CN1059243C - 判定铸铁铁水特性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在将铸铁的铁水注入铸模之前,在炉前迅速、准确判定其铸件性质的方法。将具备热电偶的铸铁铁水热分析用的3个取样容器各自连接在冷却曲线作图装置上,在其第一取样容器中加激冷化剂并注入铁水,通过其热分析测定其渗碳体共晶温度(TEC);在第二取样容器中不加任何添加剂地注入铁水,由其热分析测定铁水自身的共晶凝固温度变化,进而在第三取样容器中添加石墨化促进剂并注入铁水,由其热分析测定石墨共晶温度(TEG),根据相应于上述铁水共晶凝固温度变化范围的上述渗碳体共晶温度(TEC)和上述石墨共晶温度(TEG)之间的关系判定铸铁铁水的特性。
Description
本发明涉及判定铸铁特性的方法,更详细地说,是涉及铸造铸铁之前在炉前判定被铸造的铸铁铁水特性的方法。
铸铁与铸钢不同,只能测定铁水的化学成分,而不能判定其性质。也就是,这是因为铸铁是石墨和钢的复合材料,因此根据结晶的石墨的分布、形状、石墨化程度,其性质也有所不同。
以前,为了得知这种石墨的分布、形状和石墨化程度,在铸铁铁水凝固后,采用显微镜或超声波装置对它进行测定,除此而外,没有适宜的方法。
然而,上述方法是通过将铸铁铁水注入铸模后的测定检查进行的,因此这不是一种能在注入前预知铸造后铸铁特性的确切方法。
此外,在注入铁水时一般要进行激冷化试验,但这只不过是为了通过它来确认打算制造的铸件薄壁部分是否激冷,只不过简单地知道铁水的部分特性。
在铁-碳系平衡状态,可以确认石墨共晶温度(稳定系共晶温度)为1153℃,渗碳体共晶温度(准稳定系共晶温度)为1147℃,但是这两者都是在平衡状态的理想数值,不能根据这两者来判定铁水的特性,以及将它们应用于判定。
另外,这两者的共晶温度根据铸铁中的硅及铬(Cr)的含量而有所不同,这也是众所周知。也就是,铸铁中的硅含量如果增加,石墨共晶温度上升而渗碳体共晶温度降低;如果铬含量增加,则渗碳体共晶温度上升。
因此,本发明的发明者们利用铸铁铁水的冷却曲线研究出,根据铸铁铁水的共晶凝固温度和石墨共晶温度,与渗碳体共晶温度的关系,来判定铸铁的特性。
可是,作为公知技术利用铸铁铁水的冷却曲线的方法,是一种在铁水中添加碲(Te)后进行渗碳体共晶凝固,测定铁水凝固开始初晶温度和渗碳体共晶温度后,由其冷却曲线求出铁水中的碳(C)及硅(Si)值的利用渗碳体共晶的方法。
还有日本国平成5年专利申请第280664号,中华人民共和国专利申请第94117148.5号,美国专利申请第08/320420号。
在上述的先有技术中,测定上述渗碳体共晶温度的方法,在含有微量元素的除碳和硅以外铁水的所有化学成分都不变化的情况下,可以在某种程度上求得碳值和硅值,但在铁水化学成分即使有很小的变化时,由于渗碳体共晶温度也变化,因此很难判定碳值和硅值。
而且,按照测定渗碳体共晶温度的方法,是一种根据凝固开始初晶温度求碳当量(CE=C+1/3Si)后,由渗碳体共晶温度求硅值的联立方程,因此,对铸铁来说,不能对重要的锰(Mn)进行分析。
铸铁即使其铁水成分相同,根据其特性和冷却速度不同,铸铁的性质也有很大的差异,因此很多情况依赖于经验技术,特别是共晶晶胞数,拉伸性、强度及硬度等,是在凝固后根据试验测定,要按铁水状态来判断这些性质是极其困难的。
