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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gusseisen mit
Kugelgraphit mit einer großen
Anzahl an Graphitkugeln. Die Erfindung betrifft ferner ein Gussteil,
das unter Verwendung dieses Verfahrens hergestellt wurde.
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Die
Herstellung von Gussteilen hat gegenüber dem Schweißen, Bearbeiten
oder Verformen von Metall den deutlichen Vorteil, dass ein Produkt
in einem Schritt gebildet werden kann und dann kaum noch eine weitere
Behandlung erfordert. Der Designer eines Produkts hat auch beträchtliche
Gestaltungsfreiheit, wenn er die Form des Gussteils festlegt, und
die Gussteile können
in großen
Mengen relativ günstig
hergestellt werden. Dennoch besteht ein Nachteil darin, dass die
meisten Metalle, wie Aluminium und Stahl, während der Verhärtung deutlich schrumpfen,
was zur Folge hat, dass innere Schwindungshohlräume gebildet werden, und es
schwierig oder unmöglich
ist, Porosität
zu vermeiden.
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Gusseisen
verhält
sich anders, weil sich während
der Verhärtung
der Kohlenstoff in dem geschmolzenen Material in Form von Graphitteilchen absetzt.
Diese Graphitbildung geht Hand in Hand mit einer Zunahme des Volumens,
so dass es möglich ist,
die Schrumpfung des Eisens auszugleichen. Folglich kann Guss eisen
grundsätzlich
frei von Schwindungshohlräumen
und Porosität
sein.
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Bei
Gusseisen mit Kugelgraphit werden mehr oder weniger kugelig geformte
Graphitteilchen gebildet, die eine geringere Kerbwirkung im Gusseisen
verursachen. Folglich hat Gusseisen mit Kugelgraphit mechanische
Eigenschaften, die mit denen von Stahl vergleichbar sind.
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Obgleich
der Mechanismus der Kugelbildung in Gusseisen mit Kugelgraphit noch
nicht vollständig bekannt
ist, wurde in der Praxis eine Anzahl von Standardbehandlungsverfahren
entwickelt und patentiert. Der Ausgangspunkt ist ein Gusseisen mit
einer Grundzusammensetzung, dem so genannten Grundeisen, das beispielsweise
3,5% C, 2% Si, < 0,02%
S und andere Standardlegierungselemente, die einen steuerbaren Einfluss
auf die Graphitstruktur haben, enthält. Während der Vorbehandlung, die
normalerweise in einem Behandlungs- oder Gießgefäß durchgeführt wird, wird normalerweise
Magnesium dem geschmolzenen Material zugefügt, um einen frei gelösten Magnesiumgehalt
von 0,015 bis 0,06 Mg ± 0,005%
zu erzielen. Oft werden auch geringe Mengen an Cer, Calcium und
irgendwelche andere Alkalimetall- und Erdalkalimetallelemente hinzugefügt. Diese
Vorbehandlung ist als Kugelgraphitbildung oder Mg-Behandlung bekannt.
Nach dieser Kugelgraphitbildung wird dem Gusseisen ein Graugussimpfungszusatz
zugefügt,
so dass Impfkerne in dem geschmolzenen Material gebildet werden,
wobei um die Impfkerne herum der Kohlenstoff in Form von Graphit
auskristallisieren kann. Diese Behandlung ist als Impfung bzw. Inokulation
bekannt. Verschiedene Zusammensetzungen werden als Graugussimpfungszusatz
benutzt. Der Graugussimpfungszusatz wird dem Gussstrahl vorzugsweise
erst im letzten Moment zugefügt,
beispielsweise in Form von Kör nern,
die gerade Zeit haben, sich in dem geschmolzenen Material aufzulösen. Es
hat sich herausgestellt, dass ein früheres Hinzufügen des
Graugussimpfungszusatzes zu einer geringeren Anzahl an Kugeln pro
mm2 in dem Gusseisen mit Kugelgraphit führt. Um
die Kugelgraphitbildung und die Impfung in einer Behandlung nach
dem Gussvorgang auszuführen,
ist es möglich,
eine Vorrichtung zu benutzen, in der die Reaktionen im Allgemeinen
unter inertem Schutzgas stattfinden.
