热分析技术在提高铸铁质量方面的作用

《热分析技术在提高铸铁质量方面的作用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热分析技术在提高铸铁质量方面的作用（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、热分析技术在提高铸铁质量方面的作用概述:铁水质量的热分析技术源于金属学中的相图理论，在发达国家 早已广 泛用于炉前铁水的检测和控制，是先进铸造技术中不可缺少的 检测手段，在 高质量铸件的生产中发挥着重要的作用。为了使大家能够掌握热分析技术的优势，正确使用热分析解决生产中 具体的 质量问题，普遍提高我国的铸件材质水平和参与国际市场竞争 的能力。在此 依个人之浅见就热分析技术在提高铸铁质量方面的作 用，向大家做一个介 绍。一.热分析测量的原理 对铁水质量进行热分析时取铁水浇入样杯，在样杯特定的散热条件 下，热分析仪首先记录下样杯内铁水的凝固温度曲线。通过对凝固温度曲线的解析，找出铁水凝固过程的各种

2、相变特征参 数。将相变特征参数值带入与凝固组织建立的数学模型后， 即可以计 算 出决定铁水凝固组织的重要控制参数。以白口化铁水的凝固过程（上图中的红色曲线）为例，说明凝固温度 曲线与相图的对应关系：取原铁水浇入加有强制白口化成分的样杯。热分析仪记录了样杯内白口化铁水的凝固温度曲线，如下图所示：凝同温度曲线打和图的关系吋冋凝固温度曲线的第一个平台是铁水降温到液相线时，生成的固体相释 放结晶 潜热，维持样杯散热产生的恒温平台。我们将这个平台温度称 做：初晶温度（TL）。随后铁水进行的是选择结晶过程，选择结晶中释放的结晶潜热不足 以维持样杯的散热， 温度曲线呈缓慢下降的趋 势。选择结晶剩余的铁水到

3、达共晶成份时，开始共晶凝固。剩余铁水 在共晶凝固中释放出大量的结晶潜 热， 直至全部铁水完全凝固，维持 了一个更长的的恒温平台。我们称这个 温度平台为：共晶温度（TE）。以上就是白口化铁水的凝固温度曲线与相图 的对应关系。从上图可见：我们通过分析铁水的凝固温度曲线， 就可以捕捉到相变 温度 特征值。将相变温度值与铁水中的活性成分含量或特定的凝固组 织建立起数 学关系，即可计算出与相变温度对应的活性成分含量或特定的凝固组织 对孕育后的亚共晶铁水进行温度、 成分的保持，按一定的时 间间隔取 样获取凝固温度曲线，对照三角试片白口宽度的变化说明凝固温度 曲 线与铁水中型核物质，与铸铁凝固组织的对应关系

4、。取铁水同时浇注三角试片和热分析样杯。 铁水凝固温度曲线从石墨化 共晶 温度曲线向白口化共晶温度曲线依次过渡， 出现白口化共晶温度 曲线以后 共晶温度就不再随过热时间变化了。 三角试片上的白口宽度 也随过热时间 的延长逐渐增大，直至出现全白口截面。图示如下：目口代并晶毗曲线II从上图可见：铁水中的型核物质充分时，铁水进行的是石墨化共晶凝 固，开始共晶凝固的时间早、开始共晶凝固的温度高。随着铁水过热时间的延长，铁水中的型核物质在逐渐消融。铁水开始 共晶凝固的时间向后推迟，开始共晶凝固的温度也逐渐降低，伴随着 共晶过冷和再辉现象的发生当铁水中的型核物质全部熔解后，铁水进行的是 白口化共晶凝固，没有

5、共晶过冷和再辉现象发生。开始共晶凝固的时间最晚、开始共晶凝固的温度最低。凝固组织中的C完全以Fe3C的形态存在。这就是热分析通过铁水共晶凝固的过冷和再辉现象，量化的测量铁水中型 核物质的方法。二.热分析的铁水质量检测功能 铸铁件的材质质量标准，是以材质的性能和组织为交货验收条件。贯 穿着铸铁生产的各个环节，化学成分、冷却速度、核心数量与组织结 构和机械性能的关系如下图所示：siP S冷却速股1CtNiCu CoBAlTiMvi Sb5n如PbW Bi70在铸铁材质验收标准中规定的性能实验指标，是常温条件下检查力学性能的 结果。因此在常温下铸铁的性能与组织具有唯一的相关关系。铸铁的组织由 铁水的

