DE19953262A1 - Production of cast iron products containing spherical graphite from a melt used for vehicle parts comprises reproducing and actively controlling the seed formation ratios - Google Patents
Production of cast iron products containing spherical graphite from a melt used for vehicle parts comprises reproducing and actively controlling the seed formation ratiosInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kugelgraphit enthaltenden Gusseisenprodukten einer hohen Reinheit aus einer Schmelze mit einer niedrigen Keimbildnerkonzentration. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for producing spheroidal graphite containing cast iron products of high purity from a melt a low nucleating agent concentration. The invention also relates to a device for performing the method.
Vor allem im Kraftfahrzeugbau werden an den verschiedenen Bauteilen hohe Ansprüche in bezug auf Festigkeit und Sicherheit gestellt. Aus Gründen des Umweltschutzes werden ein möglichst niedriges Fahrzeuggewicht und eine möglichst lange Lebensdauer gewünscht. Dies gilt insbesondere auch für die Bauteile, die aus Gusseisen hergestellt werden, wie beispielsweise die Nockenwelle, der Radträger oder die Sattelkupplung. Für den Fahrzeugbau werden zunehmend Gusseisenprodukte mit Kugelgraphit verlangt, weil das Gusseisen mit einer Struktur mit Kugelgraphit sich durch mechanische Eigenschaften auszeichnet, die den mechanischen Eigenschaften von Stahlguss sehr nahe kommen. Weil Gusseisen im Fahrzeug die Komponente mit dem höchsten spezifischen Gewicht ist, hat eine Gewichtseinsparung bei den Gusseisenprodukten einen grossen Einfluss auf dem Fahrzeuggewicht und hiermit zusammenhängend auf dem Treibstoffverbrauch.Especially in motor vehicle construction, the various components are high Requirements in terms of strength and security. For the sake of Environmental protection are the lowest possible vehicle weight and one longest possible lifespan desired. This applies in particular to the Components made of cast iron, such as the Camshaft, the wheel carrier or the fifth wheel coupling. For vehicle construction Spheroidal graphite cast iron products are increasingly requested because of that Cast iron with a nodular structure distinguished by mechanical Characteristics that characterize the mechanical properties of cast steel come very close. Because cast iron in the vehicle is the component with the highest specific weight, has a weight saving in the Cast iron products have a major impact on vehicle weight and hereby contiguous on fuel consumption.
Aus der US 5098651 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit bekannt. In einem Konverter, ein Behandlungsgefäss für die Gusseisenschmelze, wird in einem Gefässabteil, das von aussen zugänglich ist und über Öffnungen in der Abteilwand in Kontakt mit dem übrigen Behandlungsgefäss steht, Magnesium eingebracht. Wenn der Konverter von einer horizontalen Lage, die eingenommen wurde um das Magnesium einzubringen, in einer vertikalen Lage gebracht wird, wird das Magnesium vom Gusseisen benetzt und unter Erzeugung von Reaktionswärme aufgelöst. Die Reaktion mit Magnesium bewirkt folgendes. Aus den nicht-metallischen Bestandteilen der Schmelze entstehen mineralische Verbindungen, bestehend aus Oxiden, Sulfiden, Silikaten und andere mineralische Magnesiumverbindungen. Durch den Dampfdruck des Magnesiums wird die Schmelze in einer intensiven Bewegung versetzt. Die mineralischen Verbindungen koagulieren, agglomerieren und schwimmen, aufgrund des niedrigeren spezifischen Gewichtes, an der Badoberfläche auf. Von der Badoberfläche können die so gebildeten Schlacken durch Dekantieren oder Abschöpfen entfernt werden.From US 5098651 a method and an apparatus for the production of Spheroidal graphite cast iron known. In a converter, a treatment vessel for the cast iron melt, is in a vessel compartment, which is from the outside is accessible and through openings in the compartment wall in contact with the rest Treatment vessel stands, magnesium introduced. If the converter from one horizontal position, which was taken up to introduce the magnesium, in placed in a vertical position, the magnesium is wetted by the cast iron and dissolved to generate heat of reaction. The reaction with Magnesium does the following. From the non-metallic components of the Melt mineral compounds consisting of oxides, sulfides, Silicates and other mineral magnesium compounds. By the The magnesium's vapor pressure turns the melt in an intense movement transferred. The mineral compounds coagulate, agglomerate and swim due to the lower specific weight at which Bath surface on. The slags formed in this way can be removed from the bath surface be removed by decanting or skimming.