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Ein
derartiges Verfahren ist in dem französischen Patent 2511044 beschrieben.
Laut diesem Dokument wird ein Impfungszusatz mit dem Handelsnamen „Sphérix" benutzt, bestehend
aus einer Ferrosiliziumlegierung, die 70–75% Silizium mit 0,005% bis 3%
wenigstens eines der Metalloide Bismut, Blei oder Antimon enthält, sowie
0,005% bis 3% wenigstens eines Metalls aus der Gruppe der seltenen
Erden. (Alle Prozente sind in diesem Text als Gewichtsprozente angegeben.)
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Die
EP-A-0 317 366 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Gusseisen
mit Kugelgraphit, das frei von gebildetem Zementit ist, wobei das
Kugelglühen
durch die Verwendung von Mg oder einem Mg enthaltenden Material
erfolgt, während
eine Fe-Si-Legierung
als Impfstoff benutzt wird, wobei die Impfung in dem Gefäß und in
dem Fluss des geschmolzenen Materials ausgeführt wird, wenn dies in eine
Form gegossenen wird.
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Klaus
Jürgen
Best beschreibt in seiner Veröffentlichung „Behandlung
von Gusseisenschmelzen mit Magnesiumbehandlungsdraht und Impfdraht
zur Erzeugung von Serienteilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit und
mit Vermiculargraphit",
Gießerei, Deutschland,
Gießerei
Verlag, Düsseldorf,
Bd. 6, Nr. 3, Seiten 69–73,
ein Verfahren zur Behandlung von Gusseisenschmelzen, umfassend die
Zugabe von Mg-Draht und Impfung mit 0,067 Fe-Si-Draht, um Gusseisen
mit Kugelgraphit herzustellen. Diese Impfung kann in dem Gefäß ausgeführt werden
und auch in dem Gussstrom, um die Härte der Gusseisenstücke zu verringern,
während
die Anzahl an Graphitkugeln in der Mikrostruktur steigt.
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Es
ist allgemein bekannt, dass es in der Praxis sehr schwierig ist,
herkömmliche
Gusstechniken anzuwenden, um Gussstücke mit einer Wanddicke von
weniger als 5 mm herzustellen, die frei von Primärkohlenstoffen sind, wenn unerhitzte
Sandformen und Kokillenguss verwendet werden. Bei einer Wanddicke
von weniger als 5 mm, ist die Abkühlungsgeschwindigkeit während der
Verhärtung
in der Sandform, in die das Gusseisen gegossen wird, so hoch, dass
es, in einem optimalen Kernbildungszustand gemäß den bisher bekannten Verfahren,
nicht genügend
Kerne zur vollständigen
Graphitisierung gibt, um die geringste Form der Weißverhärtung auszuschließen. Die übermäßig langen
Diffusionsabstände
zu den vorhandenen Graphitkernen werden einen Teil des gelösten Kohlenstoffs
dazu veranlassen, Primärkohlenstoffe
oder Zementit gemäß dem metastabilen
Fe-C-System zu bilden, anstelle von Kugelgraphit gemäß dem stabilen
Fe-C-System.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit anzugeben.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von
dünnem
Gusseisen mit Kugelgraphit anzugeben, das frei von Zementit ist, ohne
dabei eigens zu diesem Zweck eine Wärmebehandlung auszuführen.
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Noch
eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, das
die Bildung von unerwünschten
Primärkohlenstoffen
in dünnen
Wänden verhindert.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren
anzugeben, mit dem eine Mikrostruktur aus Gusseisen mit Kugelgraphit
mit relativ dünnen
Wanddicken erzielt wird.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein relativ einfaches
Verfahren anzugeben, mit dem Gussstücke aus Gusseisen mit Kugelgraphit
mit dünneren
Wanddicken hergestellt werden können, als
dies bisher möglich
war.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren
anzugeben, mit dem dünne Gussteilwände aus
Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt werden können, mit einer Anzahl an Graphitkugeln,
die höher
als üblich
ist.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren
anzugeben, mit dem dünnwandige
Gussteile aus Gusseisen mit Kugelgraphit mit größeren Abmessungen hergestellt
werden können,
als dies bisher möglich
war.
