通过由冷却曲线确定系数并调节熔体中结构 调整剂的含量而生产的有致密石墨或球状石墨的铁铸件 本发明涉及一种改进的推算显微结构的方法，一定的铸铁熔体将以该显微结构凝固。本发明还涉及一种用于实现这一方法的设备.
WO86／01755(引用为参考文献)公开了一种利用热分析生产致密石墨铸铁的方法。从一个熔融铸铁池中提取一个样品，并使该样品在0．5至10分钟内凝固。同时由两个感温装置记录温度，其中一个感温装置被放在样品的中心，而另一个则置于紧靠容器壁处。由两个感温装置中的每一个记录所谓的冷却曲线，该冷却曲线表示作为时间的函数的铸铁样品的温度。根据这一文献，可以确定为获得所需的显微结构而必须添加到熔体中的结构调整剂的必要量。但是，该文献中没有提供如何评价这些曲线地更详细的信息。
WO92／06809(引用为参考文献)描述了一种用于评价由WO86／01755的方法所获得的冷却曲线的特定方法.根据这一文献，冷却曲线中开始的曲线平直部分表示片状石墨晶体已经靠近感温装置地析出。当有意地将样品容器涂覆以一层消耗结构调整剂的活性形式的含氧化物或硫化物的材料，并由此在铸造过程中模拟了它的自然损失或衰减，在由靠近容器壁设置的感温装置所获得的冷却曲线中常常可发现上述那种曲线平直部分。于是，熟悉本领域的技术人员可利用校准数据确定为获得致密石墨铸铁是否要在熔体中添加任何的结构调整剂。
WO92／06809的方法要求带有一个明显的平直部分的“完美”曲线。但是，有时尽管已经形成了片状石墨，却仍然记录出一个没有明显平直部分的冷却曲线。到目前为止，还不能利用没有明显平直部分的曲线为基础来计算为了在整个铸造过程中产生致密石墨铸铁所必须添加的结构调整剂的精确量。
而现在已经证明，实际上可以利用任何形状的对于共晶凝固和不完全共晶凝固所获得的冷却曲线、并以WO86／01755和WO92／06809的设备为基础计算出必须添加的结构调整剂的精确量。本发明的方法包括以下步骤：
a)确定为了获得致密石墨铸铁或球状石墨铸铁而必须添加到熔体中的作为γ的函数的结构调整剂的量，其中，
γ=(TAmax-TAmin)／(TBmax-TBmin)
式中，
TAmax是在样品容器中心处记录的冷却曲线的局部最大值；
TAmin是在样品容器中心处记录的冷却曲线的局部最小值；
TBmax是在样品容器壁处记录的冷却曲线的局部最大值；
TBmin是在样品容器壁处记录的冷却曲线的局部最小值；
b)确定为了获得致密石墨铸铁或球状石墨铸铁而不得不添加到熔体中的作为φ的函数的结构调整剂的量，其中，
φ=(TA’max)／(TB’max)
式中，
TA’max是在样品容器中心处记录的冷却曲线的一次导数的最大值；以及
TB’max是在样品容器壁处记录的冷却曲线的一次导数的最大值；
c)确定为了获得致密石墨铸铁或球状石墨铸铁而不得不添加到熔体中的结构调整剂的量，该结构调整剂的量是在样品壁处记录的冷却曲线一次导数的第一峰值的面积(ρB)的函数；
d)确定为了获得致密石墨铸铁或球状石墨铸铁而必须添加到熔体中的作为κ的函数的结构调整剂的量，其中，
κ=σA／σB
式中，
σA是在样品容器中心记录的冷却曲线的一次导数的第二个峰值下的面积；
σB是在样品容器壁处记录的冷却曲线的一次导数的第二个峰值下的面积；
e)对于一种熔融铸铁的一个特定的样品，分别记录在样品容器中心处及样品容器壁处的冷却曲线；
f)根据步骤e)的结果，从步骤a)-d)中选择一个给出最精确结果的校准曲线；以及
g)计算必须添加到熔体中的结构调整剂的量。
如前面所述，本发明涉及一种用于推算一定铸铁熔体将要以之凝固的显微结构的改进方法。通过利用本发明的方法，与现有技术相比，可以评价更大范围的温度时间曲线，并还能获得更加精确的结果。
这里所用的术语“冷却曲线”是指表示作为时间的函数的温度的曲线图，该曲线图是用WO86／01755和WO92／06809中所公开的方法记录的。
这里所公开的术语“样品容器”是指一个小的样品容纳装置，当用于热分析时，该小的样品容纳装置装有熔融金属的样品。这样，在凝固过程中以一种适当的方式记录熔融金属的温度。样品容器的壁涂布有这样一种材料，该材料在紧靠容器壁处降低熔体中结构调整剂的量。样品容器优选地以WO86／01755，WO92／06809，WO91／13176(引用为参考文献)，以及WO96／23206(引用为参考文献)中所公开的方式设计。
