蠕铁生产的过程控制

作者：大连瑞星船用产品有限公司 邵益东 译

欢迎访问e展厅 展厅 7 钢铁/粉末冶金展厅 合金钢, 不锈钢, 高温合金, 模具钢材, 铁... 摘要：蠕铁同灰铁相比，抗拉强度提高至少70％，弹性模量提高35％，而疲劳强度提高近一倍。同铝合金相比，蠕铁的强度和刚性要高出一倍，而疲劳强度要高出二倍。蠕铁的这些特性，为发动机改善功率／重量比，提升气缸压力提供了可能性。而提升气缸压力是下一代直喷式柴油发动机能达到最优性能的关键。为了迎接蠕铁的广泛应用，铸造工业目前正在积极准备，大量投资和改建新工艺，使蠕铁的生产达到稳定、可靠。 蠕铁发动机从样机到大规模批量生产，决定性因素是质量风险。高质量的蠕铁，稳定区非常小，仅在含镁量为0.008％的范围内。微量的，如0.001％镁的损耗，就会产生片状石墨，使机械性直线下降25％至40％。本文描述了基于热分析手段的过程控制系统。该系统通过测量镁的损耗，以及在线调整铁水状态来防止片状石墨的产生。这种测量、调整的在线控制手段使生产蠕铁过程中的波动性降低到了最低点，从根本上消除了蠕铁生产所带来的质量风险。 前 言 人们对高马力、高转矩、低废气排放以及降低燃料使用量的需求在持续增长。这迫使大功率柴油发动机的设计者们提高点火峰压，使发动机的热负荷和机械负荷大幅度增加。热负荷及机械负荷的同时升高，使目前使用的常规铸铁和合金铸铁(CrMo)发动机已达到或超过了其使用上限。发动机制造厂商们需要强度更高，耐热性更好的材料。 蠕铁很快成为人们的首选材料，它使新一代卡车发动机的缸体、缸盖及缸套的可靠性大大提高。为了达到各种性能的最佳组合(如铸造性能、机加性能、导热性能和力学性能)，这些部件必须用球化率为0％至20％(蠕化率为80％至100％)的蠕铁来制造。如果球化率超过20％，会导致一系列不利因素。比如收缩量过大，形状复杂的部件如缸盖特别容易出现缩孔。又如机加中，工具过量磨损寿命下降。还有导热性也明显下降，产生热应力等等。而在蠕铁的另一端，片状石墨的出现将导致机械性能的直线下降，使发动机不能胜任新的要求。综合而述，为满足新一代卡车发动机的需要，高强度蠕铁的球化率必须在0%至20%之间(即蠕化率在80%以上，无片状)。 是否使用生产过程控制，取决于产品的年产量，产品的复杂性和金相组织允许有多大的变化范围。如图1所示，较简单的，低产量的部件，如铸锭模一般是可以用常规铸造方法生产的。过程控制一般不需要，经济上也不合算。当部件的年产量增加时，如排气管、曲轴套和托架等，引入过程控制应该是有意义的。这类产品尽管年产件数多，但铸造的年吨位数并不高。金相组织结构的要求也不很严，允许球化率高达50%。另外由于此类部件的机加工量小，生产中可允许加入的提升而增加的钛来拓展可控范围。对于这类产品，常规的铸造手段加上严格的训练，一般也可以胜任蠕铁生产。但从质量控制角度而言，过程控制应该更加保险。同样，过程控制对大型船用发动机缸体和缸盖的生产也提供了保障。尽管超大的尺寸和较低的生产数量有利于产品的制造，但由于产品超标造成的经济损失，足以增加一套过程控制系统。 最需要过程控制的产品，当属年产量大、复杂性高和技术要求严格的汽车发动机缸体、缸盖和刹车盘等。这些产品的年产数量和年吨位量都很高。它们尺寸复杂、金相组织要求苛刻、产生缩孔趋向很高。这些产品不可以有任何质量风险，否则损失非常严重。 