Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Probenahmevorrichtung für die thermische Analyse von erstarrendem Metall, insbesondere für die thermische Analyse bei der Herstellung von Gussteilen.

Die thermische Analyse ist eine Technik, welche Variationen des Temperaturwechsels von geschmolzenen Substanzen während der Erstarrung beobachtet, um fähig zu sein, die Feinstruktur zu bestimmen und folglich die Eigenschaften der Substanzen im festen Zustand zu bestimmen. Dieses erfolgt durch das Nehmen von Proben aus der Schmelze, Überführen der Probe in ein Probegefäß und Aufzeichnen und Bewerten einer zeitabhängigen Temperaturänderung in der Probe während des Erstarrens, mit Hilfe von temperaturempfindlichen Sensoreinrichtungen, wie Thermoelemente oder andere im Stand der Technik bekannte Vorrichtungen.

Wenn die thermische Analyse zum Aufzeichnen der Erstarrung von geschmolzenen Metallen, wie von Gusseisen mit Vermikulargrafit (CGI) benutzt wird, ist es wichtig, dass die Analyse unter den gleichen geometrischen und thermischen Bedingungen erfolgt, wie diese in den Gussteilen vorliegen. Der Beitrag des Probegefäßes besteht darin, dass Kühlen während des Erstarrens der Probe aus geschmolzenem Metall zu steuern, derart, dass die geometrischen und thermischen Bedingungen im Probekörper mit denen vergleichbar sind, die in den Gussteilen vorliegen. Die Fähigkeit zum exakten Messen des Erstarrungsverhaltens des geschmolzenen Metalls gestattet einer Gießerei ihren Prozess zu steuern und eine hohe Produktionsqualität zu gewährleisten.

Probegefäße für die thermische Analyse sind in einer Vielzahl von Gestaltungen bekannt. Diese können zur Verwendung mit Aluminiumschmelzen aus Grafit hergestellt sein oder können aus einem keramischen Werkstoff bestehen, wenn ihre Verwendung mit Gusseisen beabsichtigt ist. Wegen Auflösung und/oder thermischem Ungleichgewicht können sie jedoch nicht aus Stahl bestehen.

Ein Nachteil vieler Gefäße besteht darin, dass sie aus Werkstoffen gemacht sind, welche schwer zu bearbeiten sind. Ein anderer Nachteil ergibt sich daraus, dass sie in das (schmelzflüssige) Metall eingetaucht werden, wenn eine Probe genommen wird, was die Gefahr thermischer Schockrisse in sich birgt, insbesondere, wenn sie aus keramischen Werkstoffen bestehen, wodurch sie leicht reißen.

Die WO-A1-96/23206 beschreibt ein Probegefäß, welches in ein Bad eines zu analysierenden geschmolzenen Metalls eingetaucht wird. Es wird ein Probegefäß beschrieben in Form eines doppelwandigen Stahlgefäßes mit einem Raum zwischen den Wänden, mit einer geringen radialen Wärmeleitfähigkeit. Der Raum kann mit einem isolierenden Gas, wie Luft, gefüllt werden. Die Innenwand des Gefäßes ist dünn und beinhaltet demzufolge eine geringe Wärmekapazität, so dass es leicht sein wird, innerhalb kurzer Zeit stabile thermische Bedingungen zu erhalten. Ferner werden Wärmeverluste aus der Außenoberfläche der Innenwand nicht in die Umgebungsluft entlassen, weil eine als Strahlungsschild wirkende Außenwand die Innenwand und den isolierenden Raum zwischen den Wänden umgibt.

