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EP3088537A1 - Production method for hpi cast iron - Google Patents

Production method for hpi cast iron Download PDF

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Publication number
EP3088537A1
EP3088537A1 EP15165216.1A EP15165216A EP3088537A1 EP 3088537 A1 EP3088537 A1 EP 3088537A1 EP 15165216 A EP15165216 A EP 15165216A EP 3088537 A1 EP3088537 A1 EP 3088537A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coolant
cast
core
mold
cast iron
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15165216.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Konrad Weiss
Olof Hilger
Christoph Stratmann
Torsten Rieck
Fabian Goertz
Sabine Tunzini
Werner Menk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rwp GmbH
Simcast GmbH
Georg Fischer GmbH
Original Assignee
Rwp GmbH
Simcast GmbH
Georg Fischer GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rwp GmbH, Simcast GmbH, Georg Fischer GmbH filed Critical Rwp GmbH
Priority to EP15165216.1A priority Critical patent/EP3088537A1/en
Publication of EP3088537A1 publication Critical patent/EP3088537A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/19Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching
    • C21D1/20Isothermal quenching, e.g. bainitic hardening
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22CFOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22CFOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10Cores; Manufacture or installation of cores
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D15/00Casting using a mould or core of which a part significant to the process is of high thermal conductivity, e.g. chill casting; Moulds or accessories specially adapted therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D30/00Cooling castings, not restricted to casting processes covered by a single main group
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D46/00Controlling, supervising, not restricted to casting covered by a single main group, e.g. for safety reasons
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D5/00Heat treatments of cast-iron
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C37/04Cast-iron alloys containing spheroidal graphite
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    • C22C37/10Cast-iron alloys containing aluminium or silicon
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    • C21D11/00Process control or regulation for heat treatments
    • C21D11/005Process control or regulation for heat treatments for cooling
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    • C21D6/00Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/008Heat treatment of ferrous alloys containing Si

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation and subsequent heat treatment of a cast piece of nodular cast iron in a sand mold according to the preamble of claim 1 and a mold designed therefor according to the preamble of claim 4, as well as a cast workpiece produced therewith.
  • Cast iron castings made of spheroidal graphite cast iron are widely used in industry and have become very important in global production. Among other things, this material is also used in the automotive industry for the production of various vehicle components (in particular for safety components in the chassis or the suspension).
  • Spheroidal graphite cast iron also called ductile iron, has particularly good mechanical material properties in terms of tensile strength and elongation at break for such applications.
  • the carbon is predominantly in the form of spherical graphite particles.
  • the shape of the graphite spheres is the distinguishing feature distinguishing GJS from other gray cast iron materials - lamellar graphite cast iron (GJL) or vermicular graphite cast iron (GJV).
  • GJL lamellar graphite cast iron
  • GJV vermicular graphite cast iron
  • the shape which the carbon or graphite takes on its precipitation from the solidifying cast iron structure substantially influences the mechanical properties of the alloy.
  • the graphite inclusions are crucial for the mechanical and technological properties.
  • the different graphite forms weaken the iron matrix in different ways.
  • the spherical form of graphite in GJS represents the most compact form in which the matrix experiences the least weakening. As a result, GJS is superior to the other two forms of GJL or GJV in terms of mechanical properties.
  • the ADI heat treatment process produces a nodular graphite cast iron which has improved mechanical properties through its heat treatment obtained from the starting material GJS.
  • the so-called ADI material can be an alternative to forged steel. Thanks to its material properties, the material ADI offers many application possibilities.
  • the FIG. 1 shows that the ADI material or the ausferritic spheroidal graphite cast iron has specific strengths that approximate steel or even the typical aluminum or magnesium based lightweight alloys. This opens up numerous application possibilities, especially in the automotive sector, especially as this industry is an important purchaser of castings and the automotive industry today attaches great importance to reducing vehicle weight.
  • the casting is heated from room temperature to an austenitizing temperature in the range of 850 ° to 950 ° C.
  • austenitizing temperature in the range of 850 ° to 950 ° C.
  • the iron changes its lattice structure.
  • the cubic-space-centered ⁇ -iron folds into the cubic-surface-centered ⁇ -iron and accumulates with carbon up to the saturation line.
  • the component is held at Austenitmaschinestemperatur until a uniform carbon content has set in the entire component.
  • the austenitized component is then quenched to the transformation temperature.
  • These are usually oil or salt baths, which are heated to transformation temperature. During the rapid loss of temperature, the austenite works locally into ferrite.
  • the austenitizing temperature quenches the component to the transformation temperature. This lies in the range between 230 ° and 450 ° C.
  • the transformation temperature is a crucial parameter for the adjustment of the ADI matrix matrix and thus also for the properties of the ADI material. Quenching is often done by immersing the heat-treated casting workpiece in the tempered to the transition temperature oil or salt bath. At low holding temperatures in the range between 230 ° and 320 ° C of the bath, the austenite is strongly supercooled and thus promotes ferrite formation over the ferrite growth.
  • the diffusion rate of the carbon from the ferrite distorted by the transformation krz lattice of ferrite is so low that it comes to carbide precipitations within the ferrite needles. Due to the diffusion barrier, only the adjacent austenite can be stabilized; the remaining, unstable austenite folds to martensite on cooling to room temperature. This mixed structure of ferrite, martensite and austenite produces the high-strength ADI grades. In contrast, tough ADI varieties are produced at higher aging temperatures. The austenite is completely stabilized and there is no martensite formation. The higher residual austenite content together with the ferrite allow good elongation at high strengths.
  • the conversion time fulfills two functions in the generation of ADI. On the one hand, it ensures that the ausritritic structure created by deterrence does not fall over when the martensite start line is exceeded, and on the other hand, it allows the carbon to diffuse or the ferrite needles to grow.
  • the formation of the ferrite takes place in the first 30 minutes.
  • the relaxation of the ferrite grid also takes place in a short time.
  • the expansion of the austenite lattice through the uptake of carbon requires more time and is only after about completed one hour.
  • the ferritic structure of the ADI material produced by the heat treatment is characterized by a good combination of strength and toughness.
  • the strength of ADI can be nearly twice that of GJS. These mechanical properties allow application in areas previously reserved for forging steels.
  • the high strengths result from the micro-internal stresses in the microstructure, which are created by the coercively dissolved carbon in the austenite. Sliding dislocations cause further solidification of the material under load, which improves wear resistance during use.
  • ADI also has high toughness and wear resistance, and the fracture toughness KIC, which describes the resistance to critical crack propagation, is comparable to the values of steels in ADI.
  • nodular graphite makes ADI easier to machine than high strength steels of the same strength.
  • the carbon provides a self-lubricating effect and thus reduces the load on the tools.
  • the ADI method is described, inter alia, in the patents U.S. 4,880,477 and US Pat. No. 7,497,915 B2 described.
  • a further disadvantage of the ADI process is its high energy consumption: the GJS casting must be heated again from room temperature to the austenitizing temperature for the application of the ADI process so that the heat treatment process can be carried out.
  • the patent application US 2005/0189043 A1 suggests a heat treatment of a GJS material, in which the solidified but still very hot GJS blank removed in a temperature range of 980 to 950 ° C from the mold, a plastic deformation and then subjected to a heat treatment.
  • the patent application US 2005/0189043 A1 Therefore, the casting heat remaining in the casting is used for its heat treatment.
  • the casting once the casting has cooled to the desired intermediate stage tempering temperature (about 370 ° C), it is placed in an air circulation oven and allowed to sit for a reasonable amount of time so that the intermediate stage tempering, a bainitic reaction, can occur at the desired intermediate stage tempering temperature. Thereafter, the casting is removed from the oven and cooled in air to room temperature. This creates a cast structure with martensite and retained austenite.
  • the method further provides for a two-stage tempering by tempering the intermediate tempered GJS cast part in the ausferritic transformation range, so that austenite is formed into an ausritritic ferrite structure.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a more economical heat treatment process, which requires less energy over the prior art, low demands on the technical equipment and handling, environmentally unproblematic, while a GJS cast piece with improved microstructure and thus improved mechanical Component properties achieved.
  • the cast workpiece or a partial cast workpiece region is cooled specifically with water or steam at a defined temperature above the eutectoid transformation.
  • the eutectoid conversion region is passed through more rapidly or the cooling takes place past the pearlite nose without reaching the martensite start temperature.
  • the cast workpiece or even only the partial, heat-treated casting work piece area is kept within a defined temperature range for a certain period of time. This is done by regulating the amount of refrigerant supplied (e.g., water or steam, respectively).
  • the material produced by this process is called High Performance Iron (HPI).
  • cast workpieces can be produced which are distinguished by improved component properties on the whole or only on local regions of the cast workpiece.
  • the component can be loaded locally or higher overall, or at the same load, the geometry of the cast workpiece can be made slimmer.
  • HPI high-performance iron
  • the invention requires no additional, energy-consuming heating of the cast workpiece.
  • the heat treatment is carried out exclusively by using the heat energy already contained in the directly cast component. Due to the heat treatment directly in the mold, the invention makes it possible to dispense with additional technical equipment (for example heat treatment furnaces).
  • the handling is also substantially simplified: The inventive heat treatment process requires no hot emptying and manual repackaging of the cast workpiece, the heat treatment is indeed directly in the mold. Manual and thus comparatively expensive handling steps are eliminated.
  • the heat treatment process according to the invention can also be automated and used e.g. integrate in automated manufacturing facilities.
  • the invention can also be implemented relatively easily, without major technical investments.
  • the temperature balance of the component in the mold is controlled so that a very rapid cooling takes place after solidification from the austenite without martensite formation can take place.
  • the steam generated by the heat is used for cooling.
  • the water vapor must be discharged accordingly.
  • the temperature in a window is kept between 350 and 600 ° C. for a defined time in order to obtain the HPI microstructure according to the invention.
  • the holding time depends on the component volume, ie the wall thickness to be treated. Subsequently, the component is cooled and unpacked from the mold.
  • a method comparable to the heat treatment method according to the invention is the heat treatment for producing ADI cast materials (Ausferritic Ductile Iron), as described above.
  • the production of the ADI material has the disadvantages mentioned above.
  • the invention allows the very economical production of the new HPI material according to the invention, which very closely approximates the mechanical properties of the ADI nodular cast iron and avoids the disadvantages of the ADI treatment. See the tensile stress-strain diagram in FIG. 4 ,
  • FIGS. 6 to 8 show only conceivable embodiments, wherein the invention and the inventive concept are not limited to these forms.
  • the coolant supply 9 lead the coolant 10 directly to the surface of the cast workpiece 1.
  • a gaseous coolant 10 is preferably used, for example water vapor.
  • a molten cast iron having a carbon content of 2.8 to 3.8 percent by weight, a silicon fraction of 2.1 to 4.5 percent by weight and a magnesium content of 0.025 to 0.05 percent by weight is preferably used.
  • a mold 7 is used with a molding box 8 in which a sand mold 2, wherein in the sand mold 2 at least one core 3 or a core package of organic or inorganic bonded sand is used.
  • the sand mold can be made in one, two or more parts.
  • the casting mold 7 has one or more coolant feeds 4 which supply the coolant 5 to the core or cores 3.
  • the coolant supply 4 is designed such that the core 3 or the core package can be mixed with a coolant 5.
  • the coolant supply 4 for this end at the core surface.
  • the coolant supply 4 ends in the core, ie the coolant 5 is conveyed directly into the core.
  • the coolant 10 leads directly to the surface of the cast workpiece (see FIG. 8 ), this is particularly suitable for vaporous coolant (eg water vapor 10).
  • the coolant supply 4 may be in the form of one or more laid pipes.
  • the tubes extend as shown FIGS. 6 to 8 up to or to the coolant 3 to be displaced core 3 or to the surface of the cast workpiece 1.
  • the tubes extend in this case also by the sand mold 2.
  • the coolant supply contains pipes made of metal.
  • the casting molds according to the invention preferably have a vapor removal.
  • the vapor removal can be provided in the sand mold and / or in the core or core package.
  • the steam discharge for the coolant 5 to be evaporated can be ensured by means of a (porous) core support 11, via an inserted cord or by means of a bore 12.
  • 3 temperature sensors are inserted in the sand mold 2 or in the core. These serve to detect the temperature in the core 3, on the core surface or on the casting surface or in the casting itself. This embodiment is particularly suitable for experiments and measurements or for adjusting a mold according to the invention.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Wärmebehandlung eines Gusswerkstückes (1) aus Gusseisen mit Kugelgraphit in einer Sandform (2). Die Sandform (2) enthält mindestens einen Kern (3), welcher eine Kühlmittelzuführung (4) aufweist, vorzugsweise in Form eines oder mehrerer im oder zum Kern (3) hin verlegter Rohre, mittels welcher der Kern (3) mit einem Kühlmittel (5), vorzugweise Wasser, versetzt werden kann. Das Verfahren zur Herstellung und Wärmebehandlung enthält mehrere erfindungsgemässe Schritte.

