LEGIERUNG FÜR GUSSEISENSTÜCKE

Beschreibung

[0001] Die Erfindung gehört zum Bereich "Metallurgie" beziehungsweise zur Gewinnung einer raffinierten und modifizierten Legierung für Gusseisenstücke und deren Qualitätsverbesserung. Die Legierung gemäß der Erfindung kann sowohl in Eisenhütten- und Maschinenbauwerken als auch in Gießereien verwendet werden.

[0002] Bekannt ist schon eine Legierung zur Desoxidation und Modifikation von Gusseisen (Erfinderzeugnis der UdSSR Nr. 449979, "Die Legierung zur Desoxidation und Modifikation von Gusseisen", 1974), die Silizium, Seltenerdmetalle, Strontium, Kalzium, Aluminium und Eisen mit dem folgenden Verhältnis der Komponenten enthält (die Menge ist in % gegeben):

Silizium	55-80
Seltenerdmetalle	0,1-1,5
Strontium	0,1-5
Kalzium	0,1-5
Aluminium	0,1-3
Eisen	Rest

[0003] Der Nachteil der Legierung ist eine niedrige, sphäroidisierende und nicht stabile graphitisierende Fähigkeit bei der Verarbeitung von Konstruktionsgrauguss bei dessen Herstellung mit einer Wanddichte von mindestens 3 mm, wodurch die mechanischen Eigenschaften verschlechtert werden und eine Aufhellung des Gusses entsteht. Die fehlende Stabilität der graphitisierenden Fähigkeit ist durch eine starke Abhängigkeit der graphitisierenden Wirkung des aktiven Elements Strontium bedingt, sogar bei geringen Schwankungen des Gehalts dieses Elements in der Legierung an Aluminium und Kalzium. Nur Seltenerdmetalle in der genannten Menge ohne das sphäroidisierende Hauptelement Magnesium ermöglichen nicht die Gewinnung von Graphit in globularer Form.

[0004] Aus dem Patent der UdSSR Nr. 1813113 ("Gusseisenmodifikator"; 1993) ist ein Modifikator für Gusseisen bekannt, der dem Anmeldungsgegenstand hinsichtlich der technischen Eigenschaften und des zu erreichenden Effekts besonders nahe kommt. Dieser Modifikator weist folgende Komponenten auf (die Menge ist in % gegeben):

Silizium	15-90
Strontium	0,1-10
Kalzium	weniger als 0,1
Zirkonium und/oder Titan	0,3-10
Eisen	Rest

[0005] Der Nachteil des Modifikators besteht darin, dass keine modifizierende Wirkung bei der Gusseisenverarbeitung entsteht. Bei einem Gehalt an Kalzium im Modifikator von weniger als 0,1 %, bei der Untergrenze des Siliziumgehalts (15 %) und bei einer beliebigen Kombination von Zirkonium und/oder Titan in den angegebenen Mengen beträgt die Lösbarkeitsgrenze von Strontium weniger als 0,1 % (J. A. Ageew, S. A. Artschugow, "Untersuchung der Lösbarkeit von Erdalkalimetallen im Flüssigeisen und in Legierungen, die im Flüssigeisen enthalten sind", Zeitschrift für physische Chemie, T. LIX 4, 1985, S. 838-841). Dieser Modifikator kann nicht einen Guss mit einer Wanddichte von weniger als 3 mm aus dem Konstruktionsgrauguss ohne Aufhellen garantieren. Außerdem ermöglicht das Fehlen der sphäroidisierenden Komponente im Modifikator auch das Entstehen von Plattengraphit.

[0006] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Legierung zu schaffen, deren Bestandteile eine Erzeugung von Gusseisen mit hohen Härte- und Plastizitätseigenschaften ohne Aufhellung im Schnitt von Eisenstücken von weniger als 3 mm garantiert und die auch die notwendige Reproduktion der modifizierten Wirkung gewährleistet.

