SE469712B - Foerfarande foer framstaellning av gjutjaern med kompakt grafit - Google Patents

Description

469 712 2 i motsatt fall när kristallisationskärnorna är närvarande i överskott sänkes dispersionsgraden genom att badet hålles under en tillräcklig tidsperiod för att minska kärnbildnings- mängden i badet före gjutningen, genom uppskattning av morfo- login i relation till erhållna motsvarande data med sama provtagning och provteknik som användes med gjutjärn av känd struktur, med hjälp av den underkylning som sker i centrum av det smälta materialet, rekalescensen i centrum av provmängden och den maximala tillväxttemperaturen och genom korrigering av mängden strukturmodifierande medel med hänsyn härtill, så att grafitfällningen sker på ett förutbestämt sätt vid stel- ning av det smälta järnet vid den efterföljande gjutningen.

De erhållna värdena användes för att bestämma mängden modi- fieringsmedel och närvaron av grafitkärnbildande medel i smältan ifråga för den använda utrustningen. Produktions- utrustningen som användes kalibreras och eventuellt nödvänd- iga tillsatser av modifieringsmedel och kärnbildningsmedel skall göras med hänsyn till kalibreringen av den optimala utrustningen.

Ovan nämnda förfarande möjliggör för fackmannen att förutse hur grafitutfällningen sker i den avsedda smältan och hur han skall reglera sammansättningen av smältan för att uppnå öns- kade resultat. Provmetoderna ger resultat vilka inte kan er- hållas med andra analysmetoder. Fastän ett kemiskt prov ex- empelvis skulle visa den totala mängden magnesium närvarande, kommer de ej att ge någon information av hur mycket magnesium som finns i lösning och sålunda är aktivt som modifierings- medel. Denna senare information är av stor betydelse emedan mängden magnesium i lösningen i järnsmältan relativt snabbt komer att förändras beroende på fysikaliska och kemiska re- aktioner, vilka sker i smältan och beroende på kontakt med omgivningen och följaktligen, fastän en konventionell kemisk analys kan ge korrekta resultat i avseende på smältan vid tidpunkten för analysprovet, kan denna väl ha förändrat tillstånd vid tiden när analysresultaten erhålles i sådan ut- sträckning att resultaten inte längre kan användas för reg- lering av stelningsprocessen, vid gjutning av gjutjärn. 469 712 3 Mängden löst elementärt magnesium är väsentlig för reglering av granitutfällningen. Förutom magnesium eller i stället för magnesium kan det strukturmodifierande medlet innehålla cerium och andra sällsynta jordartsmetaller. Det modifierande medlet (och kärnbildande medlet) komer att reduceras med tiden och det finns karaktäristiska hastigheter för denna reduktion, vilken beror på förfarandet och den använda ut- rustningen. En god reglermetod kommer att möjliggöra en exakt bestämning av mängden närvarande modifierande och kärnbild- ande medel och kommer också att möjliggöra beräkning av hur mycket av dessa medel som krävs för att erhålla ett accep- tabelt resultat vid gjutförfarandet under de följande låt oss säga 10 till 15 minuterna. Detta har tidigare inte varit möj- ligt. Tidigare beskrivna förfaranden kan endast informera oss om att smältan vid provuttagningstillfället komer att stelna i en specifik grafitkristallform.

Underkylningen av smältan, där fjällformade av grafitkristal- ler utvecklas, är relativt liten (mindre än 5°C) och minimum representerar den situation där ett visst antal grafit- kristaller (tillsammans med austenitfasen) har uppnått en tillväxthastigheten vid vilken den latenta värmen som utveck- las balanserar den värme som lämnar systemet. Vid denna punkt upphettas faktiskt smältan upp till en ny balanspunkt rep- resenterande tillväxt under fortfarighetstillstånd, i vilket fall en vätska med tillräckligt antal kärnor med A-grafiten nära jämviktstemperatur, TE, låt oss säga 1-2°C under jäm- viktstemperatur vid den eutektiska reaktionen för en normal Fe-C-Si-legering. I föreliggande dokument sätts jämvikts- temperaturen till 1l55°C. Detta betyder att instrumentet kalibreras till en TE = ll55°C och att temperaturdifferenser- na beräknas i förhållande därtill. Termodynamiska beräkningar i litteraturen ger andra, i vissa fall högre värden men av praktiska skäl har TE i detta samanhang definierat som 1155°c.

I modifierande medel, såsom magnesium och sällsynta jordarts- metaller tillsättes i en flytande gjutjärnsmälta, begränsas tillväxten av vissa specifika kristallografiska riktningar 469 712 4 och morfologin förändras från fjällgrafit, via vermikulär till nodulära grafitkristaller i ökande mängder. Detta inne- bär en övergång från typ IV till I på grafitklassifikations- skalan (enligt ASTM).