Figure imgaf001
The invention relates to a method for producing and heat treating a cast workpiece (1) of nodular cast iron in a sand mold (2). The sand mold (2) contains at least one core (3) which has a coolant supply (4), preferably in the form of one or more tubes laid in or towards the core (3), by means of which the core (3) is provided with a coolant (5 ), preferably water, can be added. The process for the preparation and heat treatment contains several steps according to the invention.
Figure imgaf001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und anschliessender Wärmebehandlung eines Gusswerkstückes aus Gusseisen mit Kugelgraphit in einer Sandform gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine hierfür ausgelegte Gussform nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 4, sowie ein damit hergestelltes Gusswerkstück.The present invention relates to a process for the preparation and subsequent heat treatment of a cast piece of nodular cast iron in a sand mold according to the preamble of claim 1 and a mold designed therefor according to the preamble of claim 4, as well as a cast workpiece produced therewith.

Aus Gusseisen mit Kugelgraphit (kurz: GJS) hergestellte Gusswerkstücke sind in der Industrie weit verbreitet und haben in der globalen Produktion einen hohen Stellenwert eingenommen. Unter anderem wird dieser Werkstoff auch in der Automobilindustrie für die Herstellung verschiedener Fahrzeugbauteile (insbesondere für Sicherheitsbauteile im Fahrwerk bzw. der Radaufhängung) eingesetzt. Gusseisen mit Kugelgraphit, auch Sphäroguss genannt, weist für solche Anwendungen besonders gute mechanische Materialeigenschaften auf in Bezug auf Zugfestigkeit und Bruchdehnung. Im Gusseisen mit Kugelgraphit liegt der Kohlenstoff überwiegend in Form von kugeligen Graphitpartikeln vor. Die Form der Graphitkugeln ist das charakteristische Merkmal, welches GJS von den weiteren Grauguss-Werkstoffen - Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) oder Gusseisen mit Vermikulargraphit (GJV) - unterscheidet. Die Form, welche der Kohlenstoff bzw. der Grafit bei seiner Ausscheidung aus dem erstarrenden Gusseisengefüge annimmt, beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der Legierung wesentlich. Die Graphiteinschlüsse sind ausschlaggebend für die mechanisch-technologischen Eigenschaften. Die verschiedenen Graphitformen schwächen die Eisenmatrix in unterschiedlicher Weise. Die kugelige Form des Graphits in GJS stellt dabei die kompakteste Form dar, in der die Matrix die geringste Schwächung erfährt. Hieraus resultiert, dass GJS den beiden anderen Formen GJL oder GJV in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften überlegen ist.Cast iron castings made of spheroidal graphite cast iron (GJS for short) are widely used in industry and have become very important in global production. Among other things, this material is also used in the automotive industry for the production of various vehicle components (in particular for safety components in the chassis or the suspension). Spheroidal graphite cast iron, also called ductile iron, has particularly good mechanical material properties in terms of tensile strength and elongation at break for such applications. In spheroidal graphite cast iron, the carbon is predominantly in the form of spherical graphite particles. The shape of the graphite spheres is the distinguishing feature distinguishing GJS from other gray cast iron materials - lamellar graphite cast iron (GJL) or vermicular graphite cast iron (GJV). The shape which the carbon or graphite takes on its precipitation from the solidifying cast iron structure substantially influences the mechanical properties of the alloy. The graphite inclusions are crucial for the mechanical and technological properties. The different graphite forms weaken the iron matrix in different ways. The spherical form of graphite in GJS represents the most compact form in which the matrix experiences the least weakening. As a result, GJS is superior to the other two forms of GJL or GJV in terms of mechanical properties.

