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热分析技术在铁液质量控制中的应用

热分析技术在铁液质量控制中的应用

马建华

(天津汇丰探测装备有限公司,天津300402)

摘要:阐述r热分析测量技术的原理及功能。对热分析技术在灰铁、球铁和蠕铁铁液质虽控制中的具体应用方法进行了详细介绍,认为热分析技术可以将铸件的凝固组织、石墨形态、白El倾向、缩松缩孔倾向、反白n倾向、石墨飘浮等问题提fj i『加以控制。是稳定生产岛质镀铸件的必要工具之一。

关键词:热分析;铁液质量;控制

中图分类号:T G l l5.25文献标识码:B文章编号:1003—8345(2009)04—0084—05

A ppl i c at i on of

Therm al A n al y si s T ech ni que i n Q ual i t y C ont r ol of I r o n M el t

M A Ji an—hua

(Ti anj i n H u i f eng Th e r m o S e nso r Eq ui p m ent Co.Ltd.,Tianj in300402,Chi na)

A bs t r ac t:The pr i nci pl e a nd f unct i on of t he r m al anal y s i s a nd m e as ur i ng t e chni que w a s des cr i be d.The s p eci f ic us age m e t ho d of t he t he r m al anal ys i s t e chni que i n qual i t y cont r ol of gr ay i r o n m e l t,nod ul ar i ron m el t a nd ver m i cul ar i r o n m el t w a s i nt r od uced i n det ai l.It's bel i eved t hat t he t he r m al analys i s c an be us ed t o cont r ol m ul t i pl e qual i t y pr ob l em s of cas t i ng s i n a dvance su ch a s t he s o l i dif i cat i o n s t r uc t ur e of cas t i ngs,gr aphi t e m or ph ol ogy,chi l l i ng t en denc y,s hr i n kage t enden cy,r ever s e ch i l l i n g t ende ncy,gr ap hi t e f loa ta t i o n t en dency,et e.‘Fher ef or e,t he t he r m al anal y s i s t e chni que i s one of t he nec essar y m e an s t o s t ab l y pr oduce hi gh qual i t y c ast i ngs.

K e y

w ords:t he rm a l anal ys is;i ron m el t qual i t y;eont m l

铁液成分的热分析技术源于金属学中的相图理论,这是将基础理论直接用于现代生产的经

典范例。铁液成分热分析技术早已在发达同家广泛用于炉前铁液质量的检测和控制,是发达围家先进铸造技术中不町缺少的控制手段之一,在高质量铸件的生产中发挥着重要的作用。为了准确地控制铁液化学成分,必须正确使用热分析技

术,在此,笔者将洋细介绍热分析技术的原理及其在铸铁件质量控制中的应朋方法。

1热分析测量的原理

取铁液浇入样杯,在样杯特定的散热条件下,热分析仪首先记录下样杯内铁液的凝固温度

曲线。通过对凝固温度曲线的解析,找出铁液凝固过程的各种相变特征参数。将相变特征参数值

收稿日期:2009—03—30修定日期:2009—05—10

作者简介:马建华(1953.12一),男,河北人,1980年毕业于北京

钢铁学院冶金系炼钢专业,高级工程师,现主要从事热分析理论

研究与技术推广工作。

84j现代铸铁200914代入与凝固组织建立的数学模型后,即可计算出决定铁液凝同组织的重要控制参数。

1.1铁液中活性成分的热分析原理

取原铁液浇人加有强制白口化成分的样杯,热分析仪记录样杯内白口化铁液的凝凼温度曲线,以白几化铁液的凝同过程为例,可说明凝同温度曲线与相图的对应关系(图1)。

图1中凝固温度曲线的第一个平台是铁液

降温到液相线时,生成的同体相释放结晶潜热,

维持样杯散热产生的恒温平台,称做“初晶温度”,以兀表示。随后铁液进行的是选择结晶过程,选择结晶中释放的结晶潜热小足以维持样杯的散热,温度曲线旱缓慢F降的趋势。选择结晶剩余的铁液到达共晶成分时,开始共晶凝同。剩余铁液在共晶凝固I f I释放出大量的结晶潜热,直至全部铁液完伞凝l司,维持了一个更长的恒温平台,称为“共晶温度”,以矸表示。

