蠕铁生产的过程控制

蠕铁生产的过程控制摘要：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SinterCastProb(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。蹲为了朵模仿尊铁水教浇注村过程缘中的雾自然虎损耗促，在缓探头塘壁上众有一范层同逐活性洽镁发勤生反掏应的辽涂层皆。铁絮水在都热流弄推动叔下沿趟着有存涂层乒的墙族壁流丸动。望反应鱼后的灾铁水可含镁兼量下烤降，包并聚旷集在读容器肢底部捡的分吊隔区歇。直特接地碗讲：店探各头中骑心热壮偶测宋量的蛇是没捡有发陶生反龄应的阿铁水刘，也碰就是令浇注房的初段始状可态；锋而在嚷底部淹的热箭偶测钓量的呆是浇巨注结裹束后胖的状辞态。里反应驻涂层固的配懒方十搜分讲厅究。政必须改精确趋地保赵证在约分隔膝区聚鹿集的逮铁水雪比中屠心的津铁水闪活性耽镁少传0.戴00缸3%处。因渔此，垒如果酷初始溪含镁乌量离企蠕-仰灰转笋折点颜太近此，分厅隔区耐的铁系水将艰生成泡灰铁法，并弹被在专该区且的热辟偶测顾出。傅这样制，在榴浇铸羞开始义时，济车间泪可多益加些煌镁，烟以抵撇消不蛇可避唱免的殖镁烧忽损。庄棵如果耍在底所部的陷热偶见测出开是蠕苗铁曲酒线，闹说明犁初始穷镁含撕量足惭够高贵，在锄浇铸韵结束阴后也锋不会派出现蕉片状乐石墨教。亭图7屋是欣溉特探浩头在繁测样眨后的验截面感侵蚀臂图。盘图中旺可以迁清楚杨地看尊到分餐隔区汉，主单样区齿和热表偶保广护管苦。由洁于活另性镁里减少尾了0舅.0执03配％，哲在分雪隔区狠形成淘D状范石墨刃和铁社素体具基体董。底项部片例状石烘墨区诸的大猛小直围接反征映了宅在主欠样区岭的初膊始含哪镁量搁。这胞个区分的大检小可始通过常底部筑释放谨热来透计算他。释呢放热吉与分矿隔区柴大小两的方市差回窃归系约数超紧过0绩.9柏，证遣明两嘉者关废系十么分密政切。瓦释放厕热由燥冷却墓曲线饰的时吵间积县分得膏到。朵这种熄同时秩测量怀当前津和浇债注结认束时等铁水浸状态叔的方揪法，家保障讨了在琴浇注配前镁乖的含月量准挡确无秤误。旨出生产交综合用考虑袍姥由于巷蠕铁忽对球百化剂飞和孕方育剂塞都十钟分敏歪感，云铸造缴厂不堤可能肌使用遍生产表灰铁惰和球铺铁时胸所采室用的奉过量长处理惰方法井。如单图8派示，束由于表其敏果感性拒，蠕齐铁仅圣仅在某一个赚四方舅窗内尖稳定肢，而腾不只拴是镁址平台界区。青一个食可靠患的蠕锄铁生雪产工砌艺，球必须不从头内到尾家地对反球化芹和孕颂育进叉行控院制，桶从而溉保证闲金相壶组织村符合洪指标抛。贞无论升做出祖多大号的努序力，滋无论倚多么竖严格良的管顾理，著铁水珠的波证动总趁是无题法避框免的魔。先粒不说劳人们叹对铁调水处沃理到遍底能捏有多足准确揪的了带解，循一步杨到位铃的处宿理方屡法，甲如三沙明治肃法，猎是无拢法保锐证每欧次处在理都炒落在严窄小败的蠕韵铁窗度口内行。众料多的且生产搭变数闸，如蚂混料拣比、些炉温影、保答温时绞间、堤铁水槐包的腥预热拿程度潮、出王炉速爽度、悟出炉卸铁水麦入包馆位置赛(合粥金内售侧还壁是外虹测)队、出晋炉铁币水重咳量、骗合金造袋状奏况、成球化废剂(诞Pe窗Si腐Mg余)的时实际文含镁筐量、花三明谷治法带中各迟层的汽合金浅排布梨、以指及废铜铁屑走的覆剑盖等醉等，陈都会反影响保到镁铁的吸茅收。淡除这骄些因炎素外超，活仇性氧道和活抛性硫伪的含庆量也互会改掉变蠕牵铁窗泼口的鄙大小颤和位件置。内铁水鞠在包奇中停抬留时拢间、把运输倡时间藏及浇稍注时叛间的域变化尊都将眠改变责可利艰用的闪烧损鸡时间态。划然而医，最拒难预嫂料的坏波动租因素葱是操倾作者狡的失木误，聋或不利同操否作者数之间板由于险工作俱习惯映不同鸭而引模起的理差异毁。景在大借规模债的批针量生拴产中霸，唯植一保基险的尺方法斧是测假定处烟理后堤铁水苗的凝银固特流性。栏这样撕影响园蠕铁嚼窗口民大小诚、位哨置以妹及合葱金吸扬收等普各种命因素大都被钢全面炭测量匹分析瓣和考缠虑。栽随后算便可盾加入剧适量怠的镁云和孕笔育剂臭。每挡一包张铁水堆都是女在提井升到行理想竭状态徒后再箭浇注叼。这撒种二娘步曲最，测钓量及穿调整扛的过稳程控士制方元法，郊使生纸产波俘动性掀降低沫到最祥小，暂完全修消除烤了在疗铸件隶中产车生片安状石屑墨的殿风险棵。虫用铁诱水包眼生产芒蠕铁搏的过葱程控责制繁如图兆9示经，过宰程控聋制始扑于对损初始森球化丛和孕速育处走理后沟铁水总的热花分析按。根苏据分衔析结吸果，马喂线梨机自漏动显槽示出针需要所加入杰镁和重孕育驻剂线纠缆的滩长度乡，并翅等待否操作掏者启割动。脖当喂压线完衰毕后鱼，铁演水包度随即岩被送孝到浇版注线闷上。起整个凡测量闹及调折整过住程需巷要大悉约三第分钟白。在耐这期迁间，笼车间尾可进节行常方规的疼浇注桃前处歉理，亏如去鸦渣等睛。这棕样保君证了膜铸造拴流水唯线的描连续挥性。感密当探阳头中卸的铁闷水凝宋固后腔，热腰分析切结果扬以无坐计量之单位盐的镁揭指数使和孕肆育指哭数表悄示出恰来。坝参考腾前述筛图8描中微溪观组摆织“冬棋盘倚”，泼这两雹个指捐数足饼以确堪认铁担水的排凝固始特性交和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