專利名稱：影響鑄鐵性質(zhì)的方法
影響鑄鐵性質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過向鑄鐵熔體中加入鎂從而影響鑄鐵性質(zhì)的方法。 本發(fā)明還涉及通過電化學(xué)測量元件來測量鑄鐵熔體中的氧含量的傳 感器，其中所述電化學(xué)測量元件包括固體電解質(zhì)管。
一般來說，鑄鐵熔體中的游離鎂的含量被認(rèn)為是在鎂處理的鑄鐵 中形成球狀石墨或蠕蟲狀石墨的決定因素。目前用于調(diào)控可鍛鑄鐵生 產(chǎn)過程的方法包括借助光譜分析樣品來確定鎂的總含量，即游離鎂和 結(jié)合鎂的總含量。但是，這種方法所提供的信息并不完整，因為該方 法不能得知游離鎂的含量，而且這種測量方式也不能提供關(guān)于氧活度 的任何信息。然而，同游離鎂一樣，氧活度也是形成石墨形態(tài)的決定 因素。所謂的可鍛鑄鐵是這樣的常規(guī)灰鑄鐵，其經(jīng)過球化添加劑的處 理，因而鑄鐵中的絕大部分石墨碳都是所謂的粒狀石墨或球狀石墨。 由于顆粒的形態(tài)、尺寸及數(shù)目這些參數(shù)會影響到鑄鐵的機(jī)械性能，因 此必須從這些方面對鑄鐵中的粒狀石墨進(jìn)行分析。目視分析方式復(fù)雜 或帶有主觀性，即使在部分自動化的分析中也是如此。這方面的測量
方式是已知的，例如可從專利文獻(xiàn)US 5,675,097中得知。專利文獻(xiàn) DE 19928456A1描述了確定鑄鐵中石墨的空間結(jié)構(gòu)的測量方法，該測 量方法基于氧的測定，并且沒有目視分析方法的缺陷。這樣，反應(yīng)會 更為迅速，并且對生產(chǎn)過程的特定影響會提高產(chǎn)率，或者減少鑄造過 程中所產(chǎn)生的廢料。鑄鐵的質(zhì)量可以得到良好地控制。
可通過(例如)對白口硬化樣品進(jìn)行金相分析或光譜分析、或者 還可通過熱分析來證實鑄鐵中鎂處理的成效。
一般來說，用純鎂或鎂合金來促進(jìn)鑄鐵的球狀形態(tài)。所加入的鎂 中的一部分從鐵中提取氧和硫；剩余部分的鎂，即所謂的游離鎂部分， 控制氧活度。熔體中游離鎂的含量是鑄鐵球化率的決定因素。隨著時 間的推移，熔體中的游離鎂含量減少，而氧活度提高。這會對鑄鐵的 結(jié)構(gòu)以及機(jī)械性能造成影響。
4從(例如)專利文獻(xiàn)DE 10310387B3中可得知用來測定金屬熔 體氧活度的傳感器。在該專利文獻(xiàn)中披露了一種外表面上具有涂層的 固體電解質(zhì)管，該涂層是由鋯酸鈣和氟化物的混合物形成的，從而可 測量(例如)鐵熔體中的硫、硅或碳的濃度。
本發(fā)明的目的是提出一種方法以及用于調(diào)控該方法的傳感器，通過 這種方法和這種傳感器可使得現(xiàn)有技術(shù)得到改善，并且使鑄鐵的機(jī)械性 能在液相時就受到特定的影響。
該問題通過獨立權(quán)利要求的技術(shù)特征而得以解決。在從屬權(quán)利要 求中示出了有利的實施方案。具體而言，本發(fā)明方法的特征在于對 鑄鐵熔體中的氧含量進(jìn)行測量；并且向鑄鐵熔體中加入鎂，直至在約 1，42(TC的溫度(參考溫度)下鑄鐵熔體中的氧含量達(dá)到約0.005 ppm 至0.2 ppm為止。由于測量氧比目前可能的測量鎂的方式更為精確(鎂 在熔體中以游離鎂和結(jié)合鎂的形式存在，因此不可能對鎂作出精確的 分析)，因此能夠更為精確地決定鑄鐵的機(jī)械性能。本領(lǐng)域的技術(shù)人 員可以檢測并利用低氧含量下存在些許大石墨顆粒與較高氧含量下 存在眾多小石墨顆粒這二者之間的相互關(guān)系。這樣，如專利文獻(xiàn)US 5,675,097中已描述的那樣，可以與機(jī)械性能(例如抗拉強(qiáng)度、延伸 率以及變形阻力)相關(guān)聯(lián)。出乎意料的是，己經(jīng)表明，當(dāng)加入鎂直至 氧含量低于0.1ppm、優(yōu)選為介于0.08 ppm和0.1 ppm之間時，鑄鐵 具有最大的延伸率。當(dāng)氧含量更低或更高時，鑄鐵的延伸率會再次降 低。有利的是，向鑄鐵熔體中加入約200ppm至750ppm的鎂，以達(dá) 到所需的氧含量。