Om det finns tillräcklig mängd grafitutfällningskärnor när- varande och en lämplig mängd modifierande medel är närvarande kommer gjutjärnet att stelna som gjutjärn med kompakt grafit eller nodulär grafit. I detta fall är underkylningen mycket högre än den som observeras för gråjärn innan hastighets- tillväxten för de vermikulära grafitkristallerna skapar till- räcklig värme för att motverka värmeavgången från systemet. Ãterupphettningen (rekalescens) tar längre tid, beroende på tillväxtbegränsningar och fortfarighetstillväxttemperaturen kommer att stanna 5-l0°C under jämviktslikvidustemperaturen, TE.

Förhållandet mellan tillväxtförhållandet hos dessa två grafitmorfologer och temperaturanalysresultaten och kurvorna har sedan länge varit kända.

Den gradvisa förändringen av morfologin från fjällig till nodulär grafit som ett resultat av ökande tillsatser av modifierande ämnen är emellertid intressant, emedan den har stor betydelse för att möjliggöra termisk analys som kan användas för processregleringsinstrument.

Denna ändring är på intet sätt en linjär funktion av kon- centrationerna av tillsatta modifieringsmedel, vilket framgår nedan.

I detta sammanhang anförs magnesium som ett exempel på det använda modifierande medlet och när man tillsätter modifier- ingsmedlet komer magnesium att reagera med varje mängd svavel eller syre som kan vara närvarande under bildning av MgS och MgO. Resten av magnesiet komer att upplösas i gjut- järnsmältan och definieras som Mg(L).

Q) 469 712 I ett antal experiment har det visat sig att en Mg(L)-nivå på 0,008% Mg ger en fullständigt kompakt eller vermikulär gra- fitstruktur och en Mg(L)-nivå under 0,006% Mg ger en full- ständigt fjällig struktur i ett något hypoeutektiskt gjutjärn (kolekvivalenten, CE, 4,0-4,2). Nivån av upplöst magnesium under 0,006% är inte tillräcklig för att förhindra bildning av fjällgrafit. Denna bildning kommer att frigöra latent värme i så hög grad att man reducerar graden av underkylning och tillväxten av nodulära grafitkristaller utlöses aldrig.

Vid denna låga nivå av underkylning kan vissa kristaller emellertid påverkas av modifieringsmedlet i en sådan ut- sträckning att de utvecklas i en något ospecificerad modi- fierad form.

Vermikulära grafitkristaller bildas inom ett område med mellan 0,008-0,0l6% upplöst magnesium. Inga fjällliga kris- taller bildas inom detta område men i den högre delen av detta område kan viss bildning av nodulära kristaller ob- SerVeIaS .

De absoluta värdena för innehållet av upplöst elementärt magnesium kan variera från en gjutning till en annan och med konstituenterna i bassmältan, men i ett aktuellt fall erhölls följande siffror, vilka kan tjäna som ett exempel: 0-0,008% Mg, fjällig grafit 0,008-0,0l6% Mg, vermikulär grafit 0,016-0,030% Mg, blandning av vermikulär och nodulär grafit 0,030-0,035% Mg, 80-100% nodulär grafit >0,035 % Mg, fullt nodulär grafit (magnesium i överskott) Vid en praktisk tillämpning har det visat sig att förfarandet och den använda utrustningen, avbrännan av magnesium var om- kring 0,001% Mg för varje 5 minuter. Under en gjutperiod på minuter kommer innehållet av upplöst elementärt magnesium sålunda att minska med 0,003%. Om den ursprungliga procent- 469 712 6 halten var 0,010% Mg skulle man efter 15 minuter ha ett inne- håll av 0,007% Mg och en stor del fjällig grafit kommer så- lunda att bildas vid slutet av gjutperioden, medan ett prov som ursprungligen innehåller låt oss säga 0,0l2% magnesium endast bildar vermikulära grafitkristaller under hela gjut- perioden. Om smältan testas enligt US-A-4 667 725, skulle det i båda fallen visa sig, helt korrekt, att båda smältorna 'J skulle stelna som gjutjärn med vermikulär grafit. Förfarandet tillåter sålunda inte att man skiljer mellan ett magnesium- innehåll på 0,010% och 0,012%. Emedan grafitfjäll fullständ- igt måste undvikas har det sålunda varit nödvändigt att an- vända ett visst överskott av magnesium för att'tillförsäkra ett önskat resultat, med en risk för att i stället erhålla en viss mängd nodulära grafitkristaller i det gjutna materialet.

