CN1033664C - 组织变质铸铁的碳当量的确定 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确定组织变质铸铁熔体碳当量的方法，以及利用这种方法调整组织变质铸铁熔体的成分。本方法是建立在将一个或多个低含碳量的铁块引入到试样容器中的基础上。铁块具有的尺寸大小应使其在容器充满熔体时不会完全熔化。随着熔体的凝固记录下熔体温度(图2)。使用本方法，当温度通过γ相液相线时，可得到一个完全确定的温度，或者得到相对于十分相似类型的组织变质铸铁共品温度的温度差。根据适用该变质铸铁的相图确定其碳当量。通过添加碳和/或硅或低含碳量的铁来调整其CE值。

Description

组织变质铸铁的碳当量的确定
本发明涉及球墨铸铁、蠕墨铸铁一类的组织变质铸铁的碳当量确定方法。
铁与碳的二元相图在铸造行业中只具有有限的意义，因为用于生产铸铁的全部材料总是含有合金元素，如硅、锰及杂质如硫、磷等，这些元素能够改变相关系。其中的某些元素能以不同的比例取代碳，从而影响相图。作为各种元素对相图总的作用的结果，在确定熔体的具体成份所决定的液相线温度时，所涉及到的碳当量即CE可以表示为：
               CE＝％C+％Si/x+％P/Y+…
式中的X为3-4，Y为3-6，在美国，此公式通常简化为：
               CE＝％C+％Si/3。
此公式使用情况如下所述。
这个简化的公式之所以能够使用，是因为铸造工业中使用的铸铁熔体中含磷量非常低，因而可以忽略不计。在制造蠕墨铸铁和球墨铸铁时，感兴趣的CE范围是3-5。
大多数已公开的铁-碳-硅相图涉及到灰口铸铁(也就是其中的石墨晶体生长呈延伸的和分枝片状的未经处理的铸铁)的凝固条件。在这种系统中，γ铁(奥氏体)与石墨片之间在CE约为4.35％及温度为1155℃时发生共晶反应。碳含量或CE＜4.35％的铸铁通常称为亚共晶铸铁，而碳含量或CE＞4.35％的则称为过共晶铸铁。如上所述，这种定义只对具有薄片状石墨的灰口铸铁才有意义。
利用相变温度可以确定亚共晶铸铁的实际CE值。在试样的温度通过液相线而开始析出γ相时，冷却曲线会显示出温度停滞。出现温度停滞的原因是奥氏体相的生长动力学(特性)非常高，此外还因为同样的结论也适用于γ相的结晶热。
这些因素有助于在一定时间内有温度停滞的温度-时间曲线上形成一个明显的和相当确定的点。
这一原理早就应用于铸造行业。例如，早先公开的SE-B-350124提出一种用于建立这种熔化铁液的冷却曲线的装置。
但是，采用同样的方法来确定过共晶合金的CE的努力没有成功。薄片状碳是这种熔体析出的第一个固相。这种碳晶体在通过液相线之后不是立即形核，它所产生的潜热很少，而且是在一个温度区间内散布的。因此，使凝固曲线上的变化与能够确定CE的明确相转变温度发生联系是不可能的。
这一问题是由SE-B-342508指出的方法解决的。该文献指出，在石墨的形成能够通过添加某些元素到熔体中而得到抑制时，熔体将保持过冷，直至达到亚稳态系统中γ铁和渗碳体相应的线为止。在高度过共晶熔体中凝固形成的第一个相是渗碳体，由于其高的生长动力学特性，这种渗碳体将释放出足够的热，使得在一定时间内的温度降低停滞。上述专利SE-B-342508的申请人看来没有考虑到这样一个事实：两种完全不同的熔体-一种是具有初生的γ相沉淀的亚共晶体而另一种是具有初生的渗碳体沉淀的过共晶体-将会给出同样的结果。该申请人还忽略了在稳态和亚稳态之间的非常重要的γ-液相线位移的区域。
上述专利的申请人还认为，某些元素会抑制石墨的形成，碲、硼和铈似乎是最为有效的元素，尽管在该文献中也提到了镁。虽然，这样的陈述有正确的部分，但是每年利用有限的添加铈(以及其它稀土元素和镁)来生产几百万吨球墨铸铁，生成渗碳体的危险是十分微小的。