[0007] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Legierung zusätzlich Magnesium und Seltenerdmetalle mit dem folgenden Verhältnis der Komponenten aufweist (die Menge ist in % gegeben):

Silizium	45-78
Magnesium	0,1-7,0
Seltenerdmetalle	0,1-2,2
Strontium	0,1-2,0
Kalzium	0,1-1,5
Aluminium	0,3-2,0
Zirkonium	0,1-2,0
Eisen	Rest

[0008] Die zusätzliche Einführung von Magnesium und Seltenerdmetallen ermöglicht den Einschluss von Graphit in sphärischer Form, wodurch die Härte und die Plastizität des Gusseisens erhöht werden. Wenn außerdem die Legierung gleichzeitig Magnesium und Zirkonium enthält, stärkt deren gemeinsame Wirkung die graphitisierende Wirkung und mindert die Aufhellung im Guss.

[0009] Das Verhältnis der Bestandteile in der Legierung gemäß der Erfindung ist so ausgewählt, dass die gemeinsame Wirkung der genannten Elemente eine zuverlässige Reproduktion der Modifikationsergebnisse garantiert. Diese Wirkung wird sogar bei einem Eindringen von Produktionsschlacken in die Legierung bis zu einem Anteil von 1,0 %, wobei diese Schlacken aus Oxiden und Sulfiden von Metallen entstehen, und bis zu einem Anteil von 1,0 % der inaktiven Metalle erreicht, die als Begleitstoffe in der Schicht auftreten.

[0010] Die obere und die untere Grenze des Gehalts an Legierungskomponenten sind entsprechend der gestellten Aufgabe und den wirtschaftlichen Gründen gewählt. Die untere Grenze des Siliziumgehalts in der Legierung ist dadurch bedingt, dass bei einem Gehalt von weniger als 45 % die modifizierenden Eigenschaften dieses Elements kaum erkennbar sind. Außerdem ist Silizium ein Lösungsmittel für die andere Legierungskomponente. Eine Erhöhung des Siliziumanteils bis mehr als 78 % ist nicht zweckmäßig, denn das führt nicht zu einer weiteren Erhöhung der modifizierenden Fähigkeit dieses Elements, sondern zum Wertanstieg der Legierung.

[0011] Die Seltenerdmetalle werden in die Legierung für die Stabilisierung der Ergebnisse der sphäroidisierenden Modifikation wegen der Neutralisation der Beimischung der Buntmetall-Deglobulasatoren (Pb, Sn, Sb und andere) durch deren Kopplung mit der feindispersen Verbindung eingeführt, die auch zusätzliche Graphitisierungszentren sind. Sulfide und Oxysulfide der Seltenerdmetalle mit hoher Dichte, die mit der Dichte des Flüssigeisens zu vergleichen ist, dienen auch als Kristallisationszentren von Graphit und stärken dabei die graphitisierenden Wirkung. Bei einem Gehalt von weniger als 0,1 % in der Legierung ist ihre Wirkung auf die Gusseiseneigenschaften wenig bemerkbar. Ein Gehalt an Seltenerdmetallen von höher als 2,2 % ist wegen der Abschwächung der Steigerung der graphitisierenden Fähigkeit dieser Metalle und der Verteuerung der Legierung unzweckmäßig. Unter den individuellen Seltenerdmetallen sind Lantan und Neodym zu nennen.

[0012] Die Einführung von Strontium in die Legierung führt zu einer Verbesserung der Graphitform und zu einer plötzlichen Steigerung der graphitisierenden Fähigkeit des Strontiums. Aber das graphitisierende Potential des Strontiums nimmt beim Vorhandensein von Kalzium und Aluminium bedeutend ab. Die untere Grenze des Stronziumgehalts in der Legierung ist dadurch bedingt, dass bei einem Anteil von mindestens 0,1 % Sr in dieser Legierung der Zusatz dieser Legierung im Gusseisen wenig wirksam ist. Die obere Grenze des Strontiumgehalts in der Legierung ist durch die Möglichkeiten des Arbeitsvorgangs zur Gewinnung der Legierung begrenzt.

