您好, 歡迎來到化工儀器網(wǎng)
碳硅分析儀在提高鑄鐵質(zhì)量方面的作用
鐵水質(zhì)量的熱分析技術(shù)源于金屬學(xué)中的相圖理論，在發(fā)達(dá)國家早已廣泛用于爐前鐵水的檢測和控制，是*鑄造技術(shù)中*的檢測手段，在高質(zhì)量鑄件的生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。 為了使大家能夠掌握熱分析技術(shù)的優(yōu)勢，正確使用熱分析解決生產(chǎn)中具體的質(zhì)量問題，普遍提高我國的鑄件材質(zhì)水平和參與市場競爭的能力。在此依個人之淺見就熱分析技術(shù)在提高鑄鐵質(zhì)量方面的作用，向大家做一個介紹。
一． 熱分析測量的原理 對鐵水質(zhì)量進(jìn)行熱分析時取鐵水澆入樣杯，在樣杯特定的散熱條件下，熱分析儀首先記錄下樣杯內(nèi)鐵水的凝固溫度曲線。
通過對凝固溫度曲線的解析，找出鐵水凝固過程的各種相變特征參數(shù)。將相變特征參數(shù)值帶入與凝固組織建立的數(shù)學(xué)模型后，即可以計算出決定鐵水凝固組織的重要控制參數(shù)。
以白口化鐵水的凝固過程（上圖中的紅色曲線）為例，說明凝固溫度曲線與相圖的對應(yīng)關(guān)系：取原鐵水澆入加有強制白口化成分的樣杯。熱分析儀記錄了樣杯內(nèi)白口化鐵水的凝固溫度曲線，如下圖所示：
凝固溫度曲線的*個平臺是鐵水降溫到液相線時，生成的固體相釋放結(jié)晶潛熱，維持樣杯散熱產(chǎn)生的恒溫平臺。我們將這個平臺溫度稱做：初晶溫度（TL）。隨后鐵水進(jìn)行的是選擇結(jié)晶過程，選擇結(jié)晶中釋放的結(jié)晶潛熱不足以維持樣杯的散熱，溫度曲線呈緩慢下降的趨勢。選擇結(jié)晶剩余的鐵水到達(dá)共晶成份時，開始共晶凝固。剩余鐵水在共晶凝固中釋放出大量的結(jié)晶潛熱，直至全部鐵水*凝固，維持了一個更長的的恒溫平臺。我們稱這個溫度平臺為:共晶溫度（TE）。以上就是白口化鐵水的凝固溫度曲線與相圖的對應(yīng)關(guān)系。
從上圖可見：我們通過分析鐵水的凝固溫度曲線，就可以捕捉到相變溫度特征值。將相變溫度值與鐵水中的活性成分含量或特定的凝固組織建立起數(shù)學(xué)關(guān)系，即可計算出與相變溫度對應(yīng)的活性成分含量或特定的凝固組織。
對孕育后的亞共晶鐵水進(jìn)行溫度、成分的保持，按一定的時間間隔取樣獲取凝固溫度曲線，對照三角試片白口寬度的變化說明凝固溫度曲線與鐵水中型核物質(zhì)，與鑄鐵凝固組織的對應(yīng)關(guān)系。
取鐵水同時澆注三角試片和熱分析樣杯。鐵水凝固溫度曲線從石墨化共晶溫度曲線向白口化共晶溫度曲線依次過渡，出現(xiàn)白口化共晶溫度曲線以后共晶溫度就不再隨過熱時間變化了。三角試片上的白口寬度也隨過熱時間的延長逐漸增大，直至出現(xiàn)全白口截面。圖示如下：
從上圖可見：鐵水中的型核物質(zhì)充分時，鐵水進(jìn)行的是石墨化共晶凝固，開始共晶凝固的時間早、開始共晶凝固的溫度高。
隨著鐵水過熱時間的延長，鐵水中的型核物質(zhì)在逐漸消融。鐵水開始共晶凝固的時間向后推遲，開始共晶凝固的溫度也逐漸降低，伴隨著共晶過冷和再輝現(xiàn)象的發(fā)生。
