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Firmen Nachrichten - Topic Metals & Alloys

Impfen von Gusseisen

W. MASCHKE, M. JONULEIT

Die Zugabe eines Impfmittels zu einer Gusseisenschmelze ist sinnvoll und in den meisten Fällen sogar notwendig, um zuverlässig qualitätsgerechten Guss produzieren zu können. Die mechanischen Eigenschaften und die Bearbeitbarkeit von Gusseisen mit Lamellen- und Kugelgraphit hängen in hohem Maße von der Ausbildung des Grund- und Sekundärgefüges ab. Beides wird von einer Impfbehandlung maßgeblich beeinflusst. Deshalb soll hier der Mechanismus des Impfens und die Graphitkeimbildung während der Erstarrung von Gusseisen näher erläutert werden.

Was ist unter einer Impfung von Gusseisen zu verstehen?

Unter „Impfen von Gusseisenschmelzen“ versteht man das Einbringen von Keimen in die Schmelze, um somit das Erstarrungsverhalten bzw. die Gefügeausbildung im Gussstück gezielt zu beeinflussen. Keime sind feine Partikel, die ≤ 4 µm groß sind und als Kristallisationszentren für die Graphitausscheidung dienen.
In der Literatur existieren verschiedene Theorien über das Impfen, die hier nicht näher erläutert werden sollen, von denen aber die Oxidkeimtheorie als die bedeutendste und wahrscheinlichste angesehen wird. [1, 2]. Dieser Theorie zufolge kommt es im Verlauf der Impfung zur Ausscheidung von SiO2-Keimen, auf die dann der Graphit aufwachsen kann. Jene Keime sind allerdings ebenfalls auf die Existenz von Fremdkeimen angewiesen. Diese werden insbesondere durch solche Elemente gebildet, die eine große Sauerstoffaffinität haben (siehe auch Abschnitt Impfmittel).
Die Einstellung eines günstigen Keimzustandes soll sowohl die Graphitausscheidung (Anzahl, Größe, Form) als auch die Ausbildung des Grundgefüges gezielt beeinflussen (Förderung der Grauerstarrung, Verhinderung einer ledeburitischen Weißeinstrahlung).
Eine wirksame Impfung führt zu gleichmäßigen mechanischen Werkstoffeigenschaften in unterschiedlichen Wanddicken, insbesondere einer Einengung der Härtestreuung. Sie kann außerdem durch ihre Wirkung auf das Austenit Graphit Eutektikum das Dichtspeisungs-verhalten beeinflussen.
Die Impfwirkung steht allerdings in direkter Wechselbeziehung zur Vorgeschichte der zu vergießenden Schmelze, d. h. ihrem metallurgischen Ausgangszustand, der Temperatur-Zeit Führung und der chemischen Zusammensetzung.

Das Impfen kann in mehreren Stufen erfolgen, erzielt seine größte Wirkung jedoch kurz vor oder während des Gießens. Je nach Keimwirksamkeit und Abkühlungsbedingungen wird gelegentlich bereits im Schmelzofen oder im Zwischengefäß, vorzugsweise jedoch beim Füllen der Pfanne, im Gießstrahl oder in der Form geimpft.
Neben Eisen enthält un- oder niedriglegiertes Gusseisen etwa 1,5 – 3% Silizium und 2 – 4% Kohlenstoff. Im Verlauf der Abkühlung erreicht die Schmelze nach einer gewissen Zeit die eutektische Zusammensetzung (4,3% Kohlenstoff) und es setzt dann, zumindest unter Gleichgewichtsbedingungen, unmittelbar die eutektische Erstarrung ein. Der sich ausscheidende Kohlenstoff liegt anschließend vollkommen als Graphit vor. In der Praxis werden jedoch diese Gleichgewichtsbedingungen nicht erreicht. Die Ursachen liegen u.a. in Schwankungen der chemischen Zusammensetzung, der Wanddicke bzw. Abkühlungs-geschwindigkeit und der Gießtemperatur, so dass die Schmelze in den meisten Fällen bis unter die stabile eutektische Temperatur abkühlt bevor die Erstarrung des Eutektikums beginnt.
Ziel des Impfens ist es nun, dafür zu sorgen, dass zu Beginn dieser eutektischen Erstarrung ausreichend Keime zur Kristallisation von Graphit vorhanden sind und die Bildung von Eisenkarbid (Zementit, Fe3C) weitgehend vermieden wird. Die Zugabe von Impfmittel ist somit gleichzusetzen mit einer Zugabe von Kristallisatoren in die flüssige Eisenschmelze, welche eine Graphitkristallisation bei sehr kleinen Unterkühlungen unter die stabile eutektische Temperatur ermöglicht. Damit wird die Bildung von gleichmäßig verteiltem A Graphit in Gusseisen mit Lamellengraphit und die Entstehung vieler kleiner Graphitkugeln im Mg-behandelten Gusseisen mit Kugelgraphit ermöglicht.