[0013] Das Vorhandensein von Kalzium und Magnesium in der Legierung fördert die Verbesserung der Entstehungsbedingungen für die Graphitkeime bei der Kristallisierung des Gusseisens, und je größer der Kalziumanteil ist, desto mehr Magnesium soll die Legierung enthalten. Bei einem Anteil an Kalzium von 0,1 % soll die Legierung höchstens 0,15 % Magnesium enthalten. Die Obergrenze des Gehalts an Kalzium (1,5 %) entspricht auch der Obergrenze des Magnesiumsgehalts (7,0 %) in der Legierung. Ein Kalziumgehalt von mehr als 1,5 % in der Legierung fördert eine Senkung der Auflösungsgeschwindigkeit im Flüssiggusseisen infolge der Sperre der Angriffsfläche mit den entstehenden Silikaten.

[0014] Der Aluminiumanteil soll höchstens 2,0 % sein, denn Aluminium senkt die graphitisierende Fähigkeit von Strontium. Die Untergrenze von Aluminium in der Legierung erklärt sich durch einen großen Verbrauch, der mit dem Raffinieren des Ferrosiliziums aus Aluminium verbunden ist, weil die Industriesorten von Ferrosilizium 2,5 % Aluminium enthalten.

[0015] Das Vorhandensein von Magnesium in der Legierung in einer Menge von weniger als 0,1 % stört die Stabilisierung der Bestandteile der Legierung und garantiert nicht den notwendigen Gehalt an Strontium, Kalzium und Aluminium in engen Grenzen. Das Magnesium erhöht die Strontiumlöslichkeit in der eisenkieselartigen Schmelze und ermöglicht, den Gehalt an diesem Element an der Obergrenze (2,0 %) stabil zu halten, sogar bei einem minimalen Gehalt an Silizium. Außerdem ist Magnesium ein wichtiges, sphäroidisierendes Element Ein Anteil an Magnesium von mehr als 7 % in der Legierung führt zu einem erhöhten Abbrand der Legierung und zu einem Pyroeffekt bei der Einführung des Modifikators in das Flüssiggusseisen. Darum ist dieser Gehalt an Magnesium in der Legierung wirtschaftlich und ökologisch nicht zweckmäßig.

[0016] Das Zirkonium ist in die Legierung für die Nivellierung der schädlichen Wirkung des Aluminiums auf den graphitisierenden Einfluss des Strontiums eingeführt. Dabei entspricht die Untergrenze des Zirkoniumgehalts der unteren Grenze des Gehalts an Aluminium in der Legierung, und die Obergrenze des Zirkoniumgehalts entspricht der größten Menge des Aluminiums in der Legierung. Es ist bekannt, dass Strontium beim Vorhandensein von Aluminium in den eisenkieselartigen Modifikatoren seine graphitisierende Eigenschaften nicht stabil zeigt und die Verwendung von solchen Modifikatoren nicht immer zur absoluten Beseitigung des Aufhellens in den Eisenstücken führt. Das in die Legierung in der angegebenen Menge eingeführte Zirkonium stabilisiert die leistungsstarke, graphitisierende Fähigkeit von Strontium infolge der Entstehung der festen Verbindungen ZrAl₂, ZrAl₃ und anderen und gibt die Möglichkeit, das Aufhellen in dünnwandigem Guss zu beseitigen. Ein Zirkoniumgehalt von weniger als 0,1 % in der Legierung garantiert nicht eine stabile Wirkung des Strontiums, wenn die Legierung 0,3 % Aluminium enthält. Wenn es in der Legierung 2,0 % Zirkonium gibt, kann die schädliche Wirkung des Aluminiums, sogar wenn dessen Anteil 2,0 % beträgt, vermieden werden.

Beispiel 1

Gewinnung der Legierung für die Gusseisenmodifikation.

[0017] Die Legierung (Tabelle 1) wird in einem Induktionsofen IST 1,0) bei der Legierung von Silizium, Stahlschrott, Mischmetall oder Lautanoxid, Magnesium, Silicozirkonium und Stronziumkarbonat hergestellt. Die Schmelze wird in Blockform gegossen. Nach der Abkühlung wird die Legierung von der Schlacke getrennt und mit einem Backenquetscher (DLSC 80) aufgebrochen, wobei die Bruchteile einen Durchmesser von 1-5 mm aufweisen.

