DE2919625C2

DE2919625C2 - Verfahren und Vorrichtung zum schnellen Vorhersagen des Grads an Nodularität von Kugelgraphitgußeisen

Info

Publication number: DE2919625C2
Application number: DE2919625A
Authority: DE
Inventors: Katsuya Chita Fukuoka; Tomihiko Tsushima Inoue; Toshio Nagoya Iwama; Masayoshi Toyoake Kanbe; Taku Nagoya Sugiura
Original assignee: YAHAGI IRON CO Ltd
Current assignee: YAHAGI IRON CO Ltd
Priority date: 1978-05-17
Filing date: 1979-05-16
Publication date: 1982-12-16
Also published as: GB2025464B; DE2919625A1; GB2025464A; US4333512A; JPS596385B2; JPS54150194A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Vorhersagen des Grades an Nodularität von Kugelgraphitgußeisen, bei dem während des eutektischen Abkühlens und Erstarrens einer Schmelzprobe unter vorgegebenen Abkühlbedingungen die folgenden Temperaturen gemessen werden: die tiefste Temperatur Tru aufgrund von Unterkühlen und die höchste Temperatur Tem aufgrund von Rekaleszenz im Anschluß an das Unterkühlen.

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

Der Grad an Nodularität einer Schmelze 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 zu schmelzenden Rohmaterials, die chemische Zusammensetzung, die Vorgeschichte der Schmelzbehandlung, den Schmelzvorgar.g oder die Techniken der Kugelbildungsbehandlung, die z. B. beeinflußt wird durch die behände Ue Menge, die Behandlungstemperatur, den Behandlungsvorgang, die

thermische Analyse erhaltenen Abkühlungskurve (die die Beziehung zwischen dem Zeitablauf und der Temperatur einer Probe darstellt) in enger Beziehung mit dem Grad an Nodularität von Kugelgraphitgußeisen nach dem Erstarren, so daß das Thermoanalyseverfahren kürzlich vorgeschlagen wurde. Es wird hierbei eine Probe aus Kugelgraphiteisenschmelze unmittelbar nach der Kugelbildungsbehandlung durch thermische Analyse getestet und der Grad an Nodularität der

Art und Menge eines zugefügten Kugelbildungsmittels io Kugelgraphiteisenschmelze aus den Unterschieden des usw. Somit hat das; Kugelgraphitgußeisen im Vergleich Vorgangs der Temperaturänderung vor dem Gießen in

mit Schupp^ngraphitgußeisen 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 Nodularität von Kugelgraphitgußeisen unmittelbar durch den Prozentsatz der Kugelform von Graphit bestimmt, beruhend auf einer durch ein Mikroskop erfolgenden Beobachtung

eine Form vorausgesagt.

Es wird z. B. eine aus der Kugelgraphiteisenschmelze entnommene geschmolzene Probe in eine Probenform (Becher) gegossen, unter Verwendung eines geeigneten Pyrometers eine Abkühlungskurve aufgezeichnet und der Grad an Nodularität der Kugelgraphiteisenschmelze aus den Formunterschieden der erhaltenen Kurve vorhergesagt. Dieses Verfahren besteht im Vergleichen

der Struktur einer Probe, die unter derselben Bedingung 20 der Kurve mit einer Vielzahl von vorher bereiteten

gegossen ist wie Gußteile oder ein Probensiück, das am Gußteil selbst befestigt ist. Der Grad an Nodularität von Kugelgraphitgußeisen wird aber auch indirekt aus den mechanischen Eigenschaften bestimmt, wie der Zugfe-

Klassifikationen bezüglich der Formen der Abkühlungskurven und des Grads an Noduiarität von vielen Beispielen, wobei schnell gemessen werden soll (AFS Transactions. 79, 1971, S. 141-144). Jedoch sind der

stigkeit. Dehnung od. dgl„ dem Prozentsatz an als 25 Vergleich und die Analyse kompliziert und mühsam, so Kugelbildungsmittel zugesetztem Restmagnesium (Mg- daß die Möglichkeit einer subjektiven Betrachtungswei-Restmenge) u. dgl., die in ausgeprägter Wechselbezie

hung mit dem Grad an Nodularität 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 längere Zeit. Wenn der Grad an Nodularität der Struktur als schlecht vorhergesagt wird, würde das

se und eines großen Fehlers bei verschiedenen Personen besteht, weshalb dieses Verfahren in Gießereien praktisch nicht verwendet wird.

