SE470091B - Förfarande för bestämning av kolekvivalenten hos strukturmodifierade gjutjärnssmältor - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 470 99? 2 en utsträckt och grenad fjällig form. I detta system in- träffar en eutektisk reaktion mellan 7-järn (austenit) och grafitfjäll vid C.E. ca 4,35% och vid en temperatur av ca 1 155°C. Gjutjärn med en kolhalt eller en C.E. < 4,35 be- tecknas vanligen som undereutektisk medan material med en C.E. större än 4,35 betecknas som övereutektiska. Denna definition har emellertid som ovan nämnts endast mening för fjälligt grått gjutjärn.

Det är möjligt att bestämma det fysiska C.E.-värdet för undereutektiskt gjutjärn medelst fasförändringstemperaturen.

En kylkurva kommer att uppvisa en temperatursänkningsplats när temperaturen hos provet passerar likviduslinjen och 7-fas börjar utfällas. Skälet för denna minskade temperatursänkning är: a) att tillväxtkinetiken för austenitfasen är mycket hög och b) att detta också är fallet med kristallisationsvärmet för 7-fasen.

Dessa faktorer bidrar till en skarp och väldefinierad punkt på temperatur-tid-kurvan med minskad temperatursänkning under viss tid.

Denna princip har sedan länge använts i gjuteríer. I exempelvis SE-B-350 124 visas en anordning för upptagande av en sådan avkylningskurva för smält material.

Försök att använda samma teknik för att bestämma C.E. i över- eutektoida legeringar har emellertid ej varit framgångsrika.

Ur en sådan smälta är den första fasta fasen som utfälles kol i form av fjällig grafit. Kolkristallerna kommer emellertid inte att kärnbildas omedelbart efter passage av likvidus- linjen och det latenta värme som utvecklas är obetydligt och spritt över ett temperaturintervall. Det är därför omöjligt att sätta förändringar i stelningskurvan i samband med en väldefinierad fasomvandlingstemperatur som skulle möjliggöra bestämning av C.E. 10 15 20 25 30 35 3 479 ne: Denna svårighet löses med förfarandet enligt SE-B-342 508.

Där visas att om grafitbildningen kan undertryckas genom tillsats till smältan av vissa ämnen, kommer smältan att underkylas till dess det metastabila systemet uppnås, med 7-järn och cementit. Den första fasen som bildas i mycket övereutektiska smältor under stelningen kommer då att vara cementit, vilken beroende på sin kraftiga tillväxtkinetik frigör tillräcklig mängd värme för att hejda temperatur- sänkningen en viss tid. Sökanden i nämnda patent SE-B-342 508 förefaller inte bekymra sig om att två fullständigt skilda smältor, den ena undereutektisk med primär 7-fasutfällning och den andra övereutektisk utfällning av primär cementit, kommer att ge samma resultat. De har ej heller tagit hänsyn till det mycket viktiga området för 7-likvidusförskjutning mellan det stabila och metastabila tillståndet.

Sökanden till nämnda patent hävdar vidare att vissa element undertrycker grafitbildningen och att tellur, bor och cerium förefaller vara mest effektiva, men också magnesium nämnes i detta sammanhang. Detta påstående är delvis sant, men det hindrar inte att millioner ton segjärn framställes årligen efter begränsade tillsatser av cerium (och andra sällsynta jordartsmetaller samt magnesium) med endast ringa risk för cementitbildning.

Det har nu visat sig att vid studier av modifierade gjutjärn (d v s efter tillsatsen av sällsynta jordartsmetaller och/ eller magnesium), att dessa typer av järn måste beskrivas med ett helt annorlunda fasdiagram, där såväl 7-likviduslinjen som likviduslinjen för modifierade grafitnoduler, C.E. och temperaturen vid den eutektiska reaktionen är förskjutna.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas med hänvisning till bifogade figurer, där fig. 1 visar området kring eutektikum i ett fasdiagram avseende modifierade gjutjärn, och 10 15 20 25 30 470 89"; 4 fig. 2 visar stelningskurvor dels enligt tidigare känd teknik och dels enligt uppfinningen.

I fig. 1 visas förändringen från det normala järn-kol-kisel- fasdiagrammet till ett fall med segjärn med en kärnbildnings- nivå på 100 i 50 noduler mmz i en provstav med en diameter av 2,5 cm. Den eutektiska sammansättningen visade sig vara en C.E. av ca 4,7 och temperaturen vid eutektisk stelning ca l 140°C. Vid denna punkt utfälles 7-järn och grafitnoduler i enlighet med hävstångsprincipen. Under denna punkt utvecklar gammafasen huvudsakligen dendritiska former och över C.E. ca 4,7 kan grafitnoduler primärt utfällas ur smältan, vilka har en tendens att flyta upp till övre delar av smältan.

