CN113935201B - 一种铸铁金属液性能调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铸铁金属液性能调控方法，包括建立铸铁金属液中游离态氮含量对铸件本体抗拉强度影响的氮‑抗拉强度数学模型、铸铁金属液中碳当量对铸件本体抗拉强度影响的碳‑抗拉强度数学模型及合金化元素含量对铸件本体抗拉强度影响的合金‑抗拉强度数学模型；基于氮‑抗拉强度数学模型，评估出游离态氮元素含量变化对铸件本体抗拉强度变化的影响；基于碳‑抗拉强度数学模型或/和合金‑抗拉强度数学模型，调控碳当量或/和合金化元素含量、至少补偿由于游离态氮元素含量变化对铸件本体抗拉强度造成的影响。本发明可精确确定碳、氮、合金化元素等工艺参数控制范围，及时精确掌控铸件本体的抗拉强度性能，且调控过程简单有效、降低了废品率。
Description
技术领域
本发明属于铸造技术领域，尤其涉及一种铸铁金属液性能调控方法。
背景技术
目前，主要采用反复工艺试验的方式，通过试错摸索确定铸件本体抗拉强度的合金化工艺参数范围。但上述方式存在试错造成废品率升高的问题，影响生产现场正常生产。虽然知道锰铜铬锡镍钼等金属元素影响金属性能尤其抗拉强度性能，碳硅氮氧氢等非金属元素也对抗拉强度性能有影响；但铸铁金属液中的游离态氮含量、碳及合金化元素对抗拉强度性能的影响程度尚不明确；因此不便于快速确定碳、氮、合金元素等工艺参数的控制范围，进而无法精确掌控铸件本体的抗拉强度性能，造成废品率增加。
发明内容
旨在克服上述现有技术中存在的不足，本发明解决的技术问题是，提供了一种铸铁金属液性能调控方法；可精确确定碳、氮、合金元素等工艺参数的控制范围，便于及时精确掌控铸件本体的抗拉强度性能，降低了因试错造成的废品率。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种铸铁金属液性能调控方法，所述方法包括：
S1、预先建立铸铁金属液中游离态氮含量对铸件本体抗拉强度影响的氮-抗拉强度数学模型、铸铁金属液中碳当量对铸件本体抗拉强度影响的碳-抗拉强度数学模型及合金化元素含量对铸件本体抗拉强度影响的合金-抗拉强度数学模型；
S2、基于所述氮-抗拉强度数学模型，评估出具有微合金化作用的游离态氮元素含量变化对铸件本体抗拉强度的影响；
S3、基于所述碳-抗拉强度数学模型或/和所述合金-抗拉强度数学模型，调控铸铁金属液中碳当量或/和合金化元素含量、补偿因铸铁金属液中游离态氮元素含量变化对铸件本体抗拉强度造成的影响。
进一步，游离态氮元素含量变化导致的铸件本体抗拉强度变化量为△𝜎b氮；
碳当量变化导致的铸件本体抗拉强度变化量为△𝜎b碳；
合金化元素含量变化导致的铸件本体抗拉强度变化量为△𝜎b合金。
进一步，仅基于所述碳-抗拉强度数学模型调整碳当量，在碳当量的调整过程中需要满足：|△𝜎b氮|≤|△𝜎b碳|。
进一步，仅基于所述合金-抗拉强度数学模型调整合金化元素含量，在合金化元素含量的调整过程需要满足：|△𝜎b氮|≤|△𝜎b合金|。
进一步，基于所述碳-抗拉强度数学模型和所述合金-抗拉强度数学模型综合调整碳当量和合金化元素含量；调整过程中需要满足：|△𝜎b氮|≤|△𝜎b碳+△𝜎b合金|。
进一步，所述氮-抗拉强度数学模型为：
𝜎b i氮 = 5000000× Xi 2-53080× Xi+378；
△𝜎b氮 = 𝞬（𝜎b 2氮-𝜎b 1氮）；
其中：i等于1或2；0.003%≤ Xi ≤0.012%；0.2≤𝞬≤0.3；
X1 为金属液中游离态氮元素变化前的含量，X2 为金属液中游离态氮元素变化后的含量；
𝜎b i氮代表铸铁金属液中游离态氮元素含量对应的铸件本体抗拉强度。
进一步，所述碳-抗拉强度数学模型为：
𝜎b j碳 = 974.46×δ j 2-7819.2×δ j+15940；
△𝜎b碳 =𝜎b 2碳 – 𝜎b 1碳；
其中：j等于1或2；3.5≤δ j≤4.5；
