蠕鐵同灰鐵相比，抗拉強(qiáng)度提高至少70％，彈性模量提高35％，而疲勞強(qiáng)度提高近一倍。同鋁合金相比，蠕鐵的強(qiáng)度和剛性要高出一倍，而疲勞強(qiáng)度要高出二倍。蠕鐵的這些特性，為發(fā)動(dòng)機(jī)改善功率／重量比，提升氣缸壓力提供了可能性。而提升氣缸壓力是下一代直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)能達(dá)到最優(yōu)性能的關(guān)鍵。為了迎接蠕鐵的廣泛應(yīng)用，鑄造工業(yè)目前正在積極準(zhǔn)備，大量投資和改建新工藝，使蠕鐵的生產(chǎn)達(dá)到穩(wěn)定、可靠。
蠕鐵發(fā)動(dòng)機(jī)從樣機(jī)到大規(guī)模批量生產(chǎn)，決定性因素是質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。高質(zhì)量的蠕鐵，穩(wěn)定區(qū)非常小，僅在含鎂量為0.008％的范圍內(nèi)。微量的，如0.001％鎂的損耗，就會(huì)產(chǎn)生片狀石墨，使機(jī)械性直線下降25％至40％。本文描述了基于熱分析手段的過(guò)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量鎂的損耗，以及在線調(diào)整鐵水狀態(tài)來(lái)防止片狀石墨的產(chǎn)生。這種測(cè)量、調(diào)整的在線控制手段使生產(chǎn)蠕鐵過(guò)程中的波動(dòng)性降低到了最低點(diǎn)，從根本上消除了蠕鐵生產(chǎn)所帶來(lái)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。
前 言
人們對(duì)高馬力、高轉(zhuǎn)矩、低廢氣排放以及降低燃料使用量的需求在持續(xù)增長(zhǎng)。這迫使大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)者們提高點(diǎn)火峰壓，使發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷大幅度增加。熱負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷的同時(shí)升高，使目前使用的常規(guī)鑄鐵和合金鑄鐵(CrMo)發(fā)動(dòng)機(jī)已達(dá)到或超過(guò)了其使用上限。發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠商們需要強(qiáng)度更高，耐熱性更好的材料。
蠕鐵很快成為人們的首選材料，它使新一代卡車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸蓋及缸套的可靠性大大提高。為了達(dá)到各種性能的最佳組合(如鑄造性能、機(jī)加性能、導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能)，這些部件必須用球化率為0％至20％(蠕化率為80％至100％)的蠕鐵來(lái)制造。如果球化率超過(guò)20％，會(huì)導(dǎo)致一系列不利因素。比如收縮量過(guò)大，形狀復(fù)雜的部件如缸蓋特別容易出現(xiàn)縮孔。又如機(jī)加中，工具過(guò)量磨損壽命下降。還有導(dǎo)熱性也明顯下降，產(chǎn)生熱應(yīng)力等等。而在蠕鐵的另一端，片狀石墨的出現(xiàn)將導(dǎo)致機(jī)械性能的直線下降，使發(fā)動(dòng)機(jī)不能勝任新的要求。綜合而述，為滿足新一代卡車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，高強(qiáng)度蠕鐵的球化率必須在0%至20%之間(即蠕化率在80%以上，無(wú)片狀)。