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Es
ist auch Aufgabe der Erfindung, Gussteile aus Gusseisen anzugeben,
bei denen die obigen Ziele erreicht werden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung werden ein oder mehr der obigen Aufgaben
mit einer Verfahren zur Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit
mit einer großen
Anzahl an Graphitkugeln, wie in Anspruch 1 beansprucht, erreicht.
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Überraschenderweise
hat sich herausgestellt, dass die Zugabe eines weiteren Impfungszusatzes
während
eines weiteren Schritts einen sehr positiven Effekt auf die Anzahl
der gebildeten Graphitkugeln hat. Diese vorläufige Impfung mit dem weiteren
Impfungszusatz ist umso überraschender, als
bisher immer beobachtet wurde, dass der Gussstrahl-Impfungszusatz
in dem Verfahren so spät
wie möglich
zugefügt
werden sollte, um so viele Impfkerne wie möglich in dem geschmolzenen
Material zu bilden. Wurde der Impfungszusatz früher zugefügt, wurde beobachtet, dass
der Effekt der Zugabe des Impfungszusatzes abnimmt. Demzufolge wurde
bisher der Impfungszusatz nur dem Gussstrahl zugefügt, der
zum Füllen
der Gussformen benutzt wird. Diese Zugabe findet auf genau dosierte
Weise statt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren,
bei dem der weitere Impfungszusatz in einem zusätzlicher Schritt zugefügt wird,
ist es möglich,
Gussstücke aus
dem Gusseisen mit Kugelgraphit auf herkömmliche Weise herzustellen,
ohne dass eine zusätzliche Wärmebehandlung
erforderlich ist, während
die Gussstücke
Wände mit
einer Wanddicke, die geringer ist als die zuvor übliche Mindestwanddicke von
5 mm, haben können.
Es hat sich, mithilfe des Verfahrens gemäß der Erfindung, als machbar
erwiesen, Gussstücke
aus Kugelgraphitgusseisen mit Wänden mit
einer Wanddicke zwischen 2 mm und 5 mm herzustellen, ohne dass dabei
Weißgusseisen
gebildet wird. Das Verfahren gemäß der Erfindung
ist somit besonders zur Herstellung von Bauteilen für die Automobilindustrie
geeignet, die relativ hohen Lasten unterworfen sind und bisher beispielsweise
durch Schweißen
aus Stahlblechen hergestellt wurden.
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Vorzugsweise
wird die vorläufige
Impfung mit dem weiteren Impfungszusatz höchstens etwa 30 Minuten vor
dem Gießen,
vorzugs weise höchstens 15
Minuten vor dem Gießen,
ausgeführt.
Die vorläufige
Impfung kann dann deutlich vor dem tatsächlichen Gießvorgang
ausgeführt
werden, ohne dass dabei die Zeit, zu der die vorläufige Impfung
ausgeführt
werden soll, kritisch ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des Verfahrens wird das Mg in einem Behandlungs- oder Gießgefäß zugefügt, und
der weitere Impfungszusatz wird dem Behandlungs- oder Gießgefäß, in einem
Drahtbauteil verpackt, zugefügt.
Bei dieser Ausführungsform
des Verfahrens dient das Behandlungsgefäß auch als Gießgefäß, um das
Gusseisen in die Gussform zu gießen. Die vorläufige Impfung
mit dem weiteren Impfungszusatz in Form eines Drahtbauteils wird
unabhängig
ausgeführt
und nachdem die Mg-Behandlung abgeschlossen wurde.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des Verfahrens wird das Mg in einem Behandlungsgefäß zugefügt, und
der weitere Impfungszusatz wird einem Gussstrahl zugefügt, der
von dem Behandlungsgefäß in ein
Gießgefäß führt. Bei
dieser Ausführungsform
des Verfahrens wird das Gusseisen zuerst von dem Behandlungsgefäß in ein
Gießgefäß gegossen.
