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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。

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