DE7814692U1 - Gerät für die Voraussage metallographischer Strukturen - Google Patents

Description

— L -

Rcdt Finkener, Ernesti

Patentanwälte

Heinrich-König-Str. 119

4630 Bochum 1

ELECTRO-NITE N.V., Grote Baan 27a, 3530 Houthalen (Eelgien).

"Gerät für die Voraussage metallographischer Strukturen"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf ein Gerät für die Voraussage der metallographischen Struktur, beispielsweise des Nodular, itätsgrades, metallischer Gussstücke durch Prüfung des flüssigen Metalls möglichst kurz vor dem Giessen.

Gemäss einem bekannten Verfahren lässt sich die Zusammensetzung eines flüssigen Metalls mit befriedigender Annäherung durch Bestimmung der Liquidus-Temperatur und der eutektisehen Temperatur mittels bekannter Kühlkurven bestimmen. Dieses Verfahren erteilt allerhand Information beispielsweise über Phasenübergänge, das Kohlenstoffäquivalent usw. Ein bekanntes Verfahren eignet sich ebenfalls zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Festkörpern durch Messung des durch diesselben unter dem Einfluss eines Temperaturgradienten fliessenden Wärmüstroms.

Bekanntlich ist die Wärmeleitfähigkeit des festen Graugusseisens weitgehend von der Graphitstruktur des Metalls abhängig und hat beispielsweise das Nodulargusseisen eine geringere Leitfähigkeit als Lamellargusseisen gleicher chemischer Zusammensetzung.

Bei der Herstellung von Gussstücken ist es überaus wichtig die Gusseisenprüfung möglichst kurz vor dem Giessen durchzuführen. Wartet man zu lang mit dem Giessen des Nodulargusseisens, so ver-

liert das fj .issiga Metall einem beträchtlichen Teil ro j ncs Magncsiuiiio'ohaltcs beispielsweise durch Verdampfung oder andere Ursachen, demzufolge das Gussstück wahrscheinlich nicht den gestelli.en Anforderungen genügen wird.

In der Metallurgie besteht daher seit langem ein dringliches Bedürfnis nach einem einfachen, schnellen und zweckmä.ssicon Verfahren für eine zuverlässigen Vorherbestimmung des N^Todularitätsgrades des Gusseisens vor dem Giessen. Gemäsn einem derartigen in der US-Patentschrift 3 670 558 beschriebenen Verfahren v/erden die Eigenschaften des Nodulargusseisens durch vergleichende Prüfung üblicher Kühlkurven und einer genügenden Anzahl Kühlkurventeile des betreffenden 'Letalls im voraus geprüft. Wegen seiner zahlreichen Nachteile hat dieses Verfahren sich aber in der Praxis nicht bewährt.

Daher konnte die Nodularstruktur des Gusseisens bisher nur mit genügender Zuverlässigkeit nach dem Kühlen bzw. Erstarren des Musters beispielsweise gemäss dem Ultraschallwellenverfahren, der metallographischen Analyse u.dgl. geprüft werden.

Der vorliegenden Erfindung ist nun die Aufgabe gestellt das vorgenannte Bedürfnis zu beheben. Sie bezieht sich zu diesem Zweck auf einen neues Verfahren und ein entsprechendes Gerät für die Durchführung desselben für die einfache, schnelle und zu verlässige Prüfung der Nodularstruktur vor dem Giessen, wenn das Metall sich noch im flüssigen Zustand befindet und es noch möglich ist seine Zusammensetzung auf Grund der Prüfungsergebnisse zu korrigieren und es gegebenenfalls sogar für untauglich zu erklären.

Das erfindungsgemässe Gerät dient also zur Vorherbestim-

*f-

r.iuIKj Ir/.vi. Voraussage der metallographischen Struktur des GussciLiciiii durch Prüfung der Schmelze vor dem Giessen. Mit dieses i'ii rat wirden erst eine Probe des flüssigen Metalls genommen und darauf zwei Teile der Probe, nämlich ein erster Teil mit höherer Geschwindigkeit und ein zweiter Teil mit niedrigerer Geschwindigkeit, gekühlt bzw. erstarrt und ein Parameter in bezug auf die Wärmeleitfähigkeit des Metalls bestimmt.

Γ .s erfindungsgemässe Gerät besteht im wesentlichen aus einem kleinen Tiegel, worin das zu prüfende flüssige Metall gegossen und gekühlt wird. Gemäss einer Durchführungsweise der Erfindung ist dieser Tiegel mit zwei auf verschiedener Höhe angeordneten TciTiperaturmessgeräten für die Bestimmung der Temperatur der beiden Probenteile versehen während gemäss einer Vorzugsdurchfrührungsweise der Erfindung der betreffende Tiegel nur mit einem einzigen Temperaturmessgerät ausgestattet ist. In beiden Fällen ist der Tiegel mit einer Vorrichtung für das schnellere Kühlen eines der beiden Probenteile versehen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich also auf ein Gerät für die einfache und leichte, schnelle und zuverlässige Vorherbe Stimmung bzw. Voraussage der Nodularstruktur oder einer anderen met^llographischen Struktur von durch Giessen flüssigen Gusseisens bestimmter Zusammensetzung herzustellenden Gussstücken.

Die vorgenannten, sowie sonstige Kennzeichen und Vorteile des erfindungsgemässen Systems treten deutlicher aus der nachfolgenden eingehenden Beschreibung einiger Durchführungsbeispiele zutage. Diese ohne irgendeine einschränkende Absicht gegebene Beschreibung findet anhand der beiliegenden Zeichnungen statt, wo

die Abbildung 1 einen Achsialschnitt eines Tiegels für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens schematischerweise wiedergibt,

die Abbildung 2 zwei die Temperatur in Abhängigkeit der Zeit darstellende Kühlkurven wiedergibt;

die Abbildung 3 eine mit einem einzigen thermoelektrischen Element aufgenommene, die Temperatur in Abhängigkeit der Zeit darstellende Kühlkurve wiedergibt;

die Abbildung 4 einen Achsialschnitt eines weiteren Tiegels für das erfindungsgemässe Gerät wiedergibt;

die Abbildung 5 die nach drei Minuten gemessene Temperatur in Abhängigkeit der für die Kühlung über einen die Solidus-Temperatur enthaltenden Temperaturbereich von 10O⁰C wiedergibt; und

die Abbildung 6 die aus der Abbildung 5 ermittelte Temperaturdifferenz in Abhängigkeit des Nodularitätsgrades graphischer· weise wiedergibt.

Auf den beiliegenden Zeichnungen sind die ähnlichen Teile je-

•v veils mit derselben Bezugszahl versehen. Die Abbildung 1 be-

§ zieht sich auf eine erste Gestaltungsweise des Geräts. Das Ge-

ί rät besteht aus einem kleinen Tiegel 10, der aus zwei Teilen,

d.h. aus einem oberen Teil 12 und einem unteren Teil 13, besteht,

β wobei der Durchmesser des oberen Teiles bedeutend grosser ist

als der des unteren Teiles. Der hier benutzte Ausdruck "Tiegel" bezieht sich ganz allgemein ata sämtliche geeignete Behälter, wie

beispielsweise Probenahmetöpfbhen, Gussformen für das sogenannte IN-MOLD-Verfahren, usw. Der hier wiedergegebene Tiegel 10 eignet sich für die Kühlung einer flüssigen Metallprobe mit zwei verschiedenen Kühlgeschwindigkeiten. Der Teil 14 der Probe im unteren Teil 13 des Tiegels kühlt sich schneller ab als der Teil 15 der Probe im oberen Teil 12 des Tiegels wegen der Tatsache, dass das Verhältnis Oberfläche / Rauminhalt des oberen Teiles bedeutend kleiner ist als das des unteren Teiles.

Zwecks Vermeidung von Schwundhohlräumen in der Probe, empfiehlt es sich den Tiegel derart zu gestalten, dass die Kühlung des flüssigen Metalls im unteren Teil des Tiegels schneller stattfindet als im oberen Teil. Die untenstehende, durch die Kurven der Abbildung 2 erläuterte Beschreibung bezieht sich demnach auf ein mit einem Tiegel gemäss der Abbildung 1 ausgestattetes Gerät.

Die Erstarrungskurve 11 gemäss der Abbildung 2 bezieht sich auf den sich im unteren Teil des Tiegels mit höherer Geschwindigkeit erstarrenden Teil 14 einer Graugusseisenprobe. Die Temperatur des flüssigen Metalls im unteren Teil des Tiegels wird mit einem geeigneten Temperaturmessgerät, wie z.B. mit einem thermoelektrischen Element 22, gemessen, das vorzugsweise sen-

krecht zur längsachse des Tiegels 10 steht. Wie aus der Kurve 11 ersichtlich ist, ändert sich die Kühlgeschwindigkeit jäh im Punkt 213 bei einer bestimmten Temperatur, d.h. bei der Licuidus-Temperatur. Die Kühlgeschwindigkeit ändert sich ebenfalls jäh in Punkt 2 4 bei der Solidus-Temperatur. Ferner zeigt die Kurve Ii einen Wendepunkt bei einer Temperatur T statt weiter nach unten i.u laufen gemäss der Exponentialkurve 25, im Gegensatz also zur gleichmässigen Kühlung der Probe.

Im vorliegenden Fall ist das Auftreten das Wendepunktes X der Kurve 11 der während der eutektischen Erstarrung des oberen Teiles 15 der Probe, dessen Kühlung langsamer stattfindet als die des unteren Teiles 14 im unteren Teil dos Tiegels, stattfindenden Wärmereflektion. Die Temperatur T_v ist die dem Wendepunkt X der Kurve 11 entsprechende Temperatur. Sie ist ein erster unmittelbar mit der Wärmeleitfähigkeit des flüssigen Metalls im Zusammenhang stehender Parameter. Die Änderung der Kühlgeschwindigkeit hängt mit der dem eutektischen Bereich der Kurve 2 5 entsprechenden Temperatur zusammen, welche praktisch konstant ist. in der Umgebung des Wertes llCo C.

D^:e beiden Kurven 11 und 25 begrenzen ein Gebiet A, dessen Grosse unmittelbar mit der Wärmeleitfähigkeit der Probe im Zusammenhang steht. Dies bedeutet, dass der Rauminhalt des Gebietes A ein M ·.:;s des Einflusses des Eutektikums des Teiles 15 auf den Teil 14 der Probe ist. Es ist nun eine bekannte Tatsache, dass die Wärmeleitfähigkeit eines Metalls in unmitt( 1 baren Zusammenhang mit der metallographischen Struktur desselben steht, demzufolge die im Wendepunkt der Kurve 11 ermittelte Temperatur T_v und der Rauminhalt deb zwischen den Kurven 11 und 25 einge-

schlossenen Gebietes unmittelbar mit der metallographischen Struktür der betreffenden Metallprobe zusammenhängen.

Die beiden vorgenannten Parameter lassen sich ebenfalls durch Ermittlung der Erstarrungskurve 16 der Probe und deren graphischen Darstellung nt^st der Kurve 11 ermitteln. Die Ermittlung dieser Erstarrungskurve 16 findet mittels eines zweiten Temperaturmessgeräts statt, beispielsweise mittels eines zweiten thermoelektrischen Elementes auf geeigneter Höhe im Teil 15 der Probe. Die zwei thermoelektrischen Elemente 22 und 27 befinden sich also grundsätzlich auf verschiedener Höhe in der Probe, und zwar das erste im unteren und das zweite im oberen Teil. Die an einem bestimmten Zeitpunkt zwischen den Ordinaten (Temperaturen) der Kurven 16 und 11 ermittelte Temperaturdifferenz ΛΤ¹ ändert sich in Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit und demnach des li^dular itätsgrades der Metallprobe.

Es ist eine versuchsmässig erwiesene Tatsache, dass die Temperatur T durch die eutektische Temperatur des Probenteiles 15, sowie durch mehrere andere Faktoren, wie z.B. die Wärmeleitfähigkeit, die Giesstemperatur und die betreffende G. ustechnik, beeinflusst wird. Es ist daher besonders wünschen. werL die Wärmeleitfähigkeit der Probe zu kennen. Bei ihrer Ermittlung ist natürlich der Einfluss der übrigen Parameter möglichst weitgehend auszuschalten. Wenn das thermoelektrische Element 22 sich ungefähr auf der eutektischcn Tempei atur des Teiles 1-i befindet, wird die Kühlgeschwindigkeit kaum durch die Wärmeleitfähigkeit beeinflusst, da die Temperaturgradienten in diesem Falle verhältnismässig klein sind. Dies ermöglicht die Bestimmung eines Parameters "Kormalkühlgeschwindigkeit", d.h. einer Grosse auf

die der Einfluss der Wärmeleitfähigkeit praktisch Null ist. Im vorliegenden Fall ist diess Normalkühlgeschwindigkeit die Kühlgeschwindigkeit über ein Temperaturbereich von 100°C, und zwar über den Temperaturbereich zwischen 1160°C und 1060°C. Ferner empfiehlt es sich ebenfalls eine mit der Grosse T im Zusammenhang stehende Temperatur zu benutzen, wie beispielsweise die genau 3 Minuten nach Giessbeginn gemessene Temperatur der Metallprobe. Es ist natürlich auch möglich den vorgenannten Parameter "Normalkühlgeschwindigkeit" anders zu definieren, wie z.B. in der Form einer ersten, aus der Kühlkurve in einem Punkt abgeleiteten Grosse, wo die Wärmeleitfähigkeit nur eine untergeordnete Rolle spielt, wie dies z.B. der Fall ist in einem in der Nähe der eutektischen Temperatur befindlichen Punkt. Ferner lassen r.ich auch andere Parameter statt der Grosse T, wie z.B. die erforderliche Zeit für das Erreichen einer bestimmten, ziemlich weit urher der eutektischen Temperatur liegenden Temperatur, aus der Kühlkurve ableiten. Auch kann die erstgenannte, nach einer bestimmten Zeit oder bei einer bestimmten Temperatur aus der KÜKlkurve abgeleitete Grosse auf befriedigende Weise mit der Wärmeleitfähigkeit in Zusammenhan·-; gebracht werden .

Gemäss einer weiteren Durchführungsweise der Erfindung kann der Tiegel 10, nämlich der Tiegel 30, auch ohne thermoelektrisches Element 27 eingesetzt werden. Die Abbildung 3 zeigt eine durch Kühlung einer flüssigen Gösseisenprobe in einem Topf 30 ermittelte Kühlkurve, deren Ordinatenachse die Zeitachiie und Abzissenachs( die Temperaturachse ist. Das Zeichen X in dieser Abbildung 3 bedeutet die erforderliche Kühlzcit um die Temperatur 100°C, d.h. von Ij,,0⁰C bis 1060⁰C, herabzusetzen.

AO

JJor Tiegel 30 (ü'ig^) unterscheidet sich vom Tiegel 10 lediglich dadurch, dass er nur mit einem einzigen thermoelektrischen Element, d.h. mit einem Aluinel-Chromel-Thermoelement 3 2 im unteren Teil 34, versehen ist. Der Tiegel 30 besteht aus zwei Koachsialen Teilen verschiedenen Durchmessers, d.h. aus einem breiteren oberen Teil 3 6 und einem schmäleren unteren Teil 34. Geeignete Abmessungen des unteren Teiles 34 sind z.B. die folgenden : Durchmesser 18,5 nun; Höhe 29 mm; Abstand zwischen dem thermoelektrischen Element 32 und dem Boden : 6 mm. Geeignete Abmessungen des oberen Teiles 36 sind z.B. die folgenden : Durchmesser : 50 mm; Höhe : 4 6 mm. Wie bereits oben erklärt, verläuft die Kühlung des einen Probenteiles im unteren Teil 34 des Tiegels bedeutend rascher als die des anderen Probenteiles im oberen Teil 36 des
Tiegels. Der in der üS-Patentschrift beschriebene Tiegel lässt sich derart abändern, dass er die Form des Tiegels 30 aufweist.

Die Abbildung 5 ist die graphische Darstellung des Verlaufes der drei Minuten nach Giessanfang durch das thermoelektrische Element 32 gemessenen Temperatur in Abhängigkeit der
erforderlichen Zeit (Sekunden) um die Temperatur von 1160°C bis zu 1060°C herabzusetzen. Die Kurve der Abbildung 5 wurde experimentell bestimmt um die Beziehung zwischen Zeit und Temperatur pines in einen geeigneten Tiegel gegossenen Nodulargusseisens zu kennen. Gemäss der Abbildung 3 beträgt die Temperatur 938°C und ist die Zeit X 50 Sekunden,. Durch einführung dieser Werte in die Abbildung 5 ergibt sich für die Temperaturdifferenz ΔΤ der Wert 4°C.

Dem mit der Prüfung beauftragten Laboranten soll eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Temperaturdiffe-

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renz ΛΤ uiid der K'oduluritä't, wie sie aui. dor Abbild u^i b zu seilen ist, zur Verfügung ocstellt werden. Die graphische ".»: :;Lellung aui" dei: AbI .Jung 6 gilt für typisches, in einen Ti eye] 30 ge goDüoi s K'odulargusseisen. Bei der Benutzung eines Tieyels irgendeinen andere.. Typs, muss natürlich eine neue, entsprechende graphische Darstellung gemäss den in der vorliegenden Patentschrift beschriebenen Prinzipien gemacht werden.

Wie aus eier Abbildung 6 ersichtlich ist, wird die graphische D>: rstellunci vorzugsweise in horizontale Bereiche, bexspi' Iswcise in einen c;rünen ("X"), einen gelben ("Y") und ei .en roten ("Z") Bereich, ceteilt. Fällt die Temperaturdif ferenz /.T in den grünen Bereich, so kann mit Sicherheit gesagt werden, dass das Eisen eine gute Nodularstruktur hat. Fällt sie in den gelben Bereich, so kann das Eisen eine gute Nodularstruktur haben, aber sicher isl das nicht und sind weitere Prüfungen erforderlich. Fällt sie in d·. ; roten Bereich, so ist die Nodularstruktur des :--tails bestimmt unbefriedigend.

Bei der Analyse von Gusseisenproben sin ι kürzere Kahlzeiten als Ltwa 90 Sekunden, laufend ab Anfang des 3iesse der Probe bis zur Lj-St... rung des Teiles 14 oder 34, möglichst zu vermeiden zv;ecks Vermeidung von Karbidbildung. überdies empfiehlt es sich die Gesamtanalysenzeit aus Gründen wirtschaftlicher Art höchstens au" etwa 5 M'nuten zu beschränken. Dies erfordert natürlich eine zweckmässige Ausführung des Tiegels in bezug auf Grosse, Form u.dgl. In dieser Hinsicht wird der Tiegel vorzugsweise aus Formsand mit einen? geeigneten Kunzharz als Bindemittel und beispielsweise mit einem Innendurchmesser des unteren Teiles 13 von ungefähr 18,5mm und einem Innendurchmesser des oberen Teiles 12

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von ungefähr 50 nun hergestellt.

Bei der Λην/endung eines einzigen Tciu^craturmessgeräts im 'i'i.il des Tiegels wo der Kühlvorgang am schnellsten verläuft, findet die Bestii.imung der Temperaturdifferenz ΛΤ mittels einer graphischen Darbteilung, wie sie auf den Abbildungen 3 und 5 wiedergegeben ist, statt. Ist der Tiegel mit zwei thermoelektrischen Elementen ausgestattet (Abb. 1), wird die Temperaturdifferenz ΛΤ¹ n.ittels einer graphischen Darstellung der durch die Abbildung 2 erläuterten Art bestimmt. Die weitere Verwertung des derart ermittelten Temperaturunterschieds ΔΤ' zwecks Voraussage der Nodularstruktur des Metalls findet sodann mittels einer experimentell bestimmten graphischen Darstellung statt. Dass erfindui.jsgemässe Verfahren beruht also auf der Bestimmung eines geeigneten mit der Wärmeleitfähigkeit des Metalls im Zusammenhang stehenden Parameters, wie z.B. einer Temperaturdifferenz ."T der oben definierten Art, nach dem Giessen einer Probe des flüssigen Me' .Ils in einem geeigneten Siegel, und ajf der weitern.. Verwertung dieses Parameters zwecks VOi....rbestimmi,:ig der t:odularstruktur des Metalls, derart dass die Herstellung der Gussstücke beginnen kann wenn die Nodularstruktur gut ist oder die Zusammensetzung des flüssigen Metalls korrigiert v/erden kann v/enn die Jodularstruktur nicht den gestellten Anforderungen entspricht und das Metall in der Giesspfanne sogar für untauglich erklärt v/erden kann um die Giessformen zu sparen und sonstige atzlose Betr 2bskosten zu vermeiden.

