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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Bestimmung der Erstarrungs-Kenngrössen von Schmelzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der
Erstarrungswärme im gesamten Wärmestrom einer sich abküh lenden Schmelzprobe festgestellt wird, indem die Geschwindig keit der Veränderung der Temperatur der Probe mit dem ge samten Wärmestrom der Probe verglichen wird, wobei der Wär mestrom entweder durch Messen einer Temperaturdifferenz oder durch Messen nur eines Temperaturverlaufes in der Probe und Nachahmung eines Temperaturverlaufes, der demjenigen am Rande der Probe entspricht, ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des gesamten Wärmestromes der Pro be mit einer elektrischen Schaltung nachgeahmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung direkt an mindestens einen Tem peraturmessfühler angeschlossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Wärmestrom der Probe mit der Temperatur differenz, die durch mindestens zwei Temperaturmessfühler ge geben ist, bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze in den als Eingiesstiegel ausgebildeten Tiegel eingegossen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der als Eintauchtiegel ausgebildete Tiegel in die Schmelze eingetaucht wird.
7. Tiegel für die Schmelzprobe zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, wobei der Wärmestrom durch Messen einer Temperaturdifferenz ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass neben mindestens einem Temperaturmessfühler in der Schmelzprobe mindestens ein Temperaturmessfühler in oder an der Tiegelwand angeordnet ist.
8. Tiegel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus Keramikschichten besteht.
9. Tiegel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus Metallschichten besteht.
10. Tiegel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus mindestens je einer Keramik- und Metallschicht besteht.
11. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, zur Benutzung des ermittelten Anteils der Erstarrungswärme zur Durchführung und Steuerung metallurgischer Schmelz- und Giessprozesse.
12. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem ermittelten Anteil der Erstarrungswärme die Erstarrungs-Struktur bestimmt wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Erstarrungs-Kenngrössen von Schmelzen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Tiegel zur Durchführung des Verfahrens und eine Anwendung des Verfahrens.
Unter Erstarrungs-Kenngrössen sind z.B. die Erstarrungs Geschwindigkeit, die Gefügemengen und die Erstarrungs Struktur zu verstehen. Das Wort Gefüge bezeichnet im Schliff einer Metallprobe erkennbare Struktur-Primärkristalle, Dendrite, Eutektikum usw. Dementsprechend sind die Gefügemengen die Menge der Primärkristalle, die Menge der Dendrite, die Menge des Eutektikums usw. (üblicherweise in % der Masse angegeben).
Es ist bekannt, dass die Eigenschaften der festen Metalle und Legierungen vor allem von ihrer kristallinen Struktur abhängig sind. Letztere entsteht hauptsächlich während der Erstarrung. Deshalb ist es vorteilhaft, die Erstarrung durch entsprechende Schmelzführung, Schmelzbehandlung und z.B. Abkühlungsgeschwindigkeit zu beeinflussen, um die gewünschte Struktur und damit die gewünschten Eigenschaften des erstarrten Materials zu erzielen.
Die Erstarrung der Schmelzen gleicher chemischer Zusammensetzung verläuft üblicherweise sehr unterschiedlich, was auf die verschiedenen Keimzustände, Überhitzungstemperaturen und z.B. Spurenelemente zurückzuführen ist. Diese Parameter beeinflussen die Erstarrung dermassen, dass metallurgisch gesehen, die gleichen Schmelzen unter den gleichen Bedingungen gegossen, im festen Zustand vollständig andere Eigenschaften aufweisen können. Auch die Gefügemengen entsprechen meistens nicht denen, die aus der chemischen Zusammensetzung nach dem Phasendiagramm zu erwarten sind.
Die Erstarrungs-Struktur und die Gefügemengen können anhand des Schliffes einer erstarrten Probe der Schmelze bestimmt werden. Wenn man bedenkt, dass die Probe nach dem Abkühlen geschnitten, geschliffen, poliert und geätzt wird und danach die Untersuchungsdaten noch mühevoll ausgewertet werden müssen, ist es klar, dass diese Methode wegen der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit, um vor dem Giessen noch eine Korrektur der Schmelze vornehmen zu können, nicht anwendbar ist. Weiterhin wird bei dieser Methode nur das Resultat der Erstarrung der Probe beurteilt und keine Aussage über den gesamten Erstarrungsvorgang gemacht; es können auch keine Anhaltspunkte für die Voraussage über den Erstarrungsverlauf bei anderen, geometrisch unterschiedlichen Abgüssen gewonnen werden.