30 Als weiteres Verfahren, wobei in derselben Weise eine Abkühlungskurve verwendet wird, werden eine Primärkristallisationstemperatur, die durch Unterkühlen erzeugte niedrigste Temperatur und die im Anschluß an das Unterkühlen aufgrund von Rekaleszenz erzeugte Gießen zu Ende sein. Für notwendige Maßnahmen ist es 33 höchste Temperatur, von denen die letzte im Vorgang zu spät. Der Guß wird sich als minderwertig der eutektischen Erstarrung auftreten, mit dem Auge herausstellen und es ergibt sich bei der Fertigung ein aus der Kurve gemessen, wobei aus einer Beziehung mit wirtschaftlicher Verlust. den auf diese Weise durch Augenmessung erzielten

Die Gußindustrie hat daher die Entwicklung eines Temperaturen der Grad an Nodularität von Kugelgra-Verfahrens zum schnellen, d. h. vor dem Gießen des 40 phiteisenschmelze und der Carbidgehalt vorausgesagt

werden (US-PS 36 70 558). Gemäß diesem Verfahren kann die Meßgeschwindigkeit in derselben Weise wie beim vorhergehenden Verfahren erreicht werden. Jedoch ergeben ungenaue Ablesungen der durch ein schmelze bezeichnet) gefordert, damit notwendige 45 keine numerischen Werte anzeigendes Pyrometer Maßnahmen unverzüglich getroffen werden können. gemachten Anzeigen der niedrigsten und der höchsten

Temperatur einen Fehler. Ferner ist das Auflösungsvermögen der thermoelektrischen Kraft des Pyrometers unzureichend und es werden die Zeitparameter der Eisen oder dem Prozentsatz an Kugelgraphit im 50 Temperaturänderungen, die zum Vorhersagen des erstarrten Zustand unmittelbar nach einer Kugelbil- Grads an Nodularität von Kugelgraphiteisenschmelze dungsbehandlung. Die Abnahme einer Restmenge an
Magnesium oder die Absenkung des Prozentsatzes an
Kugelgraphit von der Kugelbildungsbehandlung bis
zum Gießen hängt von den üblichen Arbeitsbedingun- 55
gen jeder Gießerei ab, etwa der Haltetemperr.tur und
-zeit der Eisenschmelze, der Form und Größe der
verwendeten Gießpfanne u. dgl. Wenn daher der Grad
an Nodularität der Eisenschmelze für Kugelgraphitgußeisen unmittelbar nach einer Kugelbildungsbehandlung 60 durch Rekaleszenz erzeugten höchsten Temperatur, die vorausgesagt werden kann, kann unter Zugrundelegung im Vorgang der eutektischen Erstarrung auftreten, einer der üblichen Arbeitsbedingungen jeder Gießerei be- Differenz zwischen beiden Temperaturen, dem maximastimmt werden, ob gegossen oder nicht gegossen len Neigungswinkel einer Kurve von der niedrigsten werden soll. Jeglicher durch Gießen eines schlecht Temperatur zur höchsten Temperatur od. dgl. (Int. behandelten geschmolzenen Eisens verursachter Aus- 65 Symp. Metallurgy of cast iron, 2nd, 1974, S. 625-638). schuß kann dann vermieden werden. Gemäß diesem Verfahren wie auch gemäß den beiden

Beim Vorgang des Abkühlens und Erstarrens der anderen Verfahren kann eine zufriedenstellende Meß-Kugelgraphiteisenschmelze steht die Form einer durch geschwindigkeit erzielt werden. Es gibt aber einen

Eisens in Formen unmittelbar nach der Kugelbildungsbehandlung, und genauen Vorhersagen des Grads an Nodularitäl von geschmolzenem Eisen für Kugelgraphitgußeisen (im folgenden als Kugelgraphiteisen-

Bekanntlich beruht der Grad an Nodularität von Eisenschmelze zur Zeit des Gießens grundsätzlich auf einer Restmenge an Magnesium im geschmolzenen

wichtig sind, nicht in Betracht gezogen, so daß dieses Verfahren keine ausreichende Genauigkeit erreichen kann und in der Gießerei praktisch nicht verwendbar ist. Ferner wird als weiteres Verfahren bei Verwendung einer Abkühlungskurve der Grad an Nodularität von Kugelgraphiteisenschmelze geschätzt, und zwar aus einer einzigen Wechselbeziehung etwa mit der durch Unterkühlen erzeugten niedrigsten Temperatur, der

