Verfahren zum Vergießen einer Metallschmelze

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Gussteilen aus einer Vermicular- oder eine Kugelgrafit bildenden Eisengussschmelze, bei dem die Eisengussschmelze in eine Gießform gegossen wird, die mindestens ein Gießformteil umfasst, das aus einem Formstoff, der aus einem sandartigen Grundstoff und einem organischen Binder gemischt ist, geformt und anschließend mit einem schwefelhaltigen Gas, insbesondere Sü ₂ -Gas, begast worden ist, um den Binder des Formstoffs auszuhärten, so dass ein formstabiles Formteil erhalten worden ist.

Bei den Gießformteilen der voranstehend angegebenen Art handelt es sich in der Praxis typischerweise um so genannte "Gießkerne", mit denen am zu gießenden Gussteil Hohlräume, wie Kanäle, Höhlungen etc., oder Ausnehmungen mit Hinterschneidungen und vergleichbare komplexe Formgebungen abgebildet werden. Beim Entformen des fertig erstarrten Gussteils aus der jeweiligen Gießform werden die betreffenden Gießformteile zerstört. Dabei zerfallen sie in rieselfähige Einzelteile, die sich mechanisch, beispielsweise durch Rütteln, oder mit Hilfe einer Spülflüssigkeit aus dem Gussteil befördern lassen.

Gießkerne dieser Art werden sowohl in Gießformen verwendet, deren äußere Teile als feste Dauerformen

ausgeführt sind, als auch in so genannten "verlorenen Gießformen". Bei verlorenen Gießformen sind nicht nur die Gießkerne, sondern auch die äußeren, den das Gussteil außen umgrenzenden Formteile aus Formstoff hergestellt und werden dementsprechend bei der Entformung des jeweiligen Gussteils ebenfalls vollständig zerstört.

Es sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, verlorene Formteile (Gießkerne und äußere Formteile) für Gießformen herzustellen. Dabei wird unterschieden zwischen den so genannten "Coldbox-Verfahren" und den "Hotbox-Verfahren". Während die Hotbox-Verfahren auf der Verwendung von einen anorganischen Binder enthaltenden Formstoffen beruhen, ist den "Coldbox-Verfahren" gemeinsam, dass der aus einem Formsand und einem organischen Binder gemischte Formstoff nach dem Einfüllen in den das jeweils herzustellende Formteil abbildenden Formkasten mit einem Gas begast wird. Das dabei durch den Formstoff tretende Gas reagiert chemisch mit dem jeweiligen Binder und bewirkt so dessen Aushärtung .

Eine Variante des Coldbox-Verfahrens ist das SC> ₂ -Verfahren. Bei diesem Verfahren ist der jeweils verarbeitete Formstoff aus einem Formsand und einem Harzbinder gemischt, bei dem es sich beispielsweise um einen Furan-Phenol- oder einen Epoxyharz-Binder handeln kann. Während des Begasens eines derart zusammengesetzten Formstoffs mit SO ₂ härtet der jeweilige Harzbinder durch Reaktion mit der Schwefelsäure aus, die sich aus Schwefeldioxid, Sauerstoff und Wasser bildet.

Das Sθ ₂ ~Verfahren wird in der Praxis in großem Umfang eingesetzt, da die mit Schwefeldioxid verfestigbaren Formstoffe im unverfestigten Zustand eine gute Fließfähigkeit und damit einhergehend ein besonders gutes Formfüllungsvermögen besitzen. Daher sind diese Formstoffe besonders zur Herstellung von filigran geformten Außenteilen und Kernen für Gießformen geeignet. Darüber hinaus sind die mit Schwefeldioxid verfestigbaren Formstoffe ohne besondere Vorkehrungen lange haltbar und weisen nach der Begasung mit dem Schwefeldioxid-Gas eine hohe Formstabilität auf.

Praktische Erfahrungen beim Vergießen von Gusseisen in Gießformen, die im Sü ₂ -Verfahren hergestellt sind, zeigen allerdings, dass die dabei erhaltenen Gussteile häufig unerwünschte Entartungen des in dem Gussteil gebildeten Grafits aufweisen. Diese Beobachtung betraf insbesondere Gusstücke, die aus einer magnesiumbehandelten Eisenguss- Schmelze gegossen worden sind.

Wie im Einzelnen beispielsweise in der EP 1 752 552 Bl beschrieben, kann Gusseisen unmittelbar vor dem Eintritt in die Gießform oder noch in der Gießform selbst einer Magnesiumbehandlung unterzogen werden. Das bei diesem Vorgang zugeführte Magnesium bildet mit anderen Bestandteilen des Gusseisens oder mit ebenfalls zusätzlich zugeführten Elementen Verbindungen, die als Keime für die Entstehung der jeweils gewünschten Grafitform dienen. So lassen sich durch geeignete Zugaben von Magnesium optimierte Gießergebnisse bei der Erzeugung von Kugelgrafit ("GJS"), bei dem der Grafit in einer

kugeligen Gestalt vorliegt, oder Vermiculargrafit ("GJV") erzeugen, bei dem der Grafit würmchenartig vorliegt.