Während
dieses Schrittes wird der weitere Impfungszusatz zugefügt, so dass
die vorläufige
Impfung mit dem weiteren Impfungszusatz somit unabhängig von
der Mg-Behandlung ausgeführt
wird und auch räumlich
hiervon getrennt ist.
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Der
weitere Impfungszusatz ist mit dem Gussstrahl-Impfungszusatz identisch.
Es ist dann möglich,
mit einer Impfungszusatzart auszukommen, so dass keine Unsicherheit
darüber
bestehen kann, welcher Impfungszusatz wann zu verwenden ist.
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Der
erste Graugussimpfungszusatz besteht aus einer FeSi-Legierung, die
etwa 70% Si und etwa 0,4% Ce-Mischmetall, 0,7% Ca, 1,0% Al und 0,8%
Bi sowie unvermeidbare Spurenelemente enthält.
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Gemäß einem
bevorzugten Verfahren werden etwa 0,3% des weiteren Impfungszusatzes
während
des zusätzlichen
Schrittes zugefügt,
wobei der weitere Impfungszusatz dieselbe Zusammensetzung hat wie
der Gussstrahl-Impfungszusatz. Diese Menge an weiterem Impfungszusatz
mit der oben genannten Zusammensetzung reicht aus, um eine hinreichend
große
Anzahl an Impfkernen zu bilden, offensichtlich in Verbindung mit
der Verwendung des Gussstrahl-Impfungszusatzes.
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Vorzugsweise
wird die Menge an C im Grundeisen über oder gleich 3,7% betragen
und die Menge an Si wird so hoch wie möglich sein, so dass es möglich ist,
dünnwandige
Gussteile zu gießen. Diese
Zusammensetzung des geschmolzenen Materials wirkt sich, in Verbindung
mit den Graugussimpfungszusätzen,
günstig
auf die Anzahl der gebildeten Graphitkugeln aus.
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Für Gussteile
mit einer Wanddicke von etwa 2 mm ist die Verwendung von etwa 4,0%
C enthaltendem Grundeisen vorzuziehen, und für Gussteile mit einer Wanddicke
von etwa 3 mm ist die Verwendung von etwa 3,8% C enthaltendem Grundeisen
vorzuziehen.
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Das
Mg wird vorzugsweise als reines Mg oder als eine Vorlegierung, wie
beispielsweise NiMg15 oder FeSiMg, zugefügt.
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Gemäß einem
bevorzugten Verfahren beträgt
nach dem Zufügen
von Mg die Menge an freiem Mg in dem geschmolzenen Grundeisen etwa gleich 0,020%
für Gussteile,
die mit einer Wanddicke von etwa 2 mm gegossen werden sollen, sie
beträgt
etwa 0,025% für
Gussteile mit einer Wanddicke von etwa 3 mm und etwa 0,030% für eine Wanddicke
von etwa 4 mm.
