DE69028214T2

DE69028214T2 - Verfahren zur beurteilung des kohlenstoffequivalents, des kohlenstoffgehaltes und des siliziumgehaltes in gusseisen und abschätzung der physikalischen und mechanischen eigenschaften sowie abkühlkurvenmesstopf für dieses verfahren

Info

Publication number: DE69028214T2
Application number: DE69028214T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Yamaguchi
Original assignee: Metec Corp
Current assignee: Metec Corp
Priority date: 1990-05-16
Filing date: 1990-05-16
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2010-05-17
Also published as: ES2091822T3; EP0529074B1; AU664534B2; AU5651390A; DE69028214D1; EP0529074A4; ATE141688T1; WO1991018285A1; EP0529074A1

Description

Technischer Bereich

Die Erfindung betrifft eine Methode zur genauen Messung einer Abkühlungskurve von Gußeisen mittels einer thermischen Analyse, wobei das Kohlenstoffäquivalent, Kohlenstoffgehalt und Siliziumgehalt des Eisens bestimmt und die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Eisens abgeschätzt werden, wobei die Bedienungseinheit des Schmelzofens im Vorbereitungsprozeß zum Schmelzen des Eisens in der Gießerei ausreichend mit einer Kuppel versehen sein muß, das Eintreten der Schmelze im Schmelzofen gemessen wird, und ein Topf zum Messen der Abkühlungskurve vorhanden ist.