在本文中所用的术语“取样器”是指一种包括一个如下所述容器的装置，该容器配备有至少一个用于热分析的感温装置以及一个用于将熔融金属注入到样品容器中的装置，所述感温装置在分析过程中被浸入正在凝固的金属样品中。样品容器优选地以WO96／23206中公开的方式配备所述传感器。
本文中所用的术语“结构调整剂”是指可促进存在于熔融铸铁中的石墨球化或析出的化合物。可从本领域中公知的球化物质组及形状调整剂中选择适宜的化合物，例如镁，铈及其它稀土金属。熔融铸铁中结构调整剂的浓度与凝固铸铁的石墨形态学之间的关系已在上面引用的文献WO92／06809和WO86／01755中讨论过。
本发明还涉及一种用于控制致密石墨铸铁的生产的设备，该设备取出一份熔融铸铁的样品，利用本发明的方法计算结构调整剂(如果需要的话)向熔融铸铁中的必要添加量，并向熔融铸铁中提供所述量的结构调整剂。该设备包括一个取样器，一个以计算机为基础的数据获取系统，以及一个用于向熔融铸铁中引入结构调整剂的装置。取样器装有一份具有代表性的熔融铸铁的样品，使该样品经受热分析，在热分析过程中，将温度／时间的测量结果传送给一台计算机并以冷却曲线的形式表现出来。计算机计算出必须添加的结构调整剂的量并自动地驱动用于引入结构调整剂的装置，从而向熔体中提供适量的这种附加剂。
下面将参考附图对本发明进行描述，图中：
图1是通过可与本发明联合使用的取样器的一部分的剖视图；
图2示出了利用两个感温装置记录的冷却曲线的例子，其中一个感温装置设置在样品容器的中间(曲线Ⅰ)，而另一个感温装置则靠近容器壁(曲线Ⅱ)；
图3表示对应于图2中的曲线Ⅱ的冷却曲线。图中也示出了该曲线的一次导数；
图4A定义了参数TB’max，TBmax TBmin。该图中示出了TB值以及壁部区域冷却曲线部分的σB，该曲线包括壁部区域惯常的过冷复挥和稳态生长。中心区曲线参数总的被标以大写字母A，而壁部参数则被标以大写字母B。图4B示出了取决于凝固初始阶段中片状石墨的生长量的曲线的三种不同的形态；
图5表明在正在凝固的熔融金属的样品中的液流，以及这些液流如何影响通常在容器壁附近形成的片状石墨铸铁层；
图6示意地表示根据本发明的用于控制致密石墨铸铁的生产的设备。
如上所述，图1示出了一个在实施本发明方法时可以采用的取样器200的盛装金属的部分。用于将熔融金属的样品注入样品容器中的装置在图中未示出。取样器200配备有两个基本上按前述WO86／01755所公开的技术设置的传感器，第一个对温度敏感的传感器220的感温部分210被置于熔融金属30的中心，而第二个传感器240的感温部分230则被设置在靠近内壁50的内表面60(其上可以设有涂层或未被涂覆，图中未示出涂层)的地方。设有一个传感器支承构件250，用于在分析过程中将传感器220，240固定就位。传感器支承构件由脚255连接到容器上，在浸入时熔融金属从这些脚255之间流入容器中。
图2表示由两个感温装置记录的一组冷却曲线的例子，其中一个感温装置被置于样品容器的中间(曲线Ⅰ)，而另一个感温装置则靠近容器壁(曲线Ⅱ)。曲线Ⅰ是一条在样品中心的致密石墨凝固的典型曲线。第一个拐点或者热驻点是由与亚共晶铸铁相同的一次奥式体的形成而引起的。相反地，在曲线Ⅱ中的拐点则表示在与容器壁的涂层反应之后由于结构调整剂的不足而引起的片状石墨的局部形成。曲线Ⅱ及其相应的一次导数也示于图3中。在这种情况下，在冷却曲线的一次导数的第一个峰值(ρB)的面积与在容器壁附近形成的片状石墨的量之间存在一定的关系。
当一个铸件／试样在铸模／样品容器中凝固时，大气中或铸模／样品容器材料中的任何氧、硫等均可能与铸铁中的结构调整剂发生反应。对于致密石墨铸铁而言，这可能导致在靠近铸模／样品容器壁处形成片状石墨。事实上，当结构调整剂的浓度降低时，所形成的片状石墨的量会较大。因此，在壁处形成的片状石墨的量可用作为残留于金属主体中的结构调整剂的浓度的量度。
由于片状石墨与致密石墨相比会在较高的过冷温度成核，所以可利用热分析将其区分开。图3表示在靠近壁处记录的冷却曲线及相应的一次导数，在壁处既形成了片状石墨也形成了致密石墨。片状石墨形成的量可通过测量温度时间曲线的一次导数的第一峰值的面积ρB加以监测。致密石墨形成的量可类似地通过测量温度时间曲线的一次导数的第二峰值的面积σB进行监测。