本發(fā)明傳感器的特征在于二氧化鋯層被施加于固體電解質(zhì)管的 外表面上。特別是，可采用氧化鈣、氧化釔和/或氧化鎂使該層中的 二氧化鋯穩(wěn)定。有利的是，使用至多30重量％的氧化鈣、至多25重 量％的氧化鎂和/或至多52重量％的氧化釔來使該層穩(wěn)定。特別有利 的是，使用約4重量％至6重量％的氧化鈣來使該層穩(wěn)定。有利的是， 該傳感器的該層是等離子噴鍍的。優(yōu)選的是，該層的厚度為約30pm 至50lim，尤其為約40pm。其上設(shè)置有該層的固體電解質(zhì)管優(yōu)選為 可被約2重量％的氧化鎂穩(wěn)定的二氧化鋯管。下面參照附圖對本發(fā)明的一個示例性實施方案進(jìn)行說明。在這些 附圖中


圖1示出石墨顆粒的數(shù)目與氧含量(氧活度aO)之間的關(guān)系； 圖2示出相對延伸率與氧含量之間的關(guān)系； 圖3示出本發(fā)明的傳感器頭的剖面圖；并且 圖4示出另一實施方案的傳感器的部分剖面。
圖1示出石墨顆粒的數(shù)目隨著氧含量(氧活度aO)的升高而增
加。因此，可通過加入鎂來調(diào)節(jié)氧含量，進(jìn)而調(diào)整石墨顆粒的數(shù)目。 因此，鑄鐵的性質(zhì)在熔體狀態(tài)下就已受到特定的影響。當(dāng)氧活度介于約
0.10 ppm和0.12 ppm之間時能獲得最大的球化率(該數(shù)據(jù)在1,42CTC下 有效)。當(dāng)氧活度降至低于0.10ppm時，球化率降低。這與鑄造生產(chǎn) 實踐中的已知經(jīng)驗(即，過高的鎂含量會對球化率產(chǎn)生不利的影響) 相符。
圖2示出鑄鐵的相對延伸率與氧含量之間的關(guān)系。顯然，當(dāng)氧活 度約為0.08 ppm時，延伸率最大。當(dāng)氧活度較低時，延伸率略微降 低，這可能是由于此時的球化率較小所致。如果氧活度超過該最佳值， 則延伸率會穩(wěn)定降低。該圖表明，可通過加入鎂來調(diào)控鑄鐵熔體中的 氧含量，進(jìn)而影響鑄鐵的相對延伸率。
圖3示出了本發(fā)明的傳感器。在金屬管1中，電線2 (Cu/CuNi/導(dǎo) 體)被設(shè)置在填砂3中。電線通過連接件4與矛狀物或另一固定器相連， 再和分析器單元相連。電線2的另一端與熱電偶5以及電化學(xué)測量元件 6相連。電化學(xué)測量元件6具有固體電解質(zhì)管(Zr02元件)，該固體電 解質(zhì)管具有作為外套的鋼質(zhì)沖擊屏蔽層。Zr02元件的外表面上具有用5 重量％的氧化鈣穩(wěn)定的二氧化鋯層。該層的厚度為約40pm。由于固體 電解質(zhì)管基本上是已知的，因此在圖中未示出其細(xì)節(jié)。
熱電偶5固定在熱電偶密封粘結(jié)劑7內(nèi)的適當(dāng)位置上。測量元件6 也固定在粘結(jié)劑8內(nèi)的適當(dāng)位置上；設(shè)置于傳感器內(nèi)部的測量元件6的 端部被密封塞9封閉，其中電觸頭穿過該密封塞9。兩個傳感器元件5 和6通過塑料夾IO連接在一起。電線以延伸貫通絕熱部件11的方式穿 過金屬管1的內(nèi)部。在傳感器的浸入端，砂體12被設(shè)置在金屬管1的外部以對金屬管l加以保護(hù)。
