PL169001B1 - Sposób wytwarzania zeliwa sferoidalnego PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania zeliwa sferoidalnego, w którym kontroluje sie i koryguje wlasciwosci krzepniecia wytopu zeliwa, pobierajac próbke wytopu bazowego za pomoca pojemnika i doprowadzajac pojemnik do termicznej równowagi z wytopem, przy czym ten pojemnik wyposaza sie w dwa czujniki temperaturowe, z których jeden jest usytuowany w srodku pojemnika, a drugi w poblizu sciany pojemnika, a nastepnie doprowadza sie próbke do krzepniecia i rejestruje sie temperatury w czasie procesu krzepniecia i oblicza sie na podstawie temperatur zarejestrowanych w czasie krzepniecia sferoidyzacje wydzielanych krysztalów grafitu i odpowiadajaca jej zawartosc procentowa modyfikatora struktury, zna- mienny tym, ze do wytopu w pojemniku próbkowym dodaje sie w okreslonej proporcji tlenek, siarczek lub tlenosiarczek majacy zdolnosc utleniania takiej ilosci modyfikatora obecnego w próbce, która odpowiada ilosci zanikajacego modyfikatora w czasie calego procesu odlewania, a jednoczesnie bada sie ilosc modyfikatora w próbce i dodaje sie dodatkowa ilosc modyfikatora do podstawowego wytopu dla zapewnienia calkowicie sferoi- dalnej struktury grafitu we wszystkich odlewach. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania żeliwa sferoidalnego.

Wynalazek dotyczy w szczególności sprawdzania i korygowania składu w zakresie właściwości fizycznych wytopu żeliwa i określania wewnętrznej struktury wytopu poprzez termiczną analizę wytopu i wprowadzanie wymaganych poprawek.

Znane jest powszechne stosowanie analizy termicznej do określania charakterystyk wytopów metali. Sposób termicznej analizy polega na tym, że próbka wytopu krzepnie w odpowiednim pojemniku wyposażonym w jedną lub więcej termopar, za pomocą których są rejestrowane temperatury występujące podczas krzepnięcia próbki. Wydzielanie różnych faz i przekształcenia fazowe mogą być określone z krzywych wykresu temperatura-czas.

Przy produkcji żeliwa sferoidalnego istotne jest to, żeby ilość występującego modyfikatora struktury była wystarczająca do wytwarzania sferoidalnych wydzielań grafitu. Oczywiście, środek zarodkujący musi występować w wystarczającej ilości.

Opis patentowy Ub-A-4 667 725 ujawnia sposób określania właściwości strukturalnych występu, które pozwalają na określenie struktury metalograficznej rozwijającej się w czasie krzepnięcia stopionego metalu. Sposób polega na pobieraniu próbki z wytopu i doprowadzaniu wytopu do krzepnięcia w pojemniku próbkowym, wyposażonym w dwa czujniki termiczne, z których jeden jest umieszczony w sąsiedztwie wewnętrznej ściany pojemnika próbkowego. W czasie procesu krzepnięcia, zmiany temperatur w czasie są rejestrowane poprzez oba czujniki termiczne. Z wyników tych rejestracji, odczytuje się punkty wartości minimalnych i maksymalnych, czas trwania temperatur ustalonych, progi, pochodne etc. i na ich podstawie przewiduje się właściwości strukturalne metalu, które będą uzyskane. Sposób według Ub-A-4 667 725 jest przeznaczony głównie do wytwarzania zwartego żeliwa, które stało się wyzwaniem dla znawców. Jednakże ten sposób może także być wykorzystany do przewidywania właściwości strukturalnych wytopu żeliwa sferoidalnego. Typowy wytop żeliwa sferoidalnego ma wartość równoważnika węgla 4,4 - 4,6, to jest żeliwa nadyutektycznego. Sposób ujawnia jedynie, że uzyskuje się sferoidalne wydzielenia grafitowe. Nie ma żadnej informacji odnoszącej się do nadmiarowych ilości modyfikatora struktury. Oznacza to, że nawet jeżeli ilość modyfikatora jest wystarczająca do uzyskania produktu o dobrej lejności w momencie pobierania próbki, zawartość tego modyfikatora może zmniejszyć się wskutek zanikania lub wypalania się w czasie procesu odlewania i dlatego formy, które są zalewane jako ostatnie mogą być wypełniane żeliwem, które zawiera niewystarczające ilości modyfikatora.