Das Herstellverfahren für die Erzeugung von Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) ist allgemein bekannt. Die wichtigsten Punkte des Herstellverfahrens, welche die Qualität des hergestellten GJS bezüglich Werkstoffeigenschaften beeinflussen sind die Folgenden:

  • Die Werkstoffzusammensetzung mit Legierungselementen wie z.B. Si, Mg, Cu, Ni, Cr oder Mo, welche einen wichtigen Einfluss auf die Gefügebildung und auf die resultierenden mechanischen Eigenschaften haben.
  • Das Aufschmelzen des Rohmaterials (Roheisen, Stahlschrott) im Schmelzofen. (z.B. Induktionsofen, Kupol- oder Lichtbogenofen).
  • Die Magnesiumbehandlung der Schmelze, z.B. mit dem bekannten Konverterverfahren.
  • Das Impfen der Schmelze mit Si, Ca, Al, Bi, Zr, Fe oder seltene Erden, welche die Keimbildung bei der Erstarrung beeinflussen.
  • Und schliesslich die Beeinflussung der Erstarrungs- und Abkühlgeschwindigkeit, wodurch das gewünschte Grundgefüge erzeugt und die Graphitausbildung gezielt gesteuert werden kann.
The production process for the production of spheroidal graphite cast iron (GJS) is well known. The most important points of the manufacturing process, which influence the quality of the produced GJS regarding material properties are the following:
  • The material composition with alloying elements such as Si, Mg, Cu, Ni, Cr or Mo, which have an important influence on the structure formation and on the resulting mechanical properties.
  • The melting of the raw material (pig iron, steel scrap) in the smelting furnace. (eg induction furnace, cupola or electric arc furnace).
  • The magnesium treatment of the melt, for example with the known converter method.
  • Inoculation of the melt with Si, Ca, Al, Bi, Zr, Fe or rare earths, which influence the nucleation during solidification.
  • Finally, the influence of the solidification and cooling rate, whereby the desired basic structure can be generated and the graphite formation can be controlled in a targeted manner.

Die mechanischen Gussteileigenschaften werden wesentlich beeinflusst durch die Form, welche der Kohlenstoff bzw. der Grafit bei seiner Ausscheidung aus dem erstarrenden Gusseisengefüge annimmt. Um die mechanischen Eigenschaften von hergestelltem Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) weiter zu verbessern, kann der GJS-Werkstoff aber auch mittels nachgeschaltetem Wärmebehandlungsverfahren weiter vergütet werden. Man unterscheidet im Stand der Technik:

  • Spannungsarmglühen
  • Weichglühen
  • Carbidzerfallsglühen
  • Härten und Vergüten
  • Perlitglühen (Normalisieren)
  • ADI-Wärmebehandlung (ADI: Austempered Ductile Iron)
The mechanical properties of castings are significantly influenced by the shape which the carbon or graphite takes on its precipitation from the solidifying structure of cast iron. In order to further improve the mechanical properties of manufactured spheroidal graphite cast iron (GJS), however, the GJS material can also be further tempered by means of a downstream heat treatment process. One differentiates in the state of the art:
  • Stress relief
  • annealing
  • Carbidzerfallsglühen
  • Hardening and tempering
  • Perlite annealing (normalizing)
  • ADI heat treatment (ADI: Austempered Ductile Iron)

Das ADI-Wärmebehandlungsverfahren erzeugt ein ausferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit, das durch seine Wärmebehandlung verbesserte mechanische Eigenschaften gegenüber dem Ausgangswerkstoff GJS erhält. Mit höheren Festigkeitswerten, bei guten Zähigkeitswerten, kann der sogenannte ADI-Werkstoff eine Alternative zu Schmiedestahl sein. Der Werkstoff ADI bietet dank seiner Materialeigenschaften viele Anwendungsmöglichkeiten. Die Figur 1 zeigt, dass der ADI-Werkstoff bzw. das ausferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit spezifische Festigkeiten besitzt, die Stahl oder auch den typischen Leichtbaulegierungen auf Aluminium- oder Magnesiumbasis nahekommen. Speziell im Automobilbereich ergeben sich dadurch zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, zumal dieser Industriezweig ein wichtiger Abnehmer von Gussteilen ist und die Automobilindustrie heute grossen Wert auf die Reduzierung des Fahrzeuggewichts legt.The ADI heat treatment process produces a nodular graphite cast iron which has improved mechanical properties through its heat treatment obtained from the starting material GJS. With higher strength values, with good toughness values, the so-called ADI material can be an alternative to forged steel. Thanks to its material properties, the material ADI offers many application possibilities. The FIG. 1 shows that the ADI material or the ausferritic spheroidal graphite cast iron has specific strengths that approximate steel or even the typical aluminum or magnesium based lightweight alloys. This opens up numerous application possibilities, especially in the automotive sector, especially as this industry is an important purchaser of castings and the automotive industry today attaches great importance to reducing vehicle weight.

Die Herstellung von ADI ist bekannt und erfolgt durch das thermische Verfahren einer Wärmebehandlung. Der Ablauf für die Herstellung von ADI erfolgt anhand der folgenden Schritte, welche in der Figur 2 dargestellt werden:

  1. 1. Austenitisierung des Bauteils (A-B),
  2. 2. Abschrecken im Kühlmedium (C-D) und isothermes Halten (D-E),
  3. 3. Abkühlen auf Raumtemperatur (E-F).
The production of ADI is known and is done by the thermal process of a heat treatment. The procedure for the production of ADI is based on the following steps, which are described in the FIG. 2 being represented:
  1. 1. austenitizing the component (AB),
  2. 2. quenching in the cooling medium (CD) and isothermal holding (DE),
  3. 3. Cool to room temperature (EF).

Für die vollständige Austenitisierung wird das Gusswerkstück von Raumtemperatur auf eine Austenitisierungstemperatur im Bereich zwischen 850° und 950°C erwärmt. Bei der Austenitisierung ändert das Eisen seine Gitterstruktur. Das kubischraumzentrierte α-Eisen klappt in das kubischflächenzentrierte γ-Eisen um und reichert sich mit Kohlenstoff bis zur Sättigungslinie an. Das Bauteil wird auf Austenitisierungstemperatur gehalten bis sich ein gleichmäßiger Kohlenstoffgehalt im gesamten Bauteil eingestellt hat. In einem Kühlmittel wird das austenitisierte Bauteil anschliessend bis auf Umwandlungstemperatur abgeschreckt. Dazu dienen meist Öl- oder Salzbäder, die auf Umwandlungstemperatur temperiert sind. Während des raschen Temperaturverlusts klappt der Austenit lokal in Ferrit um. Da Ferrit nur eine geringe C-Löslichkeit besitzt, entstehen örtlich hohe Kohlenstoffkonzentrationen, die den Austenit stabilisieren. Die Austenitisierungszeit ist abhängig von der jeweils gewählten Austenitisierungstemperatur. Je höher diese Temperatur gewählt ist, desto schneller ist die Kohlenstoffsättigung erreicht. Weitere Einflussgrößen, welche die Dauer der Austenitisierung bestimmen, sind unter anderem die Graphitkugelgröße, der Graphitkugelabstand und die Gefügeart des Gusswerkstückes (Perlit oder Ferrit) vor dem ADI-Prozess.For complete austenitization, the casting is heated from room temperature to an austenitizing temperature in the range of 850 ° to 950 ° C. During austenitization, the iron changes its lattice structure. The cubic-space-centered α-iron folds into the cubic-surface-centered γ-iron and accumulates with carbon up to the saturation line. The component is held at Austenitisierungstemperatur until a uniform carbon content has set in the entire component. In a coolant, the austenitized component is then quenched to the transformation temperature. These are usually oil or salt baths, which are heated to transformation temperature. During the rapid loss of temperature, the austenite works locally into ferrite. Since ferrite has only a low C solubility, locally high carbon concentrations that stabilize the austenite arise. The Austenitisierungszeit depends on the selected Austenitisierungstemperatur. The higher this Temperature is chosen, the faster the carbon saturation is reached. Other influencing factors which determine the duration of austenitisation include the graphite sphere size, the graphite sphere distance and the structure type of the cast piece of work (perlite or ferrite) prior to the ADI process.