由l二述过程可知,通过测量铁液的凝l卸温度曲线,就可以捕捉到相变温度特征值兀和n;将相变温度特征值与铁液中的活性成分含量或特定的凝同组织建立起数学关系,即可计算I叶J与相变温度对成的活性成分含量或特定的凝同组织。1.2铁液中形核物质的热分析原理

对亚共晶铁液进行充分的孕育后依不同的过热时间连续取铁液,同时浇注三角试片和热分析样杯。不同的铁液过热时间,获得不同的凝同温度曲线:从石墨化共晶温度曲线开始,向白口化共晶温度曲线过渡,出现白口化共晶温度曲线以后,共品温度不再随过热时间变化;i角试片上的白口宽度也随过热时间的延长逐渐增大,直至出现伞白口截面(图2)。

由图2可见,铁液中的形核物质充分时,铁液进行的是石墨化共晶凝固,开始共晶凝同的时间早、温度高。随着铁液过热时间的延长,铁液中的形核物质逐渐消融,铁液开始共晶凝同的时间向后推迟、温度也逐渐降低,并伴随着共晶过冷和再辉现象的发生。当铁液中的形核物质伞部熔解后,铁液进行的是白口化共品凝固,没有共晶过冷和再辉现象发生,开始共品凝固的时问最晚、温度最低,凝固组织中的c完全以Fe,C的形态存在。

这就是热分析通过铁液共晶凝同的过冷和再辉现象,量化地测量铁液中形核物质的方法。

2热分析的铁液质量检测功能

铸铁件以性能和组织为交货质量验收依据。铸铁的组织由铁液的化学成分、冷却速度、核心数量i大要素决定,变换这了大要素的黾值可以获得各种不I一1的铸铁组织和需要的材料性能。如,高氧含量(30~40ppm)的亚共品成分、充分的核心数量、低冷却速度条件下获得厌u铸铁;低氧含量(6~8ppm)的近共晶成分、充分的核心数量、低冷却速度条件下获得球墨铸铁;中氧含量(10~20D pm)的近共晶成分、贫乏的核心数量、低冷却速度条件下获得蠕累铸铁。

针对上述■种材料生产的在线检测需求,热分析具有以下测量功能。

(1)能够测量出铁液中的活性氧和活性镁含量。

活性氧含量有别于光谱分析所得的包含了Si O:、M gO、A I:O,等氧化物中氧的全氧含量。出铁前的活性氧含量町用于孕育剂、球化剂、蠕化剂加入量的精确定量计算;出铁后的活性氧含量,根据热力!学的镁一氧平衡方程,可用于计算球化铁液或蠕化铁液中的活性镁含量。

(2)能够测量出铁液的活性碳当量(C E)。

活性碳当量(C E)自.别于由『W(C)+叫(Si)/31计算所得的碳当量(CE),是非常重要的参数,决定着铁液开始凝固的组织形式。

C E过低或过高对铸件质量都有害无益。

C E低的缺点:①使初晶温度升高,初品温度越高凝同冷却速度越快,产牛白u缺陷的慨率就越大;当f l{铁温度有限时,初晶温度高还会导致铁液过热温度小、流动。降降低,使铸件发生冷隔缺陷的概率增大。②使初晶到共晶之间的温差增大,导致缩孑L缺陷的概率增大。③铁液中产生过多的初矗{I奥氏体,使球铁和蠕铁的石票量过少。

