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Use of Thermal Analysis to Control the Solidification Morphology of Nodular Cast Irons and Reduce Feeding Needs

Azevedo dos Anjos, Vitor Emanuel

Die Produktion von Gusseisen mit Kugelgraphit gewinnt immer mehr Bedeutung in der globalen Gusseisenproduktion. Gießereien stehen dabei oft Problemen mit Gussfehlern, wie Schrumpfungen und Porositäten gegenüber, die in der Produktion nur schwer vorhersehbar sind, aber deren Ursprünge oftmals mit der Variation der Prozessparameter zusammenhängen, welche nicht gemessen werden und daher nicht kontrolliert werden können. Außerdem benutzt das Gießereipersonal in der Praxis häufig theoretische Konzepte, die für spezielle Bedingungen entwickelt und gültig sind, aber nicht exakt zu den realen Gießereibedingungen passen. Dabei kämpfen Gießereien oft mit Schrumpfungs- und Porositätenfehlern, die scheinbar zufällig in den Gussteilen auftauchen, weil einige maßgebende Änderungen in der Erstarrungsform der Schmelze stattfinden, die nicht erkannt werden. Eine Methode, die begrenzten Möglichkeiten der konventionellen Prozessüberwachungswerkzeuge, wie Spektrometer, Gießkeiltest und schnelle metallurgische Schmelzprobenanalyse zu überwinden, ist die Implementierung einer optimierten thermischen Analyse. Die korrekte Anwendung der Thermoanalyse mit modernen Messsystemen liefert wertvolle Informationen der Erstarrungscharakteristik einer Schmelze innerhalb von ein bis zwei Minuten. In dieser Arbeit wurden für Gusseisen mit Kugelgraphit die realen Erstarrungsmorphologien verschiedener Schmelzen unter Verwendung der thermischen Analyse untersucht, um dabei Parallelen zwischen der Form der Abkühlkurven und der wahren Erstarrungsform der Schmelze zu erhalten, ungeachtet des theoretischen Konzeptes des Kohlenstoffäquivalentes (C.E.), welches sich aus dem Fe-C Gleichgewichtsphasendiagrammes ergibt. Prozessparameter, die hauptsächlich die Erstarrungsform der Schmelze beeinflussen, wie Kohlenstoffgehalt und die Qualität der Impfung, wurden variiert. Die Überprüfung der Übereinstimmung zwischen charakteristischen Punkten der Abkühlkurve und der wahren Erstarrungsform der Schmelze erfolgte mittels Abschrecktests und Gefügeuntersuchungen durch Farbätzung-Metallographie. Die Ergebnisse zeigten dabei, dass wegen anderer Prozessvariablen, die die Erstarrung direkt beeinflussten, sich die Erstarrungsform der Schmelze nicht genau aus dem C.E.-Wert ableiten ließ, der sich aus der Berechnung an Hand des Kohlenstoff- und Siliziumgehaltes der Schmelze ergab. Ungeachtet dessen konnten die Effekte dieser Prozessvariablen durch Verwendung der Thermoanalyse erkannt werden und damit die wirkliche Erstarrungsform der vorliegenden Schmelze vorhergesagt werden. Diese Arbeit enthält außerdem eine Anpassung der Thermoanalyseanwendung, die gewöhnlich bei Aluminiumlegierungen zur Erstarrungsvorhersage (dendritic coherency point) verwendet wird und den Einfluss beschreibt, den die Liquidustemperatur auf das Dendritenwachstum von austenitischen Dendriten hat. Mit den Ergebnissen der Thermoanalyse ist eine Vorhersage möglich, ob eine gegebene Schmelze tendenziell ein lange, verzweigte Dendritenstruktur bildet, abhängig von der Form der Temperaturkurve der Erstarrung und der Liquidustemperatur. Eine geringere Liquidustemperatur erweist sich dabei als Ursache für geringer entwickelte Dendritenstrukturen. Die hier vorgestellten Konzepte zur Kontrolle der Erstarrungsstruktur und der Entwicklung des Dendritenwachstums einer Schmelze wurden unter realen Gießereibedingungen getestet, um festzustellen, welche reale Erstarrungsform die Expansionseigenschaften einer Sphärogusseisenschmelze maximiert, so dass der Speiserbedarf reduziert werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass untereutektische Erstarrungsformen für hohe Kohlenstoffgehalte (mit C.E.-Werten höher als der Wert für die eutektische Zusammensetzung im Fe-C Gleichgewichtsdiagramm) und eutektische Erstarrungsformen diejenigen sind, bei denen die selbstspeisenden Eigenschaften einer Schmelze beim Gießen maximal sind.

The production of nodular graphite cast iron, is gaining more volume in the global foundry production. Foundries, very often face complicated casting defects, such as shrinkage and porosity defects, that are often difficult to predict during production but their origin is often associated with process variation of parameters that are not measured, and therefore, not controlled. Also, foundry personnel often use in practice, theoretical concepts that were formulated and are valid in very special conditions, but not exactly match the real foundry conditions. Foundry often struggle with shrinkage and porosity defects that apparently appear randomly in the castings, because some influential changes in the solidification morphology of the melt occurred and was not detected. One method to overcome some of the limitations of more conventional process control tools such as spectrometer, wedge test and fast metallographic melt sample analysis, is the implementation of thermal analysis technics. The correct use of thermal analysis technics can provide useful information on the melt’s real solidification characteristic, within 1 to 2 minutes in the most modern equipment. In this work, the real solidification morphology of several melts of nodular graphite cast iron were measured using thermal analysis technic to establish a supported parallelism between the morphology of the cooling curve and the real solidification morphology of the melt, regardless of the theoretical concept of Carbon Equivalent established by the Fe-C equilibrium phase diagram. Process parameters that often cause the change in the melts solidification morphology such as the carbon content and the inoculation quality of the melt were manipulated. The validation of the correspondence between the solidification curve characteristic points and the real solidification morphology of the melt was made through the performance of quenching tests and microstructure observation using colour metallography. The results revealed that the solidification morphology of the melt is not correctly traduced by the C.E. value calculated based on the Carbon and Silicon content of the melt, due to other process variables that directly affect solidification. Nevertheless, using thermal analysis the effect of those process variables can be seen and the real solidification morphology of the melt determined. This work includes also an adaptation of technics usually used in Aluminium alloys to estimate the occurrence of the dendritic coherency point and the influence that liquidus temperature has on the dendritic growth of austenite dendrites. Through thermal analysis it is possible to estimate if a given melt will have tendency to form a long and branched dendritic structure or not, depending on the solidification morphology of the curve and the liquidus temperature. Lower liquidus temperature proves to result in lower developed dendritic structures. All these concepts on control of the melts solidification structure and control on the dendritic growth development were tested in real foundry conditions to determine what real solidification morphology, maximizes the expansion properties of the nodular cast iron melt and therefore reduces the feeding requirements. Results show that hypoeutectic solidification morphologies for high carbon contents (with C.E. higher than the given from the equilibrium phase diagram for eutectic compositions) and eutectic solidification morphologies are effectively the ones where the self-feeding properties of the melt in a casting are maximized.

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Azevedo dos Anjos, Vitor Emanuel: Use of Thermal Analysis to Control the Solidification Morphology of Nodular Cast Irons and Reduce Feeding Needs. 2015.

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