DE19928456A1

DE19928456A1 - Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Struktur von Graphit in Gußeisen

Info

Publication number: DE19928456A1
Application number: DE19928456A
Authority: DE
Inventors: Hidetaka Hiraoka; Mayuki Morinaka; Tsuyoshi Okuzono
Original assignee: NISSABU CORP SHIZUOKA; Yuwa Co Ltd
Current assignee: NISSABU CORP SHIZUOKA; Yuwa Co Ltd
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2019-06-25
Also published as: JP3612677B2; CN1244659A; CN1200272C; US6354356B1; BR9902615A; BE1015190A5; JP2000009668A; FR2780511B1; FR2780511A1; DE19928456B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Struktur von Graphit in Kugelgraphit- und Würmchengraphitgußeisen, wobei die Menge an gelöstem Sauerstoff im geschmolzenen Gußeisen gemessen und bestimmt wird, ob das Graphit überhaupt in Kugel- oder Würmchenstruktur vorliegt, die Temperatur des eutektischen Punkts des geschmolzenen Gußeisens mit Hilfe der Thermoanalyse gemessen wird, die Temperatur des eutektischen Punkts mit einer Schwellentemperatur, bei der das Gußeisen sich in eine Kugelgraphitphase und eine Würmchengraphitphase trennt, verglichen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Struktur von Graphit in Kugelgraphit- und Würmchengraphitgußeisen.

Die räumliche Struktur, in der Graphit in Gußeisen vorliegt, ist abhängig von den Bedingungen während der Erstarrung. Demzufolge ist es wünschenswert die räumliche Struktur des Graphits vor der Erstarrung festzulegen. Bei den meisten Gußeisen weist der Graphit die räumliche Struktur von Flocken (analog einem CornFlake), Schneeflocken, Nadeln, Würmchen und ähnlichem auf. Für die Eigenschaften des Gußei sens ist es jedoch ausreichend, die räumliche Struktur des Graphits beziehungsweise den Anteil an Kugelgraphit und Würmchengraphit, die im Gußeisen vermischt sind, zu kennen. Es sind drei verschie dene Methoden bekannt, mit denen die räumliche Struktur des Graphits im Gußeisen herausgefunden werden kann:

1. Ein elektronenmikroskopisches Verfahren, bei dem eine kleine Menge geschmolzenen Gußeisens als Probe verwendet wird, wobei nach der Erstarrung der Probe ihre Oberfläche poliert und mit einem Elektronenmi kroskop untersucht wird,
2. ein Verfahren, bei dem die Geschwindigkeit von Ultraschallwellen in der Probe gemessen wird,
3. ein Verfahren, bei dem die Temperatur des eutek tischen Punkts des geschmolzenen Gußeisens unter sucht wird.

Das elektronenmikroskopische Verfahren und das Ul traschallverfahren sind für die Untersuchung sehr zeitaufwendig und führen zu erheblichen Fehlern. Dementsprechend ist nur die Thermoanalyse praktika bel und verwendbar. Jedoch ist es für das Thermo analyseverfahren notwendig, daß das Graphit im ge schmolzenen Gußeisen in Kugelstruktur vorliegt. Falls dies nicht der Fall ist; bzw. wenn keine Ku gelstruktur beobachtbar ist, können keine ausrei chenden Resultate erwartet werden. Z. B. gibt es eine große Wahrscheinlichkeit dafür, daß das Gra phit als Kugel- oder Würmchengraphit erkannt wird, sogar wenn es in der Probe in Form von Flocken vor liegt. Die Zugabe eines Wirkstoffs, der den Würm chengraphit in Kugelgraphit umwandelt, verlangt eine strikte Kontrolle des geschmolzenen Gußeisens.