C E高的缺点:①导敏初品奥氏体过少、石墨过多,灰铁的抗拉强度降低。②当C E高过共晶

现代铸铁2009/4

85

成分时,凝同从石墨化飘浮开始,石墨化飘浮会

导致共晶凝同时牛成的石墨量减少,石墨化膨胀

较少的凝同组织中缩松的概率增大;过共品铁液

的流动性降低,会导致冷隔缺陷发生。

(3)能够测量出铁液的活性硅当量(Si E)。

(4)能够测量出凝固铁液的初生奥氏体量

(y.)。

(5)能够测量出铁液的再辉段石墨生成量

(S.)。

(6)能够测量出铁液再辉后行墨生成量(S,)。

(7)能够测量出铁液的反白口概率。

当前,只有热分析方法能够测量出铁液的状态是否具备形成目标材料的综合条件,也只有热

分析方法能够测量到铁液符合目标材料生成条

件时,浇注的铸件有保证符合验收标准的各项指

标要求。

3热分析技术在灰铸铁质量控制中

的应用

3.1强度控制

灰铸铁材料受外力破断时,其裂纹的走向是沿着片状石墨的取向延伸的。裂纹从一个片状石

墨的尾端裂向下一个片状石墨时,中间起抵抗作

用的是由初牛奥氏体枝晶完成共析转变后形成

的珠光体组织。冈此,灰铸铁材料的强度取决于

初生奥氏体枝晶的生成量和分散程度;初牛奥氏

体枝晶量越多、越分散,灰铸铁材料的强度就越

高。而热分析测量的C E和S i E决定了铁液的初

生奥氏体生成量;铁液的CE越低、Si E越低,生

成的初生奥氏体馈越大,奥氏体枝^|!I就越发达,

灰铸铁材料的强度也就越高。

3.2白口风险度的控制

铁液的C E越低,凝同时的初晶温度就越高,与铸型和环境的温差越大,激冷凝同组织的

降温速度也越大。降温速度达到一定程度时即产

生了由F e,c组成的白U组织。热分析可以预测铸件不同壁厚的降温速率,提示补加孕育剂的种

类及加入量,保证铸件良好的加工性能。

3.3缩孑L风险度的控制

厌铸铁的凝同从外壳开始,当浇冒L]的补缩通道凝吲以后,封闭外壳内铁液降温产生的体积

86I现代铸铁2009,4收缩将得不到补充。南于封闭外壳内部的铁液可以在枝晶间流动,囚此从初品到过冷点降温产生的体积收缩将造成铸件内部的集中缩孔。也就是说,碳当量值越低、初品温度越高,从初晶到过冷点的温度差越大,降温产生的体积收缩越大,铸件中产生集中缩孔的风险度也越大。

热分析仪可以与铸件浇、冒口的补缩系统建立关系,设定铁液的缩孔概率界限值,操作时按热分析仪提示方案(如降低兀.或提高孔),将铁液的缩孔概率调整到界限值以下,即可避免铸件缩孑L缺陷的发生。

3.4型壁移动控制

灰铸铁在共晶凝固阶段将有石墨产生。原本以间隙形式存在的C原子不占据空间体积,但生成行墨以后将占据一定的空间体积,由此产生了石墨化膨胀。南过冷点到冉辉点的温度差越大,S.越大,集中产生石墨造成的体积膨胀也越大,而冉辉段共品凝固产牛的体积收缩又有限,因而产生型壁移动的风险度随着S。的增加而升高。

进行孕育调整改变共品凝同曲线状态,减小铁液共晶凝幽的过冷度,可减少|s。,增加.s:。石墨在共晶凝同过程中缓慢析出,达到石墨化膨胀和体积收缩l百l n,t进行的理想状态,用石罨化膨胀来填充共品收缩,不仅可以减小型壁移动的风险,还町以减小缩松的风险。

3.5缩松的控制

灰铸铁凝同的外壳内,当初生奥氏体和次生奥氏体的凝【酮连续起来以后,剩余的共晶铁液被封闭存各个局部的空间内。局部窄问内的降温使体积收缩,将造成铸件的缩松缺陷。

减小缩松风险的方法与减小型肇移动风险的方法是一致的,问题的关键是要使用热分析测量和动态孕育技术,测昔m J s.和s:,计算出补充喂入孕育丝的精确量,/j‘能将型壁移动的风险度和缩松的风险度最小化。

3.6反白口的控制

当铁液中含有低熔点的残余成分时,根据选择结晶原理,铁液首先进行高熔点成分的凝固,而将低熔点的成分排挤到铸件的心部最后凝同。这些低熔点的成分(M g、P、T e等)大多是白口化元素,凶此会在铸件的心部产生反白口组织。

