DE2919625A1

DE2919625A1 - Verfahren und vorrichtung zum schnellen vorhersagen des grads an kugelform von kugelgraphitgusseisen

Info

Publication number: DE2919625A1
Application number: DE19792919625
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: YAHAGI IRON CO Ltd
Current assignee: YAHAGI IRON CO Ltd
Priority date: 1978-05-17
Filing date: 1979-05-16
Publication date: 1979-11-29
Also published as: US4333512A; DE2919625C2; JPS54150194A; JPS596385B2; GB2025464B; GB2025464A

Description

YAHAGI CO., LTD. und j

; YAHAGI ELECTRIC ENGINEERING" CO. , LTD.

Beide ansässig:. . " . No. 18, Showa-Cho, Minato-Ku, Nagoya City, Japan

Verfahren und Vorrichtung zum schnellen Vorhersagen des Grads an Kugelform von Kugelgraphitgusseisen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Vorhersagen des Grads an Kugelfοrm von Kugelgraphitgusseisen aus einer Eisenschmelzeprobe. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen die Beziehung zwischen der Temperatur und der Zeit einer Eisenschmalζeprobe für Kugelgraphitgusseisen während des Abkühlens und des Erstarrens durch thermische Analyse gemessen wird, bei denen drei streng in Wechselbeziehung mit dem Grad an Kugelform des Kugelgraphitgusseisens stehende Parameter in eine formel eingesetzt werden, die vorher aus einer Reihe von Versuchen statistisch erhalten wurde, und bei denen ein Ergebnis durch eine Funktions— verarbeitung erzielt wird.

Kugelgraphiteisen hat im Vergleich mit Schuppengraphitgusseisen viele hervorragende Merkmale, etwa mechanische und physikalische Eigenschaften, Schweissbarkeit, Bearbeitbarkeit und dgl. Jedoch bleiben bezüglich der Herstellung viele Probleme ungelöst.

Der Grad an Kugelform einer Eisenschmelze . für Kugelgraphitgusseisen und ferner die Qualität eines Produkts können durch die Eigenschaft des Grundeisens bestimmt werden, die beeinflusst wird z. B. durch die Art des Schmelzens des

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Rohmaterials j die chemische Zusammensetzung, die Vorgeschichte der Schmelzbehandlung, den Schmelzvorgang oder die Techniken der Kugelformungsbehandlung, die z. B. beeinflußt wird durch" die behandelte Menge, die Behandlungstemperatur, den Behandlungsvorgang, die Art und Menge eines zugefügten Kugelformmittels usw. Somit hat das Kugelgraphitgußeisen im Vergleich mit Schuppengraphitgußexsen viele Herstellungsfaktoren, die die Qualität eines Produkts beeinflussen, so daß es sehr schwierig ist, alle diese Herstellungsfaktoren positiv zu kontrollieren.

Im allgemeinen wird der Grad an Kugelform von Kugelgraphitgußeisen unmittelbar durch den Prozentsatz der Kugelform von Kugelgraphit vorhergesagt, beruhend auf einer durch ein Mikroskop erfolgenden Beobachtung der Struktur einer Probe, die unter derselben Bedingung gegossen ist wie Gußteile oder ein Probenstück, das am Gußteil selbst befestigt ist. Der Grad an Kugelform von Kugelgraphitgußeisen wird aber auch indirekt aus den mechanischen Eigenschaften bestimmt, wie der Zugfestigkeit, Dehnung oder dgl., dem Prozentsatz an als Kugelformungsmittel zugesetztem Restmagnesium (Mg-Restmenge) und dgl., die in ausgeprägter Wechselbeziehung mit dem Grad an Kugelform stehen.

Die auf der obigen Messung beruhende Bestimmung ist zuverlässig. Jedoch dauern die Messung und die Bestimmung lange. Selbst die Beobachtung der Struktur, was wohl am schnellsten geschieht, dauert nach dem Gießen einige Stunden. Wenn der Grad an Kugelform der Struktur als schlecht vorhergesagt wird, wird mit dem Gießen aufgehört. Für notwendige Maßnahmen ist es jedoch zu spät, wenn sich der Guß als minderwertig herausstellt und es ergibt sich bei der Fertigung ein wirtschaftlicher Verlust.

Die Gußindustrie hat daher die Entwicklung eines Verfahrens zum schnellen und genauen Verhersagen des Grads an Kugelform von geschmolzenem Eisen (im folgenden als Kugelgraphiteisen-

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mm 9 —

schmelze bezeichnet) für Kugelgraphitgusseisen gefordert, damit notwendige Massnahmen unverzüglich getroffen werden können-, d.h. es soll die Kugel form nach dem Erstarren der Eisenschmelze vor dem Giessen des Eisens in Formen unmittelbar nach der Kugelformungsbehandlung bestimmt werden.

Bekanntlich, beruht der Grad an Kugelform von Eisenschmelze im Augenblick des Gusses grundsätzlich auf einer Restmenge an Magnesium im geschmolzenen Eisen oder dem Prozentsatz an Kugelgraphit im erstarrten Zustand unmittelbar nach einer Kugelformungsbehandlung. Die Abnahme einer Eestmenge an Magnesium oder die Absenkung des Prozentsatzes an Kugelgraphit von der Kugelformungsbehandlung bis zum Giessen hängt von den üblichen Arbeitsbedingungen jeder Giesserei ab, etwa der Haltetemperatur und -zeit der Eisenschemlze, d_er Form und Grosse der verwendeten Giesspfanne und dgl. Venn daher der Grad an Kugelform der Eisenschmelze für Kugelgraphitgusseisen nach einer Kugelformungsbehandlung vorausgesagt werden kann, kann unter Zugrundelegung der üblichen Arbeitsbedingungen jeder Gie sserei bestimmt werden, ob gegossen oder nicht gegossen werden soll. Jeglicher durch Giessen eines schlecht behandelten geschmolzenen Eisens /verursachter. Ausschuss kann dann vermieden werden.

