SE447027B - Forfarande och anordning for snabb forutsegelse av den metallografiska strukturen hos ett gjutstycke - Google Patents

Description

447 027. smälta metallen, att försvinna eller kommer att på annat sätt gå förlorat och det finns en sannolikhet för att gjut- ningcn blir otillfredsställande.

Industrin har länge sökt efter en enkel, snabb och effek- p tiv väg att noggrant förutsäga graden av nodularitet hos ett gjutjärn före gjutningen av detsamma. En metod som tidigare föreslagits framgår av amerikanska patentet 3 670 558, en- ligt vilken egenskaperna hos ett nodulärt gjutjärn utvärde- ras med hjälp av en jämförande studie av konventionella kyl- ningsdiagram och en uppsättning eller skara av kurvsegment.

Metoden som föreslagits i nämnda patent har inte visat sig vara acceptabel.

Hittills har sålunda graden av nodularitet hos ett gjut- järn endast kunnat bestämmas med precision om provet är kylt och utvärderat genom ultraljud eller metallografisk analys eller liknande. _ Huvudähdamålet med föreliggande uppfinning är att ta itu med nämnda problem genom att föreslå en ny process och appa- rat som möjliggör att förutsäga på ett enkelt, snabbt och effektivt sätt graden av nodularitet hos gjutjärnet, under det att järnet fortfarande är i smält tillstånd och medan det fortfarande är möjligt att förändra sammansättningen hos den smälta metallen eller det är möjligt att skrota den smälta metallen. - 7 - Förfarandet enligt föreliggande uppfinning är riktat på att förutsäga en metallografisk struktur hos ett gjutgods, vilket erhålles från en smält metall och vilket omfattar ste- gen att ta ett prov av den smälta metallen, varefter en del *av provet tillåtas stelna med en första hastighet och en and- ra del av provet tillåtes stelna med en lägre hastighet, var- på en parameter för värmeledningsförmâgan bestämmes och under användning av värmeledníngsförmâgeparametern hos provet efter -_stelningen av den första delen för att bestämma den metallo- grafiska strukturen, vilken skulle erhållas efter gjutning av den smälta metallen.

Apparaten för âstadkommande av den ovan beskrivna metoden inkluderar en liten degel, i vilken ett prov av smält metall hälles och i vilken provet kyls. Degeln enligt en utföríngs- form har tvâ tempcraturavkännande anordningar placerade på avstånd från varandra och motsvarande den första och andra ~ _- ___v'.. ._ , QUÄLITY I/ f: >0 3 447 027 delen av provet. Enligt den föredragna utföringsformen av degeln finns endast ett temperaturavkännande organ. Ett me- del är associerat med var och en av typerna av dcglar för att låta en del av provet stelna med en högre hastighet.

Det är ett ändamål hos föreliggande uppfinning att åstadkomma apparat och förfarande, vilka kommer att under- lätta förutsägelsen på ett enkelt, snabbt och pålitligt sätt av graden av nodularitet eller annan metallografisk struktur, som kommer att finnas i ett gjutgods tillverkat av en sär- skild sats av gjutjärn.

Andra ändamål kommer att framgå av nedanstående beskriv- ning. _ För att åskådliggöra uppfinningen visas på ritningen en utföringsform som f.n. föredras varvid det är underförstått att denna uppfinning inte är begränsad till det visade arrange- manget och apparaturen.

På ritningarna visar fig¿_l en sektion genom en första typ av degel, som är användbar vid utförande av förfarandet enligt föreliggande uppfinning, fig. 2 en sektion genom en annan typ av degel, som är användbar vid utförande av förfarandet enligt uppfinningen, §;g¿_§ ett diagram visande två kylkurvor visande temperaturen som funktion av tiden, fig. H ett diagram visande en kylkurva med temperaturen som funktion av tiden under an- vändning av ett enda termoelement, fig. 5 en sektion genom en annan degel, fig¿_§ ett diagram av temperaturen efter tre minu- ter som funktion av svalningstemperaturen genom en 100°C~zon innehållande solidusuppehållet hos provet, och fig. 7 är ett diagram visande [Ål som funktion av nodulariteten.

I det följande refereras till ritningarna i detalj, i vilka samma hänvisníngsbeteckningar användes för samma element. I fig. 1 visas en första form av apparat för användning vid utöv- ning av förfarandet enligt uppfinningen. En degel är helt all- mänt betecknad med 10, varvid degelns diameter på den övre de- len 12 är mycket större än diametern hos den lägre delen 13.

Ordet "degel" i denna beskrivning avser även att inkludera prov- koppar,_formar som används för "in-mold"-processer och liknande.