通过热分析测量出铁液反白门概率过高时,

再用光谱仪分析出反白口成分种类和含量,就可以通过加入已知反白f1成分含量较低的铁料稀释反白几成分的含量。阻止反白口缺陷的发生。3.7心部石墨形态的控制

大断面铸铁件凝同过程的特点是:中心铁液的降温速度慢、凝同时间长,在接近平衡的条件下完成凝固过程。

铸件中心部位长时间未凝l甸的孕育铁液中,靠浓度起伏和温度起伏起形核作用的硅分子团会逐渐熔解成原子状态的活性硅。活性硅含量增加使未凝固的共品铁液变成过共晶铁液;过共品铁液的先析石墨没有奥氏体枝晶对它牛长的限制,就会生长成粗大石墨。冈此,控制大断面铸铁件心部产生粗大石果的方法应该定位在:防止孕育剂中衰退成分造成的铁液过共晶化,消除无生长限制条件的先析石墨的生成。

4热分析技术在球铁质量控制中的应用

球化剂中的M g首先与铁液中的S和活性氧发生反应,剩余的(称为活性镁)才对铁液的球化发挥作用。因而,在球化剂加入最一定的条件下,原铁液中的埘(S)量和活性氧含量高时,会发生球化不良的现象;而当原铁液中的训(s)量和活性氧含龟低时,又会使球化后剩余的活性镁量过高,这时虽然保证了球化质量,但造成了球化剂的浪费,更为严重的是还会引发反白口缺陷。

因此要稳定生产高质量的球铁,首先要测肇出原铁液巾的叫(S)量和活性氧含蓬,并依据测量数据动态确定球化剂的精确加人量,从而保证埘(M g残)量的精确控制。

4.1原铁液共晶度的控制

理想的球铁原铁液应该是在球化和孕育处理后,以共晶或微亚共品状态进行凝阎,这样叮保证高球化率、高球墨数量、无冷隔缺陷及低白口和低缩孑L概率。

通过热分析仪测昔铁液的C E和Si E,可以先期调整获得满意的球铁原铁液共晶度。

4.2原铁液过冷度的控制

通过热分析仪测量原铁液的过冷度,可以测量出铁液的形核能力。当原铁液的过冷度偏低时,可向电炉中加入一、两块回炉料以改善原铁液的形核能力;H{铁时向球化包中加少量的高质

量增碳剂,也可以改善原铁液的形核能力,同时

可提高石墨球数(生产实例证明,可提高约

l O%)。

4.3原铁液反白口成分控制

热分析仪町测量出原铁液的反白几倾向,通

过加入已知反白n成分含量较低的材料稀释原

铁液,为残余镁在铸件心部聚集作好预留守间,

就可以降低球化后发牛反白口缺陷的风险度。

4.4球化剂加入量的控制

使用热分析仪测量出原铁液巾的活性氧含量,并输入光谱分析仪测量的全硫量,由热分析

仪汇集原铁液的活性氧含量、全硫量、球化剂中

的叫(M g)量、球化剂的镁收得率等参数,可动态

地确定包底冲人法球化剂的精确加入量。南此也

可防止球化后过剩的活性镁聚集在铸件心部,产

生反白口组织。

4.5球化包和球化剂的掩埋

球化剂中的M g被铁液加热后首先汽化成

M g蒸气,在上浮过程中被铁液吸收。因而要提高

球化剂的镁收得率,首先要保证铁液具有一定的

吸收高度,故而包底冲入法使用的处理包要有1.5~2的高径比。另外,应根据球化铁液的温度和

处理鼍确定铁料覆盖的厚度,以铁液液面上升到

处理包2/3高度后,球化剂才能被加热汽化为准。

绝不能使用盛接过灰铁铁液的浇包来进行

球化处理,因为灰铁的残渣和渗透到包衬内的

S,会给球化剂的收得率带来很大的不确定性,以

致无法实现最佳活性镁含量的动态控制。

4.6活性镁含量和反白口的控制

冲人法球化处理结束后,取球化铁液进行活

性镁含量的测量。

热分析仪测量到活性镁含量不足时,提示镁

包芯线补充量,启动喂线机,动态补足活性镁含量;热分析仪测量到球化铁液的活性镁含鼍过高时,可提示原铁液的补加量,无原铁液补加条件时,也可提示球化铁液的静置时间(在浇注温度