當(dāng)鐵水中的型核物質(zhì)全部熔解后，鐵水進(jìn)行的是白口化共晶凝固，沒有共晶過冷和再輝現(xiàn)象發(fā)生。開始共晶凝固的時間zui晚、開始共晶凝固的溫度zui低。凝固組織中的C*以Fe3C的形態(tài)存在。
這就是熱分析通過鐵水共晶凝固的過冷和再輝現(xiàn)象，量化的測量鐵水中型核物質(zhì)的方法。
二.熱分析的鐵水質(zhì)量檢測功能
鑄鐵件的材質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，是以材質(zhì)的性能和組織為交貨驗收條件。貫穿著鑄鐵生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，化學(xué)成分、冷卻速度、核心數(shù)量與組織結(jié)構(gòu)和機械性能的關(guān)系如下圖所示：
在鑄鐵材質(zhì)驗收標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的性能實驗指標(biāo)，是常溫條件下檢查力學(xué)性能的結(jié)果。因此在常溫下鑄鐵的性能與組織具有*的相關(guān)關(guān)系。
鑄鐵的組織由鐵水的化學(xué)成份、冷卻速度、核心數(shù)量這三大要素決定。變換這三大要素的量值可以獲得各種不同的鑄鐵組織、獲得人們需要的材質(zhì)性能。在生產(chǎn)中通過改變這三大要素的量值，可獲得以下不同的鑄鐵材料：
高氧含量（30～40 PPM）的亞共晶成分、充分的核心數(shù)量、低冷卻速度條件下產(chǎn)生的是灰口鑄鐵。
低氧含量（6～8 PPM）的近共晶成分、充分的核心數(shù)量、低冷卻速度條件下產(chǎn)生的是球墨鑄鐵。
中氧含量（10～20 PPM）的近共晶成分、貧乏的核心數(shù)量、低冷卻速度條件下產(chǎn)生的是蠕墨鑄鐵。
針對上述三大鑄鐵材質(zhì)生產(chǎn)的在線檢測需求，熱分析具有以下測量功能：
活性碳當(dāng)量【CE】：
熱分析能夠測量出鐵水的活性碳當(dāng)量（鐵水中所有石墨化、反石墨化成分和碳的綜合作用結(jié)果，區(qū)別于CE=C+Si/3的計算碳當(dāng)量）。活性碳當(dāng)量是個非常重要的參數(shù)。它決定著鐵水以怎樣的組織形式開始凝固。
如果CE過低的話，初晶溫度隨之升高。初晶溫度高導(dǎo)致鐵水的過熱溫度減小，鐵水的流動性降低，發(fā)生冷隔缺陷的風(fēng)險度增大。初晶溫度越高，凝固冷卻的速度越大，產(chǎn)生白口缺陷的風(fēng)險度越大。
CE過低還導(dǎo)致初生奧氏體過多，縮孔的風(fēng)險度增大。使灰鐵的抗拉強度過高，球鐵和蠕鐵的石墨過少等結(jié)果。
如果CE過高的話，會導(dǎo)致初生奧氏體過少、石墨過多?；诣F的抗拉強度降低的結(jié)果。
當(dāng)CE高于共晶成分時，凝固從石墨化漂浮開始，鐵水的流動性降低，也會導(dǎo)致冷隔（湯竟、重皮）缺陷的發(fā)生。石墨化漂浮會導(dǎo)致共晶凝固時的碳含量減少，石墨化膨脹少，所以過共晶鐵水的縮松風(fēng)險性較大。
活性硅當(dāng)量【SiE】：
熱分析能夠測量出鐵水的活性硅當(dāng)量【SiE】。在鐵水凝固成鑄鐵組織時，真正起作用的是活性硅當(dāng)量【SiE】，而不是鐵水中的硅含量【Si】。更不是化學(xué)分析和光譜分析的，包含了夾雜態(tài)的SiO2、孕育態(tài)的Si分子團(tuán)等含量的總硅量?；钚怨璁?dāng)量與硅含量的關(guān)系可用下式描述：