En degel 10 som är konstruerad på detta sätt möjliggör att ky- la ett prov av smält metall med tvâ olika hastigheter. Den läg- re delen lh hos provet i degeln 10 kommer sålunda att svalna snabbare än den övre delen 15 av provet i degeln 10, emedan r Pooxioumw NO 447 027 'b förhâllaruietlav yta/volymhos den övre delen är' mindre än hos den lägre delen. _ I C I fig..2 visas en andra form av apparat för användning vid utförande av förfarandet enligt uppfinningen. I fig. 2 visas en degel 10' med konstant diameter. Den lägre delen 13' hos degeln 10' är placerad i en mantel 18 av värmeiso- lerande material. Som ett resultat av användningen av man- teln 18 kommer den del av provet i den övre delen 19 av degeln 10' att"stelna med en högre hastighet jämfört med stelningshastigheten hos provet i den lägre delen av degeln ”. ' Ehuru deglarna 10 och 10' är något olika i konstruktion beträffande deras kontur, är den använda principen i förfa- randet enligt uppfinningen densamma. För att förhindra bild- ningen av krympningshâligheter i provet föredrages det att konstruera deglarna på sådant sätt att den del som har den högsta stelningshastigheten befinner sig i den lägre delen av degeln. Följande beskrivning beträffande fig. 3 refererar endast till användning av degeln 10 som visas i fig. 1.

Pig. 3 visar stelningskurvan ll för delen lä av provet av grått gjutjårn vid en första kylningshastíghet. Tempera- turen på provet i delen lä avkännes med ett värmeavkännande element såsom ett termoelement 22. Termoelementet 22 är en- ligt den föredragna utföringsformen helt allmänt vinkelrät mot centrumlinjen eller axeln hos degeln 10. Det framgår av kurvan ll att en ändring av kylningshastigheten vid punkten 23 observerades vilket motsvarar likvidustemperaturen. Det finns också en mer uttalad temperaturändring vid punkten ZH vilken motsvarar solídustemperaturen. Därefter visar kurvan i stället.för att fort- sätta att svalna exponentiellt längs linjen 25 såsom skulle ll en inflektion vid temperaturen TX vara fallet vid en vanlig stelningskurva vid en homogen kyl- ning av provet.

I föreliggande fall förorsakas inflektionen av kurvan ll vid punkten X av värmereflektionen under den eutektiska stel- ningen av den övre delen 15 hos provet som svalnar med en andra oeh lägre hastighet jämfört med kylningshastigheten hos delen ln. Temperaturen TX är temperaturen vid inflektions- punkten X på kurvan ll. Temperaturen TX är en första para- - meter, vilken är direkt hänförbar till värmeledningsförmågan LO H0 447 027 (fl hos den smälta metallen. Ändringen av kylningshastigheten är ett resultat från temperaturen hos den eutektíska nivå- sträckníngen av linjen 25 som förblir praktiskt taget kon- stant vid ca l15Û°C. _ Kurvan ll och linjen 25 avgränsar en yta A, vilken även är direkt hänförbar till värmeledningsförmågan hos provet.

Det betyder att ytan A representerar värmepåverkan av den eutektiska delen 15 av provet på delen lU av provet. Det har observerats att värmeledningsförmågan är hänförbar till den metallografiska strukturen hos metallen. En avläsning av tem- peraturen TX, vilken hänför sig till inflektionspunkten på kurvan ll och/eller utvärderingen av ytan A, är beroende av den mctallografiska strukturen hos metallprovet som analy- serats.

De två parametrarna som omnämnas ovan kan också utprovas när stelningskurvan 16 för provet utritas på samma gång på ett enskilt diagram längs kurvan ll. För att erhålla stel- ningskurvan 16, anordnas en temperaturavkännare, såsom ett andra tcrmoelement 27 i degeln 10 vid ett ställe, som står i förbindelse med delen 15 hos provet. Termoelementen 22 och 27 är sålunda placerade på väsentligen olika ställen, och var och en står i förbindelse med en del av provet. Vid en given tidpunkt varierar skillnaden i temperatur mellan de två kur- vorna ll och 28 med värmeledningsförmâgan hos metallprovet och till följd därav med dess grad av nodularitet. Denna tem- peraturskillnad kommer nedan att benämnas [šT'.

Det har bekräftats att TX är beroende av den eutektiska temperaturen hos delen 15 samt ett antal andra faktorer inne- fattande värmeledningsförmágan, tappningstemperatur och sättet för tappning. Det är önskvärt att bestämma värmeledningsförmå- gan hos provet. Det är sålunda önskvärt att eliminera infly- tandet av övriga parametrar". Om termoelementet 22 är ungefär vid den eutektíska temperaturen hos delen lä influeras inte kylníngshastigheten med någon anmärkningsvärd grad av värme- ledningsförmâgan, enär värmegradienterna äro relativt låga.

