蠕铁生产的过程控制1.docx

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蠕铁生产的过程控制1

蠕铁生产的过程控制

（1）

摘要：

蠕铁同灰铁相比，抗拉强度提高至少70％，弹性模量提高35％，而疲劳强度提高近一倍。

同铝合金相比，蠕铁的强度和刚性要高出一倍，而疲劳强度要高出二倍。

蠕铁的这些特性，为发起机改善功率／重量比，提升气缸压力提供了能够性。

而提升气缸压力是下一代直喷式柴油发起机能到达最优功用的关键。

为了迎接蠕铁的普遍运用，铸造工业目前正在积极预备，少量投资和改建新工艺，使蠕铁的消费到达动摇、牢靠。

蠕铁发起机从样机到大规模批量消费，决议性要素是质量风险。

高质量的蠕铁，动摇区十分小，仅在含镁量为0.008％的范围内。

微量的，如0.001％镁的损耗，就会发生片状石墨，使机械性直线下降25％至40％。

本文描画了基于热剖析手腕的进程控制系统。

该系统经过测量镁的损耗，以及在线调整铁水形状来防止片状石墨的发生。

这种测量、调整的在线控制手腕使消费蠕铁进程中的动摇性降低到了最低点，从基本上消弭了蠕铁消费所带来的质量风险。

前言

人们对高马力、高转矩、低废气排放以及降低燃料运用量的需求在继续增长。

这迫使大功率柴油发起机的设计者们提高点火峰压，使发起机的热负荷和机械负荷大幅度添加。

热负荷及机械负荷的同时降低，使目前运用的惯例铸铁和合金铸铁（CrMo）发起机已到达或超越了其运用下限。

发起机制造厂商们需求强度更高，耐热性更好的资料。

蠕铁很快成为人们的首选资料，它使新一代卡车发起机的缸体、缸盖及缸套的牢靠性大大提高。

为了到达各种功用的最正确组合（如铸造功用、机加功用、导热功用和力学功用），这些部件必需用球化率为0％至20％（蠕化率为80％至100％）的蠕铁来制造。

假设球化率超越20％，会招致一系列不利要素。

比如收缩量过大，外形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。

还有导热性也清楚下降，发生热应力等等。

而在蠕铁的另一端，片状石墨的出现将招致机械功用的直线下降，使发起机不能胜任新的要求。

综合而述，为满足新一代卡车发起机的需求，高强度蠕铁的球化率必需在0%至20%之间（即蠕化率在80%以上，无片状）。

能否运用消费进程控制，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，较复杂的，低产量的部件，如铸锭模普通是可以用惯例铸造方法消费的。

进程控制普通不需求，经济上也不合算。

当部件的年产量添加时，如排气管、曲轴套和托架等，引入进程控制应该是有意义的。

这类产品虽然年产件数多，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，消费中可允许参与的提升而添加的钛来拓展可控范围。

关于这类产品，惯例的铸造手腕加上严厉的训练，普通也可以胜任蠕铁消费。

但从质量控制角度而言，进程控制应该愈加保险。

异样，进程控制对大型船用发起机缸体和缸盖的消费也提供了保证。

虽然超大的尺寸和较低的消费数量有利于产品的制造，但由于产品超标形成的经济损失，足以添加一套进程控制系统。

最需求进程控制的产品，当属年产量大、复杂性高和技术要求严厉的汽车发起机缸体、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、发生缩孔趋向很高。

这些产品不可以有任何质量风险，否那么损失十分严重。

对发起机缸体、缸盖和缸座功用的严厉要求奠定了制造产品规范的基础。

为了取得铸造性，机加性和机械功用的最正确综台功用，在部件的一切关键部位，球化率都应在0％至20％范围之内。

更为重要的是，片状石墨必需相对防止，从而根绝局部单薄形成部件损坏。

为了到达好的机加性，自在碳化物必需降低到最低。

因此，相对不可以参与钛。

最后，从消费角度动身，铸造厂需求一个动摇、牢靠的工艺，以保证金相组织形成的废品率最低。

汽车行业的制造商们要求提供质量担保，100%的铸件必需满足金相要求。

大批量的，牢靠的缸体、缸盖和缸座的消费，需求对铁水停止准确的剖析和在线调整，从而消弭浇注前工艺进程中带来的动摇。

蠕铁动摇性

蠕铁没有大批量地用于消费复杂部件（如发起机缸体）的缘由是由于蠕铁的动摇区太小，无法保证消费中没有风险。

普通来说这个动摇区大约只跨越0.008％镁的区域，如图2示。

动摇区平台的大小和位置随产品而变。

实践上可应用的镁区间比这还小。

由于每5分钟，活性镁就会烧损0.001％。

铁水的起始浇注点必需离蠕铁到灰铁的急转点有足够的距离，以确保最后浇铸的部件不出现片状石墨。

当镁参与到铁水中后，只需约15分钟，就会出现片状石墨。

起始点也不可以太接近动摇平台的右侧（高含镁量），否那么会招致较薄部位和快速冷却部位构成少量的球状石墨。

除可应用的平台区很小外，该平台区还总是在移动的。

假设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，假设活性氧和硫含量较低，平台将向左侧移动（低含镁量）。

