DE4115005C1 - Appts. and determn. of graphite pptn. in cast iron@ melt molten sample - by evaluating the time dependent flow variation of solidifying melt in constricted channel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5 (DE 28 21 352 C2).

Nach dem Verfahren und mit der Vorrichtung gemäß DE 28 21 352 C2 wird eine Probenschmelze in einer Kammer gefüllt, die einen Teil aufweist, in dem sich die Probe schneller abkühlt als im Rest der Kammer, und die Temperatur innerhalb der Probe im sich schneller abkühlenden Teil während der Abkühlung wird gemessen.

Bei einem anderen Verfahren wird die aus der Gußeisenschmelze entnommene Probe entweder mittels Spektralanalyse oder durch Anfertigung und Auswertung eines Schliffes der erstarrten Probe untersucht (DE 28 21 352 C2, Spalte 1, Zeile 55 bis 59). Dies ist umständlich und zeit- und kostenaufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, anhand der Probe die Feststellung von zu erwartender Lamellen- oder Kugelgraphitausscheidung zu beschleunigen und zu vereinfachen.

Diese Aufgabe ist für ein Verfahren durch die Merkmale im Anspruch 1 und für eine Vorrichtung durch die Merkmale im Anspruch 5 gelöst.

Wenn man nach diesem Verfahren vorgeht, erhält man auf einfache und unkomplizierte Weise eine Vielzahl von Kriterien, mit denen der Schmelzmeister sicher und schnell feststellen kann, ob man aus seiner Gußeisenschmelze der Graphit in Form von Lamellengraphit oder Kugelgraphit ausgeschieden werden wird.

Bevorzugte Kriterien sind durch die Ansprüche 2 bis 4 gekennzeichnet. Allen gemeinsam ist ein erheblicher Zeitgewinn bei der Beurteilung der Probe bei hoher Sicherheit in der Unterscheidung zwischen Lamellen- und Kugelgraphit.

Die Kammer und der Kanal, welche die Vorrichtung gemäß Anspruch 5 aufweist, sind mit einfachsten Mitteln herzustellen. Der Kanal ist vorzugsweise gerade und mit kreisförmiger Querschnittsfläche auszubilden.

Gemäß Anspruch 6 wird ein Stoff ausgewählt, der den im Bereich von 1250 bis 1500°C zu erwartenden Gießtemperaturen standhält. Es kommen z. B. Keramik, Porzellan, Graphit und Siliziumcarbid in Betracht.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 7 läßt sich der Wärmeübergang und damit das zeitliche Erstarrungsverhalten der Probenschmelze steuern. Die wärmeisolierende Schicht kann z. B. aus Glasfasern bestehen. Durch geeignete Auswahl der wärmeisolierenden Schicht läßt sich das Ausströmverhalten der Probenschmelze aus dem Kanal günstig beeinflussen. Insbesondere kann zu schneller Erstarrung der Schmelze in den Kanal vorgebeugt werden.

Gemäß Anspruch 8 kommt als Formstoff z. B. sogenannter Grünsand in Betracht. Grünsand besteht in der Regel aus 72% Quarzsand, 10% Schamottehülle, 8% Bentonithülle, 4% Kohlenstoffstaub und 4% Wasser. In diesen Grünsand kann die Kammer mit einem Kern eingeformt werden. Anschließend kann der Kanal dadurch hergestellt werden, daß ein Draht oder dergleichen durch die Wand der Kammer hindurchgedrückt und dann wieder gezogen wird.

Bei der Ausbildung gemäß Anspruch 9 ergibt sich ein besonders übersichtliches und günstiges Ausströmverhalten der Probenschmelze aus der Kammer.

Die Merkmale des Anspruches 10 führen zu gut reproduzierbaren Beurteilungsergebnissen.

Gemäß Anspruch 11 ergibt sich eine besser konstante Schmelzentemperatur am Auslaß der Kammer. Man ist weitgehend unabhängig von dem Wärmeentzug durch den Boden der Kammer hindurch. Die Maßnahme führt zu besser reproduzierbarem Strömungsverhalten in dem Kanal.

Die Einrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13 dient der zumindest teilweisen Automatisierung der Auswertung.

Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich auch dann mit Vorteil einsetzen, wenn mit derselben Schmelze nacheinander mehrere Gußstücke gegossen werden sollen. Dann kann vor jedem beliebigen Gießvorgang eine Probe der Charge entnommen und erfindungsgemäß mit minimalem Zeitaufwand beurteilt werden. Auf diese Weise lassen sich zwischenzeitliche unerwünschte Schmelzenänderungen sicher feststellen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 die Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 4 die Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit Mitteln zur Auswertung,

Fig. 5 eine grafische Darstellung einer Auswertung gemäß Fig. 4,

Fig. 6 schematisch die Erstarrungsmorphologie von Grauguß mit Lamellengraphiten und

Fig. 7 schematisch die Erstarrungsmorphologie von Grauguß mit Kugelgraphit.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Beurteilung einer Probe 2 einer Gußeisenschmelze daraufhin, ob aus der Gußeisenschmelze der Graphit in Form von Lamellengraphit (GG) oder Kugelgraphit (GGG) ausgeschieden werden wird. Dazu wird die Probenschmelze 2 in eine Kammer 3 eingefüllt und steht darin anfänglich bis zu einer strichpunktiert angedeuteten Spiegellinie 4.

Die Kammer 3 weist einen Boden 5 auf. In einem Abstand 6 oberhalb des Bodens 5 und in einer Höhe 7 unterhalb der ursprünglichen Spiegellinie 4 weist die Kammer 3 einen Auslaß 8 auf. Mit dem Auslaß 8 ist ein waagerechter Kanal 9 von kreisförmiger Querschnittsfläche verbunden. Aus einer Mündung 10 des Kanals 9 strömt Probenschmelze in einem parabelartigen Strahl 11 aus. Vom Auslaß 8 bis zur Mündung 10 weist der Kanal 9 eine Länge 12 auf.

Eine die Kammer 3 begrenzende Wand 13 und eine den Kanal 9 begrenzende Wand 14 bestehen aus feuerfestem Stoff, in diesem Fall selbsttragender Keramik. Aus Kostengründen ist die Dicke der Wände 13, 14 minimal gehalten. Zur Steuerung des Wärmeübergangs sind die Wände 13, 14 von einer wärmeisolierenden Schicht 15 und 16 umgeben. Die Schichten 15, 16 sind in diesem Fall aus Glasfasern mit einer nicht gezeigten, an sich bekannten äußeren Bindung hergestellt. Gegebenenfalls kann auf die wärmeisolierenden Schichten 15 und/oder 16 auch verzichtet werden.

Einige Parameter, die einen Einfluß auf die Art der Ausströmung der Probenschmelze 2 aus der Mündung 10 haben, sind die Zusammensetzung und Gießtemperatur der Probenschmelze 2, die freie Querschnittsfläche der Kammer 3 und die Bemessung der Höhe 7, der geometrischen Ausbildung und Größe der freien Querschnittsfläche des Kanals 9 und die Länge 12 des Kanals 9. Durch eine Rundung 17 der Wand 13 im Bereich des Auslasses 8 wird die Einströmung der Probenschmelze 2 in den Kanal 9 verbessert. Beispielsweise kann die Höhe 7 100 mm, der Abstand 6 20 mm, der Durchmesser der kreiszylindrischen Kammer 3 100 mm, der Durchmesser des Kanals 9 3 mm und die Länge 12 60 mm betragen.

Bei einer Standardisierung der vorerwähnten Abmessungen und des Stoffes der Wände 13, 14 läßt sich eine gute Reproduzierbarkeit des Ausströmverhaltens der Probenschmelze 2 erzielen. Entsprechend gut und sicher wird dann die Möglichkeit der Beurteilung, ob die Probenschmelze und damit die Gußeisenschmelze, aus der die Probe entnommen wurde, Lamellen- oder Kugelgraphit ausscheidet.

Die Vorrichtung 1 funktioniert wie folgt: Die Probenschmelze 2 wird anfänglich bis zu der Spiegellinie 4 in die Kammer 3 eingefüllt und strömt normalerweise sofort mit dem parabelartigen Strahl 11 aus der Mündung 10 aus. Nach mehr oder minder kurzer Zeitdauer beginnt die Probenschmelze, in dem Kanal 9 zu erstarren und damit die freie Querschnittsfläche des Kanals 9 zunehmend zu verengen. Dieser Erstarrungsprozeß setzt sich fort, bis schließlich der Kanal verschlossen ist und keine Probenschmelze 2 mehr aus der Mündung 10 austritt. Aus der Art und Zeitdauer des Austretens der Probenschmelze 2 aus der Mündung 10 kann mit großer Sicherheit auf Gußeisen mit Lamellen- oder Kugelgraphit geschlossen werden. Dies wird nachfolgend im einzelnen erläutert werden.

Fig. 2 verdeutlicht, daß der Kanal 9 sich radial bezüglich der im wesentlichen kreiszylindrischen Kammer 3 erstreckt.

In allen Ausführungsformen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszahlen versehen.