Stand der Technik

Das Prizip zum Messen des Kohlenstoffäquivalents ist dergestalt, daß die Elemente von Eisen, Kohlenstoff und Silizium - wie beim quasibinären System - anhand eines dreistoffigen Systems anhand der verbleibenden Restwärme (ursprünglich ein Kristall zum Flüssighalten) dargestellt wird, wenn das Gußeisen geschmolzen ist und wieder erstarrt, um das Kohlenstoffäquivalent herzustellen. Obwohl das Kohlenstoffäquivalent auf verschiedene Arten ausgedrückt werden kann, wird normalerweise die Definition von 100 % Kohlenstoff plus ein Drittel (Si % + P %) angewandt. Es gibt eine weitere Verwendung, in welcher die eutektische Temperatur gemessen wird, wobei sowohl die Zusammenhänge der Temperaturen bei flüssigen, flüssig und festen, sowie festen Stoffen miteinander verglichen werden, um den Silizium- und Kohlenstoffgehalt zu bestimmen, als auch die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Eisens abgeschätzt werden, kurz bevor die Schmelze wieder erstarrt ist. Es ist bekannt, daß gemäß der Anmeldung, die numerischen Werte, die dabei abgelesen werden, abhängig von der Modifikation des praktischen Profils, des Materials und der Art des Gusses, korrigiert und analysiert werden, dabei ist es möglich, den Zustand der Schmelze genauestens, schneller und anwendungspraktikabler als bei anderen Analysemethoden festzustellen, und zwar mittels eines Topfes, der mit einer bekannten technischen Methode hergestellt und so angeordnet wird, daß der Guß vor dem Ausgießen des Schmelzes bestimmt werden kann, und im Falle einer nicht erwünschten Zusammensetzung bzw. wenn verschiedene Eigenschaften der Schmelze nicht dem angestrebten Zustand entsprechen, eine entsprechende Vorbehandlung durchgeführt werden kann. Dieser Stand der Technik kann folgenden Schriften entnommen werden: US-A-3,267,732 und JP-A-820,206, aber keine entspricht in ausreichendem Maß der Erfindung.
Verglichen zu der Zeit, als die genannten Verfahren vorgestellt wurden, werden größere Ansprüche an die Bandbreite der von der Gußindustrie heute hergestellten Gußmaterialien gestellt. Die heutige Hochtechnologie hat mittlerweile Bedarf an verdichtetem Graphiteisen (sogenanntem CV-Gußeisen) oder geschmeidigem Zwischenstufeneisen (sogenanntem ADI Gußeisen) und die Gußeisenlegierungen wurden verbessert und weiterentwickelt, wobei eine korrekte und schnelle Technik zur überwachung der Schmelze im Schmelzofen an Ort und Stelle erwünscht wird. Dabei ist zu beachten, daß das Eisen- und Kohlenstoffsystem ein binäres System ist, während das Kohlenstoff- und Siliziumverfahren ein tenäres System ist. Im binären System bleibt die eutektische Temperatur konstant, während beim tenären System eine Maximal- oder Minimaltemperatur erreicht wird und die Voraussetzungen, beeinflußt vom Siliziumgehalt im Gußeisen ganz unterschiedlich sind, außerdem steigt die Temperatur bei manchen Elementen bzw. sinkt bei anderen entsprechend der benötigten Zusatzelemente zur Herstellung von Gußeisenlegierungen. Ein weiterer erschwerender Umstand ist die Tatsache, daß bei der Erstarrung der Grundelemente Eisen, Kohlenstoff und Silizium im tenären System zwei Beharrungszustände der vollständig dauerhaften Erstarrung des Eisen-Kohlenstoff (Graphit)-Silizium Systems und anschließender Erstarrung des Eisen-Kohlenstoff (Zementit)- Silizium Systems vorangeht.
Wenn der Kühlwert geändert wird oder die Zusatzelemente differieren, verändern sich außerdem auch die Beharrungszustände in manchen Fällen beim selben Guß. Dieses Problem der verschiedenen Erstarrungsformen verursacht die Komplizierung des Erstarrens im Gußeisensystem. Unter den derzeit vorherrschenden Umständen, bei denen das Schmelzverfahren mit Hilfe einer Kuppel stufenweise umgestellt wird auf das Schmelzen in einem elektrischen Schmelzofen, um damit auch die äußeren Beinflussungen kontrollieren zu können, werden schwerwiegende Probleme verursacht, nicht nur bei der Herstellung von Stahl, sondern auch beim Gußeisen, da die Probleme nicht nur durch den charakteristischen Wechsel des Gusses und die Zeit nach der Schmelze und des Zustand des Schmelzes verursacht wird, sondern auch durch den Sauerstoffgehalt, Oxid- oder aufgelösten Sauerstoffgehalt in der Schmelze.
Das alles macht die bekannten Analysemethoden unbefriedigend. Es ist deshalb notwendig, nicht nur genauestens die früheste Kristallisierungstemperatur zu messen, sondern auch die eutektische Temperatur, so daß die Abkühlungskurve in einer sicheren weißen Roheisenmasse (Eisen- und Zementit-System) gewünscht wird, und die Messung innerhalb der halbstabilen Erstarrung notwendige Bedingung wird, nicht nur für die Abkühlungskurve, sondern auch für die Proben zur mechanischen Analyse, z.B. der Emissionsspektrumanalysemethode, Röntgenanalysemethode oder ähnlichem.
Der Erfinder hat ausführliche Untersuchungen zur Lösung des Problems durchgeführt. Als eine Methode zur Hinzufügung von die Temperkohleabscheidung behindernden Elementen wie Tellur, Wismut und Bor als metastabile Erstarrungsförderer gemäß der früheren Methode, kann hier die Methode erwähnt werden, daß ein Element zur Abkühlung in einen Meßtopf hinzugefügt wird, wie z.B. Metalltellurpuder oder ähnliches, entsprechend der Methode, wie sie in der oben aufgeführten Erfindung angegeben ist. Trotzdem ist es bei diesen Erfindungen fraglich, ob die genannten Elemente genau in einem konstanten Anteil hinzugefügt werden, und es ist zweifelhaft, ob damit korrekte erste Kristallisierungs- und eutektische Temperaturen von den Schmelzproben des Gußeisens abgeleitet werden können. Ausgehend von einer Methode zur Erstellung einer Abkühlungskurve nach JP-A-820,206 wird in den Ansprüchen hierzu beschrieben, daß die Elemente Wismut, Bor, Zermetall, Blei, Magnesium und Tellur sowie Komponenten und Mischungen davon als Stabilisatoren zur Schmelze hinzugefügt werden. Obwohl Zermetall und Magnesium einformend wirkende Reaktionsmittel und einformend wirkende Stabilisatoren für typische geschmeidige Gußeisen sind, und sie die Erstarrungszustandsformen der Eisenzementit-Verbindungen zerstören, sind sie ein Mittel zur Messung der ersten Kristallisierungs- und eutektischen Temperaturen. Dies wird natürlich nicht durchgeführt, bevor die Beharrungszustände erreicht sind. Zermetall und Magnesium müssen durch Sauerstoffentzug, Entschwefelung und durch Dekarburierungsprozesse vor dem Einformen von Graphit vorbehandelt werden, und es ist klar, daß es unbefriedigend ist, Elemente zu verwenden, die einen Dekarburierungsprozeß voraussetzen, um das Kohlenstoffäquivalent und den Kohlenstoffgehalt zu messen.