Beispiel 2

Vergleich der Wirkung der Legierung für die Modifizierung.

[0018] Für den Vergleich der Wirkung der Legierung wird Gusseisen verwendet, der in einem Induktionsofen (IST 0,1) geschmolzen wird. Die Gusseisenmodifikation mittels der Legierung wird in einer Gießpfanne durchgeführt. Es wurden Legierungen von bekanntem Gehalt und von dem Gehalt gemäß der Erfindung miteinander verglichen. In der Tabelle 1 sind die ersten drei bekannte Legierungsgehalte und die letzten vier Legierungsgehalte gemäß der Erfindung.

[0019] In der Tabelle 2 sind Ergebnisse der Gusseisenmodifizierung mittels der Legierungen der Gehalte 1-7 dargestellt. Mechanische Tests wurden mit Mustern von 10 mm nach dem GOST 1497-84 und die Größe des Aufhellens im Guss wurde mit einer Wandstärke von 3 mm gemessen.

Tabelle 1

Elemente	Massenanteil der Elemente
	Bekannter Gehalt			Gehalt gemäß der Erfindung
	1	2	3	4	5	6	7*
Silizium	15	50	90	78	45	77	50
Seltenerdmetalle	-	-	-	0,1	0,3(La)	2,2	1,5
Strontium	0,1	5	0,1	0,8	0,1	0,8	2,0
Kalzium	0,05	0,05	0,1	0,15	0,4	0,15	1,5
Aluminium	0,5	0,5	0,5	0,3	0,8	0,5	2,0
Zirkonium	10	5	0,3	1,2	0,1	0,1	2,0
Magnesium	-	-	-	0,1	5,5	0,3	7,0
Eisen	fehlt	fehlt	fehlt	fehlt	fehlt	fehlt	fehlt

* Die Legierung enthält Produktionsschlacke und Fremdstoffe, 1% von jedem Element.

Tabelle 2

Legierung	σB, MPa	δ,%	Tiefe des Aufhellens, mm
1	150	≤0,2	1,4
2	190	≤0,2	fehlt
3	210	≤0,2	fehlt
4	250	0,5	fehlt
5	620	2,2	fehlt
6	330	1,2	fehlt
7	530	3,5	fehlt

[0020] Aus der Tabelle 2 folgt, dass die Legierung eine stabile Liquidierung von Bleiche in dünnwandigem Gussstück bei erhöhter Haltbarkeit und Plastizität des Gusseisens ermöglicht.

Ansprüche

1. Legierung zur Gusseisenmodifikation, die Silizium, Kalzium, Aluminium, Zirkonium und Eisen enthält,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie zusätzlich Magnesium und Seltenerdmetalle mit folgendem Verhältnis der Komponenten enthält (die Masse ist in % gegeben):

Silizium	45 - 78
Seltenerdmetalle	0,1-2,2
Strontium	0,1 -2,0
Kalzium	0,1 - 1,5
Aluminium	0,3 - 2,0
Magnesium	0,1 - 7,0
Zirkonium	0,1-2,0
Eisen	Rest

2. Legierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie 0,1-1,0 % Magnesium, 0,1-0,2 % Kalzium, 0,3-0,5 % Aluminium und 0,1- 0,3 % Seltenerdmetalle enthält.

3. Legierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie 4,0-7,0 % Magnesium, 0,2-1,0 % Kalzium, 0,5-1,5 % Aluminium, 0,1-0,3 % Zirkonium enthält und dass als Seltenerdmetalle individuelle Elemente verwendet werden.

4. Legierung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass als individuelle Seltenerdmetalle Lantan und/oder Neodym in einem Anteil von 0,2 - 0,5 % an der Gesamtmenge verwendet werden.

5. Legierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie Schlacke und Fremdstoffe bis 1 % von jedem Stoff enthält.