CH651486A5 - Method for determining an area as an aid for adjusting or correcting the composition of iron/carbon melts before casting - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Verfahren zur Bestimmung einer Fläche als Hilfsmittel zur Einstellung oder Korrektur der Zusammensetzung von Eisen-Kohlenstoff-Schmelzen vor dem Abguss durch thermische Analyse einer kleinen Probe der Schmelze, wobei diese zu einem Standardprobekörper vergossen und dessen Differential-Kalorimeter-Kurve (D) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte dieser Kurve (D) in einen Rechner eingespeichert werden und von den Werten einer bestimmten, gleichfalls dort gespeicherten Gesamtwärmelinie (G) abgezogen werden, woraus sich eine Fläche der Differenzen ergibt, die den zeitlichen Ablauf des Freiwerdens der Erstarrungswärme sowie die Gesamterstarrungs-wärme zeigt, wobei aus der Form dieser Fläche und der angezeigten Gesamterstarrungswärme Aussagen über die Gefügeausbildung und das Lunkerverhalten der Schmelze abgelesen und die erforderlichen Massnahmen zur Einstellung oder Korrektur ihrer Zusammensetzung ergriffen werden können.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Fläche als Hilfsmittel zur Einstellung oder Korrektur der Zusammensetzung von Eisen-Kohlenstoff-Schmelzen vor dem Abguss durch thermische Analyse einer kleinen Probe der Schmelze, wobei man diese zu einem Standardprobekörper vergiesst, dessen Differential-Kalorimeter-Kurve aufnimmt und daraus Schlüsse auf den Schmelzzustand zieht. Danach kann entweder durch Überhitzen der Schmelze der Keimzustand geändert und/oder durch Zulegieren die Zusammensetzung korrigiert werden.

Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus der DE-PS 2 316 035, und zwar werden dabei die Schlüsse auf den Schmelzzustand gezogen aufgrund des Vergleichs dieser Kurve mit einer Differential-Kalorimeter-Kurve, die einer Schmelze entspricht, die Gusskörper der gewünschten Qualität ergibt. Dieses bekannte Verfahren hat sich seit mehreren Jahren in der Praxis sehr bewährt, jedoch muss man, um den Vergleich zu ermöglichen, entweder jeweils einen Vergleichstest anstellen, der die benötigte Vergleichskurve liefert, oder man muss eine grössere Anzahl von Kurven von vorgetesteten Proben zur Hand haben, um in jedem Fall eine für den bestimmten Zweck geeignete Testkurve zur Verfügung zu haben. Diese Arten des Vorgehens sind etwas umständlich bzw. aufwendig.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass der zeitliche Verlauf des Freiwerdens der Erstarrungswärme eines kleinen Probekörpers im Vergleich mit einem berechneten Gesamtwärmeverlauf und die Gesamterstarrungswärme des Probekörpers Rückschlüsse auf die Gefügeausbildung eines wesentlich grösseren Gussstücks erlaubt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass es keine Erstellung von Testkurven erfordert.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Werte der Differential-Kalorimeter-Kurve des Standardprobekörpers in einen Rechner eingespeichert werden und von den Werten einer bestimmten, gleichfalls dort gespeicherten Gesamtwärmelinie abgezogen werden, woraus sich eine Fläche der Differenzen, die den zeitlichen Ablauf des Freiwerdens der Erstarrungswärme sowie die Gesamterstarrungswärme zeigt, wobei aus der Form dieser Fläche und der angezeigten Gesamterstarrungswärme Aussagen über die Gefügeausbildung und das Lunkerverhalten der Schmelze abgelesen und die erforderlichen Massnahmen zur Einstellung oder Korrektur ihrer Zusammensetzung ergriffen werden können.

Der Vorteil des neuen Verfahrens gegenüber dem oben beschriebenen bekannten Verfahren besteht darin, dass man Kurven vorgetesteter und als gut befundener Proben als Vergleichsbasis nicht mehr benötigt. Man zieht vielmehr die s Werte der Differential-Kalorimeter-Kurve der zu untersuchenden Probe, die in einen Rechner eingespeichert werden, von den Werten einer in diesem Rechner gespeicherten Gesamtwärmelinie ab und bekommt so die Erstarrungswärme ausgeworfen. Aus der Menge der aus der Schmelze freiwer-10 denden Kalorien kann der Fachmann bei entsprechender Erfahrung beurteilen, ob die Schmelze für den Guss eines bestimmten zu produzierenden Gegenstandes geeignet ist.