Darstellung der Erfindung

Bei der gegenwärtigen Erfindung wurden verschiedene Untersuchungen und Experimente durchgeführt, um die oben genannten Nachteile beim Stand der Technik auszuschalten. Die technische Einrichtung der Erfindung liegt in einer thermischen Analysemethode zur Messung einer Abkühlungskurve bei geschmolzenem Gußeisen, bei welcher auf der inneren Oberfläche einer Pfanne für das Messen der Abkühlungskurve ein verdichtetes Preßpulverformteil oder gesintertes Formteil eines Metallpulverköpers aus Tellur, Wismut, Bor, Zink oder Aluminium oder einer Mischung dieser Bestandteile eine Schmelze aus Gußeisen auf diese Pfanne gegossen wird, wobei die ursprünglich kritallisierten und eutektischen Temperaturen aufgrund der metastabilen Erstarrung von Eisen, Zementit und Silizium klar auf der Abkühlungskurve des Gußeisens dargestellt wird, sowie das Kohlenstoffäquivalent, der Kohlenstoffgehalt und Siliziumgehalt des Eisens bestimmt und die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Eisens abgeschätzt werden. Auf der anderen Seite betrifft die jetzige Erfindung eine Pfanne zur Messung der Abkühlungskurve zur thermischen Analyse von Gußeisen, dadurch gekennzeichnet, daß ein verdichteter Metallpulverkörper oder ein gesintertes Formteil aus Tellur, Wismut, Bor, Zink oder Aluminium oder einer Mischung dieser Bestandteile auf der inneren Bodenoberfläche der genannten Pfanne aufgebracht ist und diese ein Thermoelement beinhaltet.
Geht man von obiger Beschreibung aus, hat der Erfinder für den Fall, daß eine ausreichende Desoxidation auch bei geringen Mengen und die ursprünglich kristallisierten und eutektischen Temperaturen des Gußeisens umgekehrt das Legierungselement nicht beeinflussen, seine Aufmerksamkeit auf die Zugabe von Aluminium gelenkt. Er hat außerdem festgestellt, daß bei Zugabe einer geringen Menge von Zink zur Vergrößerung der Wirkung der metastabilen Erstarrungsbeschleuniger wie Tellur, Wismut und Bor, und zur Kontrolle eines kleinen exothermischen Phänomens das durch die desoxidierende Wirkung des Aluminiums entsteht, es möglich ist, die Heizentwicklung durch die latente Verdampfungshitze zu verbessern, um die metastabile Erstarrung zu ermöglichen und um die Beeinflussung durch den Sauerstoffgehalt bzw. aufgelösten Sauerstoffgehalt in der Schmelze auszuschließen. Gemäß der Erfindung wird deshalb ein pulverisierter Anteil aus Tellur, Wismut oder Bor mit einem Aluminiumteil vermischt, die Mischung wird zu einem verdichteten Preßpulverformteil oder gesintertem Formteil geformt, und das Formteil auf der Innenseite der Meßpfanne zur Messung der Abkühlungskurve angebracht. Die Formteilmischung reagiert sehr gut auf die ausgegossene Schmelze des Gußeisens, so daß eine schnelle und genaue Messung des Kohlenstoffäquivalents, des Kohlenstoffgehalts und des Siliziumgehalts des Eisens möglich ist sowie die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Gußeisens gut abgeschätzt werden kann.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 Draufsicht auf den Meßtopf zum Messen der Abkühlungskurve
Fig. 2 Vertikaler, abschnittweiser Blick entlang der Linie II-II von Fig. 1

Beste Ausführung zur Durchführung der Erfindung

Die Erfindung wird durchgeführt mittels Verwendung eines Meßtopfes (1) zum Messen einer Abkühlungskurve wie in Fig. 1 und 2 gezeigt. Ein ringförmiges Formteil (2) wird auf der Innenseite des genannten Topfes angebracht, in den ein Thermoelement (3) eingesetzt wird. Das genannte Formteil (2) wird dergestalt vorbereitet, daß das Metallpulver von Tellur, Wismut, Bor, Zink oder Aluminium oder eine pulverige Mischung dieser Elemente auf ein Formteil gepreßt oder gesintert wird. Eine angemessene Mischung könnte aus den oben angegebenen Gründen in folgendem Verhältnis aufgebracht werden:
Aluminium ... 3 - 20 Gewichtsprozent
Zink ... 2 - 20 Gewichtsprozent
Tellur ... Rest.
Des weiteren können Wismut und Bor den genannten Telluranteil mit bis zu 50 Gewichtsprozent ersetzen.
Durch das Ergebnis der Versuche wurde bestätigt, daß mit einem Mischungsverhältnis, das weniger als die oben angebenen Werte enthält, das gewünschte Ergebnis der Erfindung nur unzureichend erreicht werden kann, mit einem höheren Anteil nur teure Elemente vergeudet werden.
Außerdem stellt die Anordnung des Formteiles (2) innerhalb des Meßtopfes, wie sie in den Zeichnungen dargestellt ist, die beste Ausführung dar; die Erfindung ist jedoch nicht auf die in den Zeichnungen gezeigte Anordnung beschränkt.

Beispiel 1

Mischungsverhältnis
Aluminium ... 7,3 Gewichtsprozent
Zink ... 9,7 Gewichtsprozent
Tellur ... Rest
Für das Preßpulverformteil:
Pulverisierte Teile der genannten Zusammensetzung wurden gleichmäßig gemischt, das gemischte Pulver in einen Metallpulverkörper in der gewünschten Größe gefüllt und mit einer Metallpresse zu einem ringförmigen Formteil von ungefähr 1 mm Dicke gepreßt. Bei der Vorbereitung einer solchen Pressung wird kein Binder für das Preßpulverteil benötigt, aber es ist auch nicht von Schaden, wenn eine kleine Menge eines leicht flüchtigen Binders dem Pulvergemisch beigefügt wird. Wie in Abbildung 2 gezeigt, wird ein ringförmiges Formteil, das gemäß obiger Beschreibung vorbereitet wurde, auf die Innenseite eines Meßtopfes, der mit Hilfe von Maskenformsand hergestellt wurde, gepreßt, wobei eine Tasche entsteht, die dem Außendurchmesser und der Stärke des Formteils angepaßt sein muß. Da selbstverständlich der Innendurchmesser des Formteils ein wenig größer als der Außendurchmesser des das Thermoelement enthaltende/schützende Röhrchen ist, gibt es keine Probleme, das Thermoelement einzufügen. Die Gußeisenmuster, die in verschiedenen Zusammensetzungen und bei Temperaturen von 1.400 bis 1.405 ºC gemessen werden sollen, wurden in die Meßtöpfe gegossen und folgende Ergebnisse erzielt:

