專利名稱：組織變質鑄鐵中碳當量的確定的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵一類的組織變質鑄鐵的碳當量確定方法。
鐵與碳的二元相圖在鑄造行業(yè)中只具有有限的意義，因為用于生產(chǎn)鑄鐵的全部材料總是含有合金元素，如硅、錳及雜質如硫、磷等，這些元素能夠改變相關系。其中的某些元素能以不同的比例取代碳，從而影響相圖。作為各種元素對相圖總的作用的結果，在確定熔體的具體成份所決定的液相線溫度時，所涉及到的碳當量即CE可以表示為CE＝%C+%Si/x+%P/Y+…式中的X為3-4，Y為3-6，在美國，此公式通常簡化為CE＝%C+%Si/3。
此公式使用情況如下所述。
這個簡化的公式之所以能夠使用，是因為鑄造工業(yè)中使用的鑄鐵熔體中含磷量非常低，因而可以忽略不計。在制造蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵時，感興趣的CE范圍是3-5。
大多數(shù)已公開的鐵-碳-硅相圖涉及到灰口鑄鐵(也就是其中的石墨晶體生長呈延伸的和分枝片狀的未經(jīng)處理的鑄鐵)的凝固條件。在這種系統(tǒng)中，γ鐵(奧氏體)與石墨片之間在CE約為4.35%及溫度為1155℃時發(fā)生共晶反應。碳含量或CE＜4.35%的鑄鐵通常稱為亞共晶鑄鐵，而碳含量或CE＞4.35%的則稱為過共晶鑄鐵。如上所述，這種定義只對具有薄片狀石墨的灰口鑄鐵才有意義。
利用相變溫度可以確定亞共晶鑄鐵的實際CE值。在試樣的溫度通過液相線而開始析出γ相時，冷卻曲線會顯示出溫度停滯。出現(xiàn)溫度停滯的原因是奧氏體相的生長動力學(特性)非常高，此外還因為同樣的結論也適用于γ相的結晶熱。
這些因素有助于在一定時間內有溫度停滯的溫度-時間曲線上形成一個明顯的和相當確定的點。
這一原理早就應用于鑄造行業(yè)。例如，早先公開的SE-B-350124提出一種用于建立這種熔化鐵液的冷卻曲線的裝置。
但是，采用同樣的方法來確定過共晶合金的CE的努力沒有成功。薄片狀碳是這種熔體析出的第一個固相。這種碳晶體在通過液相線之后不是立即形核，它所產(chǎn)生的潛熱很少，而且是在一個溫度區(qū)間內散布的。因此，使凝固曲線上的變化與能夠確定CE的明確相轉變溫度發(fā)生聯(lián)系是不可能的。
這一問題是由SE-B-342508指出的方法解決的。該文獻指出，在石墨的形成能夠通過添加某些元素到熔體中而得到抑制時，熔體將保持過冷，直至達到亞穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中γ鐵和滲碳體相應的線為止。在高度過共晶熔體中凝固形成的第一個相是滲碳體，由于其高的生長動力學特性，這種滲碳體將釋放出足夠的熱，使得在一定時間內的溫度降低停滯。上述專利SE-B-342508的申請人看來沒有考慮到這樣一個事實兩種完全不同的熔體-一種是具有初生的γ相沉淀的亞共晶體而另一種是具有初生的滲碳體沉淀的過共晶體-將會給出同樣的結果。該申請人還忽略了在穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)之間的非常重要的γ-液相線位移的區(qū)域。
上述專利的申請人還認為，某些元素會抑制石墨的形成，碲、硼和鈰似乎是最為有效的元素，盡管在該文獻中也提到了鎂。雖然，這樣的陳述有正確的部分，但是每年利用有限的添加鈰(以及其它稀土元素和鎂)來生產(chǎn)幾百萬噸球墨鑄鐵，生成滲碳體的危險是十分微小的。
對變質鑄鐵(即添加了稀土金屬和/或鎂之后)的研究表明，這種類型的鑄鐵必須用完全不同的相圖來說明，所述的相圖中，γ-液相線、變質的石墨球的液相線、CE以及共晶反應溫度發(fā)生了移動。
下面參照附圖對本發(fā)明進行詳細說明。
圖1示出了在一個涉及變質鑄鐵的相圖中共晶反應周圍的區(qū)域。
圖2示出了按照公知方法繪制的凝固曲線以及按照本發(fā)明方法繪制的凝固曲線。
