專利名稱：確定要加到鑄鐵中的變質劑的量的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及改進的預測微觀結構的方法，其中有成分中碳當量接近鐵-碳相圖中的共晶點的鑄鐵熔體將凝固。本發(fā)明也涉及實施該方法的裝置。
WO86/01755(結合作為對比文件)公開了一種使用熱分析制造致密石墨鑄鐵的方法。從鑄鐵熔池中取出一試樣，該試樣允許在0.5-10分鐘內凝固。溫度被兩個對溫度敏感的裝置同時記錄，一個對溫度敏感的裝置安排在試樣的中部，而另一個在容器壁的附近。代表作為時間函數(shù)的鑄鐵熔體的試樣溫度的冷卻曲線對這兩個對溫度敏感的裝置記錄下來。按照該文件，可以確定必須加到鑄鐵熔體中以便得到要求的微觀結構的結構變質劑的量。但是在該文件中公開的冷卻曲線比較均勻和沒有公開變化。
為了精確確定在鑄鐵試樣中的石墨微觀結構，一般的熱分析技術(如WO86/01755公開的那種)要求冷卻曲線，其中由奧氏體生成造成的第一熱駐點是與共晶凝固的開始引起的熱釋放有區(qū)別地分開。但是有時得到的冷卻曲線沒有這種有區(qū)別的分開的熱駐點。直到現(xiàn)在，還不可以使用與近共晶鑄鐵相應的冷卻曲線監(jiān)視石墨的成長。
WO93/20965教導其中石墨在鐵之前成核的過共晶熔體不提供當溫度與液相線相交時的有區(qū)別的平直段。這清楚地歸因于石墨結晶有一個比鐵較低的潛熱釋放。
通過把少量的低碳鐵放在熔體中，低碳鐵部分地局部地熔解，而試樣仍然是熔融的。當試樣冷卻時，由于有較低的碳當量(CE)，包住釘?shù)臍堄嗟墓腆w部分的比較純的鐵開始凝固。最后，當試樣體積冷卻低于液相線，釘?shù)臍堄嗟墓腆w的體積、周圍的低CE和釘?shù)娜刍糠珠_始凝固，和激發(fā)在相反的情況下是過共晶熔體中的凝固。結果是有奧氏體平直部分顯示在冷卻曲線上。
WO93/20965也陳述在Tδ和Tmax之間的溫差可用來建立與碳當量的關系。但是WO93/20965涉及過共晶熔體，也就是其中碳當量如此高使得從主凝固得到的熱釋放不與冷卻曲線的最小值(WO93/20965的圖2(a)的陰影區(qū))重合的熔體。因此，主凝固和奧氏體凝固是分開的。
上述對比文件中沒有一篇討論關于對鑄鐵熔體進行熱分析以便確定近共晶的熔體的碳當量。另外，WO93/20965建議對有高達4.7％的碳當量的熔體進行測量。達到這種高值是不利的，因此會有石墨的浮動和石墨形狀的變性。類似地，WO93/20965的方法是不利的，因為要求過分加入低碳鋼或鐵到試樣容器中，因此導致更高的成本和更花費勞動力的方法。
本發(fā)明提供了評價在近共晶鑄鐵熔體中記錄的冷卻曲線的可能性。通過測定作為時間函數(shù)的在熔體試樣中部產生的純熱量可評價這些曲線。隨后使用該信息識別中部記錄的冷卻曲線部分，該部分可用作確定必須加到熔體的結構變質劑的量以產生致密石墨鑄鐵、和/或球形石墨鑄鐵和識別曲線上與形成初生奧氏體連系的部分的基礎。
一些術語的定義如下這里用的術語“冷卻曲線”涉及作為時間函數(shù)的溫度的曲線圖，該圖以WO86/01755，WO92/06809的方式記錄。
這里用的術語“發(fā)熱曲線”涉及在熔融鑄鐵的一定區(qū)域產生的熱量的曲線圖。為了本發(fā)明的目的，這里的所有的發(fā)熱曲線對位于熔融鑄鐵試樣的中心區(qū)域測定。該區(qū)一般涉及A區(qū)。
