NO973433L - Fremgangsmåte for bestemmelse av egenskapene i en metall-legering - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og apparatur for bestemmelse av renheten i en metall-legering.

Mere spesielt angår oppfinnelsen bestemmelsen av hvorvidt konsentrasjonen av urenheter i en metall-legering, særlig konsentrasjonen av oksyder som oppstår ved fremstilling av legeringen, er uakseptabel, akseptabel eller meget lav slik at man kan være i stand til å bestemme hvorvidt den angjeldende legering er brukbar eller ikke. Dette problem oppstår særlig men ikke utelukkende med aluminium-legeringer.

Disse urenheter som resulterer fra fremstilling av legeringen og særlig en aluminiumslegering, kan i det vesentlige foreligge som oksyder. Ikke desto mindre er det også mulig å finne salter, karbider, nitrider, borider og slam i form av partikler eller en type hud som dannes på legeringen. Det vil være klart at det er nødvendig eller i det minste ønskelig, når først en legering er fremstilt, å sikre at den ikke inkluderer et for høyt innhold av urenheter, noe som kunne gjøre bruken av legeringen vanskelig eller umulig for fremstilling av visse typer deler som underkastes høye mekaniske belastninger.

Forskjellige metoder har vært foreslått for å bestemme urenhetsinnholdet. Disse forskjellige metoder omfatter: spektroskopisk emisjon; forskjellige typer kjemisk analyse, for eksempel gasskromatografi. En annen type måling er volumetrisk analyse ved bruk av sentrifugerings- eller filtreringsteknikker; og så finnes det ikke-destruktive teknikker som bruk av ultralyd eller teknikker basert på bruken av røntgenstråler.

I filtergruppen av teknikker kan særlig nevnes ALCAN-metoden som er kjent under navnet PODFA og som er basert på følgende prinsipper: ca. 2 kg legering hentes ut direkte i smeltet form. Legeringen som skal testes bringes til å passere gjennom et filter. Resten i filteret selekteres så vertikalt langs det sentrale plan og prepareres for metallografisk analyse. Analysen gjør det mulig å bestemme konsentrasjonen av urenheter eller inklusjoner, uttrykt i mmVkg. For å bringe legeringen til å passere gjennom filteret er det nødvendig å legge på luft i et tilstrekkelig trykk på den frie overflate av legeringen i beholderen den inneholdes i.

Imidlertid vil det for fagmannen være klart at de filterbaserte teknikker krever etter-følgende metallografisk analyse, noe som krever en viss tid, og som derfor betyr at genuint øyeblikkelig analyse ikke kan gjennomføres mens legeringen fremstilles.

En gjenstand for foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en apparatur for å bestemme urenhetene i en metall-legering som muliggjør at en slik bestemmelse kan gjennomføres hurtig og kontinuerlig mens legeringen lages.

For å oppnå dette mål karakteriseres en apparatur for bestemmelse av renheten i en metall-legering ved at den omfatter: et skall som definerer en beholder med generelt skrådd form rundt en vertikal akse men en åpen topp-ende og en bunn-ende som definerer en munning med

små dimensjoner;

et filter som helt dekker denne munning;

midler for i utgangspunktet å bringe skallet til en første, på forhånd bestemt

temperatur;

midler for å anbringe en på forhånd bestemt mengde av flytende legering som skal testes, i beholderen, idet mengden legering til å begynne med befinner seg ved en andre, på forhånd bestemt temperatur, hvorved legeringen flyter under påvirkning kun av tyngdekraften gjennom filteret inntil filteret blir tilstoppet av

urenhetene inneholdt i legeringen; og

midler for å gjenvinne og å måle volumet av legering som har passert igjennom filteret før det ble tilstoppet av urenhetene inneholdt i legeringen, hvorved renheten av legeringen deduseres.

Det vil være klart at implementeringen av denne apparatur er meget enkel fordi det er tilstrekkelig å ta en prøve fra legeringen mens den lages, og bringe prøven inn i beholderen som i bunnen er lukket av filtere og å benytte et hvilket som helst middel for å måle mengden legering som passerer gjennom filteret før det blir tilstoppet av urenhetene idet det skal være klart at metallet som utgjør beholderen holdes ved en på forhånd bestemt temperatur.