对变质铸铁(即添加了稀土金属和/或镁之后)的研究表明，这种类型的铸铁必须用完全不同的相图来说明，所述的相图中，γ-液相线、变质的石墨球的液相线、CE以及共晶反应温度发生了移动。
下面参照附图对本发明进行详细说明。
图1示出了在一个涉及变质铸铁的相图中共晶反应周围的区域。
图2示出了按照公知方法绘制的凝固曲线以及按照本发明方法绘制的凝固曲线。
图1示出了从一般的铁-碳-硅相图到直径为2.5cm的试棒中形核水平为100±50石墨球/[毫米]2的球墨铸铁相图的变化情况。这种共晶成份的CE大约为4.7％，其共晶凝固温度为约1140℃，在这一点处，γ铁和石墨球是按照杠杆定律析出的，在CE值较低的情况下，γ相基本上是以枝晶形式发展的，而在CE＞约4.7％时，石墨球就能从熔体中析出，这些石墨球倾向于升至熔体的上部(漂浮)。之所以选择这种100±50石墨球/mm2的变质水平是因为在大多数情况下，这一水平代表了在基础处理(也就是添加FeSiMg和FeSi及任选地填加给定量的稀土金属)后球墨铸铁的实际状态。
在熔体中达到上述水平时，就能高度精确地确定为得到所要求的石墨球数量水平(即每单粒面积的石墨球数)所需要添加的变质剂数量。在这种类型的铸铁中残留的镁含量必须高于0.02％(重量)。
就铸造行业而言，最希望的是生产的铸件所具有的成份刚好低于动态移动的共晶点的成份。在这一成分范围内，例如，CE值在4.55-4.65之间，凝固开始时整个铸铁(产品)中析出细小的树枝状网状物。这种网状物给铸铁提供了一定程度的稳定性，并阻止在这一过程的下一阶段中形成的石墨球在熔体中上浮。这种细小的树枝形网状状物并不严重地限止熔体在枝晶间流动，从而减少了形成疏松和缩孔的危险。
在工艺过程中，能够可靠地将实际的CE值控制在这样一个狭窄范围内的方法对于铸造业具有很大的意义。以往公知的方法还不能产生所希望的结果，其原因或者是缺乏精度，或者是由于有掩盖必要的情况的、不希望的碳化物形成而不能将之应用于组织变质铸铁。
根据本发明，现已发现，用于热分析及获得关于组织变质熔体的结晶性能信息的试样，如上述US-A-4667725专利中详细说明的那种试样，在进行某些其它的测量之后，还可以用于确定处于熔融状态的球墨铸铁和蠕墨铸铁的实际CE值，它们的CE值最高可以达到实际共晶点，也就是说，在上述情况下可达到的CE值为4.7％。
US-A-4667725的方法依据的是，从有关铸铁熔体中取出试样，放入一个浸入该熔体中而被预热或加热的容器中，该容器配置有两个温度传感器(例如热电偶)，其中一个设置在靠近容器内壁的位置，另一个设置于容器内与最近的外壁等距离的中央部位。
使用这种类型的试样容器时，一般可以观察到由于或多或少明显地表明的在试样中心凝固速度降低而引起的γ枝晶的生长。这种方法与公知的用于确定有关材料的精确的CE值的方法相类似。但现已发现，这些方法，例如SE-B-342508中所述的方法，不能解决作为本发明基础的那些问题。
根据本发明，现已发现，这一问题可以通过用一种机构来触发形核并开始析出γ相而得以解决，所述机构将连续地保证当试样温度越过有关相图的液相线时能得到精确的热信号。
这种机构可以通过提供一个或多个纯铁块并使之与试样容器中的熔体接触而构成。所使用的纯铁块应当只含有小量的铁，从而使之对作为整体而言的试样平均成份不会有明显的影响，不过，其所含的铁量应足以使之在容器被注满试样和接着进行试样冷却时不会完全熔化而与试样熔体混合。实际上，这意味着有一个小量的纯铁存在于试样中。在冷却过程中，这少量的铁将在比根据试样的平均成份计算的γ相液相线温度高得多的温度下结晶。因此，当温度通过所使用的代表试样主要部份的成份的系统的γ相液相线时，已经形成了少量的γ相结晶。