Die Gesamtwärmelinie ist die Kurve, welche den zeitlichen Verlauf der Wärmeabgabe eines Vergleichs-Probekör-1S pers gleicher Grösse, Form und Zusammensetzung im gleichen Formstoff für den Fall wiedergibt, dass die Erstarrung homogen ohne Abscheidung verschiedener Phasen erfolgt. Sie lässt sich nach D. Rabus und K. Wutzl, Material und Technik, Jg. 5 (1977), Nr. 2, S. S. 100-102, wie folgt berech-20 nen: Für die Gesamtwärmeabgabe gilt das sogenannte Wurzelgesetz:

25

Q = kl/To,

Q = cp • T • G

(1)

(2)

worin

Q — Gesamtwärmemenge (kJ)

k = Variable (kJ m~2 s~ v') = Konstante des Wurzelgesetzes

30 t = Zeit Sekunden (s)

O = Oberfläche der Probe (m2)

cp = spezifische Wärme (kJ.kg-1 • K-1)

T = Temperatur (K)

G = Masse (kg)

35

k wird experimentell durch Aufnahme einer Abkühlungskurve im flüssigen und festen Bereich, also in dem durch Erstarrungsvorgänge nicht gestörten Bereich bestimmt, welche die k-Werte nach folgender Gleichung in Abhängigkeit von der 40 Zeit liefert: Mit T = Tj - T2 und ]/t = ]/t2 - tj wird aus (1) und (2)

45

k =

IT, - Tjl-C^G

(3)

\FTZ~T? -°

!

Die k-Werte nehmen zwischen Liquidus und Solidus erheblich zu, was nur durch die bessere Temperaturleitfähig-50 keit der bereits erstarrten Anteile der Schmelze und durch die ständige Zunahme der Temperaturdifferenz zwischen Mitte und Rand des Probekörpers infolge der im Inneren später frei werdenden Erstarrungswärme erklärt werden kann.

55

Der ebenfalls gemessene zeitliche Verlauf der Temperaturdifferenz zwischen Mitte und Rand der Probe während der Erstarrung der Schmelze dient als Grundlage für die Festlegung der k-Werte zwischen Liquidus und Solidus, in-60 dem diese Grenzwerte durch die Verlaufskurve verbunden werden. Es wird also angenommen, dass die Temperaturleit-fahigkeit zwischen Mitte und Rand der Probe entsprechend der Zu- oder Abnahme der Temperaturdifferenz zwischen Mitte und Rand der Probe zu- oder abnimmt.

65

Aufgrund der so gefundenen k-Werte wird die Gesamtwärmemenge in Abhängigkeit von der Zeit, d. h. die Gesamtwärmelinie, nach dem Wurzelgesetz berechnet:

3

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Q t -t = kt -t Z2 1 2 1

. ]Jt2 - • o [kJ]

(4)

Q'2-

tl kt2-ti setzt man

Wärmeabgabe des Probekörpers in der Zeit zwischen ti und t2 die Variable k in der Zeit zwischen ti und t2

t2"t1 =

2_t1

(-]

lkg ;

lässt sich die Gesamtwärmelinie nach den Gleichungen (3) und (4) in Temperatur werte umrechnen, wobei t2-ti = At, nämlich die für die Aufzeichnung der Differential-Kalorime- 20 ter-Kurve gewählte Differenzzeit ist:

Fig. 3a & 3b Darstellungen entsprechend den Fig. 2a und 2b für eine Schmelze, welche gute Gussstücke liefert;

Fig. 4 ein Diagramm der Abhängigkeit der Festigkeit des Gussstücks von der Temperatur Tp bei Beginn der Perlit-10 Bildung.

In den Figuren sind

A = Zeit-Temperatur-Kurve (an Probe gemessen) = Ab-

kühlungs- bzw. Erstarrungs-Kurve D = 1. Ableitung der Kurve A 15 G = Gesamtwärmelinie = 1. Ableitung der Kurve der Wärmeabgabe aus (3) und (4) berechnet G' = Achse, auf der die Differenz D-G aufgetragen ist. D' = D-G, bezogen auf die Achse G'

M = Stelle des 1. Minimums der 1. Ableitung D der Kurve A.

