CN102985811B - 用于确定添加到铸铁熔体中孕育剂的量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定在具体铸造过程中向铸铁熔体中添加的孕育剂的量的方法，其包括以下步骤：提供第一样品容器(1)和第二样品容器(2)，各个样品容器具有连接至分析设备(5)的热电偶(3，4)；在每个样品容器(1，2)中注入一定量的熔融铁；记录在第一样品容器(1)中的铁在凝固期间的第一冷却曲线和第二样品容器(2)中的铁在凝固期间的第二冷却曲线；其特征在于，在其中的一个样品容器中，在注入熔融铁之前，在其中放置预定量的孕育剂，该量代表具体铸造过程中孕育剂的饱和水平，在具体铸造过程中向熔体中添加的孕育剂的量基于在第一冷却曲线上的最低共晶温度(TElow)和在第二冷却曲线上的最低共晶温度(TElow)的差值来确定。

Description

用于确定添加到铸铁熔体中孕育剂的量的方法
技术领域
根据随附权利要求1的前序部分，本发明涉及一种用于确定添加到铸铁熔体中的孕育剂的量的方法。
背景技术
铸铁是常用于货车的部件的结构材料。例如用于发动机组、汽缸盖、汽缸套、主轴承盖和弹簧垫架。
由于大部分的铸件不经过后续的热处理或塑性加工来改变它们的微观结构或修复它们内部的缺陷，它们的特性在铸造阶段已被大部分地确定。固相结构，也就是初始相(奥氏体)和共晶结构(奥氏体和石墨)的量和形貌，因而对铸件的特性极其重要。这些相/结构的量可以通过所谓的热分析确定，其基于样品从熔体凝固的过程中记录的冷却曲线。例如，在SE516136、SE515206和WO97355184中描述的热分析。
已知的使用热分析检查铸铁中相和结构的方式是基于熔融铁的液相线温度，即，熔体开始凝固的温度。基于测量的液相线的温度与预定值的差别的多少，可以通过例如添加碳改变成品铸件的结构。然而，该已知方法没有提供内部结构成核或长大的准确的测量方法，只是仅仅提供了初始相和共晶相各自的量的大约估计。
另一种已知的实践是添加孕育剂来控制铁内部结构的成核，但根据现有的方法发现很难确定孕育剂的最佳的添加量。
因此，铁内部结构的成核对其特性影响很大，尤其是它的缺陷发生率和它的强度。对于成品铸件的最终特性，共晶相的结构特别的重要。然而，现有已知的方法没有提供这种相的结构的好的测量方法，这会导致强度问题并报废。
因而本发明的目的是提出一种方法，其可靠地确定添加到铸铁熔体中的孕育剂的量，解决了上述问题或至少将它们降低到最小值。
发明内容
本发明的目的通过用于确定在具体铸造过程中添加到铸铁熔体中的孕育剂的量的方法得以实现，其包括以下步骤：
-提供第一样品容器(sample holder)和第二样品容器，各个样品容器具有连接至分析设备的热电偶；
-在每个样品容器中注入一定量的熔融铁；
记录在第一样品容器中的铁的凝固期间的第一冷却曲线和第二样品容器中的铁的凝固期间的第二冷却曲线；
其特征在于，在其中的一个样品容器中，在注入熔融铁之前，在其中放置预定量的孕育剂，该量代表该具体铸造过程中孕育剂的饱和水平(saturation level)，在该具体铸造过程中向熔体中添加的孕育剂的量基于在第一冷却曲线上的最低共晶温度(TElow)和在第二冷却曲线上的最低共晶温度(TElow)的差值来确定。
该方法精确地控制铸造过程，结果成品铸件的质量只产生轻微的变化，由于在铸造、加工和组装过程中较少的报废及更小的事故风险，因而节约了成本。
根据另一种可选实施方案，用于铸造过程的孕育剂的预定量是基于具体铸造过程中的多个铸铁熔体中孕育剂的饱和程度的平均值。
根据另一种可选实施方案，用于铸造过程的孕育剂的预定量是从具体铸造过程中的多个铸铁熔体中孕育剂的饱和水平中选择的值。