δ 1为金属液中碳当量变化前的数值，δ 2为金属液中碳当量变化后的数值；
𝜎b j碳代表铸铁金属液中碳当量对应的铸件本体抗拉强度。
进一步，所述合金化元素包括钒V、铬Cr、锰Mn、硫S、铜Cu、镍Ni、钼Mo。
进一步，所述合金-抗拉强度数学模型为：
△𝜎b合金 = K×β；
β=0.57×w(V)%+0.23×w(Cr)%+0.01×[w(Mn)%-1.7×w(S)%]+0.06×w(Cu)%+0.065×w(Ni)% +0.45×w(Mo)%；
其中：β为变化因子，200MPa≤K≤350MPa；
w(合金化元素)%表示合金化元素调整后含量与调整前含量的差值。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果如下：
本发明中的铸铁金属液性能调控方法，主要包括预先建立铸铁金属液中游离态氮含量对铸件本体抗拉强度影响的氮-抗拉强度数学模型、铸铁金属液中碳当量对铸件本体抗拉强度影响的碳-抗拉强度数学模型及合金化元素含量对铸件本体抗拉强度影响的合金-抗拉强度数学模型；基于氮-抗拉强度数学模型，评估出具有微合金化作用的游离态氮元素含量变化对铸件本体抗拉强度变化的影响；基于碳-抗拉强度数学模型或/和合金-抗拉强度数学模型，调控铸铁金属液中碳当量或/和合金化元素含量、至少补偿由于铸铁金属液中游离态氮元素含量变化对铸件本体抗拉强度造成的影响；简言之，当游离态氮元素含量变化导致铸件本体抗拉强度降低时，需要调整碳当量或/和合金化元素含量，来提升铸件本体抗拉强度，提升后的抗拉强度至少等于降低前的抗拉强度。
基于三个数学模型，可精确确定碳、氮、合金元素等工艺参数的控制范围，便于及时精确掌控铸件本体的抗拉强度性能，且调控过程简单有效、大大降低了因试错造成的废品率。
附图说明
图1是本发明中铸铁金属液性能调控方法的流程图；
图2是铸铁金属液中游离态氮含量对铸件本体抗拉强度的影响曲线；
图3是铸铁金属液中碳当量对铸件本体抗拉强度的影响曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由图1至图3共同所示，本实施例公开了一种铸铁金属液性能调控方法，该方法包括：
S1、预先建立铸铁金属液中游离态氮含量对铸件本体抗拉强度影响的氮-抗拉强度数学模型、铸铁金属液中碳当量对铸件本体抗拉强度影响的碳-抗拉强度数学模型及合金化元素含量对铸件本体抗拉强度影响的合金-抗拉强度数学模型。
基于图2所示的铸铁金属液中游离态氮含量对铸件本体抗拉强度的影响曲线建立铸铁金属液中游离态氮含量对铸件本体抗拉强度影响的氮-抗拉强度数学模型；基于图3所示的铸铁金属液中碳当量对铸件本体抗拉强度的影响曲线建立铸铁金属液中碳当量对铸件本体抗拉强度影响的碳-抗拉强度数学模型。依据同样的方法建立合金化元素含量对铸件本体抗拉强度影响的合金-抗拉强度数学模型，在此不做赘述。
S2、基于氮-抗拉强度数学模型，评估出具有微合金化作用的游离态氮元素含量变化对铸件本体抗拉强度的影响。
由图2所示，在一定区段范围内，游离态氮元素含量的调整会导致铸件本体抗拉强度的改变。
S3、基于碳-抗拉强度数学模型或/和合金-抗拉强度数学模型，调控铸铁金属液中碳当量或/和合金化元素含量、至少补偿因铸铁金属液中游离态氮元素含量变化对铸件本体抗拉强度造成的影响。
例如，在具体的实际生产过程中，经常会出现根据需要适量降低游态氮元素的情况。当游离态氮元素含量变化导致铸件本体抗拉强度降低时，需要合理调整碳当量或/和合金化元素含量，来提升铸件本体抗拉强度，提升的抗拉强度值至少等于降低的抗拉强度值。
本实施例中，合金化元素包括钒V、铬Cr、锰Mn、硫S、铜Cu、镍Ni、钼Mo。
其中，游离态氮元素含量变化导致的铸件本体抗拉强度变化量为△𝜎b氮（含正负号）。其中，游离态氮元素含量变化导致的铸件本体抗拉强度增加时，△𝜎b氮为正值，导致的铸件本体抗拉强度减小时，△𝜎b氮为负值。