V*,

Cp

= T

Die k-Werte sind abhängig von der Gefügeausbildung, die vom Kohlenstoffäquivalent (CE) abhängt. Sie werden für verschiedene Eisenlegierungen mit verschiedenen CE vorbestimmt. Mit diesen gefundenen k-Werten kann man die Gesamtwärmelinie in Abhängigkeit vor der Zeit in der angegebenen Weise errechnen. Die Gesamtwärmelinie einer Anzahl der voraussichtlich benötigten verschiedenen Legierungen mit verschiedenen Kohlenstoffäquivalenten (CE) werden vorab in den Rechner eingespeichert.

Die Gesamtwärmelinien sind auch abhängig von der Giesstemperatur, die deshalb für die jeweils gewählte Gesamtwärmelinie und die Differential-Kalorimeter-Kurve der Probe messtechnisch oder rechnerisch etwa gleich gehalten wird. Die passende Gesamtwärmelinie wird nach dem CE der Schmelze, von welchem die Gefügeausbildung abhängt, aus den gespeicherten Kurven ausgewählt. Das CE des Eisens in der Probe bestimmt der Rechner selbst nach bekannten Verfahren aus den gemessenen Solidus-und Liquidus-werten derselben.

Wenn man die Gesamtwärmelinie als Nullinie ansieht, so ergibt die Fläche zwischen dieser und der Differential-Kalorimeter-Kurve im Bereich zwischen Liquidus und Solidus den jeweiligen Anteil an Kristallisationswärme, die in bekannter Weise auf die Gefügebestandteile aufgeteilt werden kann.

Die Erfindung wird erläutert durch das folgende Ausführungsbeispiel, das sich auf die beigefügten Figuren bezieht. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Abkühlungskurve A und der zugehörigen Differential-Kalorimeter-Kurve D eines Standardprobekörpers und einer berechneten Gesamtwärmelinie G;

Fig. 2a die entsprechenden Kurven, wie sie vom Rechner für eine Standardprobe und die ausgewählte Gesamtwärmelinie aufgezeichnet wurden, für eine Schmelze, die Gussstük-ke mit Lunkern lieferte, und

Fig. 2b eine vom Rechner aufgrund dieser Werte erstellte Darstellung der Differenz zwischen Differential-Kalorime-ter-Kurve und Gesamtwärmelinie der Fig. 2a, welche durch ihre Fläche die beim Erstarren freiwerdende Wärmemenge angibt.

Beispiel

Es sollen Rippenzylinder der Qualität GGL 25 gegossen werden. An dieses Gussstück werden folgende Forderungen 25 gestellt:

1. Keinerlei Mikroporosität

2. Zugfestigkeit mindestens 250 N/mm2

Von der Schmelze wurde ein Standardprobekörper mit 30 den Abmessungen 35 mm x 35 mm x 38 mm vergossen, dessen Differential-Kalorimeter-Kurve aufgenommen und in einen Rechner eingespeichert wurde. Im Rechner war bereits zuvor die Gesamtwärmelinie für eine Schmelze GGL 25 eingespeichert. Der Rechner druckte bei der Messung des Stan-35 dardprobekörpers zunächst die in Fig. 2a gezeigten Kurven G und D und anschliessend die Kurve D' der Fig. 2b. Schliesslich druckte er auch noch die Werte der entsprechenden waagrechten Zeile der folgenden Tabelle.

Die Tabelle zeigt, dass bei der Impfung der Schmelze mit 40 0,2% FE Si 75 178 J/g eutektische Reaktionswärme frei wurden. Diese Wärmemenge ist, wie der Fachmann aus Erfahrung weiss, zu klein und deutet daraufhin, dass zu wenig eu-tektischer Graphit ausgeschieden wurde. Tatsächlich ergab sich bei den aus dieser Schmelze erhaltenen Gussstücken eine 45 Ausschussquote von 75% wegen Mikroporosität.