许可的范围内,必要时补允孕育),待活性镁部分

烧损以后(每5m i n约氧化质量分数0.001%的活

性镁)再进行浇注,以防止活性镁过高在铸件心

部产生反白口组织。

现代铸铁2009/487

4.7型壁移动和缩松概率的控制

对球化后的铁液进行热分析,可测量出S.(型壁移动概率)、S:(缩松概率),通过控制S.和

5:的比例,利用石墨化膨胀填充共品凝【占1的体积

收缩,可以达到既降低型壁移动概率又降低缩松概率的日的。

当发现S.和S,的比例不符合要求、型壁移动和缩松概率过高时,热分析仪将提示孕育剂芯线补充量。

4.8开花状石墨和反白口组织的控制

开花状石墨和反白几组织是厚肇球铁件心部常见的铸造缺陷,其成囚‘J控制方法一‘:i厚肇灰

铁件一样。

有人认为厚壁球铁心部石墨开花是球化衰退——活性镁含量在厚壁心部降低所致,而热分析测量的结果却恰恰相反:在选择结晶的作用

下,低熔点的活性镁在厚壁球铁心部的含量最

高。当球化后铁液l||的活性镁含量偏高,厚壁球

铁件表层组织的球化率级别又较高时,其心部往往会产生反白口组织。因此,厚壁球铁件的球化铁液中活性镁含量应控制在中下限。

5热分析技术在蠕铁质量控制中的

应用

蠕铁生产的难度在于对铁液巾核心数量和活性镁含量的检测和控制。由图3可见:蠕铁质

量稳定区的活性镁质量分数范闻在0.008%~0.016%,超过了就会使球墨的比例迅速增加。而且铁液中的活性镁会随着时间的延长逐渐被氧化,

因此,蠕铁开始浇注时的活性镁含量必须离蠕铁到灰铁的急转点有足够的距离,才能保证在浇注

时问范围内,最后浇铸的部位不出现片状行墨I l l。88I现代铸铁200914

具体的操作方法是:在出铁前对原铁液的过冷度进行测鼍,了解原铁液中遗传下来的核心数量;再针对具体产品的蠕化时间、铁液输送时间、浇注时间、凝同时间来确定孕育剂的加入量。如此才能保证铁液在凝同时刻的蠕化核心数量。5.1原铁液共晶度和活性氧含量的控制

理想的蠕铁原铁液与球铁原铁液的共品度要求是一致的,通过热分析测最和控制原铁液的C E和Si E,町以获得满意的蠕铁原铁液共品度。

出铁前再用热分析方法测量原铁液中的活性氧含量,并将光谱分析法测量的全硫含量输入到热分析仪中,热分析仪将根据具体产品开始浇注时铁液中的活性镁含量值、蠕化剂的镁含量、蠕化和浇注的的镁烧损率等,计算出动态匹配的蠕化剂的加入量。

5。2原铁液活性镁含量与蠕化核心数量的控制热分析仪可根据凝同时刻的蠕化核心数量、具体产品的蠕化时间、铁液输送时间、浇注时间、凝固时I’日J等计算出动态I J‘配的孕育剂加入量。

铁液蠕化完成后,取样进行活性镁含量和过冷度的热分析测量。活性镁含量过高或核心量过多时,应在浇注温度许町的范围内增加铁液的静置时间,使活性镁含量烧损降低,使铁液的形核能力衰退减少;活性镁含量或核心量小足时,按热分析仪测量结果计算镁包芯线补充量或孕育剂芯线补充量,启动喂丝机定量补足活性镁和铁液的核心量。

6结束语

热分析是近年发展起来的、利用铁液凝固过程巾的一些特征参数对铁液凝同形成铸件过程的冶金质量进行分析的先进的在线质量控制技术,可以将铸件的凝固组织、石果形态、白门倾向、缩松缩孔倾向、反白【J倾向等提前加以控制,是稳定生产高质量铸件的必要T具之一。但是,在使用热分析技术调整孕育、球化和蠕化的同时,仍不可忘却其使用的基本方式方法,尤其要注意铁液温度控制得当和出铁定量J’口J题。

参考文献

【11张伯明.蠕墨铸铁最新发展【J J.现代铸铁,2006,26(1):12—18.

黼(编辑:袁亚娟,E—m ai l:xdzt—yyj@126.com )

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