走出誤區—掌握鐵水質量的核心技術

發布時間：2021-04-28 03:24:49|瀏覽次數：792次

馬建華，郭建斌
（天津匯豐探測裝備有限公司，天津 300402）

摘要：鐵水的測量共晶度和再輝度是鐵水質量管控的核心技術。通過光譜分析部分成分的含量來計算共晶度、碳當量，并試圖控制鐵水的凝固組織和冶金質量；不從本質上管控鐵水的碳、硅含量；對鐵水孕育效果的盲目推測；均為鐵水質量調整控制的誤區。只有真正掌握了控制鐵水質量的核心技術，才能穩定的生產優質、高端鑄件。
關鍵詞：測量共晶度再輝度碳當量孕育效果

在鑄鐵生產中為什么我們控制住了鐵水的化學成分，還不時有材質性能的廢品發生。為什么在澆、冒系統、模型固定后，有的鑄件有縮孔、縮松，有的鑄件沒有縮孔、縮松問題。我們當前控制鐵水質量的常規手段有效嗎？充分嗎？上述質量問題說明我們還沒有掌控鐵水質量的核心技術，還沒有掌控鐵水質量的全部要素。
在各種鑄鐵件的標準中以組織與性能符合作為交貨條件。鑄鐵材質的力學性能是由鑄鐵組織與合金含量決定的，鑄鐵組織是由鐵水的凝固組織經共析轉變得到的。由于我們不掌握凝固組織與鐵水成分的內在關系，導致了凝固組織失控發生了上述質量問題。

誤區一：用碳當量控制凝固組織
眾所周知：鑄鐵的凝固組織是由不同比例的初生奧氏體枝晶、次生奧氏體共晶與特定形態的石墨組成，經共析轉變后獲得了鑄鐵組織。
奧氏體枝晶與奧氏體共晶的比例，是由鐵水的固液兩相區（共晶度）決定的。

固液兩相區溫差大固液兩相區溫差小
而碳當量僅與液相線存在著唯一的關系，與固相線無關。僅控制碳當量（液相線），不控制固液兩相區（共晶度），怎么能控制住奧氏體枝晶與奧氏體共晶的比例呢？怎么能控制住共析轉變后的鑄鐵組織呢？這個問題的發生是由于我們沒有固液兩相區（共晶度）決定著凝固組織這個意識，片面的認為控制了碳當量（液相線）就控制了凝固組織。這就是我們向同行們要揭示的第一個誤區。
要控制鑄鐵的組織，首先要控制鑄鐵的凝固組織。要控制鑄鐵的凝固組織，首先要控制鐵水的固液兩相區（共晶度）。要控制鐵水的固液兩相區（共晶度），不僅要控制鐵水的液相線（碳當量），還要控制鐵水的固相線（硅當量），才能控制住鑄鐵的凝固組織。
發生這個問題的原因是：人們將鐵碳復合相圖（硅含量為零），固相線僅在穩定態和介穩定態之間變化的場景，錯誤的對標到實際生產條件下的鐵水上，導致鐵水的固相線失控、鑄鐵的凝固組織失控。
現將我們掌握的固相線變化規律向大家通報一二：
在介穩定系（白口化）條件下，硅含量對固相線溫度和共晶點的影響如下：

這個狀態可以對標到未經孕育的原鐵水狀態：隨著硅含量的增加，固相線溫度降低；與液相線相交的共晶點右移。在碳當量不變的條件下使鐵水的共晶度降低。導致亞共晶鐵水的凝固組織中奧氏體枝晶的比例增加，奧氏體共晶的比例降低。
在穩定系（石墨化）條件下，硅含量對固相線溫度和共晶點的影響如下：