SiE = Si + 0.15l + 0.12Cu + 0.06Co + 2.68P + 0.1Ni+ 0.44Sb
+ 1.25Mo+ 0.24W + 0.52Sn + 0.1Ti + 0.04Mn + 0.89S
- 0.51Cr - 0.28V - 2.24B•••••••••
初生奧氏體量【γ1】
熱分析能夠測量出凝固鐵水的初生奧氏體量【γ1】。
生產(chǎn)灰鐵時凝固鐵水的初生奧氏體量越高，形成的樹枝狀奧氏體枝晶越發(fā)達(dá)，灰鐵的強度越高。
由于初生奧氏體枝晶中沒有石墨，所以生產(chǎn)球鐵時初生奧氏體枝晶的生長分布決定了凝固組織中石墨的分布。球鐵中的初生奧氏體量越高，球鐵中的球數(shù)越少。還會發(fā)生球狀石墨沿枝晶排列的現(xiàn)象。
初晶溫度越高，初生奧氏體量越多，凝固外殼內(nèi)的鐵水溫度越高，鐵水在封閉外殼內(nèi)的降溫幅度越大，產(chǎn)生的體積收縮越大。又由于鐵水可以在初生奧氏體的枝晶間流動，所以初生奧氏體量越多，鑄件中產(chǎn)生的縮孔越大。
活性氧含量【O】:
熱分析能夠測量出鐵水中的活性氧含量（鐵水中的自由氧含量，不包含鐵水中SiO2、MgO、Al2O3等氧化物中的O量。與化學(xué)分析或光譜分析的，包含了鐵水中SiO2、MgO、Al2O3等氧化物的總氧量有所區(qū)別）。
出鐵前測量的活性氧含量，可用于灰鐵孕育劑，球鐵的球化劑、蠕鐵的蠕化劑的定量計算。
出鐵后測量的活性氧含量，可用于測量球化鐵水和蠕化鐵水中的活性鎂含量。
活性鎂含量【Mg】:
*：根據(jù)熱力學(xué)的鎂-氧平衡方程，可以用熱分析獲得的活性氧含量計算出球化、蠕化后鐵水中的活性鎂含量（鐵水中的自由鎂含量，不包含MgS、MgO、Mg3N2等反應(yīng)物中的Mg量。與化學(xué)分析或光譜分析的，包含了MgS、MgO、Mg3N2等反應(yīng)物的總鎂量有所區(qū)別）。
當(dāng)鐵水中的活性鎂含量為0.028～0.038%時，鐵水凝固形成的是球鐵組織。球化鐵水中的活性鎂含量過高時，不僅僅是浪費球化劑，還會在球鐵鑄件的心部產(chǎn)生反白口組織。球化鐵水中的活性鎂含量過低時，凝固組織中將出現(xiàn)大量的蠕狀石墨。
當(dāng)鐵水中的活性鎂含量為0.008～0.016%時，鐵水凝固形成的是蠕鐵組織。蠕化鐵水中的活性鎂含量過高時，凝固組織中將出現(xiàn)大量的球狀石墨。我國的蠕鐵生產(chǎn)之所以不能形成高蠕化率的穩(wěn)定量產(chǎn)，主要原因就是沒有使用活性鎂含量，這個決定蠕化率的重要參數(shù)來進(jìn)行蠕鐵生產(chǎn)控制。
再輝段石墨生成量【S1】：
熱分析能夠測量出鐵水的再輝段石墨生成量【S1】。再輝段石墨生成量大時，在共晶凝固的前期會集中從鐵水中析出大量的石墨。
間隙在鐵水中的碳析出成石墨時，從無到有的擠占了鐵水的空間，形成了鐵水的石墨化膨脹。在共晶凝固前期集中產(chǎn)生的石墨化膨脹，會導(dǎo)致型壁移動的鑄造缺陷發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致鑄件尺寸的不穩(wěn)定。
