11/12 - Verein österreichischer Gießereifachleute

GIESSEREI-RUNDSCHAU 57 (2010) HEFT 11/12
Keimbildende Wirkung von Antimon in dickwandigem
GJS zur Vermeidung von Chunky-Graphit
Nucleation Effect of Antimony to avoid Chunky Grahite in thickwalled SG Iron Castings
Einleitung
Dipl.-Ing. Lutz Dekker,
Studium des Maschinenbaus an der TU-Clausthal
mit den Studienschwerpunkten Gießereitechnik
und Verbrennungskraftmaschinen. Seit
Oktober 2008 wissenschaftlicher Mitarbeiter in
der Abteilung Gießereitechnik des Instituts für
Metallurgie der TU Clausthal.
Prof. Dr.-Ing. Babette Tonn,
Professorin für Gießereitechnik an der TU
Clausthal und Geschäftsführende Leiterin des
Instituts für Metallurgie der TU Clausthal.
Abstract
In einem Versuch mit Zugabe von 0,4% Sb zu Gusseisen
mit Kugelgraphit konnte Sb in Kombination mit Mg in Zentren
von Graphitkugeln nachgewiesen werden. Ein auf diese
Weise verbesserter Keimhaushalt erklärt die positive
Wirkung des Spurenelementes Sb auf die Unterdrückung
von Chunky-Graphit in dickwandigen Bauteilen.
Genaue Kenntnisse über Entstehung, Wachstum und resultierende
Form der Graphitausscheidung, speziell des globularen
Graphits, sowie deren Beeinflussung durch chemische Elemente
sind weitestgehend unbekannt und beruhen auf Erfahrung
und Beobachtung von Phänomenen. Aufgrund mangelnder
Kenntnisse treten bei der Herstellung dickwandiger Bauteile
aus GJS häufig Entartungen des Graphits auf.
Durch die lange Erstarrungszeit weicht die Form der Graphitausscheidungen
gerade in dickwandigen Sphärogussstücken
von der idealen Kugelform ab und die Neigung zur Bildung
von Graphitentartungen wie Chunky-Graphit (CHG)
nimmt zu [1, 2]. Besonders gravierend sind dabei die Abnahme
der Bruchzähigkeit und die Reduzierung der Dauerfestigkeitswerte
[2, 3, 4].
CHG besteht aus einem stark verzweigten Graphitnetzwerk
(Abb. 1) innerhalb großer eutektischer Körner. Bei hoher Vergrößerung
wird eine dem Kugel- und Vermikulargraphit ähnliche
radiale Substruktur des Graphits sichtbar [6].
Der Bildungs- und Wachstumsmechanismus von CHG ist
bis heute ungeklärt und zahlreiche Theorien dazu sind widersprüchlich.
Weitestgehende Einigkeit herrscht in Punkten der
Wachstumsrichtung entlang der kristallographischen C-Achse
oder dem gekoppelten Wachstum von Austenit und Graphit
in direktem Kontakt mit der Schmelze.
Spurenelemente wie Seltene Erden, Pb, Te, Ca oder Sb waren
zu ihren Wirkungen und Wechselwirkungen auf die Förderung
der CHG-Bildung bzw. seine Verhinderung Gegenstand
zahlreicher Untersuchungen.
Die Zugabe von Sb in Gehalten von 20 ppm bis 200 ppm [2,
5, 7] zur Vermeidung von CHG in dickwandigen Sphärogussteilen
wird von zahlreichen Autoren beschrieben [9, 10, 12].
In Untersuchungen zum Mechanismus der Wirkung des Sb
haben Javaid und Loper [12] Sb zusammen mit Mg und S in
Graphitkugelzentren nachgewiesen.
Die hier beschriebenen Versuche greifen diese Untersuchungen
auf und sollen weitere Rückschlüsse auf den Wirkmechanismus
des Sb auf die Unterdrückung von CHG ermöglichen.
Versuchsdurchführung
Die Basisschmelze, bestehend aus Roheisen, Kreislaufmaterial
und Schrott wurde in einem 35 kg Mittelfrequenzinduktionshubtiegelofen
erschmolzen. Zur Einstellung der gewünschten
chemischen Zusammensetzung wurden FeSi 75, Graphit und
technisch reines Antimon zulegiert. Um den Verbleib des Sb
im Gefüge sicher zu lokalisieren, betrug die Zugabemenge
0,4 Gew. %. Die chemische Zusammensetzung der Schmelze
und der Mg-Vorlegierung befinden sich in Tabelle 1.
Die Behandlungs- und Gießtemperaturen betrugen 1505°C
bzw. 1370°C. Eine Impfung wurde nicht durchgeführt.
Gegossen wurde in zwei kunstharzgebundene Sandformen.
Die Probenabmaße betrugen 60 mm x 60 mm x 25 mm. Im
Abb. 1: Chunky-Graphitnetzwerk in ferritischer Matrix, unten rechts
ist eine bis zur Hälfte abgetragene Graphitkugel zu sehen, tiefgeätzt
Tabelle 1
C in Gew. % Si in Gew. % Mg in Gew. % S in Gew. % Al in Gew. % Ca in Gew. %
Schmelze 3,31 2,56 0,038 0,008 0,018
Mg-Vorlegierung 46,2 6,25 0,68 1,6
Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung der Mg-Vorlegierung und der Schmelze nach der Mg-Behandlung
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