Skälet till val av denna inokulationsnivå är att denna i de flesta fall representerar det faktiska tillståndet i en segjärnsmälta efter basbehandling (d v s tillsats av medel som FeSiMg och FeSi och eventuellt en viss mängd sällsynta jordartsmetaller).

När denna nivå upprättats i en smälta är det möjligt att med stor exakthet bestämma mängden av det inokulationsmedel som krävs för att man skall erhålla den nivå för nodulmängden som önskas (eller antalet noduler per enhets yta). I denna typ av järn måste restmagnesiumhalten överskrida ca 0,020 vikt-%.

Det är utomordentligt viktigt för gjuteriindustrin att fram- ställa gjutgods med en sammansättning just under den eutekt- iska sammansättningen. I detta område, exempelvis mellan C.E. = 4,55 till 4,65 börjar stelningen med utfällning av ett fint dendritiskt nätverk i hela gjutstycket. Detta nätverk ger en viss stabilitet åt det gjutna materialet och för- hindrar att senare bildade grafitnoduler flyter upp. Det fina dendritiska nätverket kommer inte allvarligt att begränsa smältans interdendritiska flöde och därigenom kan porositeter och krympning undvikas.

Ett tillförlitligt förfarande för att reglera den faktiska C.E. inom sådana snäva gränser under förfarandet skulle vara 'väl 10 15 20 25 30 35 476 09? 5 av stort värde för gjutindustrin. Ingen av tidigare kända metoder kommer att ge de önskade resultaten, antingen be- roende på brist på noggrannhet eller genom att ej kunna tillämpas på strukturmodifierat gjutjärn.

Det har enligt föreliggande uppfinning visat sig att ett prov för termisk analys, som tas för att erhålla information om inneboende kristallegenskaper hos strukturmodifierade smältor och vilket i detalj beskrives i det tidigare kända SE-B- -444 817, kan genom vissa ytterligare åtgärder också användas för att bestämma den fysikaliska C.E. hos kompakt grafitiskt gjutjärn och segjärn i smältor som har ett C.E.-värde upp till den faktiska eutektiska punkten, d v s i ovannämnda fall en C.E. = 4,7%.

Metoden enligt patentet SE-B-444 817 är baserad på att ett prov på den aktuella järnsmältan tages i en förvärmd eller i smältan nedsänkt behållare utrustad med två temperaturkännan- de organ, såsom exempelvis termoelement, det ena placerat nära behållarens innervägg och det andra i behållarens centrum ungefär lika långt från närmaste yttervägg. Om en sådan provbehållare användes kan vanligen tillväxten av gammadendriter observeras som en mer eller mindre klart antydd minskning av stelningshastigheten i provmängdens centrum. Detta förfarande liknar redan känd teknik för att bestämma dels den exakta C.E. i den aktuella typen av material. Det har emellertid visat sig att sådana förfaranden som exempelvis visas i SE-B-342 508 inte är tillräcklig för att lösa problemet.

Det har enligt föreliggande uppfinning visat sig att detta problem kan lösas genom att kärnbildning och igångsättning av utfällning av 7-fasen måste ske med en mekanism som varje gång garanterar att en termisk signal kan erhållas just när temperaturen i provet korsar likviduslinjen i det aktuella fasdiagrammet.

Denna mekanism kan erhållas genom att på innerväggen i prov- behållaren fästa ett eller flera stycken av rent järn. Mängd- 10 15 20 25 30 470 691 6 en järn i detta eller dessa järnstycken skall vara så liten att de inte väsentligen påverkar genomsnittssammansättningen av hela provmängden men tillräckligt stora för att ej helt upplösas och blandas in i provvolymen under fyllning av provbehållaren och efterföljande kylning av provet. Detta innebär i praktiken att en liten mängd tämligen rent järn kommer att finnas i provet. Under kylningen kommer dessa små mängder att kristallisera vid väsentligt högre temperatur än jämviktstemperaturen för y-fasen om man räknar på provets totala sammansättning. Det finns därför en liten y-fas- -kristall som redan bildats när temperaturen passerar yfaslikviduslinjen i det aktuella systemet representerande sammansättningen av huvuddelen av provet.

Vid denna tidpunkt kan y-dendriter omedelbart börja utvecklas i hela provmängden. Påbörjandet av denna första utveckling av y-fasdendriter vid väggen i provbehållaren ger sig till känna genom en tydlig böjning på stelningskurvan upptagen i prov- mängdens centrum. Denna böjning, vilken lättast kan iakttas på derivatan av temperatur-tid-kurvan kan betecknas som y- funktionen. Denna temperatur kan som den verkliga temperatur- en (i °C) relateras till den faktiska likvidustemperaturen eller kalibreras i förhållande till kemisk analys av ett antal prov.

