DE2849598C2

DE2849598C2 - Verfahren zur Einstellung oder Korrektur der Zusammensetzung von Eisen- Kohlenstoff-Schmelzen vor dem Abguß

Info

Publication number: DE2849598C2
Application number: DE2849598A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Au Verzicht
Original assignee: Dr K Ableidiger & Co Kuesnacht Ch
Current assignee: Dr K Ableidiger & Co Kuesnacht Ch
Priority date: 1977-12-05
Filing date: 1978-11-15
Publication date: 1981-10-29
Also published as: CH651486A5; IT1101514B; AT362804B; ATA867477A; IT7830430A0; DE2849598A1

Description

Die Erfindung 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 derartiges 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 Differcntial-Kalorimeterkurve, 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 Differential-Kalorimeter-Kurve des Standardprobekörpers in einen Rechner eingespeichert 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.

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 Menge der aus der Schmelze frei werdenden 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, weiche 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 K. Wutzl, Material und Technik, Jg. 5 (1977), Nr. 2, S. 100— 5.02 wie folgt berechnen:

Für die Gesamtwärmeabgabe gilt das sogenannte Wurzelgesetz:

worin

Q = Gesamtwärme [kJ] = c„TG(G = Masse [kg]

T = Temperatur [⁰C] C₁, = spez. Wärme
[kJ · kg-'°C^H])

/ = Zeit [min]

O = Oberfläche der Probe [dm²]

A- = Variable [kJ m"² s"²]

k wird experimentell durch Aufnahme einer Abkühlungskurve im flüssigen und festen Bereich, also in dem durch Erstarrungsvorgänge nicht gestörten Bereich bestimmt, welche die Λ-Werte nach folgender Gleichung in Abhängigkeit von der Zeit liefert:

(T₁-T₂)C₁₁G

A-=

Die A--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 Mitte und Rand des Probekörpers infolge der im Inneren später frei werdenden Erstarrungswärme erklärt werden kann.

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 A^--Werte zwischen Liquidus 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.

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

_ ^₁₁Wh-

L kg J

worin

/ = Zeit [min]

[kJ ~\
kg J

O = Obernäche [dm²]

m = Masse [kg]

t;, = spezifische Wärme [kJ kg ' °C"']

A- = Variable [kJ m ² s"²]

Die Gesamtwärmelinie läßt sich nach derGleichung

Q₁-O _τ

in Temperaturwerte umrechnen, wobei t\ — h = At, nämlich die für die Aufzeichnung der Differentialkalorimeterkurve gewählte Differenzierzeit ist.

Die k-Werte sind abhängig von der Gefügeausbildung, die vom Kohlenstoffäquivalent (CE) abhängt. Sie werden für verschiedene Eisenlegierungen mit verschiedenen CE vorDestimmt. Mit diesen gefundenen it-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 Prohe 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.

Wenn man die Gesamtwärmelinie als Nullinie ansieht, so ergibt die Fläche zwischen dieser und der Differential-Kalorimeterkurve 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 zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Abkühlungskurve A und der zugehörigen Differential-Kalorimeterkurve D eines Standardprobekörpers und einer berechneten Gesamtwärmelinie G,

F i g. 2a die entsprechenden Kurven, wie sie vom Rechner für eine Standardprobe und die ausgewählte Gesamtwärmelinie aufgezeichnet wurden, für eine Schmelze, die Gußstücke mit Lunkern lieferte, und

F i g. 2b eine vom Rechner aufgrund dieser Werte erstellte Darstellung der Differenz zwischen Differential-Kalorimeter-Kurve und Gesamtwärmelinie der F i g. 2a, welche durch ihre Fläche die beim Erstarren frei werdende Wärmemenge angibt,

F i g. 3a und 3b Darstellungen entsprechend den Fig.2a und 2b für eine Schmelze, welche gute Gußstücke liefert,

F i g. 4 ein Diagramm der Abhängigkeit der Festigkeit des Gußstücks von der Temperatur T_p bei Beginn der Perüt-Bildung.

Beispiel

Es sollen Rippenzylinder der Qualität GGL 25 ίο 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 35 χ 35 χ 38 mm vergossen, dessen Differential-Kalorimeier-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 F i g. 2b. Schließlich druckte er auch noch die Werte der entsprechenden waagerechten Zeile der folgenden Tabelle.

Die Tabelle zeigt, daß bei der Impfung der Schmelze mit 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 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 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 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 Kristallisationswärmernenge Q entspricht der Fläche zwischen der ersten Ableitung D der Zeit-Temperatur-Kurve Tund der Gesamtwärrr.elinie C(F i g. 1). Die Kurve D ist die Differential-Kalorimeter-Kurve, die streng genommen als Differenzen-Quotienten-Kurve Δ TI Δ t zu bezeichnen ist. Die 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 Dvorgenommen.

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.

Die Schmelze wurd«; nach dem Impfen etwa 6 Minuten in der Pfanne gehalten und dann mit der Gießtemperatur Tc von 1280° C gegossen.

Das Gerät rechnet aus den Kurven D und G der F ie. 2a die Kurven der Fig. 2b, die das zeitliche Freiwerden der Erstarrungswärme zeigt. In Fig. 2b ist die Basislinie C 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 widerspiegelt.

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

Q= ^J- Δ Τ

Temperatur Tr. bei welcher die Perlitreaklion beginnt, abhängt.

Tabelle

/(Sek)i- =0,5 · 30 · 0,2 = 3 cal/g = 12,5 J/g

F i g. 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 Ta = 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 Perlitrekation die Richtung ändert, die Temperatur, bei welcher die Umwandlung beginnt, vom Rechner ausgeworfen wird. F i g. 4 zeigt als Beispiel, wie für einen Sphäroguß die zu erwartende Zugfestigkeit von der Gußstück:

Rippenzylinder (JGL 25
7.eit: Pfanne ca. 6 Min.

Analyse

KohlenstofTäquivalent CE

Sättigungsgrad S₁
Gießiemperatur 7",,, C
Kristallisationswärme
cal/g bzw. J/g
Gesamt cal/g
J/g

Dendriten cal/g

J/g
Eutektisch cal/g

J/g

Impfung Impfung 0,2%

0,2% FeSi + Ccr-Misch-

I⁷CSi 75 metall (1 ίμ.3) (Ι·Ίρ.2)

3,97

0,933 !28O

59,4 249

16,8 70

42,6 178

3,94

0,927 1262

60,9 254

15,3 64

45,6 191

.ι Blatt Zcicliiuinuoii

Claims

Patentanspruch:

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 und dessen Differential-Kalorimeter-Kurve aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurve in einen Rechner eingespeichert 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.