圖1示出了從一般的鐵-碳-硅相圖到直徑為2.5cm的試棒中形核水平為100±50石墨球/[毫米]2的球墨鑄鐵相圖的變化情況。這種共晶成份的CE大約為4.7%，其共晶凝固溫度為約1140℃，在這一點處，γ鐵和石墨球是按照杠桿定律析出的，在CE值較低的情況下，γ相基本上是以枝晶形式發(fā)展的，而在CE＞約4.7%時，石墨球就能從熔體中析出，這些石墨球傾向于升至熔體的上部(漂浮)。之所以選擇這種100±50石墨球/mm2的變質水平是因為在大多數(shù)情況下，這一水平代表了在基礎處理(也就是添加FeSiMg和FeSi及任選地填加給定量的稀土金屬)后球墨鑄鐵的實際狀態(tài)。
在熔體中達到上述水平時，就能高度精確地確定為得到所要求的石墨球數(shù)量水平(即每單粒面積的石墨球數(shù))所需要添加的變質劑數(shù)量。在這種類型的鑄鐵中殘留的鎂含量必須高于0.02%(重量)。
就鑄造行業(yè)而言，最希望的是生產(chǎn)的鑄件所具有的成份剛好低于動態(tài)移動的共晶點的成份。在這一成分范圍內，例如，CE值在4.55-4.65之間，凝固開始時整個鑄鐵(產(chǎn)品)中析出細小的樹枝狀網(wǎng)狀物。這種網(wǎng)狀物給鑄鐵提供了一定程度的穩(wěn)定性，并阻止在這一過程的下一階段中形成的石墨球在熔體中上浮。這種細小的樹枝形網(wǎng)狀狀物并不嚴重地限止熔體在枝晶間流動，從而減少了形成疏松和縮孔的危險。
在工藝過程中，能夠可靠地將實際的CE值控制在這樣一個狹窄范圍內的方法對于鑄造業(yè)具有很大的意義。以往公知的方法還不能產(chǎn)生所希望的結果，其原因或者是缺乏精度，或者是由于有掩蓋必要的情況的、不希望的碳化物形成而不能將之應用于組織變質鑄鐵。
根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，用于熱分析及獲得關于組織變質熔體的結晶性能信息的試樣，如上述US-A-4667725專利中詳細說明的那種試樣，在進行某些其它的測量之后，還可以用于確定處于熔融狀態(tài)的球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵的實際CE值，它們的CE值最高可以達到實際共晶點，也就是說，在上述情況下可達到的CE值為4.7%。
US-A-4667725的方法依據(jù)的是，從有關鑄鐵熔體中取出試樣，放入一個浸入該熔體中而被預熱或加熱的容器中，該容器配置有兩個溫度傳感器(例如熱電偶)，其中一個設置在靠近容器內壁的位置，另一個設置于容器內與最近的外壁等距離的中央部位。
使用這種類型的試樣容器時，一般可以觀察到由于或多或少明顯地表明的在試樣中心凝固速度降低而引起的γ枝晶的生長。這種方法與公知的用于確定有關材料的精確的CE值的方法相類似。但現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，這些方法，例如SE-B-342508中所述的方法，不能解決作為本發(fā)明基礎的那些問題。
根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，這一問題可以通過用一種機構來觸發(fā)形核并開始析出γ相而得以解決，所述機構將連續(xù)地保證當試樣溫度越過有關相圖的液相線時能得到精確的熱信號。
這種機構可以通過提供一個或多個純鐵塊并使之與試樣容器中的熔體接觸而構成。所使用的純鐵塊應當只含有小量的鐵，從而使之對作為整體而言的試樣平均成份不會有明顯的影響，不過，其所含的鐵量應足以使之在容器被注滿試樣和接著進行試樣冷卻時不會完全熔化而與試樣熔體混合。實際上，這意味著有一個小量的純鐵存在于試樣中。在冷卻過程中，這少量的鐵將在比根據(jù)試樣的平均成份計算的γ相液相線溫度高得多的溫度下結晶。因此，當溫度通過所使用的代表試樣主要部份的成份的系統(tǒng)的γ相液相線時，已經(jīng)形成了少量的γ相結晶。
試樣內部的冷卻必須遲于容器壁處的冷卻速度，而且，鐵塊必需被放在熔體的主體體積(bulkvolume)內，以避免通常發(fā)生在容器壁處并延伸到主體體積內2-3毫米的瞬時的表面反應。
另一種辦法是，通過壁的有限部份的熱絕緣，可以使穿過容器壁的熱傳遞降低，熱絕緣可以單獨由直接連結到容器壁的絕緣點上的低碳鋼或一塊鐵來產(chǎn)生。