Detta möjliggör bestämningen av en parameter "normal kylnings- hastighet", vilken är en hastighet utan väsentligt inflytande av värmeledningsförmågan. I detta éxempel definieras hastighe- ten som hastigheten hos kylningen över ett 1000-område mellan 1l60°C och l060°C. Det är vidare lämpligt att använda en tem- poos QUALITY ' 447 027 av peratur, som hänför sig till TX, såsom temperaturen hos järn- provet exakt 3 minuter efter påbörjad tappning. Andra tids- intervall kan användas eller annan teknik för att definiera "normal kylningshastighet", såsom en första derivata av kyl- ningskurvan vid en punkt där värmeledningsförmågan spelar en mindre roll, såsom en punkt nära den eutektíska temperaturen.

Vidare kan andra parametrar som härrör från kylningskurvan användas i stället för TX, såsom den erforderliga tiden för att nå en föreskriven temperatur, vilken är lämpligen lägre än den eutektiska, eller den första derivatan av kylnings- kurvan vid en viss tid eller temperatur, som på ett tillfreds- ställande sätt kan hänföra sig till värmeledningsförmâgan.

Enligt en annan utföringsform av denna uppfinning använ- des degeln 10 utan värmeelementet 27, nämligen degeln 30.

I fig. R visas en kylningskurva av tiden som funktion av tem- peraturen erhållen från ett prov av gjutjärn som kylts i de- geln 30. I fíg. H avser hânvisningsbeteekningen "X" tiden för att svalna genom lUD°-omrâdet från ll60°C till lD60°C.

Degeln 30 är likadan som degeln 10 men innehåller endast ett.enda alumel-kromeltermoelement 32 i den lägre delen 3W.

Dcgeln 30 har en större del 36 med samma utsträckning som de- len 3H. Typiska dimensioner för delen SH är en diameter av 18,5 mm, höjden 29 mm, och termoelementet 32 på ett avstånd från botten av delen 3% av 6 mm. Typiska dimensioner för de- 'len 36 är en diameter av 50 mm och en höjd av H6 mm. För de skäl som redogörs för ovan kommer den delen av provet i delen 3H att svalna med en högre hastighet än delen av provet i delen 36. En degel som beskrivits i amerikanska patentskrif- ten H 056 H07 kan modifieras så att den får de kännetecken som finns hos degeln 30.

Pig. 6 är ett diagram, i vilket temperaturen hos provet avläsas av termoelementet 32 vid slutet av 3 minuters-perioden som inritats som en funktion av tiden i sekunder för provet som skall svalna från llso till loso°c. niagrammet enligt fig. 6 har ekperimentellt bestämts för att definiera tid-tempera- turförhållandet vid lämpligt nodulärt järn, när detta tappas i en speciell degel. Enligt fig. H är temperaturen 938°C och tiden "X" är 50 sekunder. När'dessa parametrar tillämpas på_ fig. 's blir AT lika :med u°c.

PG Uf”. QUALITY -Lf U~ H0 av 447 027 Den som gör försöken har tidigare blivit försedd med-ett diagram som visar [XP som funktion av nodularitcten, såsom visas i Iíg. 7. Diagrammet enligt fig. 7 har fastställts för typiska-nodulära järn, när de blivit tappade i degcln 30.

Växlingar i degelutseende kommer att erfordra ett nytt dia- gram under användning av de principer som beskrivits här.

Såsom visas i fig. 7 är diagrammet företrädesvis försett med zoner, såsom en grön zon ("X"), en gul zon ("Y“) och en röd zon ("Z"). När'ett Åšj fallerinom den gröna zonen, är man säker på att järnet har en tillräcklig nodularitet. Om ett [XT faller inom den gula zonen på diagrammet visat i fig. 7, kan järnet vara tillfredsställande, men det år diskutabelt och vidare undersökning är nödvändig. Om Åšfl faller i den rö- da zonen på diagrammet visat i fig. 7, kommer järnet helt säkert att få en otillräcklig nodularitet.

Vid analys av ett prov av gjutjärn rekommenderas det att kylningstiden som börjar vid gjutningen av provet och slutar vid stelníngen av delarna 10 eller BH, inte bör vara mindre än en till en halv minut för att förhindra bildningen av karbi- der. Vidare bör den totala varaktigheten av analysen inte vara längre än fem minuter för att metoden skall kunna skapa ekono- miska fördelar. Med dessa mål i minnet väljes dimensionerna på degeln 10 företrädesvis så att dessa mål kan uppnås. De- geln 10 tillverkas sålunda företrädesvis av gjuterisand med ett hartsbindemedel och med den inre diametern hos degelns lägre del 13 mellan ca 18,5 mm och den inre diametern hos del nav ca so mm. ' Om ett ensamt temperaturavkännande element användes i den del av degeln som kyls snabbast, erhålles LÅT från ett diagram som visas i fig. H och 6. Om degeln har två termoelement såsom visas i fig. 1, erhålles [§T' av diagrammet visat i fig. 3.