Bei der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 3 wurde zunächst in einen Formkasten 18 Grünsand 19 eingebracht. Dabei umgab der Grünsand 19 einen in Fig. 1 schon entfernten Kern, der nach seiner Entfernung die Kammer 3 in dem Grünsand 19 hinterließ. Anschließend wurde durch einen in eine Bohrung 20 in dem Kasten 18 eingesetzten feuerfesten Ring 30 ein Draht waagerecht und radial bezüglich der kreiszylindrischen Kammer 3 durch den Grünsand 19 hindurchgestoßen. Nach Entfernung des Drahtes verblieb der Kanal 9, wobei die Mündung 10 durch die innere Begrenzung des Rings 30 definiert ist. Der Ring 30 verhindert, daß Probenschmelze in Berührung mit dem Formkasten 18 gerät.

Die Funktion der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung 1 ist die gleiche wie zu den Fig. 1 und 2 geschildert.

Fig. 4 zeigt die Vorrichtung 1 im Betrieb, wobei die Probenschmelze die Mündung 10 zunächst in dem parabelartigen Strahl 11 und erst gegen Ende der Ausströmdauer als Tropfen 21 verläßt. Die Tropfen 21 bilden sich dann, wenn die freie Querschnittsfläche des Kanals 9 durch die darin erstarrte Probenschmelze hinreichend zugewachsen ist. Alle aus der Mündung 10 austretende Probenschmelze wird in einem feuerfesten Auffangbehälter 22 aufgefangen. Der Auffangbehälter 22 steht auf einer Waage 23, die der in dem Auffangbehälter 22 aufgefangenen Masse der Probenschmelze entsprechende elektrische Signale über eine Leitung 24 in einen Rechner 25 eingibt. Die das Meßergebnis beeinflussende kinetische Energie des Strahls 11 und der Tropfen 21 kann unschwer, z. B. durch entsprechende Programmierung des Rechners 25, kompensiert werden. Der Rechner 25 steuert über eine Leitung 26 einen Schreiber 27.

Mit dem Schreiber 27 lassen sich Diagramme gemäß Fig. 5 erstellen, bei denen über der Ausströmdauer die aus der Mündung 10 ausgeströmte Masse Probenschmelze aufgetragen ist. Fig. 5 enthält zwei Kurven, die mit einem Versuchsaufbau mit den zuvor erwähnten konstruktiven Daten erstellt worden sind.

Die obere Kurve betrifft Gußeisen mit Lamellengraphit (GG), während die untere, sehr viel kürzere Kurve die Verhältnisse bei Gußeisen mit Kugelgraphit (GGG) betrifft.

Die beiden Probenschmelzen wiesen folgende chemische Zusammensetzung auf:

Chemische Zusammensetzung GG:

Sättigungsgrad GG:

Chemische Zusammensetzung GGG:

Sättigungsgrad GGG:

In Fig. 5 betrugen die Gießtemperaturen bei GG 1320°C und bei GGG 1380°C. Trotz der höheren Gießtemperatur bei GGG zeigt die in Fig. 5 abgebildete zugehörige kurze Kurve, daß die gesamte Ausströmdauer bis zum völligen Zuwachsen des Kanals 9 dort nur etwa 18 s betragen hat. Im Vergleich dazu war die gesamte Ausströmdauer bei der Kurve GG etwa 85 s. Dies ist ein so deutlicher Unterschied in der gesamten jeweiligen Ausströmdauer, daß der Schmelzmeister allein durch grobe Messung der Ausströmdauer aus der Mündung 10 sicher beurteilen kann, ob es sich um Gußeisen mit Lamellen- oder Kugelgraphit handelt.

Ebenso charakteristisch ist nach Fig. 5 das Verhältnis der jeweils aus der Mündung 10 bis zum völligen Zuwachsen des Kanals 9 ausgeströmten Masse der Probenschmelze. Während bei der Kurve GG bis zum Versuchsende etwa 3100 g ausgeströmt sind, waren es bei der Kurve GGG nur etwa 250 g. Auch aus diesem Unterschied der jeweils ausgeströmten Masse der Probenschmelze kann der Schmelzmeister unschwer entweder auf GG oder GGG schließen.

Diese deutlich unterschiedlichen Ausströmcharakteristiken von GG einerseits und GGG andererseits lassen sich anhand der Fig. 6 und 7 erklären, die sich anlehnen an die Veröffentlichung Ellerbrock, R.; Engler, S.; "Kristalli­ sationsablauf von naheutektischem graphithaltigem Gußeisen", Deutsche Gesellschaft für Metallkunde e. V., 1981.