Ausgehend vom Stand der Technik unter der Berück sichtigung der oben angeführten Probleme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur Bestimmung der räumliche Struktur von Graphit in Kugelgraphitgußeisen vor der Erstarrung anzuge ben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die räumliche Struktur des Graphits durch die Messung der Menge an gelöstem Sauerstoff im ge schmolzenen Gußeisen sowie die Temperatur des eu tektischen Punkts zu bestimmen. Ebenso soll ein Verfahren zur Abschätzung des Verhältnisses zwi schen Kugelgraphit und Würmchengraphit im geschmol zenen Gußeisen mit Hilfe der Thermoanalyse angege ben werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Menge an gelöstem Sauerstoff im geschmolze nen Gußeisen gemessen und bestimmt wird, ob über haupt das Graphit in Kugel- oder Würmchenstruktur vorliegt, die Temperatur des eutektischen Punkts des geschmolzenen Gußeisens mit Hilfe der Thermo analyse gemessen wird, die Temperatur des eutekti schen Punkts mit einer Schwellentemperatur, bei der das Gußeisen sich in eine Kugelgraphitphase und eine Würmchengraphitphase trennt, verglichen wird.

Entsprechend der Erfindung wird, um die oben ange gebenen Ziele zu erreichen, in einem ersten Schritt eine Menge des geschmolzenen Gußeisens in einem Test-Behälter gesammelt, und dann die Menge an ge löstem Sauerstoff im geschmolzenen Gußeisens mit Hilfe eines konventionellen Sauerstoffsensors ge messen. Aus der Menge des in dem geschmolzenen Guß eisen gelösten Sauerstoff kann darauf geschlossen werden, ob das Graphit in der Kugel- oder Würmchen struktur vorliegt. Ist das der Fall, kann die Tem peratur des eutektischen Punktes des geschmolzenen Gußeisens gemessen werden und es ist möglich, die räumliche Struktur des Graphits im geschmolzenen Gußeisen und das Verhältnis zwischen Kugelgraphit und Würmchengraphit zu bestimmen. Wenn der oben an geführte Effekt nicht registriert wird bzw. wenn die Probe zuviel Sauerstoff enthält, ist es sicher, daß Graphit in der Form von Flocken vorliegt. Die Menge an gelöstem Sauerstoff hängt von der Tempera tur der Probe ab, und das Meßergebnis für die Menge an gelöstem Sauerstoff, die mit einem Sauerstoff sensor meßbar ist, wird sehr stark durch den Anteil an Silicium in der Probe beeinflußt. Dementspre chend ist es unmöglich, das Auftreten der Kugelgra phitstruktur des Graphits in geschmolzenem Gußeisen mit der oben angegebenen Menge an gelöstem Sauer stoff zu bestimmen, deshalb ist es vorzuziehen, eine Beziehung zwischen der Menge an gelöstem Sau erstoff und einer Kugelstruktur oder Würmchenstruk tur zu erhalten. Wenn z. B. die Menge an gelöstem Sauerstoff in geschmolzenem Gußeisen kleiner ist als 1 ppm kann eine Kugelgraphitstruktur oder eine Würmchengraphitstruktur beobachtet werden, jedoch wenn die Menge an gelöstem Sauerstoff größer als 2 ppm ist, liegt der Graphit in geschmolzenem Gußei sen in Form von Flocken (des Typs A oder D) vor, von denen angenommen wird, daß sie keine Würmchen struktur aufweisen. Die chemische Zusammensetzung von Gußeisen mit Flockengraphit der Struktur A ist identisch zu der des Typs D, dennoch bestehen viele Unterschiede zwischen den beiden in der Fähigkeit am Eutektikum Graphit-Kerne zu bilden. Ist eine große Anzahl von Graphit-Kernen am Eutektikum vor handen, wird Gußeisen mit einer Flockengraphit struktur des Typs A entstehen, wenn jedoch nur eine kleine Anzahl von Graphit-Kernen vorhanden ist, werden sie Gußeisen mit einer Flockengraphitstruk tur des Typs D bilden, weil das eutektische Auste nit in geschmolzenem Gußeisen zuerst erstarrt. Wenn die Temperatur des Eutektikums des geschmolzenen Gußeisens höher als ungefährt 1.141°C ist, bei der die Kugelgraphitstruktur in eine Würmchengraphit struktur umgewandelt wird, diese Temperatur wird als sog. Schwellentemperatur bezeichnet, enthält das geschmolzene Gußeisen eine große Menge an Ker nen zur Bildung von Kugelgraphit, wenn jedoch die Temperatur niedriger ist als die Schwellentempera tur, enthält es nur eine geringe Anzahl an Kernen. Dementsprechend kann die Temperatur des Eutektikums des geschmolzenen Gußeisens in jeder der oben ange gebenen Proben gemessen werden mit Hilfe eines tas senartigen Probebehälters. Liegt die Temperatur des Eutektikums der Probe höher als die Schwellentempe ratur, wird sie zu einer Kugelgraphitstruktur er starren, liegt sie jedoch unterhalb der Schwellen temperatur, wird die Probe in einer Würmchengra phitstruktur erstarren.