Wie aus der Figur 2 ersichtlich, wird von der Austenitisierungstemperatur das Bauteil auf die Umwandlungstemperatur abgeschreckt. Diese liegt im Bereich zwischen 230° und 450°C. Die Umwandlungstemperatur ist ein entscheidender Parameter für die Einstellung der ADI-Gefügematrix und damit auch für die Eigenschaften des ADI-Werkstoffes. Das Abschrecken erfolgt oft durch ein Eintauchen des wärmebehandelten Gusswerkstückes in das auf die Umwandlungstemperatur temperierte Öl- oder Salzbad. Bei niedrigen Haltetemperaturen im Bereich zwischen 230° und 320°C des Bades wird der Austenit stark unterkühlt und damit eine Ferritbildung gegenüber dem Ferritwachstum begünstigt. Weiterhin ist die Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffs aus dem durch die Umwandlung verzerrten krz-Gitters des Ferrits so niedrig, dass es zu Karbidausscheidungen innerhalb der Ferritnadeln kommt. Durch die Diffusionssperre kann nur der angrenzende Austenit stabilisiert werden, der restliche, instabile Austenit klappt bei Abkühlung auf Raumtemperatur zu Martensit um. Dieses Mischgefüge aus Ferrit, Martensit und Austenit erzeugt die hochfesten ADI-Sorten. Zähe ADI-Sorten entstehen dagegen bei höheren Auslagerungstemperaturen. Der Austenit wird dabei vollständig stabilisiert und es kommt zu keiner Martensitbildung. Der höhere Restaustenitanteil zusammen mit dem Ferrit ermöglichen die guten Dehnungen bei hohen Festigkeiten.Like from the FIG. 2 as can be seen, the austenitizing temperature quenches the component to the transformation temperature. This lies in the range between 230 ° and 450 ° C. The transformation temperature is a crucial parameter for the adjustment of the ADI matrix matrix and thus also for the properties of the ADI material. Quenching is often done by immersing the heat-treated casting workpiece in the tempered to the transition temperature oil or salt bath. At low holding temperatures in the range between 230 ° and 320 ° C of the bath, the austenite is strongly supercooled and thus promotes ferrite formation over the ferrite growth. Furthermore, the diffusion rate of the carbon from the ferrite distorted by the transformation krz lattice of ferrite is so low that it comes to carbide precipitations within the ferrite needles. Due to the diffusion barrier, only the adjacent austenite can be stabilized; the remaining, unstable austenite folds to martensite on cooling to room temperature. This mixed structure of ferrite, martensite and austenite produces the high-strength ADI grades. In contrast, tough ADI varieties are produced at higher aging temperatures. The austenite is completely stabilized and there is no martensite formation. The higher residual austenite content together with the ferrite allow good elongation at high strengths.

Die Umwandlungsdauer erfüllt bei der Erzeugung von ADI zwei Funktionen. Zum einen sorgt sie dafür, dass das durch Abschreckung erzeugte ausferritische Gefüge nicht durch Überschreiten der Martensitstartlinie umklappt und zum anderen ermöglicht sie dem Kohlenstoff zu diffundieren bzw. den Ferritnadeln zu wachsen. Die Bildung des Ferrits erfolgt in den ersten 30 Minuten erfolgt. Auch die Entspannung des Ferritgitters läuft in kurzer Zeit ab. Die Aufweitung des Austenitgitters durch die Aufnahme des Kohlenstoffs erfordert mehr Zeit und ist erst nach etwa einer Stunde abgeschlossen.The conversion time fulfills two functions in the generation of ADI. On the one hand, it ensures that the ausritritic structure created by deterrence does not fall over when the martensite start line is exceeded, and on the other hand, it allows the carbon to diffuse or the ferrite needles to grow. The formation of the ferrite takes place in the first 30 minutes. The relaxation of the ferrite grid also takes place in a short time. The expansion of the austenite lattice through the uptake of carbon requires more time and is only after about completed one hour.

Das durch die Wärmebehandlung erzeugte ausferritische Gefüge des ADI-Werkstoffes zeichnet sich durch eine gute Kombination von Festigkeit und Zähigkeit aus. Die Festigkeiten von ADI können im Vergleich zu GJS annähernd doppelt so hoch liegen. Diese mechanischen Eigenschaften ermöglichen eine Anwendung in Bereichen, die bisher den Schmiedestählen vorbehalten waren. Die hohen Festigkeiten resultieren aus den Mikro-Eigenspannungen im Gefüge, die durch den im Austenit zwangsgelösten Kohlen-stoff entstehen. Gleitende Versetzungen verursachen unter Belastung eine weitere Verfestigung des Werkstoffs, wodurch sich die Verschleißbeständigkeit während der Anwendung verbessert. Neben den hohen Festigkeiten weist ADI auch eine hohe Zähigkeit und Verschleissfestigkeit auf und die Bruchzähigkeit KIC, die den Widerstand gegenüber der kritischen Rissausbreitung beschreibt, ist bei ADI vergleichbar mit den Werten von Stählen. Durch den Kugelgraphit lässt sich ADI jedoch besser bearbeiten als hochfeste Stähle gleicher Festigkeit. Der Kohlenstoff sorgt für eine selbstschmierende Wirkung und senkt dadurch die Belastung auf die Werkzeuge. Das ADI-Verfahren wird u.a. in den Patentschriften US 4 880 477 und US 7 497 915 B2 beschrieben.The ferritic structure of the ADI material produced by the heat treatment is characterized by a good combination of strength and toughness. The strength of ADI can be nearly twice that of GJS. These mechanical properties allow application in areas previously reserved for forging steels. The high strengths result from the micro-internal stresses in the microstructure, which are created by the coercively dissolved carbon in the austenite. Sliding dislocations cause further solidification of the material under load, which improves wear resistance during use. In addition to the high strengths, ADI also has high toughness and wear resistance, and the fracture toughness KIC, which describes the resistance to critical crack propagation, is comparable to the values of steels in ADI. However, nodular graphite makes ADI easier to machine than high strength steels of the same strength. The carbon provides a self-lubricating effect and thus reduces the load on the tools. The ADI method is described, inter alia, in the patents U.S. 4,880,477 and US Pat. No. 7,497,915 B2 described.

Das ADI-Verfahren hat leider auch seine Nachteile. Das Abschrecken des wärmebehandelten Gussteiles in einem Salzbad ist aus umwelttechnischer Sicht problematisch (Salzdämpfe, Entsorgung, hochkorrosives Umfeld für Anlagen und Maschinen). In der kanadischen Patentschrift CA 2 218 788 wird vorgeschlagen, anstelle von Salzbädern Wasser mit einer wässrigen Polymer-Lösung zu verwenden.Unfortunately, the ADI method also has its disadvantages. The quenching of the heat-treated casting in a salt bath is environmentally problematic (salt vapors, disposal, highly corrosive environment for equipment and machinery). In the Canadian patent CA 2 218 788 It is proposed to use water with an aqueous polymer solution instead of salt baths.

Ein weiterer Nachteil des ADI-Verfahrens liegt in dessen hohen Energieverbrauch: Das GJS-Gussteil muss für die Anwendung des ADI-Verfahrens wieder von Raumtemperatur auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt werden damit das Wärmebehandlungsverfahren vollzogen werden kann.A further disadvantage of the ADI process is its high energy consumption: the GJS casting must be heated again from room temperature to the austenitizing temperature for the application of the ADI process so that the heat treatment process can be carried out.

Die Patentanmeldung US 2005/0189043 A1 schlägt eine Wärmebehandlung eines GJS-Werkstoffes vor, bei welcher das erstarrte aber noch sehr heisse GJS-Rohteil in einem Temperaturbereich von 980 bis 950 °C aus der Gussform entfernt, einer plastischen Umformung und anschliessend einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Die Patentanmeldung US 2005/0189043 A1 macht sich daher die im Gussteil verbleibende Giesswärme für dessen Wärmebehandlung zunutze.The patent application US 2005/0189043 A1 suggests a heat treatment of a GJS material, in which the solidified but still very hot GJS blank removed in a temperature range of 980 to 950 ° C from the mold, a plastic deformation and then subjected to a heat treatment. The patent application US 2005/0189043 A1 Therefore, the casting heat remaining in the casting is used for its heat treatment.