I en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen er filteret, for en aluminiumlegering, et ekstrudert, keramisk filter. Videre er det foretrukket at filteret har en porøsitet rundt 300 celler pr. tomme<2>(CSI).

Også er det foretrukket at apparaturen for bestemmelse av renheten i legeringen er montert på en bevegelig bærer. Skallet og en panne for mottak av legering som har passert gjennom filteret og for bestemmelse av mengden av denne er dreibart montert i forhold til chassiset til bæreren rundt horisontale akser.

Dette gjør det meget enkelt å benytte apparaturen.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for å bestemme renheten for en metall-legering og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at den omfatter følgende trinn: en på forhånd bestemt mengde av en flytende legering som skal testes bringes i et skrådd skall, i utgangspunktet bragt til en andre, på forhånd bestemt temperatur, idet legeringen befinner seg ved en første, på forhånd bestemt temperatur, hvorved skallet har en bunn utstyrt med en munning lukket av et

filter gjennom hvilket legeringen passerer;

legeringen tillates å strømme kun under påvirkning av tyngdekraften gjennom

filteret;

mengden legering som passerer gjennom filteret inntil filteret blir tilstoppet av

urenheter i legeringen, samles; og

volumet av den samlede legering bestemmes, hvorfra renheten i legeringen

deduseres.

Andre karakteristika og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå ved et studium av den følgende beskrivelse av forskjellige illustrerende utførelsesformer av oppfinnelsen. Beskrivelsen henviser til de ledsagende tegninger der: figur 1 er et detaljriss i vertikalsnitt som viser både et filterskall og en panne for

gjenvinning av legering;

figur 2 er et diagram som viser en kalibreringskurve for renheten av legeringen

som en funksjon av mengden av legering som har passert gjennom filteret; figur 3 viser en foretrukken utførelsesform av apparaturen for bestemmelse av

renheten av en legering montert på en bevegelig bærer;

figur 4 viser en mellomting ved bruken av apparaturen ifølge figur 3; og figur 5 er et diagram som viser bruken av apparaturen i figur 1.

Som allerede nevnt omfatter prinsippet ifølge oppfinnelsen å anbringe en på forhånd bestemt mengde av legeringen som skal testes ved en på forhånd bestemt utgangs-temperatur i et skall av generelt skrådd form rundt en vertikal akse. Skallet holdes ved en på forhånd bestemt temperatur og legeringen strømmer gjennom et filter med karakteristiske detaljer som gitt nedenfor. Mengden legering som har passert gjennom filteret samles i en panne for å bestemme volumet av legering som har passert gjennom filteret før dette blir tilstoppet av urenheter og naturligvis kan man ta sikte på forskjellige teknikker for å måle mengden legering som har passert gjennom filteret. Under henvisning til figur 1 beskrives detaljer av en foretrukken utførelsesform av apparaturen for bestemmelse av renheten i en metall-legering.

I den utførelsesform som er vist i figur 1 omfatter apparaturen for bestemmelse av renheten av en legering et filterskall 10 og en panne 12 for gjenvining av filtrert legering. Mere spesielt definerer skallet en nedover skrådd beholder 14 rundt en vertkal akse XX'. Tverrsnittet av beholderen 14 synker i retning nedover. Bunndelen av skallet 10 er satt i forbindelse med en plate 16, fortrinnsvis en fjernbar plate, som definerer en munning med kalibrert tverrsnitt 18 som står i kommunikasjon med bunndelen av den skrådde beholder 14. Under munningen 18 er det fjernbart festet et filter 20 som presser på tett måte mot bunnflaten 16a av platen 16, for eksempel ved hjelp av en egnet klemme 22 og et fjærsystem 24. Imidlertid kan filteret 20 være festet på annen måte til bunn-enden av skallet 10 forutsatt at filteret 20 fullstendig ligger over munningen 18 og forutsatt at den er festet på tett måte i forhold til skallet. I tillegg har skallet 10 et temperatur-reguleringssystem som for eksempel kan bestå av en oppvarmingsresistor 28. Temperatur-reguleringssystemet 26 tjener til å holde skallet ved en konstant, på forhånd bestemt temperatur før enhver operasjon med henblikk på bestemmelse av legeringsrenheten. Temperaturen i skallet økes ved hjelp av den varme som tilveie-bringes fra legeringen. Topp-delen av skallet er åpen og er derfor under atmosfærisk trykk.

