DE3424028A1

DE3424028A1 - Verfahren zur kontrolle der prozessschmelze eines zweiphasigen gussmessings

Info

Publication number: DE3424028A1
Application number: DE19843424028
Authority: DE
Inventors: Arno Helsinki Louvo; Tapio Rantala; Veijo Espoo Rauta
Original assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Current assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Priority date: 1983-06-30
Filing date: 1984-06-29
Publication date: 1985-01-10
Anticipated expiration: 2004-06-30
Also published as: FI73528C; FR2548372B3; SE8403471L; US5043905A; DE3424028C2; FI73528B; SE8403471D0; FI832398L; IT8421682A0; IT8421682A1; IT1176368B; FR2548372A1; FI832398A0

Description

Verfahren zur Kontrolle der Prozessschmelze eines zweiphasigen Gussmessings

Das Verfahren basiert auf Phasenumwandlungen in einem Gussmessing, die mittels eines Mikrocomputers aus der Prozessschmelze unter Benutzung einer thermischen Analyse analysiert werden. Aufgrund einer Computeranalyse wird die Zusammensetzung der Schmelze so korrigiert, dass die Giessbarkeit gut ist und das Stück eine optimale MikroStruktur hat.

Aus dem betreffenden Messing gegossene Stücke werden bei Wasserapparaturen zu Ventilen, Röhrenverbindungen usw. benutzt, wobei einer der wichtigsten Ansprüche an das Material die Entzinkungsbeständigkeit ist. Diese Eigenschaft wird durch einen beschleunigten Entzinkungstest nach dem Standard SFS 3873 geprüft.

Man hat festgestellt, dass die Struktur in der Praxis entzinkungsbeständig ist, wenn die oL -Phase des Messings mit z.B. Arsen entzinkungsbeständig inhibitiert worden ist und die in der Struktur befindliche, für Entzinkung empfindliche β -Phase sich uneinheitlich in der Struktur verteilt hat. Auf die Verteilung der β -Phase wirkt vor allem der effektive Cu-Gehalt des Messings mit einer gewissen Abkühlgeschwindigkeit ein.

Der effektive Cu-Gehalt wirkt entscheidend auch auf die Giessbarkeit (Fliessbarkeit, Warmrissneigung und Schrumpfung) der Mischung. Bei Verwirklichung einer guten Giessbarkeit und Entzinkungsbeständigkeit kann der effektive Cu-Gehalt binnen sehr engen Grenzen variieren.

Zum Erreichen der obenerwähnten Eigenschaften benutzen die Kokillengiessereien als Rohmaterial der Schmelze Blöcke, die für entzinkungsbeständige Güsse beabsichtigt sind, und das bei diesem Prozess entstandene Kreislaufmaterial.

In einem kontinuierlichen Schmelzprozess wird in der Praxis Zink aus der Schmelze abgedampft und oft

wird ein Teil des als Legierungsstoff fungierenden Aluminiums oxydiert. Dabei steigt der effektive Cu-Gehalt der Schmelze. Genauso wirkt ein reichlicher Gebrauch von Kreislaufmaterial, denn der Zn- und Al-Gehalt des Kreislaufmaterials sind schon bei den früheren Schmelzungen gesunken. Deshalb ist es schwer für Giessereien, die keine Analysatoren haben, die Zusammensetzung ihrer Prozessschmelze zu wissen und Analysenkorrigierungen zu machen.

In vielen Giessereien gibt es keine Analysatoren, die zur Definierung der chemischen Zusammensetzung der Schmelze benutzt werden könnten. Andererseits sind die existierenden Analysenverfahren langsam, und die dadurch erhaltene Analysengenauigkeit ist nicht immer ausreichend zum Berechnen des effektiven Kupfergehaltes. Besonders bei kumulierten Fehlern im Gehalt an verschiedenen Elementen kann der Fehler des effektiven Kupfergehaltes von gleicher Grosse wie die zulässige Variation sein. Mittels existierender Analysenverfahren erhält man auch keine Anweisung zur Analysenkorrigierung der Schmelze automatisch. Als eine Schwäche der auf einer Elementaranalyse basierenden Definierung des effektiven Kupfergehaltes kann auch betrachtet werden, dass man über die Koeffizienten (Zn-Äquivalente für verschiedene Elemente) in der Berechnungsformel des effektiven Kupfergehaltes nicht ganz einig ist.