In einem Artikel aus dem Jahre 1984 ( Janovak, J.F und Gundlach, R.B., "Entwicklung eines für Zwischenstufenvergüten geeigneten Gusseisens mit Kugelgraphit"; Giesserei-Praxis, S. 317 - 330, Heft 19, 1984; Fachverlag Schiele & Schön GmbH, Berl in) wird ein Verfahren zum Zwischenvergüten von GJS vorgeschlagen, bei welchem das Gussstück direkt aus der Form und ohne die Verwendung von Salz- oder Ölbäder eine ADI-Wärmebehandlung erfährt. Siehe hierzu das Zeit-Temperatur-Schaubild in Figur 3: Das gegossene Gussstück wird in der Gussform bis auf eine definierte Temperatur im Austenitbereich abgekühlt (das Gefüge ist daher austenitisch) und wird dann aus der Gussform ausgeleert bzw. ausgeschlagen und an der Luft abgekühlt (sog. Heissausleeren). Sobald das Gussteil auf die gewünschte Zwischenstufenvergütungstemperatur (ca. 370 °C) abgekühlt ist, wird es z.B. in einem Luftumwälzofen gelegt und eine angemessene Zeitdauer darin belassen, so dass die Zwischenstufenvergütung - eine bainitische Reaktion - auf der gewünschten Zwischenstufenvergütungstemperatur stattfinden kann. Danach wird das Gussstück aus dem Ofen entnommen und an der Luft bis Raumtemperatur abgekühlt. Dadurch entsteht ein Gussgefüge mit Martensit und Restaustenit. Das Verfahren sieht im Weiteren ein zweistufiges Vergüten durch Anlassen des zwischenvergüteten GJS-Gussteiles im ausferritischen Umwandlungsbereich vor, so dass aus dem Austenit ein ausferritisches Ferritgefüge entsteht.In an article from 1984 ( Janovak, JF and Gundlach, RB, "Development of a ductile cast iron suitable for interstage tempering"; Foundry practice, pp. 317-330, volume 19, 1984; Specialist publisher Schiele & Schön GmbH, Berl in) a method is proposed for intermediate tempering of GJS in which the casting undergoes ADI heat treatment directly from the mold and without the use of salt or oil baths. See the time-temperature diagram in FIG. 3 : The cast casting is cooled in the mold to a defined temperature in the austenitic region (the structure is therefore austenitic) and is then evacuated from the mold or knocked out and cooled in the air (so-called hot emptying). For example, once the casting has cooled to the desired intermediate stage tempering temperature (about 370 ° C), it is placed in an air circulation oven and allowed to sit for a reasonable amount of time so that the intermediate stage tempering, a bainitic reaction, can occur at the desired intermediate stage tempering temperature. Thereafter, the casting is removed from the oven and cooled in air to room temperature. This creates a cast structure with martensite and retained austenite. The method further provides for a two-stage tempering by tempering the intermediate tempered GJS cast part in the ausferritic transformation range, so that austenite is formed into an ausritritic ferrite structure.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein wirtschaftlicheres Wärmebehandlungsverfahren zu schaffen, welches gegenüber dem Stand der Technik weniger Energie benötigt, geringere Anforderungen an die technische Einrichtung und Handhabung stellt, umwelttechnisch unproblematisch ist und dabei ein GJS-Gusswerkstück mit verbesserter Gefügeausbildung und damit auch verbesserter mechanischer Bauteileigenschaften erzielt.The invention is therefore an object of the invention to provide a more economical heat treatment process, which requires less energy over the prior art, low demands on the technical equipment and handling, environmentally unproblematic, while a GJS cast piece with improved microstructure and thus improved mechanical Component properties achieved.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und der Gussform zur Herstellung und Wärmebehandlung von Gusswerkstücken aus GJS-Gusseisen gemäss den Merkmalen von Anspruch 1 beziehungsweise Anspruch 4 gelöst.This object is achieved by the method and the mold for the production and heat treatment of castings from GJS cast iron according to the features of claim 1 and claim 4, respectively.

Dank des erfindungsgemässen Herstell- und Wärmebehandlungsverfahrens von Gusswerkstücken aus Gusseisen mit Kugelgraphit wird durch eine gezielte Abkühlung der Gussteile in der Giessform und direkt nach dem Abguss, den hergestellten Gusswerkstücken eine lokal verbesserte mechanischen Eigenschaften verschafft, welche normalerweise nur über eine nachträgliche Wärmebehandlung eingestellt werden könnte.Thanks to the production and heat treatment process according to the invention of cast iron castings with nodular cast iron, targeted cooling of the castings in the casting mold and immediately after casting gives the cast workpieces a locally improved mechanical properties which normally could only be adjusted by subsequent heat treatment.

Erfindungsgemäss wird das Gusswerkstück bzw. ein partieller Gusswerkstückbereich bei einer definierten Temperatur oberhalb der eutektoiden Umwandlung gezielt mit Wasser bzw. Wasserdampf gekühlt. Dadurch wird der eutektoide Umwandlungsbereich schneller durchlaufen bzw. die Abkühlung erfolgt an der Perlitnase vorbei, ohne dass die Martensitstarttemperatur erreicht wird. Im Anschluss wird in der Sandform das Gusswerkstück oder auch nur der partielle, wärmebehandelte Gusswerkstückbereich für eine bestimmte Zeitdauer in einem definierten Temperaturbereich gehalten. Dies erfolgt durch die Regulation der zugeführten Kühlmittelmenge (z.B. Wasser bzw. Wasserdampf). Als Resultat erfolgt die Formation des erfindungsgemässen Gefüges und damit die verbesserten Bauteileigenschaften. Der mit diesem hier beschriebenen Prozess hergestellt Werkstoff wird als High-Performance-Iron (HPI) bezeichnet.According to the invention, the cast workpiece or a partial cast workpiece region is cooled specifically with water or steam at a defined temperature above the eutectoid transformation. As a result, the eutectoid conversion region is passed through more rapidly or the cooling takes place past the pearlite nose without reaching the martensite start temperature. Subsequently, in the sand mold, the cast workpiece or even only the partial, heat-treated casting work piece area is kept within a defined temperature range for a certain period of time. This is done by regulating the amount of refrigerant supplied (e.g., water or steam, respectively). As a result, the formation of the inventive structure and thus the improved component properties. The material produced by this process is called High Performance Iron (HPI).

Mittels des erfindungsgemässen Verfahrens können Gusswerkstücke hergestellt werden, welche sich durch verbesserte Bauteileigenschaften am ganzen oder nur an lokalen Bereichen des Gusswerkstückes auszeichnen. Damit kann das Bauteil lokal oder insgesamt höher belastet werden, oder bei gleicher Belastung kann die Geometrie des Gusswerkstückes schlanker gestaltet werden. Mit der Anwendung dieses erfindungsgemässen Verfahrens und der Erzeugung des erfindungsgemässen HPI (High-Performance-Iron) wird die Möglichkeit zur Herstellung von Leichtbau-Eisenguss-Bauteilen bei hohen Anforderungen an die Bauteilfestigkeit bzw. Lebensdauer gewährt.By means of the method according to the invention, cast workpieces can be produced which are distinguished by improved component properties on the whole or only on local regions of the cast workpiece. Thus, the component can be loaded locally or higher overall, or at the same load, the geometry of the cast workpiece can be made slimmer. With the application of this inventive method and the production of the inventive HPI (high-performance iron) is the possibility for the production of lightweight cast iron components with high demands on the component strength or lifetime granted.