這個狀態可以對標到孕育充分的鐵水狀態：首先固相線向高溫方向翻越，并且硅含量越高，固相線溫度增幅越大；與液相線相交的共晶點左移。在碳當量不變的條件下使鐵水的共晶度提高。導致亞共晶鐵水的凝固組織中奧氏體枝晶的比例降低，奧氏體共晶的比例提高。導致近共晶鐵水成為過共晶鐵水，產生石墨漂浮。
在實際生產中孕育造成的固相線翻越，導致不同硅含量的共晶度增量（△ScS）為：
SiE=1.2% 時 △ScS≈0.007; SiE=2.4% 時 △ScS ≈0.015; SiE=3.6% 時 △ScS ≈ 0.023。
據此大家可以了解到：孕育前后凝固組織中奧氏體枝晶和奧氏體共晶比例變化的規律，即原鐵水的硅含量越高，孕育造成的共晶度增量越大，孕育后鐵水的共晶度越高。因此：僅控制碳當量（液相線），不控制固相線和共晶度是我們不能獲得預期凝固組織的問題所在。

誤區二：把鐵水的碳、硅含量作為控制目標
如上所述：決定液相線的是鐵水的碳當量（CEs），決定固相線的是鐵水的硅當量（SiEs），只有控制住鐵水的液相線和固相線，才能獲得預期的凝固組織，及其共析轉變后的鑄鐵組織。
CEc=C+0.3Si+0.21Mn+0.3P-0.4S-0.45V-0.12Mo+0.25Cu+0.02Sn+0.1Ni-0.02Ti······
Si Ec=Si+2.68P-2.24B+1.25Mo+0.89S+0.52Sn+0.51Cr-0.28V+0.155Al+0.12Cu······
從碳當量計算式（CEc）和硅當量計算式（SiEc）可見：當鐵水中不含有殘余成分時碳當量等于碳含量（CEc=C），硅當量等于硅含量（SiEc=Si）。即：在鐵水中不含有殘余成分的特定條件下，把鐵水的碳、硅含量作為控制鐵水凝固組織的目標，是可以控制住鐵水的凝固組織。但是在現代鑄鐵生產條件下，鐵水中含有眾多的殘余成分。僅把鐵水的碳、硅含量作為控制目標，忽視殘余成分對液相線和固相線的影響，不可能控制住固液兩相區，也不可能獲得預期的凝固組織。這是我們向同行們要揭示的第二個誤區。
    眾所周知：液相線由碳當量決定，要控制液相線就要控制碳當量。從計算碳當量（CEc）可見，調整碳當量的最強項是碳含量。在鐵水溶解后、爐料帶入的各殘余成分的作用綜合之后、液相線如果不在控制范圍時就要用調整碳含量的方法來調整碳當量，以實現鐵水的液相線控制目標。因此碳含量只是調整液相線的最強手段，不是獲得預期凝固組織的根本目標。
    同理：固相線由硅當量決定，要控制固相線就要控制硅當量。硅含量只是調整固相線的最強手段，不是獲得預期凝固組織的根本目標。
    控制固液兩相區是控制鑄鐵組織的必要條件。因此控制液相線（碳當量）和固相線（硅當量），控制固液兩相區（共晶度）才是我們在鐵水熔制階段獲得預期凝固組織的根本目標。

誤區三：不論效果、不論時機的孕育操作
    隨著感應爐替代沖天爐熔制鐵水，提高球鐵的球化率、減少灰鐵白口率的孕育處理方法被人們廣泛應用。孕育處理的作用僅在于提高球鐵球化率、減少灰鐵白口率嗎？我們發現：人們對孕育效果的應用、孕育效果的識別、孕育形核的機理、孕育時效的改善都存在著盲區，也是我們在這個傳統產業上大而不強的短板所在。這是我們向同行們要揭示的第三個誤區。
    我們先用一個孕育衰退實驗，讓大家了解一下孕育效果對凝固組織的影響：