在孕育剂含有硅的情形中，后者对共晶温度的影响有利地基于预定关系从孕育样品中计算得出。
在具体铸造过程中，如果需要，孕育剂的添加量可以使熔体过度孕育或孕育不足。
本方法优选涉及确定片状石墨类型铁的结构。
附图说明
图1：Fe-C相图的一部分
图2：铸铁熔体的冷却曲线
图3：根据本发明的方法进行实验的实验设备
图4：图表中示出了经过孕育和没有经过孕育的铸铁熔体样品各自的共晶温度TElow的差别。
发明内容
下面通过介绍发明的理论背景技术进行描述。
熔体的凝固涉及团聚原子的小的固体核的激发，此后熔体将围绕所述核凝固。这些核的形成，也就是成核，由熔体中的总能量控制。体系，例如金属熔体中，尽量具有尽可能低的内能。具有较低内能的物质，其是在固态还是在液态取决于它的温度。熔体中形成固相必须形成一定的容积，在其中原子被以一种能量节约的方式安排。同时，在固相和液相之间形成表面原子。表面中的原子被压入到非正常占据的位置，并且需要能量使它们到达该处。当熔体凝固成固体时，假设其发生在凝固温度TM以下，单位体积自由能Gv降低，表面能γ增加。
体系的总内能的变化可通过方程式ΔG＝ΔGvV+γA描述，其中ΔGv是能量的总变化，V是物体的体积，A是物体的表面积。成核只在其引起系统的总内能降低时发生，即，使得ΔG为负值。由于表面能阻止相变，即使当温度低于其凝固点时熔体仍保持液态。这称为熔体过冷。温度低于凝固点越多，相变的驱动力越大。当温度下降很多，使得单位体积能量的减少大于形成表面需要的能量时发生成核。对于均质熔体，这种过冷可以达到几百度，但正常情况下明显较小。发生成核需要的过冷度的多少是熔体中成核难易的指标，也就是已知的熔体的成核势(nucleation potential)。
铸铁的凝固模式可通过Fe-C相图进行描述，如在图1中，纵轴为温度，横轴为碳的重量百分含量。图1显示了与铸铁相关区域的碳含量，即不超过5％。相图中的线划分了铸铁在不同的温度和碳含量时的各相。相图显示了液相线1和代表共晶温度2的线。这两条线对于预测铸件产品的结构很重要。在液相线温度，奥氏体(也称为γ铁)析出。在共晶温度，碳也从剩余的熔体中开始析出。根据其结构，碳以石墨的形式析出，这对材料的特性有很大的影响。
在从完全的熔融态至固态的冷却过程中，在Fe-C相图中熔体经历了不同的相。图2示意性地描绘了铸铁的凝固曲线。在1200℃曲线的平稳段“a”指示了熔体的液相线温度。在此，奥氏体开始在熔体中形成。当温度低于1150℃时，在“b”开始共晶凝固，其是熔体的最低共晶温度TElow。共晶凝固通过熔体中温度略微升高表示。当温度恢复平稳下降时，区域“c”，全部熔体已经变为固体形式。
开始共晶析出需要的过冷度的大小，也就是TElow，被发现是熔体成核势的良好的指标。小的过冷度意味着好的成核势。在共晶凝固期间达到高的成核势是很重要的，因为在凝固期间这会引起石墨的均匀析出。对于铸件的好的机械特性，石墨的均匀析出是必要的，因为在凝固期间石墨体积的增加抵消奥氏体体积的减小。
可通过以孕育剂的形式添加成核点而控制成核势。添加孕育剂提高了共晶凝固发生的温度。换句话说，共晶凝固开始需要的熔体过冷度更小。
确定熔体中添加孕育剂的最佳的含量是很重要的。添加太少的孕育剂可能会引起不均匀或不够多的石墨析出，最坏的情形，引起形成碳化物，称为白口凝固(white solidification)。添加过多的孕育剂导致高的生产费用并还在铸造产品结构中引起缺陷，例如，由于石墨的膨胀。
如上所述，有利的是在冷却曲线的“b”点、共晶的最小值确定熔体的成核势。这是因为在共晶凝固期间的过冷度直接影响铸件的最终结构。