Bekanntlich kann die Nodularstruktur sich allmählich ändern mit der Zeit. Es empfiehlt sich daher die Nodularstruktur f, jedesmal nach dem Giessen sämtlicher Gussstücke gemäss dem hier §

b> ..clirii.'bui'.cn erf indungsgema'ssen Verfahren zu kontrollieren um zu v/isscn ob die Qualität der letzten Gussstücke den gestellten Anforderungen entspricht.

Falls Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens beim sogenannten IN-MOLD-Verfahren, kann es unterschiedlich geändert und angepasst v/erden. So z.B. entspricht der Haupthohlraum der Giesform dem Teil 36 des Tiegels 30 und ist der Teil 34 ein kleiner Nebenhohlraum für die schnellere Erstarrung eines Teiles des Metalls. Nach dem Erstarren wird der in diesem Nebenhohlraum gebildete Teil zusammen mit dem im Eingusskanal gebildeten Teil entfernt.

Es ist ausserdem möglich einen elektronischen Mikroprocessor oder Tischrechner in Verbindung mit einem Digitalpyrometer als Computeranalysensteuervorrichtung mit den gefärbten Bereichen der Abbildung ο entsprechenden roten, gelben und grünen i.euchten anzuwenden. Das erfindungsgemässe Gerät bietet hierbei den zweifachen Vorteil einerseits die meisten Stouerschwierigkeiten auszuschalten und anderseits das Giessen von Gussstücken unbefriedigender Nodularstruktur zu vermeiden.

Die Erfindung beschränkt sich natürlich keineswegs auf die obenbeschriebenen Durchführungsbeispiele, sondern eignet sich für die verschiedenartigsten Abänderungen·, Ergänzungen und Anpassungen derselben, vorausgesetzt natürlich, dass der durch die nachfolgenden Patentansprüche abgesteckter Erfindungsrahmen nicht überschritten wird.

Claims (4)

Radt, Finkener, Emesti Patentanwälte Heinrich-König-Straße 12 Bochum Amtl. Aktz.: G 78 14 692.6 Fernsprecher (0234) -17727/ 28 ' * Telegrammadresse: Ra'ltpatent Bochum ™·—————*————-——— Unser Aktz.: 78 132 (Neue) Schutzansprüche

1.^ Tiegel für die Prüfung der metallographischen Struktur eines flüssigen Metalls,^ dadurch gekennzeichnet , daß er aus zwei miteinander verbundenen Hohlräumen (14, 15) besteht, von denen der eine einen größeren Querschnitt hat als der andere und daß wenigstens in dem Hohlraum mit dem kleineren Quer= schnitt eine Einrichtung (22) zum Messen der Temperatur angeordnet ist.

2. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (14) mit dem kleineren Querschnitt durch den unteren Teil des Tiegels (10) gebildet wird_v

3. Tiegel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Hohlraum (15) niit dem größeren Querschnitt mit einer Einrichtung (27) zum Messen der Temperatur versehen ist.,

4. Tiegel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er als Gießform ausgebildet ist, wobei der obere Hohlraum (36) mit dem größeren Querschnitt den Haupthohlraum und der untere Hohlraum (34) mit dem kleineren Querschnitt den Nebenhohlraum des als Gießform ausgebildeten Tiegels (30) darstellt und in dem Hohlraum (34) mit dem kleineren Querschnitt ein Thermoelement (32) angeordnet ist.