DE2849598A1

DE2849598A1 - Verfahren zur einstellung oder korrektur der zusammensetzung von eisen- kohlenstoff-schmelzen vor dem abguss

Info

Publication number: DE2849598A1
Application number: DE19782849598
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: Ableidinger K Dr & Co
Current assignee: Ableidinger K Dr & Co
Priority date: 1977-12-05
Filing date: 1978-11-15
Publication date: 1979-06-07
Also published as: CH651486A5; IT7830430A0; AT362804B; IT1101514B; DE2849598C2; ATA867477A

Description

Verfahren zur Einstellung oder Korrektur der Zusammensetzung von
Eisen-tohlenstoff-Schmelzen vor dem Abguß.
DieKrfindung betrifft ein Verfahren 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-Kalorimeterkurve aufnimmt und daraus Schlüsse auf den Schmelzzustand zieht und danach entweder durch überhitzen der Schmelze den Keimzustand ändert und/oder durch Zulegieren die Zusammensetzung korrigiert.
Ein aerartiges Verfahren ist bekannt aus der DE-PS 23 16 035, und zwar werden dabei die Schlüsse auf den Schmelzzustand gezogen aufgrund des Vergleichs. dieser Kurve mit einer Differential-Kalorimeterkurve, die einer Schmelze entspricht, die Gußkürper' 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 lland 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 Freiwertlens der Erstarrungswärme eines kleinen Probekörpers im Vergleich mit einem berechneten Gesamtwärmeverlauf und die Gesamterstarruneswärme des Probekörpers Rückschlusse ~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 genann;ten Art dadurch gelöst, daß die Differential-Kalorimeter-Kurve des Standardprobekörpers in einen Rechner eingesp eichert wird und von einer/bestimmten gleichfalls dort gespeicherten Gesamtwärmelinie abgezogen wird, woraus sich eine Fläche ergibt, 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 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 enge der aus der Schmelze freiwerdenden 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-Probekörpers 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 F@wutzl, Material und Technik, Jg.5 (1977), Nr.2,S.
5. 100-102, wie lolgt berechnen: Fur die Gesamtwärmeabgabe gilt das sogennnnte Wurzelgesetz: drin = Gesamtwärme [KJ] = cp T G (G = Masse [kg]) t. = Zeit [min] O = Oberfläche der probe [dm²] @ = Variable [kJ m-2 s-1/2] k wird experimentell durch Aufnahme einer Abkühlungskurve im flussigen und festen lere ch, also in dem durch Erstarrungsvorgänge nicht gestörten Bereich bestimmt, welche die k-Werte nach folgender Gleichung in Abhängigkeit von der Zeit liefert: die k-Werte nehmen zwischen liquidus und Solidus erheblich zu, was nur durch die bessere Temperaturleitfähigkeit der bereits erstarrten Anteile der Schmelze und durch die ständige Zunahme der Temperaturdifferenz zwischen hitte und Rand des Probekörpers iniolge der im Inneren später frei werdenden Erstarrunswärme erllärt werden kann.
per ebenfalls gemessene zeitliche Verlauf der Temperaturdifierenz zwischen Mitte und Rand der Probe während der Erstarrung der Schmelze dient als Grundlage für die Festlegung der k-Werte zwischenLiquidus und Solidus, indem diese Grenzwerte durch die Verlaufskurve verbunden werden. Es wird also angenommen, daß die Temperaturleitfähigkeit zwischen Mitte und Rand der Probe entsprechend der Zu- oder Abnahme der Temperaturdifferenz zwischen Mitte und Rand der Probe zu- oder abnimmt.
Auf Grund der so gefundenen k-Werte wird die Gesamtwärmemenge in Abhcingigkeit von der Zeit, d.h. die Gesamtwärmelinie , nach dem Wurzelgesetz wie folgt berechnet: t = Zeit [min] Q = Gesamtwärmemenge ukJg.
0 = Oberfläche [dm²] m = Masse pkgt -1 @-1 c -< spezifische Wärme kJ kg C k = Variable [kJ m-2 s-1/2] Die Gesamtwärmelinie läßt sich nach der Gleichung in Temperaturwerte umrechnen, wobei t1-t2 = tt, nämlich die für die Aufzeichnung der Differentialkalorimeterkurve gewählte Diffeinzierzeit ist.
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 Gesamtwärmelinien in Abhängigkeit von der Zeit in der angegebenen Weise errechnen. Die Gesamtwärmelinien 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-Kalorimeterkurve 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 Liquiduswerten derselben.
ienn nian die Gesamtwdrmelinie als Mullinie ansieht, so ergibt die Fläche zwischen dieser und der Differential-Kalorimeterkurve im Bereich zwischen Liquidus und Solidus den jeweiligen teil an Kristallisationswärme, die in bekter eise auf die Gefügebestandteile aufgeteilt werden kann.