碳当量变化导致的铸件本体抗拉强度变化量为△𝜎b碳（含正负号）。其中，碳当量变化导致的铸件本体抗拉强度增加时，△𝜎b碳为正值，导致的铸件本体抗拉强度减小时，△𝜎b碳为负值。
合金化元素含量变化导致的铸件本体抗拉强度变化量为△𝜎b合金（含正负号）。其中，合金化元素含量变化导致的铸件本体抗拉强度增加时△𝜎b合金为正值，导致的铸件本体抗拉强度减小时，△𝜎b合金为负值。
第一种调控方式：
仅基于碳-抗拉强度数学模型调整碳当量来至少补偿因铸铁金属液中游离态氮元素含量变化对铸件本体抗拉强度造成的影响，在碳当量的调整过程中需要满足：|△𝜎b氮|≤|△𝜎b碳|。
第二种调控方式：
仅基于合金-抗拉强度数学模型调整合金化元素含量来至少补偿因铸铁金属液中游离态氮元素含量变化对铸件本体抗拉强度造成的影响，在合金化元素含量的调整过程需要满足：|△𝜎b氮|≤|△𝜎b合金|。
第三种调控方式：
基于碳-抗拉强度数学模型和合金-抗拉强度数学模型综合调整碳当量和合金化元素含量来至少补偿因铸铁金属液中游离态氮元素含量变化对铸件本体抗拉强度造成的影响；调整过程中需要满足：|△𝜎b氮|≤|△𝜎b碳+△𝜎b合金|。
本实施例中，基于图2所示的铸铁金属液中游离态氮含量对铸件本体抗拉强度的影响曲线建立铸铁金属液中游离态氮含量对铸件本体抗拉强度影响的氮-抗拉强度数学模型为：
𝜎b i氮 = 5000000× Xi 2-53080× Xi+378；
△𝜎b氮 = 𝞬（𝜎b 2氮-𝜎b 1氮）；
其中：i等于1或2；0.003%≤ Xi ≤0.012%；0.2≤𝞬≤0.3；
X1 为金属液中游离态氮元素变化前的含量，X2 为金属液中游离态氮元素变化后的含量；
𝜎b i氮代表铸铁金属液中游离态氮元素含量对应的铸件本体抗拉强度。
本实施例中，基于图3所示的铸铁金属液中碳当量对铸件本体抗拉强度的影响曲线建立铸铁金属液中碳当量对铸件本体抗拉强度影响的碳-抗拉强度数学模型为：
𝜎b j碳 = 974.46×δ j 2-7819.2×δ j+15940；
△𝜎b碳 =𝜎b 2碳 – 𝜎b 1碳；
其中：j等于1或2；3.5≤δ j≤4.5；
δ 1为金属液中碳当量变化前的数值，δ 2为金属液中碳当量变化后的数值；
𝜎b j碳代表铸铁金属液中碳当量对应的铸件本体抗拉强度。
通过调节碳元素来改变碳当量，碳当量是指将钢铁中各种合金元素对共晶点实际碳量的影响折算成碳的增减。
本实施例中，合金化元素含量对铸件本体抗拉强度影响的合金-抗拉强度数学模型为：
β=0.57×w(V)%+0.23×w(Cr)%+0.01×[w(Mn)%-1.7×w(S)%]+0.06×w(Cu)%+0.065×w(Ni)% +0.45×w(Mo)%；
其中：β为变化因子（包含正负号），w(合金化元素)%表示合金化元素调整后含量与调整前含量的差值。
△𝜎b合金的推导过程为：
相对强度系数为α，α=1+β=𝜎b 后合金/𝜎b 前合金
△𝜎b合金= 𝜎b 后合金- 𝜎b 前合金=α×𝜎b 前合金-𝜎b 前合金=（1+β）×𝜎b 前合金-𝜎b 前合金=β×𝜎b 前合金；
𝜎b 前合金等于200MPa~350MPa范围内的常量；
因此，△𝜎b合金= K×β；200MPa≤K≤350MPa。其中，K可优先选择接近
𝜎b 2氮的数值。
表1为基于上述模型进行的七次验证试验的试验数据表：
表一：
本实施例基于上述数学模型作了七组试验：
（1）、试验2＃和试验1＃相比，调整了金属液中游离态氮元素的含量；金属液中游离态氮元素的减小导致了铸件本体抗拉强度降低；试验3＃和试验2＃相比降低了碳元素的含量，提升了铸件本体抗拉强度且大于金属液中游离态氮元素降低前的铸件本体抗拉强度；
（2）、试验4＃和试验2＃相比调整合金化元素的含量，提升了铸件本体抗拉强度且大于金属液中游离态氮元素降低前的铸件本体抗拉强度。