Wird diese Schmelze jedoch mit 0,2% Fe Si + Cer-Misch-Metall behandelt, so erhöht sich die eutektische Reaktionswärme auf 191 J/g. Die Ausschussquote wegen Mikroporosität wurde dadurch auf Null gesenkt. Der kalori-50 sehe Unterschied zwischen den Fällen, wo gute und jenen, wo schlechte Gussstücke erzielt werden, beträgt dabei lediglich etwa 13 J/g. Dieser Unterschied wird jedoch vom Gerät deutlich angezeigt, automatisch berechnet und zahlenmässig ausgedruckt.

55 Die Kristallisationswärmemenge q entspricht der Fläche zwischen der ersten Ableitung D der Zeit-Temperatur-Kurve A und der Gesamtwärmelinie G (Fig. 1). Die Kurve D ist die Differential-Kalorimeter-Kurve, die streng genommen als Differenzen-Quotienten-Kurve AT/At zu bezeichnen ist. Die 60 Aufteilung der Gesamtkristallisationswärme auf Eutektikum (punktierte Fläche) und Dendriten (schraffierte Fläche) wird vom Differential- und Analysengerät automatisch nach dem ersten Minimum (Punkt M in Fig. 1) der Differential-Kalorimeter-Kurve D vorgenommen.

65 Fig. 2a zeigt die Zeit-Temperaturkurve A, die Differential-Kalorimeter-Kurve D und die Gesamtwärmelinie G für den Guss von Rippenzylindern mit 0,2% FE-Si 75 Impfung, welche wie erwähnt 75% Ausschuss liefert.

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4

Die Schmelze wurde nach dem Impfen etwa 6 Minuten in der Pfanne gehalten und dann mit der Giesstemperatur TG von 1280 :C gegossen.

Das Gerät rechnet aus den Kurven D und G der Fig. 2a die Kurven der Fig. 2b, die das zeitliche Freiwerden der Erstarrungswärme zeigt. In Fig. 2b ist die Basislinie G' die li-nearisierte Gesamtwärmelinie G und die Kurve D' ist der Abstand zwischen D und G in den jeweiligen Zeitintervallen, bezogen auf G'. Man erkennt so die Fläche, die das zeitlich aufeinanderfolgende Freiwerden der Wärmemengen widerspiegelt.

Die schraffierte Fläche W von 3 cal/g errechnet sich aus der Zeit t in Sekunden multipliziert mit dem Differenzenquotienten AT/At und mit der spezifischen Wärme cp wie folgt:

q = ÉÏ • t(Sek) • cp=0,5 • 30 • 0,2 = 3 cal/g = 12,5 J/g At

Fig. 3 zeigt die analogen Kurven für den Guss mit 0,2% FE-Si + Cer-Mischmetall-Behandlung, welche Gussstücke ohne Ausschuss liefert. Auch diese Schmelze wurde nach dem Impfen etwa 6 Minuten in der Pfanne behandelt und dann bei Tg = 1262 °C gegossen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens gegenüber dem bekannten Verfahren, in welchem man die Festigkeit von Sphäroguss durch Vergleich des Kurvenverlaufs im Bereich der Austenit-Perlitumwandlung mit Testkurven feststellte, besteht darin, dass dann, wenn die erste Ableitung der Zeit-Temperatur-Kurve, also die Differential-Kalorimeter-Kurve D, durch die Perlitreaktion die Richtung ändert, die Temperatur, bei welcher die Umwandlung beginnt, vom Rechner ausgeworfen wird. Fig. 4 zeigt als Beispiel, wie für einen Sphäroguss die zu erwartende Zugfestigkeit von der Temperatur Tp, bei welcher die Perlitreaktion beginnt, abhängt.

Tabelle

Gussstück: Impfung 0,2% Impfung 0,2%

Rippenzylinder GGL 25 FeSi 75 FeSi + Cer-

Zeit: Pfanne ca. 6 Min. (Fig. 2) Mischmetall

(Fig. 3)

Analyse

Kohlenstoffäquivalent CE 3,97 3,94

Sättigungsgrad Sc 0,933 0,927

Giesstemperatur Tg °C 1280 1262 Kristallisationswärme cal/g bzw. J/g

Gesamt cal/g

59,4

60,9

J/g

249

254

Dendriten cal/g

16,8

15,3

J/g

70

64

Eutektisch cal/g

42,6

45,6

J/g

178

191

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

S

3 Blatt Zeichnungen