试样内部的冷却必须迟于容器壁处的冷却速度，而且，铁块必需被放在熔体的主体体积(bulk volume)内，以避免通常发生在容器壁处并延伸到主体体积内2-3毫米的瞬时的表面反应。
另一种办法是，通过壁的有限部份的热绝缘，可以使穿过容器壁的热传递降低，热绝缘可以单独由直接连结到容器壁的绝缘点上的低碳钢或一块铁来产生。
刚好在这一点上，γ相枝晶能够立即开始生长，扩展到试样的整个体积中。这种γ相枝晶的开始产生可由在试样中心取得的凝固曲线上的明显弯曲来表征，在温度-时间曲线的变形上可以清楚地看出这种弯曲，可以认为，这是由于γ作用(γ-function)造成的。这个温度，作为一个确定的温度(℃)与实际的液相线温度有关，或者可以相对于许多试样的化学分析而被校验。更为有意义的是，将γ相生长起始点与凝固过程中紧随枝晶生长之后的共晶反应时的稳态温度相互联系起来。图2展示了本发明，并给出了由位于中心的温度传感器得到的凝固曲线，其中，a)表示没有使用由纯铁构成的触发剂时的γ枝晶生长的情况。由图2可以看到，在画阴影线的区域内的某一时刻，即在Tγ附近，枝晶生长开始。在使用触发剂时，Tγ可以被辨别出是一个确定的温度。特别有利的是，Tγ与Tc最大值之间的差值可以利用，此差值在图中标作ΔT。这样就使从枝晶生长开始到共晶反应的温度和时间的关系可以直接得到。在浇铸组织变质铸铁时，这就提供了凝固过程进展的一种较好的图像描述，这种方法还使得能以高精确度确立CE值。
这样，在从凝固试样获得数据之后利用Tγ或ΔT(如果Tcmax被确定)的实际值就能够确定Tγ的具体温度，并借助具有与相关熔体中的合金添加剂有关的移动值的铁-碳-硅图也可以决定这熔体的CE值。图2展示了一个图b)，图b)涉及到直径为2.5厘米的试棒中具有100±50石墨球/[mm]2的球墨铸铁。若温度Tγ是1150℃或ΔT＝10k，在这种特定情况下借助于图1就可以计算出CE，其值为4.52％。
变质性能的最终调整是通过进一步添加硅铁(Fe+75％Si)来达到的。但这种硅铁的添加会导致铸造材料的最终CE值的增加，这是在计算铸造材料的碳当量时必须加以考虑的。
例如，如果在已确定了CE之后再添加0.16％Fe-75％Si，那么CE值将会增大0.04％，从下列公式可以很容易看到这一点：
Figure C9310522200091
由此得到：
Figure C9310522200092
因此，本发明是对US-A-4667725中所述方法的一种实质性的改进。本发明提出了类似的取样程序和控制铸铁熔体固有结晶性质如变质程度(degree of modifi cation)以及晶核数目等的程序，以前，要想以能再现的方式同时获得碳当量是不可能的，而要想在短时间内得到通行的或流行的数值从而可以在熔体浇铸之前调整碳当量就更加不可能。

Claims (1)

1.一种确定组织变质铸铁熔体碳当量的方法，其中，取所述熔体的样品放入一个与该熔体处于热平衡状态的样品容器中，该样品容器配置有一个位于其中心位置的温度传感器，让试样凝固，并记录下随时间变化的温度，其特征在于，在试样容器中配置一个或多个含碳量比铸铁熔体低的铁块，并使之与铁熔体接触，铁块的尺寸大小应使之在凝固过程中不会完全熔化，而且也不会使熔体的平均成份发生大的变化，铁块的冷却迟于试样容器壁处的冷却；通过γ相液相线的温度作为一个确定的温度被记录下来，或者以相对于十分相似类型的组织变质铸铁的共晶温度测量和校验值的温度差被记录下来，根据适用于这种组织变质铸铁的相图确定碳当量；必要时，还可通过向熔体中添加碳和/或硅或碳含量比铸铁熔体低的铁来对碳当量加以调整。
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