是否使用生產(chǎn)過(guò)程控制，取決于產(chǎn)品的年產(chǎn)量，產(chǎn)品的復(fù)雜性和金相組織允許有多大的變化范圍。如圖1所示，較簡(jiǎn)單的，低產(chǎn)量的部件，如鑄錠模一般是可以用常規(guī)鑄造方法生產(chǎn)的。過(guò)程控制一般不需要，經(jīng)濟(jì)上也不合算。當(dāng)部件的年產(chǎn)量增加時(shí)，如排氣管、曲軸套和托架等，引入過(guò)程控制應(yīng)該是有意義的。這類產(chǎn)品盡管年產(chǎn)件數(shù)多，但鑄造的年噸位數(shù)并不高。金相組織結(jié)構(gòu)的要求也不很?chē)?yán)，允許球化率高達(dá)50%。另外由于此類部件的機(jī)加工量小，生產(chǎn)中可允許加入的提升而增加的鈦來(lái)拓展可控范圍。對(duì)于這類產(chǎn)品，常規(guī)的鑄造手段加上嚴(yán)格的訓(xùn)練，一般也可以勝任蠕鐵生產(chǎn)。但從質(zhì)量控制角度而言，過(guò)程控制應(yīng)該更加保險(xiǎn)。同樣，過(guò)程控制對(duì)大型船用發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋的生產(chǎn)也提供了保障。盡管超大的尺寸和較低的生產(chǎn)數(shù)量有利于產(chǎn)品的制造，但由于產(chǎn)品超標(biāo)造成的經(jīng)濟(jì)損失，足以增加一套過(guò)程控制系統(tǒng)。
最需要過(guò)程控制的產(chǎn)品，當(dāng)屬年產(chǎn)量大、復(fù)雜性高和技術(shù)要求嚴(yán)格的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋和剎車(chē)盤(pán)等。這些產(chǎn)品的年產(chǎn)數(shù)量和年噸位量都很高。它們尺寸復(fù)雜、金相組織要求苛刻、產(chǎn)生縮孔趨向很高。這些產(chǎn)品不可以有任何質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，否則損失非常嚴(yán)重。
對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋和缸座性能的嚴(yán)格要求奠定了制造產(chǎn)品規(guī)范的基礎(chǔ)。為了獲得鑄造性，機(jī)加性和機(jī)械性能的最佳綜臺(tái)性能，在部件的所有關(guān)鍵部位，球化率都應(yīng)在0％至20％范圍之內(nèi)。更為重要的是，片狀石墨必須絕對(duì)避免，從而杜絕局部薄弱造成部件損壞。為了達(dá)到好的機(jī)加性，自由碳化物必須降低到最低。因此，絕對(duì)不可以加入鈦。最后，從生產(chǎn)角度出發(fā)，鑄造廠需要一個(gè)穩(wěn)定、可靠的工藝，以保證金相組織造成的廢品率最低。汽車(chē)行業(yè)的制造商們要求提供質(zhì)量擔(dān)保，100%的鑄件必須滿足金相要求。大批量的，可靠的缸體、缸蓋和缸座的生產(chǎn)，需要對(duì)鐵水進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和在線調(diào)整，從而消除澆注前工藝過(guò)程中帶來(lái)的波動(dòng)。
蠕鐵穩(wěn)定性
蠕鐵沒(méi)有大批量地用于生產(chǎn)復(fù)雜部件(如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體)的原因是因?yàn)槿滂F的穩(wěn)定區(qū)太小，無(wú)法保障生產(chǎn)中沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)。一般來(lái)說(shuō)這個(gè)穩(wěn)定區(qū)大約只跨越0.008％鎂的區(qū)域，如圖2示。穩(wěn)定區(qū)平臺(tái)的大小和位置隨產(chǎn)品而變。實(shí)際上可利用的鎂區(qū)間比這還小。因?yàn)槊?分鐘，活性鎂就會(huì)燒損0.001％。鐵水的起始澆注點(diǎn)必須離蠕鐵到灰鐵的急轉(zhuǎn)點(diǎn)有足夠的距離，以確保最后澆鑄的部件不出現(xiàn)片狀石墨。當(dāng)鎂加入到鐵水中后，只需約15分鐘，就會(huì)出現(xiàn)片狀石墨。
起始點(diǎn)也不可以太接近穩(wěn)定平臺(tái)的右側(cè)(高含鎂量)，否則會(huì)導(dǎo)致較薄部位和快速冷卻部位形成大量的球狀石墨。