Beim Torgang des Abkühlens und Erstarrens der Kugelgraphiteisenschmelze steht die Form einer durch thermische Analyse erhaltenen Abkühlungskurve (die die Beziehung zwischen dem Zeitablauf und der Temperatur einer Probe darstellt) in enger Beziehung mit dem Grad an Kugelform von Kugelgraphitgusseisen nach dem Erstarren, so dass das Thermoanalyseverfahren kürzlich vorgeschlagen wurde. Es wird hierbei eine Probe aus Kugelgraphiteisenschmelze unmittelbar nach der Kugelformungsbehandlung durch thermische Analyse getestet und der Grad an Kugelform der Kugelgraphiteisenschmelze aus den Unterschieden des Vorgangs der Temperaturänderung vor dem Giessen in eine Form vorausgesagt.

ORIGINAL INSPECTED

Es wird zum Beispiel eine aus der Kugelgraphiteisenschmelze entnommene Probe an Eisenschmelze in eine Probenform (Becher) gegossen, unter Verwendung eines geeigneten thermoelektrisehen Pyrometers eine Abkühlungskurve aufgezeichnet und der Grad an Kugelform der Kugelgraphit ei senschmelze aus den Formunterschieden der erhaltenen Kurve vorhergesagt. Dieses Verfahren besteht im Vergleichen der Kurve mit einer Vielzahl von vorher von Hand bereiteten Klassifikationen bezüglich der Formen der Abkühlungskurven und des Grads an Kugelform von vielen Beispielen, wobei schnell gemessen werden soll. Jedoch sind der Vergleich und die Analyse kompliziert und mühsam, so dass die Möglichkeit einer subjektiven Betrachtungsweise und eines grossen Fehlers bei verschiedenen Personen besteht, weshalb dieses Verfahren in Giessereien praktisch nicht verwendet wird.

Als weiteres Verfahren werden eine in derselben Weise verwendete Abkühlungskurve, eine Hauptkristallisationstemperatur, die durch Unterkühlen erzeugte niedrigste !Temperatur und die im Anschluss an das Unterkühlen auf Grund von Wiedererwärmung erzeugte höchste Temperatur, von denen beide im Zeitpunkt der eutektisehen Erstarrung auftreten, mit dem Auge aus der Kurve gemessen, wobei aus einer Beziehung mit den auf diese Weise durch Augenmessung erzielten Temperaturen der Grad an Kugelform von Kugelgraphiteisenschmelze und der Carbidgehalt vorausgesagt werden. Gemäss diesem Verfahren kann die Messgeschwindigkeit in derselben Weise wie beim vorhergehenden Verfahren erreicht werden. Jedoch ergeben ungenaue Ablesungen der durch ein keine numerischen Werte anzeigendes Pyrometer gemachten Anzeigen der niedrigsten und der höchsten Temperatur einen Fehler. Ferner ist das Auflösungsvermögen der thermoelektromotorisehen Kraft des

es
Pyrometers unzureichend und/werden die Zeitparameter der Temperaturänderungen, die zum Vorhersagen des Grads an Kugelform von Kugelgraphiteisenschmelze wichtig sind, nicht in Betracht gezogen, so dass dieses Verfahren keine ausreichende Genauigkeit erreichen kann und in der Giesserei prak-

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tisch nicht verwendbar ist.-"

Ferner wird als weiteres Verfahren bei Verwendung einer Abkühlungskurve der Grad an Kugelform von Kugelgraphiteisenschmelze geschätzt , und zwar aus einer einzigen Wechselbeziehung etwa mit der durch Unterkühlen erzeugten niedrigsten Temperatur, der durch Wiedererwärmen erzeugten höchsten Temperatur, die im Zeitpunkt der eutektischen Erstarrung auftreten, einer Differenz zwischen beiden Temperaturen, dem maximalen Neigungswinkel einer Kurve von der niedrigsten Temperatur zur höchsten Temperatur oder dgl. Gemäß, diesem Verfahren wie auch gemäß den beiden anderen Verfahren kann eine zufriedenstellende Meßgeschwindigkeit erzielt werden. Bei Verwendung lediglich einer einzigen Wechselbeziehung gibt es aber einen Fehler beim Ablesen der niedrigsten und höchsten Temperaturen, ein unzureichendes Auflösungsvermögen der thermoelefctromotorischen Kraft und eine unzureichende Voraussagenorm, so daß eine ausreichende Vorhersage nicht erzielbär ist. Da dieses Verfahren nur bei untereutektlscher Kugelgraphiteisenschmelze anwendbar ist, während gegenwärtig beinahe alle Gießereien Kugelgraphitgußeisen aus übereutektischer Eisenschmelze herstellen, kann dieses Verfahren ebenfalls nicht in der Gießerei verwendet werden.'

Auf alle Fälle dauert die Vorhersage des Grads an Kugelform von Kugelgraphiteisenschmelze eine lange Zeit, falls die Zuverlässigkeit Priorität hat. Bei einem herkömmlichen Verfahren kann mit Hilfe eines ThermoanalysBverfahrens eine ausreichende Meßgesehwindigkeit, jedoch aus dem oben genannten Grund keine ausreichende Zuverlässigkeit erzielt werden. Ferner ist die anwendbare Zusammensetzung des geschmolzenen Eisens begrenzt, so daß es kein in der Gießerei praktisch verwendbares Verfahren gibt. ;■"-■■ . ■ :

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der oben genannten Art anzugeben, bei dem die oben genannten verschiedenen Nachtei-

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le der bisherigen Verfahren beseitigt sind und eine unmittelbar zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum schnellen Vorhersagen des Grads an Kugelform von aus einer Eisenschmelzeprobe hergestelltem Kugelgraphitgußeisen, gekennzeichnet durch Ermitteln der tiefsten Temperatur T™ aufgrund von Unterkühlen und der höchsten Temperatur T__M aufgrund von