Das vorstehend erwähnte Probegefäß gemäß WO-A1-96/23206 ist durchaus geeignet für die thermische Analyse bei der Herstellung von Gusseisen mit Vermikulargrafit wegen seiner speziellen Eigenschaften. Dieses Gefäß ist jedoch teuer in der Herstellung, was einen Nachteil darstellt, da es nur einmal benutzt werden kann. Die Thermoelemente sind eigens positioniert, d.h., dass eines nahe der Innenwand positioniert ist und eines in einer Position welche sich bemüht, das Zentrum einer hypothetischen Kugel aus geschmolzenem Metall zu simulieren mit gleichförmigem Wärmeverlust pro Flächeneinheit. Tatsächlich ist der Wärmeverlust aus dem Bodenabschnitt weit geringer als aus der Oberseite. Ein Grund für dieses ungleichförmige Verhalten ist darin zu sehen, dass der offene obere Abschnitt weit mehr Wärme je Flächeneinheit abgibt als der abgerundete Bodenabschnitt. Ein weiterer Grund liegt darin, dass der Kontakt zwischen den beiden Oberflächen an der oberen Verbindung der Wärme gestatten, den isolierenden Luftraum zu umgehen. Darin liegt ein beträchtlicher Nachteil, weil sich korrekte Ergebnisse nicht immer erzielen lassen.

Es ist äußerst wichtig mit einer vergleichbaren Geschwindigkeit wie diejenige der zu kontrollierenden Gussteile abzukühlen. Abkühlen unter Gleichgewichtsbedingungen würde zu lange dauern, um von praktischem Wert für die Prozesssteuerung zu sein, beispielsweise für die Herstellung von Gusseisen mit Vermikulargrafit, weil Ergebnisse nicht zur Verfügung stünden bevor der Gießprozess abgeschlossen ist. Außerdem würde Abkühlen unter Gleichgewichtsbedingungen nicht zu einem Material mit vergleichbarem Feingefüge führen.

Weiterhin ist es wichtig, dass die Probenahmevorrichtung nicht zu teuer ist, weil sie nur einmal benutzt werden kann. Weil spezielle genaue Messelemente, wie Thermoelemente teuer sind, wird bevorzugt, sie mehrfach zu benutzen. Ein Hauptnachteil vieler bekannter Probevorrichtungen ist, dass die recht teuren Thermoelemente nur einmal benutzt werden.

Ein anderer Nachteil besteht darin, dass es schwierig ist, große Serien von Probegefäßen zu niedrigen Kosten herzustellen, wobei alle Gefäße vergleichbare Eigenschaften hinsichtlich geometrischer und thermischer Bedingungen etc. aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese beträchtlichen Nachteile zu überwinden durch Verwendung einer verbesserten Probenahmevorrichtung, mit einem Probebehälter mit kontrolliertem Wärmeverlust je Flächeneinheit, welcher eine Kugel aus geschmolzenem Metall simuliert, weil eine Kugel am gleichmäßigsten ist und deshalb die am besten geeignete und zuverlässige Gestalt für die thermische Analyse. Diese Probenahmevorrichtung mit kontrolliertem Wärmeverlust je Flächeneinheit simuliert eine sphärische Erstarrung der Metallschmelze im Inneren des Probebehälters, hat aber keine sphärische Gestalt, z.B. wegen herstellungsbedingter Beschränkungen. Die Probenahmevorrichtung nach der Erfindung umfasst einen doppelwandigen Behälter, der mit einem Strahlungsschild an der Oberseite und mit einem kontrollierten Raum zwischen den Wandungen versehen ist, wobei diese Vorrichtung einen besser kontrollierten Wärmeverlust zeigt, nicht bei hohen Temperaturen versagt, nicht teuer ist und eine verbesserte Positionierung der temperaturabhängigen Sensoreinrichtungen, wie von Thermoelementen aufweist, welche leicht ausgebaut und wieder verwendet werden können.

Ein weiteres wichtiges Problem, welches die vorliegende Erfindung löst, besteht in dem Verschieben eines thermischen Zentrums der simulierten Kugel aus geschmolzenem Metall, welche sich nach unten verschiebt sobald die freiliegende obere Oberfläche der Probe im Inneren des Behälters erstarrt.

Alle diese Bedürfnisse werden befriedigt mit Hilfe des Behälters mit den im beigefügten Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Bis jetzt stand eine solche Probenahmevorrichtung nicht zur Verfügung.

Die Probenahmevorrichtung ist für einmalige Verwendung vorgesehen, ist preiswert und erbringt reproduzierbare geometrische und thermische Konditionen.