Sedan användes-Äšï' tillsammans med ett diagram som uppritats experimentellt för att fastställa nodulariteten.

Föreliggande uppfinning omfattar sålunda åtgärden att an- skaffa en parameter för värmekonduktiviteten, såsom ett [XT efter tappning av ett prov i en degel och därefter användning av parametern för att förutsäga huruvida nodulariteten hos gjutgodset som skall tillverkas från hela skänken kommer att bli tillfredsställande, varefter tappningcn kan påbörjas.

Om nodulariteten är otillfredsställande, kan korrektioner PÛOR QUALITY 447 027 utföras innan den smälta metallen tappas eller hela skänken gjutes till tackor, varigenom man inbesparar formar och annan arbetskontnad. Nodulariteten kan växla med tiden.

Därför kommer det att bli önskvärt att använda föreliggan- de uppfinning för att utprova nodulariteten sedan allt gjut- gods har tappatn för att bekräfta kvaliteten hos det sist gjutna gjutgodset. 7 ' När föreliggande uppfinning användes som en del av en “in-mold“-process är olika variationer möjliga. Exempelvis kan huvudformhålígheten motsvara delen 36 hos degeln 30 och delen 3H hos degeln 30 kan vara en liten hjälphålighet och är anordnad för att svalna med en högre hastighet. Gjutgods som erhålles från hjälphåligheten kan avlägsnas tillsammans med avfallet (ingjut m.m.).

En elektronisk mikrodator eller bordskalkulator kan pla- ceras intill en digital pyrometer för användning som dator- analyskontrollutrustning med röda, gula och gröna ljus i mot- svarighet till zonerna i fig. 7. Föreliggande uppfinning kan drastiskt minska kvalitetskontrollproblemen och eliminera kassation av gjutgods med otillräcklig nodularitet.

Uppfinningen kan omfatta andra speciella former utan att skilja sig från uppfinningstanken under hänvisning till bi- fogade patentkrav som definierar skyddets omfång. e fwffflffr Kyl

Claims (8)

447 027 Batentkrav

1. Förfarande för snabb förutsägelse av den metallogra- fiska strukturen hos ett gjutstycke, varvid ett prov fran den smälta metallen som skall bilda gjutstycket placeras i en degel och kyles under det att temperaturen í en punkt av provmassan mätes under kylningen och uppritas som funktion av tiden, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda punkt ligger inom en första del av provmassan vilken kyles med en högre hastig- het än den äterstacnde delen därav, så att den återstående delen under sin stelning förorsakar en avvikelse genom vürmeâtcrut- stralning hos den uppritade kurvan efter stelningen av den första delen, varvid avvikelsen tjänar att förutsäga den meta1lografis~ ka strukturen hos gjutstycket.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n att därav, att avvikelsen bestämmes över en vald tidsperiod.

3. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att avvikelsen bestämmes över ett valt temperaturomràde.

4. Förfarande enligt krav 3, varvid den smälta metallen är gjutjärn och den metallografiska strukturen är kulformig, k ä n n e t e c k n a t därav, att temperaturområdet har en övre gräns vid ca l160°C och en lägre gräns vid ca l060°C.

5. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t därav, att behållaren utgöres av en form med en formhålighet och en andra hålighet i kommunikation därmed, varvid den andra hälighetcn är avsedd att innehålla nämnda första del av massan av smält metall och formhålígheten den återstående delen.

6. Apparat för snabb förutsägelse av den metallografiska strukturen hos ett gjutstycke bestående av en degel som är så konstruerad att en första del av metallen som tappas i_degeln kyles hastigare än den återstående delen k ä n n e t e c k - n a av att degeln är uppbygglav första och andra mot varandra gränsande ihaligheter där förhållandet mellan den kylande ytarean och volymen hos den andra íhâligheten är mindre än motsvarande hos den första ihâligheten samtidigt som ett temperaturavkännan- de organ sasom ett termoelement är placerat centralt i den första ihaligheten.

7. Apparat enligt krav_ 0, k ä n n e t e c k n a t av att medlet att få den första delen av metallen, som tappas i PÛOR QUALITY 447 027 _degeln att kylas hastigare än den återstående delen består av en värmcisolerande mantel placerad runt en del av degeln, vari- genom kylningen av metallen placerad i nämnda del retarderas med hänsyn till den återstående delen. -

8. Apparat enligt krav 6, därav, att degeln består av en form, varvid den första ihåliga delen är en hjälphålíghet för huvudformhâlígheten som är den k ä n n e t e c_k n a d o nämnda andra delen. v»