CH672604A5

CH672604A5 -

Info

Publication number: CH672604A5
Application number: CH154287A
Authority: CH
Inventors: Helmar Dr-Ing Lindscheid; Diethard Dr Schock
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1987-04-22
Publication date: 1989-12-15
Also published as: DE3713966C1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Erstarrungs- und Abkühlungsbedingungen für Gussstücke aus Gusseisen, insbesondere aus Sphärogusseisen, für die die Schmelze in kalte, d.h. auf Temperaturen unterhalb der eutektoiden Umwandlungstemperatur des Gussstückes gehaltene Formen abgegossen wird, wobei die Abkühlungsgeschwindigkeit durch den Einsatz eines Kühlsteines (Kokille) beschleunigt wird.

Bei der Herstellung von Gussstücken aus Gusseisen, insbesondere aus Sphärogusseisen, ist es üblich, die Abküh-lungs- und Erstarrungsbedingungen in bestimmten Bereichen gesteuert zu beeinflussen, um dem Gussstück bei der Erstarrung die Überhitzungs- und Erstarrungswärme möglichst schnell zu entziehen. Zum einen sollen damit die Erstarrungszeiten bei unterschiedlichen Wanddicken einander angeglichen werden, um Fehler durch Lunker zu vermeiden; zum zweiten wird damit ein feinkörniges Gefüge angestrebt, um die mechanischen Eigenschaften zu beeinflussen.

Der eine Weg dieser Beeinflussung — siehe z.B. DE-PS 32 16 327 — besteht in einer aktiven Kühlung, bei der ein durch Kühlschlangen fliessendes Kühlmittel die zu beeinflussenden Bereiche des Gussstückes bzw. der Schmelze kühlt. Nach Ablauf der Erstarrung kann bei dieser Art der Kühlung die Kühlleistung jedoch nicht beliebig gedrosselt werden, wenn die Kühleinrichtung nicht gefährdet werden soll. Der Bereich der eutektoiden Umwandlung des Gusseisens, der je nach Silizium-Gehalt bekanntlich zwischen 690 und 750 °C Hegt, wird daher ebenfalls mit relativ hoher Abkühlungsgeschwindigkeit «durchlaufen», was statt zu einem erwünschten überwiegend ferritischen Gefüge zu erheblichen Mengen an Perlit führt.

Eine zweite Methode der «gesteuerten» Kühlung einzelner Bereiche eines Gussstückes (siehe z.B. «Taschenbücher für das Giessereiwesen», Band IV «Grauguss» von Heinrich Poetter, Berlin 1954, Seite 82/83) besteht darin, an die zu beeinflussenden Bereiche Kühlsteine (Kokillen) anzulegen, die beispielsweise in die die Schmelze aufnehmende Form eingebracht werden. Üblicherweise bestehen diese Kühlsteine oder Kokillen, die unterschiedliche Grössen und Dicken haben können, aus Graphit oder Eisen. Sie nehmen die ihnen von der Schmelze oder dem Gussstück zufliessende Wärme auf, wobei die Art ihres Werkstoffes und ihr Volumen die Erstarrungsgeschwindigkeit bestimmen, die umso grösser ist, je grösser die Kühlsteine sind. Da die Wärmeaufnahme und -abfuhr eingebauter Kühlsteine nicht beeinflussbar ist, kann jedoch auch bei dieser Kühlmethode der Bereich der eutektoiden Umwandlung mit hoher Geschwindigkeit «durcheilt» werden, was wiederum zu einem vorwiegend perlitischen Gefüge im Gussstück führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlverfahren zu schaffen, bei dem die Abfuhr der Überhitzungs- und Erstarrungswärme beschleunigt erfolgt, die Abkühlung im Bereich der eutektoiden Umwandlung des Gussstückes jedoch verlangsamt ist. Dadurch soll beispielsweise die Ausbildung eines ferritischen Gefüges erreicht werden.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Erstarrung der Gusseisen-Schmelze durch Aufschmelzen eines Bestandteils des Kühlsteines beschleunigt und die Abkühlung im Bereich der eutektoiden Umwandlung durch die beim Wiedererstarren des Kühlsteinbestandteils freiwerdende Erstarrungswärme verzögert werden.

Bei diesem Verfahren nimmt der aufzuschmelzende Bestandteil des Kühlsteines oder der Kokille zunächst bis zu seiner Schmelztemperatur seine spezifische Wärme auf; für sein Aufschmelzen benötigt man seine Schmelzwärme. Ist er dann aufgeschmolzen, so wird er bis zum Temperaturgleichgewicht zwischen ihm und dem Gussstück überhitzt. Durch die zusätzlich aufzubringende Schmelzwärme wird dabei die Erstarrung der Gussstück-Schmelze beschleunigt.

Bei weiterer Abkühlung des Gussstückes erstarrt der aufgeschmolzene Kühlstein-Bestandteil wieder und gibt seine Erstarrungswärme an das Gussstück ab. Da sein Schmelzpunkt mindestens annähernd im Bereich der eutektoiden Umwandlung des Gusswerkstoffes liegt, wird durch die freiwerdende Erstarrungswärme diese eutektoide Umwandlung verzögert, so dass ein weitgehend ferritisches Gefüge entsteht.

Ein Kühlstein zur Durchführung des neuen Verfahrens ist daher dadurch gekennzeichnet, dass er in seiner Umhüllung einen Werkstoff enthält, dessen Schmelzpunkt in einem Temperaturbereich zwischen 650 und 800 °C liegt.