Es ist gefunden worden, dass von der Außenoberfläche der Behälterinnenwand abgegebene Wärme nicht notwendigerweise in die Umgebungsluft entlassen werden muss, da dieses es sehr schwierig machen würde, eine gesteuerte, langsame und reproduzierbare Wärmeabfuhrrate zu erzielen. Deshalb liegt der Zweck der Außenwand darin, zusammen mit der Innenwand einen Raum zwischen den Wänden zu definieren, welcher steuert wo Wärme aus dem Boden und den Seiten des erstarrenden Metalls verlorengeht.

Folglich ist der Raum zwischen der inneren und der äußeren Wand ein wichtiger Parameter zum Regulieren des Wärmeverlustes durch Strahlung und Wärmeleitung. Wenn dieser Raum evakuiert ist oder mit einem transparenten Material, wie mit Luft, gefüllt ist, kann Strahlung ein wichtiger Wärmeübergangsmechanismus sein. Steigt die Temperatur des in der Probenahmevorrichtung erstarrenden Metalls an, so wird Strahlung zunehmend wichtiger, weil ihre Wirkung mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur zunimmt.

Durch Auswählen und gänzliches oder teilweises Füllen des Raumes mit einem geeigneten Medium, und/oder durch Verändern der Höhe des Raumes ist es möglich, die Geometrie der Wärmeabfuhrrate der Probenahmevorrichtung an die Werte anzugleichen, die von der thermischen Analyse benötigt werden. Das Medium kann irgendein bekanntes und geeignetes Medium sein, so wie Sand, Vermiculit, Glimmer, Magnesiumoxid, Chlorit, verschiedene Keramiken oder Kombinationen derselben, aber bevorzugt ist ein Gas, wie Luft, wegen der Kosten. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt ein Abstand (d1) zwischen den Wänden in dem abgeflachten Bodenabschnitt des Behälters lediglich 5–50 %, vorzugsweise etwa 20 % eines Abstandes (d2), zwischen den Seitenwänden des Behälters, wodurch der Wärmeverlust durch Wärmeleitung aus dem Boden ansteigt. Wegen des verringerten Raumes am Boden des Behälters wird der Wärmeverlust durch Wärmeleitung am Boden erhöht, was den Wärmeverlust aus dem offenen oberen Bereich des Behälters ausgleicht, wodurch ein Wärmeverlust simuliert wird, wie er bei der sphärischen Erstarrung einer Kugel aus geschmolzenem Metall auftritt.

Ein anderer Parameter von höchster Bedeutung ist die Gestalt des Behälters. Um in eine Schutzröhre abgeschlossene wärmeempfindliche Sensoren in einem gewissen Abstand von der Innenoberfläche der Innenwandung zu positionieren, hat der Behälter eine abgeflachte Bodenfläche. Aus praktischen Erwägungen während der Herstellung haben beide Wandungen, d.h. die Innenwand und die Außenwand abgeflachte Boden. Die Fläche des abgeflachten Bodenteils der inneren Wand ist wenigstens so groß wie die Fläche eines die Sensoreinrichtung enthaltenden Schutzrohres, um einen konstanten Abschnitt bis zum Ende dieses Rohres zu gewährleisten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser der abgeflachten Bodenfläche zweimal so groß wie der Durchmesser der Schutzrohr-Fläche, vorzugsweise noch größer. Das Schutzrohr, welches teilweise in das erstarrende Metall in dem Behälter eintaucht ist an dem der Bodenfläche zugewandten Ende verschlossen. Ein offenes Schutzrohr funktioniert nicht weil die Sensoreinrichtung leicht zerstört wird.

Außerdem ist der obere Abschnitt (Mund) des Behälters von höchster Bedeutung. Wärmeverluste würden normalerweise groß sein, sofern dieser Teil nicht mit einem Deckel verschlossen ist. Deshalb wirkt das Trägerelement (vgl. 1, Bezugszeichen 15) welches ein Strahlungsschild umfasst, welches die Thermoelemente positioniert und mit Hilfe von Dübeln an dem Behälter befestigt ist, wie ein Deckel, um den Strahlungswärmeverlust aus dem oberen Bereich der Metallprobe zu verringern. Andernfalls würde der obere Bereich der Probenahmevorrichtung wie ein kalter Körper wirken und zu viel Strahlung aus dem warmen Behälter absorbieren. Dieses simuliert den Wärmeverlust aus einer Kugel aus geschmolzenem Metall unter Erstarrungsbedingungen, weil es den langsameren Wärmeverlust aus dem Boden des Behälters ausgleicht.