Mit Hilfe dieses Verfahrens wird eine Badzusammensetzung mit einer hohen Reinheit von beispielsweise weniger als 10 ppm gelöstem Sauerstoff und einer niedrigen Keimbildnerkonzentration von beispielsweise weniger als 100 ppm nicht- metallischen Partikeln erreicht. In den nachfolgenden Verfahrensschritten Umgiessen, Impfmittel zugeben und Abgiessen besteht, beispielsweise durch den Kontakt mit der Umgebungsluft, die Gefahr, dass die Reinheit nachteilig beeinträchtigt wird. Durch den Kontakt mit der Umgebungsluft entstehen unkontrollierbare Verhältnisse in bezug auf den Keimbildungszustand. Weil der Keimbildungszustand nicht genau bekannt ist, kann bei der Impfmittelzugabe nicht genau dosiert werden. In dem Unwissen des Keimbildungszustandes wird häufig überdosiert. Dies ist teuer und für die Qualität des Gusseisens nicht vorteilhaft.With the help of this method, a bath composition with a high Purity of, for example, less than 10 ppm dissolved oxygen and one low nucleating agent concentration of, for example, less than 100 ppm non- metallic particles reached. In the subsequent process steps Pour over, add vaccine and pour out, for example by the Contact with the ambient air, the risk that the purity is disadvantageous is affected. By contact with the ambient air uncontrollable conditions with regard to the nucleation state. Because the Nucleation state is not known exactly when adding vaccine be dosed exactly. In the ignorance of the nucleation state is common overdosed. This is expensive and not beneficial for the quality of the cast iron.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die unkontrollierte Verhältnisse der Zusammensetzung der Schmelze ausschliessen und die die optimalen Verhältnisse der Schmelzezusammensetzung, die im Konverter erreicht wurden, bis zum Erstarren des Gusseisenproduktes beibehalten.Based on this prior art, it is an object of the invention to Method and an apparatus to specify the uncontrolled conditions of the Exclude the composition of the melt and the optimal Ratios of the melt composition that were achieved in the converter maintained until the cast iron product solidifies.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Kugelgraphit enthaltenden Gusseisenprodukten einer hohen Reinheit aus einer Schmelze mit einer niedrigen Keimbildnerkonzentration, wobei die Keimbildungsverhältnisse reproduzierbar und aktiv gesteuert werden können. Diese Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei Inertgas in einer Schutzhaube oder in einer geschlossenen Rohrleitung im Gegenstrom zum Giessstrahl zugeführt wird.This object is achieved by a method for producing spheroidal graphite containing cast iron products of high purity from a melt a low nucleation concentration, with the nucleation ratios can be reproducibly and actively controlled. This task too solved by a device for performing the method, wherein inert gas in a protective hood or in a closed pipe in counterflow to the Pouring stream is supplied.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Preferred developments of the invention result from the dependent ones Claims.
Es ist von Vorteil, dass in allen Verfahrensschritten die Keimbildungsverhältnisse reproduzierbar gesteuert werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass das Verfahren zumindest die Verfahrensschritte Agglomeration der anorganischen Mineralien im geschlossenen Konverter durch Reaktion mit reinem metallischen Magnesium, Umgiessen unter Ausschluss von Sauerstoff, Impfmittelzugabe unter Ausschluss von Sauerstoff und Abgiessen in die Form unter Ausschluss von Sauerstoff, umfasst.It is advantageous that the nucleation ratios in all process steps can be controlled reproducibly. This is achieved in that the Process at least the process steps agglomeration of the inorganic Minerals in the closed converter by reaction with pure metallic Magnesium, pouring under the exclusion of oxygen, vaccine addition under Exclusion of oxygen and pouring into the mold with the exclusion of Oxygen.
Es ist auch von Vorteil, dass die Gusseisenschmelze mit Kugelgraphit, die nach der Behandlung mit Magnesium im Konverter eine reproduzierbare Zusammensetzung aufweist und eine Qualität hat, die zum Giessen von sicherheitsrelevanten Teilen verlangt wird, nicht mehr nachteilig und unkontrolliert verändert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass in den nachfolgenden Verfahrensschritten Umgiessen, Impfmittel zugeben und Abgiessen das Inertgas beispielsweise in einer geschlossenen Rohrleitung im Gegenstrom zum Giessstrahl zugeführt wird.It is also beneficial that the spheroidal graphite cast iron melt, which after treatment with magnesium in the converter is reproducible Has composition and has a quality for casting safety-relevant parts are no longer disadvantageous and uncontrolled can be changed. This is achieved in the following Process steps of casting, adding vaccine and pouring off the inert gas for example in a closed pipeline in counterflow to Pouring stream is supplied.