I den utførelsesform som er vist i figur 1 inkluderer den renhetsbestemmende apparatur også en panne 12 som befinner seg under filteret 20 der pannen 12 tjener til å samle hele den del av legeringen som passerer gjennom filteret 20 før filteret blir tilstoppet av urenhetene inneholdt i legeringen. For å lette mellomliggende bestemmelse av volumet som har passert gjennom filteret er bunnen 30 av pannen 12 tildannet trinnformet. Ved hjelp av dette kan man for eksempel bestemme et bunn-volum V4, et første mellom-volum V3, et andre mellom-volum V2 og et topp-volum VI. Det vil være åpenbart at den trinnede bunn av pannen gjør det mulig visuelt og lett å fastslå en tilnærming til volumet og derfor til vekten av legering som har passert gjennom filteret, kun ved å observere hvilket trinn av den trinnede bunn som er i nivå med den frie overflate av legering i pannen 12. Naturligvis kan antallet volumer som defineres av pannen være forskjellig fra det som er vist og antallet trinn kan være forskjellig, idet pannen således gir forskjellige varierende approksimeringer hva angår renheten av legeringen.

Naturligvis er det også mulig å benytte andre metoder for å bestemme volumet legering som har passert gjennom filteret.

I en foretrukken utførelsesform med henblikk på aluminiumlegeringer og særlig legeringen A-S7G, er filteret 20 et ekstrudert, keramisk filter med porer som i det vesentlige er loddrett på hovedflatene 20a og 20b i filteret. Videre er det foretrukket at porøsiteten i filteret, uttrykt ved CSI, er ca. 300. CSI betyr antallet celler pr. tomme<2>.

Det vil også være klart at legeringen strømmer gjennom filteret kun under påvirkning av tyndgekraften. Fortrinnsvis holdes skallet 10 ved hjelp av reguleringssystemet 28 ved en temperatur som ligger i området 450 til 350°C og mere spesielt i området 420 til 430°C. I tillegg og når metallet er bragt i skallet 10, holdes metallet ved en maksimal-temperatur på 790°C og en minimal-temperatur ved 750°C for den ovenfor nevnte legering. Videre er, i en foretrukken utførelsesform for aluminiumlegeringer, det loddrette tverr-snitts-areal for munningen 18 lik 1 lem<2>. Denne verdi er ikke kritisk men man vil forstå at for å sikre at filteret virkelig blir tilstoppet som en funksjon av urenheter i legeringen, er det nødvendig at arbeidstverrsnittet for filteret 20 er lite sammenlignet med volumet av legering som anbringes i beholderen 14 som definert ved skallet 10.

Figur 2 er et diagram over en kalibreringskurve C som gjør det mulig å sette vekten P av legering som er samlet i pannen 12, det vil si vekt av legering som har passert gjennom filteret, i forhold til legeringsurenhetene PA, uttrykt i mm<2>/kg for A-S7G-legeringen. Ved hjelp av denne kurve er det mulig å sette vekten av legering som har passert gjennom filteret i forbindelse med en verdi for dens renhet. Mere spesielt er det mulig å bestemme forskjellige soner av renhet tilsvarende kriterier forbundet med forskjellige anvendelser av legeringen. Disse soner tilsvarer volumene som er definert ved trinnene i pannen i figur 1.

I den ovenfor gitte, detaljerte beskrivelse antas det at apparaturen er for bestemmelse av renheten av en aluminiumlegering. Som allerede forklart er det med denne type legering at bestemmelsen av renhet er mest kritisk på grunn av den letthet med hvilken metallet oksyderes.

Ikke desto mindre kan fremgangsmåten og apparaturen ifølge oppfinnelsen anvendes for å bestemme renheten av andre legeringer som kobberlegeringer og støpejern. Det er så nødvendig å tilpasse de ovenfor beskrevne, spesifikke parametre til legeringens spesielle krav. Disse parametre er de første og andre temperaturer samt strukturen og porøsiteten i filteret.

Mere generelt må skallet, før testing, holdes ved en temperatur som ligger i området 100 til 500°C og avhenger av arten av legering. Initial-temperaturen for legeringen som skal testes må ligge i området TL + 50°C til TL + 250°C der TL er legeringens likvidus-temperatur. Avhengig av legeringen som testes vil temperaturen ligge i området 650 til 850°C. Arten av filteret må være tilpasset de benyttede temperaturer. Når det gjelder støpejern må filteret være laget av et materiale som er mere ildfast.

