DE3424028C2 - Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung einer zweiphasigen Messingschmelze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse der Zu­ sammensetzung der Prozeßschmelze eines zweiphasigen Messings zum Zwecke der Erzielung optimaler Gießbarkeit der Schmelze und optimaler Entzinkungsbeständigkeit der Gußstücke.

Bei Gußstücken aus Messing, beispielsweise bei Armaturen für Wasserleitungen, werden hohe Ansprüche an die Entzinkungsbe­ ständigkeit des Legierungsmaterials gestellt, die durch standardisierte Prüfversuche, z. B. nach dem Standard SFS 3873, nachgewiesen wird. In der Praxis haben sich Messing-Gußstücke als ausreichend entzinkungsbeständig er­ wiesen, wenn die α-Phase des Messings mit z. B. Arsen inhibitiert worden ist und die für die Entzinkung empfind­ liche β-Phase sich ungleichförmig verteilt hat. Die Vertei­ lung der ß-Phase wird vorzugsweise durch den effektiven Cu- Gehalt des Messings in Verbindung mit einer gewissen Abkühl­ geschwindigkeit beeinflußt. Der effektive Cu-Gehalt wirkt sich auch entscheidend auf die Gießbarkeit, das Fließverhal­ ten, die Warmrißneigung und die Schrumpfung der Legierung aus. Zur Erzielung einer guten Gießbarkeit und Entzinkungs­ beständigkeit sollte daher der effektive Cu-Gehalt in engen Grenzen variieren. Zum Erreichen der oben erwähnten Eigen­ schaften benutzen Kokillen-Gießereien als Ausgangsmaterial für die Schmelze Blöcke, die zum Erhalt entzinkungsbeständi­ ger Gußstücke geeignet sind und bei diesem Prozeß entstan­ denes Kreislaufmaterial. In der Praxis erfolgt bei einem kontinuierlichen Schmelzprozeß ein Ausdampfen von Zink aus der Schmelze und ein Teil des als Legierungssubstanz zuge­ setzten Aluminiums oxidiert, so daß der effektive Cu-Gehalt der Schmelze ansteigt. In gleicher Weise wirkt sich ein re­ lativ großer Anteil an Kreislaufmaterial aus, dessen Zn- und Al-Gehalte bereits durch vorangehende Schmelzvorgänge ver­ mindert worden sind. Ohne aufwendige Analysen kann daher die Zusammensetzung der Prozeßschmelze nicht genau erfaßt und auf die jeweils optimalen Gehalte eingestellt werden.

Darüber hinaus sind bekannte Analysenverfahren zeitaufwendig und die damit erhaltenen Analysenergebnisse sind nicht immer ausreichend genau, um den effektiven Kupfergehalt berechnen zu können. Dies gilt insbesondere bei sich kumulierenden Fehlern der Gehalte an verschiedenen Elementen, da der Feh­ ler des effektiven Kupfergehaltes die Größe des zulässigen Korrekturbereiches haben kann. Die bekannten Analyseverfah­ ren geben auch keine unmittelbare Anweisung zur Korrektur der Zusammensetzung der Schmelze.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung der Prozeßschmelze eines zweiphasigen Messings zum Zwecke der Erzielung optimaler Gießbarkeit der Schmelze und optimaler Entzinkungsbeständigkeit der Guß­ stücke aufzuzeigen, das innerhalb einer ausreichend kurzen Zeit ausreichend genaue Anhaltspunkte über die Zusammenset­ zung der Messing-Schmelze liefert und eine Optimierung der Schmelzenzusammensetzung erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale und Maßnahmen gelöst.

Der besondere praktische Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der effektive Cu-Gehalt der Schmelze automatisch und schnell bestimmt und gleichzeitig ein danach berechneter Le­ gierungszusatz in die Schmelze eingebracht werden kann, um deren Gießeigenschaften und die Entzinkungsbeständigkeit der Gußstücke zu optimieren. Dabei ist von besonderem Vorteil, daß die Analysen-Ergebnisse mit den eventuellen Korrektur- Anweisungen vor der Verarbeitung der Schmelze erhalten wer­ den.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens zeichnet sich dadurch aus, daß die geschmolzene Probe in einen Gießtiegel eingegossen wird, dessen Verhältnis von Durchmesser/Höhe gleich 1 ist, daß die geschmolzene Probe mit einer Abkühlgeschwindigkeit kleiner 3°C/s und in einer Abkühlzeit von ca. 250 s abgekühlt wird, und daß die Tempe­ raturänderung der geschmolzenen Schmelze während der Abküh­ lung im thermischen Zentrum erfaßt wird.