Die Erfindung wird erläutert durch das folgende Ausfilrungsbeispiel, das sich auf die beigefügten Figuren bezieht. Hierin zeigen: Fig.1 eine schematische Darstellung einer Abkühlungskurve A und der zugehörigen Differential-Kalor ime terkurve 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 SchmelzeEdie Gußstücke mit Lunkern lieferte, und Fig. 2b eine vom Rechner aufgrund dieser Werte erstellte Darstellung der Differenz zwischen Differential-Kalorimeter-Kurve und Gesamtwärmelinie der Fig. 2a, welche durch ihre Fläche die beim Erstarren freiwerdende Wärmemenge angibt.
Fig. 3a und 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 bei Beginn der Perlit-Bildung.
p Beispiel: Es sollen Rippenzylinder der Qualität GGL 25 gegossen werden.
An dieses Gußstück werden folgende Forderungen gestellt: 1. Keinerlei Mikroporosität 2. Zugfestigkeit mindestens 250 N/mm2 Von der Schmelze wurde ein Standardprobekörper mit den Abmessungen 35x35x38 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 Standardprobekörpers zunächst die in Fig. 2a gezeigte Kurve und anschließend die Kurve der Fig. 2b. Schließlich drucktc er auch noch die Werte der entsprechenden waagrechten Zeile der folgenden Tabelle.
Die Tabelle zeigt, daß bei der lmpfung der Schmelze mit 0,2 % FE Si 75 178 J/g eutektische Reaktionswärme frei wurden. Diese Wärmemenge ist, wie der Fachmann aus Enfahrung weiß, zu klein und deutet darauf hin, daß zu wenig eutektischer Graphit ausgeschieden wurde. Tatsächlich ergab sich bei den aus dieser Schmelze erhaltenen Gußstücken eine Ausschußquote von 75 % wegen Mikroporosität.
Wird dieses Schmelze jedoch mit 0,2 % Fe Si + Cer-Misch-Metall behandelt, so erhöht sich die eutektisch 191 J/g. Die Ausschußquote wegen Mikroporosität wurde dadurch auf Null yesenkt. Der kalorische 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.
Die Eristallisationswärmemenge Q entspricht der Fläche zwischen der ersten Ableitung D der Zeit-Temperatur-kurve T und der Gesamtwärmelinie G (Fig. 1). Die Kurve D ist die Differentialkalorimeter-kurve, die streng genommen als Differenzen-Quotienten Furve #T/#t zu bezeichnen ist. Die Aufteilung der Gesamtkristallisationswärme auf Eutektikum (punktierte Fläche) und Dendriten (schraffierte Fläche) wird vom Differential- und Ana-Munkt lysengerät automatisch nach dem ersten Minimum (M in Fig. 1) der Differential-Kalorimeter-Kurve D vorgenommen.
Fig. 2a zeigt die Zeit-TemperaturFurve A die differential-kalorimeter-kurve D und die Gesamtwärmelinie G für den Guß von Rippenzylindern mit 0,2 % Pe-Si 75 Impfung, welche wie erwähnt 75 ;i' Ausschuß liefert.
Die Schmelze wurde nach dem Impfen etwa 6 Minuten in der Pfanne gehalten und dann mit der Gießtemperatur TG von 12800C gegossen.
Das Gerät rechnet aus den Kurven D und G der Fig. 2a die Kurven der Fig. 2b1 die das zeitliche Freiwerden der Erstarrungswärme zeigt. In Fig. 2b ist die Basislinie G' die linearisierte 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 wiederspiegelt.
Die schraffierte F'läche W von 3 cal/g errechnet sich aus der Zeit t in Sekunden multipliziert mit dem Differenzenquotienten und mit der spezifischen Wärme c wie folgt: t(Sek) . cp= 0,5 30 30 0,2 = 0 cal/g = 12,5 J/g 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= 126200 gegossen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem bekannten Verfahren, in welchem man die Festigkeit von Spiläroguß 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 Perlitreakion 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-Misch-Zeit: Pfanne ca. 6 Min. (Fig.2) metall (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 Jg 178 @ 191 L e e r s e i t e

Claims

Verfahren zur Einstellung oder Korrektur der Zusammensetzung von Eisen-Kohlenstoff-Schmelzen vor dem Abguß.

Patentanspruch Verfahren zur Einstellung oder orrekturder Zusammensetzung von Eisen-ohlenstoff-Schmelzen vor dem Abguß durch thermische Analyse einer kleinen Probe der Schmelze, wobei man diese zu einem Standardprobekörper vergißt und dessen Differential-Kalorimeterrurve aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurve in einen Rechner eingespeichert wird und von einer/ bestimmten gleichfalls dort gespeicherten Gesamtwärmelinie abgezogen vird, voraus sich eine Fläche ergibt, die den zeitlichen Ablauf des Freiverdens 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.