Fehler beim Ablesen der niedrigsten und höchsten Temperaturen, ein unzureichendes Auflösungsvermögen der thermoelektrische!! Kraft und eine unzureichende Voraussagenorm bei Verwendung lediglich einer einzigen Wechselbeziehung, so daß eine ausreichende Vorhersage nicht erzielbar ist. Da dieses Verfahren nur bei untereutektischer 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 Nodularität von Kugelgraphiteisenschmelze eine lange Zeit, falls die Zuverlässigkeit Priorität hat. Bei einem dem Auftreten der höchsten Temperatur Tim:

4.3. Speichereinrichlungen zum Speichern vorbestimmter Konstanten ;;. b. c, e;

4.4. einen Rechenschaltkreis zur Ausgabe des Wertes des zu bestimmenden Grades an

Nodularität aus den Temperaturen Tem. 7"«/.

den Konstanten ii, b. c. e und der gemessenen

Zeit Z gemäß einer vorgegebenen Funktion

a + b Tt;m + cA Ti.;+ eZ; u η d

ίο 5. eine Anzeigeeinrichtung für den erhaltenen Wert des Grades an Nodularität in digitaler oder analoger Form.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen

ben. Darin ^eigi

Fig. 1 eine graphische Darstellung einer Form einer Abkühlungskurve von übereutektischer Kugelgraphitei-

herkömmlichen Verfahren mit Hilfe eines Thermoana- 15 der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

lyseverfahrens kann eine ausreichende Meßgeschwin- Die Erfindung wird anhand der Zeichnung Deschrie-

digkeii, jedoch aus dem obengenannten Grund keine ausreichende Zuverlässigkeit erzielt werden. Ferner ist die anwendbare Zusammensetzung des geschmolzenen

Eisens begrenzt, so daß es kein in der Gießerei praktisch 20 senschmelze beim Vorgang des Abkühlens und Erstar-

verwendbares Verfahren gibt. rens,

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der Fig. 21 bis 2V verschiedene Graphitformen von

obengenannten Art anzugeben, bei dem die obenge- Kugelgraphitgußeisen,

nannten verschiedenen Nachteile der bisherigen Ver- Fig. 3 eine Ausführungsform eines Verfahrens zur

fahren beseitigt sind und eine unmittelbar zur 25 Anzeige eines vorhergesagten Ergebnisses des Grads

Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die verstrichene Zeit Z zwischen dem Auftreten der tiefsten Temperatur Tel/ und dem Auftreten der höchsten Temperatur Tem gemessen wird, und daß die vorgegebenen Abkühlbedingungen so eingestellt sind, daß die Zeitdauer vom Gießen der Schmelzprobe in eine Probenform bis zur vollständigen eutektischen Erstaran Nodularität mittels Eisenschmelze mit einem Muster, F i g. 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 gemes-

rung innerhalb eines Bereiches von 1 bis 10 Minuten

liegt, wobei der vorherzusagende Grad der Nodularität 35 sen werden, wobei der Grad an Nodularität des Eisens

eine Funktion basierend auf einer Analyse des Ergebnisses vorausge-

a + bT_EM+cAT_E+eZ,

wobei ATe- ι em—Teu, der Temperaturen Teu. Tem, von vorgegebenen Konstanten a. b, c, verstrichenen Zeit Zist.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

sagt wird unter Beseitigung der obengenannten Nachteile nach Ausführung eines breit angelegten Versuchs bezüglich einer Anzahl von Beispielen für die e und der 40 Kugelgraphiteisenschmelze.

Zuerst wird ein sogenanntes analoges System zum Nachzeichnen des zeitlichen Verlaufes der Temperatur durch eine stetige Kurve, was einer der Nachteile des herkömmlichen Thermoanalyseverfahrens ist, abgeän-