对发动机缸体、缸盖和缸座性能的严格要求奠定了制造产品规范的基础。为了获得铸造性，机加性和机械性能的最佳综台性能，在部件的所有关键部位，球化率都应在0％至20％范围之内。更为重要的是，片状石墨必须绝对避免，从而杜绝局部薄弱造成部件损坏。为了达到好的机加性，自由碳化物必须降低到最低。因此，绝对不可以加入钛。最后，从生产角度出发，铸造厂需要一个稳定、可靠的工艺，以保证金相组织造成的废品率最低。汽车行业的制造商们要求提供质量担保，100%的铸件必须满足金相要求。大批量的，可靠的缸体、缸盖和缸座的生产，需要对铁水进行准确的分析和在线调整，从而消除浇注前工艺过程中带来的波动。 蠕铁稳定性 蠕铁没有大批量地用于生产复杂部件(如发动机缸体)的原因是因为蠕铁的稳定区太小，无法保障生产中没有风险。一般来说这个稳定区大约只跨越0.008％镁的区域，如图2示。稳定区平台的大小和位置随产品而变。实际上可利用的镁区间比这还小。因为每5分钟，活性镁就会烧损0.001％。铁水的起始浇注点必须离蠕铁到灰铁的急转点有足够的距离，以确保最后浇铸的部件不出现片状石墨。当镁加入到铁水中后，只需约15分钟，就会出现片状石墨。 起始点也不可以太接近稳定平台的右侧(高含镁量)，否则会导致较薄部位和快速冷却部位形成大量的球状石墨。 除可利用的平台区很小外，该平台区还总是在移动的。如果活性氧和硫的含量高，它们将消耗更多的活性镁，整个平台将向右侧移动(高含镁量)。相反地，如果活性氧和硫含量较低，平台将向左侧移动(低含镁量)。原材料的成份变化，纯净状态，氧化程度以及潮湿程度等等原因，使人们无法用一个固定的化学成份范围来控制蠕铁。 尽管从蠕铁到灰铁的转变只需下降0.001％的活性镁，镁的烧损并不会导致整个部件都变成片状石墨。当活性镁不够时，石墨先形成片状，随着凝固向外扩张，镁在固液界面前端偏淅、浓缩。如果初始活性镁适量，就会在共晶体的边界处形成蠕状石墨，如图3示。片状石墨首先以分散的片状石墨斑出现。同常见的全部是片状石墨不同，这些孤立的片状石墨斑很难用超声法测出。它们被超声波扫到概率不高。 镁对蠕铁的敏感性可由图4所示：在一吨铁水包中，仅仅多加入10克的镁，Φ25试验样中分散的片状石墨斑就能完全转变成蠕状石墨。有片状石墨斑的试棒其杭拉强度只有300MPa，而完全蠕化的同样试棒其抗拉强度则达到450MPa。 孕育剂对蠕铁的稳定平台也很敏感，如图5所示：在一吨铁水中多加入80克孕育剂，就会使Φ25试棒中的球化率从3％增加到21％。孕育量高，产生晶核多，有利于形成球状石墨。这使蠕铁平台向球化率高的方向抬起。而低的孕育量则使平台向下移动。众多的因素，如铁水过热温度，保温时间、原材料化学成份，孕育剂种类和孕育量，都会影响蠕铁的平台位置。 欣特卡斯特探头 SinterCast Prob(简称欣特探头) 任何一种过程控制技术，最基本的要求是能准确地测量分析铁水状态。对蠕铁而言，可靠的生产控制需要同时测量活性镁离蠕-灰转变临界点的位置、随后的镁烧损程度以及孕育程度。 200克的热分析样品是通过将欣特探头插入到经球化及孕育处理后的铁水中获得的。在三秒钟的插入过程中，探头壁同铁水达到热平衡状态。与常规热分析样杯不同，此薄壁取样器即保证每次取样体积相同还避免了在铁水浇入样杯中发生氧化。因为没有常规热分析中的激冷凝固现象，过热度的测量也更加精确。 如图6a所示，欣特探头是由压制的拉伸薄钢板制成。