Zanikanie modyfikatora jest przypadkowe w zależności od stosowanego procesu i szczególnego stosowanego urządzenia. Na przykład w jednej szczególnej odlewni, zanikanie modyfikatora stanowi 0,003% Mg w ciągu każdych 5 minut. Okres odlewania wynosi w tym przypadku około 15 minut. Mówiąc inaczej, okazało się, że zawartość modyfikatora (w tym przypadku zawartość magnezu) zmniejsza się w sumie o 0,009% w czasie całego okresu odlewania.

Powyżej wymienione problemy zmuszają odlewników do stosowania stosunkowo dużego nadmiaru modyfikatora, aby zagwarantować żeliwo całkowicie sferoidalne w ciągu całego przebiegu każdego procesu. Stosowanie nadmiernej ilości modyfikatora, takiego jak magnez, ma jednak wady. Czyni proces droższym, zwiększa tendencję do tworzenia się szczątkowych węglików i może powodować tworzenie niepożądanych wtrąceń tlenkowych w odlewach.

Sposób wytwarzania żeliwa sferoidalnego, według wynalazku, w którym kontroluje się i koryguje właściwości krzepnięcia wytopu żeliwa pobierając próbkę wytopu bazowego za pomocą pojemnika i doprowadzając pojemnika do termicznej równowagi z wytopem, przy czym ten pojemnik wyposaża się w dwa czujniki temperaturowe, z których jeden jest usytuowany w

169 001 środku pojemnika, a drugi w pobliżu ściany pojemnika, a następnie doprowadza się próbkę do krzepnięcia i rejestruje się temperatury w czasie procesu krzepnięcia i oblicza się na podstawie temperatur zarejestrowanych w czasie krzepnięcia sferoidyzację wydzielanych kryształów grafitu i odpowiadającą jej zawartość procentową modyfikatora struktury, charakteryzuje się tym, że do wytopu w pojemniku próbkowym dodaje się w określonej proporcji tlenek, siarczek lub tlenosiarczek mający zdolność utleniania takiej ilości modyfikatora obecnego w próbce, która odpowiada ilości zanikającego modyfikatora w czasie całego procesu odlewania, a jednocześnie bada się ilość modyfikatora w próbce i dodaje się dodatkową ilość modyfikatora do podstawowego wytopu dla zapewnienia całkowicie sferoidalnej struktury grafitu we wszystkich odlewach.

W alternatywnej odmianie wynalazku sposób wytwarzania żeliwa sferoidalnego charakteryzuje się tym, że pobiera się próbkę wytopu podstawowego do kadzi i dodaje się w określonej proporcji tlenki, siarczki lub tlenosiarczki do kadzi, a następnie pojemnik próbkowy wyposażony w dwa czujniki temperatury zanurza się w próbce wytopu zawartej w kadzi, następnie wydobywa się, pojemnik z próbką wytopu i doprowadza się do krzepnięcia wytopu rejestrując temperatury krzepnięcia, przy czym tlenki, siarczki lub tlenosiarczki dodaje się w ilości utleniającej taką ilość modyfikatora obecnego w próbce, która odpowiada ilości zanikającego modyfikatora w czasie całego procesu odlewania, a jednocześnie bada się ilość modyfikatora w próbce i dodaje się dodatkową ilość modyfikatora do podstawowego wytopu dla zapewnienia całkowicie sferoidalnej struktury grafitu we wszystkich odlewach.

Korzystnie jako modyfikator stosuje się magnez, a jego zawartość obniża się poprzez utleniania o 0,005-0,015%.

Korzystnie jako modyfikator stosuje się głównie magnez.

Korzystnie początkową zawartość modyfikatora w wytopie podstawowym dobiera się tak, że po zmniejszeniu zawartości modyfikatora wynosi ona poniżej 0,03%, a następnie dodaje się modyfikatora do wytopu podstawowego w ilości wystarczającej do uzyskania całkowicie sferoidalnego grafitu we wszystkich odlewach uzyskanych z wytopu podstawowego.

Korzystnie jako czujniki temperaturowe stosuje się termopary.