eine Probenform mit einem Thermoelement zur 45 den in ein digitales Temperaturlesesystem, bei dem Messung der Temperatur einer Schmelzprobe Werte durch eine Analog-Digitalumwandlungsvorrichwährend des Abkühlens, wobei Abkühlbedingun- tung umgewandelt werden. Auf diese Weise werden die gen so einstellbar sind, daß die Zeitdauer nach dem Temperaturen in Kurzzeitintervallen als numerische Gießen der Schmelzprobe in die Probenform bis Werte mit einer bestimmten Häufigkeit zur Verarbeizur Beendigung der eutektischen Erstarrung in 50 tung von Daten ausgegeben. Die zum Analysieren des einem Bereich von 1 bis 10 Minuten liegt; gemessenen Ergebnisses erforderlichen Temperatureine Abtasteinrichtung, die die vom Thermoele- werte werden durch das folgende Verfahren genau ment ausgegebenen analogen Signale in vorgegc- bestimmt mii dem Ergebnis, daß der Ausgabefehler benen kurzen Zeitintervallen von weniger als 3 beinahe beseitigt ist. In diesem Fall können die zu Sekunden (vorzugsweise weniger als 1 Sekunde) 55 lesenden numerischen Werte Werte einer thermoelekabtastet; trischen Kraft (Spannung in mV) sein, die unmittelbar

der Temperatur oder deren Funktion (im folgenden durch eine Temperatur in ° C dargestellt) entsprechen. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit wird eine

einen Analog-Digitalwandler, der das abgetastete analoge Signal in ein digitales Signal umwandelt; eine Recheneinrichtung, die umfaßt:

4.1. Einrichtungen zum aufeinanderfolgenden Be- 60 Ermittlungsempfindlichkeit der Temperaturänderung stimmen von Speichern der Werte für die (Auflösungsvermögen dV der thermoelektrischen

Kraft) durch Verstärken der thermoelektrischen Kraft (Spannung) kleiner als ein 2,5° C entsprechender Wert 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 genau gefolgt wird. Wenn

niedrigste Temperatur Teu aufgrund von Unterkühlen u.id für die höchste Temperatur Tem aufgrund von auf das Unterkühlen auftretender Rekaleszenz;

4.2. Einrichtungen zum Bestimmen und Speichern der verstrichenen Zeit Z zwischen dem Auftreten der niedrigsten Temperatur Teu und

dV2.5°C 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 Nodularität nicht vorhergesagt werden kann. Ferner ^ kann bei einem 3 Sekunden übersteigenden Zeitintervall eine sehr schnelle Temperaturänderung beim Abkühlungsvorgang, z. B. der Vorgang vom Gießen einer Probe von geschmolzenem Eisen in einen Becher bis zur Primärkristallisation, nicht genau erfaßt werden, oder es wird eine für die Analyse erforderliche Temperatur übersehen. Gleichzeitig wird ein Fehler beim Erfassen eines Zeitparameters verursacht. Wenn d'Z 3 Sekunden übersteigt, wird es als Ergebnis hiervon schwierig, den Grad an Nodularität von geschmolzenem Eisen ι<-, vorherzusagen.

Diese Art von digitalem Pyrometer hat natürlich jeweils vorgegebene Werte für dV und dZ aus der Arbeitsweise. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es jedoch vorteilhaft, dV kleiner als einen 2,5°C entsprechenden Wert und c/Zkleiner als 3 Sekunden zu machen. Unter Verwendung dieses digitalen Pyrometers wurden zahlreiche Proben von geschmolzenem Kugelgraphiteisen mit den unter- und übereutektischen Zusammensetzungen thermisch analysiert durch Gie-Ben 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 eutektischen Erstarrung, zeigen beide jo Zusammensetzungen keinerlei signifikante statistische Wechselbeziehung zwischen den durch die Thermoanalyse erfaßten Parametern und dem Grad an Nodularität der Eisenschmehe. 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.

Wenn andererseits die Zeit vom Gießen bis zur Beendigung der eutektischen 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 dVund 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 Minute 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 od. dgl. Wenn aber der Becher aus mit heißhärtendem Kunstharz gebundenem Quarzsand (sogen. 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
Der von einem digitalen Pyrometer abgelesene Kühlvorgang wird an jedem durch dV und dZ bestimmten Punkt als sine stetige Kurve der Temperaturpunkte erfaßt. Daher kann 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.

