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共晶度是铁液控制的核心技术之一

共晶度是铁液控制的核心技术之一

马建华郭建斌

(天津汇丰探测装备有限公司天津300409)

对用户进行技术服务的过程中发现大量用户在铸铁材质的生产中不能正确掌控共晶度控制方法其在球铁生产中普遍存在过共晶现象。进一步查发现用碳当量控制铁液的方法误导了大批的生产企业导致铸铁产的材质水平低下。

灰铁的共晶度决定奥氏体枝晶生成量、灰铁的强度及其缩孔率。球铁的共晶度决定球墨在组织中的分布、数量及其缩孔率。共晶度才是铁液控制的核心技术是决定铸铁材质控制中事关成败的重要指标

1控制铁液碳、硅的本质是共晶度

通常人们只知道液相线温度与碳当量的关系一般不知道固相线温度与硅当量的关系也不知道液相线温度、固相线温度与共晶度的关系更不知道共晶度与凝固组织的关系。

人们在熔制铁水时通常以碳、硅含量为原铁液的控制目标忽略了碳、硅含量作用的本质目的是共晶度。导致我们在铁液质量控制上舍本逐末不能实现共度的精确控制致使我们的材质不能达到客户满意的组织、性能要求。

2核心量对铁液共晶度的影响

从铁碳复合相图可知当液相线温度与固线温度一致时该成分与温度的交汇点即为共晶点。固相线温度随着铁水中核心量的变化在稳定态和介稳定态之间变化。因此稳定态固相线与液相线交汇的共晶点碳当量比介稳定态固相线与液相线交会的共晶点碳当量低

硅铁或孕育剂在熔解到分子团形态的时候这部分Si在铁液中造成浓度起伏和温度起伏在凝固时起短效形核作用。这部分Si具有将介稳定态液转化为稳定态的作用可使固相线温度提升。但这部分起孕育作用的Si并未熔解到原子状态不具有提高CE的作用

因此进一步证明用碳当量计算共晶度的方法是不可能得出正确结果的方法。

3S含量对铁液共晶度的影响

硅在铸铁中是代位固溶体元素可降低碳在液相和固相中的溶解度。具有增加碳的活度促进石墨化的作用。因此增加硅含量就相当于增加了碳含量使铁液的共晶点向左移动。其关系是当硅含量提高时可使固相线温度升高共晶点左移共晶点碳当量下降。稳定系Si含量对共晶点和固相线温度的影响如下图所示

介稳定系下Si含量对共晶点和固相线温度的影响如下图所示从图中可以看出随着Si含量的升高固相线温度降低共晶点右移共晶点的碳当量提高

4铁液共晶度目标的确定

4.1灰铸铁的共晶度目标

灰铸铁的凝固组织为初生奥氏体枝晶间分布着次生奥氏体和片状石墨片状石墨仅对次生奥氏体有割裂的作用。灰铸铁的共Sc决定了初生奥氏体的生成量初生奥氏体的发达程度决定着灰铸铁的强度。因此灰铸铁的共晶度控制范围应根据灰铸铁的不同牌号而定灰铸铁要求的牌号越高组织中的奥氏体枝晶越要发达要求铁液的共晶度目标越低

4.2球墨铸铁的共晶度目标

铁液共晶度Sc<1时凝固的先析相是初生奥氏体枝晶,初生奥氏体枝晶内没有石墨。因此用共晶度Sc<1的铁液生产球铁时,会发生球墨沿奥氏体枝晶外沿排列的现象。

铁液共晶度Sc>1时先析相是石墨。由于先析石墨是在铁液中生成,石墨形态不受控,所以不会是球状石墨(块状石墨)。由于石墨与铁液的密度差导致先析石墨会在铁液中上浮。因此,先析石墨在凝固组织中的位置也是不可控的(漂浮石墨)

显然亚共晶和过共晶铁液获得的球铁凝固组织都不是球状石墨分布均匀的凝固组织。所以球化铁液的共晶度目标应确定为Sc=1,共晶铁液的点温度最低,铁液的流动性最好,共晶铁液的缩孔率最低工艺出晶率最高。

5铁液共晶度的影响因素

5.1选择结晶可将铁液由亚共晶变成共晶

亚共晶铁液从选择结晶开始凝固,选择结晶多余的C被排斥到初生奥氏体枝晶的外沿,扩散到剩余的铁液中。当剩余铁液的成分到达共晶时择结晶完成,未凝固的铁液都变成了晶铁液,之后进行的是共晶凝固直至凝固结束。因此无论亚共晶铁液还是共晶铁液,都必然经历一个共晶凝固过程,必然会产生共晶凝固组织

5.2孕育衰退将共晶铁液变成过共晶

孕育处理和球化处理加入的Si,熔解到分子团状态时以浓度起伏和温度起伏的形式起形核作用。这部分Si逐渐熔解扩散成原子形态的Si之后,形核作用消失孕育效果衰退。共晶凝固开始后发生的孕育衰退将导致铁液的CE提高,使共晶铁液转变为过共晶铁液。

