蠕铁生产的过程控制

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1、蠕铁生产的过程控制蠕铁发动机从样机到大规模批量生产，决定性因素是质量风险。 高质量的蠕铁，稳定区非常小，仅在含镁量为 0.008的范围内。微 量的，如 0.001镁的损耗，就会产生片状石墨，使机械性直线下降 25至 40。本文描述了基于热分析手段的过程控制系统。该系统 通过测量镁的损耗，以及在线调整铁水状态来防止片状石墨的产生。 这种测量、调整的在线控制手段使生产蠕铁过程中的波动性降低到了 最低点，从根本上消除了蠕铁生产所带来的质量风险。、/. 前言人们对高马力、 高转矩、 低废气排放以及降低燃料使用量的需求 在持续增长。 这迫使大功率柴油发动机的设计者们提高点火峰压， 使 发动机的热负荷和机

2、械负荷大幅度增加。 热负荷及机械负荷的同时升 高，使目前使用的常规铸铁和合金铸铁 （CrMo） 发动机已达到或超过了 其使用上限。发动机制造厂商们需要强度更高，耐热性更好的材料。蠕铁很快成为人们的首选材料，它使新一代卡车发动机的缸体、 缸盖及缸套的可靠性大大提高。为了达到各种性能的最佳组合 （如铸 造性能、机加性能、导热性能和力学性能 ），这些部件必须用球化率 为 0至 20 （蠕化率为 80至 100）的蠕铁来制造。如果球化率超 过20%，会导致一系列不利因素。比如收缩量过大，形状复杂的部 件如缸盖特别容易出现缩孔。又如机加中，工具过量磨损寿命下降。 还有导热性也明显下降，产生热应力等等。而

3、在蠕铁的另一端，片状 石墨的出现将导致机械性能的直线下降，使发动机不能胜任新的要 求。综合而述，为满足新一代卡车发动机的需要，高强度蠕铁的球化 率必须在0%至20%之间（即蠕化率在80%以上，无片状）。ZWbT 阳 1 心E34Clpl*lMAuiOPuXw* ItociiBMLyiT嚼 LXtt 十 Bbckt -Hoadi BectoiatmCrirHiiplit arKl图仁对过程控制的需求是随年产呈.铸件复杂性和质呈要求的提升而增加的是否使用生产过程控制，取决于产品的年产量，产品的复杂性和 金相组织允许有多大的变化范围。如图1所示，较简单的，低产量的 部件，如铸锭模一般是可以用常规铸造

4、方法生产的。过程控制一般不需要，经济上也不合算。当部件的年产量增加时，如排气管、曲轴套 和托架等，引入过程控制应该是有意义的。这类产品尽管年产件数多， 但铸造的年吨位数并不高。金相组织结构的要求也不很严，允许球化 率高达50%。另外由于此类部件的机加工量小， 生产中可允许加入的 提升而增加的钛来拓展可控范围。 对于这类产品， 常规的铸造手段加 上严格的训练，一般也可以胜任蠕铁生产。但从质量控制角度而言， 过程控制应该更加保险。 同样，过程控制对大型船用发动机缸体和缸 盖的生产也提供了保障。 尽管超大的尺寸和较低的生产数量有利于产 品的制造， 但由于产品超标造成的经济损失， 足以增加一套过程控制

5、 系统。最需要过程控制的产品， 当属年产量大、 复杂性高和技术要求严 格的汽车发动机缸体、 缸盖和刹车盘等。 这些产品的年产数量和年吨 位量都很高。它们尺寸复杂、 金相组织要求苛刻、 产生缩孔趋向很高。 这些产品不可以有任何质量风险，否则损失非常严重。对发动机缸体、 缸盖和缸座性能的严格要求奠定了制造产品规范 的基础。为了获得铸造性， 机加性和机械性能的最佳综台性能，在部 件的所有关键部位， 球化率都应在 0至 20范围之内。 更为重要的 是，片状石墨必须绝对避免，从而杜绝局部薄弱造成部件损坏。为了 达到好的机加性，自由碳化物必须降低到最低。因此，绝对不可以加 入钛。最后，从生产角度出发，铸造

6、厂需要一个稳定、可靠的工艺， 以保证金相组织造成的废品率最低。 汽车行业的制造商们要求提供质 量担保， 100%的铸件必须满足金相要求。大批量的，可靠的缸体、 缸盖和缸座的生产， 需要对铁水进行准确的分析和在线调整， 从而消 除浇注前工艺过程中带来的波动。蠕铁稳定性蠕铁没有大批量地用于生产复杂部件（如发动机缸体）的原因是 因为蠕铁的稳定区太小，无法保障生产中没有风险。一般来说这个稳 定区大约只跨越0.008%镁的区域，如图2示。稳定区平台的大小和 位置随产品而变。实际上可利用的镁区间比这还小。因为每5分钟,活性镁就会烧损0.001%。铁水的起始浇注点必须离蠕铁到灰铁的急 转点有足够的距离，以确