Beispiel 2

Aluminium ... 6,94 Gewichtsprozent
Zink ... 9,72 Gewichtsprozent
Wismut ... 10,50 Gewichtsprozent
Tellur ... Rest.
Ein Gemisch der oben genannten Elemente wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 gepreßt, und bei gleichem Verfahren das gleiche Ziel wie in Beispiel 1 erreicht.
Das Verfahren und Ergebnis der vorliegenden Erfindung ist wie folgt:
1. Eine Messung kann in einer breiten Bandbreite von untereutektischer bis übereutektischer Seite und sogar bei Gußeisenlegierungen vorgenommen werden.
2. Abweichend von konventionellen Methoden zur Abschreckung der Schmelze oder zum Auftrag von Tellur-Metallpulver oder ähnlichem auf die Innenseite eines Meßtopfes ist es nun möglich, eine genau festgelegte Zusammensetzung eines Binders zuzugeben. Unbeabsichtigtes Abschrecken, Abkühlen sowie sogenanntes Wiederaufglühen erscheint oft nicht auf der Abkühlungskurve, wobei diese manchmal groß und manchmal klein im Tellurgehalt des entsprechenden Meßtopfes sein kann. Das genannte Wiederaufglühen ermöglicht das schwierige Messen. Die Entwicklung des Komponentenbinders ist dazu geeignet, den unteren Grenzwert der ternären eutektischen Temperatur zu erfassen, um damit auch die stabile ursprüngliche kristallisierte und eutektische Temperatur in der metastabilien Erstarrungsphase des Eisenzementitsystems zu erfahren.
3. Als ein Ergebnis aus der Erfindung ist es möglich, ein entsprechendes Objekt mit nur einem zusätzlichen Wert von 0,2 bis 1 Gewichtsprozent des genannten Preßpulverformteils oder gesinterten Formteils zu Ende zu führen. Als Ergebnis der Messungen wurde bewiesen, daß genaue Messungen im Bereich von fast 100 %, bei +/- 0,05 % Abweichung für die Bestimmung des Kohlenstoffäquivalents, +/- 0,05 % für die Bestimmung des Kohlenstoffgehalts und +/- 0,15 % für die Bestimmung des Siliziumgehalts möglich sind. Dies beweist in ausreichendem Maß die Anwendbarkeit des Meßtopfes als eine Methode zur Vereinfachung der Messung der Vorschmelze im Schmelzofen in der Gießerei, und die Erfindung wird einen Beitrag leisten zur Vereinfachung der Verfahrensabläufe in der Gießerei und wird außerdem der Entwicklung in der zukünftigen Gießereitechnologie gewachsen sein.

Anwendbarkeit in der Industrie

Gemäß der jetzigen Erfindung kann eine Abkühlungskurve durch ein thermisches Verfahren genauestens erfasst werden, wobei der Kohlenstoffäquivalent, der Kohlenstoffgehalt und der Siliziumgehalt im Eisen bestimmt und die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Eisens geschätzt werden, wobei dies im Vorbereitungsprozeß in einer Gießerei leicht durchgeführt werden kann. Außerdem ist ein effektives Analyseverfahren in der Industrie von Vorteil bei der Verteilung und Belieferung der Schmelze noch vor dem Guß im Schmelzofen und zur Auswahl von Stahl zur Herstellung der Roheisenmasse und der verschiedenen Arten von Roheisen zum Gießen.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer Abkühlungskurve vermittels einer thermischen Analyse von Gußeisen, dadurch gekennzeichnet, daß ein verdichtetes Preßpulverformteil oder ein gesinteres Formteil eines Metallpulverkörpers aus Tellur, Wismut, Bor, Zink oder Aluminium oder einer Mischung dieser Bestandteile an der inneren Oberfläche einer Pfanne für das Messen dieser Abkühlungskurve angeordnet ist, eine Schmelze aus Gußeisen in diese Pfanne gegossen wird und daß ursprünglich kristallisierte und eutektische Temperaturen, die auf der metastabilen Erstarrung von Eisen, Zementit und Silizium beruhen, klar auf der Abkühlungskurve des Gußeisens dargestellt sind und dadurch das Kohlenstoffäquivalent bestimmen, den Kohlenstoffgehalt und den Siliziumgehalt im Eisen und die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Eisens abschätzen.

2. Verfahren zum Bestimmen des Kohlenstoffäquivalents, des Kohlenstoffgehalts und des Siliziumgehalts von Gußeisen und zum Abschätzen der physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Eisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des verdichteten Presspulverformteiles oder des gesinterten Formteiles im Bereich von 3 - 20 Gewichtsprozent Aluminium, 3 - 20 Gewichtsprozent Zink und der Rest aus Tellur ist.

3. Verfahren zum Bestimmen des Kohlenstoffäquivalents, des Kohlenstoffgehalts und Siliziumgehalts von Gußeisen und Abschätzen der physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Eisens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wismut oder Bor zu einem Teil durch Tellur ersetzt wird, welches eines der Bestandteile des verdichteten Presspulverformteiles oder des gesinterten Formteiles ist.

4. Topf zum Messen einer Abkühlungskurve vermittels thermischer Analyse von Gußeisen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pressmetallpulverformteil oder Sinterformteil hergestellt aus Tellur, Wismut, Bor, Zink und/oder Aluminium vorgesehen ist und an der inneren Bodenoberfläche dieses Topfes festgemacht ist und ein Thermoelement beinhaltet 5