基本上是一个球状的容样体。容纳铁水的簿钢壁有一个真空瓶式的保温层。保温层的厚度是按高度方向对称变厚的，以保证向周围散热、冷却均匀，其中的铁zz水接近于球状体凝固。在探头中有二个N型热电偶处于保护管中。每次测量后热偶可拔出，重复使用100次以上。两个热偶中的一个位于容器底端，另一个位于容器的热中心。由于容器是球形的，加上是自由悬挂(这不同于常规热分析样杯依托在一个吸热的托架上)，因此铁水在容器中产生匀称的热流，如图6b所示。这种热流使铁水在容器中不断交换，在探头底部形成流动分隔区。 为了模仿铁水浇注过程中的自然损耗，在探头壁上有一层同活性镁发生反应的涂层。铁水在热流推动下沿着有涂层的墙壁流动。反应后的铁水含镁量下降，并聚集在容器底部的分隔区。直接地讲： 探头中心热偶测量的是没有发生反应的铁水，也就是浇注的初始状态；而在底部的热偶测量的是浇注结束后的状态。反应涂层的配方十分讲究。必须精确地保证在分隔区聚集的铁水比中心的铁水活性镁少0.003%。因此，如果初始含镁量离蠕-灰转折点太近，分隔区的铁水将生成灰铁，并被在该区的热偶测出。这样，在浇铸开始时，车间可多加些镁，以抵消不可避免的镁烧损。 如果在底部的热偶测出是蠕铁曲线，说明初始镁含量足够高，在浇铸结束后也不会出现片状石墨。 图7是欣特探头在测样后的截面侵蚀图。图中可以清楚地看到分隔区，主样区和热偶保护管。由于活性镁减少了0.003％，在分隔区形成D状石墨和铁素体基体。底部片状石墨区的大小直接反映了在主样区的初始含镁量。这个区的大小可通过底部释放热来计算。释放热与分隔区大小的方差回归系数超过0.9，证明两者关系十分密切。释放热由冷却曲线的时间积分得到。这种同时测量当前和浇注结束时铁水状态的方法，保障了在浇注前镁的含量准确无误。 生产综合考虑 由于蠕铁对球化剂和孕育剂都十分敏感，铸造厂不可能使用生产灰铁和球铁时所采用的过量处理方法。如图8示，由于其敏感性，蠕铁仅仅在一个四方窗内稳定，而不只是镁平台区。一个可靠的蠕铁生产工艺，必须从头到尾地对球化和孕育进行控制，从而保证金相组织符合指标。 无论做出多大的努力，无论多么严格的管理，铁水的波动总是无法避免的。先不说人们对铁水处理到底能有多准确的了解，一步到位的处理方法，如三明治法，是无法保证每次处理都落在窄小的蠕铁窗口内。众多的生产变数，如混料比、炉温、保温时间、铁水包的预热程度、出炉速度、出炉铁水入包位置(合金内侧还是外测)、出炉铁水重量、合金袋状况、球化剂(PeSiMg)的实际含镁量、三明治法中各层的合金排布、以及废铁屑的覆盖等等，都会影响到镁的吸收。除这些因素外，活性氧和活性硫的含量也会改变蠕铁窗口的大小和位置。铁水在包中停留时间、运输时间及浇注时间的变化都将改变可利用的烧损时间。 然而，最难预料的波动因素是操作者的失误，或不同操作者之间由于工作习惯不同而引起的差异。 在大规模的批量生产中，唯一保险的方法是测定处理后铁水的凝固特性。这样影响蠕铁窗口大小、位置以及合金吸收等各种因素都被全面测量分析和考虑。随后便可加入适量的镁和孕育剂。每一包铁水都是在提升到理想状态后再浇注。这种二步曲，测量及调整的过程控制方法，使生产波动性降低到最小，完全消除了在铸件中产生片状石墨的风险。 用铁水包生产蠕铁的过程控制 如图9示，过程控制始于对初始球化和孕育处理后铁水的热分析。根据分析结果，喂线机自动显示出需要加入镁和孕育剂线缆的长度，并等待操作者启动。