Ein Beispiel einer Abkühlungskurve von geschmolzenem Kugelgraphiteiscn ist in Fig. 1 gezeigt. Die Erfinder hatten viele Proben von geschmolzenem Kugelgraphiteisen mit unter- oder übereutektischen Zusammensetzungen getestet und eine Beziehung zwischen verschiedenen Parametern, die aus der numerisch ausgegebenen Abkühlungskurve gewonnen wurden und dem Grad an Nodularität der Eisenschmelze durch eine statistische Technik analysiert, d. h. durch eine mehrfache Regressionsanalyse. Als Ergebnis hiervon sind die bei dieser mehrfachen Wechselbeziehung signifikanten Parameter: die höchste Temperatur Tem aufgrund der Rekaleszenz der eutektischen Erstarrung, die Differenz A Te zwischen der höchsten Temperatur Tem und der niedrigsten Temperatur Teu aufgrund des Unterkühlens der eutektischen Erstarrung und die verstrichene Zeit Z von dem Endpunkt von Teu zu dem Anfangspunkt von Tem, wobei die Temperaturen durch ein digitales Pyrometer gemessen wurden. Es wurde gefunden, daß eine eine beträchtlich hohe Signifikanz aufweisende Wechselbeziehung aufgestellt werden kam. Das heißt, daß der Grad an Nudularität der Eisenschmelze Dsals Funktion von Tem, ΔΤεund Z durch die folgende Formel (I) dargestellt wird:

Ds= a + öTem + cA Te+ eZ

wobei a, b, eund edurch Versuch bestimmte Konstanten sind.

Das nächste wichtige Problem ist die Art, in der die statistisch signifikanten Temperatur- und Zeitparameter in der Praxis erfaßt und bestimmt werden. An erster Stelle werden durch das folgende Verfahren beim Abkühlungs- und Erstarrungsvorgang der Kugelgraphiteisenschmelze folgende Werte tatsächlich erfaßt und bestimmt: Teu, d. h. ein Temperaturwert an dem Punkt, von dem aus die Temperatur ansteigt, und Tem, d. h. ein Temperaturwert an dem Punkt, an dem der Temperaturanstieg aufhört. Bezüglich Teu werden die Temperaturwerte von kontinuierlichen drei Schritten ständig in einem Speicher gespeichert. Ein derartiger Temperaturwert wird so gewählt, 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 Tem wird ein derartiger Temperaturwert so gewählt, daß der Temperaturwert des zweiten Schritts um dVgrößer als die Temperaturwerte des ersten und des dritten Schritts ist 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 Teu oder Tem nur dann gewählt wird, wenn der zweite Schritt über 2 Sekunden andauert.

Δ Te kann einfach durch Tem— Teu erhalten werden, während Z durch Integrieren des Zeitablaufs dZ vom Endpunkt von Teu bis zum Anfangspunkt von Tem erhalten wird.

Tem, Te und Z 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 Schmelzprobe aus Eisen angewendet wird und mit einem Thermoelement versehen ist, ein digitales Pyrometer, einen Speicher, einen Diskriminator, eine Operationsvorrichtung, eine Anzeigevorrichtung, eine integrierte Schaltung, eine Steuerschaltung u. dgl. Das heißt, in der Schnellvorhersagevorrichtung für den Grad an Nodularität von Kugelgraphitgußeisen nach der Erfindung gemäß F i g. 4 ist eine Probenform (Becher) 1 vorgesehen mit einem Thermoelement und angewendet zum Gießen einer Schmelzprobe aus Eisen. Die Probenform ist über einen Temperaturkompensator 3, einen Verstärker 4 und Thermoelement-Verlängerungsdrähte 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, einem Operationsverstärker und einer Steuerschaltung. Beinahe alle diese Vorrichtungen sind durch eine integrierte Schaltung gebildet. Auf der anderen Eingangsseite des Mikrocomputers 9 sind vorgesehen: ein Schalter 7 für eine elektrische Energiequelle und dessen Anzeigelampe T und ein Messungsstartschalter 8 mit seiner Anzeigelampe 8'. Auf der Seite eines Ausgangs des Mikrocomputers 9 sind über einen Stromverstärker 10 angeschlossen: eine Anzeigelampe 11 für Kugelgraphit, eine Anzeigelampe 12 für Quasi-Kugelgraphit und eine Anzeigelampe 13 für den wurmförmigen Graphit. Auf der Seite eines weiteren Ausgangs des Mikrocomputers 9 sind vorgesehen: eine Anzeigelampe 14 zur Anzeige des Endes der Messung, eine Anzeigelampe 15 zur Anzeige einer schlechten Messung, eine Anzeigelampe 16 zur Anzeige eines schlechten Kontakts, eine Anzeigelampe 17 für den Fehler des Mikrocomputers, eine Anzeigelampe 18 für Weißerstarrungsalarm 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 durch Verstärken der thermoelektrischen 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. Nicht benötigte Temperaturwerte werden aufeinanderfolgend ausgeschieden, bis der Wert mit den vorher im Speicher gespeicherten vorgegebenen Bedingungen von Ted und Tt-M zusammenpaßt. Die mit den vorgegebenen Bedingungen zusammenfallenden Temperaturwerte werden als Teu und Tem bestimmt und gespeichert. Aus diesen Werten für Teu und Tem wird gemäß der vorher gespeicherten Formel von Δ Te ein Wert von Δ Te berechnet und gespeichert. Ferner wird vom Endpunkt von Teu mit dem Integrieren des Zeitintervalls dZ begonnen, wobei die Zeitspanne Zbis zum Anfangspunkt von Tem bestimmt und in dem Speicher gespeichert wird.