7、保最后浇铸的部件不出现片状石墨。 当镁力口 入到铁水中后，只需约15分钟，就会出现片状石墨。戸鱼ripely孝8 2：蠕铁的務定平台区只有0 008%镁的范甌 与灰鉄由陡坡相隔起始点也不可以太接近稳定平台的右侧（高含镁量），否则会导致 较薄部位和快速冷却部位形成大量的球状石墨。除可利用的平台区很小外，该平台区还总是在移动的。如果活性 氧和硫的含量高， 它们将消耗更多的活性镁， 整个平台将向右侧移动 （高含镁量 ）。相反地，如果活性氧和硫含量较低，平台将向左侧移动 （低含镁量 ）。原材料的成份变化，纯净状态，氧化程度以及潮湿程度 等等原因，使人们无法用一个固定的化学成份范围来控制蠕铁。尽管从蠕铁

8、到灰铁的转变只需下降 0.001的活性镁，镁的烧损 并不会导致整个部件都变成片状石墨。 当活性镁不够时， 石墨先形成 片状，随着凝固向外扩张，镁在固液界面前端偏淅、浓缩。如果初始 活性镁适量，就会在共晶体的边界处形成蠕状石墨，如图 3 示。片状 石墨首先以分散的片状石墨斑出现。同常见的全部是片状石墨不同， 这些孤立的片状石墨斑很难用超声法测出。 它们被超声波扫到概率不ffi3：蠕铁中片状石罢首先以孤立的石墨斑岀现镁对蠕铁的敏感性可由图4所示：在一吨铁水包中，仅仅多加入 10克的镁，25试验样中分散的片状石墨斑就能完全转变成蠕状石 墨。有片状石墨斑的试棒其杭拉强度只有 300MPa,而完全蠕化的

9、同 样试棒其抗拉强度则达到450MPa。圈壮仅仅第加入ooow府活性镁就足収務有片状芒爭坯再组织转变均高质豈的谍誌绢纭孕育剂对蠕铁的稳定平台也很敏感， 如图5所示：在一吨铁水中 多加入80克孕育剂，就会使25试棒中的球化率从3%增加到21%。 孕育量高，产生晶核多，有利于形成球状石墨。这使蠕铁平台向球化 率高的方向抬起。而低的孕育量则使平台向下移动。众多的因素，如 铁水过热温度，保温时间、原材料化学成份，孕育剂种类和孕育量， 都会影响蠕铁的平台位置。屈D衽丘的样糠申.仅仅窑加入0 08朋的孕芾剂就能殖蜻铁的时化車从毀瑚加針：用欣特卡斯特探头Sin terCast Prob（简称欣特探头）任何一

10、种过程控制技术，最基本的要求是能准确地测量分析铁水状态。对蠕铁而言，可靠的生产控制需要同时测量活性镁离蠕-灰转变临界点的位置、随后的镁烧损程度以及孕育程度。200克的热分析样品是通过将欣特探头插入到经球化及孕育处理 后的铁水中获得的。在三秒钟的插入过程中，探头壁同铁水达到热平 衡状态。与常规热分析样杯不同，此薄壁取样器即保证每次取样体积 相同还避免了在铁水浇入样杯中发生氧化。 因为没有常规热分析中的 激冷凝固现象，过热度的测量也更加精确。如图6a所示，欣特探头是由压制的拉伸薄钢板制成。基本上是 一个球状的容样体。容纳铁水的簿钢壁有一个真空瓶式的保温层。 保 温层的厚度是按高度方向对称变厚的，以

11、保证向周围散热、冷却均匀， 其中的铁zz水接近于球状体凝固。在探头中有二个 N型热电偶处于 保护管中。每次测量后热偶可拔出，重复使用 100次以上。两个热偶 中的一个位于容器底端，另一个位于容器的热中心。由于容器是球形 的，加上是自由悬挂（这不同于常规热分析样杯依托在一个吸热的托 架上），因此铁水在容器中产生匀称的热流，如图 6b所示。这种热流 使铁水在容器中不断交换，在探头底部形成流动分隔区。为了模仿铁水浇注过程中的自然损耗， 在探头壁上有一层同活性 镁发生反应的涂层。 铁水在热流推动下沿着有涂层的墙壁流动。 反应 后的铁水含镁量下降，并聚集在容器底部的分隔区。直接地讲： 探 头中心热偶测量