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Vorzugsweise
wird eine größere Menge
an Gussstrahl-Impfungszusatz zugefügt, wenn die gewünschte Wanddicke
des zu gießenden
Gussteils dünner
wird. Die Zugabe von mehr Gussstrahl-Impfungszusatz führt zur
Bildung von mehr Impfkernen im geschmolzenen Material und somit
zur Bildung von mehr Graphitkugeln im Gussteil. Eine größere Anzahl
an Graphitkugeln ist erwünscht,
wenn die Wand dünner
wird.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung liefert ein Gussteil aus Gusseisen
mit Graphitkugeln, das erfindungsgemäß eine Wand mit einer Wanddicke
von weniger als etwa 5 mm hat, insbesondere 2 bis 4 mm, indem das
oben beschriebene Verfahren angewandt wird. Derartige aus Gusseisen
mit Kugelgraphit bestehende Gussteile, die wenigstens eine Wand
mit einer Wanddicke von weniger als 5 mm haben, sind in vielen Anwendungsbereichen,
wie zum Beispiel der Automobilindustrie, ein guter Ersatz für traditionell
gebildete Bauteile, wie zum Beispiel schweres Gusseisen mit Graphitkugeln,
schmiedbarer Stahl, Gussstahl oder eine Schweißzusammensetzung, oder für nicht
traditionell gebildete Bauteile, wie zum Beispiel ein wärmebehandeltes
AlGussteil, weil sie günstiger
und in größerer Anzahl
produziert werden können
und auch vom Gewicht her leichter sind, während sie auch die Funktionsanforderungen,
insbesondere im Hinblick auf die Festigkeit, erfüllen.
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Die
Anzahl an Graphitkugeln pro mm2 in dem Gussteil
nimmt zu, wenn die Wanddicke abnimmt, sie beträgt etwa 2000 Kugeln pro mm2 für
eine Wanddicke von etwa 3 mm und etwa 6000 Kugeln pro mm2 für
eine Wanddicke von etwa 2 mm. Eine Kugelanzahl in dieser Höhe ist erwünscht, um
eine Weißverhärtung des
Gusseisens bei solchen Dicken zu verhindern.
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Das
Gussteil hat vorzugsweise Abmessungen, die höchstens 300 mal 300 mal 400
mm betragen. Diese Abmessungen sind groß genug für die meisten Anwendungen,
bei denen dünnwandige Gussteile
verwendet werden können.
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Die
Erfindung wird anhand einer beispielhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein
Behandlungsgefäß und ein
Gießgefäß für die Mg-Behandlung und vorläufige Impfung diagrammatisch
darstellt;
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2 das
Gießen
eines Gussteils und die Impfung diagrammatisch darstellt.
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Werden
Gussteile auf herkömmliche
Weise aus Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt, wird ein geschmolzenes
Metall aus Grundeisen 3 gebildet, das etwa 3,5% C, 2% Si
und < 0,02% S und
weitere Standardlegierungselemente enthält, die, soweit dies bekannt
ist, einen handhabbaren Einfluss auf die Graphitstruktur haben.
Das Grundeisen wird in ein Behandlungsgefäß 1 geleitet, vgl. 1,
in dem Magnesium dem geschmolzenen Material zugefügt wird,
vgl. Pfeil A in 1. Das Magnesium wird als reines
Magnesium oder als eine Magnesiumlegierung, wie beispielsweise NiMg15
oder FeSiMg, zugefügt.
Es sollte ein frei gelöster
Mg-Gehalt von 0,015–0,06%
Mg ± 0,005%
erzielt werden. Das reine Magnesium kann als ein Draht zugeführt werden,
der mit Magnesium oder mit einer Mg-Vorlegierung gefüllt ist,
so dass nicht das Risiko besteht, dass das Magnesium oxidiert oder
vorzeitig verdampft. Geringe Mengen an Cer und/oder Calcium u.Ä. werden
oft auch bewusst hinzugefügt.
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Nach
dieser so genannten Mg-Behandlung wird etwas vom geschmolzenen Material
in ein Gussgefäß 2 geleitet,
vgl. Pfeil B in 1. 2 zeigt, dass
das geschmolzene Eisen 3 aus dem Gussgefäß 2 in
eine Gussform 4 gegossen wird, wobei ein Graugussimpfungszusatz
dem Gussstrahl 5 während
dem Gießen
zugefügt
wird, vgl. Pfeil D. Es werden zahlreiche Zusammensetzungen als Graugussimpfungszusatz
verwendet, um eine große
Anzahl an Impfkernen im geschmolzenen Material zu bilden. Einer
dieser Graugussimpfungszusätze
ist Spherix, vgl. französisches
Patent 2511044, bestehend aus Ferrosilizium, das 70–75% Silizium
mit 0,005% bis 3% wenigstens eines der Metalle Bismut, Blei oder
Antimon enthält, sowie
0,005% bis 3% wenigstens eines Metalls aus der Gruppe der seltenen
Erden. Der Graugussimpfungszusatz wird so spät wie möglich vor dem Füllen der
Gussform zugefügt,
weil sich herausgestellt hat, dass der durch die Zugabe des Graugussimpfungszusatzes
erzielte Effekt ansonsten abnimmt.