JiJYl

Wiedererwärmen im Anschluß an das Unterkühlen, das während der eutektischen ERstarrung einer Anzahl von Proben einer Metallschmelze für Kugelgraphxtgußeisen während des Abkühlens und des Erstarrens bei einer gegebenen Abkühlungsbedingung stattfindet, durch Ermitteln der von der tiefsten Temperatur T„„ bis zu höchsten Temperatur T_EM verstrichenen Zeit Z, durch Bestimmen von Konstanten a, b, c und e in der folgenden Formel, die eine Beziehung zeigt zwischen den Werten der auf diese Weise ermittelten Temperaturen, der verstrichenen Zeit und irgendeiner der Charakteristiken D₃, die den Grad an Kugelform von Kugelgraphiteisen darstellen, gewählt aus dem Prozentsatz an Kugelgraphit, dem Prozentsatz an Restmagnesium und der Zugfestigkeit oder Dehnung des Gußeisens nach dem Erstarren, und durch Ermitteln der Charakteristiken D₂ des Eisens für Kugelgraphxtgußeisen mit unbekanntem Grad an Kugelform durch Einsetzen der Werte von Tt^tj Τ«« und Z, die während des Abkühlens und Erstarrens

XLU JHYl

der Eisenschmelzeprobe bei der gegebenen Abkühlungsbedingung ermittelt werden, in die Formel:

^DS ^{= a + bT}EM ^{+ C}^^TE ^{+ eZ} ' wobei *3 T_ß die Differenz zwischen T™ und T_EU ^_gt

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum schnellen Vorhersagen des Grads an Kugelform von aus einer Eisenschmelzeprobe hergestellten Kugelgraphxtgußeisen, gekennzeichnet durch eine Probenform mit einer heissen Mündung zum Gießen der Eisenschmelzeprobe für Kugelgraphxtgußeisen, durch

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einen Analog-Digltalwandler ■ ·

zum Umwandeln einer an der heissen Mündung als analoges Signal gemessenen Temperaturänderung in einen digitalen Wert, durch, eine Einrichtung zum aufeinanderfolgenden Speichern der numerischen Werte des digitalen Betrags, ermittelt in Intervallen eines vorgegebenen Zeitintervalls, zum Bestimmen und Speichern von solchen numerischen Werten, die unter den numerischen Werten mit einer vorgegebenen Bedingung übereinstimmen, als die niedrigste Temperatur T™ und die höchste Temperatur T_EM der eutektischen Erstarrung und zum Speichern einer Zeit zwischen den die Temperaturen T™j und T_EM aufweisenden Zeiten, und durch eine Funktionsverarbeitungseinrichtung zum Einsetzen der Werte von T-^, T_EM und Z der Eisenschmelzeprobe mit unbekanntem Grad an Kugelform in die folgende Formel, wobei diese Werte erhalten sind aus einer Anzahl von Proben aus Eisenschmelze für Kugelgraphitgusseisen mit Bezug auf eine Beziehung zwischen irgendeiner von Charakteristiken Dg, die den Grad an Kugelform des Kugelgraphitgusseisens aufweisen, gewählt aus dem Prozentsatz an Kugelgraphit, dem Prozentsatz an Restmagnesium, der Zugfestigkeit oder Dehnung des Gusseisens nach dem Erstarren und den Werten von T^, ^TEM ^xin^ ^' ^WODe^· ^i ^e durch die Funktionsverarbeitung erhaltenen numerischen Werte als Zahl oder Muster angezeigt werden:

DS » a + bT_EM + c δΤ_ε + eZ ,

wobei a, b, c und e Konstanten und ΔΤ_Ε die Differenz zwischen

Φ πτϊΛ Φ

^TEM ¹^ ¹EU

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 eine graphische Darstellung einer Form einer Abkühlungskurve von übereutektischer Kugelgraphiteisenschmelze beim Vorgang des Abkühlens und Erstarrens; j

Fig. 21 bis 2V verschiedene Formen von Kugelgraphitgusseisen;

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Fig. 3 eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Anzeige eines vorhergesagten Ergebnisses des Grads an Kugelforin aus Eisenschmelze mit einem Muster;

Fig. 4 ein Schaltschema einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.

Durch die Erfindung wurden mit Erfolg ein schnelles und zuverlässiges Verfahren und eine Vorrichtung angegeben,„ bei der der Vorgang der Temperaturänderung einer Kugelgraphiteisenschmelze während des Abkühlens und Erstarrens durch Thermoanalyse gemessen werden, wobei der Grad an Kugelform des Eisens basierend auf einer Analyse des Ergebnisses vorausgesagt wird unter Beseitigung der oben genannten Nachteile nach Ausführung eines breit angelegten Versuchs bezüglich einer Anzahl von Beispielen für die Kugelgraphiteisenschmelze.

Zuerst wird ein sogenanntes analoges System zum Nachzeichnen einer Temperaturänderung durch eine stetige Kurve, was einer der Nachteile des herkömmlichen Thermoanalyseverfahrens ist, abgeändert in ein digitales Temperaturlesesystem, das durch eine Analog-Digitalumwandlungsvorrichtung umgewandelt wird. Auf diese Weise werden die Temperaturen als numerische Werte ausgegeben mit einer Häufigkeit bei Kurzζeitintervallen zur Verarbeitung von Daten. Die zum Analysieren des gemessenen Ergebnisses erforderlichen Temperaturwerte werden durch das folgende Verfahren genau bestimmt mit dem Ergebnis, dass der Ausgabefehler beinahe beseitigt ist. In diesem Fall können die zu lesenden numerischen Werte^efner thermoelektromotorische Kraft (mV) sein, der unmittelbar der Temperatur oder deren Funktion (im folgenden durch eine Temperatur in ⁰C dargestellt) entsprechen.