Die Erfindung benötigt keine zusätzliche, energieverbrauchende Erwärmung des Gusswerkstückes. Die Wärmebehandlung erfolgt ausschliesslich durch Nutzung der im unmittelbar gegossenen Bauteil ohnehin enthaltenen Wärmeenergie. Durch die Wärmebehandlung direkt in der Gussform, kann man dank der Erfindung auf zusätzliche technische Gerätschaften (z.B. Wärmebehandlungsöfen) verzichten. Die Handhabung wird ebenfalls wesentlich vereinfacht: Das erfindungsgemässe Wärmebehandlungsverfahren benötigt kein Heissausleeren und manuelles Umpacken des Gusswerkstückes, die Wärmebehandlung erfolgt ja direkt in der Gussform. Manuelle und damit vergleichsweise teure Handhabungsschritte entfallen damit. Das erfindungsgemässe Wärmebehandlungsverfahren lässt sich zudem auch automatisieren und z.B. in automatisierten Fertigungsanlagen integrieren. Die Erfindung lässt sich zudem vergleichsweise leicht umsetzen, ohne grosse technische Investitionen.The invention requires no additional, energy-consuming heating of the cast workpiece. The heat treatment is carried out exclusively by using the heat energy already contained in the directly cast component. Due to the heat treatment directly in the mold, the invention makes it possible to dispense with additional technical equipment (for example heat treatment furnaces). The handling is also substantially simplified: The inventive heat treatment process requires no hot emptying and manual repackaging of the cast workpiece, the heat treatment is indeed directly in the mold. Manual and thus comparatively expensive handling steps are eliminated. In addition, the heat treatment process according to the invention can also be automated and used e.g. integrate in automated manufacturing facilities. The invention can also be implemented relatively easily, without major technical investments.

In der vorliegenden Erfindung wird der Temperaturhaushalt des Bauteils in der Giessform so gesteuert, dass eine sehr schnelle Abkühlung nach der Erstarrung aus dem Austenitbereich erfolgt, ohne dass die Martensitbildung stattfinden kann. Dazu ist es hilfreich, die Wasserzuleitung bis zu einem definierten Abstand vor dem Bauteil zu gewährleisten, am Bauteil selbst dient der durch die Hitze entstandene Wasserdampf zur Kühlung. Der Wasserdampf muss entsprechend abgeleitet werden. Hat das Bauteil bzw. der Bereich mit den Ziel-HPI-Eigenschaften eine bestimmte Temperatur erreicht, wird die Temperatur in einem Fenster zwischen 350 und 600°C für eine definierte Zeit gehalten, um das erfindungsgemässe HPI-Gefüge zu erhalten. Die Haltezeit ist abhängig von dem Bauteilvolumen, sprich der zu behandelnden Wandstärke. Anschliessend wird das Bauteil abgekühlt und aus der Form ausgepackt.In the present invention, the temperature balance of the component in the mold is controlled so that a very rapid cooling takes place after solidification from the austenite without martensite formation can take place. For this purpose, it is helpful to ensure the supply of water to a defined distance in front of the component, on the component itself, the steam generated by the heat is used for cooling. The water vapor must be discharged accordingly. If the component or the region with the target HPI properties has reached a certain temperature, the temperature in a window is kept between 350 and 600 ° C. for a defined time in order to obtain the HPI microstructure according to the invention. The holding time depends on the component volume, ie the wall thickness to be treated. Subsequently, the component is cooled and unpacked from the mold.

Ein zum erfindungsgemässen Wärmebehandlungsverfahren vergleichbares Verfahren ist die Wärmebehandlung zur Herstellung von ADI-Gusswerkstoffen (Ausferritic Ductile Iron), wie weiter vorne beschrieben. Die Herstellung des ADI-Werkstoffes weist jedoch die weiter oben erwähnten Nachteile auf. Die Erfindung erlaubt jedoch die sehr wirtschaftliche Herstellung des neuen, erfindungsgemässen HPI-Werkstoffes, welcher den mechanischen Eigenschaften des ADI-Sphärogusses sehr nahekommt und dabei die Nachteile der ADI-Behandlung vermeidet. Vergleiche hierzu das Zugfestigkeits-Dehnungs-Diagramm in Figur 4.A method comparable to the heat treatment method according to the invention is the heat treatment for producing ADI cast materials (Ausferritic Ductile Iron), as described above. The production of the ADI material However, has the disadvantages mentioned above. However, the invention allows the very economical production of the new HPI material according to the invention, which very closely approximates the mechanical properties of the ADI nodular cast iron and avoids the disadvantages of the ADI treatment. See the tensile stress-strain diagram in FIG. 4 ,

Beim erfindungsgemässen Herstell- und Wärmebehandlungsverfahren eines HPI-Gusswerkstückes erfolgt die Herstellung beispielsweise nach den folgenden Schritten (vergleiche Figuren 5 und 6):

  • Bereitstellung einer Gussform 7 mit einer Sandform 2.
  • Bereitstellung mindestens eines Kernes 3 aus organisch oder anorganisch gebundenem Sand mit integrierter Kühlmittelzuführung 4, z.B. durch Integration eines oder mehrerer im oder zum Kern oder Kernpaket 3 hin verlegter Rohre, welche der Kühlmittelführung dienen und zu gegebener Zeit während der Wärmebehandlung die Versetzung des Kernes oder Kernpaketes 3 mit dem Kühlmittel 5 (z.B. Wasser) gewährleisten können.
  • Je nach Bedarf eventuelle Integration einer Wasserdampfabführung in der Gussform 7, z.B. in der Form einer dampfdurchlässigen Kernstütze 12 oder als zusätzlich anzufertigende Bohrung 12 (sog. Luftpfeife) oder auch als eingelegte Schnur.
In the production and heat treatment process of an HPI cast workpiece according to the invention, the production takes place, for example, according to the following steps (cf. Figures 5 and 6 ):
  • Provision of a mold 7 with a sand mold 2.
  • Provision of at least one core 3 of organically or inorganically bound sand with integrated coolant supply 4, for example by integration of one or more laid in or to the core or core package 3 down pipes, which serve the coolant flow and at any time during the heat treatment, the displacement of the core or core package 3 with the coolant 5 (eg water) can ensure.
  • Depending on requirements, any integration of a steam discharge in the mold 7, for example in the form of a vapor-permeable core support 12 or as an additional bore 12 to be made (so-called air pipe) or as an inserted cord.

Nach erfolgter Bereitstellung der Gussform erfolgt das eigentliche Wärmebehandlungsverfahren anhand der folgenden Schritte (vergleiche weiterhin mit Figuren 5 und 6):

  1. 1. Giessen der flüssigen Gusseisenschmelze 6 in die Sandform 2,
  2. 2. Abkühlung der Gusseisenschmelze 6 in der Sandform 2 auf eine Temperatur TA, vorzugsweise in einem Bereich von 800 - 1000 °C,
  3. 3. Beaufschlagung der Kühlmittelzuführung 4 mit Kühlmittel 5 und Abschreckung des erstarrenden Gusswerkstückes 1 auf eine Temperatur TB, vorzugsweise in einem Bereich von 350 - 600 °C, besonders bevorzugt über eine Abschreckgeschwindigkeit von ≥ 5 [K/s],
  4. 4. Halten der Temperatur TB über eine Zeitspanne tS, vorzugsweise über eine Zeitspanne tS von 15 bis 120 min., besonders bevorzugt durch Regulierung der über die Kühlmittelzuführung 4 zugeführten Kühlmittelmenge 5,
  5. 5. weitere Abkühlung des erstarrten Gusswerkstückes 1, vorzugsweise durch Verbleib in der Sandgussform 2, z.B. bis auf Raumtemperatur oder Auspacktemperatur.
After the casting mold has been made available, the actual heat treatment process is carried out by means of the following steps (cf. Figures 5 and 6 ):
  1. 1. pouring the molten cast iron melt 6 into the sand mold 2,
  2. 2. Cooling of the cast iron melt 6 in the sand mold 2 to a temperature T A , preferably in a range of 800-1000 ° C,
  3. 3. charging of the coolant supply 4 with coolant 5 and quenching of the solidifying cast workpiece 1 to a temperature T B , preferably in a range of 350-600 ° C., particularly preferably over a quenching rate of ≥ 5 [K / s],
  4. 4. holding the temperature T B over a period of time t S , preferably over a period of time t S of 15 to 120 min., Particularly preferably by regulating the amount of coolant 5 supplied via the coolant supply 4,
  5. 5. further cooling of the solidified cast workpiece 1, preferably by remaining in the sand mold 2, for example, up to room temperature or unpacking temperature.