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Gemäß der Erfindung
wird ein weiterer Impfungszusatz zugefügt, vgl. Pfeil E in 1.
Dieser weitere Impfungszusatz kann dem geschmolzenen Material eine
Viertelstunde, bevor die Gussform 4 gefüllt wird, leicht zugefügt werden
und wirkt sich noch immer günstig
auf die Bildung der Impfkerne und auf das Erreichen einer großen Anzahl
an Graphitkugeln in dem Gussteil aus, so dass das Gussteil Wände mit einer
Wanddicke von unter 5 mm haben kann.
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Da
die Wanddicke von einer Dicke von 5 mm auf eine mögliche Mindestdicke
von 2 mm abnimmt, ist es im Hinblick auf den Prozentsatz an C im
Grundeisen erwünscht,
dass dieser von etwa 3,5% auf etwa 4,0% steigt, während gleichzeitig
der Prozentsatz an verwendetem Si so hoch wie möglich ausfallen soll, aber
von etwa 2,8% auf etwa 2,5% fällt,
wenn der Prozentsatz an C steigt.
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Bei
Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
hat sich herausgestellt, dass ein Graugussimpfungszusatz bestehend
aus einer FeSi-Legierung, die etwa 70% Si und etwa 0,4% Ce-Mischmetall,
0,7% Ca, 1,0% Al und 0,8% Bi und unvermeidbare Spurenelemente enthält, die
besten Ergebnisse im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren
liefert. Dieser Graugussimpfungszusatz wird sowohl zur Gussstrahl-Impfung
als auch für
die weitere Impfung verwendet.
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Es,
werden etwa 0,3% des weiteren Impfungszusatzes für die vorläufige Impfung verwendet. Ein
steigender Prozentsatz des Gussstrahl-Impfungszusatzes wird verwendet,
wenn die gewünschte Dicke
der Wand abnimmt, wobei dieser auf etwa 0,8% für eine Wanddicke von 2 mm steigt,
während ein
steigender Prozentsatz an C und ein steigender Prozentsatz an Si
die Verwendung eines niedrigeren Prozentsatzes an Impfungszusatz
gestattet.
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Es
ist ebenso erwünscht,
dass der Prozentsatz an Mg niedrig ist und mit abnehmender Wanddicke
weiter sinkt. Für
eine Wanddicke von 2 mm sollte der Prozentsatz ein freiem Mg etwa
0,02% betragen, für
eine Wanddicke von 3 mm sollte er etwa 0,025% und für eine Wanddicke
von 4 mm sollte er etwa 0,03% betragen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Gießen
von Gusseisen mit Kugelgraphit, ist es möglich, Gussteile mit mindestens
einer Wand mit einer Wanddicke von etwa 2 mm zu gießen, während das Gussteil
eine maximale Größe von 300
mal 300 mal 400 mm haben darf.
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Wendet
man das Verfahren gemäß der Erfindung
an, ist es mit eine Wanddicke von 2 mm möglich, etwa 6000 Kugeln pro
mm2 zu bilden, und für eine Wanddicke von 3 mm ist
es möglich,
etwa 2000 Kugeln pro mm2 zu bilden. Für diese
Dicken weist konventionell behandeltes Gusseisen mit Kugelgraphit
etwa 550 bis 1000 Kugeln pro mm2 auf.
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Die
Erfindung wurde oben auf Grundlage einer beispielhaften Ausführungsform
beschrieben. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf dieses
Beispiel beschränkt
ist; der Schutzumfang wird durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt.