HUT69220A - Method for the determination and the control of the carbon equivalent of modified cast iron melt - Google Patents

Description

A vas-szén kétalkotós fázisdiagramja az őntészetben ritkán használt, tekintettel arra, hogy azok az ötvöző anyagok, amelyeket öntöttvas előállítása során felhasználnak, általában szilíciumot és mangánt tartalmaznak olyan szennyezőkkel mint például a kén vagy a foszfor, amelyek a fázisviszonyokat megváltoztatják. Ezek között az elemek között vannak olyanok, amelyek a szenet bizonyos arányokban helyettesíteni tudják és ezzel befolyásolják az állapotábrát. A felhasznált elemek összességének hatásaképpen az állapotábra likvidusz-hőmérséklete meghatározott olvadék összetétel esetén szénegyenértéknek is nevezhető és az alábbi képlettel fejezhető ki:

C.E. = % C + % Si/x + % P/y+ ...

ahol x 3 és 4 közötti számértéket, y pedig 3 és 6 közötti számértéket jelent.

Az Egyesült Államokban a fenti összefüggést többnyire az alábbi leegyszerűsített formában használják:

C.E. = % C + % Si/3.

A továbbiakban a jelen leírásban is ezt az egyenletet fogjuk használni.

A rövidített összefüggés használatát az is alátámasztja, hogy az őntészetben a modifikált öntöttvasak előállítására alkalmazott fémolvadékok foszfortartalma rendkívül alacsony és ezért szerepe lényegtelennek tekinthető. A finomszemcsés és képlékeny grafitos öntöttvas szénegyenérték tartománya általában 3 és 5 közé esik.

A legtöbb ismert vas-karbon-szilicium állapotábra azokra a feltételekre készült, amelyek a szürke öntöttvas dermedést folyamatának felelnek meg, azaz olyan kezeletlen öntöttvasakra vonatkoznak, amelyekben a grafit kristályok nagy és • ·

........' * · ·· ··· ··· _β· ·· ·· ·· · ·· ♦ ·· ·· ·· · · összefonódó lemezes alakban vannak jelen. Az ilyen rendszerekben az ausztenites γ-fázisú vas és a grafit lemezek közötti eutektikus reakció körülbelül 4,35 %-nak megfelelő szénegyenértéknél és mintegy 1155 C° hőmérsékleten zajlik le. Azokat az öntöttvasakat, amelyek széntartalma, illetve szénegyenértéke 4,35 %-nál kisebb, általában hipoeutektikus öntöttvasaknak nevezik, míg az ennél nagyobb széntartalmú, illetve szénegyenértékű öntöttvasakat hipereutektikus öntöttvasként jelölik. Amint azt már korábban említettük, ez a meghatározás csak a lemezes grafitot tartalmazó szürke öntöttvasra vonatkozik.

A szénegyenérték meghatározása hipoeutektikus öntöttvasakra is elvégezhető a fázisátalakulási hőmérséklet mérésével. A hűtési görbe hőmérséklet lépcsőt mutat, amikor a likvidusz-vonalnak megfelelő értéket éri el és a γ-fázis kiválása megkezdődik. A vízszintes szakasz jelenlétét az magyarázza, hogy az ausztenit fázis növekedési kinetikája igen nagy és ugyanez vonatkozik a γ-fázis krisztallizációs hőre is.

A fenti tényezők eredményeképpen igen éles és jól meghatározható pontok mérhetők a hőmérséklet-idő görbén, meghatározott helyeken.

A fenti elveket az öntészetben régóta alkalmazzák. Az SE-B-350 124 számú közzétételi irat például olyan berendezést ismertet, amely öntöttvasak hűtési görbéjének felvételére alkalmas.

A hipereutektikus öntöttvasak lehűlési görbéinek meghatározására vonatkozó kísérletek hasonló módszerrel nem jártak eredménnyel. Az ilyen olvadékokból elsőnek a lemezes szén válik ki. A szén krisztallitok azonban nem képeznek magot azonnal a likvidusz-vonal átlépése után és a kismennyiségű felszabaduló latens hő jelentős hőközre oszlik el. Ennek megfelelően nem jelenik meg a lehűlési görbén jól meghatározható fázisátalakulási hőmérséklet és így a szénegyenérték meghatározása nem végezhető el.

Ennek a problémának a megoldására vonatkozik az SE-B-342 508 számú közzétételi iratban leírt eljárás. Ennek az a lényege, hogy amennyiben a grafitképződés elnyomható bizonyos adalékoknak az olvadékba történő bevitelével, az olvadék túlhűthető, mindaddig, amíg a metastabil rendszerben a γ-vas és cementit vonalát el nem érjük. Az első képződő fázis ekkor a hipereutektikus olvadékok dermedése során a cementit lesz, amely intenzív növekedési energiája következtében elegendő hőt tud kibocsátani ahhoz, hogy fékezze a hőmérséklet csökkenést egy meghatározott ideig.

A fenti eljárásnál azonban figyelmen kívül hagyni látszanak azt a tényt, hogy két teljesen különböző olvadékról van szó, az egyik hipoeutektikus, ahol elsődleges γ-fázisú kiválások jönnek létre, míg a másik hipereutektikus és primer cementit kiválás történik. A megoldásnál azt sem vették figyelembe, hogy hogy a stabil és metastabil állapot között rendkívül fontos γ-likvidusz elmozdulás jelentkezik. A leírás szerint bizonyos elemek elnyomják a grafitképződést és a tellúr, bőr vagy cérium ilyen szempontból a leghatékonyabbak, jóllehet ebben a vonatkozásban a magnéziumot is megemlíti. A fenti állítás részben igaz is, ugyanakkor több millió tonna képlékeny öntöttvasat gyártanak évente csekély mennyiségű cérium (és egyéb ritka földfémek, valamint magnézium) hozzáadásával, és rendkívül csekély cementit képződés veszélyével.

A modifikált (azaz a ritkaföldfémekkel és/vagy magnéziummal kezelt) öntöttvasak tanulmányozása azt mutatta, hogy az ilyen öntöttvasakra teljesen más ·· «· • · · • ·· ·· · • · · · · • · · · fázisdiagram jellemző, ahol mind a γ-likvidusz vonal, mind pedig a modifikált grafit kristálycsirák szénegyenértéke és az eutektikus reakcióhőmérséklete áthelyeződik.

A jelen találmányt a továbbiakban rajz segítségével ismertetjük, ahol az

1. ábra egy modifikált öntöttvas állapotábrájának azt a részét mutatja, amely az eutektikus reakció környékén található és a

2. ábra különböző iehűlési görbéket mutat, amelyek közül az egyiket hagyományos módon, a másikat a találmány szerinti eljárással határoztunk meg.

Az 1. ábrán látható állapotábra részlet egy normál vas-karbon-szilicium állapotábra része és jól szemlélteti a változást, amit a képlékeny öntöttvasak 100 ± 50 kristálycsira/mm² magképzödési szintje jelent egy 2,5 cm átmérőjű kísérleti öntvényben. Az eutektikus összetétel körülbelül 4,7 %-nak megfelelő szénegyenértéknél volt és ennek hőmérséklete az eutektikus dermedés során mintegy 1140 C° volt. Ekkor γ-vas és grafit csirák váltak ki, az emelőszabálynak megfelelően. Alacsonyabb szénegyenérték értékeknél γ-fázis döntően dendritek formájában jelenik meg, míg a fenti kb. 4,7 szénegyenértéknél az olvadékból elsősorban grafit kristálycsirák válnak ki és ezek általában felúsznak az olvadék felső részébe.

Az említett 100 ± 50 kristálycsira/mm² szintet azért választottuk, mert az esetek többségében jellemző a kezelt öntöttvasak gyakorlati állapotára (miután FeSiMg és FeSi, valamint adott esetben ritka földfémek beadagolását elvégeztük).

Amikor egy olvadékban az említett magképződési szintet elérjük, lehetségessé válik annak nagy pontosságú meghatározása, hogy milyen mennyiségű beoltó • ♦ · · · · • · * · • · · · · ··· • · · · · · ·· ♦· ·» közeget kell alkalmazni a kívánt kristálymag mennyiség (vagy a felületegységre jutó kristálycsirák számának) eléréséhez.

Az ilyen típusú öntöttvasakban a maradék magnézium mennyisége nagyobb kell legyen, mint 0,020 %.

Az öntészeti ipar számára igen fontos, hogy olyan öntöttvasakat tudjon produkálni, amelyek összetétele éppen a fenti dinamikusan áthelyeződött eutektikus pont alatt van. Ebben a tartományban, például 4,55 és 4,65 szénegyenérték között, a dermedés finom dendritháló kiválásával kezdődik a teljes olvadékban. Ez a háló azután bizonyos stabilitást kölcsönöz az öntött terméknek és megakadályozza, hogy a dermedés későbbi fázisában kiváló grafit kristályok felússzanak az olvadék tetejére. Ez a finom dendritháló nem akadályozza komolyabban a dendritek közötti olvadék áramot és ezzel csökkenti a porozitás és zsugorodás veszélyét.

A fentieknek megfelelően tehát az éppen aktuális szénegyenérték megbízható, viszonylag szűk határok között történő meghatározása igen fontos lenne az öntészetben. Az eddig ismert eljárások azonban nem biztosítják a kívánt eredményt vagy azért, mert nem eléggé pontosak, vagy pedig azért, mert nem alkalmazhatók modifikált öntöttvasak esetében, mivel a nemkívánatos karbid kiválások torzítják az alapvető információkat.

A jelen találmány alapját az a felismerés képezi, hogy az olvadékokból hő analízis és a krisztallizációs tulajdonságok vizsgálata céljából (ismert módon, például a 4,667,725 sz. USA szabadalmi leírásban bemutatott megoldás szerint) vett mintát fel lehet használni a gyakorlati szénegyenérték meghatározására finomszemcsés grafitos öntöttvasak esetében, amikor is a szénegyenérték az olvadék kezelése után egészen a gyakorlati eutektikus pontig, azaz 4,7 %-ig terjedhet.

A fenti USA szabadalmi leírásban ismertetettt mintavételi eljárás lényege, hogy a mintavétel olyan edénybe történik, amelyet előmelegítettek vagy előzetesen az olvadékba merítettek és amelyben két hőérzékelő, például termopár van elhelyezve, amelyek közül az egyik közvetlenül az edény belső falánál, a másik pedig közepén, azaz minden faltól körülbelül egyenlő távolságra van.

Ilyen mintavevő edény alkalmazásával általában megoldható a γ-dendritek növekedésének megfigyelése a minta közepén mért dermedési sebesség többékevésbé egyértelmű lelassulásával. Ez az eljárás is hasonlóan végezhető a lehűlési görbe meghatározásokhoz, amelyek - mint például az SE-B-342,508 sz. szabadalomban bemutatott módszer - a problémát lényegében nem oldják meg.

Vizsgálataink során azt találtuk, hogy a probléma megoldása azáltal érhető el, hogy a kristálycsira képződést stimuláljuk és elősegítjük a γ-fázis kiválását egy olyan mechanizmus segítségével, amely folyamatosan biztosítja, hogy megfelelő termikus jel legyen mérhető pontosan, amikor a minta hőmérséklete átlépi a megfelelő állapotábra likvidusz-vonalát.

Az olvadékból tehát az olvadékkal hőegyensúlyban lévő edénybe mintát veszünk és a mintát az edényben megdermesztjük, miközben az edényben központosán elhelyezett hőérzékelővel a hőmérsékletet mérjük, ahol a találmány szerint a minta tartóban egy vagy több alacsony széntartalmú vasdarabot helyezünk el oly módon, hogy az vagy azok a vasolvadékkal érintkezzenek; a vasdarabot vagy darabokat olyan méretűre választjuk, hogy azok a vasolvadék megdermedése során ne olvadjanak teljesen meg és ne befolyásolják nagy mértékben az olvadék átlagos összetételét; a hűtést a vasdarabok környezetében késleltetjük a mintatartó edény falánál történő hűtéshez képest; a gamma fázis ·· .i . . .·· • . ·· ... ...

·..· ·..· ·..· likvidusz-vonalának megfelelő hőmérsékletet abszolút értékben vagy hőmérséklet különbségként mérjük hasonló modifikált öntöttvas mért vagy kalibrált eutektikus hőmérsékletéhez képest és a szénegyenértéket a modifikált öntöttvas fázisdiagramjának alapján határozzuk meg.

A találmány szerinti eljárás során az olvadékban lévő szilárd darabok nem olvadnak teljesen fel, ami azt jelenti a gyakorlatban, hogy mindig jelen lesz a mintában legalább egy kis mennyiségű, viszonylag tiszta vas. A lehűlés során ez a kis vasmennyiség jóval magasabb hőmérsékleten fog kristályosodni, mint a γ-fázis likvidusz-hőmérséklete, amelyet a minta átlagos összetételéből lehet számolni. Ennek megfelelően a kis γ-fázis krisztaliit már kialakult, amikor a hőmérséklet eléri a γ-fázis likvidusz-vonalát a rendszer túlnyomó részét alkotó ötvözetnek megfelelően.

Fontos azonban, hogy a minta belsejében a hűtést késleltetve végezzük a minta falához képest és hogy az anyagot az olvadék teljes térfogatába helyezzük el, annak érdekében, hogy elkerülhetőek legyenek a tranziens felületi reakciók, amelyek normál esetben a fal mentén lejátszódnak és ettől mintegy 2-3 mm távolságra hatást fejtenek ki.

További lehetőség, hogy a hőáramot a mintaedény falán át csökkenteni lehet az edényfai egy részének hőszigetelésével, például alacsony széntartalmú acélnak vagy egy darab vasnak a falrészéhez történő érintésével.

Ebben a fázisban γ-dendritek azonnal elkezdenek kifejlődni a teljes minta térfogatban. A γ-fázisú dendritek első megjelenése az olvadékban azáltal észlelhető, hogy a mintavevő közepén mért lehűlési görbe egyértelműen irányváltást mutat. Ez a görbe, amelyet igen jól szemléltet a hőmérséklet-idő görbe deriváltja, tulajdonképpen a γ funkciógörbének nevezhető. Ezt a hőmérsékletet lehet C°-ban mért abszolút hőmérsékletként viszonyítani a likvidusz-hőmérséklet értékéhez vagy kalibrálni több minta analízisével nyert értékekhez.

Még fontosabb azonban a γ-fázis növekedésének kezdete a hőmérséklet változás stagnálásához képest az eutektikus reakció során, amely közvetlenül követi a dendritek kialakulását a dermedési folyamat során. A 2. ábra a találmány szerinti eljárást szemlélteti és olyan lehűlési görbéket mutat, amelyeket a központosán elhelyezett hőérzékélővel vettünk fel és ahol az a jelű görbe mutatja a γ-dendritek növekedését abban az esetben, ha nem használunk tiszta vasat tartalmazó injiciátort. A 2. ábrából látható, hogy a dendritek növekedése a sraffozott tartományban kezdődik körülbelül Τγ hőmérsékleten. Ha azonban indító közeget használunk, a Τγ hőmérsékletet pontosan meg tudjuk határozni. Közelebbről a Τγ és a T_cmax. hőmérséklet különbsége határozható meg, amint az a 2. ábrán látható. Ez lehetővé teszi, hogy korrelációt állapítsunk meg a hőmérséklet és azon időpont között, amikor a dendrit növekedés elkezdődik és ezáltal közvetlenül meghatározzuk az eutektikus reakciót. Ez nyilvánvalóan több információt biztosít a dermedési folyamat előrehaladtáról a modifikált öntöttvasak öntése esetén is és lehetővé teszi a szénegyenérték nagy pontossággal történő meghatározását.

Ily módon, miután meghatároztuk a kívánt értékeket a dermedési mintából és Τγ vagy Δ T értéke (ha T_cmax.-ot határoztuk meg) rendelkezésre áll, mód van a kívánt Τγ hőmérséklet és ezzel együtt a szénegyenérték meghatározására az olvadékból a vas-karbon-szilicium állapotábra alapján, mégpedig az áthelyeződött értékekre vonatkozóan, mindig az adott ötvözet függvényében.

Az 1. ábra tehát lényegében a 2. ábra b diagramjának felel meg, azaz olyan képlékeny vasra vonatkozik, amelyben a 2,5 cm átmérőjű mintarúd kristályosodási ** *· «4 ' · · V •ί «·· 4 44 képessége 100 ± 50 csira/mm². Ennek megfelelően, ha a Τγ hőmérséklet 1150 C°, illetve ΔΤ = 10 C°, a szénegyenértéket az 1. ábra segítségével meg lehet határozni.

A jelen esetben ez az érték 4,52 %.

A magképződési tulajdonságok végső beállítását ferroszilicium (Fe + 75 % Si) további beadagolásával lehet elvégezni. Ez az szilícium adalék azonban növeli a végső szénegyenértéket az öntött anyagban és ezt figyelembe kell venni a szénegyenérték meghatározásánál. Ha például 0,16 % Fe, 75 % Si keveréket adagolunk a szénegyenérték meghatározása után az olvadékba, a szénegyenértéket + 0,04 %-kal növeljük, amint az az alábbi egyenletből látható:

75%· 0,16

100 = 0.12%S7, amiből következően

0,12%Sz = 0.04%C.E.

A jelen találmánnyal tehát lehetővé válik az US-A-4,667,725 számú szabadalmi leírásban bemutatott technika továbbfejlesztése. A mintavétel a találmány szerint hasonlóan történik és ugyanígy lehet elvégezni a belső krisztallizációs tulajdonságok ellenőrzését az öntöttvas olvadékban, valamint a modifikálás mértékét és a kristálycsirák számát. Korábban azonban nem volt lehetőség ezzel egyidejűleg információt szerezni reprodukálható módon a szénegyenérték értékéről és még kevésbé volt lehetséges ennek mérése oly módon, hogy lehetővé váljék az aktuális érték rövid idő alatt történő meghatározása és a szénegyenérték beállítása még az öntés megkezdése előtt.

·♦· ·

Claims (2)

1. Eljárás modifikált öntöttvas olvadékok szénegyenértékének meghatározására, amelynek során az olvadékból az olvadékkal hőegyensúlyban lévő edénybe mintát veszünk és a mintát az edényben megdermesztjük, miközben az edényben központosán elhelyezett hőérzékelővel a hőmérsékletet mérjük, azzal jellemezve, hogy az edényben egy vagy több alacsony széntartalmú vasdarabot helyezünk el oly módon, hogy az vagy azok a vasolvadékkal érintkezzenek; a vasdarabot vagy darabokat olyan méretűre választjuk, hogy azok a vasolvadék megdermedése során ne olvadjanak teljesen meg és ne befolyásolják nagy mértékben az olvadék átlagos összetételét; a hűtést a vasdarabok környezetében késleltetjük a mintatartó edény falánál történő hűtéshez képest; a gamma fázis likvidusz-vonalának megfelelő hőmérsékletet abszolút értékben vagy hőmérséklet különbségként mérjük hasonló modifikált öntöttvas mért vagy kalibrált eutektikus hőmérsékletéhez képest és a szénegyenértéket a modifikált öntöttvas fázisdiagramjának alapján határozzuk meg.

2. Eljárás modifikált öntöttvas előállítására, azzal jellemezve, hogy a szénegyenértéket szénnek és/vagy szilíciumnak vagy alacsony széntartalmú vasnak az olvadékba történő adagolásával szabályozzuk.

A meghatalmazott:

Szabachtaii és Védjegy Iroda Kft.

···· ·· • · *··*·’··

1/2

F1G.1 . DANUSIA

Szabadalmi és Védjegy Iroda Kft

6922()

KÖZZÉTÉTELI

PÉLDA? Ϊ • · »♦·.

2/2