除可利用的平臺(tái)區(qū)很小外，該平臺(tái)區(qū)還總是在移動(dòng)的。如果活性氧和硫的含量高，它們將消耗更多的活性鎂，整個(gè)平臺(tái)將向右側(cè)移動(dòng)(高含鎂量)。相反地，如果活性氧和硫含量較低，平臺(tái)將向左側(cè)移動(dòng)(低含鎂量)。原材料的成份變化，純凈狀態(tài)，氧化程度以及潮濕程度等等原因，使人們無(wú)法用一個(gè)固定的化學(xué)成份范圍來(lái)控制蠕鐵。
盡管從蠕鐵到灰鐵的轉(zhuǎn)變只需下降0.001％的活性鎂，鎂的燒損并不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)部件都變成片狀石墨。當(dāng)活性鎂不夠時(shí)，石墨先形成片狀，隨著凝固向外擴(kuò)張，鎂在固液界面前端偏淅、濃縮。如果初始活性鎂適量，就會(huì)在共晶體的邊界處形成蠕狀石墨，如圖3示。片狀石墨首先以分散的片狀石墨斑出現(xiàn)。同常見(jiàn)的全部是片狀石墨不同，這些孤立的片狀石墨斑很難用超聲法測(cè)出。它們被超聲波掃到概率不高。
鎂對(duì)蠕鐵的敏感性可由圖4所示：在一噸鐵水包中，僅僅多加入10克的鎂，Φ25試驗(yàn)樣中分散的片狀石墨斑就能完全轉(zhuǎn)變成蠕狀石墨。有片狀石墨斑的試棒其杭拉強(qiáng)度只有300MPa，而完全蠕化的同樣試棒其抗拉強(qiáng)度則達(dá)到450MPa。
孕育劑對(duì)蠕鐵的穩(wěn)定平臺(tái)也很敏感，如圖5所示：在一噸鐵水中多加入80克孕育劑，就會(huì)使Φ25試棒中的球化率從3％增加到21％。孕育量高，產(chǎn)生晶核多，有利于形成球狀石墨。這使蠕鐵平臺(tái)向球化率高的方向抬起。而低的孕育量則使平臺(tái)向下移動(dòng)。眾多的因素，如鐵水過(guò)熱溫度，保溫時(shí)間、原材料化學(xué)成份，孕育劑種類和孕育量，都會(huì)影響蠕鐵的平臺(tái)位置。
欣特卡斯特探頭 SinterCast Prob(簡(jiǎn)稱欣特探頭)
任何一種過(guò)程控制技術(shù)，最基本的要求是能準(zhǔn)確地測(cè)量分析鐵水狀態(tài)。對(duì)蠕鐵而言，可靠的生產(chǎn)控制需要同時(shí)測(cè)量活性鎂離蠕-灰轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)的位置、隨后的鎂燒損程度以及孕育程度。
200克的熱分析樣品是通過(guò)將欣特探頭插入到經(jīng)球化及孕育處理后的鐵水中獲得的。在三秒鐘的插入過(guò)程中，探頭壁同鐵水達(dá)到熱平衡狀態(tài)。與常規(guī)熱分析樣杯不同，此薄壁取樣器即保證每次取樣體積相同還避免了在鐵水澆入樣杯中發(fā)生氧化。因?yàn)闆](méi)有常規(guī)熱分析中的激冷凝固現(xiàn)象，過(guò)熱度的測(cè)量也更加精確。
如圖6a所示，欣特探頭是由壓制的拉伸薄鋼板制成�；旧鲜且粋�(gè)球狀的容樣體。容納鐵水的簿鋼壁有一個(gè)真空瓶式的保溫層。保溫層的厚度是按高度方向?qū)ΨQ變厚的，以保證向周?chē)�、冷卻均勻，其中的鐵zz水接近于球狀體凝固。在探頭中有二個(gè)N型熱電偶處于保護(hù)管中。每次測(cè)量后熱偶可拔出，重復(fù)使用100次以上。兩個(gè)熱偶中的一個(gè)位于容器底端，另一個(gè)位于容器的熱中心。由于容器是球形的，加上是自由懸掛(這不同于常規(guī)熱分析樣杯依托在一個(gè)吸熱的托架上)，因此鐵水在容器中產(chǎn)生勻稱的熱流，如圖6b所示。這種熱流使鐵水在容器中不斷交換，在探頭底部形成流動(dòng)分隔區(qū)。
為了模仿鐵水澆注過(guò)程中的自然損耗，在探頭壁上有一層同活性鎂發(fā)生反應(yīng)的涂層。鐵水在熱流推動(dòng)下沿著有涂層的墻壁流動(dòng)。反應(yīng)后的鐵水含鎂量下降，并聚集在容器底部的分隔區(qū)。直接地講： 探頭中心熱偶測(cè)量的是沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)的鐵水，也就是澆注的初始狀態(tài)；而在底部的熱偶測(cè)量的是澆注結(jié)束后的狀態(tài)。反應(yīng)涂層的配方十分講究。必須精確地保證在分隔區(qū)聚集的鐵水比中心的鐵水活性鎂少0.003%。因此，如果初始含鎂量離蠕-灰轉(zhuǎn)折點(diǎn)太近，分隔區(qū)的鐵水將生成灰鐵，并被在該區(qū)的熱偶測(cè)出。這樣，在澆鑄開(kāi)始時(shí)，車(chē)間可多加些鎂，以抵消不可避免的鎂燒損。