当喂线完毕后，铁水包随即被送到浇注线上。整个测量及调整过程需要大约三分钟。在这期间，车间可进行常规的浇注前处理，如去渣等。这样保证了铸造流水线的连续性。 当探头中的铁水凝固后，热分析结果以无计量单位的镁指数和孕育指数表示出来。参考前述图8中微观组织“棋盘”，这两个指数足以确认铁水的凝固特性和微观结构。如图10示，这个“棋盘”可以进一步简化。去掉不用的部分，只显示初始处理状态和所定义的蠕铁窗口。虽然蛹铁窗口的位置和大小随产品不同，统一的原则是：总在窗口的右上角开始浇注。如果每包铁水在浇注前都被调整到这个位置，镁和孕育剂的正常损耗，就决不会导致片状石墨斑和碳化物出现。 从操作角度来看，原铁水是不含镁的，孕育能力也很有限。经球化、孕育处理后镁和孕育剂首先把铁水中的活性氧和硫吃掉，然后把铁水“跳到”棋盘中某个位置。在图10例中，铁水的镁指数和孕育指数分别是65和45。因为影晌生产的主要变化参数在测量处理后的铁水中都被表现出来，热分析结果直接反映了当前铁水的状态。剩下来的就是加入合适量的镁和孕育剂，把铁水从当前的位置提升到要求的起始浇注点。在图10例中，先加入七个单位的镁线缆，再加入23个单位的孕育剂线缆。指数单位同线缆长度的对应关系根据产品和车间来校正，并被编制在程序中。基于以往近10万件蠕铁铸件的经验，镁线缆的平均加入量为每吨5米。每米含12克镁，按吸收率为50％计算，每吨铁水的加入量仅为30克镁。由于加入量非常小，同时主要变化在初始处理中都已发生，因此，调整十分有效可靠。调整后，并不需要再做热分析。 在做初始处理中，力求处理后状态低于起始浇注位置，这样即使有利镁和孕育剂的吸收的所有因素都达到最佳值，铁水也只是达到起始浇注状态。除了不要过量处理外，处理后铁水只要不是灰铁和白口铁状态就行。为了使铸造过程更有效，每包铁水的镁指数和孕育指数都被显示在过程方框图中。根据方框图变化趋势，操作者可调整下一包铁水中的加入量。碳当量值也显示在屏幕中。这些数据都被编辑好并存在生产日志中，做到了可跟综性，同时也满足了质量担保的要求。 尽管热分析和随后的调整可以确保蠕铁的生产，建议还是在最后铸件的浇口杯中取样分析。同常规的质量检验相比，这个热分析结果可以提供在线分析，并在需要的情况下将铸件分类。在探头中的镁损耗模拟使这个“非破坏”检验技术比金相和超声波法更有效。因为这个方法测量样块的体积更大，它同时还检测出在随后的10—15分钟，铁水将如何凝固。 总 结 过程控制系统的选择取决于产品和铸造工艺。当铸造蠕铁发动机机盖和机缸一类的复杂产品时，系统必须同时控制镁和孕育剂含量，使其从浇注开始到结束都在一个很窄的窗口内。球化率必须在0%至20%之间(蠕化率80%至100%)以保证最佳浇注性，机加性等综合性能和最佳使用功能。片状石墨斑必须彻底杜绝以防止局部缺陷和弱点。 任何过程控制系统的起始点是准确有效地测量铁水状态。可靠的大规模蠕铁生产必须要有可行的控制手段来消除工艺变化和人为操作错误。最有效的消除工艺变化的方法是在球化、孕育处理后对铁水进行热分析。根据热分析结果，在浇注前进一步加入准确数量的镁和孕育剂。这种在线测量及调整的手段保证了铸造生产线的稳定性，消除了在大规模蠕铁生产中所带来的各种风险。(end)

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