Niniejszy wynalazek umożliwia zmniejszenie modyfikatora bez ryzyka otrzymania odlewów, w których grafit nie jest całkowicie w postaci sferoidalnej.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zależność pomiędzy różnymi typami wydzieleń grafitu, wyrażonymi w procentowej zawartości sferoidalnych wydzieleń grafitu, i zawartością procentową rozpuszczonego elementarnego magnezu, fig. 2 - typową zarejestrowaną krzywą zależności temperaturaczas wytopu żeliwa sferoidalnego, w którym ilość rozpuszczonego elementarnego magnezu jest zmniejszona o 0,01%.

Sposób wytwarzania żeliwa sferoidalnego według wynalazku polega na starannym sprawdzeniu i korygowaniu składu i wewnętrznych fizycznych właściwości wytopu żeliwa. Sposób polega na pobieraniu próbki z wytopu przeznaczonego do odlewania żeliwa sferoidalnego. Do wytopu dodaje się modyfikator w ilości, która jest co najmniej wystarczająca do wytworzenia grafitu sferoidalnego w czasie krzepnięcia, ale unika się nadmiernych ilości modyfikatora. Próbkę wytopu wprowadza się do pojemnika, który jest doprowadzony do równowagi cieplnej z wytopem. Pojemnik próbkowy jest wyposażony w dwa czujniki termiczne, z których jeden jest umieszczony w środku objętości próbki, a drugi jest usytuowany w pobliżu ściany pojemnika próbkowego. Próbkę wytopu zawartą w pojemniku doprowadza się do krzepnięcia, a wartości temperatury występujące w czasie procesu krzepnięcia rejestruje się za pomocą czujników termicznych. Jako czujniki termiczne mogą być zastosowane na przykład termopary lub pirometry.

Do próbki wytopu w pojemniku próbkowym dodaje się odpowiednie ilości tlenków, siarczanów lub tlenosiarczków w ilości, która jest wystarczająca do utleniania modyfikatora do obniżenia jego zawartości procentowej o około 0,01% (obliczone dla magnezu).

Jako modyfikator korzystnie stosuje się magnez, często w połączeniach z metalami ziem rzadkich, chociaż może być użyty również inny modyfikator. W celu uproszczenia, powołano się tutaj na modyfikator zawierający jedynie magnez, który umożliwia podanie realistycznych

169 001 procentowych wskaźników. Znawca w tej dziedzinie natychmiast zorientuje się jakie poprawki są wymagane, gdy stosuje się inne modyfikatory.

Środek utleniający według niniejszego wynalazku, dodaje się do naczynia próbkowego w określonej ilości. Środek utleniający reaguje z próbką wytopu, która ma określoną objętość, zależną od kształtu stosowanego naczynia próbkowego, poprzez utlenianie modyfikatora, zwykle magnezu. To działanie utleniające zmniejsza zawartość aktywnego modyfikatora o określoną wcześniej wielkość procentową, która jest obliczona odpowiednio do straty aktywnego modyfikatora wskutek jego zanikania w czasie zwykłego czasu procesu odlewania.

Jest również możliwe pobranie próbki wytopu za pomocą kadzi i następnie dodanie odpowiednich ilości środka utleniającego do kadzi. Pojemnik próbkowy następnie zanurza się w kadzi i napełnia wytopem. Pojemnik próbkowy jest następnie wyjmowany i przeprowadza się rejestrację temperatur krzepnięcia.

Jak wynika z wykresu pokazanego na fig. 1, zależność pomiędzy różnymi typami wydzieleń grafitu i zawartością procentową rozpuszczonego magnezu umożliwia przewidywanie zawartości procentowej magnezu dla tworzenia się grafitu o niecałkowicie sferoidalnej (zwartej) budowie.

Jak widać z fig. 1, przy zawartości Mg w wytopie w zakresie od 0,016% do 0,032%, określenie ilości utworzonego grafitu sferoidalnego pozwala uzyskać informację o zawartości procentowej rozpuszczonego magnezu. W zakresie zawartości Mg około 0,032% Mg jest niemożliwe zaobserwowanie zmian zawartości magnezu na podstawie krzywych krzepnięcia, zaś przy zawartościach poniżej 0,016% Mg grafit jest całkowicie sferoidalny aż do obszaru poniżej 0,008% Mg, gdzie staje się on płatkowy.