如果在底部的熱偶測(cè)出是蠕鐵曲線，說(shuō)明初始鎂含量足夠高，在澆鑄結(jié)束后也不會(huì)出現(xiàn)片狀石墨。
圖7是欣特探頭在測(cè)樣后的截面侵蝕圖。圖中可以清楚地看到分隔區(qū)，主樣區(qū)和熱偶保護(hù)管。由于活性鎂減少了0.003％，在分隔區(qū)形成D狀石墨和鐵素體基體。底部片狀石墨區(qū)的大小直接反映了在主樣區(qū)的初始含鎂量。這個(gè)區(qū)的大小可通過(guò)底部釋放熱來(lái)計(jì)算。釋放熱與分隔區(qū)大小的方差回歸系數(shù)超過(guò)0.9，證明兩者關(guān)系十分密切。釋放熱由冷卻曲線的時(shí)間積分得到。這種同時(shí)測(cè)量當(dāng)前和澆注結(jié)束時(shí)鐵水狀態(tài)的方法，保障了在澆注前鎂的含量準(zhǔn)確無(wú)誤。
生產(chǎn)綜合考慮
由于蠕鐵對(duì)球化劑和孕育劑都十分敏感，鑄造廠不可能使用生產(chǎn)灰鐵和球鐵時(shí)所采用的過(guò)量處理方法。如圖8示，由于其敏感性，蠕鐵僅僅在一個(gè)四方窗內(nèi)穩(wěn)定，而不只是鎂平臺(tái)區(qū)。一個(gè)可靠的蠕鐵生產(chǎn)工藝，必須從頭到尾地對(duì)球化和孕育進(jìn)行控制，從而保證金相組織符合指標(biāo)。
無(wú)論做出多大的努力，無(wú)論多么嚴(yán)格的管理，鐵水的波動(dòng)總是無(wú)法避免的。先不說(shuō)人們對(duì)鐵水處理到底能有多準(zhǔn)確的了解，一步到位的處理方法，如三明治法，是無(wú)法保證每次處理都落在窄小的蠕鐵窗口內(nèi)。眾多的生產(chǎn)變數(shù)，如混料比、爐溫、保溫時(shí)間、鐵水包的預(yù)熱程度、出爐速度、出爐鐵水入包位置(合金內(nèi)側(cè)還是外測(cè))、出爐鐵水重量、合金袋狀況、球化劑(PeSiMg)的實(shí)際含鎂量、三明治法中各層的合金排布、以及廢鐵屑的覆蓋等等，都會(huì)影響到鎂的吸收。除這些因素外，活性氧和活性硫的含量也會(huì)改變?nèi)滂F窗口的大小和位置。鐵水在包中停留時(shí)間、運(yùn)輸時(shí)間及澆注時(shí)間的變化都將改變可利用的燒損時(shí)間。
然而，最難預(yù)料的波動(dòng)因素是操作者的失誤，或不同操作者之間由于工作習(xí)慣不同而引起的差異。
在大規(guī)模的批量生產(chǎn)中，唯一保險(xiǎn)的方法是測(cè)定處理后鐵水的凝固特性。這樣影響蠕鐵窗口大小、位置以及合金吸收等各種因素都被全面測(cè)量分析和考慮。隨后便可加入適量的鎂和孕育劑。每一包鐵水都是在提升到理想狀態(tài)后再澆注。這種二步曲，測(cè)量及調(diào)整的過(guò)程控制方法，使生產(chǎn)波動(dòng)性降低到最小，完全消除了在鑄件中產(chǎn)生片狀石墨的風(fēng)險(xiǎn)。
用鐵水包生產(chǎn)蠕鐵的過(guò)程控制
如圖9示，過(guò)程控制始于對(duì)初始球化和孕育處理后鐵水的熱分析。根據(jù)分析結(jié)果，喂線機(jī)自動(dòng)顯示出需要加入鎂和孕育劑線纜的長(zhǎng)度，并等待操作者啟動(dòng)。當(dāng)喂線完畢后，鐵水包隨即被送到澆注線上。整個(gè)測(cè)量及調(diào)整過(guò)程需要大約三分鐘。在這期間，車(chē)間可進(jìn)行常規(guī)的澆注前處理，如去渣等。這樣保證了鑄造流水線的連續(xù)性。
當(dāng)探頭中的鐵水凝固后，熱分析結(jié)果以無(wú)計(jì)量單位的鎂指數(shù)和孕育指數(shù)表示出來(lái)。參考前述圖8中微觀組織“棋盤(pán)”，這兩個(gè)指數(shù)足以確認(rèn)鐵水的凝固特性和微觀結(jié)構(gòu)。如圖10示，這個(gè)“棋盤(pán)”可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化。去掉不用的部分，只顯示初始處理狀態(tài)和所定義的蠕鐵窗口。雖然蛹鐵窗口的位置和大小隨產(chǎn)品不同，統(tǒng)一的原則是：總在窗口的右上角開(kāi)始澆注。如果每包鐵水在澆注前都被調(diào)整到這個(gè)位置，鎂和孕育劑的正常損耗，就決不會(huì)導(dǎo)致片狀石墨斑和碳化物出現(xiàn)。
