Pyrit in der Herstellung von Eisen

Eisenpyrit (Eisen(ii)-Disulfid, FeS₂, hier als Pyrit bezeichnet) ist ein natürlich vorkommendes Sulfid aus Eisen und einer der häufigsten Sulfiden. Pyrit findet sich in großen Mengen in Quarznähten, in Sediment- und Metamorphgesteinen sowie neben Kohlevorkommen. Neben seinem metallischen Glanz, der ihm ein optisch attraktives Erscheinungsbild verleiht, findet es in der Industrie Anwendung in der Herstellung von Bremsbelägen und als Additiv in der Glasherstellung,unter anderem in Bereichen,von denen viele auf seine hohe natürliche Reinheit und beeindruckende Härte setzen.

Aber eine wichtige zeitgenössische Rolle für Pyrit ist, wenn als Ergänzungsmaterial bei der Herstellung von Gusseisen verwendet. Häufig in pulverförmiger Form bei ca. 100 Maschen hinzugefügt, kann Pyrit als Schwefelquelle dienen, als Hilfsmittel zur Zerspanbarkeit. Als Quelle von Schwefel, Es ist kostengünstig und ungiftig im Vergleich zu anderen bemerkenswerten Quellen.

Pyrit gilt nicht als eine gute Eisenquelle selbst, vor allem im Vergleich zu Magnetit und Hämatit - obwohl es etwa halb Eisen nach Gewicht ist - aber es ist eine gute Quelle von Schwefel(1). Die Zugabe von Materialien wie Pyrit zu geschmolzenem/Gusseisen wird als Impfung bezeichnet und ist eine häufige Flüssigkeitszustandsbehandlung des Eisens(2).

Als Quelle von Schwefel in graphitischen Gusseisen

Graphiteisen ist ein wichtiges Gusseisenmaterial für sich, die Anwendungen dieses Materials sind, wo Materialsteifigkeit wichtiger ist als Zugfestigkeit, zum Beispiel die Motorblöcke von Automobilen und Pumpengehäuse. Graphiteisen ist naturgemäß Eisen, das Graphit enthält. Dem geschmolzenen Eisen werden kohlenstoffhaltige Materialien zugesetzt, die bei der Kühlung ausfallen, um ein dispergiertes Graphitnetz durch das Eisen zu schaffen. Diese Ausfällung wird durch das Vorhandensein von Pyrit verstärkt, das Schwefel in der Schmelze liefert und daher viele Kernpunkte für die Ausfällung von Graphit erzeugt(3).

Die Zugeigenschaften von graphitischem Eisen werden durch das Vorhandensein von Schwefel moduliert - Experimente, die zwischen 0,023 und 0,080 Gewicht% Schwefel (aus der Zugabe von einem maximalen 200 m Durchmesser Pyritpulver) hinzufügen, haben eine gleichmäßigere und klar definierte Mikrostruktur verursacht, aber über einen bestimmten Punkt hinaus trägt die Pyritzugabe zu einer Verringerung des Schwefelgehalts bei(4). Am anderen Ende der graphischen Eisenherstellung befindet sich die Bildung von Knötchen - wo der gebildete Graphit kugelförmiger Natur ist und ein duktileres Gusseisen bietet. Aus der gleichen Studie wurde herausgefunden, dass höhere Schwefelzusätze aus Pyrit mehr Keimbildung und damit kompaktere und flockenartige Formen von Graphit, d.h. weniger Knötchen, bieten. Die Impfung, um mehr Keimungspunkte zu ergeben, wird durch die Erhöhung des Schwefelgehalts über Pyrit(5) effizienter.

Die Anzahl der Knötchen ist tendenziell größer, wenn dem geschmolzenen Eisen in späteren Stadien des Prozesses über eine Reihe von Eisenzusammensetzungen hinweg Schwefel/Pyritkörner zugesetzt werden(6). Bis zu 0,55 Gewichtsprozent Schwefel als Inokulator ist häufig. Patente zur Herstellung von Gusseisen in Automobilqualität deuten auf einen gemeinsamen Schwefelgehalt im Bereich von 0,2 bis 0,3 Gewichtsprozent Schwefel(7) hin.

Insgesamt wird gesagt, dass die Zugabe von Pyrit zur graphitischen Eisenproduktion besonders vorteilhaft für stark verdichtete Einsätze von graphitischem Eisen ist, zusätzlich zu Eisen, wo ein moderater Grad an Duktilität erforderlich ist. Verdichtetes Graphiteisen, das mit Schwefel aus Pyrit hergestellt wird, hat Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften, die sich denen nähern, die mit duktilem Eisen(8) gesehen werden.