Das Verfahren wird mit Hilfe der Figuren näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Abbildung der Graphitstruktur in Probe Nr. 1,

Fig. 2 eine Abbildung der Graphitstruktur in Probe Nr. 2,

Fig. 3 eine Abbildung der Graphitstruktur in Probe Nr. 3,

Fig. 4 eine Abbildung der Graphitstruktur in Probe Nr. 4,

Fig. 5 ein Diagramm über den Zusammenhang zwischen der Menge an gelöstem Sauerstoff und der Temperatur des Eutektikums in Probe Nr. 4,

Fig. 6 ein Diagramm über den Zusammenhang zwischen der Menge an gelöstem Sauerstoff und der Temperatur des Eutektikums im 2. Experiment.

Um die Schwellentemperatur des Graphitgußeisens zu bestimmen wurden die folgenden Experimente von den Erfindern durchgeführt:
1 Gew.-% des sog. "spheroidizing agent", das ist der oben angeführte Wirkstoff, der in geschmolzenem Gußeisen die Umwandlung von Würmchengraphit in Ku gelgraphit hervorruft und die chemische Zusammen setzung Fe-45%Si-3%Mg aufweist, wurde geschmolzenem Roheisen zugegeben, Fe-35%C-1,4%Si, und die Probe bei konstanter Temperatur gehalten. Danach wurden alle fünf Minuten die Proben Nr. 1 bis 4 entnommen. Optische Aufnahmen dieser Proben Nr. 1 bis 4 sind in den Fig. 1 bis 4 dargestellt. In der Fig. 5 ist der Zusammenhang zwischen der Menge an gelöstem Sauerstoff und der Eutektikumstemperatur der Probe Nr. 4 illustriert.

Experiment 1

In einem ersten Schritt wird Gußeisen (Fe-3,2%C- 1,7%Si) in einem Graphittigel geschmolzen mit Hilfe eines elektrischen Hochfrequenzinduktionsofens. Nach 30 Minuten war das Gußeisen vollständig ge schmolzen und nach 40 Minuten betrug die Temperatur des geschmolzenen Gußeisens 1500°C und 2,7 ppm an gelöstem Sauerstoff wurden von einem Sauerstoffsen sor gemessen. Von diesen Werten ausgehend wird er wartet, daß das geschmolzene Gußeisen sich in Floc kengraphitgußeisen (A oder D) oder weißes Roheisen umwandelt. In einem zweiten Schritt wurden 0,2% Mischmetall zum geschmolzenen Gußeisen hinzugegeben und 0,7 ppm an gelöstem Sauerstoff danach gemessen. Demgemäß wird erwartet, daß das Gußeisen in Kugel graphit- oder Würmchengraphitstruktur bzw. als weißes Roheisen erstarrt. Das Mischmetall wird zum geschmolzenen Gußeisen zugegeben, um die Menge an gelöstem Sauerstoff in geschmolzenem Gußeisen zu reduzieren, wie mit dem oben beschriebenen Wirk stoff, beispielsweise durch die Reaktion des Magne siums mit dem gelösten Sauerstoff zu Magnesiumoxid, um den Effekt des Auftretens der Kugelgraphit- bzw. Würmchenstruktur beobachten zu können. In ei nem dritten Schritt wurden zwei Probenbehälter ver wendet, um die Temperatur des Eutektikums des ge schmolzenen Gußeisens zu messen. In den ersten Pro benbehälter wurde kein Additiv zugegeben, jedoch 0,2% Mischmetall in den zweiten. Geschmolzenes Gußeisen wurde gleichzeitig in beide Probenbehälter geleert. Die Temperatur des Eutektikums des ge schmolzenen Gußeisens in beiden Probenbehältern liegt identisch bei 1118°C und dementsprechend liegt das geschmolzene Metall in beiden Proben als weißes Roheisen vor. Wenn die Temperatur des Eutek tikums des geschmolzenen Gußeisens höher als die des weißen Roheisens und niedriger als 1141°C ist, liegt das Graphit in Würmchenstruktur vor, jedoch wenn die Temperatur des Eutektikums höher als 1141°C ist, liegt das Graphit in Kugelstruktur vor. Also kann die Temperatur von 1141°C als Schwellentempe ratur zwischen den zwei Strukturen definiert wer den, und die Zusammensetzung jeder Phase kann der folgenden Tabelle entnommen werden.