從操作角度來(lái)看，原鐵水是不含鎂的，孕育能力也很有限。經(jīng)球化、孕育處理后鎂和孕育劑首先把鐵水中的活性氧和硫吃掉，然后把鐵水“跳到”棋盤(pán)中某個(gè)位置。在圖10例中，鐵水的鎂指數(shù)和孕育指數(shù)分別是65和45。因?yàn)橛吧紊a(chǎn)的主要變化參數(shù)在測(cè)量處理后的鐵水中都被表現(xiàn)出來(lái)，熱分析結(jié)果直接反映了當(dāng)前鐵水的狀態(tài)。剩下來(lái)的就是加入合適量的鎂和孕育劑，把鐵水從當(dāng)前的位置提升到要求的起始澆注點(diǎn)。在圖10例中，先加入七個(gè)單位的鎂線纜，再加入23個(gè)單位的孕育劑線纜。指數(shù)單位同線纜長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系根據(jù)產(chǎn)品和車(chē)間來(lái)校正，并被編制在程序中�；谝酝�10萬(wàn)件蠕鐵鑄件的經(jīng)驗(yàn)，鎂線纜的平均加入量為每噸5米。每米含12克鎂，按吸收率為50％計(jì)算，每噸鐵水的加入量?jī)H為30克鎂。由于加入量非常小，同時(shí)主要變化在初始處理中都已發(fā)生，因此，調(diào)整十分有效可靠。調(diào)整后，并不需要再做熱分析。
在做初始處理中，力求處理后狀態(tài)低于起始澆注位置，這樣即使有利鎂和孕育劑的吸收的所有因素都達(dá)到最佳值，鐵水也只是達(dá)到起始澆注狀態(tài)。除了不要過(guò)量處理外，處理后鐵水只要不是灰鐵和白口鐵狀態(tài)就行。為了使鑄造過(guò)程更有效，每包鐵水的鎂指數(shù)和孕育指數(shù)都被顯示在過(guò)程方框圖中。根據(jù)方框圖變化趨勢(shì)，操作者可調(diào)整下一包鐵水中的加入量。碳當(dāng)量值也顯示在屏幕中。這些數(shù)據(jù)都被編輯好并存在生產(chǎn)日志中，做到了可跟綜性，同時(shí)也滿足了質(zhì)量擔(dān)保的要求。
盡管熱分析和隨后的調(diào)整可以確保蠕鐵的生產(chǎn)，建議還是在最后鑄件的澆口杯中取樣分析。同常規(guī)的質(zhì)量檢驗(yàn)相比，這個(gè)熱分析結(jié)果可以提供在線分析，并在需要的情況下將鑄件分類。在探頭中的鎂損耗模擬使這個(gè)“非破壞”檢驗(yàn)技術(shù)比金相和超聲波法更有效。因?yàn)檫@個(gè)方法測(cè)量樣塊的體積更大，它同時(shí)還檢測(cè)出在隨后的10—15分鐘，鐵水將如何凝固。
總 結(jié)
過(guò)程控制系統(tǒng)的選擇取決于產(chǎn)品和鑄造工藝。當(dāng)鑄造蠕鐵發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)蓋和機(jī)缸一類的復(fù)雜產(chǎn)品時(shí)，系統(tǒng)必須同時(shí)控制鎂和孕育劑含量，使其從澆注開(kāi)始到結(jié)束都在一個(gè)很窄的窗口內(nèi)。球化率必須在0%至20%之間(蠕化率80%至100%)以保證最佳澆注性，機(jī)加性等綜合性能和最佳使用功能。片狀石墨斑必須徹底杜絕以防止局部缺陷和弱點(diǎn)。
任何過(guò)程控制系統(tǒng)的起始點(diǎn)是準(zhǔn)確有效地測(cè)量鐵水狀態(tài)�？煽康拇笠�(guī)模蠕鐵生產(chǎn)必須要有可行的控制手段來(lái)消除工藝變化和人為操作錯(cuò)誤。最有效的消除工藝變化的方法是在球化、孕育處理后對(duì)鐵水進(jìn)行熱分析。根據(jù)熱分析結(jié)果，在澆注前進(jìn)一步加入準(zhǔn)確數(shù)量的鎂和孕育劑。這種在線測(cè)量及調(diào)整的手段保證了鑄造生產(chǎn)線的穩(wěn)定性，消除了在大規(guī)模蠕鐵生產(chǎn)中所帶來(lái)的各種風(fēng)險(xiǎn)。
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