Gusseisen mit Kugelgrafit besitzt typische Festigkeiten von 350 MPa bis 1000 MPa, während die Festigkeit von Gusseisen mit Vermiculargrafit im Bereich von 350 MPa bis 500 MPa liegt. Der besondere Vorteil von Vermiculargrafit besteht dabei in einer günstigen Kombination aus hoher Festigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit sowie gutem Dämpfungsverhalten. Gusseisen mit lamellenförmig vorliegendem Grafit ("GJL") weist dagegen Festigkeiten im Bereich von 150 MPa bis 350 MPa auf.

An Gussteilen, die aus GJS oder GJV bildenden magnesiumbehandelten Eisenguss-Schmelzen in Gießformen mit Sθ ₂ -gehärteten Außenteilen oder Gießkernen gegossenen Gussteilen hergestellt wurden, wurde beobachtet, dass der Grafit in lokal begrenzten, oberflächennahen Abschnitten nicht in der erwarteten Kugel- oder Vermicular-Gestalt vorlag, sondern in Lamellenform. Diese Abweichung von der eigentlich angestrebten Ausbildung des Grafits führt zu lokal stark abweichenden Eigenschaften des Gussteils, wodurch gerade die Qualität von dünnwandigen Bauteilen stark beeinträchtigt werden kann.

Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, Möglichkeiten aufzuzeigen, mit denen sich bei Gießformen, die nach dem Sü ₂ -Verfahren hergestellt sind, die Gefahr des Auftretens von lokalen Graphit- und Gefügeentartungen am Gussteil beim Vergießen von Kugeloder Vermiculargrafit bildenden Eisengussschmelze auf ein Minimum reduzieren lassen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst worden.

Den in den genannten Ansprüchen angegebenen Varianten der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, mindestens die Fläche eines aus einem sandartigen Grundstoff und einem organischen Binder gemischten und durch Begasung mit schwefelhaltigem Gas, insbesondere Sθ ₂ -Gas, gehärteten Gießformteils, die beim Eingießen der Metallguss-Schmelze in die unter Verwendung des Formteils zusammengesetzte Gießform mit der Metallguss-Schmelze in Berührung kommt, mit einer einen nicht flüchtigen Sulfidbildner enthaltenden Beschichtung zu versehen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei den im Stand der Technik eingesetzten, unter Verwendung von SO ₂ -GaS gehärteten Gießformteilen in Folge der mit dem Eingießen der heißen Schmelze einhergehenden Erwärmung schwefelhaltige Dämpfe oder Gase aus den Gießformteilen austreten und in Richtung des von der Gießform umschlossenen Formhohlraums drängen. Dort treffen sie auf das in den Formhohlraum gefüllte Gussmetall und reagieren mit den in ihm enthaltenen Bestandteilen.

Diese Reaktionen führen beispielsweise bei magnesiumbehandelten Eisengussschmelzen zur Entstehung von oberflächennah sich ansammelndem Magnesiumsulfid. Das auf diese Weise gebundene Magnesium kann im Gusseisen dann nicht mehr seine keimbildende Wirkung entfalten mit der Folge, dass nicht die gewünschte Grafitform entsteht, sondern eine entartete, deutlich schlechtere mechanische Eigenschaften bedingende Grafitform.

Bei einer aus erfindungsgemäß beschichteten Teilen zusammengesetzten Gießform ist die Gefahr des Unwirksamwerdens bestimmter Bestandteile des jeweils vergossenen Gussmetalls durch die auf die kritischen Flächen des jeweiligen Gießformteils aufgetragene, einen Sulfidbildner enthaltende Beschichtung gebannt. Bei einem erfindungsgemäß beschichteten Gießformteil trifft das aus dem Gießformteil drängende schwefelhaltige Gas auf die erfindungsgemäß beschaffene Beschichtung und reagiert mit dem in ihr enthaltenen Sulfidbildner zu einem Sulfid. In diesem gebundenen Zustand ist der Schwefel gegenüber der jeweils vergossenen Metallschmelze wirkungslos.