En minskning av innehållet upplöst magnesium under omkring 0,008% kommer att resultera i en mycket snabb ökning av mängden fjällgrafit, beroende på det faktum att en otill- fredsställande mängd magnesium tillåter att grafitfjäll till- växer och att en minskning av magnesiuminnehållet under denna gränslinje resulterar i en drastisk omvandling av stelnings- strukturen med avseende på grafitutfällningen. Detta är uppenbart från bifogade Fig. 1, där mängden vermikulär grafit och fjällig grafit visas längs ordinatan och procenttalet upplöst magnesium längs abscissan. Kurvan visar den drastiska förändring som inträffar när magnesiuminnehållet sjunker under 0,008% magnesium. Andra modifierande medel har liknande tröskelkoncentrationer.

När en gång tillväxtförhållandena för grafitkristallerna är fullständigt vermikulära, komer proverna att resultera i en i huvudsak identisk signal från analysutrustningen inom det ¿ område som avses, d v s mellan 0,008-0,0l6% Mg(L). En kemisk analys skulle inte vara användbar eftersom det inte finns något snabbt förfarande att skilja mellan totala och upplösta magnesiummängder.

Enligt föreliggande uppfinning kan enhetliga gjutjärns- produkter med vermikulär grafit framställas. 469 712 7 En smälta av lämplig komposition och struktur framställes så- lunda och ett modifierande och kärnbildande medel tillsättes till smältan i en mängd som är tillräcklig för att ge ett gjutjärn med vermikulär grafit. Ett prov uttages sedan från smältan i ett provkärl vars vägg innehåller eller vilket är täckt på insidan med ett skikt bestående av ett material som reagerar med upplöst elementärt magnesium närvarande i vägg- ens närhet. Materialskiktet eller väggkonstituenterna skall vara närvarande i sådana mängder att magnesiumkoncentrationen i provmängden smälta i närheten av väggen sänks med 0,003%.

Provkärlet måste vara försett med två termoelement, det ena placerat i smältans centrum och det andra i närheten av prov- kärlets vägg. Temperaturen upptecknas från termoelementen och den allmänna informationen användes i enlighet med vad som framgår av US-A-4 667 725. När magnesiuminnehållet är så lågt som omkring 0,0l0%, kommer kurvan erhållen från termoelement- et placerat i närheten av provkärlets vägg att visa en tempe- raturnivå vid vilken utfällning av fjällig grafit inträffar, emedan det lokala Mg-innehållet är mindre än 0,008% Mg. Detta är en indikation på att magnesiuminnehållet skall justeras genom tillsats av magnesium. Detta kan ske genom tillsats av ytterligare strukturmodifierande medel till smältan, så att man kompenserar avbrännan av strukturmodifierande medel under hela gjutoperationen. Normalt kan tillsatsen ske utan ytter- ligare kontroll av stelningsegenskaperna, vilket också till- låter att det kompenserande strukturmodifierande medlet till- sättes direkt under gjutningen.

Vid en praktiskt utföringsform av föreliggande uppfinning framställes provkärlet ur oxid vilken reagerar med det mo- difierande medlet, t ex magnesium i en gjutjärnsmälta. Be- hållaren kan vara framställd av en blandning av aluminiumoxid och chamotte. Den reaktionen hastighetsbestämmande föreningen i ett sådant material är kiseldioxid, en liten mängd alkali- metalloxider och svavelföroreningsnivån. Mera stabila oxider, som aluminiumoxid och kalciumoxid kan sannolikt inte ta del i magnesiumreduktionsförfarandet under den korta kontaktperiod- en mellan smälta och degel. 469 712 8 Exempel på en kommersiell produkt, som kan användas för fram- ställning av provbehållare användbara för utövande av före- liggande uppfinning är 50% SECAR(R) 71, (Lafarge S.A.) vilken huvudsakligen består av 71% Al203, 27% CaO och mindre än 2% totala föroreningar, bland vilka 0,35% Si02, 0,35% Na20, 0,25% Fe203, 0,05% H20 och 0,15% S03 kan nämnas och 50% Refag (Alfa Aggregates Ltd., Newcastle), huvudsakligen bestående av 52% SiO2, 4l,5% A12O3, 3% Fe203, 0,5% K20 och 0,l% Na2O.

Det bör förstås att både provtemperatur och tid som förlöper mellan provtagning och början av stelningen (lika med vätske- kylningshastighet) spelar en roll vid upprättande av den önskade koncentrationsprofilen.

Förfarandet enligt uppfinningen resulterar i ett ökat utbyte av acceptabla göt. Förfarandet enligt US-A-4 667 725 är i ett praktiskt fall omkring 90% acceptabla göt, d v s mer än 80% vermikulär grafit. Enligt föreliggande uppfinning kan dessa siffor i praktiken ökas till omkring 99,5%.

Uppfinningen kommer nu att belysas i detalj med hänvisning till figurerna.