Impfmittel

Als Impfmittel werden in der Praxis meist Speziallegierungen auf Basis von Ferrosilizium verwendet. Sie enthalten Zusätze an impfwirksamen Elementen mit hoher Affinität zu Sauerstoff wie Calcium, Aluminium, Barium, Zirkon, Strontium und selten Erden. Denn eine erfolgreiche Impfung ist stets mit einem Abbau des, in der Schmelze gelösten, Sauerstoffs verbunden. Einige Impfmittel enthalten z. B. aber auch Elemente wie Wismut, Titan, Mangan, Schwefel und Sauerstoff, die ebenfalls einen positiven Effekt auf die Graphitkeimbildung haben können. Eine Auswahl verschiedenster Impfmittel der ASK Chemicals Metallurgy wird in Tabelle 1 gezeigt. Des Weiteren gibt es Impfmittel auf FeSi-Basis mit Zusätzen von Graphit durch welche, zusätzlich zu den entstehenden Oxiden, Graphitkeime in die Schmelze eingebracht werden. Beim Einsatz von Graphit als Impfmittel ist darauf zu achten, dass es sich um kristallisierten Graphit handelt, der bei hohen Temperaturen erzeugt wird (2500°C).
Einige dieser impfwirksamen Bestandteile der Impfmittel, insbesondere Ca und Al, sind bereits in gewissen Mengen als „natürliche“ Gehalte im sogenannten „Impf-FeSi“ enthalten. Die komplex legierten Spezialimpfmittel enthalten dann höhere Gehalte und/oder die oben erwähnten zusätzlichen Elemente, die neben der Impfwirkung z.T. auch das Auflösungs-verhalten des Impfmittels beeinflussen.
Die Verwendung von reinem Ferrosilizium als Impfmittel hat sich als wirkungslos herausgestellt.

Der Abklingeffekt

Die Wirkung der Impfbehandlung ist temperatur-, jedoch vor allem aber, zeitabhängig. Man spricht auch von Fading. Die Fadingzeit beginnt mit der Zugabe des Impfmittels und endet wenn die eutektische Erstarrungstemperatur erreicht ist. In dieser Zeit kommt es infolge von Reoxidation, Konzentrationsausgleich sowie Auflösung von Keimen zu einer Verringerung der Anzahl und einer Vergröberung der impfwirksamen Einschlüsse. Damit wird auch der Einfluss der Erstarrungszeiten auf das Impfergebnis verständlich. Während die üblichen Wanddickenbereiche von Seriengussteilen von 5 – 50mm in Sekunden bis einigen Minuten erstarren, kann die Kristallisation von dickwandigen schweren Handformgussteilen ab etwa 60mm Wanddicke, in Abhängigkeit von der Gießtemperatur, Stunden betragen. Diese Unterschiede in den Erstarrungszeiten bedeuten bei den größeren Gussstücken ein stärkeres Abklingen der Impfwirkung und damit eine Verminderung der Anzahl wachstums-fähiger Keime, was wiederum zu einer längeren Kristallisationszeit führt. Beides hat zur Folge, dass im Großguss meist deutlich weniger, aber dafür größere eutektische Körner bzw. Graphitkugeln vorhanden sind (Bild 3).