這里公開的術語“試樣容器”涉及小的試樣容器。當用在熱分析時，試樣容器裝有熔融金屬的試樣。隨后在凝固中溫度用合適的方法記錄下來，優(yōu)選地，試樣容器用WO86/01755、WO92/06809、WO91/13176(結合作為參考)和WO96/23206(結合作為參考)公開的方式設計。
這里所公開的術語“取樣裝置”涉及一種裝置，包括一個試樣容器，裝有至少兩個用于熱分析的對溫度敏感的裝置，所述的對溫度敏感的裝置在分析中浸在凝固的金屬試樣中，和一個充填熔融金屬試樣的裝置。該試樣容器優(yōu)選地裝有在WO96/23206中公開的方式的所述的傳感器。
這里公開的術語“結構變質劑”涉及影響在熔融鑄鐵中的石墨的形態(tài)的化合物。合適的化合物可從鎂和稀土金屬(如鈰)的化合物或這些化合物的混合物中選出。在熔融鑄鐵中的變質劑的濃度和凝固的鑄鐵中的石墨形態(tài)之間的關系已在上述文件WO92/06809和WO86/01755中公開。
這里用的術語“CGI”涉及致密石墨鑄鐵。
這里用的術語“SGI”涉及球形石墨鑄鐵。
下面參照


本發(fā)明，附圖中圖1A-4A公開了冷卻曲線。一根連續(xù)的線涉及在熔體中心的溫度、和一般虛線涉及接近試樣容器壁的溫度。圖1B-4B示出與圖1A-4A的冷卻曲線相應的A區(qū)發(fā)熱區(qū)域。圖1涉及常態(tài)的亞共晶鑄鐵和圖2-3示出近共晶鑄鐵的曲線，包括碳當量的增加值，圖4公開了涉及亞共晶鑄鐵的曲線。
圖5是控制按照本發(fā)明的致密石墨或球形石墨鑄鐵的生產的裝置的示意圖。
圖6是試樣容器的示意圖，其中熱是沿所有方向近似均勻地傳送。在測量中，試樣容器裝著熔化鑄鐵。熔化鑄鐵可認為是冷凍的球。A區(qū)涉及在熔化鑄鐵的中心的球，和B區(qū)涉及包著A區(qū)的熔化鑄鐵。半徑r1和r2分別為A區(qū)和B區(qū)的平均半徑。
如上所述，本發(fā)明涉及改進的解釋在近共晶鑄鐵熔體中冷卻曲線的方法。冷卻曲線的一個重要方面是中部記錄的冷卻曲線的再輝峰的最大斜率。在圖1A、2A、3A中該值標為α。在與近共晶鑄鐵熔體相當?shù)睦鋮s曲線中，轉折點(圖中標為tp)位于接近α，和正確地測定斜率是很難的。在圖2A、3A中可發(fā)現(xiàn)這種曲線的實例。但是，已經證明如果計算與熔化鑄鐵中心區(qū)(A區(qū))相應的發(fā)熱曲線則可以相當簡化在α處的最大曲率的測定。這種發(fā)熱曲線使可能確定在中部記錄的冷卻曲線的tp的位置，和檢查它是否影響再輝峰的斜率。
任何均勻元件的熱平衡符合下式Qstored＝Qgenerated+Qin-Qout……(1)式中Qstored是被材料的熱容量儲存的熱量；Qgenerated是材料容積產生的熱量；
Qin是從周圍轉入材料的熱量；Qout是從材料轉到周圍的熱量。
在實施本發(fā)明時，優(yōu)選地用如SE 9704411-9中公開的試樣容器。在這種試樣容器中，容器中的試樣的傳熱沿所有方向近似同樣的。下面說明包含在試樣容器中的熔化鑄鐵的中心部分(圖6，A區(qū))和更周邊的部分(圖6，B區(qū))之間的熱傳遞由于A區(qū)位于熔化鑄鐵試樣的中部，和該區(qū)可看出一個凍球，沒有熱量傳入該區(qū)和Qin等于零。在上面公式(1)中的近似替換得到下列等式CpmAdTA/dt＝QgenA+0-4πke[(TA-TB)/(1/r1-1/r2)]…… (2)式中Cp是每單位質量的熱容量；mA是A區(qū)的質量；dTA/dt是每單位時A區(qū)的溫度變化；QgenA是A區(qū)產生的熱量；ke是材料的有效傳熱系數(shù)；(1/r1-1/r2)-1是對于熱傳遞的平均距離。
