegen seines niedrigeren Preises vorgezogen. Wenn jedoch eine eher ferritische Struktur erwünscht ist, soll Germanium verwendet werden. Es wurde nämlich gefunden, dass Germanium die Ausbildung der ferritischen Struktur begünstigt.
PATENTANSPRUCH I
Verfahren zur Herstellung von sphärolithischem Gusseisen, dadurch gekennzeichnet, dass man die Sphärolithenzahl und -form verbessert und andererseits die Menge an degenerierten Graphitformen vermindert, indem man einer Eisenschmelze, die mindestens eines der Elemente Aluminium, Titan und Cer enthält, Antimon, Wismut, Blei, Germanium, Zinn, Arsen oder eine Mischung aus zwei oder mehreren dieser Bestandteile in Form der Metalle oder Oxide oder als Salze in einer solchen Menge zugibt, dass der Gesamtgehalt an diesen Elementen 10 bis 75 o/o des Summengehaltes der Eisenschmelze an den Elementen Aluminium, Titan und Cer ausmacht.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man der Eisenschmelze Blei und/oder Germanium, entweder in Form der Metalle oder als Salze in einer solchen Menge zugibt, dass die Gesamtmenge an diesen Elementen 0,002 bis 0,05 Gew.-o/o, bezogen auf das Gewicht der Gusseisenschmelze, beträgt.
2. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man 0,002 bis 0,02 Gew.-O/o an Blei und/oder Germanium, bezogen auf das Gewicht der Gusseisenschmelze, zusetzt.
PATENTANSPRUCH II
Nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch I hergestelltes sphärolithisches Gusseisen mit verbesserter Sphärolithenzahl und -form, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eines der Elemente Blei, Germanium, Wismut, Arsen, Antimon oder Zinn enthält, wobei die Summe der Gehalte an diesen Elementen 10 bis 75 Gew.-O/o des Summengehaltes des Gusseisens an den Elementen Aluminium, Titan und Cer ausmacht.
UNTERANSPRÜ