6、化学成份、冷却速度、核心数量这三大要素决定。变换这三大要素的 量值可以获得各种不同的铸铁组织、获得人们需要的材质性能。在生产中通过改变这三大要素的量值，可获得以下不同的铸 铁材料：高氧含量（3040 PPM ）的亚共晶成分、充分的核心数量、低冷却速度条件下产生的是灰口铸铁低氧含量（68 PPM ）的近共晶成分、充分 的核心数量、低冷却速度条件下产生的是球墨铸铁。中氧含量（1020 PPM ）的近共晶成分、贫乏的核心数量、低冷却速度条 件下产生的是蠕墨铸铁。针对上述三大铸铁材质生产的在线检测需求，热分析具有以下测量功能： 活性碳当量【 CE 】： 热分析能够测量出铁水的活性碳当量（铁水中所有石墨

7、化、反石墨化成分和碳的综合作用结果，区别于CE=C+Si/3的计算碳当量）。活性碳当量是 个非常重要的参数。它决定着铁水以怎样的组织形式开始凝固。如果CE过低的话，初晶温度随之升高。初晶温度高导致铁水的过热温度减 小，铁水的流动性降低，发生冷隔缺陷的风险度增大。初晶温度越高，凝固 冷却的速度越大，产生白口缺陷的风险度越大。CE过低还导致初生奥氏体过多，缩孔的风险度增大。使灰铁的抗拉强度过 高，球铁和蠕铁的石墨过少等结果。如果CE过高的话，会导致初生奥氏体过少、石墨过多。灰铁的抗拉强度降 低的结果。当CE高于共晶成分时，凝固从石墨化漂浮开始，铁水的流动性降低，也 会导致冷隔（汤竟、重皮）缺陷的发

8、生。石墨化漂浮会导致共晶凝固时的 碳含量减少，石墨化膨胀少，所以过共晶铁水的缩松风险性较大。活性硅当量【SiE】：热分析能够测量出铁水的活性硅当量【SiE】。在铁水凝固成铸铁组织时，真正起作用的是活性硅当量【SiE】，而不是铁水中的硅含量【Si】。更不是化学分析和光谱分析的，包含了夹杂态的SiO2、孕育态的Si分子团等含量的总硅量。活性硅当量与硅含量的关系可用 下式描述：SiE = Si + 0.155Al + 0.12Cu + 0.06Co + 2.68P + 0.1Ni+ 0.44Sb+ 1.25Mo+ 0.24W + 0.52Sn + 0.1Ti + 0.04Mn + 0.89S- 0.

9、51Cr - 0.28V - 2.24B?初生奥氏体量【丫 1 热分析能够测量出凝固铁水的初生奥氏体量【丫 1。生产灰铁时凝固铁水的 初生奥氏体量越高，形成的树枝状奥氏体枝晶越发达，灰铁的强度越高。 由于初生奥氏体枝晶中没有石墨，所以生产球铁时初生奥氏体枝晶的生长 分布决定了凝固组织中石墨的分布。球铁中的初生奥氏体量越高，球铁中的 球数越少。还会发生球状石墨沿枝晶排列的现象。初晶温度越高，初生奥氏 体量越多，凝固外壳内的铁水温度越高，铁水在封闭外壳内的降温幅度越 大，产生的体积收缩越大。又由于铁水可以在初生奥氏体的枝晶间流动， 所以初生奥氏体量越多，铸件中产生的缩孔越大。活性氧含量【 O】:

10、热分析能够测量出铁水中的活性氧含量（铁水中的自由氧含量，不包含铁 水中Si02、MgO、A1203等氧化物中的0量。与化学分析或光谱分析的， 包含了铁水中SiO2、MgO、Al2O3等氧化物的总氧量有所区别）。出铁前测量的活性氧含量，可用于灰铁孕育剂，球铁的球化剂、蠕铁的蠕化 剂的精确定量计算。出铁后测量的活性氧含量，可用于测量球化铁水和蠕化铁水中的活性镁含 量。活性镁含量【 Mg 】: 众所周知：根据热力学的镁-氧平衡方程，可以用热分析获得的活性氧含量计算出球化、蠕化后铁水中的活性镁含量（铁水中的自由镁含量，不包含 MgS 、MgO 、Mg3N2 等反应物中的 Mg 量。与化学分析 或光谱

11、分析的，包含了 MgS、MgO 、Mg3N2 等反应物的总镁量有所 区别）。 当铁水中的活性镁含量为 0.0280.038%时，铁水凝固形成的是球铁 组织。 球化铁水中的活性镁含量过高时，不仅仅是浪费球化剂，还会 在球铁铸件的 心部产生反白口组织。球化铁水中的活性镁含量过低 时，凝固组织中将出现 大量的蠕状石墨。当铁水中的活性镁含量为 0.0080.016%时，铁水凝固形成的是蠕铁 组织。 蠕化铁水中的活性镁含量过高时， 凝固组织中将出现大量的球 状石墨。我 国的蠕铁生产之所以不能形成高蠕化率的稳定量产， 主要 原因就是没有使 用活性镁含量， 这个决定蠕化率的重要参数来进行蠕 铁生产控制。再辉