Die Erfindung nutzt auf diese Weise eine aus der DE-OS 24 08 344 an sich bereits bekannte Möglichkeit, ein Gießformteil an seiner Oberfläche mit einer Masse zu beschichten, die ein durch das Gießformteil strömendes saures Gas binden oder adsorbieren kann. Anders als beim Stand der Technik, bei dem der Auftrag der Beschichtung den Zweck hat, in dem jeweiligen Formteil enthaltene gasförmige, saure Katalysatoren zu binden, um so den Austritt von gesundheitsschädlichen oder stark korrosiven Gasen aus dem Formteil zu vermeiden, sieht die Erfindung jedoch die Verwendung einer auf ein ganz bestimmtes Problem, nämlich die Entstehung von Grafitentartungen im Gussteil, bezogene Beschichtung vor.

So enthält die erfindungsgemäß vorgesehene Beschichtung einen Sulfidbildner, der verhindert, dass das in der erfindungsgemäß vergossenen Schmelze enthaltene Magnesium mit dem aus dem Gießformteil ausgasenden schwefelhaltigen Gas eine Verbindung eingeht.

Mit der Erfindung ist es somit auf einfache Weise möglich, auch in Gießformen, die unter Verwendung von nach dem SO ₂ -Verfahren hergestellten Gießformteilen zusammengesetzt sind, hochwertige Gussteile zu erzeugen, bei denen die Gefahr des Auftretens von lokalen Gefügeentartungen auf ein Minimum reduziert ist.

Praktische Versuche haben dabei ergeben, dass sich die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit dem Vergießen von Kugel- oder Vermiculargrafit bildenden Eisenguss- Schmelzen positiv auswirkt. So konnte gezeigt werden, dass es nach dem Auftrag der erfindungsgemäß zusammengesetzten Beschichtung auf die mit der jeweils vergossenen Eisenguss-Schmelze in Kontakt kommenden Flächen der Gießform auch dann zu keinen Gefügeentartungen kommt, wenn die Eisenguss-Schmelze vergleichbar hohe Magnesium-Gehalte in Folge einer Behandlung mit einem magnesiumhaltigen Mittel unterzogen worden ist.

Als besonders praxisgerecht hat es sich in diesem Zusammengang herausgestellt, wenn die in erfindungsgemäßer Weise auf das jeweilige Gießformteil aufgetragene Beschichtung als Sulfidbildner ein Alkalicarbonat oder Erdalkalicarbonat enthält. In praktischen Versuchen besonders bewährt haben sich erfindungsgemäß aufgetragene und beschaffene Beschichtungen, wenn sie Calciumcarbonat (CaCO^) enthielten, das mit dem Schwefel zu CaS reagiert.

Die aus den Alkali- bzw. Erdalkalicarbonaten gebildeten Sulfide verhalten sich insbesondere dann, wenn als

Gussmetall eine Eisenguss-Schmelze vergossen wird, einerseits neutral und binden andererseits den aus dem Formstoff während des Gießvorgangs ausgasenden, in Richtung des Formhohlraums der jeweiligen Gießform vordrängenden Schwefel, so dass dieser keinen Einfluss mehr auf die Bestandteile der jeweils vergossenen Metallschmelze ausüben kann.

Denkbar ist es auch, wenn die erfindungsgemäß aufgetragene Beschichtung als Sulfidbildner ein Alkalihydrogencarbonat, z. B. Natriumhydrogencarbonat (NaHCOs) , enthält. Diese Stoffe bilden mit dem aus dem Gießformteil austretenden Schwefel ebenfalls Sulfide, wie beispielsweise Na ₂ S und verhindern so, dass der Schwefel mit einem Bestandteil des jeweils vergossenen Gussmetalls reagieren kann.

Des weiteren kann es sich bei dem in einer erfindungsgemäßen Beschichtung enthaltenen Sulfidbildner um Amoniumcarbonat oder ämoniumhydrogencarbonat handeln. Diese Stoffe bilden mit Schwefel Amoniumsulfide .

Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die mit der jeweiligen Metallschmelze in Berührung kommenden Flächen aller im SO ₂ -Verfahren erzeugten Gießformteile in der erfindungsgemäßen Weise beschichtet werden. Bei vollständig als verlorene Form ausgebildeten Gießformen bezieht dies also auch die Außenteile der Gießform ein, durch die der Formhohlraum der Gussform an seinen Außenseiten umgrenzt wird.

Besonders vorteilhaft wirkt sich die Erfindung jedoch dann aus, wenn es sich bei dem erfindungsgemäß beschichteten Gießformteil um einen Gießkern handelt. Solche Gießkerne werden in der Regel vom in die Gießform eingegossenen Metall im Wesentlichen vollständig umgeben, so dass das aus dem Kern austretende Gas das anliegende Gussmaterial stark penetriert.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer

äusführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 eine Gießform im ungefüllten Zustand in einem Querschnitt;

Fig. 2 die Gießform im gefüllten Zustand.

Die Gießform 1 zum Gießen eines Gussteils G aus einer magnesiumbehandelten Eisenguss-Schmelze, bei dem es sich hier um eine Bremsscheibe handelt, weist ein unteres äußeres Formteil 2 und ein oberes, auf dem unteren Formteil 2 aufliegendes und dieses abdeckendes äußeres Formteil 3 auf.