Figura 2 przedstawia krzywe zależności temperatura-czas, mierzone w środku próbki wytopu żeliwa sferoidalnego (Tc) i w pobliżu ściany pojemnika próbkowego (Tw). Wytop charakteryzuje temperatura T_w, która oznacza przechłodzenie powstałe przy termoparze umieszczonej w sąsiedztwie ściany pojemnika próbkowego i informuje o wydzielaniu zarodków w wytopie (krzywa Tw). Ważnym parametremjest rekw, który stanowi dodatnia pochodna krzywej krzepnięcia oraz temperatura Tc, która oznacza różnicę pomiędzy równowagową temperaturą eutektyczną Te i maksymalną wartością temperatury w środku pojemnika próbkowego (krzywa Tc). Wielkość Tc daje informację o procentowej zawartości wydzieleń grafitu sferoidalnego. Znawcy w tej dziedzinie orientują się, które wartości odpowiadają stosowanemu urządzeniu.

Sygnał z termopar jest funkcją utajonego ciepła wytwarzającego się podczas procesu krzepnięcia. W związku z tym, że szybkość wzrostu utajonego ciepła zależy od mechanizmu wzrostu, wydzieleń, na który z kolei ma wpływ ilość modyfikatora obecnego w wytopie, szybkość wzrostu utajonego ciepła może być ustalona jako funkcja wielkości długości wydzielonych kryształów grafitu, podzielonej przez ich szerokość, od powiedzmy 20/1 dla typowego zwartego kształtu grafitu do 1/1 w przypadku całkowicie sferoidalnego kryształu.

Wykres zmian wartości analizy termicznej morfologii próbki ma zatem swoje maksimum w środku krzywej w kształcie S pokazanej na fig. 1, a minimum w miejscu, gdzie krzywa ta jest płaska.

Wynalazek jest poparty następującymi przykładami, które nie mają na celu ograniczenia zakresu wynalazku.

Przykład I. Wytworzono wytop żeliwa, w którym rzeczywista zawartość rozpuszczonego magnezu wynosiła 0,035% (obliczone kolej no). Analiza termiczna została przeprowadzona w znany sposób w próbce wytopu zawartej w pojemniku próbkowym typu opisanego w ogólnej części opisu. Analiza wskazała, że próbka wytopu ma zadawalającą jakość z prawie całkowitą sferoidyzacją.

Dążono do zakończenia całego procesu odlewania w ciągu 15 minut od momentu pobrania próbki. Zakładając, że prędkość zanikania Mg wynosi 0,003% w ciągu 5 minut, rzeczywisty poziom Mg powinien wynieść 0,026% na końcu 15 minutowego okresu i osiągnąć zakres, w którym, w końcowych odlewach serii, występuje żeliwo sferoidalne o gorszej jakości, ze sferoidyzacją mniejszą niż standardowe 80%.

W termicznych analizach, przeprowadzonych według wynalazku, pierwotny poziom magnezu próbki został obniżony o 0,010% poprzez dodatek żelaza i siarki, w ten sposób dając

169 001 wynik odpowiadający 0,035-0,010=0,025% Mg i sferoidyzację wynoszącą około 50% (patrz, fig. 1).

Tak więc jest konieczne zwiększenie zawartości Mg w całym wytopie do co najmniej 0,042% Mg tak, aby skompensować stratę magnezu zanikającego w czasie całego procesu (na przykład 15 minut). Zatem konieczne jest dodanie magnezu w ilości 0,042-0,035=0,007%.

Przykład II. Testowano według wynalazku wytop żeliwa, w którym rzeczywista zawartość aktywnego magnezu była 0,055%. Analizy termiczne wykazały sferoidyzację 100% (0,055-0,10=0.045).

Wytop żeliwa był przeznaczony do wytwarzania odlewów w okresie odlewania dłuższym niż 15 minut. Nie zaobserwowano żadnych problemów dotyczących sferoidyzacji, chociaż analiza metalograficzna wykazała pewne wtrącenia tlenków i niewielkie ilości węglików w zakrzepniętej próbce. Badanie wykazało, że modyfikator występuje w nadmiarze i może być zmniejszony w następnym wsadzie wytopu. Alternatywnie, zawartość magnezu może być zmniejszona poprzez zastosowanie czasu wytrzymywania przed odlewaniem lub poprzez dodanie odpowiednich ilości środka utleniającego.