Die nach dem obigen Verfahren gespeicherten Werte Tem. Δ Te und Z werden eingesetzt in und verarbeitet durch die Formel (1) für Tem. ΔΤε und Z. in der die Konstanten a. b. cund e aufgrund von einer Anzahl von Beispielen des Kugelgraphitgußeisens vorher bestimmt worden sind und die als die statistisch signifikante Beziehung zwischen dem Grad an Nodularität und Tem. Δ Ti-- und Z gespeichert sind. Die erhaltene Lösung von Ds wird an der Anzeigevorrichtung angezeigt.
Wie oben beschrieben, hat der Grad an Nodularität von Kugelgrapliitgußeisen eine ausgeprägte Beziehung ebenso mit einer Mg-Restmenge und mit mechanischen Eigenschaften, wie der Zugfestigkeit, der Dehnung u. dgl., wie der Prozentsatz an Kugelgraphit, der auf der

ίο Beobachtung der Struktur durch ein Mikroskop beruht. Ferner wurde gemäß den Versuchen der Erfinder gefunden, daß, selbst wenn irgendeine Darstellung des Grades an Nodularität Ds genommen wird, die Mehrfach-Wechselbeziehung mit hoher Signifikanz dadurch hergestellt werden kann, daß lediglich die Konstanten a, b, c und e in der Formel (1) geändert werden und die verbleibenden Parameter 7>m. J77 und Zunverändert bleiben.

Demnach kann die Vorhersage des Grads an Nodularität durch irgendeine Darstellung 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 Graphit 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 Kugelgraphit

jo berechnet wird aus einem der klassifizierten Form entsprechenden Formkoeffizienten und einer entsprechenden Anzahl von Knoten (Kugeln) mit dei durch ein Mikroskop beobachteten klassifizierten Form. Jedoch sind bei den tatsächlichen Produkten aus Kugelgraphitgußeisen in beinahe allen Fällen die Formen II. 111. IV und V mit Ausnahme der dem Schuppengraphit entsprechenden Form 1 so gemischt, daß dieses System ein Muster angibt, das der Klassifikation und der Menge dieser Formen entspricht, wobei es den Grad an

to Nodularität von Kugelgraphitgußeisen in der Praxis mehr auf visuelle Weise anzeigt.

Im Fall der Anzeige eines Musters ist es im Hinblick auf die Klassifikation der Graphitformen außer 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 die Aufgabe ausreichend gelöst wird durch Klassifizieren in nur drei Arten von wurmförmigen, quasi-kugelförmigen und kugelförmigen Graphit F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Musteranzeige. In F i g. 3 ist die Graphitform in die obigen drei Arten klassifiziert, wobei ein Abschnitt jeder Klassifikation in zwei Teile und die Vorhersage des Grads an Nodularität von Kugelgraphitgiißeisen in sieben Schritte unterteilt sind. Der Grad an Nodularität 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 Nodularität 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 Thermoele-

ment im Becher od. dgl., ein außergewöhnlicher Fall, wie die Unmöglichkeil einer Funktionsverarbeitung, verursacht durch einen Schaltungsfehler in der Vorrichtung

od. dgl.

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

Beispiel

Als Ergebnis von vielen Versuchen bei einer gegebenen Bedingung wurden die in Tabelle 1 gezeigten Werte für die Konstanten a, b, cund e in der Formel (1) erhalten gemäß der Verwendung des Prozentsatzes an

Tabelle 1

10

Kugelgraphit (%), der Mg-Restmenge (%), de^r Zugfestigkeil (kp/mm²) oder der Dehnung (%) als dem Grad an Nodularität des geschmolzenen Kugelgraphiteisens Didarstellt.