12、的是没有发生反应的铁水，也就是浇注的初始状态； 而在底部的热偶测量的是浇注结束后的状态。 反应涂层的配方十分讲 究。必须精确地保证在分隔区聚集的铁水比中心的铁水活性镁少 0.0 03%。因此，如果初始含镁量离蠕 -灰转折点太近，分隔区的铁水将 生成灰铁，并被在该区的热偶测出。这样，在浇铸开始时，车间可多 加些镁，以抵消不可避免的镁烧损。如果在底部的热偶测出是蠕铁曲线， 说明初始镁含量足够高， 在 浇铸结束后也不会出现片状石墨。图 7 是欣特探头在测样后的截面侵蚀图。 图中可以清楚地看到分 隔区，主样区和热偶保护管。由于活性镁减少了 0.003，在分隔区 形成 D 状石墨和铁素体基体。底部片状石

13、墨区的大小直接反映了在 主样区的初始含镁量。 这个区的大小可通过底部释放热来计算。 释放 热与分隔区大小的方差回归系数超过 0.9，证明两者关系十分密切。 释放热由冷却曲线的时间积分得到。 这种同时测量当前和浇注结束时 铁水状态的方法，保障了在浇注前镁的含量准确无误。S 7；反应涂层和耶液昨绢合便破特挥虫可以樓仿镁昨晓揑生产综合考虑由于蠕铁对球化剂和孕育剂都十分敏感， 铸造厂不可能使用生产 灰铁和球铁时所采用的过量处理方法。如图 8示，由于其敏感性，蠕 铁仅仅在一个四方窗内稳定，而不只是镁平台区。一个可靠的蠕铁生 产工艺，必须从头到尾地对球化和孕育进行控制， 从而保证金相组织 符合指标。图m由

14、干对侏化则和孕肓剤的取重較惡经.便蠕袋抵仅在厂吓小四方窗内瑕走无论做出多大的努力，无论多么严格的管理，铁水的波动总是无法避免的。先不说人们对铁水处理到底能有多准确的了解， 一步到位 的处理方法，如三明治法，是无法保证每次处理都落在窄小的蠕铁窗 口内。众多的生产变数，如混料比、炉温、保温时间、铁水包的预热 程度、出炉速度、出炉铁水入包位置 （合金内侧还是外测 ）、出炉铁水 重量、合金袋状况、球化剂（PeSiMg）的实际含镁量、三明治法中各层 的合金排布、以及废铁屑的覆盖等等，都会影响到镁的吸收。除这些 因素外，活性氧和活性硫的含量也会改变蠕铁窗口的大小和位置。 铁 水在包中停留时间、 运输时间及

15、浇注时间的变化都将改变可利用的烧 损时间。然而，最难预料的波动因素是操作者的失误， 或不同操作者之间 由于工作习惯不同而引起的差异。在大规模的批量生产中， 唯一保险的方法是测定处理后铁水的凝 固特性。这样影响蠕铁窗口大小、 位置以及合金吸收等各种因素都被 全面测量分析和考虑。 随后便可加入适量的镁和孕育剂。 每一包铁水 都是在提升到理想状态后再浇注。 这种二步曲， 测量及调整的过程控 制方法，使生产波动性降低到最小， 完全消除了在铸件中产生片状石 墨的风险。用铁水包生产蠕铁的过程控制如图 9 示，过程控制始于对初始球化和孕育处理后铁水的热分 析。根据分析结果， 喂线机自动显示出需要加入镁和孕育

16、剂线缆的长 度，并等待操作者启动。 当喂线完毕后， 铁水包随即被送到浇注线上整个测量及调整过程需要大约三分钟。 在这期间，车间可进行常规的浇注前处理，如去渣等。这样保证了铸造流水线的连续性。哥險球化股孕司社理厉的铁木殊分析”陽了迥程波胡也保证了速注前采豚正确调整步辣当探头中的铁水凝固后，热分析结果以无计量单位的镁指数和孕 育指数表示出来。参考前述图8中微观组织 棋盘”这两个指数足以 确认铁水的凝固特性和微观结构。如图 10示，这个 棋盘”可以进一 步简化。去掉不用的部分，只显示初始处理状态和所定义的蠕铁窗口。 虽然蛹铁窗口的位置和大小随产品不同， 统一的原则是：总在窗口的 右上角开始浇注。如果每包铁水在浇注前都被调整到这个位置，镁和 孕育剂的正常损耗，就决不会导致片状石墨斑