Under henvisning til figurene 3 og 4 følger det en beskrivelse av en fullstendig, foretrukken utførelsesform av apparaturen for bestemmelse av renheten i en legering. Apparaturen omfatter en bevegelig vogn 50 hvorpå det, over hverandre, er anordnet et skall 10 og en panne 12. Skallet 10 er fortrinnsvis dreibart montert rundt den horisontale akse 52 forbundet med rammen 54 på vognen 50, og et håndtak 56 som gjør det mulig å bevege skallet 10 fra sin bruksposisjon med en vertikal akse til en snudd posisjon som muliggjør at legeringsrest kan fjernes ved slutten av en test-operasjon. På tilsvarende måte og fortrinnsvis er pannen 12 dreibart montert rundt den horisontale akse 58 og muliggjør derved at pannen 12 kan tømmes ved tipping når først testen er fullført. Vognen 50 bærer også en elektrisk energitilførsel 60 som mater både en digital display 62 og en temperatursonde 64 for måling av temperaturen i legeringen når den bringes i skallet 10.1 tillegg er temperatur-reguleringssystemet 66 konstruert for å regulere temperaturen i skallet 10 ved hjelp av oppvarmingskraven 28. Det skal være klart at den beveglige vogn 50 således omfatter alle de elementer som er nødvendige for å gjennomføre en test på legeringsrenhet.

I henhold til figur 4 vises det et mellomtrinn i testoperasjonen. Skallet 10 og pannen 12 befinner seg i bruksposisjon, det vil si at aksene er vertikale, og en øse 70 er antydet, hvorfra en prøve med ønsket volum av flytende legering for testing, tas, idet øsen 70 tjener til å helle legeringen ned i den skrådde beholder 14 i skallet 10 efter hvert som denne tømmes. Før helling har legeringen i øsen 70 en temperatur som måles ved hjelp av temperatur-sondene 64.

For å muliggjøre at apparaturen benyttes med en hvilken som helst aluminiumslegering og over et vidt spektrum av temperaturer kan apparaturen benyttes med to forskjellige dimensjoner for filtertverrsnitt som definert ved munningen 18. Tverrsnittet kan for-andres ved å skifte ut platen 16 som befinner seg under skallet 10 der hver plate har én munning med egnet tverrsnitt.

Diagrammet i figur 5 gir temperaturområdene for forskjellige aluminiumlegeringer, hver omfattende to filter-tverrsnitt som muliggjør renhetsmålinger med tilstrekkelig sensitivitet.

Det mindre filtertverrsnitt er 1 cm<2>.

Det større filtertverrsnitt er 2 cm<2>.

Alle temperaturene som er gitt i diagrammet i figur 5 bør økes med 20°C for legeringer som er modifisert med natrium. Natrium øker i vesentlig grad viskositeten for slike legeringer. Det er derfor vesentlig å heve temperaturen for å oppnå den samme sensitivitet for apparaturen.

Å kalibrere apparaturen for å bestemme renheten i en legering gjennomfører støperen først en referansemåling ved bruk av et bad hvis oksydasjonstilstand ikke gjør det nødvendig at det kasseres på grunn av nærværet av for mye oksyd. Derefter gjør rutine-målinger på den samme legering, ved samme temperatur, det mulig å sammenligne antallet trinn som fylles i pannen med antallet som ble fylt under referansemålingen.

Man kan således se at bestemmelsesapparaturen som vist i figur 3 er særlig fordelaktig fordi den er helt og holdent selvforskynt inkludert panne og skall sammen med alle overvåkingselementer og temperatur-reguleringselementer. Fordi den videre er mobil kan hele apparaturen bringes nær en smelteovn, nær en ovn for opprettholdelse av flytende tilstand eller nær et overføringskar inneholdende legeringen. Fordi videre pannen og skallet er montert dreibart rundt horisontale akser kan disse to beholdere lett tømmes efter at testene er gjennomført.

Til slutt vil det være åpenbart at den spesielle montering av filteret 20 ved bunndelen av skallet som vist i figur 1 gjør det mulig lett å erstatte det med et nytt filter efter hver test-operasjon.