12、段石墨生成量【 S1】：热分析能够测量出铁水的再辉段石墨生成量【S1】。再辉段石墨生成量大 时，在共晶凝固的前期会集中从铁水中析出大量的石墨。 间隙在铁水中的碳 析出成石墨时， 从无到有的挤占了铁水的空间， 形 成了铁水的石墨化膨 胀。 在共晶凝固前期集中产生的石墨化膨胀， 会 导致型壁移动的铸造缺陷 发生，进而导致铸件尺寸的不稳定。在总量一定的前提下，会造成再辉后石墨生成量（S2）的减少，使共晶凝固 后期无足够的膨胀石墨填充体积收缩， 会导致缩松缺陷的发 生。再辉后石墨生成量【 S2】 热分析能够测量出铁水再辉后石墨生成量【S2】。在总量一定的前 提下，再 辉段石墨生成量小时，再辉后的石墨生

13、成量就大。再辉后出 现的石墨化膨胀 可以填充共晶凝固时产生的体积收缩， 从而可减少发 生缩松缺陷的倾向。反白口风险度【 ?】 热分析能够测量出铁水的反白口风险度【 ?】。反白口 是铁水在选择 结晶过程中， 将低熔点的成份排挤到铸件的中心部位最后凝 固。 这些 低熔点的成份大多是白口化元素， 因此在铸件最后凝固的部位产 生了 白口组织。 区别于铸件表面高速冷却产生的白口组织， 将铸件中心部 位的白口组织称为：反白口组织。 反白口组织会造成铸件中心部位的机加工 困难， 以致发生加工后期的 整体机件报废。 通过反白口风险度的测量， 可以预知发生反白口缺陷 的程度。球铁回炉铁使用的过多时， 发生反白口

14、的倾向就大一些。 反白口倾向 大的球铁回炉铁过多时应该卖掉一些， 以免造成反白口问题的恶性循 环。 热分析是测量铁水中的活性氧含量、 共晶程度、型核能力、冷却速度、 相 变特征参数的唯一检测手段。这是其他分析方法所不及的。 当前只有热分析 能够测量出铁水的状态是否具备形成目标材质的综 合条件。也只有热分析测 量到铁水符合目标材质生成条件时， 浇注的 铸件有保证符合验收标准的各 项指标要求。三热分析在灰铁质量控制中的作用1灰铁的强度 铁水浇入铸型后在铸型激冷和散热降温到初晶温度时， 首先 背向铸型 或核心长出初生奥氏体晶芽。 在随后散热降温的选择结晶中， 初 生奥 氏体晶芽逐渐长成树枝状的初生奥

15、氏体枝晶。铁水降温到共晶温度 时，选择结晶剩余的铁水到达共晶成份， 在初生奥氏体枝晶的余留空 间同 时生成次生奥氏体和片状石墨。直至灰铁的凝固组织全部形成。在灰铁凝固组织从共晶温度下降到共析温度区间，初生奥氏体和次生 奥氏体 都将其中过饱和的碳析出到片状石墨。 温度下降到共析温度以 下时，凝固 组织中的初生奥氏体和次生奥氏体将全部转化成珠光体， 片状石墨被保留下 来。片状石墨在灰铁组织中的作用相当于片状空 隙，对珠光体的肌体组织起 着割裂的作用。 灰铁组织中最初生成的初生奥氏体枝晶中没有片状石墨， 片状石墨只 与次 生奥氏体在共晶凝固时同时生成，因此片状石墨对初生奥氏体枝 晶形成的肌 体没有割裂作用，只对次生奥氏体形成的肌体有割裂作 用。所以由初生奥氏 体枝晶构成的骨架决定了灰铁材料的强度。灰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 从一个片状石墨裂向下一个片状石墨时， 中间起抵抗作用的 是由初生奥氏体枝晶完成共析转变后形成的珠光体组织。 因此灰铁材 料的 强度取决于初生奥氏体枝晶 【丫 1 的生成量和发达程度，初生奥 氏体枝晶 越发达，灰铁材料的强度越高。/八丿L八；7 八/ 7、丿、而热分析测量的活性碳当量（CE）和活性硅当量（SiE）决定了铁水的初生 奥氏体生成量【Y】。铁水的活性碳当量（CE）越低、活性硅当量（