Mittels des erfxndungsgemässen Verfahrens wird eine entscheidende Verbesserung der obenerwähnten Nachteile zustandegebracht. Zur Verwirklichung der Verbesserungen ist das erfindungsgemässe Verfahren dadurch gekennzeichnet, was im Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 angeführt worden ist.

Als der wichtigste Vorteil der Erfindung kann betrachtet werden, dass der effektive Kupfergehalt der Schmelze automatisch und schnell bestimmt und gleich-

zeitig ein von dem Verfahren berechneter Legierungszusatz zur Korrigierung der Zusammensetzung der Schmelze so gemacht werden kann, dass die Giesseigenschaften optimal und die gegossenen Stücke entzinkungsbeständig sind. Besonders soll betont werden, dass die Analyse mit eventuellen Korrxgxerungsanweisungen vor dem Gebrauch der Schmelze erhalten wird. Die Analyse ist auch deutlich zuverlässiger als die Analysen, die mittels existierender Verfahren zur Verfügung stehen.

Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren durch Zeichnungen und Figuren dargestellt.

Figur 1 stellt ein binäres Gleichgewichtsdiagramm Cu-Zn dar. Auf dem Gleichgewichtsdiagramm ist der grösste zulässige effektive Kupfergehalt mit C_n markiert worden. Von dieser Zusammensetzung sind Abweichungen von 0,7 %-Einheiten rechts von C_n zur Zusammensetzung C₁ zulässig.

In Figur 2 wird die Messanordnung in Form eines Schemas dargestellt. Aus der Figur gehen die bei der Messung zu gebrauchenden Komponenten hervor, und zwar ein Giesstiegel (A), eine Messeinheit (B), ein Mikrocomputer (C), eine Kassettenstation (D), ein Anzeigegerät (E) und ein Schreiber (F).

Das Prüfverfahren bei der Analyse geschieht wie folgt: Die Messingschmelze wird in einen Giesstiegel (A) abgekippt, dessen Innenfläche so isoliert ist, dass die Abkühlgeschwindigkeit vor der Reaktion kleiner als 3°C/s und die Abkühlzeit etwa 250 s ist; ein in dem Tiegel in dessen thermischen Zentrum sich befindendes Thermoelement (Al) registriert die Temperatur, die durchdie Messeinheit (B) auf den Mikrocomputer (C) übertragen wird. Der Mikrocomputer (C) registriert die Veränderung der Temperatur als Funktion der Zeit und deriviert die somit erhaltene Abkühlungskurve zweimal während der Messung. Danach definiert der Computer (C) die vorgekommenen Phasenumwandlungen, ihre Temperaturen und gegen-

seitigen Zeitpunkte, aufgrund welcher er den effektiven Cu-Gehalt berechnet. Den durch die Analyse erhaltenen Kupfergehalt vergleicht die Maschine mit dem optimalen Gehalt und gibt einen Output (E,F) zum nötigen Legiertmgszusatz (Cu, Zn, Al) an. Die ganze Analyse nimmt etwa Minuten in Anspruch.

Die Figuren 3a-5c geben Beispiele für Analysenresultate in Fällen, wo der effektive Kupfergehalt im Rahmen einer rechten Zusammensetzung (Fig. 3), zu klein (Fig. 4)

ist
und zu gross (Fig. 5)/. In den Figuren werden auch die entsprechenden Mikrostrukturen und der Output der Mikrocomputeranalyse für jeden Fall dargestellt. Figur 3c stellt eine MikroStruktur (Vergrösserung 20Ox) von zweiphasigem Messing dar. Was Giesseigenschaften und Entzinkung betrifft, ist die MikroStruktur optimal. Bei der betreffenden Struktur ist die durchschnittliche Tiefe der Entzinkung nur 70 ium gewesen. Figur 3s zeigt die Kurven der derivierenden thermischen Analyse Abkühlungskurve T = f (t) (G) und ihre erste Derivatkurve dT/dt = f (t) (H). Der erste Peak (1) der Abkühlgeschwindigkeitskurve ist ein Liquidus-Peak (Erstarrung der Metallmischung beginnt). Danach geschieht eine monotektische Reaktion (3) zwischen dem Kupfer und dem Blei (Pb —1,5 %) . In das betreffende Messing ist etwas Blei zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit zugefügt worden. Im Punkt (4) ist die Schmelze ganz und gar erstarrt. Danach geschieht noch in der festen Phase eine Reaktion β—> „ί (5). In Figur 3b wird der Output der Computeranalyse gegeben. Der effektive Kupfergehalt befindet sich im Bereich C₁-C_n (Figur 1).