Die von der anfänglichen Bildung von Lamellengrafit in der dicht bei der Wand gelegenen Region freigesetzte Wärmemenge ist sehr klein und in der Tat unzureichend, um als Steuerparameter dienen zu können. Wenn jedoch die Gestalt der Bodenprobe des Behälters vorherrschend sphärisch ist und wenn die Probenahmevorrichtung vorgewärmt wird (beispielsweise durch Eintauchen in geschmolzenes Eisen), wodurch die Bildung einer Abschreckzone aus erstarrtem Eisen in der wandnahen Region vermieden wird und, wenn die Probenahmevorrichtung frei hängen kann, so dass keine Wärme in einen Boden oder in ein Standgerüst abgeführt wird, so kann sich ein günstiger Konvektionsstrom innerhalb des in der Probenahmevorrichtung enthaltenen geschmolzenen Eisens entwickeln. Diese Konvektionsströme "spülen" den Lamellengrafit weg von den vorgewärmten oberen Behälterwänden der Probenahmevorrichtung und konzentrieren wirksam das Lamellenwachstum in einer flussmäßig separierten Region an der Basis des im Wesentlichen sphärischen Behälters.

Die Innenwand des Behälters ist vorzugsweise ziemlich dünn und/oder besteht aus einem Material mit einer niedrigen spezifischen Wärmekapazität um der Innenwand eine wünschenswerte niedrige Gesamtwärmekapazität zu erteilen. Zusätzlich hat die Innenwand vorzugsweise einen hohen Gesamtwärmeübergangskoeffizienten, um die Temperatur der Probenquantität und der Wand auszugleichen. Wenn der Gesamtwärmeübergangskoeffizient hoch ist, so ist die erforderliche Zeit für den Transfer der Wärmemenge kurz.

Die Innenwand kann aus jeglichem Material bestehen, welches über die obengenannten thermischen Eigenschaften verfügt, wobei thermische Stabilität in der Probe zu nehmenden Metallschmelze gefordert ist. Typischerweise werden ein Metall oder eine Legierung verwendet. Werkstoffe, die nicht teuer sind und eine zuverlässige Massenproduktion gestatten, wie insbesondere Stahl, sind bevorzugt.

Es ist auch möglich, die Farbe und/oder den Oberflächenfinish zu ändern, um die Strahlungscharakteristika der Wände zu modifizieren.

Die Innenfläche der Innenwand des Behälters ist vorzugsweise mit einer Schutzbarriere beschichtet, um diese Wand vor Lösen in oder Reagieren mit der heißen flüssigen Metallprobe zu schützen. Solche Schutzbeschichtungen können auch auf die Außenoberflächen der Außenwand aufgetragen sein, insbesondere weil der Behälter dazu bestimmt ist, bei der Probenahme in heißes flüssiges Metall eingetaucht zu werden. Die Schutzbeschichtung beeinträchtigt das thermische Gleichgewicht nicht, weil sie sehr dünn ist. Die Beschichtung ist jedoch kritisch hinsichtlich der Bestimmung des Erstattungsverhaltens. Die Beschichtung kann inert sein oder mit reaktiven Substanzen dotiert sein, um Mg zu verbrauchen und die Bildung von Lamellengrafit in der Nähe der bodentemperaturempfindlichen Sensoreinrichtungen zu induzieren. Dieses ist offenbart in der schwedischen Patentanmeldung 9704208-9, wobei sich weitergehende Informationen aus der schwedischen Patentanmeldung 9003289-7 ergeben. Die Schutzbeschichtung kann aus jeglichem feuerbeständigen Oxid bestehen, wie aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirconiumoxid, Siliciumcarbid, usw.

Bevorzugte Oberflächenbehandlungen für die Innenfläche der Innenwand und/oder für die Außenfläche der Außenwand sind in den Patentansprüchen 7 und 10 angegeben. Bevorzugte Behandlungen des Schutzrohres sind in Patentanspruch 10 angegeben.