Die Gusseisenschmelze, die nach der Behandlung mit Magnesium einen sehr niedrigen Sauerstoffgehalt hat, weist damit auch eine sehr hohe Affinität zum Sauerstoff aus der Umgebungsluft auf. Durch die Verhinderung eines unkontrollierbaren Kontaktes mit dem Luftsauerstoff wird verhindert, dass im Giessstrahl neue unkontrollierbare oxidische Einschlüsse gebildet werden. Die mittlere Grösse, die Grössenverteilung und die Anzahl der oxidischen Einschlüssen ist nach der Behandlung mit Magnesium genau bekannt.The cast iron melt, which after treatment with magnesium a very has a low oxygen content, thus also has a very high affinity for Oxygen from the ambient air. By preventing one uncontrollable contact with atmospheric oxygen is prevented in the Pouring stream new uncontrollable oxidic inclusions are formed. The average size, the size distribution and the number of oxidic Inclusions are well known after treatment with magnesium.
Um die Bildung von Kugelgraphit im Kristallgefüge des Gusseisens zu steuern, ist eine Zugabe von Impfmittel notwendig. Das Impfmittel ist eine speziell formulierte Mischung von keimbildenden Elementen und Verbindungen. Mit dem Impfmittel werden auch genau berechenbare Mengen von Sauerstoff und Schwefel, die als Oxiden und als Schwefelverbindungen an den Elementen Al, Si, Ca, Mn, Sr, Zr, La, Ce, Bi gebunden sind, zugegeben. Die Sauerstoff- und Schwefelzugabe ist notwendig, weil die Schmelze nach der Behandlung mit Magnesium sehr arm an Sauerstoff und Schwefel ist und weil in der Schmelze die Keimbildung nur unter Bildung von Oxiden und Schwefelverbindungen abläuft.In order to control the formation of spheroidal graphite in the crystal structure of the cast iron, is an addition of vaccine is necessary. The vaccine is a specially formulated one Mixture of nucleating elements and compounds. With the vaccine are also precisely predictable amounts of oxygen and sulfur, which are considered Oxides and as sulfur compounds on the elements Al, Si, Ca, Mn, Sr, Zr, La, Ce, Bi are added. The oxygen and sulfur addition is necessary because the melt is very poor after treatment with magnesium Oxygen and sulfur is and because nucleation only occurs in the melt Formation of oxides and sulfur compounds takes place.
Der unkontrollierte Zutritt von Sauerstoff aus der Umgebungsluft zum Giessstrahl wird ausgeschlossen durch einen Fluidmantel, der um den Giessstrahl angelegt wird und der aus einem Inertgas, beispielsweise Argon, Stickstoff oder Kohlendioxid, gebildet wird. Hierzu wird der Giessstrahl mit einer Schutzhaube umgeben oder in einer Rohrleitung geführt, die einen Leitungsdurchmesser aufweist, der wesentlich grösser ist als der grösste Durchmesser des Giessstrahles. Im ringförmigen Raum zwischen dem Giessstrahl und der Wand der Rohrleitung wird das Inertgas im Gegenstrom zur Strömungsrichtung des Giessstrahles zugeführt. Um eine gute Verdrängung der Umgebungsluft zu gewährleisten, muss wegen des Dichteunterschiedes, wenn Stickstoff als Inertgas oder Schutzgas verwendet wird, das Inertgas im Gegenstrom zum Giessstrahl zugeführt werden. Die mit diesem Verfahren hergestellten Gusseisenprodukte mit Kugelgraphit weisen eine sehr geringe Streuung der mechanischen Eigenschaften auf.The uncontrolled access of oxygen from the ambient air to the pouring jet is excluded by a fluid jacket that is placed around the pouring stream and which is made of an inert gas, for example argon, nitrogen or Carbon dioxide is formed. For this, the pouring stream is covered with a protective hood surrounded or guided in a pipeline that has a pipe diameter has, which is much larger than the largest diameter of the Pouring stream. In the ring-shaped space between the pouring stream and the wall the pipeline, the inert gas is countercurrent to the flow direction of the Pouring stream fed. To ensure good displacement of the ambient air must ensure because of the difference in density when nitrogen as an inert gas or inert gas is used, the inert gas in countercurrent to the pouring stream be fed. The cast iron products produced by this process with Spheroidal graphite shows very little variation in the mechanical properties on.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.An embodiment of the invention is described below.