在總量一定的前提下，會造成再輝后石墨生成量（S2）的減少，使共晶凝固后期無足夠的膨脹石墨填充體積收縮，會導(dǎo)致縮松缺陷的發(fā)生。
再輝后石墨生成量【S2】
熱分析能夠測量出鐵水再輝后石墨生成量【S2】。在總量一定的前提下，再輝段石墨生成量小時，再輝后的石墨生成量就大。再輝后出現(xiàn)的石墨化膨脹可以填充共晶凝固時產(chǎn)生的體積收縮，從而可減少發(fā)生縮松缺陷的傾向。
反白口風(fēng)險度【?】
熱分析能夠測量出鐵水的反白口風(fēng)險度【?】。反白口是鐵水在選擇結(jié)晶過程中，將低熔點的成份排擠到鑄件的中心部位zui后凝固。這些低熔點的成份大多是白口化元素，因此在鑄件zui后凝固的部位產(chǎn)生了白口組織。區(qū)別于鑄件表面高速冷卻產(chǎn)生的白口組織，將鑄件中心部位的白口組織稱為：反白口組織。
反白口組織會造成鑄件中心部位的機加工困難，以致發(fā)生加工后期的整體機件報廢。通過反白口風(fēng)險度的測量，可以預(yù)知發(fā)生反白口缺陷的程度。
球鐵回爐鐵使用的過多時，發(fā)生反白口的傾向就大一些。反白口傾向大的球鐵回爐鐵過多時應(yīng)該賣掉一些，以免造成反白口問題的惡性循環(huán)。
熱分析是測量鐵水中的活性氧含量、共晶程度、型核能力、冷卻速度、相變特征參數(shù)的*檢測手段。這是其他分析方法所不及的。
當(dāng)前只有熱分析能夠測量出鐵水的狀態(tài)是否具備形成目標(biāo)材質(zhì)的綜合條件。也只有熱分析測量到鐵水符合目標(biāo)材質(zhì)生成條件時，澆注的鑄件有保證符合驗收標(biāo)準(zhǔn)的各項指標(biāo)要求。
三.熱分析在灰鐵質(zhì)量控制中的作用
1.灰鐵的強度
鐵水澆入鑄型后在鑄型激冷和散熱降溫到初晶溫度時，首先背向鑄型或核心長出初生奧氏體晶芽。在隨后散熱降溫的選擇結(jié)晶中，初生奧氏體晶芽逐漸長成樹枝狀的初生奧氏體枝晶。鐵水降溫到共晶溫度時，選擇結(jié)晶剩余的鐵水到達(dá)共晶成份，在初生奧氏體枝晶的余留空間同時生成次生奧氏體和片狀石墨。直至灰鐵的凝固組織全部形成。
在灰鐵凝固組織從共晶溫度下降到共析溫度區(qū)間，初生奧氏體和次生奧氏體都將其中過飽和的碳析出到片狀石墨。溫度下降到共析溫度以下時，凝固組織中的初生奧氏體和次生奧氏體將全部轉(zhuǎn)化成珠光體，片狀石墨被保留下來。片狀石墨在灰鐵組織中的作用相當(dāng)于片狀空隙，對珠光體的肌體組織起著割裂的作用。
灰鐵組織中zui初生成的初生奧氏體枝晶中沒有片狀石墨，片狀石墨只與次生奧氏體在共晶凝固時同時生成，因此片狀石墨對初生奧氏體枝晶形成的肌體沒有割裂作用，只對次生奧氏體形成的肌體有割裂作
用。所以由初生奧氏體枝晶構(gòu)成的骨架決定了灰鐵材料的強度。
灰鐵材料受外力破斷時，其裂紋的走向是沿著片狀石墨的取向延伸的。裂紋從一個片狀石墨裂向下一個片狀石墨時，中間起抵抗作用的是由初生奧氏體枝晶完成共析轉(zhuǎn)變后形成的珠光體組織。因此灰鐵材料的強度取決于初生奧氏體枝晶【γ1】的生成量和發(fā)達(dá)程度，初生奧氏體枝晶越發(fā)達(dá)，灰鐵材料的強度越高。
而熱分析測量的活性碳當(dāng)量（CE）和活性硅當(dāng)量（SiE）決定了鐵水的初生奧氏體生成量【γ1】。鐵水的活性碳當(dāng)量（CE）越低、活性硅當(dāng)量（SiE）越低，生成初生奧氏體【γ1】的量越大，奧氏體枝晶越發(fā)達(dá)，灰鐵材料的強度越高。