其中半徑r1和r2在圖6中限定，TA和TB分別是A區(qū)和B區(qū)的溫度。
從公式(2)我們可以離析出發(fā)熱這一項，和計算在A區(qū)的平均體積發(fā)熱QgenA＝CpmAdTA/dt+4πke[(TA-TB)/(1/r1-1/r2)]…… (3)在公式(3)中，除了dTA/dt和(TA-TB)，其它變量是常數(shù)。因此等式(3)可簡化為QgenA＝K1dTA/dt+K2(TA-TB)……(4)式中K1和K2為常數(shù)。因此可以從在熔化鑄鐵的中部和周邊部分記錄的一套冷卻曲線計算熱釋放曲線。
如上所述，這些計算是基于熱是沿所有方向均勻傳遞的情形。當然本專業(yè)技術人員也可以計算相應于其它熱傳遞條件的其它公式。
如前面所述，某些鑄鐵熔體的碳當量影響其相應的冷卻曲線和熱釋放曲線的形狀。根據(jù)碳當量，這種冷卻曲線和發(fā)熱曲線可分類為下面四種模式的一種
第一種如圖1所示，涉及亞共晶鑄鐵。在試樣中心記錄的冷卻曲線的特征是與形成奧氏體連系的第一轉折點，接著是一個局部的最小值。解釋該曲線沒有特別的困難，可按照WO86/01755和WO92/06809列出的原理進行。應注意在區(qū)域A發(fā)熱曲線上有峰(tp)，該峰相應在中部記錄的冷卻曲線上的轉折點(和因此相應奧氏體生成的開始)。
第二種如圖2所示，涉及近共晶鑄鐵，該曲線的特征在于在試樣中心記錄的冷卻曲線上有一個很平的局部最小值。沒有看到轉折點。但是更容易發(fā)現(xiàn)在發(fā)熱曲線上與奧氏體生成點相應的峰。
在該情形下，結果是奧氏體生成點tp位于與導致很平的最小值的局部最小值相連。從圖2A和2B可看出tp不影響在α處的斜率。
第三種如圖3所示，也涉及近共晶鑄鐵，其特征是在試樣中部記錄的冷卻曲線上在局部最小值之后有一個可探測到的轉折點。在測定發(fā)熱曲線后，可方便地把奧氏體生成點tp的位置定在緊靠局部最小值之后的一個位置。但是，在該情形下，再輝點和因此α點被奧氏體生成所影響。為了可以忽視“移動的奧氏體生成點”的影響和發(fā)現(xiàn)位于tα(其中tα＞tp)的正確的α，tα也就是中部記錄的冷卻曲線緊鄰tp的部分，和具有時間值t使t-tp比預定的門檻值tv大，和對第一時間導數(shù)的一個最大值α1尋找出時間t。該值α1用作在該方法中的正確的α。本專業(yè)技術人員可方便地確定合適的門檻值tv，但是這些值的典型實例為1-5秒。
第四種，如圖4A所示，涉及過共晶鑄鐵。這一類型的特征是沒有明顯的轉折點或寬的最小值可以見到。A區(qū)的發(fā)熱曲線不包括任何可探到的峰。本發(fā)明不用于該情形。
優(yōu)選地使用計算機控制系統(tǒng)來實施預測方法，特別當必須進行大量的測量時更是如此。在這種情形下，使用上述的同樣類型的取樣裝置22。這種計算機制控系統(tǒng)在圖6中示意地示出。在具體的試樣測量中，兩個對溫度敏感的裝置10、12把信號傳到包括一個ROM單元16和一個RAM單元15的計算機14以便得到冷卻曲線。計算機14與一個記憶裝置19連接，在記憶裝置19中儲存著一個程序。在下面，當說明計算機工作，計算機應理解被記憶裝置19中的程序。記憶裝置可以是一個ROM電路或一個硬盤。程序可通過數(shù)據(jù)總線(未示出)從一個不易失記憶裝置(如一個CD-ROM或一個軟磁盤)供到記憶裝置19。計算機有在ROM單元16中的校準數(shù)據(jù)的存取和可計算必須加入到熔體中的變質劑的量。該量發(fā)信號傳到裝置18，使把結構變質劑加到熔體20中的量被校正，因此對熔體供應了合適量的結構變質劑。