In der Tabelle 1 sind die chemischen Analysen einer Kugelgraphit enthaltenden Gusseisenschmelze in den verschiedenen Verfahrensabschnitten einander gegenüber gestellt. Eine im Kupolofen hergestellte Schmelze mit der chemischen Analyse gemäss Spalte 2 wurde im Konverter mit 1,9 kg reinem Magnesium pro Tonne und mit 1 kg Graphit pro Tonne versetzt. Nach der Behandlung im Konverter stellte man in der Schmelze die chemische Analyse gemäss Spalte 3 der Tabelle 1 fest. Das behandelte Eisen wurde dann zum Vergiessen in einem Druckgiessofen umgegossen. Der Ausgussbereich, der Giessstrahl und der Eingussbereich waren dabei von einer Schutzhaube umgeben. Zum Druckgiessofen und zu der Schutzhaube wurde vor und während dem Giessvorgang flüssiger Stickstoff zugeführt, der verdampfte und einen Stickstoffschleier bildete.Table 1 shows the chemical analyzes of a nodular graphite Cast iron melt in the different process sections each other juxtaposed. A melt produced in the cupola furnace with the chemical Analysis according to column 2 was carried out in the converter with 1.9 kg of pure magnesium per Ton and mixed with 1 kg graphite per ton. After treatment in The chemical analysis according to column 3 was made in the melt of Table 1. The treated iron was then cast in one Diecasting furnace cast over. The pouring area, the pouring jet and the The gate area was surrounded by a protective hood. To the Die casting furnace and to the protective hood was before and during the Pouring liquid nitrogen supplied, which evaporated and one Nitrogen veil formed.
Im Druckgiessofen wies die Schmelze eine chemische Analyse gemäss Spalte 4 auf. Da sich die Schmelze im Druckgiessofen dauernd unter Stickstoffatmosphäre befand, wurden keine massgebenden Veränderungen der Zusammensetzung festgestellt, mit Ausnahme des Magnesiumgehaltes, der durch einen sogenannten Ausklingeffekt mit etwa 50 ppm pro Stunde abnimmt. Zur Impfung wurde unter Stickstoffatmosphäre zum Giessstrahl ein Impfmittel, basierend auf Si, Ca, Ce, Zr, S und O zugegeben.In the die casting furnace, the melt underwent a chemical analysis in accordance with column 4 on. Because the melt in the die casting furnace is constantly under a nitrogen atmosphere there were no significant changes in the composition found, with the exception of the magnesium content, which is determined by a so-called Decay effect decreases with about 50 ppm per hour. Vaccination was under Nitrogen atmosphere to the pouring jet a vaccine based on Si, Ca, Ce, Zr, S and O added.
In den nach diesem Verfahren hergestellten Gussstücken mit Wandstärken von 8 bis 20 mm wurden keine Carbide oder Porositäten festgestellt. Die Kugelzahl liegt, je nach Wandstärke, zwischen 350 und 480 Kugeln pro cm2. Im Gussstück stellte man einen Sauerstoffgehalt von 10 bis 12 ppm und einen Schwefelgehalt von 70 ppm fest. Die Resultate wurden in mehreren Tests in engen Grenzen reproduziert. Gussstücke, die im Vergleich hierzu nach dem konventionellen Verfahren hergestellt wurden, zeigten Schwankungen im Sauerstoffgehalt von 10 bis 38 ppm und zeigten eine unterschiedliche und schwankende Gussqualität. No carbides or porosities were found in the castings with a wall thickness of 8 to 20 mm produced by this method. Depending on the wall thickness, the number of balls is between 350 and 480 balls per cm 2 . An oxygen content of 10 to 12 ppm and a sulfur content of 70 ppm were found in the casting. The results were reproduced within several tests within narrow limits. Castings, which were produced in comparison to this by the conventional method, showed fluctuations in the oxygen content of 10 to 38 ppm and showed a different and fluctuating casting quality.
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