In der Gießereiindustrie wirkt sich die Qualität der Aufkohlungsmittel direkt auf die Qualität des geschmolzenen Eisens, die Gussleistung und die Endkosten aus. Stickstoff und Schwefel sind zwei sehr kritische Elemente, deren Auswirkungen komplex sind und eine strenge Kontrolle erfordern.
I. Die Wirkung von Stickstoff (N): Ein zweischneidiges Schwert
Stickstoff spielt in geschmolzenem Eisen eine doppelte Rolle und sein Einfluss hängt von der Zusammensetzung des geschmolzenen Eisens, der Abkühlgeschwindigkeit und dem endgültigen Stickstoffgehalt ab.
1. Positive Effekte (positive Effekte, unter moderaten und kontrollierten Bedingungen):
• Verfestigung von Ferrit: Stickstoff löst sich in Ferrit, spielt eine Rolle bei der Verfestigung fester Lösungen und erhöht leicht die Festigkeit von Gusseisen.
• Stabilisierender Austenit: Trägt zur Stabilisierung der Austenitstruktur bei.
• Förderung der Karbidbildung: In Kombination mit bestimmten Elementen kann es die Bildung von Perlit fördern und so die Festigkeit und Härte erhöhen.
• Als Legierungselement: In einigen hochwertigen Grauguss- oder Sphärogusseisen können entsprechende Mengen Stickstoff mit Magnesium, Kalzium usw. winzige Nitride bilden, die als Keime für die Graphitkristallisation dienen, Graphit verfeinern, die Graphitmorphologie verbessern und so die mechanischen Eigenschaften des Materials verbessern.
2. Negative Auswirkungen (Gefährdungen bei zu hohem Gehalt oder ungünstigen Bedingungen):
• Bildung von Stickstoffporen (Pinholes): Dies ist die tödlichste Gefahr von Stickstoff. Wenn der Gehalt an gelöstem Stickstoff in geschmolzenem Eisen zu hoch ist, nimmt die Löslichkeit von Stickstoff während des Erstarrungsprozesses des Gussstücks stark ab. Übersättigter Stickstoff fällt in Form von Blasen aus und bildet subkutane Poren oder feine, verteilte Poren. Diese Poren beeinträchtigen die Dichte, die mechanischen Eigenschaften und die Oberflächenqualität des Gussteils erheblich.
• Induktion von gebrochenem Graphit (Stickstoff-induzierte Graphitverformung): In übereutektischem Grauguss führt ein übermäßig hoher Stickstoffgehalt zu einem abnormalen Wachstum von Graphitflocken und bildet scharfe, gebrochene Graphitmorphologien, die die Matrix stark brechen und die Festigkeit und Zähigkeit des Gussteils, insbesondere die Schlagzähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, drastisch verringern.
• Erhöhte Gusssprödigkeit: Zu viele Nitride erhöhen die Sprödigkeit des Materials.
Aufkohlungsmittel sind eine der Hauptquellen für Stickstoff in geschmolzenem Eisen. Insbesondere bei der Verwendung von Ofenbeschickungen mit einem hohen Anteil an Stahlschrott enthält der Stahlschrott selbst Stickstoff, und wenn das Aufkohlungsmittel einen hohen Stickstoffgehalt aufweist (z. B. einige Aufkohlungsmittel aus Petrolkoks), kann es leicht zu einem übermäßigen Gesamtstickstoffgehalt in der Eisenschmelze kommen.
II. Der Einfluss von Schwefel (S): Von „schädlich“ zu „nützlich“
Der Einfluss von Schwefel unterscheidet sich grundsätzlich zwischen Grauguss und Sphäroguss.
1. In Grauguss:
• Traditionelle Sichtweise (schädlich): Schwefel bildet Eisensulfid (FeS) mit niedrigem{0}}Schmelzpunkt-, das sich an den Korngrenzen verteilt, die Heißsprödigkeit von Gussteilen erhöht, die Fließfähigkeit verringert und die Schrumpfung fördert. Es gilt allgemein als schädliches Element und muss kontrolliert werden.
• Modernes Verständnis (mäßig vorteilhaft): Angemessene Mengen Schwefel (allgemein empfohlen 0,06 %-0,12 %) können sich mit Mangan verbinden, um Mangansulfidpartikel (MnS) mit hohem Schmelzpunkt zu bilden. Diese Partikel können als Keime für die Graphitbildung dienen, die Graphitisierung fördern, Graphit verfeinern und so die Festigkeit und Härte von Grauguss verbessern. Daher ist in modernen Gießverfahren ein niedrigerer Schwefelgehalt nicht immer besser; Vielmehr muss es in einem geeigneten Bereich stabilisiert werden.