Zur Erhöhung des Messgenauigkeit wird gegebenenfalls eine Ermittlungsempfindlichkeit der Temperaturänderung (Auflö-

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sungsvermögen dV der thermoelektromotorischen Kraft) durch Verstärken der thermoelektromotorischen Kraft (Spannung) kleiner als ein 2,5 ⁰C entsprechenderWert gemacht. Gleichzeitig wird das Zeitintervall dZ als umgekehrte Häufigkeitszahl der Temperaturausgabe auf ein vorgegebenes kurzes Zeitintervall von weniger als 3 Sekunden festgesetzt, wodurch einer Temperaturänderung im AbkühlVorgang vorschriftsmässig gefolgt wird. Wenn dV 2,5 ⁰C übersteigt, kann gelegentlich eine zur Analyse des Abkühlungsvorgangs erforderliche Temperatur nicht erfasst werden. Als Ergebnis hiervon wurde in verschiedenen Versuchen bestätigt, dass der Grad an Kugelform nicht vorhergesagt werden kann. Ferner kann bei einem 3 Sekunden übersteigenden Zeitintervall eine sehr schnelle Temperaturänderung beim Abkühlungsvorgang, z. B. das Fortschreiten vom Giessen einer Probe von geschmolzenem Eisen in einen Becher bis zur Hauptkristallisation,nicht genau erfasst werden, oder^wird eine für die Analyse erforderliche Temperatur übersehen. Gleichzeitig wird ein Fehler beim Erfassen eines Zeitparameters verursacht. Wenn dZ 3 Sekunden übersteigt, wird es als Ergebnis hiervon schwierig, den Grad an Kugelform von geschmolzenem Eisen vorherzusagen.

Diese Art von digitalem Pyrometer hat natürlich jeweils vorgegebene Werte für dV und dZ aus der Arbeitsweise. Gemäss der ibrliegenden Erfindung ist es jedoch vorteilhaft, dV kleiner al seinen 2,5 ⁰C entsprechenden Wert und dZ kleiner als 3 Sekunden zu machen.

Unter Verwendung dieses digitalen Pyrometers wurden zahlreiche Proben von geschmolzenem Kugelgraphiteisen mit den unter- und übereutektisehen Zusammensetzungen thermisch analysiert durch Giessen in verschiedene Becher mit unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten. Im Fall einer schnellen Abkühlung, etwa innerhalb 1 Minute vom Giessen der Probe von geschmolzenem Eisen in den Becher bis zur Beendigung der eutekti sehen Erstarrung, zeigen beide Zusammensetzungen keinerlei signifikante statistische Wechselbe-

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Ziehung zwischen den durch die Thermoanalyse erfassten Parametern und dem Grad an Kugelform der Eisenschmelze. Bei Beobachtung der Mikrostruktur dieser Proben zeigt sich eine grosse Menge an Cementit auf Grund der hohen Abkühlungsgeschwindigkeit, deren Einfluss auf das Ergebnis bestätigt wird.

Venn andererseits die Zeit vom Giθssen bis zur Beendigung der eutektisehen Erstarrung länger als 10 Minuten benötigt, d. h. bei einer langsamen Abkühlung, nähert sich die Abkühlungsbedingung dem Gleichgewichtserstarrungszustand, und das Ergebnis ist dasselbe wie im Fall einer niedrigen Genauigkeit von dV und dZ, so dass dies kein statistisch signifikantes Ergebnis erzielen kann.

Wie oben beschrieben, ist die Zeit vom Giessen einer Probe aus Eisenschmelze in einen Becher zur Thermoanalyse bis zur Beendigung der eutektischen Erstarrung ein wichtiger Faktor zur Lösung der Aufgabe der Erfindung, und ist es vorteilhaft, die Zeit auf über 1 Minuten und weniger als 10 Minuten zu begrenzen.

Die Zeit vom Giessen der Probe in einen Becher für die Thermoanalyse bis zur Beendigung der eutektischen Erstarrung wird beeinflusst durch die Giesstemperatur, das Giessgewicht, die Form des Bechers und dessen Materials, die Abkühlungsbedingungen oder dgl. Wenn aber der Becher aus einer für gewöhnlich verwendeten Maskenform besteht und im Fall einer Abkühlung in der Atmosphäre, ist zusätzlich zur Giesstemperatur das Giessgewicht ein wichtiger Faktor. Die Erfinder hatten aus vielen Versuchen gefunden, dass ein Giessgewicht von 200-500 g im Fall eines eine Maskenform verwendenden Bechers ein Optimum ist, die obige Bedingung der Erstarrungszeit erfüllt und das beste Ergebnis erzielt. Daher sollte der Becher ein Fassungsvermögen haben, das mit dem obigen Giessgewicht in Einklang steht.

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Der von einem digitalen Pyrometer abgelesene KühlVorgang wird an jedem durch dV und dZ bestimmten Funkt als eine stetige Kurve eines Temperaturpunkts erfasst. Saher kann j die !Temperatur am gewählten Punkt als ein numerischer Wert genau ausgegeben werden, während durch Integrieren der ' Häufigkeiten eines durch dZ bestimmten gegebenen Zeitintervalls ein Zeitparameter genau ausgegeben werden kann.

Eine Ausführungsform einer Abkühlungskurve von geschmolzenem Kugelgraphiteisen ist in Fig. 1 gezeigt. Die Erfinder hatten viele Proben von geschmolzenem Kugelgraphiteisen mit unter- und übereutektisehen Zusammensetzungen getestet und eine Beziehung zwischen verschiedenen Parametern analysiert, die aus der numerisch ausgegebenen Abkühlungskurve und dem Grad an Kugelform der Eisenschmelze durch eine statistische Technik erzielt wurden. Das heisst, dass ein Verfahren des aufeinanderfolgenden Nehmens eines Parameters mit der stärksten Wechselbeziehung unter den Parametern mit ein gewisses Niveau übersteigender Bedeutung und durch stufenweises Wiederholen einer mehrfachen Regressionsanalyse. Als Ergebnis hiervon sind die bei dieser mehrfachen Wechselbeziehung signifikanten Parameter: die höchste Temperatur T_EM auf Grund des Wiedererwermens der eutektischen Erstarrung, die Differenz ATg zwischen der höchsten Temperatur T_EM und der niedrigsten Temperatur T™ auf Grund des Unterkühlens der eutektischen Erstarrung und die verstrichene Zeit Z von der Endzeit zur Anfangszeit, die eine durch ein digitales Pyrometer dargestellte Temperatur T™ bzw. T_EM aufweisen. Es wurde gefunden, dass die eine beträchtlich hohe Signifikanz aufweisende Wechselbeziehung aufgestellt werden kann. Das heisst, der charakteristische Wert D_g, der den Grad an Kugelform von Kugelgraphitgusseisen nach der Erstarrung der Eisenschmelze darstellt, d. h. den Grad an Kugelform der Eisenschmelze als Punktion von T_EM, ΔTg und Z kann durch die folgende Formel (1) dargestellt werden:

a + bT_EM + c ΔΤ_Ε + eZ (1)

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- 16 wobei a, b, c und e durch Versuch bestimmte Konstanten sind.

Das nächste wichtige Problem ist die Art, in der die in der Praxis statistisch signifikanten Temperatur- und Zeitparameter erfasst und bestimmt werden. An erster Stelle werden durch das folgende Verfahren beim Abkühlungs- und Erstarrungsvorgang der Kugelgraphiteisenschmelze folgende Werte tatsächlich erfasst und bestimmt: T-^, d. h. ein Temperaturwert an dem Punkt, von dem aus die Temperatur ansteigt, und ^TEM' ^d* ^{n# e}*ⁿ ^^eoP^eraturwert an dem Punkt, an dem der Temperaturanstieg aufhört. Bezüglich T^, werden die Temperaturwerte von kontinuierlichen drei Schritten, ständig in einem Speicher gespeichert. Ein derartiger Temperaturwert wird so verwendet, dass der Temperaturwert des zweiten Schritts um dV niedriger als die Temperaturwerte des ersten und des dritten Schritts ist und über 2 Sekunden andauert. Bezüglich T_EM wird ein derartiger Temperaturwert so verwendet, dass der Temperaturwert des zweiten Schritts um dV grosser als die Temperaturwerte des ersten und des dritten Schritts sind und über 2 Sekunden andauert.

Das Wichtige in. Vorliegendem besteht darin, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem zweiten Schritt und den ersten und dritten Schritten dV beträgt und der Temperaturwert als Tgg oder T_EM nur dann verwendet wird, wenn der zweite Schritt über 2 Sekunden andauert. Wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind, kann ein Ziel der Erfindung nicht durch Erfassen unnötiger oder ungeeigneter Daten erreicht werden, etwa durch Suchen des gemessenen Temperaturwerts oder der Temperaturänderung, verursacht durch Bildung eines Austenitrings um primär kristallisiertes Graphit, beobachtet in der Kugelgraphiteisenschmelze mit der übereutektisehen Zusammensetzung.

Δ T_E kann einfach durch T_EM - T^ erhalten werden, während Z durch Integrieren des Zeitablaufs dZ vom Endpunkt mit T_EU bis : zum Anfangspunkt mit T_£M erhalten wird.

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^TEM' ^TE ¹^⁰² werden durch die obigen Verfahren erfasst und bestimmt, wobei durch Einsetzen dieser numerischen Werte die Beziehung der Formel (1)mit statistisch grosser

Signifikanz aufgestellt werden kann.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung muss eine Vorrichtung geschaffen werden, die folgendes enthält: Eine Probenform (Becher), die zum Giessen einer Probe von Eisenschmelze mit einer heissen Mündung versehen ist, ein digitales Pyrometer, einen Speicher, einen Diskriminator, eine Operationsvorrichtung, eine Anzeigevorrichtung, eine integrierte Schaltung, eine Steuerschaltung und dgl. Das heisst, in der Schnellvorhersagevorriehtung für den Grad an Kugelform von Kugelgraphitgusseisen nach der Erfindung gemäss Pig. 4- ist eine Probenform (Becher) 1 vorgesehen mit einer heissen Mindung zum Giessen einer Probe aus Eisenschmelze. DieProbenform ist über einen Temperaturkompensator 3, einen Verstärker 4 und Thermoelement-Verlängerungs-drähte 2 mit einem Analog-Digitalwandler 5 verbunden, dessen Ausgangsseite über ein digitales Pyrometer 6 mit einem Mikrocomputer 9 verbunden ist. Der Mikrocomputer 9 besteht aus einem Speicher, einem Diskriminator, einer Operationsvorrichtung und einer Steuerschaltung. Beinahe alle diese Vorrichtungen sind durch eine integrierte Schaltung gebildet. Im Mikrocomputer 9 sind vorgesehen: ein Schalter 7 für eine elektrische Energiequelle und dessen Anzeigelampe 7' und ein Messungsstartschalter 8 mit seiner Anzeigelampe 8' auf der Eingangsseite. Auf der Seite eines Ausgangs des Mikrocomputers 9 sind über einen Stromverstärker iO angeschlossen: eine Anzeigelampe 11 für Kugelgraphit, eine Anzeigelampe 12 für Quasi-Kugelgraphit und eine Anzeigelampe 13 für wurmartigen Kugelgraphit. Auf der Seite eines weiteren Ausgangs des Mikrocomputers 9 sind vorgesehen: eine Anzeigelampe 14-zur Anzeige des Endes der Messung, eine Anzeigelampe 1f? zur Anzeige einer schlechten Messung, eine Anzeigelampe 16 zur Anzeige eines schlechten Kontakts, eine Anzeigelampe 17 für den Ausfall des Mikrocomputers, eine Anzeigelampe 18