但是，由于冷却曲线的形状，有时不能计算上面定义的面积ρ和σ之一或对两者均不能进行计算。在图4B中给出了在靠近壁处记录的偏离理想曲线形状(图2和图3中的曲线Ⅱ)的曲线的例子。到目前为止，还不能评价由曲线TB1，TB2和TB3所表示的结果，而且在得到这种曲线的情况下，必须进行重复测量，这会造成生产率的损失，同时有可能因过度的温度损失而使铸铁报废。
根据本发明，可依据如下事实对冷却曲线进行分析：当形成片状石墨的量增加时，形成致密石墨的量必须减少，因为释放出的碳的总量近似为一个常数。图4A示出了一条在壁附近记录的与只有致密石墨形成的情况有关的冷却曲线。致密石墨的形成以曲线的正的最大斜率(T’Bmax)，复辉(TBmax-TBmax)和面积σB为特征。图4B给出了随着片状石墨形成量的逐渐增加的同一个曲线。随着片状石墨量的增加，复辉、最大斜率及T’B下的面积均减小。
在壁附近区域中由片状石墨的初始形成所释放出的热量非常小，而且确实不足以依赖它作为一个控制参数。但是，如果样品容器底部的形状基本上是球形的；并且如果容器本身是经过预热的(例如将其浸入熔融铁水中)从而避免了在壁附近区域中形成凝固铁的激冷层；以及，如果容器可以被自由地悬挂从而使热量不被吸收到底板或安装台架内，则在盛装于样品容器中的熔融铸铁内将会形成一个十分有利的对流液流。这些对流液流将把片状石墨从样品容器的被预热的上壁上“漂洗”掉，同时有效地将片状石墨的生长集中到基本上为球形的容器的底部处的与铁水流分开的区域内。通过关键性地将壁部传感器置于该与铁水流分离开的区域内，将会获得一个更大的和更灵敏的对片状石墨的壁反应的测量结果。
为实施本发明的方法，需要进行四种校准，即：
a)确定为了获得致密石墨铸铁或球状石墨铸铁所必须添加到熔体中的作为γ的函数的结构调整剂的量，其中，
γ=(TAmax-TAmin)／(TBmax-TBmin)
式中，
TAmax是在样品容器中心处记录的冷却曲线的局部最大值；
TAmin是在样品容器中心处记录的冷却曲线的局部最小值；
TBmax是在样品容器壁处记录的冷却曲线的局部最大值；
TBmin是在样品容器壁处记录的冷却曲线的局部最小值；
b)确定为了获得致密石墨铸铁或球状石墨铸铁而必须添加到熔体中的作为φ的函数的结构调整剂的量，其中，
φ=(TA’max)／(TB’max)
式中，
TA’max是在样品容器中心处记录的冷却曲线的一次导数的最大值；以及
TB’min是在样品容器壁处记录的冷却曲线的一次导数的最大值；
c)确定为了获得致密石墨铸铁所必须添加到熔体中的结构调整剂的量，该结构调整剂的量是在样品容器壁处记录的冷却曲线一次导数的第一峰值的面积(ρB)的函数；
d)确定为了获得致密铸铁或球状石墨铸铁而必须添加到熔体中作为κ的函数的结构调整剂的量，其中，
κ=σA／σB
式中，
σA是在样品容器中心记录的冷却曲线的一次导数的第二个峰值下方的面积；
σB是在样品容器壁处记录的冷却曲线的一次导数的第二个峰值下方的面积；
当然，在生产球状石墨铸铁时要进行相应的校准。
绝大多数的校准以在样品容器中心处记录的冷却曲线为基础。其原因是，通常在中心处不会形成片状石墨，因此，TAmax-TAmin，TA’max和σA不会受到片状石墨析出的消极影响。因而，即使当变质处理进行得非常缓慢以致于在壁处形成片状石墨时，中心部仍然可被用作参考点。
在进行了如前面所引用的文献WO86／01755和WO92／06809中所描述的传统热分析之后，校准必须添加到一个特定样品中的结构调整剂的量。然后，对冷却曲线进行分析，确定γ，φ，ρB，和κ。求出必须添加的结构调整剂的量的三个独立的确定值，而对于熟悉本领域的人员来说，选择给出最精确结果的确定值是很简单的。
优选的是，采用一个计算机控制系统来实现该推算方法，特别是当需要进行大量的测量时。在这种情况下，采用与上面已经描述过的相同类型的取样器22。图6简略地表示出这种计算机控制系统。在对一个特定样品进行测量的过程中，两个感温装置10，12向一个包括一ROM单元16和一RAM单元15的计算机14发出信号，以便生成冷却曲线。该计算机在一个ROM单元16内可以获得上面所述的校准数据并计算出必须添加到熔体中的结构调整剂的量.将该量作为信号输入到用于向熔体20中引入结构调整剂的装置18以进行校正，从而向熔体提供恰当数量的这种附加剂。