Um die Erstarrungseigenschaften der Schmelzen wirksam zu beeinflussen, ist eine schnell durchführbare Analyse des Erstarrungsvorganges nötig. Dies ist möglich, wenn man den Anteil der Erstarrungswärme im gesamten Wärmestrom einer Schmelzprobe während der Abkühlung und Erstarrung bestimmen kann. Es ist eine Erkenntnis, dass die Geschwindigkeit der Abgabe der Erstarrungswärme proportional ist der mittleren Erstarrungsgeschwindigkeit, so dass daraus die schon genannten Erstarrungs-Kenngrössen bestimmt werden können.
Es wird die Schaffung eines Verfahrens bezweckt, nach dem diese Analyse durchgeführt werden kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Erstarrungswärme im gesamten Wärmestrom einer sich abkühlenden Schmelzprobe festgestellt wird, indem die Geschwindigkeit der Veränderung der Temperatur der Probe mit dem gesamten Wärmestrom der Probe verglichen wird, wobei der Wärmestrom entweder durch Messen einer Temperaturdifferenz oder durch Messen nur eines Temperaturverlaufes in der Probe und Nachahmung eines Temperaturverlaufes, der demjenigen am Rande der Probe entspricht, ermittelt wird.
Wenn der Wärmestrom durch Messen einer Temperaturdifferenz ermittelt wird, so kann diese Temperaturdifferenz durch mindestens zwei Temperaturmessfühler bestimmt werden. Der erfindungsgemässe Tiegel zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass neben mindestens einem Temperaturmessfühler in der Schmelzprobe mindestens ein Temperaturmessfühler in oder an der Tiegelwand angeordnet ist.
Weist die Tiegelwand eine erheblich kleinere Wärmeleitfähigkeit als die Schmelze auf, so wird die Temperaturdifferenz, bestimmt durch mindestens einen Temperaturmessfühler in der Schmelze und durch mindestens einen solchen in oder an der Tiegelwand, dem gesamten Wärmestrom der Probe proportional.
Wenn der Wärmestrom durch Messen nur eines Temperaturverlaufes und Nachahmung eines Temperaturverlaufes ermittelt wird, dann kann ein zur Durchführung dieses Verfahrens dienender Tiegel mit mindestens einem Temperaturmessfühler (Thermoelement, Thermistor) ausgerüstet werden. Kommerziell erhältliche Tiegel haben ein Thermoelement im thermischen Zentrum der Schmelzprobe. Eine solche Anordnung des
Temperaturmessfühlers ist aber für das erfindungsgemässe Verfahren nicht optimal, denn die so gemessene Temperatur entspricht nicht der Durchschnittstemperatur der Schmelzprobe.
Vorzugsweise wird deshalb der Temperaturmessfühler im Abstand des Moduls (Volumenoberfläche-Verhältnis) von der für die Abkühlung relevanten inneren Oberfläche des Tiegels angeordnet. Der Quotient Volumen/Oberfläche hat die Dimension einer Länge. Bei einem Abguss ist dieser Quotient einer der charakteristischen Parameter für die Betrachtung der Abküh lungsverhältnisse und wird Modul genannt. Der vorerwähnte
Abstand ist dem Modul des Probeabgusses (der Schmelzprobe) gleich und kann aus den Abmessungen des Tiegels bestimmt werden.
Die Nachahmung des Temperaturverlaufes (Wärmestroms) kann mit Kapazitäten und Widerständen elektrisch durchgeführt werden. Andererseits lässt sich dies auch mit dem analogen oder digitalen Rechner durchführen.
Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnung einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Fig. 1 zeigt den Temperaturverlauf einer Schmelzprobe (z.B. des Gusseisens) nach der Kurve 1, die zeitliche Veränderung der Temperatur nach der Kurve 2 und den gesamten Wärmestrom nach der Kurve 3. Der Vergleich der Kurven 2 und 3 gibt die Erstarrungsgeschwindigkeit nach der Kurve 4 und damit den Anteil der Erstarmngswärme im gesamten Wärmestrom.
Fig. 2 zeigt einen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Tiegel. Dieser kann einen sehr einfachen Aufbau haben und z.B. als Zylinder oder Würfel ausgebildet sein. Dieser Tiegel 5 dient zur Durchführung des Verfahrens, wenn der Wärmestrom durch Messen nur eines Temperaturverlaufes und Nachahmung eines anderen Temperaturverlaufes in der Probe ermittelt wird. Im Tiegel 5 befindet sich die Schmelzprobe 6 mit einem Temperaturmessfühler 7 im Abstand 8 des Moduls des Tiegels von der innern Oberfläche 9 des Tiegels. Mit dem Temperaturmessfühler 7 wird der Temperaturverlauf nach der Kurve 1 in Fig. 1 ermittelt. Aus diesem wird die zeitliche Veränderung der Temperatur nach der Kurve 2 rechnerisch bestimmt. Der gesamte Wärmestrom nach der Kurve 3 wird dann rechnerisch oder elektrisch nachgeahmt.