过共晶铁液的凝固将产生漂浮的粗大石墨,因此厚断面铸铁件中会产生粗大的块状石墨。要消除厚断面铸铁件中心部位的先析石墨组织,首先要解决铁液在共晶凝固阶段的孕育衰退问题。

5.3孕育衰退造成过共晶的原因是高温

孕育、球化处理的铁液温度越高,分子团形态的Si熔解扩散成原子形态Si的速度越快,从出铁到凝固结束前CE提高的幅度越大。因此,忽高忽低的出铁温度,将导致铁液CE提高的幅度失控,即共晶度失控。在灰铁生产中会导致凝固组织中初生奥氏体和次生奥氏体的比例失控,即灰铸铁的强度失控;在球铁生产中会导致按共晶控制的球化铁液变成过共晶,即凝固组织的石墨形态失控。

铁液的过热度是浇注温度与初晶温度的差。过热度越大,凝固结束前要释放的热量越多。在铸型导热率一定的条件下,铁液在铸型里凝固的时间就越长,孕育衰退的越多,CE提高的幅度越大。当孕育衰退造成铁液过共晶之后,凝固组织中就会出现先析石墨

6. 共晶度对铁液流动性的影响

铸铁的流动性是指铁液充满铸型的能力,通常用螺旋线长度表示。是铸造工程追求的首要指标。

从上图的上半部可见:共晶铁液的熔点最低,相同浇注温度下的过热度最大,铁液的流动性最好。上图的比对可见:在相同过热度下,共晶度为1的铁液浇注的螺旋线最长,充填性最好。

7共晶度对铁液缩孔率的影响

共晶度直接影响着铁液的缩孔倾向。共晶度越小,初生奥氏体枝晶越发达,产生的体积空位越多;合并成的缩孔越大。当铁液的共晶度为1时,没有初生奥氏体枝晶生成,凝固组织中的缩孔率为0,铁液的工艺出晶率最高。共晶度控制的效果如下图所示:

将球化后的铁水控制在共晶状态,在接近初晶温度的条件下进行浇注。就可减小冒口的比例,提高工艺出晶率。每包只浇注一个球铁件还可能实现无冒口铸造。

8铁液共晶度的测量方法

通过测量铁液的凝固温度曲线,当初晶温度与共晶温度取得一致时,可将该铁液确认为共晶度Sc=1的共晶铁液。当初晶温度高于共晶温度时,根据初晶与共晶的温度差即可计算出Sc<1的铁液共晶度当凝固从再辉开始时根据共晶前的先析石墨量(S1)即可计算出Sc>1的铁液共晶度。

采用热分析法可以准确测量亚共晶、共晶铁液的共晶度。由于铸铁生产中没有过共晶铁液的材质需求,所以没人研究量化识别先析石墨的结晶潜热,当前的热分析仪还不能量化过共晶铁液的共晶度,仅能定性判断铁液是否过共晶。

用热分析方法定性识别铁液的过共晶缺陷,定量测量亚共晶、共晶铁液的共晶度,可以满足铸铁生产过程控制共晶度的需求。

9铁液共晶度的控制方法

铁液的共晶度目标应以浇注时刻为基点进行设定,在控制原铁水共晶度时必须预留球化、孕育处理共度提高的幅度。球化、孕育导致共晶度升高,是从两个方向进行的:

(1) 球化剂和孕育剂的加入使铁液融入了量的石墨化成分,造成铁液的CE提高,降低了铁液的液相线温度。

(2) 球化剂和孕育剂的加入使铁液产生大量的形核核心,铁液由介稳定态转变为稳定态,提高了铁液的固相线温度。

共晶度升高的幅度与球化剂和孕育剂的种、含量、加入量有关。由于各公司使用的球化剂和孕育剂不尽相同,所以首先要测量自家使用的球化剂和孕育剂造成共晶度升高的幅度值。在控制原铁液共晶度时,预留球化和孕育造成共晶度升高的幅度值,才不致发生铁液球化、孕育处理后变成过共晶铁液的问题。改变球化剂、孕育剂的晶种、含量、加入量时,要相应变更原铁液预留的共晶度升高幅值。铁液的球化和孕育处理方法改为喂丝法后,特别要注共晶度升高幅值减小,带来铁液缩孔倾向增大的问题。

针对铁液在铸型中凝固时间长,孕育衰退导致液过共晶、产生粗大石墨的问题应采取如下措施:

设计铁液的出铁温度、开浇温度、终浇温度时,首先要确定该牌号铁液的共晶度目标,使用热分析仪测量该共晶度下的初晶温度值。根据初晶温度值,加上流动性需要的基本过热度,即可确定终浇温度值终浇温度值加上浇注多铸型铁液的温降值,即可确定开浇温度值开浇温度值加上出铁、球化、孕育、扒渣、转运铁液的损失温度值,即可确定出铁温度值。