Det skal her fremheves at det er den flytende legering direkte fra legeringsfremstillings-ovnen som helles i skallet. Det vil videre være klart at oppvarmingsmidlene i forbindelse med skallet kun tjener til å regulere initialtemperaturen for dette og ikke under noen omstendighet for å smelte legeringen som helles inn i skallet i flytende form og ved ønsket temperatur.

Claims (12)

1. Apparatur for bestemmelse av renheten av en metall-legering, karakterisert ved at den omfatter: et skall (10) som definerer en beholder (14) med generelt skrådd form rundt en vertikal akse men en åpen topp-ende og en bunn-ende som definerer en munning med små dimensjoner; et filter (20) som helt stenger munningen; midler (26, 28) for initialt å bringe skallet til en første, på forhånd bestemt temperatur før legeringen bringes inn; midler (70) for å anbringe en på forhånd bestemt mengde flytende legering som skal testes inn i beholderen idet mengden av legering til å begynne med befinner seg ved en andre, på forhånd bestemt temperatur som ligger høyere enn den første, på forhånd bestemte temperatur, hvorved legeringen kun under innvirkning av tyngdekraften strømmer gjennom filteret inntil filteret blir tilstoppet av urenhetene i legeringen; og midler (12) for gjenvinning og måling av volumet av legering som har passert gjennom filteret før det ble tilstoppet av urenhetene inneholdt i legeringen, hvorved renheten for legeringen beregnes fra volumet som har passert gjennom filteret..

2. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert ved at filteret (20) er et ekstrudert, keramisk filter og at legeringen er en aluminiumlegering.

3. Apparatur ifølge krav 2, karakterisert ved at filteret har en porøsitet på rundt 300 celler pr. tomme <2> , CSI, og at legeringen er en aluminiumlegering.

4. Apparatur ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3, karakterisert ved at munningen (18) av skallet (10) har et perpendikulært tverr-snittsareal i størrelsesorden 1 cm2 eller 2 cm2.

5. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert ved at den andre, på forhånd bestemte temperatur ligger i området Tl + 50°C til Tl + 250°C idet Tl er legeringens likvidus-temperatur.

6. Apparatur ifølge krav 2 eller 4, karakterisert ved at den andre, på forhånd bestemte temperatur ligger i området 650 til 850°C.

7. Apparatur ifølge et hvilket som helst av kravene 2, 3, 4 og 6, karakterisert ved at den første, på forhånd bestemte temperatur ligger i området 450 til 350°C.

8. Apparatur ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 7, karakterisert ved at oppsamlings-og måleinnretningene omfatter en panne (12) som er anordnet under filteret (10) idet pannen har en trinnet bunn (30) hvor hvert trinn i den trinnede bunn tilsvarer en renhetsgrad for legeringen.

9. Apparatur ifølge krav 8, karakterisert ved at den videre omfatter en bevegelig vogn (50) hvorpå skallet (10) er montert dreibart rundt en horisontal akse (52), at pannen (12) er montert på vognen dreibart rundt den horisontale akse (58) og at vognen også inkluderer midler (64) for overvåking av temperaturen i legeringen før den helles i skallet, oppvarmingsmidler (28) som omgir skallet samt midler for regulering av oppvarmingsmidlene.

10. Fremgangsmåte for bestemmelse av renheten av en metall-legering, karakterisert ved at den omfatter trinnene: en på forhånd bestemt mengde av en flytende legering som skal testes bringes i et skrådd skall (10) idet legeringen har en andre, på forhånd bestemt temperatur, hvorved skallet har en bunn utstyrt med en munning (18) som er lukket av et filter (20) før legeringen bringes inn og hvorigjennom legeringen passerer; legeringen tillates å strømme kun under innvirkning av tyngdekraften, gjennom filteret mens skallet holdes ved en første på forhånd bestemt temperatur under den andre på forhånd bestemte temperatur; mengden av legering som passerer gjennom filteret inntil filteret blir tilstoppet av urenheter i legeringen, samles opp; og volumet av den oppsamlede legering bestemmes, hvorfra renheten av legeringen kan beregnes.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at den andre, på forhånd bestemte temperatur ligger i området 650 til 850°C og at den første, på forhånd bestemte temperatur ligger i området 450 til 350°C og at legeringen er en aluminiumlegering.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 10 eller 11, karakterisert ved at filteret 20 er et ekstrudert, kjeramisk filter og at legeringen er en aluminiumlegering.