СПОСОБ ВЛИЯНИЯ НА СВОЙСТВА ЧУГУНА
CAST IRON PROPERTIES INFLUENCE METHOD

Изобретение касается способа влияния на свойства чугуна посредством добавки магния к расплаву чугуна. Далее изобретение касается сенсора для измерения содержания кислорода в расплаве чугуна с помощью электрохимической измерительной ячейки, имеющей трубочку из твердого электролита.
В целом свободное содержание магния в расплаве чугуна рассматривают в качестве определенного фактора для образования сфероидального или вермикулярного графита в обработанном магнием чугуне. Современная практика для регулирования производства пластичного чугуна состоит в определении общего содержания магния, то есть свободного и связанного магния, с помощью спектрографически исследуемых образцов. Правда этот метод дает неполную картину, так как содержание свободного магния не известно, и измерения не дают никакой информации об активности кислорода. Однако активность кислорода, которая находится в равновесии со свободным магнием, является определяющим фактором формирования формы графита. Так называемый пластичный чугун является нормальным серым (литейным) чугуном, который обработан сфероидизирующей присадкой, так что большая часть находящегося в чугуне в форме графита углерода является так называемым глобулярным графитом (узелковым графитом) или шарообразным графитом. Глобулярный графит в чугуне должен анализироваться относительно формы, размера и числа частиц, так как эти параметры влияют на механические свойства чугуна. Визуальный анализ является комплексным или субъективным, даже при частично автоматизированном анализе. Измерения для этой цели известны, например, из документа США US 5675097. В заявке Германии DE 19928456 А1 описаны измерения для определения пространственной структуры графита в чугуне, которые основаны на определении кислорода и не характеризуются недостатками визуальных методов. Благодаря этому можно быстро реагировать и направленно влиять на производство, повышая выход или снижая брак при литье. Качество чугуна становится хорошо регулируемым.
Результат обработки магнием в чугуне может определяться, например, путем металлографического или спектрографического анализа закристаллизовавшихся с метастабильной структурой образцов (weiβerstarrung) или также путем термического анализа.
В общем, чистый магний или сплав магния используют, чтобы способствовать шарообразной форме чугуна. Часть добавленного магния извлекают из железа кислород и сера, оставшаяся часть является так называемой свободной долей магния, которая регулирует активность кислорода. Содержание свободного магния в расплаве является определяющим фактором для глобулярности чугуна. Доля свободного магния в расплаве с течением времени снижается, в то время как активность кислорода возрастает. Это оказывает влияние на структуру и механические свойства чугуна.
Сенсоры для определения активности кислорода в расплаве металла известны, например, из патента Германии DE 10310387 В3. Там описана трубочка из твердого электролита, которая на своей наружной поверхности имеет покрытие из смеси цирконата кальция и фторида, так что, например, в расплаве железа можно проводить измерение концентрации серы, кремния или углерода.
В уровне техники известен также способ влияния на свойства чугуна путем добавки магния к расплаву чугуна согласно US 6544359, B1, 08.04.2003.
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать способ, а также сенсор для регулирования способа, с помощью которого существующая техника улучшается, причем целенаправленное влияние на механические свойства чугуна должно оказываться уже в жидкой фазе.
Задача решается посредством признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные формы выполнения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения. В особенности способ согласно изобретению отличается тем, что измеряют содержание кислорода в расплаве чугуна и что в расплав чугуна добавляют магний до тех пор, пока содержание кислорода в расплаве чугуна при температуре около 1420°С в качестве сравнительной температуры составляет около 0,005-0,2 ppm (1/млн). Так как измерение кислорода является точнее, чем возможное до сих пор измерение магния (магний находится в расплаве в качестве свободного магния и в качестве связанного магния, так что точный учет невозможен), анализ механических свойств чугуна становится более точным. Специалист может установить и использовать корреляцию между наличием менее крупных частиц графита при сниженном содержании кислорода с одной стороны и более мелких частиц графита при повышенном содержании кислорода с другой стороны.
Таким образом, возможна корреляция механических свойств, как уже описано в патенте США 5675097, например, в отношении предела прочности при растяжении, удлинения и сопротивления деформации. Для чугуна неожиданно оказалось, что максимальное удлинение достигается в том случае, если добавка магния происходит до тех пор, пока содержание кислорода не становится меньше 0,1 ppm, предпочтительно между 0,08 и 0,1 ppm. При более низком или более высоком содержании кислорода удлинение чугуна вновь снижается. Предпочтительно, если к расплаву чугуна добавляют около 200-750 ppm магния, чтобы достичь желаемого содержания кислорода.