2.灰鐵的白口風(fēng)險度
鐵水的活性碳當(dāng)量（CE）越低，凝固時的初晶溫度就越高，與鑄型和環(huán)境的溫度差越大，激冷凝固組織的降溫速度越大。降溫速度達(dá)到一定程度時即產(chǎn)生了由Fe3C組成的白口組織。由于鑄件的邊角處降溫速度zui大，因此在鑄件的邊角處經(jīng)常產(chǎn)生白口組織。
熱分析可以預(yù)測鐵水的白口風(fēng)險度，保證鑄件良好的加工性能。進(jìn)而可以使鑄件用戶穩(wěn)定機加工刀具的磨損量，提高自動加工機床的加工精度。
3.灰鐵的縮孔風(fēng)險度
灰鐵的凝固從外殼開始，當(dāng)澆、冒口的補縮通道凝固以后，封閉外殼內(nèi)鐵水降溫產(chǎn)生的體積收縮將得不到補充。由于封閉外殼內(nèi)部的鐵水可以在枝晶間流動，因此從初晶到過冷點降溫產(chǎn)生的體積收縮將造成鑄件內(nèi)部的集中縮孔。
也就是說：CE值越低、初晶溫度越高，從初晶到過冷點的溫度差越大，降溫產(chǎn)生的體積收縮越大，鑄件中產(chǎn)生集中縮孔的風(fēng)險度越大。
4.型壁移動的風(fēng)險度
灰鐵在共晶凝固階段將有石墨產(chǎn)生。原本以間隙形式存在的碳不占據(jù)空間體積，但生成石墨以后將占據(jù)一定的空間體積，由此產(chǎn)生了石墨化膨脹。
由過冷點到再輝點的溫度差越大，再輝段的石墨生成量【S1】越大，集中產(chǎn)生石墨造成的體積膨脹越大，產(chǎn)生型壁移動的風(fēng)險度越高。
減小型壁移動風(fēng)險度的方法是：加強鐵水的孕育措施，減小鐵水共晶凝固的過冷度。減少再輝段的石墨生成量【S1】，加大再輝后的石墨生成量【S2】，使共晶凝固的石墨化膨脹和共晶階段的體積收縮同時進(jìn)行，用石墨化膨脹來填充共晶降溫產(chǎn)生的體積收縮。既可以減小型壁移動的風(fēng)險度，又可以減小縮松的風(fēng)險度。
5.灰鐵的縮松風(fēng)險度
灰鐵凝固的外殼內(nèi)，當(dāng)初生奧氏體和次生奧氏體的凝固連續(xù)起來以后，剩余的共晶鐵水被封閉在各個局部的空間內(nèi)。局部空間內(nèi)的降溫體積收縮將造成鑄件的縮松缺陷。
減小縮松風(fēng)險的方法與減小型壁移動風(fēng)險的方法是一致的，減小型壁移動風(fēng)險度的同時即減小了縮松的風(fēng)險度。問題的關(guān)鍵是要使用熱分析測量和動態(tài)孕育技術(shù)，測量出再輝段的石墨生成量【S1】和再輝后的石墨生成量【S2】，計算出補充喂入孕育絲的量，才能將型壁移動的風(fēng)險度和縮松的風(fēng)險度zui小化。
6.灰鐵的反白口風(fēng)險度
當(dāng)鐵水中含有低熔點的殘余成份時，鐵水根據(jù)選擇結(jié)晶原理首*行高熔點成分的凝固，將這些低熔點的成分排擠到鑄件的心部zui后凝固。這些低熔點的成分大多是些白口化元素，因此會在鑄件的心部產(chǎn)生反白口組織。
通過熱分析測量出鐵水存在的反白口風(fēng)險度，再用光譜儀分析出反白口成分的種類，就可以通過加入已知反白口成分含量較低的鐵料，稀釋反白口成分的含量，即可以阻止反白口缺陷的發(fā)生。