共晶度目标值和初晶温度值可通过查阅铸的热分析仪测量记录获取。浇注单个铸件时开浇温度值=终浇温度值。出铁、球化、孕育、扒渣、转运损失的温度可通过测量出铁和开浇温度获得。铁液的熔解温度与出铁温度差应于出铁前在炉内静置降温。

严格核定、控制浇注铁液的共晶度和过热度,是解决铁液在铸型里凝固时间长,消除厚壁铸铁件中心部位先析石墨组织的有效手段。

10共晶度控制的应用实例

10.1、球铁共晶度控制实例

铁水共晶度Sc<1时先凝固的是初生奥氏体枝晶。初生奥氏体枝晶中没有石墨。因此用共晶度Sc<1的球化铁水生产球铁时,会发生球状石墨沿枝晶外沿排列的现象。

铁水共晶度Sc>1时先凝固的是石墨(漂浮石墨)。在铁液中生成石墨的形态不可控,所以通常是不规则的块状石墨。由于石墨与铁液的密度差,漂浮石墨停在凝固组织中的位置也不可控。过共晶铁水的熔点温度大幅度提高,还会降低铁水的流动性、铸造性能。

显然要获得球状石墨均匀分布的凝固组织,共晶度目标应设定为Sc=1。共晶铁水的缩孔率最低,工艺出晶率最高。

控制球化铁水共晶度的工作,在于确定球化、孕育过程的共晶度增量(Sc)。再根据共晶度增量(Sc),控制原铁水的共晶度。

首先熔制一炉共晶度Sc=0.9的原铁水,记录球化出铁前的共晶度值:

球化、孕育完成后再测量出该铁水的共晶度值:


根据这两个记录的共晶度测量值,计算出球化、孕育过程的共晶度增量:

Sc=0.98-0.90=0.08

球铁理想的共晶度目标为Sc=1,减去球化、孕育的共晶度增量值△Sc=0.08即可得到原铁水的共度目标为:

Sc0=1.00-0.08=0.92

球化孕育后即可得到共晶度为Sc=1的球化铁水:


需要说明的是:这个共晶度增量值Sc,是该球化方法、球化剂种类、球化剂加入量、孕育方法、孕育剂种类、孕育剂加入量的特定结果。改变球化、孕育方法;球化剂、孕育剂种类;球化剂、孕育剂加入量时要重新核定共晶度增量值△Sc。这个共晶度增量值△Sc,可作为球化、孕育方法相同;球化剂孕育剂种类相同;球化剂、孕育剂加入量同的其他牌号球铁的生产控制参数。

10.2、灰铁共晶度控制实例

灰铸铁属亚共晶铸铁,凝固从选择结晶开始,首先凝固出初生奥氏体枝晶。选择出来的碳被排斥到枝晶的外沿,扩散到剩余的铁液中。随着奥氏体枝晶的长大,当未凝固铁液的成分达到共晶成分时,凝固转变为共晶凝固。在初生奥氏体枝晶占据的空间外,次生奥氏体和片状石墨同时生成,孕育效果差时有Fe3C生成,直至剩余铁水完全凝固。

灰铁凝固组织的特征为:初生奥氏体枝晶间分布着次生奥氏体和片状石墨。共析转变后初生奥氏体和次生奥氏体都将按成珠光体,片状石墨仅对次生奥氏体转变的肌体有割裂作用。未被片状石墨割裂、共析转变后的枝晶相当于灰铁中的钢筋,决定了灰铸铁的强度。

灰铁铁水的共晶度Sc决定了初生奥氏体枝晶的成量,奥氏体枝晶的生成量决定着灰铸铁的强度。因此灰铁的共晶度,应根据灰铁的不同牌号而定:灰铁的牌号越高,要求凝固组织中的奥氏体枝晶越发达,铁液的共晶度目标应越低。

以灰铁250为例:在以往生产的铸件中,找一个材质相对满意的结果。按该铸件的记录标识,找到该铁液的孕育铁水和原铁水的热分析测量记录:

将这两个共晶度测量结果设定为灰铁250的共晶度目标,即可稳定、批量的生产出用户满意的灰铸铁件。

综上所述:灰铁的共晶度决定着奥氏体枝晶的生成量、灰铁的强度和缩孔率。球墨铸铁的共晶度决定着球墨在凝固组织中分布的均匀性、决定着球铁的缩孔率。因共晶度设计或控制不当、浇注温度高、孕育衰退导致的过共晶铁液,会造成凝固组织中粗大、块状石墨的生成,对铸铁组织、性能的危害极大。

铸铁的共晶度控制是铁液熔炼的核心技术,热分析是铁液共晶度、成熟度的唯一在线检测手段。应用高精度的热分析和温度检测手段,不断优化铁液的共晶度、成熟度、过热度的控制目标。从准确掌控共晶度,防止孕育衰退入手,循序渐进的提升我们的铸铁材质掌控能力,实现参与国际市场竞争的中国梦。


2018-10-08

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