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für Kältealarm bzw. ein Alarmsummer 19. Das heisst, der Ablauf der Temperaturänderung beim Abkühlungs- und Erstarrungsvorgang einer Probe aus Kugelgraphiteisenschmelze -wird mit der Häufigkeit (Frequenz) eines gegebenen kurzen Zeitintervalls durch ein digitales Pyrometer und gegebenenfalls durch Verstärken der thermoelektromotorischen Kraft erfasst. Der auf diese Weise erfasste Ablauf der Temperaturänderung wird durch einen Speicher einmal gespeichert. Die ständig erfassten Temperaturwerte von drei Schritten und der Zeitablauf werden durch einen Diskriminator unterschieden. Mcht benötigte Temperaturwerte werden aufeinanderfolgend ausgeschieden, bis der Wert mit den vorher im Speicher gespeicherten vorgegebenen Bedindungen von T^ und T_£„ zusammenpaßt. Die mit den vorgegebenen Bedingungen zusammenfallenden Temperaturwerte werden als Tgrj und Tjjj» bestimmt und gespeichert. Aus diesen Werten für T-gTj und Tj.« wird durch einen Vorgang gemäss dem vorher gespeicherten und aus δΤ_ε gebildeten Vorgang (Wert) ein Wert von ATj. berechnet und gespeichert. Ferner wird vom Endpunkt, der durch das digitale Pyrometer T™j darstellt, mit dem Integrieren des Zeitintervalls dZ begonnen, wobei der Zeitablauf bis zum T-gM darstellenden Anfangspunkt zu Z bestimmt und dem Speicher gespeichert wird.

Die nach dem obigen Verfahren gespeicherten Werte und Z werden eingesetzt in und verarbeitet durch die Formel (1) für T_EM, ΔΤ_Ε und Z, die als statistisch signifikant gespeichert sind und auf einer Anzahl von vorhergehenden Beispielen und dem Grad an Kugelform des Kugelgraphitgusseisens nach dem Erstarren beruhen. Die erhaltene Lösung wird an der Anzeigevorrichtung angezeigt.

Wie oben beschrieben, hat die Kugelform von Kugelgraphitgusseisen eine ausgeprägte Beziehung mit einer Mg-Restmenge und mit mechanischen Eigenschaften, wie der Zugfestigkeit, der Dehnung und dgl., im Gegensatz zum Prozentsatz an Kugelgraphit, der auf der Beobachtung der Struktur durch ein Mikroskop beruht. Ferner wurde gemäss den Versuchen der Erfinder

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gefunden, dass, selbst wenn irgendeine Eigenschaft als charakteristischer Wert Dg genommen wird, der den Grad an Kugelform von geschmolzenem Eisen darstellt, die mehrfache Wechselbeziehung mit hoher Signifikanz dadurch hergestellt werden kann, dass lediglich die Konstanten in der formel (1) geändert werden und die verbleibenden Parameter T-pm» ΔΤ™ und Z unverändert bleiben,

Demnach kann die Vorhersage des Grads an Kugelform durch irgendeinen dieser Grade an Kugelform angezeigt werden, d. h. durch den Prozentsatz an Kugelgraphit, die Mg-Restmenge, die Zugfestigkeit oder die Dehnung. Eine der bevorzugtesten Ausführungsformen soll aber ein Muster zeigen, das auf der Beziehung zwischen der Klassifikation von Formen von Graphitkügeln (Graphitformen) und der Menge an Graphit mit den klassifizierten Formen beruht.

Im allgemeinen werden die Graphitformen vom Kugelgraphitgusseisen gemäss Fig. 2 in fünf Arten klassifiziert, wobei der Prozentsatz an Kugelgraphitgusseisen berechnet wird aus einem der klassifizierten Form entsprechenden Formkoeffizienten und einer entsprechenden Anzahl von Knoten (Kugeln) mit der durch ein Mikroskop beobachteten klassifizierten Form. Jedoch sind bei den tatsächlichen Produkten aus Kugelgraphitgusseisen in beinahe allen Fällen die Formen II, III, IV und V mit Ausnahme der dem Schuppengraphit entsprechenden Form I so gemischt, dass dieses System ein Muster angibt, das der Klassifikation und der Menge dieser Formen entspricht, wobei es den Grad an Kugelform von Kugelgraphitgusseisen in der Praxis mehr aus visuelle Weise anzeigt.

Im Fall der Anzeige eines Musters ist es im Hinblick auf die Klassifikation der Graphitformen zusätzlich zu den obigen vier Arten II bis V möglich, die Anzahl von Klassifikationen der Form zweckmässig zu verringern. Das heisst, die tatsächliche Beobachtung durch ein Mikroskop kann III nicht klar von IV oder IV nicht klar von V unterscheiden, wobei das Ausmass der Kugelform in IV und V nicht viel abweicht, so dass

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die Aufgabe ausreichend gelöst wird durch Klassifizieren in nur drei Arten von wurmförmigem, quasi-kugelförmigem und kugelförmigem Graphit. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Musteranzeige. In Fig. 3 ist die Graphitform in die obigen drei Arten klassifiziert, wobei ein Abschnitt jeder Klassifikation in zwei Teile und die Vorhersage des Grads an Kugelform von Kugelgraphitgusseisen in sieben Schritte unterteilt sind. Der Grad an Kugelform einer geschmolzenen Eisenprobe wird durch Thermoanalyse gemessen und gemäss der Erfindung analysiert. Das auf diese Weise erhaltene Ergebnis wird automatisch durch Aufleuchten in den Teilen entsprechend jedem Schritt angezeigt. Wenn z. B. der Grad an Kugelform zu 91 % vorhergesagt ist, sind die Teile 1-1 und 1-2 erleuchtet.

Bei der tatsächlichen Vorrichtung kann durch Erleuchten oder Alarm folgendes angezeigt werden: eine schlechte Messung, verursacht durch einen schlechten elektrischen Kontakt mit dem Thermoelement im Becher oder dgl., ein aussergewöhnlicher Fall, wie die Unmöglichkeit eines Betriebs, verursacht durch einen Schaltungsausfall in der Vorrichtung oder dgl.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung werden anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Als Ergebnis von vielen Versuchen bei einer gegebenen Bedingung wurden die in Tabelle 1 gezeigten Werte für die Konstanten a, b, c und e in der Formel (1) erhalten gemäss der Verwendung des Prozentsatzes an Kugelgraphit (%), der Mg-Restmenge (%), der Zugfestigkeit (kp/mm²) oder der Dehnung (%) als dem charakteristischen Wert D_g der den Grad an Kugelform des geschmolzenen Kugelgraphiteisens darstellt.