Beispielsweise haben sich für Gussstücke aus Sphärogusseisen als schmelzende Kühlstein-Bestandteile Aluminium oder eine Kupfer/Zinn-Legierung bewährt. Bei einer derartigen Legierung kann der Schmelzpunkt in gewissem Umfang verändert werden, wobei eine Erhöhung des Kupferanteils den Schmelzpunkt erhöht und umgekehrt; für eine Legierung mit etwa 70 Gew.% Kupfer erhält man beispielsweise einen Schmelzpunkt von etwa 750 °C.

Als Umhüllung für diesen Kühlstein-Werkstoff eignen sich vor allem Stoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. Graphit, Grauguss, Stahl oder Kupfer.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch und teilweise im Schnitt ein Gussstück mit daran angesetztem Kühlstein, wobei die beide Teile umgebende Sandform sowie giesstechnisch notwendige Elemente, wie Einguss- und Steigerkanäle, weggelassen worden sind;

Fig. 2 gibt in einem Diagramm die Temperatur-Verläufe in Abhängigkeit von der Zeit wieder, die an verschiedenen Stellen der Anordnung nach Fig. 1 gemessen worden sind.

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Das zu kühlende Gussstück 1 (Fig. 1) hat eine quadratische Grundfläche und steht in direktem Kontakt mit einem Kühlstein 2, der rechteckig ist. Dieser setzt sich zusammen aus einer Graphitumhüllung 3 und einer Aluminium-Füllung 4, die mit ihrem Schmelzpunkt von 660 °C als schmelzender.und erstarrender Bestandteil dient.

Der Kühlstein 2 ist in seiner Grundfläche grösser als das zu kühlende Gussstück 1, um eine mit einem Keramikrohr 5 versehene Expansionsöffnung 6 für die Volumenänderungen beim Aufschmelzen bzw. Erstarren der Aluminium-Füllung 4 zu schaffen; gleichzeitig stellt die Expansionsöffnung 6 eine optimale Füllung der Graphit-Umhüllung 3 sicher.

Die beschriebene Anordnung ist für den Abguss des Ver-suchs-Gussstückes 1 in furanharzgebundenem Formsand geformt worden, der diese Anordnung in gleichmässiger Schichtdicke umschlossen hat.

Als Gusswerkstoff dient GGG-40 (nach DIN 1693; Werkstoff-Nr. 0.7040), welcher bei einer in der Form gemessenen Giesstemperatur von 1380 °C und einer Giesszeit von 10 sec vergossen worden ist.

Zur Messung der Temperaturverläufe sind im Gussstück 1 und im Kühlstein 2 Keramikrohre 7 bis 9 für die Aufnahme von Thermoelementen (Pt/Rh 10%-Pt) vorgesehen. Das

Element im Rohr 7 erfasst dabei den Temperaturverlauf in der Mitte des Gussstückes 1; dasjenige im Rohr 8 misst die Temperaturen in der Nähe des Randes des Gussstückes 1, während für die Messung der Temperaturen in der Mitte der Aluminium-Füllung 4 ein Thermoelement im Rohr 9 dient.

In Fig. 2 sind die Temperatur-Verlaufe von den einzelnen Messstellen 7 bis 9 — jeweils als Mittelwert aus mehreren Messungen — wiedergegeben, wobei auf der Ordinate dieses Diagramms die Temperatur T in CC und auf der Abszisse die Zeit t in Minuten aufgetragen sind.

Die Kurven 7 und 8 zeigen den zunächst beschleunigten Temperaturabfall in der Gusseisenschmelze und deren rasche Erstarrung. Gleichzeitig wird dabei die Aluminium-Füllung 4 aufgeheizt, aufgeschmolzen und auf eine maximale Temperatur von etwa 800 °C überhitzt. Nach Erreichen dieser maximalen Temperatur beginnt auch für die Alumini-um-Füllung 4 eine Abkühlung, wobei nach etwa 180 Minuten die Erstarrung des Aluminiums beginnt, dessen Erstarrungswärme dem Gussstück 1 zugeführt wird.

Dessen Abkühlung wird dadurch über einen Zeitraum von 1 bis 2 Stunden erheblich verlangsamt, was bei der eutektoiden Umwandlung das gewünschte ferritische Gefüge des Gussstückes 1 ergibt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

672 604 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Steuerung der Erstarrungs- und Abkühlungsbedingungen für Gussstücke aus Gusseisen, insbesondere aus Sphärogusseisen, für die die Schmelze in kalte, auf Temperaturen unterhalb der eutektoiden Umwandlungstemperatur des Gussstückes gehaltene, Formen abgegossen wird, wobei die Abkühlungsgeschwindigkeit durch den Einsatz eines Kühlsteines beschleunigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstarrung der Gusseisen-Schmelze durch Aufschmelzen eines Bestandteils (4) des Kühlsteines (2) beschleunigt und die Abkühlung im Bereich der eutektoiden Umwandlung durch die beim Wiedererstarren dieses Kühlsteinbestandteils (4) freiwerdende Erstarrungswärme verzögert werden.

2. Kühlstein zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in seiner Umhüllung (3) einen Werkstoff als Bestandteil (4) enthalt, dessen Schmelzpunkt in einem Temperaturbereich zwischen 650 und 800 °C liegt.

3. Kühlstein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (3) aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.

4. Kühlstein nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der schmelzende und erstarrende Bestandteil (4) des Kühlsteines (2) Aluminium oder eine Kupfer/Zinn-Legierung ist.