Ausgehend von den oben angegebenen Resultaten kann entschieden werden, daß das Graphit im zweiten Pro benbehälter des Experiments 1 mit Würmchenstruktur in geschmolzenem Gußeisen vorliegt. Demzufolge wird das geschmolzene Gußeisen in Würmchengraphitstruk tur erstarren.

Experiment 2

Rohmaterial aus Gußeisen, Stahlschrott und Fe-75%Si wird in einem elektrischen Hochfrequenzinduktions ofen zu einer Fe-3,7%C-2,3Si-Legierung zusammenge schmolzen. Das Material wird innerhalb 30 Minuten vollständig geschmolzen und hat nach 40 Minuten eine Temperatur der Schmelze von 1500°C erreicht. Dabei wird eine Konzentration von 2,9 ppm gelöstem Sauerstoff in geschmolzenem Metall gemessen. Nach dem dieses geschmolzene Metall erstarrt ist, liegt der Graphit in Form von Flocken vor. Um ihn in Ku gelgraphit zu überführen wird in einem zweiten Schritt ungefähr 1 Gew.-% des oben beschriebenen Ad ditivs dem geschmolzenen Metall zugeführt. Mit Hilfe eines Sauerstoffsensors wird anschließend eine Konzentration von 0,5 ppm gelöstem Sauerstoff gemessen. Es wird beobachtet, daß wenn das ge schmolzene Metall danach direkt erstarrt, das Gra phit in Form von Kugeln vorliegt. In einem dritten Schritt wird, entsprechend dem ersten Experiment, kein Additiv zum ersten Probenbehälter gegeben und 0,2% Mischmetall zum zweiten Probenbehälter, um den Sauerstoff im gelösten Gußeisen zu binden. Es wird gemessen, daß die Temperatur des Eutektikums des geschmolzenen Metalls in ersten Probenbehälter 1146°C und 1110°C im zweiten beträgt. Aus dem Grund, daß die Temperatur des Eutektikums des ge schmolzenen Gußeisens im ersten Behälter höher ist als die Schwellentemperatur von 1141°C wird ge schlossen, daß eine große Menge des Graphits in Ku gelstruktur vorliegt. Entsprechend ist es möglich vorherzusagen, daß das Gußeisen mit einer Kugelgra phitstruktur erstarren wird.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Struktur von Graphit in Kugelgraphit- und Würmchengraphit gußeisen, dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Menge an gelöstem Sauerstoff im geschmolzenen Gußeisen gemessen und bestimmt wird, ob das Graphit überhaupt in Kugel- oder Würmchenstruktur vorliegt,
2. die Temperatur des eutektischen Punkts des ge schmolzenen Gußeisens mit Hilfe der Thermoanalyse gemessen wird,
3. die Temperatur des eutektischen Punkts mit einer Schwellentemperatur, bei der das Gußeisen sich in eine Kugelgraphitphase und eine Würmchengraphit phase trennt, verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Menge an gelöstem Sauerstoff mit Hilfe eines Sauerstoffsensors gemessen wird, um zu bestä tigen, ob das Graphit in Kugel- oder Würmchenstruk tur vorliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Festgelegung, daß Graphit in Kugel- oder Würmchenstruktur vorliegt, die Menge an gelöstem Sauerstoff geringer als 1 ppm eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellentem peratur 1141°C beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß im dritten Verfah rensschritt zur Festgelegung, daß Graphit in Kugel struktur vorliegt, die Temperatur des eutektischen Punkts höher als die Schwellentemperatur gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß im dritten Verfah rensschritt zur Festgelegung, daß Graphit in Würm chenstruktur vorliegt, die Temperatur des eutekti schen Punkts niedriger als die Schwellentemperatur und höher als die Temperatur des eutektischen Punkts von weißem Roheisen gewählt wird.