Auf dem Gebiet der Stahlerzeugung ist ein Verfahren zur Be­ stimmung des Kohlenstoffgehaltes von Stahlschmelzen durch thermische Analyse aus der DE-30 13 621 A1 bekannt, bei dem die beim Abkühlen der Schmelze im Bereich einer Phasenände­ rung auftretenden Temperatur-Haltepunkte ermittelt und in einer Abkühlkurve in Abhängigkeit von der Zeit ausgewertet werden. Es wird die Temperaturdifferenz zwischen zwei Halte­ punkten ermittelt, die bei der Liquidus-Phasenänderung und bei einer Phasentransformation auftreten. Diese ermittelte Temperaturdifferenz wird zur Bestimmung des jeweiligen Kohlenstoffgehaltes mit dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm in Beziehung gesetzt.

Ferner ist aus der DE-OS 26 29 088 ein Verfahren zum Messen der Abkühlungskurve einer Probe aus Gußeisen oder Stahlguß für die Differential-Thermoanalyse bekannt, bei welchem die Differenz aus der Abkühlungskurve der Probe und einer fest vorgegebenen, dem Newton′schen Erkaltungsgesetz genügenden Vergleichskurve gebildet wird. Zur Bestimmung dieser Ver­ gleichskurve wird ein im flüssigen Bereich der Probe liegen­ der Kurvenabschnitt der Abkühlungskurve ausgewählt, der dem entsprechenden Kurvenabschnitt der Vergleichskurve weitge­ hend entspricht. Durch Einstellen ihrer Parameter wird die Vergleichskurve zur Deckung mit der Abkühlungskurve der Pro­ be in den ausgewählten Abschnitt gebracht, woraufhin die Differenz zwischen der eingestellten Vergleichskurve und der Abkühlungskurve gebildet wird.

Schließlich ist aus der DE-AS-24 43 855 ein Behälter zum Aufnehmen der Abkühlkurven von Metallproben für eine einma­ lige Benutzung bekannt, der zur Aufnahme eines Thermoele­ ments konzipiert ist. Dieses Thermoelement soll vollständig innerhalb eines im Behälter horizontal liegenden Schutzroh­ res angeordnet sein, wobei die Anschlußleitungen dieses Thermoelements die sich nach oben erstreckende periphere Seitenwandung an diametral gegenüberliegenden Seiten durch­ queren.

Im folgenden wird die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von in der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsbeispielen im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein binäres Gleichgewichtsdiagramm Cu-Zn, in dem der maximal zulässige effektive Kupfergehalt mit C₀ mar­ kiert ist und zulässige Abweichungen von bis zu 0,7% bei C₁ dargestellt sind;

Fig. 2 schematisch eine Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Meßanordnung nach Fig. 2 enthält einen Gießtiegel A zur Aufnahme einer Probe, eine Meßeinheit B, einen Mikrocomputer C, eine Kassetten-Station D, eine Anzeige E und einen Schreiber F.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird wie folgt durchgeführt.

Eine Probe aus geschmolzenem Messing wird in den Gießtiegel A abgekippt, dessen Innenfläche A3 so isoliert ist, daß die Abkühlgeschwindigkeit vor der Reaktion kleiner als 3°C/s und die Abkühlzeit etwa 250 s beträgt. Ein im thermischen Zentrum des Gießtiegels A angeordnetes Thermoelement A1 er­ faßt die Schmelzentemperatur und überträgt die Meßdaten an die Meßeinheit B und in den Mikrocomputer C. Dieser Mikro­ computer C registriert die Temperaturänderung der Schmelzen­ probe als Funktion der Zeit und deriviert eine Abkühlungs­ kurve zweimal während der Meßvorgänge. Danach definiert der Mikrocomputer C die vorkommenden Phasenumwandlungen, ihre jeweiligen Temperaturen und Zeitpunkte und errechnet daraus den effektiven Cu-Gehalt der Schmelzenprobe. Dieser durch die Analyse erhaltene effektive Cu-Gehalt wird mit dem vor­ gegebenen optimalen Cu-Gehalt verglichen. Aus der auf diese Weise erhaltenen Abweichung wird die ggf. erforderliche Menge an benötigtem Legierungszusatz von Cu, Zn bzw. Al bestimmt. Die gesamte Analyse dauert etwa 8 min.