21%，多加入0.001%的鎂，凝固組織中分散的片狀石墨斑就能*轉(zhuǎn)變成蠕狀石墨。因此蠕鐵生產(chǎn)不能向生產(chǎn)灰鐵和球鐵那樣采用過量處理方法。
從上圖可見：蠕鐵質(zhì)量穩(wěn)定區(qū)的活性鎂范圍在（0.008～0.016%），超過了就會使球墨的比例迅速增加。而且鐵水中的活性鎂會隨著時間的延長逐漸氧化，因此蠕鐵開始澆注時的活性鎂含量，必須離蠕鐵到灰鐵的急轉(zhuǎn)點有足夠的距離。才能保證在澆注時間范圍內(nèi)，zui后澆鑄的部件不出現(xiàn)片狀石墨。
鐵水中的型核物質(zhì)隨著時間的延長會逐漸熔解消失，也就是常說的孕育衰退。而且鐵水溫度越高，衰退的速度越快。
因此鐵水中核心數(shù)量的控制，首先要在出鐵前對原鐵水的過冷度進(jìn)行測量，了解原鐵水中遺傳下來的核心數(shù)量。再針對具體產(chǎn)品的蠕化時間、鐵水輸送時間、澆注時間、凝固時間來確定孕育劑的加入量。*才能保證鐵水在凝固時刻的蠕化核型數(shù)量。
1.原鐵水共晶度的控制
理想的蠕鐵原鐵水與球鐵原鐵水的共晶度要求是一致的，在蠕化后應(yīng)以共晶或微亞共晶狀態(tài)進(jìn)行凝固。是保證高蠕化率、低縮孔風(fēng)險度、低縮松風(fēng)險度的前提條件。
通過熱分析測量和控制原鐵水的活性碳當(dāng)量（CE）和活性硅當(dāng)量（SiE），可以獲得滿意的蠕鐵原鐵水共晶度。
2.原鐵水活性氧含量和全硫含量的測量
出鐵前用熱分析方法測量原鐵水中的活性氧含量。將光譜分析法測量的全硫含量輸入到熱分析儀中。熱分析儀根據(jù)具體產(chǎn)品開始澆注時鐵水中的活性鎂含量值、蠕化劑的鎂含量、蠕化和澆注前的鎂燒損率等，計算出動態(tài)匹配蠕化劑的加入量。
3.原鐵水過冷度的測量
出鐵前通過熱分析測量鐵水的過冷度值，可以測量出原鐵水的型核能力。
熱分析儀根據(jù)凝固時刻的蠕化核型數(shù)量，具體產(chǎn)品的蠕化時間、鐵水輸送時間、澆注時間、凝固時間等計算出動態(tài)匹配的孕育劑的加入量。
4.蠕化包和蠕化劑的掩埋
蠕化劑也是被鐵水加熱以后汽化成鎂蒸氣，在上浮的過程中被鐵水吸收。要保證蠕化劑穩(wěn)定的收得率，也要求鐵水具有一定的高度。因此蠕化使用的鐵水包要有一定的高徑比。
在蠕化劑的掩埋問題上，應(yīng)以鐵水接收到蠕化包2/3高度以后，蠕化劑才能被加熱汽化為準(zhǔn)。
即便使用普通的鐵水包，也同樣不能用接過灰鐵鐵水的澆包來進(jìn)行蠕化處理。因為灰鐵的殘渣和滲透到包襯內(nèi)的硫會影響到蠕化劑的收得率。
5.蠕化鐵水量的控制
為了保證鐵水的蠕化質(zhì)量，不僅要定量蠕化劑的加入量，也要定量蠕化鐵水的量。因此定量出鐵是高質(zhì)量蠕鐵生產(chǎn)的必要裝備。使用天車吊包出鐵的工廠應(yīng)選用具有耐高溫功能的數(shù)顯式吊鉤秤。使用叉車出鐵的工廠要選用數(shù)顯式叉車秤。
6.活性鎂含量與核心量的控制
鐵水蠕化完成后，取樣進(jìn)行活性鎂含量和過冷度的熱分析測量。
發(fā)現(xiàn)活性鎂含量過高或核心量過多時，應(yīng)在澆注溫度許可的范圍內(nèi)增加鐵水的靜置時間，使活性鎂含量燒損降低、使鐵水的型核能力衰退減少。
發(fā)現(xiàn)活性鎂含量或核心量不足時，按熱分析儀的測量結(jié)果計算鎂包芯線補充量或孕育劑芯線補充量，啟動喂絲機定量補足活性鎂和鐵水的核心量。