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Tabelle 1

Grad an Kugelform

	Kugelgraphit (	:%)	242,367
	Mg-Restmenge ( Zugfestigkeit	:%) (kg/mm²)	0,0983749 183,347
	Dehnung (%)		33,0796
to O co 00 ■ 00
'06S

-5,28478 -16,7639 -0,00139776 -0,0042504-7 ■4,17676 . -3,47600 -0,372093 -6,00474

-0,161677 -0,000263826 -0,00354000 -0,0383857

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Als nächstes wurden 1 t des Grundeisens mit der chemischen Zusammensetzung von C 3,56 %, Si 1,62 %, Mn 0,52 %, P 0,031 % und S 0,019 % (untereutektische Zusammensetzung) vor der Kugelformungsbehandlung 0,8 % einer 8 % Mg enthaltenden Fe-Si-Mg-Legierung mittels eines Sandwichsystems zugeführt. Die auf diese Weise behandelte Kugelgraphitschmelze wurde in einen Becher gegossen, was vom Giessen einer Probe der Eisenschmelze bis zur Beendigung der eutektisehen Erstarrung 3 Minuten benötigte. Eine sogenannte Y-Blockform wurde unmittelbar nach der Kugelformungsbehandlung und 15 Minuten nach der Behandlung durch das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung gemessen, wobei der Grad an Kugelform durch Anwendung der obigen Formel errechnet wurde. Die vorhergesagten Ergebnisse (Prozentsatz an Kugelform des Kugelgraphite, Zug-

festigkeit in kg/mm , Dehnung in Prozent, Mg-Restmenge in Prozent) wurden mit den durch Verwendung der Y-Blockprobe tatsächlich gemessenen Ergebnissen verglichen. Das Ergebnis ist in Tabelle 2 dargestellt.

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ORIGINAL INSPECTED.

Tabelle 2

Kugelgraphit Zug- Dehnung Mg-Rest-(%) festigkeit (%) menge

O CO 00 -C-

OO O cr> cn

Unmittelbar nach Kugelformungsbehandlung

Vorhersage durch Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung

Messergebnis für Y-BIockprobe

nin nach der Behandlung

Vorhersage durch Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung

Messergebnis für Y-Blockprobe

85,6	56,3	12	,2	0,042	I ro
86,8	57,9		'⁴	0,039
65,1	55,0	8	,0	0,025
67,0	53,4	8	,6	0,028

i. J I si· to £la

Beispiel 2

Als nächstes wurden 1 t des Grundeisens mit der chemischen Zusammensetzung von C 3,82 %, Si 1,93 %, Mn 0,38 %, P 0,029 % und S 0,017 % (übereutektische Zusammensetzung) vor der Kugelformungsbehandlung 0,8 % einer 8 % Mg enthaltenden Fe-Si-Mg-Legierung mittels eines Sandwichsystems zugeführt. Die auf diese Weise behandelte Kugelgraphiteisenschmelze wurde in einen Becher gegossen, was vom Giessen einer Probe der Eisenschmelze bis zur Beendigung der eutektisehen Erstarrung 4 Minuten benötigte. Eine sogenannte Y-BIockform wurde unmittelbar nach der Kugelformungsbehandlung und 15 Minuten nach der Behandlung durch das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung gemessen, wobei der Grad an Kugelform durch Anwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Formel errechnet wurde. Die vorhergesagten Ergebnisse (Prozentsatz an Kugelform des Kugelgraphits, Zugfestigkeit in kg/mm², Dehnung in Prozent, Mg-Eestmenge in Prozent) wurden mit den durch Verwendung der Y-Blockprobe tatsächlich gemessenen Ergebnissen verglichen. Das Ergebnis ist in Tabelle 3 dargestellt.

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•^JÄt&? uiA=/-£'-■-■'", ORIGINALINSPECTED

Tabelle 5

Kugelgraphit ■<*)■

Zug- Dehnung festigkeit (%) (kp/mm2)

Mg-Bestmenge

	cn ^; ο ■ ■ co	Unmittelbar nach Kugel formung sbe-	Vorhersage durch Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung	92,0	46,7	21,6	0,048	I (V) VJI
	OO	handlung	Messergebnis für r-Block- pro be.	88,4	45,1	22,8	0,052
	Off	■ ■ ■ ,, . 15 miD nach der Behand	Vorhersage durch Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung	66,5	43,1	16,2	0,029
		lung	Messergebnis für γ-Block- probe	73,2	45,6	14,4	0,027
ORIGII		. ■ ■,■..■■

INSPEC
^TED

291S625

Wie sich aus den obigen Beispielen ergibt, ist es klar, dass die schnelle Vorhersage des Grads an Kugelform von Kugelgraphitgusseisen aus Eisenschmelze-Proben durch das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung ausreichend zuverlässig ist für Kugelgraphiteisen mit unter- oder übereutektisehen Zusammensetzung.

Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschliesslich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Ij Verfahren zum schnellen Vorhersagen des Grads an Kugelform von aus einer Eisenschmelzeprobe hergestelltem Kugelgraphitgußeisen, gekennzeichnet durch Ermitteln der tiefsten Temperatur T_ßU auf Grund von Unterkühlen und der höchsten Temperatur Τ_βΜ aufgrund von Wiedererwärmen im Anschluß an das Unterkühlen, wobei diese Temperaturen während der eutektischen Erstarrung einer Anzahl von Proben einer Metallschmelze für Kugelgraphitgußeisen während des Abkühlens und des Erstarrens bei einer gegebenen Abkühlungsbedingung auftreten, durch Ermitteln der von der tiefsten Temperatur Τ_ρυ bis zur höchsten- Temperatur T™ verstrichenen Zeit (Z), durch Bestimmen von Konstanten a, b, c und e in der folgenden Formel, die eine Beziehung zeigt zwischen den Werten der auf diese Weise ermittelten Temperaturen, der verstrichenen Zeit und irgendeiner der Charakteristiken D_c, die den Grad an Kugelförm von Kugelgraphiteisen darstellen, gewählt aus dem Prozentsatz an Kugelgraphit, dem Prozentsatz an Restmagnesium und der Zugfestigkeit oder Dehnung des Gußeisens nach dem Erstarren, und durch Ermitteln der Charakteristiken

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— P —

D_Q des Eisens für Kugelgraphitgußeisen mit unbekanntem Grad an Kugelform durch Einsetzen der Werte von T_17n, T₁.^ und Z₃ die während des Abkühlens und Erstarrens der Eisenschmelzeprobe bei der gegebenen Abkühlungsbedingung ermittelt werden, in die Formel:

= a + bT_EM + c4T_E + eZ ,

wobei ^3T₁-, die Differenz zwischen T₁-,,. und T-,_TT ist,

Jj Hifi JiU
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegebenen Abkühlungsbedxngungen so sind, daß die Zeit nach dem Gießen der Probe aus der Eisenschmelze in die Probenform bis zur Beendigung der eutektischen Erstarrung im Bereich von 1-10 min liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgang der Temperaturänderung bis zur Erstarrungverdichtung der in die Probenform gegossenen Metallschmelze als numerischer Wert ermittelt wird, der in einem bestimmten Zeitintervall von weniger als 3 see durch einen Analog-Digitalwandler elektrisch umgewandelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflösungsvermögen einer thermoelektromotorischen Kraft dV, die die Temperaturänderungsermittlungsempfindlichkeit einer Probe aus der Metallschmelze darstellt, durch Verstärken der thermoelektromotorischen Kraft, gegebenenfalls mit Hilfe eines Verstärkers, kleiner als der 2,5°C entsprechende Wert gemacht wird.

3 D 9 8 k 8 / 0 6 5 T
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall des Erfassens und Bestimmens der Werte der niedrigsten Temperatur T„„ und der höchsten Temperatur T ™ während des Abkühlens und Erstarrens einer Anzahl von Proben aus der Eisenschmelze ununterbrochen in drei Schritten ermittelte Temperaturwerte stets von einem Speicher gespeichert werden, .wobei als T_EU und T™ solche Temperaturwerte verwendet werden, bei denen der Temperaturwert des zweiten Sehritts ,in T™, um

JCiU

dV niedriger als die Temperaturwerte des ersten und des dritten Schritts bzw. in T™ um dV höher als die Temperaturwerte des ersten und des dritten Schritts sind, wobei der zweite Schritt länger als 2 see dauert. _:„-
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß während des Abkühlens und Erstarrens einer Probe der Eisenschmelze die verstrichene Zeit Z von T™ nach T™ die verstrichene Zeit vom durch T,-,_TT dargestellten Endpunkt zum von T™

JCiU - " - - - HjrL

dargestellten Anfangspunkt ist.
7.·' Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Speicher gespeicherten numerischen Werte, mit Ausnahme der zu Tp_n, T™. und Z bestimmten numerischen Werte, bei Bedarf aufeinanderfolgend gelöscht werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorhersage des Grads an Kugelform des aus einer Eisenschmelzeprobe erhaltenen Kugelgraphitgußeisens mit einem Muster angesLgt wird, das auf der Beziehung zwischen der Klassifikation der Graphitformen und der jeweiligen Menge der klassifizierten Formen beruht.

9". Vorrichtung zum schnellen Vorhersagen des Grads an Kugelform von aus einer Eisenschmelzeprobe hergestelltem Kugelgraphitgußeisen, ge k e η η ζ e lehne i , durch eine; Probenform

2319625

-li

einer heissen Mündung zum Gießen einer Probe aus Eisenschmelze für Kugelgraphitgußeisen, durch einen Analog-Digitalwandler zum Umwandeln einer an der heissen Mündung als analoges Signal gemessenen Temperaturänderung in einen digitalen Wert, durch eine Einrichtung zum aufeinanderfolgenden Speichern der numerischen Werte des digitalen Wertes, ermittelt in Intervallen eines vorgegebenen Zeitintervalls, zum Bestimmen und Speichern yon solchen numerischen Werten, die unter den numerischen Werten mit einer vorgegebenen Bedingung übereinstimmen, als die niedrigste Temperatur T„_TT und die höchste Temperatur Ττ?«* der eutektisehen Erstarrung und zum Speichern einer Zeit zwischen den die Temperaturen T„„ und T„_M aufweisenden Zeitpunkten, und durch eine Punktionsverarbeitungseinrichtung zum Einsetzen der Werte von TfTT, T-P*. und Z der Eisenschmelze mit unbekanntem Grad an Kugelform in die folgende Formel, wobei diese Werte erhalten werden aus einer Anzahl von Proben aus Eisenschmelze für Kugelgraphitgußeisen mit Bezug auf eine Beziehung zwischen irgendeiner von Charakteristiken D₀, die den Grad an Kugelform des Kugelgraphitgußeisens aufweisen, gewählt aus dem Prozentsatz an Kugelgraphit, dem Prozentsatz an Rest-Magnesium, der Zugfestigkeit oder Dehnung des Gußeisens nach dem Erstarren und den Werten von Τ«_ττ, Τ_ϋΜ und Z, wobei die durch die Funktionsver-

JiU * hM

arbeitung erhaltenen numerischen Werte als Zahl oder Muster angezeigt werden:

^DS ^{= a + bT}EM ^{+ C}^^TE ^{+ eZ} ·

wobei a, b, c und e Konstanten und ^dTg die Differenz zwischen T_EM und T_EU sind.

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