（3）、试验6＃和试验5＃相比，调整了金属液中游离态氮元素的含量；金属液中游离态氮元素的减小导致了铸件本体抗拉强度降低；试验7＃和试验6＃相比调整合金化元素的含量同时降低了碳元素的含量，最终提升了铸件本体抗拉强度且大于金属液中游离态氮元素降低前的铸件本体抗拉强度。
当游离态氮元素含量变化导致铸件本体抗拉强度降低时，需要降低碳当量或/和调整合金化元素含量，来提升铸件本体抗拉强度，提升后的抗拉强度至少等于降低前的抗拉强度。
综上所述，本发明基于预先建立的三个数学模型，可精确确定碳、氮、合金元素等工艺参数的控制范围，便于及时精确掌控铸件本体的抗拉强度性能，且调控过程简单有效、大大降低了因试错造成的废品率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限值本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种铸铁金属液性能调控方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、预先建立铸铁金属液中游离态氮含量对铸件本体抗拉强度影响的氮-抗拉强度数学模型、铸铁金属液中碳当量对铸件本体抗拉强度影响的碳-抗拉强度数学模型及合金化元素含量对铸件本体抗拉强度影响的合金-抗拉强度数学模型；
S2、基于所述氮-抗拉强度数学模型，评估出具有微合金化作用的游离态氮元素含量变化对铸件本体抗拉强度的影响；
S3、基于所述碳-抗拉强度数学模型或/和所述合金-抗拉强度数学模型，调控铸铁金属液中碳当量或/和合金化元素含量、补偿因铸铁金属液中游离态氮元素含量变化对铸件本体抗拉强度造成的影响；
游离态氮元素含量变化导致的铸件本体抗拉强度变化量为△𝜎b氮；碳当量变化导致的铸件本体抗拉强度变化量为△𝜎b碳；合金化元素含量变化导致的铸件本体抗拉强度变化量为△𝜎b合金；
所述氮-抗拉强度数学模型为：
𝜎b i氮 = 5000000× Xi 2-53080× Xi+378；
△𝜎b氮 = 𝞬（𝜎b 2氮-𝜎b 1氮）；
其中：i等于1或2；0.003%≤ Xi ≤0.012%；0.2≤𝞬≤0.3；
X1 为金属液中游离态氮元素变化前的含量，X2 为金属液中游离态氮元素变化后的含量；𝜎b i氮代表铸铁金属液中游离态氮元素含量对应的铸件本体抗拉强度；
所述碳-抗拉强度数学模型为：
𝜎b j碳 = 974.46×δ j 2-7819.2×δ j+15940；
△𝜎b碳 =𝜎b 2碳 -𝜎b 1碳；
其中：j等于1或2；3.5≤δ j≤4.5；
δ 1为金属液中碳当量变化前的数值，δ 2为金属液中碳当量变化后的数值；𝜎b j碳代表铸铁金属液中碳当量对应的铸件本体抗拉强度；
所述合金化元素包括钒V、铬Cr、锰Mn、硫S、铜Cu、镍Ni、钼Mo；所述合金-抗拉强度数学模型为：
△𝜎b合金 = K ×β；
β=0.57×w(V)%+0.23×w(Cr)%+0.01×[w(Mn)%-1.7×w(S)%]+0.06×
w(Cu)%+0.065×w(Ni)% +0.45×w(Mo)%；
其中：β为变化因子，200MPa≤K≤350MPa；w(合金化元素)%表示合金化元素调整后含量与调整前含量的差值。
2.根据权利要求1所述的铸铁金属液性能调控方法，其特征在于，仅基于所述碳-抗拉强度数学模型调整碳当量，在碳当量的调整过程中需要满足：
|△𝜎b氮|≤|△𝜎b碳|。
3.根据权利要求1所述的铸铁金属液性能调控方法，其特征在于，仅基于所述合金-抗拉强度数学模型调整合金化元素含量，在合金化元素含量的调整过程需要满足：|△𝜎b氮|≤|△𝜎b合金|。
4.根据权利要求1所述的铸铁金属液性能调控方法，其特征在于，基于所述碳-抗拉强度数学模型和所述合金-抗拉强度数学模型综合调整碳当量和合金化元素含量；调整过程中需要满足：|△𝜎b氮|≤|△𝜎b碳+△𝜎b合金|。
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