Die temperaturempfindlichen Sensoreinrichtungen sind in einem Trägerelement gehaltert, welches die Sensoreinrichtung führt und an ihrem Platz festhält. Die Sensoren für die thermische Analyse sind allgemein Thermoelemente, obgleich die vorliegende Erfindung nicht in diesem Sinne beschränkt ist; jeglicher Sensor, der für die thermische Analyse erstarrenden Metalls geeignet ist, kann gebraucht werden. Beispielsweise ist in der schwedischen Patentanmeldung 9600720-8 die Infrarot-Pyrometrie erwähnt.

Die Sensorvorrichtungen für die thermische Analyse, im Folgenden "Thermoelemente", sind in einem konzentrisch angeordneten Schutzrohr eingeschlossen, welches zum Teil in das in dem Behälter erstarrende Metall eingetaucht wird. Das ein verschlossenes Ende aufweisende Schutzrohr wird in dem Trägerelement und einem dabei ausgebildeten Strahlungsschild positioniert und gehalten, d.h., an zwei Punkten fixiert. Ein Thermoelement (Messteil) ist in das geschlossene Ende des Rohres eingeführt und zwar in einer Weise, dass es leicht entnommen werden kann. Es ist auch wichtig, einen zweiten Thermoelement-Messpunkt (Messteil) innerhalb des thermischen Zentrums anzuordnen, um zu vermeiden, dass die Abkühlkurven während der Messdauer wegwandern. Aus diesem Grunde ist ein zweites Thermoelement (Messteil), gleichfalls entnehmbar, in das Schutzrohr eingeschoben, und zwar im thermischen Zentrum der geschmolzenen Probe, vorzugsweise in einem Abstand c von etwa 2/3 der Gesamthöhe a des inneren Behälters. Weil die Thermoelemente herausnehmbar sind, können sie für eine Vielzahl von Messungen verwendet werden. Das die beiden Thermoelemente umschließende Rohr wird so dicht wie möglich an der abgeflachten inneren Bodenfläche im Behälter angeordnet, darf aber nicht diese Fläche berühren. Es ist wichtig sicherzustellen, dass das Schutzrohr vollständig von erstarrendem Metall umgeben ist, wo weder Leerräume noch Blasen die Messungen beeinträchtigen können. Ferner ist es von großer Bedeutung, dass die Thermoelemente gut befestigt sind, damit sie sich nicht während der Analyse seitwärts bewegen. Ein unpräzises Positionieren der Thermoelemente stellt einen beträchtlichen Nachteil dar, welcher schwerwiegend mit den Messergebnissen kollidiert. So etwas kann dadurch vermieden werden, dass die Thermoelemente akkurat in dem Trägerelement und dem dabei gebildeten Strahlungsschild positioniert werden und das Schutzrohr, welches die Thermoelemente enthält, präzise in seiner Position fixiert wird. Der Abstand b vom geschlossenen Ende des Schutzrohres bis zum abgeflachten Boden beträgt 1–10 % der Gesamthöhe a des inneren Behälters, vorzugsweise etwa 5 %.

Das Schutzrohr kann aus Werkstoffen wie Stahl, vorzugsweise nicht rostendem Stahl oder Quarzglas hergestellt sein. Stahlrohre erfordern normalerweise eine Beschichtung.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung lediglich eines Schutzrohres oder eines Paar von Thermoelementen beschränkt. Es können so viele Thermoelemente wie nötig in unterschiedlichen Abständen, d.h. unterschiedlichen Messpunkten benutzt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt

1 einen schematischen Querschnitt durch eine Probenahmevorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung, gestaltet zur Verwendung in Verbindung mit der Produktion von Gusseisen mit Vermikulargrafit,

2 eine Darstellung von Strömungsbewegungen in einer Probe von erstarrendem geschmolzenem Metall und wie diese Ströme die Schicht aus Gusseisen mit Lamellengrafit beeinflussen, welches üblicherweise in der Nähe der Behälterwand gebildet wird.

