DK143916B - Fremgangsmaade til termisk bestemmelse af carbonaekvivalentet af overeutektisk stoebejern - Google Patents

Description

1439 16

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til termisk bestemmelse af hypereutektisk støbejerns carbonækvivalent ved afkøling af en prøve af det smeltede materiale og bestemmelse af liguidus-diskontinuiteten på afkølingskurven.

10 Princippet for carbonækvivalentbestemmelse ved pyrometri er baseret på den nøjagtige måling af den initiale eller smeltepunktskurvens termiske diskontinuitetstemperatur, som optræder i en prøve af smeltet støbejern, når den begynder at størkne. Carbonækvivalentet (CE) kan defineres som det samlede 15 procentiske carbonindhold plus en tredjedel af det samlede procentiske siliciumindhold plus en tredjedel af de samlede procentiske phosphorindhold i en støbejernsprøve, beregnet på prøvens samlede vægt. Under omhyggeligt kontrollerede og regulerede betingelser observeres smeltepunktstemperaturen 20 (liquidustemperaturen) for hypoeutektisk støbejern, dvs, støbe jern med et carbonækvi valent på mindre end 4,35%, let.. Varmen, som frigøres, når austenitudskillelsen starter, frembringer en isotermisk diskontinuitet på afkølingskurven.

Den temperatur, ved hvilken smeltepunktskurvens termiske dis-25 kontinuitet viser sig, afhænger direkte af metallets carbon-ækvivalent og påvirkes ikke nævneværdigt af normale mængder af mangan, chrom, nikkel eller andre almindeligt forekommende forureninger. Ved nøjagtig påvisning er målingen af smeltepunktkurvens termiske diskontinuitet fuldstændigt reprodu-30 cerbar, og denne metode er langt hurtigere og lettere at gennemføre end kemisk analyse i forbindelse med støbning i praksis. I praksis forholder det sig således, at carbon-og siliciumindholdet er de to hovedvariable i støbejern, da phosphorindholdet i almindelighed er så lavt, at det er rela-35 tivt ineffektivt for et vilkårligt givet carbonækvivalent. Siliciumindholdet kan bestemmes på basis af hærdnings for·*· søg, således at der alene er carbonindholdet tilbage at bestemme. Ved bestemmelse af carbonækvivalentet udfra en 143916 2 afkølingskurve for støbejernsprøven kan carbonindholdet 5 beregnes på grundlag af dets sammenhæng med carbonækviva-lentet. Med dette kendskab til carbonindholdet vil man ved en støbning før ihældningen vide, om støbejernsblandingen opfylder de krævede betingelser.

En velegnet ekspanderbar faseændringsdetektoranordning til 10 brug ved bestemmelse af carbonækvivalentet for smeltet støbejern er omtalt i den amerikanske patentbeskrivelse nr.

3.267.732. Carbonækvivalentteknikken omfattende afkølingskurveprøven er også beskrevet i en artikel med titlen "Carbon Equivalent in Sixty Seconds", som findes i martsudgaven fra I5 1962 af Modern Castings på side 37-39. I denne artikel understreges det på side 38, at smeltepunktskurvens knæk for hyper-eutektisk jern, dvs. jern med et carbonækvivalent, som er lig med eller større end ca. 4,35%, det eutektiske punkt, ikke er klart og bestemt nok til at kunne optegnes med denne 20 prøve, og prøven er derfor begrænset til hypoeutektisk jern, dvs. jern med et carbonækvivalent på mindre end 4,3%.

Det er blevet foreslået at udvide afkølingskurveprøven for carbonækvivalentbestemmelse af hypereutektisk støbejern ved anvendelse af en teknik, som omfatter fortyndingen af den p c hypereutektiske jernprøve med en kendt mængde stål med lavt carbonindhold og derpå bestemme carbonækvivalentet, som det sædvanligvis sker, med afkølingskurver for hypoeutektisk jern. Efter bestemmelse af carbonækvivalentet for blandingen af stål og støbejern indføres der en korrektion til bestemmelse ^ af carbonækvivalentet i støbejernsprøven. Da ståladditivet imidlertid ikke altid smelter og blandes med prøven, reduceres carbonækvivalentet ikke i fuldt omfang, og korrektionen er unøjagtig. Selv om anvendelsen af ståltråd med lavt carbonindhold i form af spiralfjedre rumligt fordelt i bærer-35 prøven har forbedret den foregående fortyndingstekniks pålidelighed, gør det denne metode mindre attraktiv, at det 143916 3 er nødvendigt at anbringe den fine tråd med nøjagtige mellemrum i beholderen for at opnå pålidelige resultater og at tilvejebringe den rigtige korrektionsfaktor.

Den foreliggende opfindelse gør det muligt at anvende carbon-5 ækvivalentteknikken også til hypereutektisk jern op til kish-punktet, dvs. den temperatur, ved hvilken frit grafit dannes og udskilles af smeltet hypereutektisk støbejern, medes det afkøles, uden at gribe til en fortyndingsteknik, som ændrer støbejernsprøvens carbonaekvivalent fra smeltens.

10 Hypereutektisk støbejern har tilbøjelighed til at danne stabilt grafit, når der afkøles fra smelten til cementits størkningstemperatur, gennem dannelsen af ustabilt jernaarbid, som øjeblikkeligt dekomponeres til jern og carbon (grafit). Dette frembringer komplekse varmevirkninger, som resulterer i en 15 dårligt defineret diskontinuitet på afkølingskurven. Dette elimineres ved fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse , som er kendetegnet ved, at en carbidstabilisator tilsættes til den smeltede prøve, hvilken stabilisator retarderer primærgrafit-dannelsen under afkølingen af prøven 20 til dens størkningstemperatur og fremmer en diskontinuitet ved liquidus-temperaturen.

Alle stoffer, som er i stand til at retardere grafitdannelsen under afkøling af den hypereutektiske støbejernsprøve til 25 størkningstemperaturen heraf, og som ikke påvirker carbon- ækvivalentet for den hypereutektiske støbejernssmelte, hvormed den blandes (for såvidt at den ikke ændrer carbonækvi-valenten hos prøven fra smeltens) kan anvendes som stabilisator i forbindelse med den foreliggende opfindelse. Sta-50 bilisatorer, som udmærker sig ved en kraftig carbidstabili-serende virkning, er let opløselige i' og dispergerbare i den smeltede jernprøve og vil frembringe en ensartet pålidelig termisk diskontinuitetstemperatur, når jerncarbid-omdan-nelsen finder sted.

35 143916 4

Stabilisatorer, som har den førnævnte egenskaber, er vismut, bor,cerium, bly,magnium og tellur. Sådanne stabilisatorer skal ikke nødvendigvis kombineres med den smeltede hyper-eutektiske støbejernsprøve i form af et grundstof, men kan 5 tilsættes i form af en forbindelse eller i blandinger med andre stoffer, som ikke ændrer støbejernsprøvens carbonækvi-valent fra smeltens. F.eks. kan bor tilsættes i form af fer-robor (FeB). Cerium kan tilsættes i form af misch-metal (en blanding af sjældne jordartsforbindelser, atomtal 57-71, i 10 metalform). Magnium kan tilsættes i form af kobber-magnium (Cu-Mg), idet magnium udgør ca. 15 vægt%. Forskellige kombinationer eller blandinger af de foregående additiver har også vist sig velegnede til frembringelse af initiale termiske diskontinuitetstemperaturer ved afkøling af prøver af hyper-15 eutektisk støbejern. Følgende blandinger har f.eks. alle tilvejebragt gunstige initiale termiske diskontinuitets-temperaturer: en blanding af tellur, bor og misch-metal; en.blanding af bor og misch-metal; en blanding af bly og misch-metal og en blanding af vismut og bor.

2Q Grafitfremkaldende stoffer, dvs. stoffer, som fremmer grafit dannelse under afkøling af den hypereutektiske støbejernsprøve, bør undgås i forbindelse med opfindelsen. F.eks. er et sådant stof som ferrosilicium (FeSi) uegnet, da det ikke alene bevirker grafitdannelse, men også ændrer støbejerns-25 prøvens carbonækvivalent fra smeltens.

Den i forbindelse med opfindelsen anvendte stabilisatormængde kan variere indenfor vide grænser afhængig af, hvilken stabilisator, der anvendes, prøvens carbonindhold og mængden og arten af andre bestanddele i den smeltede prøve.

30 Tilfredsstillende kurver kan opnås ved afkøling af prøver af støbej em indeholdende så lidt som 0,05 vægt% (beregnet på prøvens vægt) af stabilisatoren. Stabilisatormængden anvendes fortrinsvis i den minimale mængde, som er nødvendig til at opnå den ønskede retardering af primærgrafit-dannelse og 35 ledsagende diskontinuitet i afkølingskurven ved carbiddan- nelsestemperaturen. Selv om man med held har anvendt så store stabilisatormængder som 0,4%, foretrækkes mindre mængder i almindelighed.

5 143916

Tilsætningen af stabilisatorerne til smeltede støbejernsprøver ifølge opfindelsen kan gennemføres på enhver hensigtsmæssig måde, sålænge den smeltede prøves temperatur, på det tidspunkt stabilisatoren tilsættes, er tilstrækkeligt 5 høj til at muliggøre fremkomsten af den ønskede afkølingskurve. Stabilisatoren kan f.eks. tilsættes i pille- eller partikelform til den smeltede prøve umiddelbart efter, at prøven er blevet hældt op. Stabilisatoren kan alternativt tilsættes til beholderen, før den smeltede prøve tilføres.

10 Andre metoder til kombinering af stabilisatoren med prøven vil være indlysende for fagfolk.

Den foreliggende opfindelse illustreres yderligere ved hjælp af følgende tegninger, hvor fig. 1 er en afkølingskurve for en hypereutektisk støbejerns-15 prøve frembragt i overensstemmelse med den foreliggende opfindelse, fig. 2 er et mikrofotografi af mikrostrukturen x500 af den picrolætsede prøve med den i fig. 1 viste afkølingskurve, fig. 3 er en afkølingskurve for en hypereutektisk støbejerns-20 prøve med samme sammensætning som prøven i fig. 1, men hældt på sædvanlig måde uden et additiv, fig. 4 er et mikrofotografi af mikrostrukturen x500 af den picrolætsede prøve fra fig. 3, og fig. 5 er en kurve, som viser sammenhængen mellem procentisk 25 carbonækvivalent for hypereutektisk støbejern og initial termisk diskontinuitetstemperatur under anvendelse af carbid-stabiliserende additiver ifølge den foreliggende opfindelse.

Under henvisning til fig. 1 illustreres der en afkølingskurve for en hypereutektisk støbejernsprøve opnået ifølge den fore-30 liggende opfindelse ved, at prøven i flydende tilstand kombineres med en stabilisator, som er i stand til at retardere 6 1439 16 primærgrafit-dannelse under afkøling af prøven til størkningstemperaturen. Den hypereutektiske støbejernsprøve i fig. 1 havde en sammensætning på 4,12 vægt% carbon, 1,62 vægt% silicium og 0,076 vægt% phosphor. Denne sammensætning gav et 5 carbonækvivalent (CE) på 4,69% [CE = %C + 1/3 (%Si + %P)I.

Prøven blev hældt i en faseændringsdetektorapparat af den i et førnævnte amerikanske patentskrift nr. 3.267.732 beskrevne type. Et sådant detektorapparat består af en lille skål med et rumfang på ca. 10 kubik-inch eller mindre. Et termoelement 10 af chromel-alumel-tråde er ført ud gennem skålens væg og er således udformet, at elementets varmeloddested er fuldstændigt omgivet af prøven, der er hældt i skålen, og nedenunder eventuelle hulrum, som er opstået på grund af afkøling.Termoelementet er forbundet til et hensigtsmæssigt kurveregistre-15 ringsapparat, der optegner afkølingskurven for prøven, efter hånden som temperaturen falder. Den elektriske forbindelse mellem detektorens termoelement og temperaturmålekredsløbet i registreringsapparatet er udført ved at indsætte detektorens kontakter i tilsvarende kontakter i et stativ, som er 20 indrettet til at bære detektoren i vandret stilling til op tagelse af prøven.

Ved opnåelse af afkølingskurven på fig. 1 blev cerium i form af en 1 g's tablet af misch-metal anbragt i skålen, før den smeltede prøve blev hældt deri. Prøven havde en vægt på ca.

25 500 g. Som angivet ovenfor kan stabilisatormængden variere indenfor vide grænser. Der er f.eks. blevet frembragt tilfredsstillende kurver ved tilsætningen af så lidt som 1/4 g misch-metal og så meget som 2 g til en 500 g smeltet prøve af hypereutektisk støbejern indeholdende 4,2% C og 1,5% Si.

30 Under henvisning til fig. 1 kan det ses, at når den smeltede prøve af hypereutektisk støbejern blev hældt i skålen, bevægede registreringsapparatets pen sig opad fra punkt A til punkt B, indtil den virkelige temperatur i prøvens centrum var nået. På dette punkt startede registreringsapparatet med 35 at optegne afkølingsmønstret. Liquiduskurven eller den ini- 143916 7 tiale termiske diskontinuitetstemperatur viste sig som et lodret segment, som viste, at en sådan temperatur ved C på kurven var 2200°F. Den initiale termiske diskontinuitetstemperatur nås sædvanligvis på ca. 20-40 sekunder afhængig af over-5 hedning, og denne temperatur kan derpå omdannes til carbon-ækvivalent ved anvendelse af forudbestemte data for carbon-ækvivalentprocent kontra temperatur. En kurve baseret på sådanne forudbestemte data er vist i fig. 5. Fra denne kurve kan det ses, at en prøve af hypereutektisk støbejern med en 10 initial termisk diskontinuitetstemperatur på 2200°F har et carbonækvivalent på 4,7%. Dette svarer nøje til carbonækvi-valentet på 4,69%, som er resultatet af en kemisk analyse af prøven.

Fig. 2 er et mikrofotograf! af mikrostrukturen af den picrol-15 ætsede prøve af hypereutektisk støbejern med den i fig. 1 viste afkølingskurve. Den i fig. 2 viste mikrostruktur er forstørret 500 gange.

Under henvisning til fig. 3 kan det nævnes, at der her illustreres en afkølingskurve for en hypereutektisk støbejerns-20 prøve med samme sammensætning og hældt fra samme portion som prøven i fig. 1, men hældt i en skål med en carbonækvivalent-detektor uden tilsætningen af en stabilisator. Denne prøve blev hældt sideløbende med prøven i fig. 1, men den opnåede afkølingskurve for prøven, som ikke indeholdt stabilisatoren, 25 fremviste, som det fremgår af fig. 3, ikke en nyttig termisk diskontinuitet over den eutektiske temperaturdiskontinuitet.

Det var således ikke muligt at bestemme carbonækvivalentet på grundlag af afkølingskurven i fig. 3, selv om denne prøve bestod af det samme jern og derfor havde samme carbonækvi-30 valent og samme sammensætning som den prøve, som blev anvendt til at frembringe afkølingskurven i fig. 1.

I fig. 4 vises et mikrofotografi af mikrostrukturen af den picrolætsede prøve af hypereutektisk støbejern, som frembragte afkølingskurven i fig. 3. Den deri viste mikrostruktur er 35 forstørret 500 gange. De ormlignende områder er grafit- 143916 8 flager, og de er lange og massive i fig. 4 i modsætning til de korte og fine grafitkorn i fig. 2, hvilket viser misch-metaladditivets virkning med hensyn til hæmning eller retardering af dannelse og/eller vækst af grafit under afkøling 5 af prøven til størkningstemperaturen.

Den initiale termiske diskontinuitet i afkølingskurven for hypereutektisk støbejern, som er vist ved C i fig. 1, kan frembringes med forskellige stabiliserende additiver, som er i stand til at retardere primærgrafit-dannelse under afkø-10 ling af prøven til størkningstemperaturen. Der er blevet anvendt en række stabilisatorer til at frembringe termiske diskontinuitetstemperaturer i prøver af hypereutektisk støbejern med et procentisk carbonækvivalent varierende fra det eutektiske punkt ved 4,35% indtil ca 4,95%. De procentiske 15 carbonækvivalenter for disse forskellige prøver blev bestemt ved hjælp af kemiske analyser. Ved at afsætte de termiske diskontinuitetstemperaturer overfor prøvernes procentiske carbonækvivalent fremkom kurven i fig. 5.

De i den følgende tabel anførte data viser carbonækvivalentet 20 for hypereutektisk støbejern bestemt udfra de sammenhørende data i fig. 5 og under anvendelse af carbidstabiliserende additiyer til sammenligning med det procentiske carbonækvivalent bestemt ved kemisk analyse.

9 143916

Termisk dis- % Carbonækvivalent kontinuitets- På grundlag Ved kemisk temp. °F af indbyrdes analyse

Stabilisatortilsætning _ sammenhæng _ 5 Tellur + Bor + mischmetal 2315 4,84 4,79

Bor + misch-metal 2323 4,85 4,85

Bly + misch-metal 2280 4,80 4,80

Bor 2210 4,71 4,70 10 Misch-metal 2210 4,71 4,72

Misch-metal 2200 4,70 4,68

Bor + misch-metal 2217 4,72 4,65

Misch-metal 2192 4,69 4,51

Bor + misch-metal 2123 4,58 4,51 15 Vismut 2360 4,89 4,77

Misch-metal 2340 4,86 4,80

Bor 2323 4,85 4,68

Misch-metal 2341 4,87 4,68

Vismut + bor 2310 4,83 4,68 20 ved sammenligning viser det sig, at det procentiske carbonækvivalent bestemt udfra den initiale termiske diskontinuitetstemperatur frembragt i det hypereutektiske støbejern ifølge den foreliggende opfindelsen ligger helt indenfor de anvendelige grænser. I virkeligheden har det vist sig, 25 at denne metode til bestemmelse af det procentiske carbonækvivalent er lettere at realisere end kemisk analyse, da resultaterne af kemiske analyser af samme støbejernsprøve hyppigt vil variere fra et laboratorium til et andet.

Selv om der ved beskrivelsen af den foreliggende opfindelse 30 specielt er blevet refereret til det ekspanderbare faseæn-dringsdetektorapparat af den i det førnævnte amerikanske patentskrift nr. 3.267.732 omtalte type, kan ethvert passende faseændringsdetektorapparat naturligvis anvendes. Sådanne detektorapparater vil normalt have en lille skål, som er 35 åben, således at den smeltede støbejernsprøve kan hældes deri, og have et temperaturfølsomt organ, som er ført ind i skålen og er anbragt under prøvens overflade, således at det kan føle temperaturændringen i prøven, efterhånden som