Durch das Wegfallen nennenswerter Abklingzeiten und der dann geringen Temperatur der Schmelze beim Spätimpfen, lassen sich damit besonders gute Impfergebnisse bei gleichzeitig minimalen Impfmittelzusätzen erzielen. Die maximale Impfwirkung einer Spätimpfung ist in der Regel mit einer Pfannenimpfung nicht erreichbar.
Die in der Praxis angewandten wirkungsvollsten Spätimpfverfahren sind die Gießstrahl- und die Formimpfung. Dabei wird das Impfmittel entweder genau dosiert in den Gießstrahl eingebracht oder in die Form eingelegt und durch das flüssige Eisen während des gesamten Gießprozesses gleichmäßig verteilt aufgelöst.
Besonders berücksichtigt werden muss auch, dass der Abkling- oder Fadingeffekt von der Impfmittelzusammensetzung abhängt. So klingen z. B. sehr starke Impfmittel meist auch sehr schnell wieder ab. Sehr lang anhaltende Impfwirkung wurde wiederum bei Ba- und Cer-haltigen Impfmitteln festgestellt. Dieser Aspekt ist vor allem bei einer mehrstufigen Impfung zu beachten.

Einfluss auf die Graphitausbildung

Die Impfung nimmt über den Keimhaushalt der Gusseisenschmelze Einfluss auf die Zahl, die Größe und zum Teil auch die Form der Graphitausscheidungen.
Bei unzureichender Impfung und, daraus resultierender, zunehmender Unterkühlung kommt es bei Gusseisen mit Lamellengraphit zuerst zur Ausbildung von B-Graphit (Rosettengraphit) oder auch D- und E-Graphit (Unterkühlungsgraphit), s. Bild 2 und Bild 3. Die Folge ist die Bildung von Ferritinseln, die zu einer Verschlechterung der Bearbeitbarkeit führen.

Nimmt die Unterkühlung aufgrund steigender Abkühlungsgeschwindigkeit oder schlechterem Keimzustand noch weiter zu, so kommt es zu meliertem oder gar weißem Gussgefüge, in dem der Graphit teilweise oder vollständig als Eisencarbid (Fe3C) vorliegt.
Bei Gusseisen mit Kugelgraphit macht sich ein schlechter Keimzustand über eine verringerte Kugelanzahl, eine schlechtere Nodularität und auch über das Grundgefüge mit höheren Perlitanteilen und, im ungünstigeren Fall, mit zunehmender Weißeinstrahlung bemerkbar.
Bei gleichen Abkühlungsbedingungen (Wanddicke) hat z. B. ein mit dem Bi-haltigem SMW 605-geimpfter Sphäroguss deutlich höhere Kugelzahlen als ein mit Ba-haltigem Impfmittel geimpftes Eisen, wie in Bild 7 gezeigt wird.

Allerdings muss bemerkt werden, dass bei gleicher Wanddicke und gleicher Impfmittelmenge die spezifische Kugelzahl wiederum neben dem Impfmitteltyp auch von der Wanddicke bestimmt wird.

In Bild 8 ist der Einfluss der Wanddicke bzw. Abkühlgeschwindigkeit auf die spezifische Kugelzahl in Abhängigkeit verschiedener Impfmittel dargestellt. Aufgrund der sehr schnellen Erstarrung sind alle Impfmittel in dünnen Wandstärken noch voll wirksam, während mit zunehmender Wanddicke bereits ein Abklingeffekt eintritt und somit die Kugelzahl abnimmt. Das heißt aber auch, dass man in größeren Wandstärken, selbst mit einer optimalen Impfung, nie an die Kugelzahlen von dünnwandigen Gussteilen herankommt. In sehr dicken Bereichen sind z. B. teilweise nur noch 40 – 60 Kugeln pro mm2 anzutreffen, während man in Gussstückpartien von nur wenigen Millimetern durchaus Kugelzahlen > 500/mm2 erreichen kann. Gleichzeitig mit der Verminderung der Anzahl der Kugeln kommt es auch zu einer Vergröberung des Graphits, siehe auch Bild 3 und 9.