圖4示出了一種類似的裝置，其中示出了位于載體管13內(nèi)的傳感 器的接觸件。載體管13由紙板形成，并且在載體管13朝向砂體12的 前側(cè)，包圍著由鑄造用砂或水泥形成的防濺管14。為了在輸送以及浸 入熔體的過程中起到保護(hù)作用，傳感器元件5和6本身最初被金屬帽 15包住，該金屬帽15會在傳感器浸入金屬熔體過程中或浸入之后發(fā)生 熔融，從而使傳感器元件5和6暴露出來。
權(quán)利要求
1.一種通過向鑄鐵熔體中加入鎂從而影響所述鑄鐵的性質(zhì)的方法，其特征在于對所述鑄鐵熔體中的氧含量進(jìn)行測量；并向所述鑄鐵熔體中加入鎂，直至所述鑄鐵熔體中的氧含量在約1,420℃的溫度下達(dá)到約0.005ppm至0.2ppm為止；
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于加入鎂，直至所述的氧含量低于0.1 ppm，優(yōu)選為介于0.08 ppm和0.1 ppm之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于加入約200 ppm至750ppm的鎂。
4. 一種通過電化學(xué)測量元件來測量鑄鐵熔體中的氧含量的傳感器，該電化學(xué)測量元件包括固體電解質(zhì)管，所述傳感器的特征在于 二氧化鋯層被施加于所述固體電解質(zhì)管的外表面上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其特征在于所述二氧化鋯 層中的二氧化鋯被氧化鈣、氧化釔和/或氧化鎂所穩(wěn)定。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其特征在于所述二氧化鋯層被至多30重量9b的氧化鈣、或至多25重量％的氧化鎂、或至多52 重量％的氧化釔所穩(wěn)定。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其特征在于所述二氧化鋯 層被約4重量％至6重量％的氧化鈣所穩(wěn)定。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4至7中任意一項所述的傳感器，其特征在于.-所述二氧化鋯層是等離子噴鍍的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4至8中任意一項所述的傳感器，其特征在于 所述二氧化鋯層的厚度為約301im至50jim，尤其為約40 jxm。
10. 根據(jù)權(quán)利要求4至9中任意一項所述的傳感器，其特征在于 所述固體電解質(zhì)管被設(shè)計為二氧化鋯管。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的傳感器，其特征在于所述二氧化 鋯管被約2重量％的氧化鎂所穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過向鑄鐵熔體中加入鎂從而影響鑄鐵性質(zhì)的方法，其中對鑄鐵熔體中的氧含量進(jìn)行測量，并向鑄鐵熔體中加入鎂，直至鑄鐵熔體中的氧含量在約1,420℃的溫度下達(dá)到約0.005ppm至0.2ppm為止。本發(fā)明還涉及通過電化學(xué)測量元件來測量鑄鐵熔體中的氧含量的傳感器，其中所述電化學(xué)測量元件包括固體電解質(zhì)管。
文檔編號C21C1/04GK101595382SQ200880002846
公開日2009年12月2日 申請日期2008年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月22日
發(fā)明者丹尼·哈貝茨 申請人:賀利氏電子耐特國際股份公司