Im Folgenden werden die Erfindung und der Erfindungsgedanke anhand verschiedener Beispiele erläutert (siehe Figuren 6 bis 8). Es soll an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass diese lediglich denkbare Ausführungsformen zeigen, wobei die Erfindung und der Erfindungsgedanke sich nicht auf diese Formen beschränken.In the following, the invention and the inventive concept will be explained by means of various examples (see FIGS. 6 to 8 ). It should be expressly pointed out at this point that they show only conceivable embodiments, wherein the invention and the inventive concept are not limited to these forms.

So kann gemäss Figur 8 die Kühlmittelzuführung 9 das Kühlmittel 10 beispielsweise direkt an die Oberfläche des Gusswerkstückes 1 führen. Bei einer derartig direkten Kühlmittelbeaufschlagung wird vorzugsweise ein gasförmiges Kühlmittel 10 benutzt, z.B. Wasserdampf.Thus, according to FIG. 8 the coolant supply 9, for example, lead the coolant 10 directly to the surface of the cast workpiece 1. In such a direct coolant application, a gaseous coolant 10 is preferably used, for example water vapor.

Für das erfindungsgemässe Herstell- und Wärmebehandlungsverfahren wird bevorzugt eine Gusseisenschmelze einen Kohlenstoffgehalt von 2.8 bis 3.8 Gewichtsprozent, einem Siliziumanteil von 2.1 bis 4.5 Gewichtsprozent und einen Magnesiumanteil von 0.025 bis 0.05 Gewichtsprozent verwendet.For the production and heat treatment process according to the invention, a molten cast iron having a carbon content of 2.8 to 3.8 percent by weight, a silicon fraction of 2.1 to 4.5 percent by weight and a magnesium content of 0.025 to 0.05 percent by weight is preferably used.

Wie u.a. in der Figur 6 dargestellt ist, wird für das erfindungsgemässe Herstell- und Wärmebehandlungsverfahren im Weiteren vorzugsweise eine Gussform 7 mit einem Formkasten 8 benutzt in welchem eine Sandform 2 liegt, wobei in der Sandform 2 mindestens ein Kern 3 oder ein Kernpaket aus organisch oder anorganisch gebundenem Sand eingesetzt ist. Die Sandform kann hierbei ein-, zwei- oder mehrteilig ausgeführt sein. Erfindungsgemäss weist die Gussform 7 eine oder mehrere Kühlmittelzuführungen 4 auf, welche dem oder den Kernen 3 das Kühlmittel 5 zuführen. Vorzugsweise ist die Kühlmittelzuführung 4 derart gestaltet, dass der Kern 3 oder das Kernpaket mit einem Kühlmittel 5 versetzt werden kann.Like in the FIG. 6 is shown, for the inventive manufacturing and heat treatment process hereinafter preferably a mold 7 is used with a molding box 8 in which a sand mold 2, wherein in the sand mold 2 at least one core 3 or a core package of organic or inorganic bonded sand is used. The sand mold can be made in one, two or more parts. According to the invention, the casting mold 7 has one or more coolant feeds 4 which supply the coolant 5 to the core or cores 3. Preferably, the coolant supply 4 is designed such that the core 3 or the core package can be mixed with a coolant 5.

Für die Versetzung des Kernes oder des Kernpaketes mit einem Kühlmittel können diese eine poröse Struktur aufweisen (Kühlmittel befindet sich in den Poren des Kernes bzw. Kernpaketes). Wie in der Figur 6 dargestellt ist, kann die Kühlmittelzuführung 4 hierfür an der Kernoberfläche enden. In der Figur 7 hingegen, endet die Kühlmittelzuführung 4 im Kern, d.h. das Kühlmittel 5 wird direkt in den Kern hineinbefördert. Wie bereits erwähnt, besteht erfindungsgemäss auch die Möglichkeit, dass über die Kühlmittelzuführung 9 das Kühlmittel 10 direkt an die Oberfläche des Gusswerkstückes führt (siehe Figur 8), dies eignet sich besonders für dampfförmige Kühlmittel (z.B. Wasserdampf 10).For the displacement of the core or the core package with a coolant, these may have a porous structure (coolant is located in the pores of the core or core package). Like in the FIG. 6 is shown, the coolant supply 4 for this end at the core surface. In the FIG. 7 In contrast, the coolant supply 4 ends in the core, ie the coolant 5 is conveyed directly into the core. As already mentioned, according to the invention there is also the possibility that via the coolant supply 9, the coolant 10 leads directly to the surface of the cast workpiece (see FIG. 8 ), this is particularly suitable for vaporous coolant (eg water vapor 10).

Die Kühlmittelzuführung 4 kann in der Form eines oder mehrerer verlegter Rohre ausgeführt sein. Vorzugsweise verlaufen die Rohre entsprechend den gezeigten Figuren 6 bis 8 bis in oder an den mit Kühlmittel 5 zu versetzenden Kern 3 oder bis zur Oberfläche des Gusswerkstückes 1. Bevorzugt verlaufen die Rohre hierbei auch durch die Sandform 2. In einer weiteren bevorzugten Variante sind enthält die Kühlmittelzuführung Rohre aus Metall.The coolant supply 4 may be in the form of one or more laid pipes. Preferably, the tubes extend as shown FIGS. 6 to 8 up to or to the coolant 3 to be displaced core 3 or to the surface of the cast workpiece 1. Preferably, the tubes extend in this case also by the sand mold 2. In a further preferred variant, the coolant supply contains pipes made of metal.

Da das Kühlmittel verdampft, weisen die erfindungsgemässen Gussformen vorzugsweise eine Dampfabführung auf. Die Dampfabführung kann in der Sandform und/oder im Kern bzw. Kernpaket vorgesehen sein. Die Dampfabführung für das zu verdampfende Kühlmittel 5 kann mittels einer (porösen) Kernstütze 11, über eine eingelegte Schnur oder mittels einer Bohrung 12 gewährleistet werden.Since the coolant evaporates, the casting molds according to the invention preferably have a vapor removal. The vapor removal can be provided in the sand mold and / or in the core or core package. The steam discharge for the coolant 5 to be evaporated can be ensured by means of a (porous) core support 11, via an inserted cord or by means of a bore 12.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in der Sandform 2 oder im Kern 3 Temperatursensoren eingelegt. Diese dienen zur Erfassung der Temperatur im Kern 3, an der Kernoberfläche oder an der Gussteiloberfläche bzw. im Gussteil selber. Diese Ausführungsform ist insbesondere für Versuche und Messungen geeignet oder zum Einstellen einer erfindungsgemässen Gussform.In a further preferred embodiment, 3 temperature sensors are inserted in the sand mold 2 or in the core. These serve to detect the temperature in the core 3, on the core surface or on the casting surface or in the casting itself. This embodiment is particularly suitable for experiments and measurements or for adjusting a mold according to the invention.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die explizit genannten Möglichkeiten und Ausführungsformen beschränkt. Diese Varianten sind vielmehr als Anregung für den Fachmann gedacht, um die Erfindungsidee möglichst günstig umzusetzen.The present invention is not limited to the explicitly stated possibilities and embodiments. These variants are intended rather as a suggestion for the expert to implement the idea of the invention as low as possible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
GusswerkstückCast workpiece
22
Sandformsandbox
33
Kerncore
44
KühlmittelzuführungCoolant supply
55
Kühlmittelcoolant
66
GusseisenschmelzeCast iron melt
77
Gussformmold
88th
Formkastenmolding box
99
Kühlmittelzuführung direkt an die Oberfläche des GusswerkstückesCoolant supply directly to the surface of the cast workpiece
1010
Wasserdampf als KühlmittelWater vapor as a coolant
1111
Kernstützecore support
1212
Bohrung beziehungsweise sogenannte LuftpfeifeBore or so-called air pipe

Claims (11)