權利要求
1.一種確定必須加到一定的鑄鐵中的結構變質劑的量的方法，加入這種變質劑是為了從有一個亞共晶或近共晶成分的熔融鑄鐵得到致密石墨鑄鐵或球形石墨鑄鐵，該方法要求一個取樣裝置，包括一個試樣容器、作為時間的函數(shù)監(jiān)督在所述的試樣容器中部和接近壁處的溫度，和把變質劑加到熔融鑄鐵中的裝置，所述的方法包括下列步驟a.按照在試樣容器中部記錄的冷卻曲線第一次導數(shù)的最大值α的函數(shù)，對選定的鑄造方法，校準必須加到亞共晶鑄鐵中的結構變質劑的量以便得到致密石墨鑄鐵或球形石墨鑄鐵；b.使用一個取樣裝置取出一個熔融鑄鐵的試樣；c.使所述的試樣在試樣容器中凝固，在凝固過程中記錄在試樣容器中部及試樣容器壁處的冷卻曲線；d.確定指示在試樣的中部產生的熱作為時間的函數(shù)的發(fā)熱曲線，其中應用i.熱平衡公式Qstored＝Qgenerated+Qin-Qout式中Qstored-被材料熱容量儲存的熱量；Qgenerated-材料容積產生的熱量；Qin-從周圍轉入材料的熱量；Qout-從材料轉到周圍的熱量，ii.在步驟c中記錄的冷卻曲線；e.鑒定在步驟d中得到的發(fā)熱曲線上可能的局部最大點tp的位置，其中最大點相應于步驟c中得到的中部記錄的冷卻曲線的奧氏體生成點，和控制是否有該奧氏體生成點影響中部記錄的冷卻曲線的最大斜率值的危險；和f.如果tp已經確定，和如果沒有最大的第一次導數(shù)值α被奧氏體生成點影響的危險，使用該值α和在步驟a中得到的校準數(shù)據(jù)計算必須加到熔體的結構變質劑的量(Va)。g.如果tp已經確定，和如果tp-tα小于門檻值ttv，鑒定一個時間tα1(tα1＞tα)，在該時間中部記錄的曲線第二次導數(shù)為零，確定第一次導數(shù)值α1，和使用該值α1和在步驟a中得到的校準數(shù)據(jù)計算必須加到一定的鑄鐵熔體中的結構變質劑的量。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于確定為得到致密鑄鐵必須加到鑄鐵熔體中的結構變質劑的量。
3.按照權利要求1或2的方法，其特征在于在含有熔融鑄鐵的試樣容器中熱傳導沿所有的方向近似相等。
4.一種由具有共晶或近共晶成分的鑄鐵熔體制造致密石墨鑄鐵或球形石墨鑄鐵的方法，包括下列步驟a.提供具有共晶或近共晶的鑄鐵熔體；b.按照權利要求1或3的方法，確定必須加到一定的鑄鐵中的結構變質劑的量以便得到致密鑄鐵或球形石墨鑄鐵；c.把步驟b中確定的結構變質劑的量加到鑄鐵熔體中；和d.按已知的方式進行鑄造操作。
5.一種在制造致密石墨鑄鐵的方法中，在實際的時間確定要加到亞共晶或近共晶鑄鐵中的結構變質劑的量的裝置，所述的裝置包括用來記錄的試樣容器中部的冷卻曲線的第一溫度傳感器(10)；用來記錄在試樣容器壁的附近的冷卻曲線的第二溫度傳感器(12)；用來確定要加到熔體中的結構變質劑的量(Va)的計算機(14)；設有預記錄的校準數(shù)據(jù)的記憶裝置(16)；計算機設定以確定作為時間函數(shù)的在試樣中部產生的熱量(發(fā)熱曲線)，其中使用i.