Die Fig. 3a bis 5c zeigen Beispiele für Analysenresultate von Schmelzen, bei denen gemäß Fig. 3a bis 3c der effektive Kupfergehalt korrekt ist, gemäß Fig. 4a bis 4c zu klein und gemäß Fig. 5a bis 5c zu groß ist. In diesen Figuren sind auch die jeweiligen Mikrostrukturen der ausgehärteten Schmelze und die Ausgabe der Computeranalyse dargestellt. So zeigt Fig. 3c eine hinsichtlich der Gießeigenschaften und der Entzinkung optimale Mikrostruktur in 200-facher Ver­ größerung. Die durchschnittliche Tiefe der Entzinkung be­ trägt lediglich 70 µm. In Fig. 3a ist die Abkühlung T=f (t) als Kurve G und die Abkühlungsgeschwindigkeit als erste Ableitung dT/dt=f (t) als Kurve H dargestellt. Die erste Spitze 1 der Abkühlungs-Geschwindigkeitskurve kenn­ zeichnet einen Liquiduspunkt, bei dem die Erstarrung der Metallschmelze beginnt. Danach erfolgt eine monotektische Reaktion im Kurvenabschnitt 3 zwischen dem Kupfer und Blei, das zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit in einem Anteil von etwa 1,5% der Schmelze zugesetzt worden ist. Im Punkt 4 ist die Schmelze vollständig erstarrt, woraufhin in der festen Phase sich die Umwandlungsreaktion von β in α im Kurventeil 5 vollzieht. Aus der in Fig. 3b dargestellten Computerausga­ be ist ersichtlich, daß der effektive Kupfergehalt sich im Bereich C₁-C₀ (Fig. 1) befindet.

Bei der in Fig. 4c dargestellten Probe ist die Entzinkung durchschnittlich bis in eine Tiefe von 180 µm fortgeschrit­ ten. In Fig. 4a sind dieselben Reaktionsabläufe wie in Fig. 3a dargestellt, wobei die Umwandlungsreaktion β in α im Kurventeil 5 bei einer niedrigeren Temperatur als bei der Probe nach Fig. 3c abläuft. Gemäß der in Fig. 4b dargestell­ ten Computerausgabe liegt der effektive Kupferanteil 0,97% unter dem Optimalwert, d. h. der effektive Kupfergehalt ist kleiner als C₁, wobei 2,92% an Kupfer der Schmelze zuge­ setzt werden sollen.

Die in Fig. 5c dargestellte Probe hat hinsichtlich der Ent­ zinkung eine unzureichende Mikrostruktur, da die Entzinkung durchschnittlich 380 µm beträgt. Aus Fig. 5a ist ersicht­ lich, daß bei dieser Probe eine Umwandlungsreaktion β in α nicht erfolgt. Aufgrund einer peritektischen Reaktion ent­ hält diese Kurve einen weiteren Spitzenwert 2 zwischen den Spitzen 1 und 3. Durch die Computerauswertung wurde diese peritektische Reaktion erkannt und eine Korrektur der Schmelzenzusammensetzung durch Zufügen von 0,72% Zn empfoh­ len. Der effektive Kupfergehalt ist größer als C₀.

Claims (2)

1. Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung der Prozeß­ schmelze eines zweiphasigen Messings zum Zwecke der Er­ zielung optimaler Gießbarkeit der Schmelze und optimaler Entzinkungsbeständigkeit der Gußstücke, bei dem der Temperaturverlauf als Funktion der Zeit einer ge­ schmolzenen Probe des Messings beim Abkühlen mittels eines Thermoelements erfaßt wird und mit Hilfe eines Mikrocomputers die Temperaturen und Zeitpunkte von Pha­ senänderungen ermittelt werden, wobei der Mikrocomputer hieraus den effektiven Kupfergehalt ermittelt, mit dem optimalen Kupfergehalt vergleicht und die Menge an benö­ tigtem Zusatz an Kupfer, Zink oder Aluminium berechnet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geschmolzene Messingprobe in einen Gießtiegel (A) eingegossen wird, dessen Verhältnis Durchmesser/Höhe gleich 1 ist, daß die geschmolzene Probe mit einer Ab­ kühlungsgeschwindigkeit von kleiner 3°C/s und einer Abkühlungszeit von ca. 250 s abgekühlt wird und daß der Temperaturverlauf beim Abkühlen im thermischen Zentrum der geschmolzenen Probe erfaßt wird.