发明人通过测量发现，在具有孕育剂时铸铁熔体会变得“饱和”。这意味着在添加孕育剂的过程中，共晶凝固的温度在一定水平停止升高，即使添加更多的孕育剂也停止升高。因而，这种“饱和水平”代表着熔体的TElow的绝对极限，其是在熔体中可被实现的最高的共晶温度，即，最小的过冷度。
以下详细描述根据本发明的方法，这种关系很重要，因为其得到用于铸铁熔体中多高的共晶温度能被实现的固定水平。因而，可以比较在未孕育的熔体中的成核势与稳定的参考值。
下面详细描述本发明的方法。
步骤1
作为第一步，制造铸铁熔体，其通过熔化起始材料制成，例如废料、返回料、生铁和加工废料。监控熔体的组成和温度并可进行任何必要的调节。
步骤2
作为第二步，提供热分析实验装置。实验装置(参见图3)包括两个样品杯1和2，例如砂杯，每个砂杯分别设置有热电偶3和4。热电偶连接至运行有热分析软件的分析设备5。代表着具体铸造过程的孕育剂饱和水平的预定量的孕育剂放入到其中的一个样品杯中。
孕育剂的饱和水平，也就是向铸铁熔体中添加的使其变饱和的孕育剂的量，根据制造熔体过程中的加工条件变化。这些条件例如包括起始材料(废料)的组成及加工设备的设置。
在工业生产铸铁部件的过程中，称作浇注过程，但是，人们尽力保持生产过程条件尽可能的恒定，也就是将其保持在特定的极限内。在制造特定的部件，如发动机组时，人们总是尽量使用具有在指定界限内的组成的废料和/或总是使用相同的铸造设备来制造指定的部件。这样做从而使不同的铸造操作的结果尽可能的统一。
为了保证在其中放置的熔体达到饱和而在一个样品杯中添加的孕育剂的量因而可作为具体铸造过程的代表值预先确定。所述代表值可在以后每次铸造过程中制造新的铸铁熔体时使用。
所述代表值例如是确定的用于具体铸造过程的多种熔体的孕育剂饱和水平的平均值，例如铸造某种类型的发动机组件的过程。所述代表值还可以是从基于具体铸造过程的多种熔体确定的多种不同孕育剂的饱和水平中选择。例如，所述代表值可是中间值、最大值或最小值。用于具体铸造过程的饱和水平的代表值然后被存储，例如，存储在计算机中的永久性存储器中，在每次进行具体铸造过程时，代表值可从所述永久性存储器重新获取和使用。
还可以为多种不同的铸铁熔体确定孕育剂饱和水平值，并对这些饱和水平值拟合线性关系。
对于铸铁熔体变饱和所需的孕育剂量以以下方式确定。同时确定从熔体中提取的两种样品的共晶温度TElow。一种样品未被孕育而另一种样品添加孕育剂。为了确定饱和水平，从熔体中获取的样品被同时倒入两个相同测试杯的每一个中，接着由样品凝固期间记录的冷却曲线确定每个样品的TElow。然后孕育样品的成核势根据孕育样品的TElow和未孕育样品的TElow之间的差别确定。上述过程重复多次且被孕育的一个样品每次比前一次逐渐地增加孕育剂。通过比较重复样品的成核势，可以确定随着孕育剂的含量增加，成核势停止增大的水平。这种水平是各熔体孕育剂的饱和水平。如上所述，为多种熔体确定饱和水平，其基于可被确定的用于具体铸造过程的平均饱和水平或基于选择的代表值。
下面详细地讨论图4，图4示出了当多于0.20wt％的孕育剂添加到某种铸铁熔体中时共晶温度TElow是如何停止升高的。
因而孕育剂的饱和水平通过重复实验确定，每次实验包括在两个单独的相同的测试杯中在相同的条件下的两种同时的测量。这是由于热分析的冷却曲线是在测试杯中的铸铁凝固的过程中记录的，而曲线受多种因素的影响，使得与熔体的成核势不符。下面是这些因素的举例：
·测试杯材料
·热电偶的位置和设置的不同
·由于壁、通气等引起的空气气流的变化
·杯中熔体的量
·熔体的化学组成
·倒入杯中时的熔体的温度
上述的干扰因素影响测量的结果，会导致例如整个冷却曲线的上移或侧移，从而使得共晶温度在不正确的水平。
在相同条件下的两个测量杯中进行测量的过程中如果出现误差，两种测量都被相同的误差影响。通过从各样品的测量结果中减去共晶温度TElow中而消除这些干扰因素。