而且,在前述的先有技术中,利用显微镜和超声波装置,不能在炉前进行方便的测定,而且还需要专门技术人员等,这是不利的。
考虑上述先有技术的各种问题后,本发明的重要目的在于提供一种方法,该方法可在将铸铁铁水注入铸模之前,在炉前迅速而准确地判定由此而铸成的铸件的性质。
本发明的另一个目的在于提供一种方法,该方法可根据铸铁铁水的渗碳体共晶温度和石墨共晶温度以及铁水自身的共晶凝固温度的变化,判定铸铁的特性。
为了达到上述目的,本发明的特征在于,使用3个用于对铸铁铁水进行热分析的取样容器,在其第一个取样容器中添加激冷化剂,将铁水注入该第一个容器中后,根据其热分析测定渗碳体共晶温度(TEC)和;在其第二个容器中不加任何添加剂地注入铁水,根据其热分析测定铁水自身的共晶凝固温度变化;进而在第三个容器中添加石墨化促进剂后注入铁水,根据其热分析测定石墨共晶温度(TEG);根据相应于上述铁水共晶凝固温度变化范围的上述渗碳体共晶温度(TEC)和上述石墨共晶温度(TEG)的关系,判定上述铸铁铁水的特性。
作为在第一取样容器中添加的激冷化剂,使用碲(Te),碲的量相对于注入该取样容器中的铸铁铁水的重量约0.2~1.0%。也可以将碲添加量的约50%以下,规定为硒(Se)、铋(Bi)及铬(Cr)。
在这种情况下,如果硅的含量在30%(重量)以下,促进石墨化的能力则会降低。如果硅的含量在97%(重量)以上,则会由于硅的纯度过高而使石墨化促进能力不足。碳是促进石墨化的有效元素,如果其含量在30%(重量)以下,则石墨化促进能力不足。
本发明经过许多实验,结果确认,打算铸造的铸铁铁水的特性,根据铁水自身进行共晶凝固的石墨共晶温度和渗碳体共晶温度之间的温度的位置而决定。
也就是,使用加入激冷剂的第一个容器和,不合添加剂的第二容器和,加入石墨化剂的第三个容器,在这些容器中注入铸铁的铁水后使其凝固,由此分别测定各自的铁水的渗碳体共晶温度、石墨共晶温度及铁水自身的共晶凝固温度的变化,调查该铁水自身的共晶凝固温度变化域,在上述铁水的渗碳体共晶温度和石墨共晶温度之间,处于什么样的位置,结果表明,当它处于接近石墨共晶温度的位置上时,显示出所谓A型的良好石墨形状,激冷化程度也低。然而,当处于接近渗碳体共晶凝固温度的位置上时,其铁水的石墨形状不良,激冷化程度高。
图1所示概略图示出为实施本发明方法所使用的3个取样容器和冷却曲线作图装置。
图2所示曲线图说明由图1所示装置获得的铸铁铁水的冷却曲线。
图3是表示根据铸铁铁水中的含铬(Cr)量不同,共晶凝固最高温度(TEM)和共晶过冷最低温度(TES)的温度差(ΔT)和激冷深度之间关系的图。
图4是表示根据铸铁铁水中的含铬量不同,共晶过冷最低温度(TES)和渗碳体共晶温度(TEC)的温度差(ΔT1)和激冷深度之间关系的图。
图5是表示根据铸铁铁水中的含铬量不同,ΔT1/ΔT3和激冷深度之间关系的图。
图6所示显微镜照片示出在不加添加剂的第二个取样容器中注入的铸铁铁水中当ΔT1/ΔT3值为0.73时的铸铁的组织。
图7所示显微镜照片示出在不加添加剂的第二个取样容器中注入的铸铁铁水中当ΔT1/ΔT3值为0.56时的铸铁的组织。
图8所示显微镜照片示出在不加添加剂的第二个取样容器中注入的铸铁铁水中当ΔT1/ΔT3值为0.25时的铸铁的组织。