Grad an Nodularität α b

Kugelgraphit (%) 242,367

Mg-Restmenge (%) 0,0983749

Zugfestigkeit (kg/mm²) 183,347

Dehnung (%) 33,0796

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 zu 0,8% einer 8% Mg enthaltenden Fe - Si - Mg-Legierung bedeckt mit Stahlschrott, zugeführt. Die auf diese Weise behandelte Kugelgraphitschmelze wurde in einen Becher, was vom Gießen einer Probe der Eisenschmelze bis zur Beendigung der eutektischen Erstarrung 3 Minuten benötigte, und in eine sogenannte Kielprobe gegossen, unmittelbar nach der Kugelfor-

Tabelle 2

-5,28478
-0,00139776
-4,17676
-0,372093

-16,7639
-0,00425047
-3,47600
-6,00474

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

mungsbehandlung und 15 Minuten nach der Behandlung. Die vorhergesagten Ergebnisse durch das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung, wobei der Grad an Nodularität durch Anwendung der obigen Formel errechnet wurde (Prozentsatz an Kugelgraphit, Zugfestigkeit in kp/mm². Dehnung in Prozent, Mg-Restmenge in Prozent), wurden mit den durch Verwendung der Kielprobe tatsächlich gemessenen Ergebnissen verglichen. Das Ergebnis ist in Tabelle 2 dargestellt.

Kugel	Zug	Dehnung	Mg-Rest
graphit	festigkeit		menge
(%)	(kp/rnm²)	(%)	(%)

Unmittelbar nach Kugelformungs-

behandlung

Vorhersage durch Verfahren
und Vorrichtung nach der
Erfindung

85,6

56,3

12,2

0,042

Meßergebnis für Kielprobe	86,8	57,9	13,4	0,039
15 min nach der Behandlung
Vorhersage durch Verfahren	65,1	55,0	8,0	0,025
und Vorrichtung nach der
Erfindung
Meßergebnis für Kielprobe	67,0	53,4	8,6	0,028

Beispiel 2

Als nächstes wurden 1 t des Grundeisens mit der chemischen Zusammensetzung von C 3,82%, Si 1.93%, Mn 038% P 0,029% und S 0,017% (übereutektische Zusammensetzung) vor der Kugelformungsbehandlung zu 0,8% einer 8% Mg enthaltenden Fe — Si — Mg-Legierung, bedeckt mit Stahlschrott, zugeführt. Die auf diese Weise behandelte Kugelgraphiteisenschmelze wuerde in einen Becher gegossen, was vom Gießen einer Probe der Eisenschmelze bis zur Beendigung der eutektischen Erstarrung 4 Minuten benötigte, und in eine sogenannte Kielprobe gegossen, unmittelbar nach der Kugelformungsbehandlung und 15 Minuten nach der Behandlung. Die vorhergesagten Ergebnisse durch das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung. wobei der Grad an Nodularität durch Anwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Formel errechne; wurde (Prozentsatz an Kugelgraphit, Zugfestigkeit in kp/mm², Dehnung in Prozent, Mg-Restmenge in Prozent), wurden mit den durch Verwendung der Kielprobe tatsächlich gemessenen Ergebnissen verglichen. Das Ergebnis ist in Tabelle 3 dargestellt.

13

14

Tabelle 3

Kugelgraphit

(%) (kp/mnr)

Zugfestigkeit

Dehnung Mg-Restmenge

Unmittelbar nach Kugelformungsbehandlung Vorhersage durch Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung

46,7

21,6

0,048

Meßergebnis für Kielprobe	88,4	45,1	22,8	0,052
15 min nach der Behandlung
Vorhersage durch Verfahren	66,5	43,1	16,2	0,029
und Vorrichtung nach der
Erfindung
Meßergebnis für Kielprobe	73,2	45,6	14,4	0,027
	Hierzu 2 Blatt	Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Verfahren zum schnellen Vorhersagen des Grades an Nodularität von Kugelgraphitgußeisen, bei dem während des eutektischen Abkühlens und Erstarrens einer Schmelzprobe unter vorgegebenen Abkühlbedingungen die folgenden Temperaturen gemessen werden: die tiefste Temperatur Teu aufgrund von Unterkühlen und die höchste Temperatur Tem aufgrund von Rekaleszenz im Anschluß an das Unterkühlen, dadurch gekennzeichnet, daß die verstrichene Zeit (Z,/zwischen dem Auftreten der tiefsten Temperatur (Teu) und dem Auftreten der höchsten Temperatur (Tem) gemessen wird, und daß die vorgegebenen Abkühlbedingungen so eingestellt sind, daß die Zeitdauer vom Gießen der Schmelzprobe in eine Probenform bis zur vollständigen eutektischen Erstarrung innerhalb eines Bereiches von 1 bis 10 Minuten liegt, wobei der vorherzusagende Grad der Nudularität eine Funktion