原资料的成份变化，纯真形状，氧化水平以及湿润水平等等缘由，使人们无法用一个固定的化学成份范围来控制蠕铁。

虽然从蠕铁到灰铁的转变只需下降0.001％的活性镁，镁的烧损并不会招致整个部件都变成片状石墨。

当活性镁不够时，石墨先构成片状，随着凝结向外扩张，镁在固液界面前端偏淅、稀释。

假设初始活性镁过量，就会在共晶体的边界处构成蠕状石墨，如图3示。

片状石墨首先以分散的片状石墨斑出现。

同罕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高。

镁对蠕铁的敏理性可由图4所示：

在一吨铁水包中，仅仅多参与10克的镁，Φ25实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要300MPa，而完全蠕化的异样试棒其抗拉强度那么到达450MPa。

孕育剂对蠕铁的动摇平台也很敏感，如图5所示：

在一吨铁水中多参与80克孕育剂，就会使Φ25试棒中的球化率从3％添加到21％。

孕育量高，发生晶核多，有利于构成球状石墨。

这使蠕铁平台向球化率高的方向抬起。

而低的孕育量那么使平台向下移动。

众多的要素，如铁水过热温度，保温时间、原资料化学成份，孕育剂种类和孕育量，都会影响蠕铁的平台位置。

欣特卡斯特探头SinterCastProb（简称欣特探头）

任何一种进程控制技术，最基本的要求是能准确地测量剖析铁水形状。

对蠕铁而言，牢靠的消费控制需求同时测量活性镁离蠕-灰转变临界点的位置、随后的镁烧损水平以及孕育水平。

200克的热剖析样品是经过将欣特探头拔出到经球化及孕育处置后的铁水中取得的。

在三秒钟的拔出进程中，探头壁同铁水到达热平衡形状。

与惯例热剖析样杯不同，此薄壁取样器即保证每次取样体积相反还防止了在铁水浇入样杯中发作氧化。

由于没有惯例热剖析中的激冷凝结现象，过热度的测量也愈加准确。

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，以保证向周围散热、冷却平均，其中的铁zz水接近于球状体凝结。

在探头中有二个N型热电偶处于维护管中。

每次测量后热偶可拔出，重复运用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，加上是自在悬挂（这不同于惯例热剖析样杯依托在一个吸热的托架上），因此铁水在容器中发生匀称的热流，如图6b所示。

这种热流使铁水在容器中不绝交流，在探头底部构成活动分隔区。

为了模拟铁水浇注进程中的自然损耗，在探头壁上有一层同活性镁发作反响的涂层。

铁水在热流推进下沿着有涂层的墙壁活动。

反响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：

探头中心热偶测量的是没有发作反响的铁水，也就是浇注的初始形状；而在底部的热偶测量的是浇注完毕后的形状。

反响涂层的配方十分考究。

必需准确地保证在分隔区聚集的铁水比中心的铁水活性镁少0.003%。

因此，假设初始含镁量离蠕-灰转机点太近，分隔区的铁水将生成灰铁，并被在该区的热偶测出。

这样，在浇铸末尾时，车间可多加些镁，以抵消不可防止的镁烧损。

假设在底部的热偶测出是蠕铁曲线，说明初始镁含量足够高，在浇铸完毕后也不会出现片状石墨。

图7是欣特探头在测样后的截面腐蚀图。

图中可以清楚地看到分隔区，主样区和热偶维护管。

由于活性镁增加了0.003％，在分隔区构成D状石墨和铁素体基体。

底部片状石墨区的大小直接反映了在主样区的初始含镁量。

这个区的大小可经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越0.9，证明两者关系十分亲密。

释放热由冷却曲线的时间积分失掉。

这种同时测量以后和浇注完毕时铁水形状的方法，保证了在浇注前镁的含量准确无误。

消费综合思索

由于蠕铁对球化剂和孕育剂都十分敏感，铸造厂不能够运用消费灰铁和球铁时所采用的过量处置方法。

如图8示，由于其敏理性，蠕铁仅仅在一个四方窗内动摇，而不只是镁平台区。

一个牢靠的蠕铁消费工艺，必需从头到尾地对球化和孕育停止控制，从而保证金相组织契合目的。

无论做出多大的努力，无论多么严厉的管理，铁水的动摇总是无法防止的。

先不说人们对铁水处置究竟能有多准确的了解，一步到位的处置方法，如三明治法，是无法保证每次处置都落在窄小的蠕铁窗口内。

众多的消费变数，如混料比、炉温、保温时间、铁水包的预热水平、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）的实践含镁量、三明治法中各层的合金排布、以及废铁屑的掩盖等等，都会影响到镁的吸收。