1 zeigt eine Probenahmevorrichtung 1 nach der Erfindung, enthaltend einen doppelwandigen Probebehälter 2, welcher im Wesentlichen zylindrisch ist, an der Oberseite offen ist und einen halbkugelförmigen Bodenabschnitt 2b hat, der mit einem abgeflachten Teil 2c versehen und mit einer Probemenge einer erstarrenden Metallschmelze durch Mundöffnung 12 des Behälters gefüllt wird. Temperaturabhängige Sensoreinrichtungen 4a–b für die thermische Analyse und ein Sensorträgerelement 15, umfassend ein Strahlungsschild 19 sind mit Hilfe von Stegen 16 an dem Behälter 2 befestigt. Das Trägerelement 15 und das Strahlungsschild 19 führen eine Schutzröhre 14, in welcher die Sensoreinrichtungen 4a–b in ihrer Position fixiert eingeschlossen sind. Die Messteile 5a– b der temperaturempfindlichen Sensoreinrichtungen 4a–b, im Folgenden "Thermoelemente" genannt, sind in die Probequantität 3 eingetaucht.

Der Behälter besteht aus einer Innenwand 6 und einer Außenwand 7, wobei beide aus dünnem Strahlblech bestehen, und zwischen diesen Wänden ist ein Raum 8 definiert durch eine Außenfläche 9 der Innenwand 6 und die Innenfläche 10 der Außenwand 7. Ein Falz 11 verbindet die Wände 6 und 7 an der Mundöffnung 12 des Behälters 2. Der Falz 11 kann auch als kontinuierliche Schweißung oder als Punktschweißung ausgebildet sein. Der Raum 8 ist mit Luft gefüllt. Die beiden Thermoelemente 4a–b sind vertikal untereinander im Inneren des Schutzrohres 14 angeordnet, welches aus Stahl, Keramiken, Glas oder jedem anderen geeigneten Werkstoff besteht, wobei das erste Thermoelement 4 (Messteil 5b) an einem Ort dicht an der Innenfläche 17 der Innenwand 6 angeordnet ist und das andere Thermoelement 4 (Messteil 5a) im thermischen Zentrum der Probequantität 3 platziert ist. Ein Sensorträgerelement 15 ist vorgesehen, um das Schutzrohr 14 entnehmbar zu halten, welches die Thermoelemente 4 während der Analyse in einer festen Position fixiert. Die Thermoelemente 4 sind mit einer nicht dargestellten Thermoanalysenauswertungseinrichtung mit Hilfe eines Kabels 13 verbunden, durch welches Messsignale von den Messteilen 5a–b zu der Einrichtung zum Zwecke der Analyse übertragen werden.

Das Ende des Schutzrohres 14 ist in einem Abstand b vom abgeflachten Boden 2c des Behälters 2 entfernt angeordnet.

Während der Analyse strömt flüssige Metallschmelze hinunter in den Behälter 2, zwischen den Stegen 16, nach Eintauchen in das zu analysierende geschmolzene Metall.

Wie in 1 dargestellt, ist der Behälter 2 während der Analyse stets mit der gleichen Menge geschmolzenen Metalls gefüllt. Jede Probe soll die gleiche Menge an geschmolzenem Metall umfassen, um konsistente Wärmebedingungen sicherzustellen und konsistente Reaktionen mit der reaktiven Beschichtung zu gewährleisten. Ein konsistentes Probenvolumen ist ein Problem bei herkömmlichen thermischen Analysegefäßen, welchen eine Befüllung durch Eingießen erfordern. Die vorliegende Erfindung mit Füllen durch Eintauchen und einem großen Raum für den Metalleintritt minimiert Bedingungsfehler und erleichtert die Probenahme.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und lässt sich in weiteren Ausführungsformen verwirklichen. Es versteht sich, dass es innerhalb des Könnens des Fachmannes liegt, geeignete Modifikationen der Probenahmevorrichtungen vorzunehmen und dass diese Vorrichtung nicht auf die Herstellung von Gusseisen mit Vermikulargrafit (CGI) oder anderer Formen von allein Gusseisen beschränkt ist, sondern auch bei der Herstellung einer Vielzahl anderer Metalle verwendet werden kann.

Die Probenahmevorrichtung ist vorzugsweise angepasst an die Verwendung in Verbindung mit der Herstellung von Gusseisen mit Vermikulargrafit, entsprechend des in der US-A-4,667,725 offenbarten Verfahrens.