(a + bT_EM + cA Te + eZ)

wobei ATe = Tem-Teu, der Temperaturen Tem), von vorgegebenen Konstanten (a, b, c, e) und der verstrichenen Zeit (Z)\si.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Temperatur bis zur Beendigung der Erstarrung der in die Probenform gegossenen Eisenschmelze als numerischer Wert ermittelt wird, der in einem bestimmten Zeitintervall von weniger als 3 Sekunden durch einen Analog-Digitalwandler elektrisch umgewandelt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Eisenschmelzprobe mit einem Thermoelement gemessen wird, dessen Auflösungsvermögen mit Hilfe eines Verstärkers kleiner als 2,5°C gemacht wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Erfassen und Bestimmen der Werte der tiefsten Temperatur Teu und der höchsten Temperatur Tem ununterbrochen in drei Schritten ermittelten Temperaturwerte gespeichert werden, und daß als Tftyund T^_M solche Temperaturwerte ausgewählt werden, bei denen der Temperaturwert des zweiten Schrittes um den Wert des Auflösungsvermögens niedriger (bei Teu) bzw. höher (bei Tem) als die Temperaturwerte des ersten und des dritten Schritts sind, wobei der zweite Schritt länger als zwei Sekunden dauert.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als verstrichene Zeit (Z) von Teu nach Tem die verstrichene Zeit vom Endpunkt von Teu bis zum Anfangspunkt von Tem gemessen wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherten numerischen Werte, mit Ausnahme der zu Teu, Tem und Z bestimmten numerischen Werte, aufeinanderfolgend gelöscht werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen I bis 6. gekennzeichnet durch

1. eine Probenform (1) mit einem Thermoelement zur Messung der Temperatur einer Schmelzprobe während des Abkühlens, wobei Abkühlbedingungeii so einstellbar sind, daß die Zeitdauer nach dem Gießen

der Schmelzprobe in die Probenform (1) bis zur Beendigung der eutektischen Erstarrung in einem Bereich von 1 bis 10 Minuten liegt;

2. eine Abtasteinrichtung, die die vom Thermoelement ausgegebenen analogen Signale in vorgegebenen kurzen Zeitintervalien von weniger als 3 Sekunden (vorzugsweise weniger als 1 Sekunde) abtastet;

3. einen Analog-Digiialwandler (5), der das abgetastete analoge Signal in ein digitales Signal umwandelt;

4. eine Recheneinrichtung(9), die umfaßt:

4.1. Einrichtungen zum aufeinanderfolgenden Bestimmen und Speichern der Werte für die niedrigste Temperatur Teu aufgrund von Unterkühlen und für die höchste Temperatur Tem aufgrund von auf das Unterkühlen auftretender Rekaleszenz;

4.2. Einrichtungen zum Bestimmen und Speichern der verstrichenen Zeit Z zwischen dem Auftreten der niedrigsten Temperatur Teu und dem Auftreten der höchsten Temperatur Tem;

4.3. Speichereinrichtungen zum Speichern vorbestimmter Konstanten (a, b, c, e)-,

4.4. einen Rechenschaltkreis zur Ausgabe des Wertes des zu bestimmenden Grades an Nodularität aus den Temperaturen Tem, Tilden Konstanten (a, b, c, e) und der gemessenen Zeit (Z) gemäß einer vorgegebenen Funktion

(a + bT_EM+cAT_E+eZ);

und

5. eine Anzeigeeinrichtung (II, 12,13) für den erhaltenen Wert des Grades an Nodularität in digitaler oder analoger Form.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflösungsvermögen des Thermoelements mit Hilfe eines elektrischen Verstärkers (4) kleiner als 2°C gemacht ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung so ausgebildet ist, daß die Beziehung zwischen der Klassifikation der Graphitformen und der jeweiligen Menge der klassifizierten Formen anzeigbar ist.