Was hier beispielhaft für das Gusseisen mit Kugelgraphit gezeigt wurde, trifft natürlich auch auf die anderen Gusseisenwerkstoffe zu.

Einfluss auf das Grundgefüge

Gusseisen mit Lamellengraphit
In den meisten Fällen wird bei Gusseisen mit Lamellengraphit die Ausbildung eines feinkörnigen, perlitischen Grundgefüges ohne Weißeinstrahlung und die Ausbildung von feinem A-Graphit angestrebt. Eine wirksame Impfung bzw. ein guter Keimhaushalt beeinflusst den Erstarrungsablauf in dieser Hinsicht positiv und führt, unter Beachtung der sonstigen Einflussgrößen (chem. Analyse, Abkühlungsbedingungen), zu dem gewünschten Gefüge sowie der Ausbildung von gleichmäßig fein verteiltem A-Graphit. Damit werden nahezu gleichmäßige mechanische Werkstoffeigenschaften, auch in unterschiedlichen Wanddicken, bei sehr guter Bearbeitbarkeit gewährleistet.

Gusseisen mit Kugelgraphit
Gusseisen mit Kugelgraphit würde, wegen seiner grundsätzlich stärkeren Unterkühlungsneigung durch die Magnesiumbehandlung, im ungeimpften Zustand meist weiß oder meliert erstarren. Die Grauerstarrung wird erst durch die Impfung herbeigeführt. Damit wird die die spezifische Kugelzahl erhöht, die Nodularität verbessert, die Ferritisierungsneigung erhöht und vor allem auch die Neigung zur Weißerstarrung bzw. Karbidbildung verringert. In Bild 10 ist zur Veranschaulichung das Impfergebnis nach einer Pfannenimpfung mit 0,3% Impfmittel (nach der Magnesiumbehandlung), sowie einer Pfannenimpfung mit 0,2% und 0,1% zusätzlicher Formimpfung gegenübergestellt. Die zusätzliche Formimpfung hat hier sowohl die Kugelzahl erhöht, die Kugelform verbessert und den Ferritanteil erhöht. Auch in mittel- und dickwandigen Gussteilen wird die Gefügeausbildung durch eine Spätimpfung maßgeblich verbessert. Sie ist bei dickwandigen Gussstücken aus GJS (neben dem Anlegen von Kokillen) oftmals die einzige Möglichkeit die Kugelzahl zu erhöhen sowie unerwünschte Seigerungen, Korngrenzenkarbide und Graphitentartungen weitgehend zu vermeiden.

Impfverfahren

Vorimpfung/Vorkonditionierung
Hierunter versteht man die Zugabe von sogenannten Vorkonditionierungsmitteln bzw. anderen keimwirksamen Substanzen bereits im Schmelzofen oder während des Abstiches. Hierbei geht es darum, gleich zu Beginn des metallurgischen Prozesses im Eisen günstige Vorausaussetzungen für eine optimale Gefüge- und Graphitausbildung zu schaffen.Als Vorkonditionierungsmittel wird z. B. das Ce-Zr-Mn-haltige VL(Ce)2 verwendet, was zu einer Reduzierung des Sauerstoffgehaltes und zur Verbesserung des Keimhaushaltes beiträgt. Andere Vorkonditionierungsmittel können z. B. Ba oder Al enthalten. Auch den Einsatz von Siliziumcarbid kann man in gewissem Sinne als Vorkonditionierung bezeichnen, da damit ebenfalls für ein keimreicheres Basiseisen gesorgt wird.