Verbesserung der Machinabilität in Gusseisen

Grauguss ist eine Art graphitisches Eisen, so genannt wegen seiner grauen Färbung, aber die Zerspanbarkeit kann aufgrund seiner Härte problematisch sein. Die Machbarkeit ist bei der Herstellung von Metall enden, vor allem aber bei eisentechnisch so wichtig. Berechenbarkeit kann jeder Prozess vom Bohren, Drehen, Fräsen und Schleifen sein.

Eine Methode zur Gewährleistung einer einfacheren Bearbeitung ist die Zugabe von so genannten "Engineering-Einschlüssen", die zu einer Verringerung des Verschleißes an Werkzeugen und/oder geringeren Bearbeitungskräften führen können, die erforderlich sind, um das gleiche Ergebnis zu erzielen(9). Überschüssige Sulfide (aus Pyrit) werden mit Mangan in technische Einschlüsse umgewandelt, die Mangansulfide bilden, die als optimale Einschlüsse gelten. Erhöhter Schwefelgehalt aus Pyrit erhöht die Größe der Einschlüsse. Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Zerspanbarkeit nicht durch die Morphologie der Einschlüsse, sondern durch die prozentuale Fläche beeinflusst wird(10). Schwefelgehalte weit über 0,2 Gewichtsprozent werden toleriert. Eine geeignete und genaue Bestimmung von technischen Einschlüssen ist unerlässlich, da sich an der Einschluss-Matrix-Schnittstelle Mikrorisse bilden können, was zu einer Reduzierung von Schnittkraft und Energieverbrauch führt(11). Mangan ist eine häufige Aufnahme in Gusseisen.

Andere Studien haben gezeigt, dass die Zugabe von Schwefel (über Pyrit oder andere Mittel) zu einem späteren Zeitpunkt in Mengen von nur 0,06 Gewichtsprozent zu einer enormen Verbesserung der Zerspanbarkeit führt(12), und dass ein Zielschwefel-Einschlusswert über 0,12 Gewichtsprozent für eine optimale Zerspanbarkeitsverbesserung liegen sollte.

Auswirkungen der Pyrit-Zugabe auf den Gießprozess

Nichtmetallische Einschlüsse wie Graphit und Schwefel können die Erstarrung, Struktur und globale Gussqualität von Eisen dramatisch modulieren. Die Prüfung der Patentliteratur zeigt, dass die Herstellung von Eisen über Agglomeration durch die Zugabe von Metallsulfidpulvern (wie Pyrit) neben Metalloxiden - ohne chemische Bindemittel - verbessert wird, die für den Einsatz im Walzen geeignet sind(13). Eine Studie aus Japan legte nahe, dass ein erhöhter Schwefelgehalt in einer Schmelze Oberflächendefekte verursachen kann, wenn er in einer Grünen-Sandguss-Situation eingesetzt wird, aber dies kann durch die Verwendung erhöhter Mengen an kohlenstoffhaltigem Material in der Form negiert werden(14).

In Gusseisen sind Schwefelgehalte unter 0,04 Gewichtsprozent mit einer höheren eutektischen Unterkühlung verbunden, die zur Bildung von unterkühlter Graphit und/oder Karbiden führen kann(15); die eutektische Unterkühlung kann durch Zugabe der Schwefelquelle zu einem späteren Zeitpunkt in der gesamten Flüssigkeitsstadiumbehandlung von geschmolzenem Eisen kontrolliert und verlangsamt werden(16). Überschüssige Hartmetallbildung sollte vermieden werden, da solche Materialien die Zerspanbarkeit reduzieren, und moderate bis hohe Schwefel-/Pyritkonzentrationen können diese Effekte negieren. Dieser Begriff wird durch chinesische Forschungen untermauert, die besagt, dass die Menge an unterkühlter Graphit in grauem Stahl im Wesentlichen eliminiert wird, wenn die Schwefelaufnahme über 0,143 Gewichtsprozent(17) und eine optimale Mikrostruktur im Schwefelbereich von 0,078 bis 0,121 % erhöht wird.