Fig. 1 är ett diagram som visar procenthalten grafit i kom- pakt form med återstoden fjällig grafit och ur vilket framgår att över omkring 0,008% Mg(L) är grafiten fullständigt vermi- kulär och under omkring 0,006% nästan fullkomligt fjällig.

Mellan 0,006% och 0,008% Mg(L) existerar det ett skarpt övergångsområde med olika proportioner de två grafitstruktur- Grfla .

Fig. 2 är ett diagram insatt i en schematisk illustration av ett provtagningskärl och definierar halten av upplöst magnes- ium i provkärlet från provkärlsväggen mot centrum av prov- kärlet. Provkärlsväggen antydes på vänster sida av figuren och en antagen nivå upplöst Mg(L) i centrum anges med den prickade linjen (0,008% Mg(L)). Mg(L)-nivån vid termoelement- en i närheten av provväggen antydes med en annan prickad f» 46.9 712 9 linje 5 (0.005% Mg(L)). Området där fjälliga grafitkristaller bildas antydes med området 4.

Fig. 3 visar temperaturtidkurvor för termoelementet i centrum I och termoelementet i närheten av provväggen II. Kurvan I är en typisk kurva för en vermikulär grafitstelning i centrum av provet. Kurvan II visar vid A en inflexion vilken är typisk för en fjällig grafitstelning. Den relativa uppehållstiden på den första platån (A) är proportionell i förhållande till mängden fjäll inom området i närheten av provkärlets vägg.

Följande exempel belyser uppfinningen. Exemplet förutsätter att det användes i en produktionslinje där magnesiumavbrännan uppskattas till 0,00l% Mg för varje 5 minuter och att den sista formen i nämnda linje fylls med smälta omkring 15 minuter efter det att provet togs.

EXEMPEL Produktion av gjutjärn med vermikulär grafit Den faktiska Mg-nivån vid provtagningstillfället var 0,0l0% fritt, upplöst elementärt magnesium. En termisk analys gjord vid provets centrum visar att smältan kommer att erhållas i huvudsak i form av ett material med vermikulär grafit, medan termoelementet i närheten av väggen visar en tendens mot fjällig grafitbildning. Informationer som därvid erhålles visar att den kvarvarande magnesiumnivån skulle reduceras till 0,008 efter en tidsperiod av omkring 10 minuter och att den sista tredjedelen av gjutningen skulle ge grafit i fjäll- ig form såvida inte Mg-nivån ökas. Behovet för ytterligare tillsats av magnesium var uppenbart ur temperatur-tid-kurvan erhållen från termoelementet beläget i närheten av provkärl- ets vägg.

Denna struktur kan icke bestämmas med förfarandet känt från US-A-4 667 725.

Claims (3)

4169 712 10 15 20 25 30 35 10 Patentkrav

1. Förfarande för framställning av gjutjärnsgöt av det slag som innehåller grafitkristaller i vermikulär form innefatt- ande kontroll och korrektion av gjutjärnsmältans sammansätt- ning, vilket förfarande innefattas av beredning av en gjut- järnsmälta och tillsats till smältan av ett strukturmodifier- ande medel och ett kärnbildande medel i en mängd av åtmins- tone omkring 0,01% upplöst elementärt magnesium eller en motsvarande mängd av något annat strukturmodifierande medel, k ä n n e t e c k n a t av att ett prov på smältan uttages från smältan i ett provkärl utrustat med två termoelement, av vilket det ena är placerat i provkärlets centrum och det andra i närheten av provkärlets vägg och vilket provkärl tillåtes uppnå termisk jämvikt med smältan, vilken provkärls- vägg utgöres av ett material som innehåller eller är täckt med ett skikt av ett ämne vilket sänker koncentrationen av upplöst magnesium med åtminstone 0,003% eller motsvarande procenttal av något annat modifierande medel i smältan i närheten av smältans vägg och i närheten av termoelementet beläget intill nämnda vägg, att temperaturen uppmätta av de två termoelementen registreras, att man utvärderar hos smält- an egenskaperna med de registrerade kurvorna på ett i och för sig känt sätt och även registrerar platåtemperaturer som kan inträffa som ett resultat av fällning av fjälliga grafitkris- taller runt termoelementet beläget i närheten av provkärlets vägg och korrigerar magnesiuminnehållet eller innehållet av nämnda andra modifierande medel med hjälp av platåtemperatur- tid och utrustningsparametrar, så att denna koncentration är tillräcklig för att bilda vermikulära grafitkristaller under hela gjutningstiden som behövs för gjutförfarandet.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att provbehållaren framställes av ett cement och med fyllmedel eller belägges med ett skikt innehållande åtminstone 10% oxider av kisel, mangan och/eller järn, eller åtminstone 0,5% oxider av kalium och/eller natrium. v: __!! 469 712 11

3. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att cementen och fyllmedlet tillsammans innehåller 10-303: S102.