Сенсор согласно изобретению отличается тем, что на обращенную наружу поверхность трубочки из твердого электролита нанесен слой из диоксида циркония. В особенности диоксид циркония может быть стабилизирован слоем оксида кальция, оксида иттрия и/или оксида магния. Предпочтительно, что слой стабилизирован вплоть до 30 вес.% оксида кальция, вплоть до 25 вес.% оксида магния и/или до 52 вес.%
оксида иттрия. В особенности предпочтительно, что слой стабилизирован около 4-6 вес.% оксида кальция. Предпочтительно слой сенсора наносят разбрызгиванием плазмы. Он предпочтительно характеризуется толщиной около 30-50 мкм, в особенности около 40 мкм. Трубочка из твердого электролита, на которой расположен слой, предпочтительно является трубочкой из диоксида циркония, которая может быть стабилизирована приблизительно 2 вес.% оксида магния.
Далее примеры выполнения изобретения описывают с помощью изображений. На них показано:
Фиг.1 - связь между числом частиц графита и содержанием кислорода (активность кислорода аО);
Фиг.2 - связь между относительным удлинением и содержанием кислорода;
Фиг.3 - поперечное сечение головки сенсора согласно изобретению;
Фиг.4 - частичный разрез следующей формы выполнения сенсора.
На фиг.1 видно, что число частиц графита с повышенным содержанием кислорода (активность кислорода аО) возрастает. Следовательно, с помощью регулирования содержания кислорода добавкой магния можно устанавливать число частиц графита. Тем самым целенаправленно влияют на свойства чугуна уже в расплаве. Максимальная глобулярность наблюдается при активности кислорода от приблизительно 0,10 до 0,12 ppm (1/млн) (действительно для 1420°С). Если активность кислорода опускается ниже 0,10 ppm, уменьшается глобулярность.
Это соответствует известному опыту из практики литейного производства, что повышенная доля магния оказывает отрицательное воздействие на глобулярность.
На фиг.2 показана связь между относительным удлинением чугуна и содержанием кислорода. Максимум удлинения (отклонения) различим примерно при 0,08 ppm. При более низкой активности кислорода удлинение незначительно меньше, предположительно вследствие пониженной глобулярности. Если активность кислорода превышает оптимальную величину, это приводит к непрерывному понижению удлинения. График показывает, что возможно посредством установления содержания кислорода в расплаве чугуна путем добавки магния оказывать влияние на относительное удлинение чугуна.
2
2
На фиг.3 представлен сенсор согласно изобретению. В металлической трубке 1 расположены электрические провода 2 (Cu/CuNi/проводник) в стандартном наполнителе 3. Через соединительный элемент 4 электрические провода связаны с измерительной штангой или другой опорой и в дальнейшем с вычислительным блоком. Другой конец проводов 2 связан с термоэлементом 5 и электрохимической измерительной ячейкой 6. Электрохимическая измерительная ячейка 6 имеет трубочку из твердого электролита (ячейка ZrO) со стальным защитным экраном в качестве внешней оболочки. Ячейка ZrO на своей внешней поверхности имеет слой из диоксида циркония, который стабилизирован 5 вес.% оксида кальция. Этот слой имеет толщину 40 мкм. На чертеже он не представлен в отдельности, так как трубочки из твердого электролита в принципе известны.
Термоэлемент 5 фиксирован в уплотняющем термоэлемент цементе 7. Измерительная ячейка 6 также зафиксирована в цементе 8, ее изнутри запирает конец расположенного сенсора с уплотняющим штекером 9, выведенным посредством электрических контактов. Оба элемента сенсора 5, 6 соединены друг с другом пластиковым зажимом 10. Через термически изолированную часть 11 провода проводят сквозь внутренность металлической трубки 1. Для погружения сенсора на внешней стороне металлической трубки 1 предусмотрен песчаный корпус, чтобы защитить сенсор.
На фиг.4 показано похожее устройство, для которого изображено контактирование сенсора в трубке-носителе 13. Трубка-носитель 13 образована из картона и со своей передней, примыкающей к песчаному корпусу стороны окружена защитной трубкой 14 с напылением, которая образована из формовочного песка или цемента.
Сами сенсорные элементы 5, 6 для защиты при транспортировке и при погружении в расплав сначала закрыты металлической крышкой 15, которая во время или после погружения сенсора в расплав металла расплавляется и освобождает сенсорные элементы 5, 6.