In der MikroStruktur laut Figur 4c ist die Entzinkung durchschnittlich bis in die Tiefe von 180 um fortgeschritten. Aus Figur 4a sind dieselben Reaktionen wie aus Figur 3a ersichtlich. Die Reaktion /3 -—> cL (5) ist in einer niedrigeren Temperatur geschehen als in der Struktur der Figur 3c. Der Computer empfiehlt eine (Fig. 4b)

Korrigierung der Analyse. Der effektive Kupfergehalt ist kleiner als C. .

Die MikroStruktur der Figur 5a ist besonders schlecht, was das Fortschreiten der Entzinkung betrifft: die Tiefe der Entzinkung ist durchschnittlich 380 pm gewesen. Aus Figur 5a ist keine Reaktion/3 _4 cL mehr ersichtlich. Andererseits ist zwischen den Peaks 1 und 3 ein neuer Peak (2) entstanden. Dies kommt aus einer peritektischen Reaktion (2). Der Computer hat diese Tatsache festgestellt und empfiehlt wieder eine Korrigierung der Analyse. Der effektive Kupfergehalt ist grosser als C~ (Fig. 5b).

Die Beschreibung und die Ansprüche beschreiben nur einige der erfindungsgemässen Ausführungsformen. Die Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens können sogar viel im Rahmen der Patentansprüche variieren.

Claims

Patentanwälte - :; : . : : :. - . .. : . BEETZ & PARTNER ^1-3δ:.4(33Ε : /- " / '-" 29. Juni 1984 Steinsdorfstr. 10,8000 München 22 Patentansprüche:

1. Verfahren zur optimalen Korrigierung der Analyse der Prozessschmelze eines zweiphasigen Messings, was die Giessbarkeit und die Eigenschaften, wie z.B. Entzinkungsbeständigkeit, der Gussstücke betrifft, dadurch gekennzeichnet, dass eine für Gussmessing geeignete, derivierende thermische Analyse mittels eines Mikrocomputers ausgeführt wird, der Anweisungen zur Korrigierung der Analyse gibt, so dass zur Definierung der gegenseitigen Positionen verschiedener Reaktionen und der genauen Temperaturen der Reaktionen ausser einer normalen Abkühlungskurve auch ihr erstes und zweites Derivat benutzt werden, während der Computer (C) die fraglichen Derivate gleichzeitig berechnet, wenn die Mischung in einem Giesstiegel (A) erstarrt oder sich abkühlt, unter Beachtung welcher Anweisungen die Giess- und Erstarrungsverhältnisse so garantiert werden können, dass die Fliessbarkeit der Schmelze gut ist, die Warmrissneigung und ^ikroschrumpfung klein sind, und gleichzeitig bei kokillengegossener MikroStruktur die für Entzinkung empfindliche β -Phase sich fein verteilt hat, und dass die Messkomponenten (E₇F) den nötigen Legierungszusatz in Prozenten von dem Gewicht der Charge mit einem separat ausgewählten Ausbeuteprozent' der Legierung mitteilen, wobei als Beimischungen z.B. Kupfer, Zink oder Zink + Aluminium in Frage kommen.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine geschmolzene Probe in einen Giesstiegel (A) eingegossen wird, dessen Durchmesser/Höhe -Verhältnis 1 ist und an dessen ther-

(A3) mischem Zentrum ein Thermoelement angebracht ist und dessen Innenfläche in der Weise isoliert xst, dass die Abkühlgeschwindigkeit vor der Reaktion kleiner als 3°C/s ist und die Abkühlungszeit etwa 250 s ist.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstarrungsstruktur durch Steuerung mit einem Inhibierungsmittel und Analysenkorrigierungen nadeiförmig wird, wobei die P* -Phase von der (X -Phase umgeben ist, was die Bildung eines Korrosionsweges verhindert und wobei das Erstarrungsintervall das kleinste mögliche ist, was optimale Giesseigenschaften garantiert.