In das Formteil 2 ist von seiner dem oberen Formteil 3 zugeordneten Fläche her ein Formhohlraum 4 eingeformt, der die äußeren Umfangsflachen, die äußere Stirnfläche des Topfes sowie die der äußeren Stirnfläche des Topfes zugeordnete Reibfläche des Reibrings des zu erzeugenden Bremsscheiben-Gussteils G abgrenzen. Die andere Reibfläche des Reibrings sowie die Innenumfangsflachen

des Topfes des Gussteils G werden durch einen Gießkern 5 abgebildet, der in den Formhohlraum 4 eingesetzt ist.

An den Gießkern 5 sind sternförmig um seinen Umfang in gleichen Winkelabständen verteilte Vorsprünge 6 angeformt, die in den für den Reibring des zu gießenden Gussteils G vorgesehenen ringförmigen Abschnitt des Formhohlraums 4 reichen und mit ihren freien Enden in entsprechend geformte, hier im Einzelnen nur angedeutete Aufnahmen des unteren Formteils 2 sitzen. Die Vorsprünge 6 bilden im Gussteil G radial von der Innenseite von dessen Topf zur äußeren Umfangsflache des Reibrings führende Kühlkanäle aus.

Die äußeren Formteile 2,3 und der Gießkern 5 mit seinen einstückig mit ihm verbundenen Vorsprüngen 6 sind aus einem Formstoff hergestellt, der aus einem sandförmigen Formgrundstoff und einem sich mit dem Formgrundstoff vermischenden organischen Harzbinder besteht. Zur Herstellung der Formteile 2,3 und des Gießkerns 5 mit den Vorsprüngen 6 ist dieser Formstoff in an sich bekannter Weise in jeweils einen hier nicht gezeigten Formkasten gefüllt und verdichtet worden. Anschließend ist der in den Formkasten gefüllte Formstoff mit SC> ₂ -Gas begast worden. Dabei ist es zu einer chemischen Reaktion zwischen dem Harzbinder und dem Schwefeldioxid-Gas gekommen, durch den der Harzbinder ausgehärtet ist.

Nach Abschluss der Aushärtung sind die so erhaltenen formstabilen Gießformteile (äußere Formteile 2,3 und Gießkern 5 mit seinen Vorsprüngen 6) auf ihren mit der Schmelze in Berührung kommenden Flächen (Innenflächen des

Formhohlraums 4, Außenflächen des Gießkerns 5 und seiner Vorsprünge 6 sowie den Formhohlraum 4 abdeckende Abschnitte der dem unteren Formteil 2 zugeordneten Fläche des oberen äußeren Formteils 3) mit einer in Form einer Schlichte aufgetragenen Beschichtung 7,8,9 beschichtet worden, die als Sulfidbildner Calciumcarbonat enthielt.

Zur Herstellung des Gussteils G wird das unmittelbar vor dem Eintritt in die Gießform 1 mit Magnesium behandelte Gusseisen über den nicht dargestellten Tümpel in die Gießform 1 gegossen und fließt über ebenfalls nicht dargestellte Kanäle in den Formhohlraum 4, bis dieser vollständig mit Gusseisen gefüllt ist.

Einhergehend mit dem Eintritt des Gusseisens in die Gießform 1 kommt es zu einer starken Erwärmung der mit dem Gusseisen in Kontakt kommenden Bereiche der Gießform 1. In Folge dieser Erwärmung aufgrund von in den Gießformteilen 2,3 und 5 unvermeidbar vorhandener Restfeuchte sich bildende schwefelhaltige Dämpfe breiten sich daraufhin in der Gießform 1 aus und drängen dabei auch in Richtung des Formhohlraums 4.

Dort treffen sie auf die CaCC> ₃ als Sulfidbildner enthaltende Beschichtung 7,8,9. Der Schwefel reagiert daraufhin mit dem CaCO ₃ zu CaS und wird in der Beschichtung 7 gebunden. Die Penetration des in den Formhohlraum gefüllten Gusseisens mit Schwefel ist auf diese Weise wirkungsvoll unterbunden, so dass das Gusseisen über sein gesamtes Volumen unter Ausbildung der gewünschten Grafitform gleichmäßig erstarren kann. Die

Gefahr der Entstehung entarteten Grafits besteht damit nicht mehr.

BEZUGSZEICHEN

1 Gießform

2 unteres äußeres Formteil der Gießform 1

3 oberes äußeres Formteil der Gießform 1

4 Formhohlraum

5 Gießkern

6 Vorsprünge

7,8,9 einen Sulfidbildner enthaltende Beschichtung

G Gussteil