In Fig. 6 ist in dem Kanal 9 erstarrendes GG gezeigt. Es handelt sich dabei um eine endogen-schalenbildende Erstarrung. Dabei wachsen endogene Kristalle, kompakt oder dendritisch ausgebildet, von außen nach innen in die Schmelze in dem Kanal 9 hinein, wobei die Korngröße in Richtung auf die Längsachse des Kanals 9 hin abnimmt. Die geringe Beweglichkeit der Kristalle in den Randbereichen des erstarrenden Querschnitts führt, im Gegensatz zur Mitte, zur Bildung einer Schale mit einer gewissen Widerstandskraft. In Fig. 6 sind die einzelnen eutektischen Körner 28 schematisch angedeutet. Außer diesen Körnern 28 kommt es vereinzelt auch zur Bildung von Dendriten 29, jedoch fallen deren Größe und Häufigkeit nicht ins Gewicht.

Demgegenüber zeigt Fig. 7 die Erstarrungsmorphologie von GGG. Hierbei kommt es nicht zu einer Schalenbildung. Vielmehr wachsen endogene, kompakt oder als Dentriten 29 ausgebildete Kristalle radial in die Schmelze hinein. Das Gemenge aus Schmelze und in dieser festen Phase ähnelt einem Brei, der mit fortschreitender Erstarrung immer steifer wird. Man nennt diesen Vorgang deshalb auch endogen-breiartige Erstarrung. Die Erstarrung ist beendet, wenn die einzelnen Kristalle aneinanderstoßen und die Schmelze zwischen ihnen aufgezehrt ist.

Claims (13)

1. Verfahren zur Feststellung, ob aus einer Gußeisenschmelze der Graphit in Form von Lamellengraphit (GG) oder Kugelgraphit (GGG) ausgeschieden werden wird, wobei aus der Gußeisenschmelze eine Probe (2) entnommen und in eine Kammer (3) eingefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man

• a) die Probenschmelze (2) durch einen Kanal (9) aus der Kammer (3) ausströmen läßt, bis der Kanal (9) durch darin erstarrte Probenschmelze (2) zumindest teilweise verschlossen ist, und
• b) die zeitliche Änderung des Ausströmverhaltens infolge des sich durch die erstarrende Probenschmelze schließenden Kanals auswertet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man im Schritt b) die Zeitdauer vom Beginn des Ausströmens von Probenschmelze (2) aus dem Kanal (9) bis zu demjenigen Zeitpunkt mißt, an dem infolge des Erstarrens zumindest annähernd keine Probenschmelze (2) mehr aus dem Kanal (9) austritt,
und daß die jeweils gemessene Ist-Zeitdauer mit den voneinander abweichenden Soll-Zeitdauern einerseits für Gußeisen mit Lamellengraphit (GG) und andererseits für Gußeisen mit Kugelgraphit (GGG) verglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß während der Dauer des Ausströmens von Probenschmelze (2) aus dem Kanal (9) die Form des ausströmenden Strahles (11) beobachtet wird,
und daß die jeweilige Ist-Änderung der Form über der Zeit mit den voneinander abweichenden Soll-Änderungen der Form über der Zeit einerseits für Gußeisen mit Lamellengraphit (GG) und andererseits für Gußeisen mit Kugelgraphit (GGG) verglichen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die aus dem Kanal (9) austretende Probenschmelze (2) aufgefangen und gewogen wird,
und daß der jeweilige Ist-Anfall der aufgefangenen Probenschmelzenmasse über der Zeit mit den voneinander abweichenden Soll-Anfällen der aufgefangenen Probenschmelzenmasse über der Zeit einerseits für Gußeisen mit Lamellengraphit (GG) und andererseits für Gußeisen mit Kugelgraphit (GGG) verglichen wird.

5. Vorrichtung zur Beurteilung einer Probe (2) einer Gußeisenschmelze daraufhin, ob aus der Gußeisenschmelze der Graphit in Form von Lamellengraphit (GG) oder Kugelgraphit (GGG) ausgeschieden werden wird, mit einer Kammer (3) zur Aufnahme der Probenschmelze (2), gekennzeichnet durch einen mit einem Auslaß (8) der Kammer (3) für Probenschmelze (2) verbundenen Kanal (9).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Kammer (3) und den Kanal (9) begrenzende Wand (13, 14) aus feuerfestem Stoff besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (13, 14) von einer wärmeisolierenden Schicht (15, 16) umgeben ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kammern (3) und den Kanal (9) begrenzende Wand aus einem Formstoff (19) besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (3) zumindest annähernd zylindrisch mit senkrechter Längsachse ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (9) zumindest annähernd waagerecht verläuft.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (8) in einem Abstand (6) oberhalb eines Bodens (5) der Kammer (3) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erfassen der Änderung des Ausströmverhaltens infolge des sich durch die erstarrende Probenschmelze (2) schließenden Kanals (9).

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Auswerten der Änderung des Ausströmverhaltens infolge des sich durch die erstarrende Probenschmelze (2) schließenden Kanals (9).