另一个影响结果的因素是孕育剂中的硅含量。孕育剂中通常含有硅，例如，以FeSi的形式。硅改变了孕育测试件中熔体的化学组成。由于共晶凝固开始的温度是基于熔体的化学组成，当添加硅时孕育样品的共晶温度增加。为了也排除这些干扰因素的影响，从孕育样品中减去硅对共晶温度的影响。
还可以得到硅对共晶温度影响的关系。这可通过分析相图和线性调节而得到。还可通过合适的计算程序得到相应关系，例如，ThermoCalc。这种关系可被用于计算硅对共晶温度的影响。
孕育剂还可不使用硅而使用其他的影响相图中的平衡线的物质合金化，即，它们影响共晶温度。还可得到这些物质如何影响共晶温度的关系，使用这些关系补偿孕育样品中的共晶温度。
步骤3
作为第三步，然后用熔体填充测试杯，在样品的凝固期间记录冷却曲线。从这两个冷却曲线，确定每个样品的最低共晶温度TElow。然后从孕育样品的最低共晶温度中减去未孕育样品的最低共晶温度。
根据本发明，孕育剂中任何硅含量对孕育的样品的共晶温度的影响在该温度从未孕育的样品的共晶温度中减去之前就被消除了。
步骤4
作为第四步，计算的℃的差别被用作确定为确保得到所需结构的成品铸件必须要添加的孕育剂的量的依据。得到的℃的差别，也就是熔体的成核势，用于衡量熔体共晶温度与实际可达到的共晶温度之间的距离。得到的℃的差别与铸件的最终结构相关。
在温度差别、添加的孕育剂的量、和铸件的最终结构之间的关系可根据经验确定。这可在一段时间内通过制造几种熔体实现，根据本发明的方法确定添加的孕育剂的量并监控铸件的结构。对于制造的每种熔体，调节温度度数的差别和添加的孕育剂的量之间的关系直到与铸件的最终结构有良好的匹配为止。
如果特定的产品需要，还可使得添加的孕育剂的量达到过度孕育或孕育不足。
应当注意的是不可能向单一熔体中添加与单一熔体的具体铸造过程的饱和水平相应的精确量的孕育剂。这是因为单一熔体的饱和水平随着时间的进行在铸造过程的饱和水平的代表值附近分散。例如，分散是由于在指定界限内单个熔体组成的变化引起的。这意味着每种单个熔体的孕育剂饱和水平与铸造过程的饱和水平不同。根据铸造过程的饱和水平精确地向单个熔体中添加孕育剂会导致过度孕育和孕育不足。如前面所述，过度孕育和孕育不足在成本和材料特性方面有各种缺点。
步骤5
作为第五步，将预定量的孕育剂添加到熔体中，然后将熔体倒入合适的铸模中。
当然也会发生只制造一种熔体并且没有它的孕育剂饱和水平的预定值。在这种情况下，饱和水平通过使用上述的两种测量杯重复的实验确定。将确定量的孕育剂添加到熔体中，然后用于铸造。
实施例说明
下面根据具体示例对本发明进行说明。
在由生产商ABB提供的中频炉中制造10吨具有片状石墨的灰铸铁。
第一步，确定待用孕育剂饱和的熔体所需的孕育剂的量。为此，准备四组，编号1至4。样品设备，参见图3，每组包括两个砂杯形式的样品容器1和2，每个容器设置有热电偶3，4。
砂杯和热电偶的说明如下：
·杯材料：65克由硅砂制造的壳模砂杯。
·用3.5％酚醛树脂、氧化铁和硬脂基润滑剂涂覆砂。
·热电偶：通过高纯石英玻璃管绝缘的NiCr-NiAl合金。
·热电偶位置如图3。在测量过程中，杯的平均容积是4.86cm3(基于350g的点重量(spot weight)和7.22g/cm3的密度)。
每个热电偶连接至分析设备的单独通道，所述分析设备包括电脑，电脑的处理器用于运行由生产商Novacast制造的ATAS测定软件。
计算容纳在测试杯中的熔体的平均质量，Superseed型孕育剂6及具有锶含量的FeSi合金放置在2至4组的测试杯2中。以铸铁的重量百分比含量，相对于测试杯中容纳的熔体的量计算孕育剂的量。孕育剂添加的量在表1中示出。第1组的测试杯中没有添加孕育剂。