Der Temperaturmessfühler 7 ist hierfür direkt mit einem Rechner oder einem Simulator 10 elektrisch verbunden. Letzterer hat dann eine Anzeigeeinrichtung 11.
Fig. 3 zeigt einen Tiegel 12, der zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignet ist, wenn der Wärmestrom durch Messen einer Temperaturdifferenz ermittelt wird.
Der Tiegel 12 weist zwei Temperaturfühler (Thermoelemente) 13, 14, auf. Der Fühler 13 befindet sich in der Schmelzprobe 6 und der Fühler 14 ist in die Tiegelwand eingebaut. Der gesamte Wärmestrom wird mit der Temperaturdifferenz beider Messfühler bestimmt. Dazu kann ein nicht dargestellter Rechner direkt an die Temperaturmessfühler 13, 14 angeschlossen werden.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird es möglich, direkt und während der Abkühlung und Erstarrung einer Schmelzprobe die Erstarrungs-Kenngrössen aus dem Temperaturverlauf der Schmelzprobe zu bestimmen. Da dieses Verfahren je nach der Grösse des Tiegels lediglich einige Minuten dauert, ist eine schnelle Analyse des Erstarrungs-Verhaltens der Schmelze und deren Erstarrungs-Struktur möglich. Dies erlaubt eine rasche Korrektur und Behandlung der Schmelze vor dem Giessen und eine Lenkung der Erstarrung, um optimale Eigenschaften der Gussstücke zu erzielen.
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PATENT CLAIMS
1. A method for determining the solidification parameters of melts, characterized in that the proportion of
Solidification heat in the entire heat flow of a cooling melt sample is determined by comparing the speed of the change in the temperature of the sample with the total heat flow of the sample, the heat flow either by measuring a temperature difference or by measuring only a temperature profile in the sample and imitation of a temperature profile that corresponds to that at the edge of the sample is determined.
2. The method according to claim 1, characterized in that the time course of the total heat flow of the sample be mimicked with an electrical circuit.
3. The method according to claim 2, characterized in that the electrical circuit is connected directly to at least one temperature sensor.
4. The method according to claim 1, characterized in that the total heat flow of the sample with the temperature difference, which is ge by at least two temperature sensors, is determined.
5. The method according to claim 1, characterized in that the melt is poured into the crucible designed as a pouring crucible.
6. The method according to claim 1, characterized in that the crucible designed as an immersion crucible is immersed in the melt.
7. crucible for the melt sample for carrying out the method according to claim 4, wherein the heat flow is determined by measuring a temperature difference, characterized in that in addition to at least one temperature sensor in the melt sample, at least one temperature sensor is arranged in or on the crucible wall.
8. Crucible according to claim 7, characterized in that it consists of ceramic layers.
9. Crucible according to claim 7, characterized in that it consists of metal layers.
10. Crucible according to claim 7, characterized in that it consists of at least one ceramic and one metal layer.
11. Application of the method according to claim 1, for using the determined proportion of the heat of solidification to carry out and control metallurgical melting and casting processes.
12. Application of the method according to claim 11, characterized in that the solidification structure is determined from the determined proportion of the heat of solidification.
The invention relates to a method for determining the solidification parameters of melts. The invention further relates to a crucible for performing the method and an application of the method.
Solidification parameters include understand the rate of solidification, the structure and the structure of solidification. The word microstructure designates recognizable structural primary crystals, dendrites, eutectics etc. in the cut of a metal sample. Accordingly, the structural quantities are the amount of primary crystals, the amount of dendrites, the amount of eutectic, etc. (usually stated in% of the mass).
It is known that the properties of solid metals and alloys depend primarily on their crystalline structure. The latter arises mainly during solidification. Therefore, it is advantageous to solidify by appropriate melt management, melt treatment and e.g. To influence the cooling rate in order to achieve the desired structure and thus the desired properties of the solidified material.
The solidification of the melts of the same chemical composition usually proceeds very differently, depending on the different germ states, overheating temperatures and e.g. Trace elements. These parameters influence the solidification to such an extent that metallurgically, the same melts are cast under the same conditions, and in the solid state they can have completely different properties. The structural quantities also usually do not correspond to those that can be expected from the chemical composition according to the phase diagram.