除这些要素外，活性氧和活性硫的含量也会改动蠕铁窗口的大小和位置。

铁水在包中停留时间、运输时间及浇注时间的变化都将改动可应用的烧损时间。

但是，最难预料的动摇要素是操作者的失误，或不同操作者之间由于任务习气不同而惹起的差异。

在大规模的批量消费中，独一保险的方法是测定处置后铁水的凝结特性。

这样影响蠕铁窗口大小、位置以及合金吸收等各种要素都被片面测量剖析和思索。

随后便可参与过量的镁和孕育剂。

每一包铁水都是在提升到理想形状后再浇注。

这种二步曲，测量及调整的进程控制方法，使消费动摇性降低到最小，完全消弭了在铸件中发生片状石墨的风险。

用铁水包消费蠕铁的进程控制

如图9示，进程控制始于对初始球化和孕育处置后铁水的热剖析。

依据剖析结果，喂线机自动显示出需求参与镁和孕育剂线缆的长度，并等候操作者启动。

当喂线终了后，铁水包随即被送到浇注线上。

整个测量及调整进程需求大约三分钟。

在这时期，车间可停止惯例的浇注前处置，如去渣等。

这样保证了铸造流水线的延续性。

当探头中的铁水凝结后，热剖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结特性和微观结构。

如图10示，这个〝棋盘〞可以进一步简化。

去掉不用的局部，只显示初始处置形状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，一致的原那么是：

总在窗口的右上角末尾浇注。

假设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，就决不会招致片状石墨斑和碳化物出现。

从操作角度来看，原铁水是不含镁的，孕育才干也很有限。

经球化、孕育处置后镁和孕育剂首先把铁水中的活性氧和硫吃掉，然后把铁水〝跳到〞棋盘中某个位置。

在图10例中，铁水的镁指数和孕育指数区分是65和45。

由于影晌消费的主要变化参数在测量处置后的铁水中都被表现出来，热剖析结果直接反映了以后铁水的形状。

剩上去的就是参与合过量的镁和孕育剂，把铁水从以后的位置提升到要求的起始浇注点。

在图10例中，先参与七个单位的镁线缆，再参与23个单位的孕育剂线缆。

指数单位同线缆长度的对应关系依据产品和车间来校正，并被编制在顺序中。

基于以往近10万件蠕铁铸件的阅历，镁线缆的平均参与量为每吨5米。

每米含12克镁，按吸收率为50％计算，每吨铁水的参与量仅为30克镁。

由于参与量十分小，同时主要变化在初始处置中都已发作，因此，调整十分有效牢靠。

调整后，并不需求再做热剖析。

在做初始处置中，力图处置后形状低于起始浇注位置，这样即使有利镁和孕育剂的吸收的一切要素都到达最正确值，铁水也只是到达起始浇注形状。

除了不要过量处置外，处置后铁水只需不是灰铁和白口铁形状就行。

为了使铸造进程更有效，每包铁水的镁指数和孕育指数都被显示在进程方框图中。

依据方框图变化趋向，操作者可调整下一包铁水中的参与量。

碳当量值也显示在屏幕中。

这些数据都被编辑好并存在消费日志中，做到了可跟综性，同时也满足了质量担保的要求。

虽然热剖析和随后的调整可以确保蠕铁的消费，建议还是在最后铸件的浇口杯中取样剖析。

同惯例的质量检验相比，这个热剖析结果可以提供在线剖析，并在需求的状况下将铸件分类。

在探头中的镁损耗模拟使这个〝非破坏〞检验技术比金相和超声波法更有效。

由于这个方法测量样块的体积更大，它同时还检测出在随后的10—15分钟，铁水将如何凝结。

总结

进程控制系统的选择取决于产品和铸造工艺。

当铸造蠕铁发起机机盖和机缸一类的复杂产品时，系统必需同时控制镁和孕育剂含量，使其从浇注末尾到完毕都在一个很窄的窗口内。

球化率必需在0%至20%之间（蠕化率80%至100%）以保证最正确浇注性，机加性等综合功用和最正确运用功用。

片状石墨斑必需彻底根绝以防止局部缺陷和弱点。

任何进程控制系统的起始点是准确有效地测量铁水形状。

牢靠的大规模蠕铁消费必需要有可行的控制手腕来消弭工艺变化和人为操作错误。

最有效的消弭工艺变化的方法是在球化、孕育处置后对铁水停止热剖析。

依据热剖析结果，在浇注行进一步参与准确数量的镁和孕育剂。

这种在线测量及调整的手腕保证了铸造消费线的动摇性，消弭了在大规模蠕铁消费中所带来的各种风险。