图9所示显微镜照片示出在不加添加剂的第二个取样容器中注入的铸铁铁水中当ΔT1/ΔT3值为0.10时的铸铁的组织。
根据附图详细说明本发明的优选实施方案。首先,如图1所示,将具备以前周知的热电偶4的第一、第二及第三这3个取样容器1、2、3的热电偶4的导线连接在各自的冷却曲线作图装置7上。
在第一个容器1中加入碲5,第二个容器2中不加任何添加剂,第三个容器中配置75%硅铁合金。
作为注入到这些容器中的铸铁铁水的试样,准备以下各种铁水。其中的%为重量%。
铁水I:由碳(C)3.1%;硅(Si)1.6%;锰(Mn)0.75%;铬(Cr)0.12%组成的铁水。
铁水II:由碳3.1%;硅1.6%;锰0.75%;铬0.37%组成的铁水。
铁水III:由碳3.1%;硅1.6%;锰0.75%;铬0.63%组成的铁水。
铁水IV:由碳3.1%;硅1.6%;锰0.75%;铬0.91%组成的铁水。
铁水V:由碳3.1%;硅1.6%;锰0.75%;铬1.38%组成的铁水。
对I-V这些铁水,用本发明的装置7和以前的装置,测定孕育后的时间变化(fading),进而使用强制板激冷试验片测定激冷深度,调查激冷深度和冷却曲线之间的关系。
由不加添加剂的第二取样容器2获得的冷却曲线,如图2中的虚线9所示。共晶凝固最高温度(TEM)和共晶过冷最低温度(TES)之差(ΔT)是最普通的,通常,该温度差(ΔT)被用作表示与激冷深度之间的关系。
关于上述铁水I-V,如果对由冷却曲线9获得的共晶凝固最高温度(TEM)和共晶过冷最低温度(TES)之差(ΔT)作图,则如图3所示,断定在该温度差(ΔT)和激冷深度之间没有任何关系。
对表示注入到不加添加剂的第二取样容器2中的铁水的共晶温度变化的冷却曲线和表示将铁水注入到添加碲的第一取样容器而获得的渗碳体共晶温度(TEC)变化的冷却曲线10(图2)进行研究。
此处,将共晶过冷最低温度(TES)和渗碳体共晶温度(TEC)的温度差表示为ΔT1。
因此,如果将该温度差(ΔT1)和上述铁水I-V的激冷深度之间的关系作图,则如图4所示。
从图4可看出,铬的含量相同的铁水,其共晶过冷最低温度(TES)和渗碳体共晶温度(TEC)的温度差与激冷深度之间显示出良好的相关关系,如果铬含量不同则其关系不良好。
进而,由上述3个取样容器1、2、3获得的如图2所示的曲线可看出,如果对激冷深度和冷却曲线的关系进行研究,则可断定使用石墨共晶温度(TEG)和渗碳体共晶温度(TEC)之差(ΔT3)以及共晶过冷最低温度(TES)和渗碳体共晶温度(TEC)的温度差(ΔT1)的ΔT1/ΔT3具有最高的相关性。反之,该温度差(ΔT1)可由石墨共晶温度(TEG)和共晶过冷最低温度(TES)之差得到,即使将它作为(ΔT1),其相关性也相同。
由强制板激冷试验片所获的激冷深度与上述ΔT1/ΔT3的关系如图5所示。
如果改变铸铁铁水成分中的铬含量,则共晶过冷最低温度(TES)和渗碳体共晶温度(TEC)的温度差(ΔT1)与激冷深度之间的关系变坏,但由于利用上述ΔT1/ΔT3,则可获得与激冷深度良好的相关性。
然后,在添加75%硅铁合金6的第三取样容器3中注入铁水当凝固后对其组织进行详细的调研,确认石墨的形状全都是A型的良好组织。
因此,由不加添加剂的第二取样容器2的铁水中获得的石墨形状和ΔT1/ΔT3的关系,如图6、图7和图8所示,可判定ΔT1/ΔT3和石墨的形状以及其分布状态之间存在密切的关系。