The solidification structure and the structural amounts can be determined on the basis of the grinding of a solidified sample of the melt. If you consider that the sample is cut, ground, polished and etched after cooling and that the test data still have to be laboriously evaluated afterwards, it is clear that due to the short time available, this method can be corrected before casting to be able to make the melt is not applicable. Furthermore, with this method only the result of the solidification of the sample is assessed and no statement is made about the entire solidification process; there are also no indications for the prediction of the solidification process for other, geometrically different casts.
In order to influence the solidification properties of the melts effectively, a quick analysis of the solidification process is necessary. This is possible if you can determine the proportion of the heat of solidification in the entire heat flow of a melt sample during cooling and solidification. It is a finding that the rate of release of the heat of solidification is proportional to the average rate of solidification, so that the solidification parameters already mentioned can be determined from this.
The aim is to create a procedure according to which this analysis can be carried out.
The method according to the invention is characterized in that the proportion of the heat of solidification in the total heat flow of a cooling melt sample is determined by comparing the rate of change in the temperature of the sample with the total heat flow of the sample, the heat flow either by measuring a temperature difference or by Measuring only a temperature profile in the sample and mimicking a temperature profile that corresponds to that on the edge of the sample is determined.
If the heat flow is determined by measuring a temperature difference, this temperature difference can be determined by at least two temperature sensors. The crucible according to the invention for carrying out this method is characterized in that in addition to at least one temperature sensor in the melt sample, at least one temperature sensor is arranged in or on the crucible wall.
If the crucible wall has a significantly lower thermal conductivity than the melt, the temperature difference, determined by at least one temperature sensor in the melt and by at least one in or on the crucible wall, is proportional to the total heat flow of the sample.
If the heat flow is determined by measuring only a temperature profile and imitating a temperature profile, then a crucible used to carry out this method can be equipped with at least one temperature sensor (thermocouple, thermistor). Commercially available crucibles have a thermocouple in the thermal center of the melt sample. Such an arrangement of the
However, the temperature sensor is not optimal for the method according to the invention, because the temperature measured in this way does not correspond to the average temperature of the melt sample.
The temperature sensor is therefore preferably arranged at a distance from the module (volume / surface area ratio) to the inner surface of the crucible which is relevant for cooling. The quotient volume / surface has the dimension of a length. In the case of a cast, this quotient is one of the characteristic parameters for considering the cooling conditions and is called the module. The aforementioned
The distance is the same as the module of the sample casting (the melt sample) and can be determined from the dimensions of the crucible.
The temperature curve (heat flow) can be mimicked electrically with capacitors and resistors. On the other hand, this can also be done with the analog or digital computer.
Some exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawing.
1 shows the temperature profile of a melt sample (eg cast iron) according to curve 1, the change in temperature over time according to curve 2 and the total heat flow according to curve 3. The comparison of curves 2 and 3 gives the solidification rate according to curve 4 and thus the proportion of primary arm heat in the total heat flow.
2 shows a crucible suitable for carrying out the method according to the invention. This can have a very simple structure and e.g. be designed as a cylinder or cube. This crucible 5 is used to carry out the method when the heat flow is determined by measuring only one temperature profile and mimicking another temperature profile in the sample. In the crucible 5 there is the melting sample 6 with a temperature sensor 7 at a distance 8 of the module of the crucible from the inner surface 9 of the crucible. The temperature profile according to curve 1 in FIG. 1 is determined with the temperature sensor 7. From this, the change in temperature over time according to curve 2 is determined by calculation. The entire heat flow according to curve 3 is then imitated arithmetically or electrically.
For this purpose, the temperature sensor 7 is electrically connected directly to a computer or a simulator 10. The latter then has a display device 11.
3 shows a crucible 12 which is suitable for carrying out the method according to the invention if the heat flow is determined by measuring a temperature difference.
The crucible 12 has two temperature sensors (thermocouples) 13, 14. The sensor 13 is in the melt sample 6 and the sensor 14 is built into the crucible wall. The total heat flow is determined using the temperature difference between the two sensors. For this purpose, a computer (not shown) can be connected directly to the temperature sensors 13, 14.
The method according to the invention makes it possible to determine the solidification parameters from the temperature profile of the melt sample directly and during the cooling and solidification of a melt sample. Since this process only takes a few minutes depending on the size of the crucible, a quick analysis of the solidification behavior of the melt and its solidification structure is possible. This allows the melt to be corrected and treated quickly before casting and the solidification to be controlled in order to achieve optimum properties of the castings.