Tak więc wynalazek zapewnia cenne narzędzie w dziedzinie odlewania produktów z żeliwa sferoidalnego.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,50 zł

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania żeliwa sferoidalnego, w którym kontroluje się i koryguje właściwości krzepnięcia wytopu żeliwa, pobierając próbkę wytopu bazowego za pomocą pojemnika i doprowadzając pojemnik do termicznej równowagi z wytopem, przy czym ten pojemnik wyposaża się w dwa czujniki temperaturowe, z których jeden jest usytuowany w środku pojemnika, a drugi w pobliżu ściany pojemnika, a następnie doprowadza się próbkę do krzepnięcia i rejestruje się temperatury w czasie procesu krzepnięcia i oblicza się na podstawie temperatur zarejestrowanych w czasie krzepnięcia sferoidyzację wydzielanych kryształów grafitu i odpowiadającą jej zawartość procentową modyfikatora struktury, znamienny tym, że do wytopu w pojemniku próbkowym dodaje się w określonej proporcji tlenek, siarczek lub tlenosiarczek mający zdolność utleniania takiej ilości modyfikatora obecnego w próbce, która odpowiada ilości zanikającego modyfikatora w czasie całego procesu odlewania, a jednocześnie bada się ilość modyfikatora w próbce i dodaje się dodatkową ilość modyfikatora do podstawowego wytopu dla zapewnienia całkowicie sferoidalnej struktury grafitu we wszystkich odlewach.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako modyfikator stosuje się magnez, a jego zawartość obniża się poprzez utlenianie o 0,005-0,015%.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako modyfikator stosuje się głównie magnez.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że początkową zawartość modyfikatora w wytopie podstawowym dobiera się tak, że po zmniejszeniu zawartości modyfikatora wynosi ona poniżej 0,03%, a następnie dodaje się modyfikator do wytopu podstawowego w ilości wystarczającej do uzyskania całkowicie sferoidalnego grafitu we wszystkich odlewach uzyskanych z wytopu podstawowego.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako czujniki temperaturowe stosuje się termopary.
6. 6. Sposób wytwarzania żeliwa sferoidalnego, w którym kontroluje się i koryguje właściwości krzepnięcia wytopu żeliwa, pobierając próbkę wytopu bazowego za pomocą pojemnika i doprowadzenia pojemnika do termicznej równowagi z wytopem, przy czym ten pojemnik wyposaża się w dwa czujniki temperaturowe, z których jeden jest usytuowany w środku pojemnika, a drugi w pobliżu ściany pojemnika, a następnie doprowadza się próbkę do krzepnięcia i rejestruje się temperatury w czasie procesu krzepnięcia i oblicza się na podstawie temperatur zarejestrowanych w czasie krzepnięcia sferoidyzację wydzielanych kryształów grafitu i odpowiadającą jej zawartość procentową modyfikatora struktury, znamienny tym , ee pobiera się próbkę wytopu podstawowego do kadzi i dodaje się w określonej proporcji tlenki, siarczki lub tlenosiarczki do kadzi, a następnie pojemnik próbkowy wyposażony w dwa czujniki temperatury zanurza się w próbce wytopu zawartej w kadzi, następnie wydobywa się, pojemnik z próbką wytopu i doprowadza się do krzepnięcia wytopu rejestrując temperatury krzepnięcia, przy czym tlenki, siarczki lub tlenosiarczki dodaje się w ilości utleniającej taką ilość modyfikatora obecnego w próbce, która odpowiada ilości zanikającego modyfikatora w czasie całego procesu odlewania, a jednocześnie bada się ilość modyfikatora w próbce i dodaje się dodatkową ilość modyfikatora do podstawowego wytopu dla zapewnienia całkowicie sferoidalnej struktury grafitu we wszystkich odlewach.
7. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że jako modyfikator stosuje się magnez, a jego zawartość obniża się poprzez utlenianie o 0,005-0,015%.
8. 8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że jako modyfikator stosuje się głównie magnez.
9. 9. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że początkową zawartość modyfikatora w wytopie podstawowym dobiera się tak, że po zmniejszeniu zawartości modyfikatora wynosi ona poniżej 0,03%, a następnie dodaje się modyfikator do wytopu podstawowego w ilości wystar169 001 czającej do uzyskania całkowicie sferoidalnego grafitu we wszystkich odlewach uzyskanych z wytopu podstawowego.
10. 10. Sposób według eastrz.6, znamieiuiy tym, żejakoezynniki tnmpereturowe stosuj e się termopary.