Verfahren zur Herstellung und Wärmebehandlung eines Gusswerkstückes (1) aus Gusseisen mit Kugelgraphit in einer Sandform (2), wobei die Sandform mindestens einen Kern (3) aus organisch oder anorganisch gebundenem Sand enthält, welcher eine Kühlmittelzuführung (4) aufweist, vorzugsweise in Form eines oder mehrerer im oder zum Kern (3) hin verlegter Rohre, mittels welcher der Kern (3) mit einem Kühlmittel (5), vorzugweise Wasser, versetzt werden kann, wobei das Verfahren zur Herstellung und Wärmebehandlung folgende Schritte enthält: - Giessen der flüssigen Gusseisenschmelze (6) in die Sandform (2), - Abkühlung der Gusseisenschmelze (6) in der Sandform (2) auf eine Temperatur TA, vorzugsweise in einem Bereich von 800 - 1000 °C, - Beaufschlagung der Kühlmittelzuführung (4) mit Kühlmittel (5) und Abschreckung des erstarrenden Gusswerkstückes (1) auf eine Temperatur TB, vorzugsweise in einem Bereich von 350 - 600 °C, besonders bevorzugt über eine Abschreckgeschwindigkeit von ≥ 5 [K/s], - Halten der Temperatur TB über eine Zeitspanne tS, vorzugsweise über eine Zeitspanne tS von 15 bis 120 min., besonders bevorzugt durch Regulierung der über die Kühlmittelzuführung (4) zugeführten Kühlmittelmenge (5), - wobei anschliessend das erstarrte Gusswerkstück (1) weiter abgekühlt wird, vorzugsweise durch Verbleib in der Sandgussform (2). Process for the production and heat treatment of a cast piece (1) of nodular cast iron in a sand mold (2), the sand mold containing at least one core (3) of organically or inorganically bound sand having a coolant supply (4), preferably in the form of a or a plurality of tubes laid in or to the core (3), by means of which the core (3) can be mixed with a coolant (5), preferably water, the process for the preparation and heat treatment comprising the following steps: Pouring the molten cast iron melt (6) into the sand mold (2), Cooling the cast iron melt (6) in the sand mold (2) to a temperature T A , preferably in a range from 800 to 1000 ° C, - Applying to the coolant supply (4) with coolant (5) and quenching the solidifying casting workpiece (1) to a temperature T B , preferably in a range of 350 - 600 ° C, more preferably over a quenching rate of ≥ 5 [K / s] . Maintaining the temperature T B over a period of time t S , preferably over a period of time t S of 15 to 120 min., Particularly preferably by regulating the amount of coolant (5) supplied via the coolant supply (4), - Wherein subsequently the solidified cast workpiece (1) is further cooled, preferably by remaining in the sand mold (2). Verfahren zur Herstellung und Wärmebehandlung eines Gusswerkstückes (1) aus Gusseisen mit Kugelgraphit gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuführung (9) das Kühlmittel (10) direkt an die Oberfläche des Gusswerkstückes (1) führt, wobei als Kühlmittel Wasserdampf (10) verwendet wird.Method for producing and heat treating a cast piece (1) of ductile iron according to claim 1, characterized in that the coolant supply (9) directs the coolant (10) directly to the surface of the cast workpiece (1), water vapor being used as the coolant (10). is used. Verfahren zur Herstellung und Wärmebehandlung eines Gusswerkstückes (1) aus Gusseisen mit Kugelgraphit gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gusseisenschmelze (6) einen Kohlenstoffgehalt von 2.8 bis 3.8 Gewichtsprozent, einem Siliziumanteil von 2.1 bis 4.5 Gewichtsprozent und einen Magnesiumanteil von 0.025 bis 0.05 Gewichtsprozent aufweist.Process for producing and heat treating a cast piece (1) of ductile iron according to claim 1 or 2, characterized in that the molten cast iron (6) has a carbon content of 2.8 to 3.8 weight percent, a silicon content of 2.1 to 4.5 weight percent and a magnesium content of 0.025 to 0.05 weight percent. Gussform (7) zur Herstellung und Wärmebehandlung eines Gusswerkstückes (1) aus Gusseisen mit Kugelgraphit, wobei die Gussform (7) einen Formkasten (8) besitzt, in welchem eine Sandform (2) liegt, wobei in der Sandform (2) mindestens ein Kern (3) aus organisch oder anorganisch gebundenem Sand eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussform (7) eine oder mehrere Kühlmittelzuführungen (4) aufweist, welche dem oder den Kernen (3) Kühlmittel (5) zuführen, vorzugsweise ist die Kühlmittelzuführung (4) derart, dass der oder die Kerne (3) mit Kühlmittel (5) versetzt werden.Casting mold (7) for producing and heat treating a cast piece (1) of nodular cast iron, the casting mold (7) having a molding box (8) in which a sand mold (2) lies, wherein in the sand mold (2) at least one core (3) made of organically or inorganically bound sand, characterized in that the casting mold (7) has one or more coolant feeds (4) which supply coolant (5) to the core (s) (3), preferably the coolant feed (4 ) such that the core or cores (3) are mixed with coolant (5). Gussform (7) zur Herstellung und Wärmebehandlung eines Gusswerkstückes (1) aus Gusseisen mit Kugelgraphit gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuführung (9) das Kühlmittel (10) direkt an die Oberfläche des Gusswerkstückes (1) führt, wobei als Kühlmittel Wasserdampf (10) verwendet wird.Casting mold (7) for producing and heat treating a cast piece (1) of nodular cast iron according to claim 4, characterized in that the coolant supply (9) directs the coolant (10) directly to the surface of the cast work piece (1), wherein water vapor is used as the coolant (10) is used. Gussform (7) zur Herstellung und Wärmebehandlung eines Gusswerkstückes (1) aus Gusseisen mit Kugelgraphit gemäss Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuführung (4) in Form eines oder mehrerer verlegter Rohre ausgeführt ist, vorzugsweise verlaufen die Rohre bis in oder an den mit Kühlmittel (5) zu versetzenden Kern (3) oder bis zur Oberfläche des Gusswerkstückes (1), besonders bevorzugt verlaufen die Rohre auch durch die Sandform (2).Casting mold (7) for producing and heat treating a cast piece (1) of ductile iron according to claim 4 or 5, characterized in that the coolant supply (4) is designed in the form of one or more laid pipes, preferably the pipes extend into or on the core (3) to be displaced with coolant (5) or up to the surface of the cast workpiece (1), particularly preferably the tubes extend through the sand mold (2). Gussform (7) zur Herstellung und Wärmebehandlung eines Gusswerkstückes (1) aus Gusseisen mit Kugelgraphit gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuführung (4) im Innern des Kernes (3) endet.Casting mold (7) for the production and heat treatment of a cast workpiece (1) made of spheroidal graphite cast iron according to claim 4, characterized in that the coolant supply (4) ends in the interior of the core (3). Gussform (7) zur Herstellung und Wärmebehandlung eines Gusswerkstückes (1) aus Gusseisen mit Kugelgraphit gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuführung (4) Rohre aus Metall enthalten.Casting mold (7) for the production and heat treatment of a cast workpiece (1) made of spheroidal graphite cast iron according to one of the preceding claims, characterized in that the coolant supply (4) contain tubes made of metal. Gussform (7) zur Herstellung und Wärmebehandlung eines Gusswerkstückes (1) aus Gusseisen mit Kugelgraphit gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sandform (2) und/oder im Kern (3) eine Dampfabführung für das verdampfende Kühlmittel (5) vorgesehen ist, vorzugsweise wird die Dampfabführung über eine Kernstütze (11), über eine eingelegte Schnur oder über eine Bohrung (12) gewährleistet.Casting mold (7) for producing and heat treating a cast piece (1) of ductile iron according to one of the preceding claims, characterized in that in the sand mold (2) and / or in the core (3) a steam discharge for the evaporating coolant (5) is provided, preferably the steam discharge via a core support (11), via an inserted cord or via a bore (12) is ensured. Gussform (7) zur Herstellung und Wärmebehandlung eines Gusswerkstückes (1) aus Gusseisen mit Kugelgraphit gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sandform (2) oder im Kern (3) Temperatursensoren eingelegt sind zur Erfassung der Temperatur im Kern (3), an der Kernoberfläche, an der Gussteiloberfläche oder im Gussteil selber.Casting mold (7) for producing and heat treating a cast piece (1) of nodular cast iron according to one of the preceding claims, characterized in that temperature sensors are inserted in the sand mold (2) or in the core (3) for detecting the temperature in the core (3 ), on the core surface, on the casting surface or in the casting itself. Gusswerkstück (1) hergestellt mit einem Verfahren oder mit einer Gussform (7) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche.Cast workpiece (1) produced by a method or with a casting mold (7) according to one of the preceding claims.
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