然后每个测试杯加入等量的熔体，在样品凝固的过程中记录冷却曲线并在评估程序中分析。
然后利用评估程序确定每个冷却曲线的最低共晶温度TElow。其被称为TElow“测量”。由于孕育剂含有硅，硅对共晶温度的影响然后被从三个孕育样品中减去。这样校正的样品因而称为TElow“校正”。表1中示出了每组中样品1和2的共晶温度TElow“测量”，并且孕育样品的的共晶温度是在硅补偿后(TElow“校正”)。
然后从每个未孕育样品的共晶温度中减去每个孕育样品的共晶温度TElow“测量”。结果称为ΔTElow“测量”。在未孕育样品的共晶温度根据硅的含量被校正后，将它们从未孕育样品的共晶温度中减去。结果称为ΔTElow“校正”。值在表1中列出。
表1：确定的孕育饱和量的结果
图4的图表显示出每组中ΔTElow“测量”和ΔTElow“校正”。
从图表中可以看出，当硅对共晶温度的影响被校正后，当孕育剂的含量超过0.2wt％后，孕育的样品和未孕育的样品的共晶温度的差别停止增大。因而该含量代表着熔体的孕育剂的饱和水平。图4中的图表还示出了当样品没有补偿硅的影响时，随着孕育剂含量的增加，共晶温度之间的差别继续增大。因而无法确定孕育剂的饱和水平。

Claims (10)

1.确定在具体铸造过程中向铸铁熔体中添加的孕育剂的量的方法，其包括以下步骤：
-提供第一样品容器(1)和第二样品容器(2)，各个样品容器具有连接至分析设备(5)的热电偶(3，4)；
-在每个样品容器(1，2)中注入一定量的熔融铁；
记录在第一样品容器(1)中的铁的凝固期间的第一冷却曲线和第二样品容器(2)中的铁的凝固期间的第二冷却曲线；
其特征在于，在其中的一个样品容器中，在注入熔融铁之前，在其中放置预定量的孕育剂，该预定量代表该具体铸造过程中孕育剂的饱和水平，在该具体铸造过程中向熔体中添加的孕育剂的量基于在第一冷却曲线上的最低共晶温度(TElow)和在第二冷却曲线上的最低共晶温度(TElow)的差值来确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其中用于铸造过程的孕育剂的预定量是基于具体铸造过程中的多份熔体的孕育剂饱和水平的平均值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中用于铸造过程的孕育剂的预定量是从具体铸造过程中的多份熔体的孕育剂饱和水平中选择的值。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其中所述孕育剂含有硅，且基于硅和共晶温度之间预定的关系计算出硅对共晶温度(TElow)的影响。
5.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其中向具体铸造过程中的熔体添加的孕育剂的量使所述熔体过度孕育或孕育不足。
6.根据权利要求4所述的方法，其中向具体铸造过程中的熔体添加的孕育剂的量使所述熔体过度孕育或孕育不足。
7.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其中所述铁为片状石墨类型。
8.根据权利要求4所述的方法，其中所述铁为片状石墨类型。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述铁为片状石墨类型。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述铁为片状石墨类型。
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