Pfannenimpfung
Dies ist das klassische Impfverfahren, bei dem das Impfmittel beim Abstich oder beim Umschütten, z.B. nach einer Mg-Behandlung, zugegeben wird. Für diese Art der Impfung werden in Abhängigkeit der Eisenmengen meist Impfmittel in Körnungen zwischen 0,6 und 6mm verwendet. Zu beachten ist, das Impfmittel nicht auf den Pfannenboden zu legen sondern möglichst gleichmäßig in den Eisenstrahl zu geben.

Drahtimpfung
Bei der Drahtimpfung erfolgt die Impfung mit Hilfe eines Fülldrahtes der mit körnigem Impfmittel gefüllt ist. Die Zuführung des Drahtes zur Schmelze erfolgt über eine regelbare Einspulmaschine, womit eine genaue Dosierung des Impfmittels sowohl über die Drahtlänge als auch die Einspulgeschwindigkeit gewährleistet ist. Die Drahtimpfung kann sowohl in eine Pfanne als auch in die Gießrinne einer Vergießeinrichtung erfolgen.

Gießstrahlimpfung
Hierbei wird das Impfmittel direkt während des Gießens in den Eisenstrahl zugegeben. Üblicherweise werden dazu so genannte Gießstrahlimpfgeräte verwendet, um eine über den ganzen Gießprozess mengenmäßig gleichmäßige Zugabe in den Gießstrahl zu ermöglichen. Die so genannten Gießstrahlkörnungen liegen meist zwischen 0,2 und 0,7mm, die Zugabemenge sollte nicht mehr als 0,15% betragen, da das Impfmittel in sehr kurzer Zeit vollständig aufgelöst sein muss. Der Vorteil gegenüber der Pfannenimpfung ist der späte Zugabezeitpunkt und somit eine weitgehende Vermeidung des Abklingens der Impfwirkung. Die Gießstrahlimpfung kommt vor allem an automatischen Formanlagen zum Einsatz.

Formimpfung
Die Formimpfung ist die Impfmittelzugabe zum spätest möglichen Zeitpunkt und somit auch das Impfverfahren bei dem der Fadingeffekt auf ein Minimum reduziert ist. Das Impfmittel wird bei der Formimpfung im Gießbassin oder direkt ins Eingusssystem eingebracht. Die Auflösung erfolgt somit unter Luftabschluss direkt im Eisen über die gesamte Gießzeit. Vorzugsweise sollten für die Formimpfung gegossene Impfblöcke verwendet werden, anderenfalls besteht die Gefahr des Einspülens von unaufgelöstem Impfmittelkörnchen mit den negativen Folgen für das Gussgefüge.

Kontrolle und Überwachung der Impfung und des Impfergebnisses

Um Fehler beim Impfen zu vermeiden ist die alleinige Überwachung der Impfwirksamkeit erst nach Abguss des Gussstückes ungenügend, d. h. sie muss im Rahmen der Qualitäts-sicherung geplant und den einzelnen Fertigungsschritten sowie Betriebsbedingungen angepasst werden. Die Datenerfassung und -auswertung sollte den Ansprüchen statistischer Prozesskontrolle genügen. Dies beginnt schon bei der Auswahl, der Wareneingangskontrolle und der Lagerung des Impfmittels. Des Weiteren gehören hierzu u. a. Temperaturmess-, Zeitnahme- und Dosiereinrichtungen (z. B. periodische Überprüfung der zugegebenen Impfmittelmengen, Steuerung der Frequenzen bei Vibrationsrinnen, des Vorschubs bei der Drahtimpfung).[5]Zur Kontrolle des Impfergebnisses stehen dem Gießer verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Dies sind zum einen die klassischen Methoden der Auswertung von Gießkeilproben (Tiefe der Weißeinstrahlung) und die Anfertigung von metallographischen Schliffproben (Graphit- und Gefügeausbildung, Anzahl der eutektischen Körner, Kugelzahl). Zum anderen werden heute Thermoanalysesysteme angeboten, die neben der Darstellung der Abkühlungskurve noch weitere Auswertemöglichkeiten bieten um das Impfergebnis zu bewerten.


 

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