图6是表示ΔT1/ΔT3为0.73的组织,图7是表示ΔT1/ΔT3为0.56的组织,图8是表示ΔT1/ΔT3为0.25的组织,图9是表示ΔT1/ΔT3为0.10的组织的显微镜照片图。
表1中示出在这些组织中从孕育开始的时间(fading),ΔT1/ΔT3,石墨形状、强度、硬度、收缩性、共晶胞数及有无碳化物。
表1
铸铁中石墨的形态和铁水性质的关系
衰减(fading)时间 | ΔT1/ΔT3 | 石墨形状 | 强度N/mm2 | 硬度(HB) | 收缩 | 碳化物 | 共晶晶胞数个/cm2 |
0分 | 0.73 | A型 | 311 | 201 | 有 | 0% | 145 |
5分 | 0.56 | E型 | 290 | 201 | 无 | 0% | 125 |
15分 | 0.25 | D型 | 248 | 223 | 无 | 0.1% | 95 |
25分 | 0.10 | D型 | 277 | 235 | 无 | 1.2% | 81 |
由图6~图9所示组织的显微镜照片可得知,ΔT1/ΔT3的值越接近1,石墨越是现出分布均匀的所谓A型的形态;越接近0,则越呈现出D型不均匀的石墨组织。
从图6~图9以及表1可看出,石墨的形状越差,则强度越低,共晶晶胞数越少。
另外,当ΔT1/ΔT3的值为0.25时,铸件中产生少量的碳化物,因此铸件的硬度增加,如果ΔT1/ΔT3值为0.1,则可确认在铸件的组织中存在碳化物。然而,当该ΔT1/ΔT3值为0.1时,铸件的强度高,硬度增加。
从表1可清楚地看出,ΔT1/ΔT3的值与共晶晶胞数之间的关系,处于极好的关系。还可判明,一边调节ΔT1/ΔT3值一边铸造时,ΔT1/ΔT3的值越大,收缩性越高。
由以上结果可得知,根据共晶凝固最高温度(TEM)和渗碳体共晶温度(TEC)的温度差(ΔT2),即使使用ΔT1/ΔT3,只要共晶凝固最高温度(TEM)与石墨共晶温度(TEG)不相同就没有问题,而共晶凝固最高温度(TEM)存在于渗碳体共晶温度(TEC)和石墨共晶温度(TEG)之间的什么位置,也可以用渗碳体共晶侧的面积等和石墨共晶侧的面积来表示。
进而,通过辅助使用凝固开始初晶温度(Tr),也就是碳当量、共晶凝固最高温度(TEM)和共晶过冷最低温度(TES)的温度差(ΔT)、以及共晶凝固中的温度与时间的关系等数据,可对铁水的特性进行更详细的判定。
由以上叙述可确认,按照本发明,可在将铸铁铁水注入铸模之前,根据其铁水就能判断铸造出来的铸铁的特性。
Claims (3)
1.一种判定铸铁铁水特性的方法,其特征在于包括以下步骤:
在供铸铁铁水热分析用的3个取样容器中的第一个容器中添加选自碲、硒、铋及铬中的激冷化剂,之后注入铁水,测定渗碳体共晶温度;
在第二个容器中不加添加剂地注入铁水,由此测定铁水自身的共晶凝固温度变化;
在第三个容器中添加含碳30重量%的石墨化剂后注入铁水,由此测定石墨共晶温度;
根据相对应于上述铁水共晶凝固温度变化范围的上述渗碳体共晶温度和上述石墨共晶温度的关系来判定上述铸铁铁水的特性。
2.权利要求1中所述的方法,其特征在于,在上述各取样容器中同时注入铸铁铁水。
3.权利要求1中所述的方法,其特征在于,上述石墨化剂含硅30~97重量%。
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