熱平衡公式Qstored＝Qgenerated+Qin-Qout式中Qstored-被材料熱容量儲存的熱量；Qgenerated-材料容積產生的熱量；Qin-從周圍轉入材料的熱量；Qout-從材料轉到周圍的熱量，ii.由第一和第二溫度傳感器(10，12)記錄的溫度曲線；計算機設定以確定作為時間函數(shù)的與試樣中部產生的熱量的局部最大值相應的時間值tp；計算機設定以計算由第一溫度傳感器(10)記錄的冷卻曲線的第一次導數(shù)的最小值，和把該值定為變量α和把相應的時間定為變量tα；計算機設定以比較時間值tp與tα，和如果tα-tp小于門檻值tv，則計算機設定以確定在時間值tα1時新的第一導數(shù)值α，該時間值tα1比tα大，并且tα相應于由第一溫度傳感器(10)記錄的冷卻曲線的一部分，其中第二次導數(shù)近似為零，把該新的第一次導數(shù)值定為值α；計算機設定以通過使用第一導數(shù)值α和預記錄的校準曲線確定要加到鑄鐵熔體中的結構變質劑的量(Va)。6.一種用在在制造致密石墨鑄鐵的方法中在實際的時間確定要加到鑄鐵熔體(20)中的結構變質劑的量的裝置中的計算機程序產品，其中所述的裝置有用來記錄在試樣容器中部的冷卻曲線的第一溫度傳感器(10)；用來記錄在試樣容器壁的附近的冷卻曲線的第二溫度傳感器；用來確定要加到熔體中的結構變質劑的量(Va)的計算機(14)；設有預記錄的校準數(shù)據(jù)的記憶裝置(16)；計算機程序產品包括一個記錄介質和一個計算機可讀的編碼裝置，用來控制計算機以確定作為時間函數(shù)的在試樣中部產生的熱量(發(fā)熱曲線)，其中使用i.熱平衡公式Qstored＝Qgenerated+Qin-Qout式中Qstored-被材料熱容量儲存的熱量；Qgenerated-材料容積產生的熱量；Qin-從周圍轉入材料的熱量；Qout-從材料轉到周圍的熱量；和ii.由第一和第二溫度傳感器(10，12)記錄的冷卻曲線；一個記錄介質和一個計算機可讀的編碼裝置，用來控制計算機以確定作為時間函數(shù)的在試樣中部產生的熱的局部最大點相應的時間值tp；一個記錄介質和一個計算機可讀的編碼裝置，用來控制計算機以計算由第一溫度傳感器(10)記錄的冷卻曲線的第一次導數(shù)的最大值，和把該值定為變量α和把相應的時間定為變量tα；一個記錄介質和一個計算機可讀的編碼裝置，用來控制計算機以比較tp和tα，和如果tα-tp小于一個門檻值tv，鑒定一個位于時間tα1的一個新的第一導數(shù)值α，該時間值tα1比tα大并且tα相應由第一溫度傳感器(10)記錄的冷卻曲線的一部分，其中第二導數(shù)值近似等于零和把該新的第一導數(shù)值定為變量α；一個記錄介質和一個計算機可讀的編碼裝置，用來控制計算機以通過使用第一導數(shù)值α和預記錄的校準曲線確定要加到熔體中的結構變質劑的量(Va)。
全文摘要
本發(fā)明提供了評價在近共晶鑄鐵熔體中記錄的冷卻曲線的可能性。通過確定作為時間函數(shù)在試樣中部熔體中產生的純熱量評價上述曲線。該信息隨后用來鑒定中部記錄的冷卻曲線部分,該冷卻曲線部分可用作確定必須加入的結構變質劑的量以制造致密石墨鑄鐵和/或球形石墨鑄鐵,和鑒定所述曲線與形成初生奧氏體相關的部分。
文檔編號B22D27/00GK1359428SQ9981453
公開日2002年7月17日 申請日期1999年12月16日 優(yōu)先權日1998年12月18日
發(fā)明者康尼·安德松, 帕特里克·波佩拉日, 湯姆·施羅德 申請人:新特卡斯特有限公司