剛好在這一點上，γ相枝晶能夠立即開始生長，擴展到試樣的整個體積中。這種γ相枝晶的開始產(chǎn)生可由在試樣中心取得的凝固曲線上的明顯彎曲來表征，在溫度-時間曲線的變形上可以清楚地看出這種彎曲，可以認為，這是由于γ作用(γ-function)造成的。這個溫度，作為一個確定的溫度(℃)與實際的液相線溫度有關，或者可以相對于許多試樣的化學分析而被校驗。更為有意義的是，將γ相生長起始點與凝固過程中緊隨枝晶生長之后的共晶反應時的穩(wěn)態(tài)溫度相互聯(lián)系起來。圖2展示了本發(fā)明，并給出了由位于中心的溫度傳感器得到的凝固曲線，其中，a)表示沒有使用由純鐵構成的觸發(fā)劑時的γ枝晶生長的情況。由圖2可以看到，在畫陰影線的區(qū)域內的某一時刻，即在Tγ附近，枝晶生長開始。在使用觸發(fā)劑時，Tγ可以被辨別出是一個確定的溫度。特別有利的是，Tγ與Tc最大值之間的差值可以利用，此差值在圖中標作△T。這樣就使從枝晶生長開始到共晶反應的溫度和時間的關系可以直接得到。在澆鑄組織變質鑄鐵時，這就提供了凝固過程進展的一種較好的圖像描述，這種方法還使得能以高精確度確立CE值。
這樣，在從凝固試樣獲得數(shù)據(jù)之后利用Tγ或△T(如果Tcmax被確定)的實際值就能夠確定Tγ的具體溫度，并借助具有與相關熔體中的合金添加劑有關的移動值的鐵-碳-硅圖也可以決定這熔體的CE值。圖2展示了一個圖b)，圖b)涉及到直徑為2.5厘米的試棒中具有100±50石墨球/[mm]2的球墨鑄鐵。若溫度Tγ是1150℃或△T＝10k，在這種特定情況下借助于圖1就可以計算出CE，其值為4.52%。
變質性能的最終調整是通過進一步添加硅鐵(Fe+75%Si)來達到的。但這種硅鐵的添加會導致鑄造材料的最終CE值的增加，這是在計算鑄造材料的碳當量時必須加以考慮的。
例如，如果在已確定了CE之后再添加0.16%Fe-75%Si，那么CE值將會增大0.04%，從下列公式可以很容易看到這一點(75%·0.16)/100 ＝0.12%Si，由此得到 (0.12%Si)/3 ＝0.04% CE因此，本發(fā)明是對US-A-4667725中所述方法的一種實質性的改進。本發(fā)明提出了類似的取樣程序和控制鑄鐵熔體固有結晶性質如變質程度(degreeofmodification)以及晶核數(shù)目等的程序，以前，要想以能再現(xiàn)的方式同時獲得碳當量是不可能的，而要想在短時間內得到通行的或流行的數(shù)值從而可以在熔體澆鑄之前調整碳當量就更加不可能。
權利要求
1.一種確定組織變質鑄鐵熔體碳當量的方法，其中，取所述熔體的樣品放入一個與該熔體處于熱平衡狀態(tài)的樣品容器中，該樣品容器配置有一個位于其中心位置的溫度傳感器，讓試樣凝固，并記錄下隨時間變化的溫度，其特征在于，在試樣容器中配置一個或多個含碳量低的鐵塊，并使之與鐵熔體接觸，鐵塊的尺寸大小應使之在凝固過程中不會完全熔化，而且也不會使熔體的平均成份發(fā)生大的變化，鐵塊的冷卻遲于試樣容器壁處的冷卻；通過γ相液相線的溫度作為一個確定的溫度被記錄下來，或者以相對于十分相似類型的組織變質鑄鐵的共晶溫度測量和校驗值的溫度差被記錄下來，根據(jù)適用于這種組織變質鑄鐵的相圖確定碳當量。
2.權利要求1所述方法的應用，其特征在于，確定熔體的碳當量，必要時，通過向熔體中添加碳和/或硅或低碳含量的鐵來對碳當量加以調整。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種確定組織變質鑄鐵熔體碳當量的方法，以及利用這種方法調整組織變質鑄鐵熔體的成分。本方法是建立在將一個或多個低含碳量的鐵塊引入到試樣容器中的基礎上。鐵塊具有的尺寸大小應使其在容器充滿熔體時不會完全烷化。隨著熔體的凝固記錄下熔體溫度(圖2)。使用本方法，當溫度通過γ相液相線時，可得到一個完全確定的溫度，或者得到相對于十分相似類型的組織變質鑄鐵共晶溫度的溫度差。根據(jù)適用該彎質鑄鐵的相圖確定其碳當量。通過添加碳和/或硅或低含碳量的鐵來調整其CE值。
文檔編號G01N33/20GK1083592SQ9310522
公開日1994年3月9日 申請日期1993年4月8日 優(yōu)先權日1992年4月9日
發(fā)明者S·L·巴科魯?shù)?申請人:辛特卡斯特有限公司