從上圖可見：在鐵水成分一定、碳當量不變、孕育鐵水衰退的過程中，液相線幾乎沒有發生變化，而固相線從石墨化共晶溫度降低到白口化共晶溫度。我們也可以把這幾條溫度曲線理解為不同孕育效果的凝固溫度曲線。
從不同孕育效果的凝固溫度曲線可見：孕育的效果不同，導致固液兩相區的溫差幅度（共晶度）不同，導致凝固組織中奧氏體枝晶與奧氏體共晶的比例不同。因此在原鐵水液相線、固相線、共晶度控制達標的條件下，孕育處理的效果不同也會導致凝固組織失控。
要想控制孕育處理的效果，首先要有識別孕育效果的手段，熱分析儀測量的再輝度是在線識別鐵水中形核物質多少、在線評價孕育處理效果的唯一手段。原鐵水時再輝度越大鐵水中保留的形核物質越多，孕育處理后再輝度越小孕育的效果越好。
造成孕育效果不穩定的原因與我們選取的孕育劑種類、采取的孕育方法、以及孕育的時機都有關系：孕育劑加入鐵水后，一部分孕育劑與氧反應形成氧化物，其中高熔點的、與石墨晶格匹配度較好的、納米級氧化物發揮著背向異質形核的作用。這部分高熔點的氧化物在鐵水中作布朗運動，相遇、聚合、長大后成為夾雜失去形核作用。氧化物的熔點越高，聚合長大的速度就越慢，發揮孕育作用的時間越長。這部分氧化物在孕育中發揮著長效形核作用。還有一部分孕育劑直接融入鐵水，以溫度起伏和濃度起伏在鐵水中激冷形核。這種激冷形核效果在第四分鐘能夠達到最大化，之后隨著時間的推移逐漸消失。溫度起伏和濃度起伏在孕育中發揮著短效形核作用。
相同的孕育劑浮在鐵水表面時，可以從空氣（｛O｝=21%）中吸收氧氣，形成長效孕育的氧化物較多，孕育鐵水衰退的較慢。相同的孕育劑加在包底時，被鐵水（［O］=0.01%）裹挾后與空氣接觸的較少，形成溫度起伏和濃度起伏的激冷形核較多，孕育鐵水衰退的較快。
總之孕育劑從融入鐵水開始計時，孕育效果在第四分鐘達到最大化，只要鐵水不凝固隨后進行的就是孕育效果的持續衰退。因此我們要以鐵水在孕育后的第四分鐘凝固為目標，設計孕育和澆注工藝，在第四分鐘之后凝固的鑄件質量取決于我們的讓步程度。在包內掩埋、出鐵時淋撒、浮硅、隨流、型內等諸多孕育方法中，選擇與鑄件凝固時間匹配的孕育方法。實現孕育效果的最大化，再輝度的最小化，才是穩定孕育效果、穩定凝固組織的有效方法。

誤區四：計算共晶度（ScC）與測量共晶度（ScS）的選用
共晶點是碳在鐵水中的飽和點，共晶度Sc是指鑄鐵偏移共晶點的程度，是衡量鐵水質量的重要指標，它決定著鑄鐵的組織和性能。共晶度在國家鑄造標準術語中，用鑄鐵含碳量與共晶點含碳量的比值表示：
Sc＝C/(4.26－0.31Si－0.27P)，這個計算共晶度，本文中用ScC表示。
我們發現：這個計算共晶度（ScC）的各項與硅當量無關。當人們試圖用它來控制凝固組織時，這個計算共晶度（ScC）與凝固組織中奧氏體枝晶與奧氏體共晶的比例無關。當鐵水的液相線與固相線重合時，這個計算共晶度（ScC）并不等于1。就像計算碳當量（CEc）與測量碳當量（CEs）的區別一樣，這個經典的示意式模糊了人們對共晶度的正確理解，貽誤著人們對這個決定凝固組織關鍵指標的應用。
通過熱分析儀測量鐵水的液相線與固相線溫度差，可以獲取測量共晶度（ScS）。這個測量共晶度（ScS）包含了原鐵水中所有成分對固相線和液相線的綜合作用結果：

這個測量共晶度（ScS）包含了鐵水中所有型核物對固相線和液相線的綜合作用結果：

控制住測量共晶度（ScS），就可以控制住凝固組織中奧氏體枝晶與奧氏體共晶的比例，就可以控制住鑄鐵的組織和性能。這樣就打通了成分決定組織這個斷頭路，解決了精準控制凝固組織的融會貫通問題。
在此我們建議從事鐵水質量管理的同行們把注意力由關注鐵水的碳、硅含量、碳當量，轉向關注鐵水的測量共晶度、再輝度和共晶度增量。通過管控原鐵水的液相線、固相線、共晶度；通過管控球化、孕育處理的再輝度，穩定共晶度增量；管控住澆注鐵水的共晶度、再輝度和澆注溫度。才是我們獲得預期凝固組織、獲得高質量的組織與性能的有效手段。

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