Av ännu större intresse är emellertid att ställa påbörjandet av y-fastillväxt i relation till fortfarighetstemperaturen under den eutektiska reaktionen som direkt följer dendrit- utvecklingen under stelningsförfarandet. Fig. 2 belyser upp- finningen och visar stelningskurvor från centralt belägna temperaturkännande organ i fallet a) visande y-dendrit- tillväxt utan användning av ett igångsättande medel bestående av rent järn. Här anger ca Ty att dendrittillväxten börjar någon gång under det i figuren streckade området. Om ett igångsättande medel användes leder det till att Ty kan identifieras som en bestämd temperatur. Ännu hellre kan differensen mellan Ty och Tcmax användas, vilken differens är angiven på figuren som AT. På detta sätt är det direkt möj- ligt att få ett samband mellan temperaturen och tiden mellan 10 15 20 25 30 35 47Û 091 7 påbörjandet av dendrittillväxt och den eutektiska reaktionen.

Detta ger oss en bättre bild av hur stelningsprocessen sker vid gjutning av strukturmodifierat järn och förfarandet möjliggör att man kan fastställa kolekvivalenten med stor noggrannhet.

När man sålunda erhållit värden från ett stelningsprov och med hjälp av det faktiska värdet på Ty eller AT om Tcmax är fastställd kan man således fastställa den faktiska tempera- turen för T7 och med hjälp av järnkolkiseldiagrammet med för- skjutna värden beroende på legeringstillsatser i den aktuella smältan därmed också C.E. för smältan. Fig. 1 anger således ett diagram b som gäller ett segjärn med 100 1 50 noduler per mmz i en provstav med 2,5 cm diameter. Om således temperatu- ren Ty är 1 150°C eller AT = 10 K kommer C.E. i detta fall att kunna beräknas till 4,55% med hjälp av fig. 1.

En slutlig inreglering av inokulationsegenskaperna erhålles genom en ytterligare tillsats av ferrrokisel (Fe + 75% Si) som emellertid innebär tillsats av kisel och sålunda också en ökning av den slutliga C.E. i det gjutna materialet, vilken tillsats måste tagas med i beräkningen av C.E.

Om t ex 0,16% Fe-75% Si tillsättes efter den genomförda bestämningen av C.E. kommer denna att höjas med +0,04%, vilket lätt kan inses ur följande ekvationer = 0,12% si Vilket ger = 0,04 % C.E.

Föreliggande uppfinning utgör således en väsentlig förbätt- ring av den teknik som beskrives i SE-B-444 817. Enligt detta patent utnyttjas liknande provtagning och reglering av inne- boende kristallisationsegenskaper hos gjutjärnsmältor, såsom modifieringsgrad och antal kristallisationskärnor. Det har inte tidigare varit möjligt att erhålla kännedom om kol- ekvivalenten på ett reproducerbart sätt och än mindre att mäta den på ett sådant sätt att värdet kunnat framtagas på 470 09": 8 kort tid så att även kolekvivalenten kan justeras innan smältan gjutes.

"\ Q?

Claims (2)

10 15 20 470 09% 9 Patentkrav

1. Förfarande för Bestämning av kolekvivalenten hos struktur- modifierade gjutjärnssmältor, varvid ett prov på smältan tag- es i en provbehållare i termisk jämvikt med smältan, vilken provbehållare är försedd med ett centralt placerat tempera- turkännande organ, att smältan tillåtes stelna under regi- strering av temperaturen i förhållande till tiden, k ä n - n e t e c k n a t av att provbehållaren är försedd med ett eller flera stycken av järn med låg kolekvivalent, att styck- ena har en sådan storlek att de icke fullständigt smälter under stelningsförloppet och ej heller väsentligen påverkar smältans genomsnittliga sammansättning, att temperaturen för passage av 7-faslikviduslinjen registreras som en absolut temperatur eller en temperaturdifferens i förhållande till uppmätta och kalibrerade värden på den eutektiska temperatur- en för sturkturmodifierat gjutjärn av nära liknande typ och att kolekvivalenten bestämmes med ledning av ett fasdiagram gällande för detta strukturmodifierade gjutjärn.

2. Användning av förfarandet enligt krav 1, k ä n n e - t e c k n a d av att kolekvivalenten bestämmes hos en smälta, och i mån av behov justeras genom tillsats av kol och/eller kisel eller lågkolhaltigt järn.