11/12 - Verein Ã¶sterreichischer GieÃereifachleute

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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 218
HEFT 11/12 GIESSEREI-RUNDSCHAU 57 (2010) 1200 1144 1150 1100 1050 P1 Referenzprobe P2 mit 0,4 Gew.% Sb 1142 1140 1138 1136 P1 - Referenzprobe P2 mit 0,4 Gew.% Sb 1000 1 0,15 0 0,10 -1 0,05 -2 0,00 -3 -0,05 -4 -0,10 -5 -0,15 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Zeit in s 1134 1132 1130 1128 1126 80 90 100 110 120 130 140 150 Zeit in s Abb. 2: (a) Abkühlkurven und deren Ableitungen der Referenzprobe und der mit 0,4 Gew.% Sb legierten Probe, (b) Bereich der eutektischen Erstarrung Abb. 3a Abb. 3b Abb. 3c Abb. 3d Abb. 3: Gefüge der Proben mit Sb (oben) und ohne Sb (unten), 200 fache Vergrößerung, geätzt mit 3 %iger Salpetersäure thermischen Zentrum jeder Probe befand sich ein Thermoelement vom Typ K NiCrNi, geschützt durch ein Quarzglasröhrchen. Nach der Abkühlung der Proben auf Raumtemperatur wurden Proben für metallographische Untersuchungen aus den geometrischen Zentren der Platten entnommen. Ergebnisse Im Folgenden werden die Kurven der thermischen Analyse, die mikroskopischen Aufnahmen und die Untersuchungen mittels REM diskutiert. Abb. 2 zeigt die Abkühlkurven der zwei Proben. Probe 1, ohne Zugabe von Sb, zeigt eine typische Abkühlungskurve. Die Liquidustemperatur beträgt 1182 °C, gefolgt von einer Unterkühlung von 23 K und anschließender Rekaleszenz. Die Erstarrungszeit betrug 172 s. Die Abkühlkurve der mit Sb legierten Probe 2 zeigt im Vergleich zur Referenzkurve eine Liquidustemperatur von 1188 °C und eine um 3 K höhere Unterkühlung, jedoch ohne Rekaleszenz und eine etwas längere Erstarrungszeit von 186 s. Daraus kann abgeleitet werden, dass die Wachstumskinetik und die damit verbundene freiwerdende latente Wärme durch die Wirkung von Sb in der Schmelze beeinflusst werden. Die Gefügeaufnahmen in Abb. 3 aus den geometrischen Zentren der Proben zeigen die Ausbildung des Graphits und der Matrix. CHG konnte nicht erzeugt werden, was aufgrund der schnellen Erstarrung in den kleinen Proben auch nicht zu erwarten war. Der in der Referenzprobe 1 ausgeschiedene Graphit ist grob und weist teilweise zerklüftete Formen auf (Abb. 4a). Die Kugelzahl beträgt 156 pro mm 2 . Das geätzte Gefüge ist perlitisch mit ausgeprägten Ferrithöfen um die Graphitausscheidungen. 219
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