Als Schwefelquelle ist Pyrit neben Eisensulfid (FeS) und Elementarschwefel (S₈₎eine der drei Hauptquellen. FeS ist bekannt für seinen hohen Schwefelgehalt, aber hohe Kosten; Elementarschwefel ist wohl die beste Schwefelquelle, aber er wird leicht und schnell nach Zugabe zu einer Schmelze verdampft - ein solcher verdampfter Schwefel macht jede Rückgewinnung dieses Schwefels schwierig und instabil. Nicht unüberwindliche Probleme im Zusammenhang mit der Zugabe von Pyrit zu geschmolzenem Eisen sind, dass Pyrit aufgrund seiner geringen Dichte in Schlacke schweben kann - die Sanierung erfolgt in erster Linie durch langsame Zugabe des Eisenpyrits. Es wird darauf hingewiesen, dass die Neigung, Schlacke zu bilden, in erster Linie ebenso mit der Schmelzmethode und dem Schmelztopf zusammenhängt wie die geschmolzenen Materialien selbst(18).

In grauem Gusseisen, während es eine breite Toleranz der Schwefelwerte gibt, verursacht das Vorhandensein von FeS heiße Kürze. Heiße Kurzzeit ist ein Prozess, bei dem bei hohen Arbeitstemperaturen Gussmetalle eine besonders geringe mechanische Festigkeit aufweisen und Tendenzen zu knacken statt zu verformen sind. Die oben genannten technischen Einschlüsse, die aus dem Vorhandensein von Schwefel (aus jeder Quelle) und Mangan entstehen, negieren diese etwas(19).

Beratung von Manganoxid

Pyrit (Eisen(ii)-Disulfid , FeS₂) ist eine weit verbreitete und hochreine Schwefelquelle, die in der Eisengussindustrie verwendet wird.
Bei der Herstellung von graphitischem Gusseisen ist Pyrit/Schwefel für die Bereitstellung von Keimbildungsstellen verantwortlich, die die Bildung von Graphit ermöglichen.
Gusseisen aus Pyrit/Schwefelzusätzen sind für ihre klar definierten und sehr regelmäßigen Mikrostrukturen bekannt
Pyrit/Schwefeleinschlüsse hemmen die Bildung von Knötchen, was zu mehr duktilem Eisen führen kann
In der Graueisenherstellung wird die Zerspanbarkeit durch die Verwendung von Pyrit/Schwefel durch die Herstellung von Mangansulfiden als technische Einschlüsse verbessert - solche Einschlüsse erleichtern mehrere Bearbeitungsprozesse
In Gusseisen im Allgemeinen moduliert die Verwendung von Pyrit als Schwefelquelle die Gießqualität des Eisens und minimiert die Auswirkungen der eutektischen Unterkühlung
Im Vergleich zu anderen Schwefelquellen ist Pyrit billiger und hat weniger Verdampfungsprobleme

Verweise

1 C. R. A. Wright, J. R. Soc. KunstTransportjahr 1873, 22, 536

2 I. Riposan und T. Skaland, Modifikation und Impfung von Gusseisen, in: D.M. Stefanescu (Ed.) Cast Iron Science and Technology, ASM International, Novelty, Ohio, Vereinigte Staaten, 2017

3 I. Riposan et al., AFS Trans., 2003, 3, 93

4 H. R. Abbasi et al., J. Mater. Proc. Tech.Transport , 2009, 209, 1701

5 A. de A. Vicente et al., J. Alloys Compounds, 2018, 10.1016/j.jallcom.2018.10.136

6 O.M. Suérez et al., Int. J. Cast Metals Res.Transport , 2003, 16, 1

7 US-Patent US2887421A, 1955; Frankreich Patent FR2887421X, 1955

8 S. Dawson und T. Schroeder, AFS Trans. , 2004, 2, 9

9 H. Opitz, Proc. Int. Prod. Eng. Res. Conf.Transportjahr 1963, 107

10 A.A. Pereira et al., J. Mater. Proc. Tech.Transport , 2006, 179, 165

11 B. Mills et al., Wear, 1997, 208, 61

12 R. Z. Wu, Eisen- und Stahlerzeugung, 2008, 35, 638

13 US-Patent US6866696B1, 2002

14 Y. Awano et al., J. JFS, 2011, 83, 20 (auf Japanisch)

15 I. Riposan et al., Schwefel - ein Schlüsselelement der Graphitbildung in Eisen, in: UgalMet 2016: The 7th Conference on Material Science and Engineering, Galati, Rumänien, 2016

16 I. Riposan et al., Schwefel in Gusseisen - Freund oder Feind?, in: AFS International Ferrous Melting Conference, Nashville, USA, 2015

17 W. Liu et al., Gießerei, 2011, 1, 1

18 A. S. Zavertkin, Refract. Ind. Ceram., 2013, 54, 35

19 K. K. Saxena et al., Mater. Heute: Proc., 2020, 10.1016/j.matpr.2020.02.577