• Die Rolle von Aufkohlungsmitteln: Wenn das Aufkohlungsmittel zu viel Schwefel enthält, führt dies zu drastischen Schwankungen im Schwefelgehalt der Eisenschmelze, die die Kontrolle erschweren. Stabile, schwefelarme Aufkohlungsmittel sind die Grundlage für die Herstellung von hochwertigem Grauguss.
2. Bei Sphäroguss:
• Ein äußerst schädliches Element: Schwefel ist der „Feind Nummer eins“ von Sphäroguss. Schwefel hat eine sehr starke Affinität zu Sphäroidisierungsmitteln (wie Mg, Ce usw.) und reagiert bevorzugt mit den Sphäroidisierungsmitteln unter Bildung von Sulfiden (wie MgS), wodurch eine große Menge wertvoller Sphäroidisierungsmittel verbraucht wird und es zu einer Verschlechterung der Sphäroidisierung kommt.
• Schädigung der Graphit-Sphäroidisierung: Nach dem Verbrauch des Sphäroidisierungsmittels beeinträchtigt restlicher Schwefel das sphäroidische Wachstum des Graphits, was zu einer Verformung des Graphit-Sphäroids, einer verringerten Anzahl von Graphit-Sphäroiden und dem Auftreten von Flockengraphit führt, was zu einer erheblichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führt.
• Gefahr von Einschlüssen: Die vermehrte Bildung von Sulfidschlacken erhöht das Risiko von Einschlussfehlern.
• Strenge Anforderungen an Aufkohler: Daher müssen bei der Herstellung von Sphäroguss Aufkohler mit extrem niedrigem Schwefelgehalt verwendet werden (typischerweise S < 0,05 %, qualitativ hochwertige erfordern < 0,02 %), um den Schwefelgehalt des Roheisens zu reduzieren und den Sphäroidisierungseffekt und die Stabilität sicherzustellen.
III. Empfehlungen für Gießereibetriebe:
1. Bedarf klären: Bestimmen Sie zunächst, ob Grauguss oder Sphäroguss hergestellt werden soll, und legen Sie die angestrebte Güte fest.
2. Rohstoffe streng kontrollieren: Behandeln Sie Aufkohlungsmittel als wichtige Prozessmaterialien und nicht als gewöhnliche Hilfsstoffe. Legen Sie klare und strenge Beschaffungsstandards für deren Stickstoff- und Schwefelgehalt fest.
3. Priorisieren Sie hochwertige Aufkohler:
• Graphitisierte Aufkohler: Sie werden aus Graphitelektroden oder -abfällen hergestellt und haben einen hohen Kohlenstoffgehalt, einen extrem niedrigen Schwefel- und Stickstoffgehalt sowie eine hohe Absorptionsrate. Damit sind sie die beste Wahl für die Herstellung von hochwertigem Gusseisen (insbesondere Sphäroguss und hochwertiges Grauguss), allerdings sind sie teurer.
• Hochtemperaturkalzinierte Petrolkoks-Aufkohler: Nach gründlicher Kalzinierung werden Schwefel, Stickstoff und flüchtige Bestandteile erheblich reduziert, was eine hohe Kosteneffizienz bietet und sie zu einer weit verbreiteten Wahl im mittleren bis oberen Preissegment macht.
• Vermeiden Sie die Verwendung von: unkalziniertem oder leicht kalziniertem Aufkohlungsmittel auf Petrolkoks- oder Kohlebasis, da ihr hoher Gehalt an Schwefel, Stickstoff und flüchtigen Stoffen leicht zu Gussfehlern führt.
Verstärkte Prozessüberwachung: Führen Sie regelmäßig Analysen vor dem Ofen (z. B. Spektralanalyse) an geschmolzenem Eisen durch, um Änderungen im Stickstoff- und Schwefelgehalt zu überwachen und so zeitnahe Prozessanpassungen zu ermöglichen.
Zusammenfassend sind Stickstoff und Schwefel in Aufkohlungsmitteln die zentralen Variablen, die die Stabilität der Gussqualität bestimmen. Durch die wissenschaftliche Auswahl und Kontrolle der Qualität von Aufkohlungsmitteln können schwerwiegende Mängel wie Porosität, Graphitverformungen und schlechte Sphäroidisierung wirksam vermieden werden, wodurch die Gussqualität und die Produktionseffizienz verbessert werden.
