走出误区—掌握铁水质量的核心技术

发布时间：2021-04-28 03:24:49|浏览次数：

马建华，郭建斌
（天津汇丰探测装备有限公司，天津 300402）

摘要：铁水的测量共晶度和再辉度是铁水质量管控的核心技术。通过光谱分析部分成分的含量来计算共晶度、碳当量，并试图控制铁水的凝固组织和冶金质量；不从本质上管控铁水的碳、硅含量；对铁水孕育效果的盲目推测；均为铁水质量调整控制的误区。只有真正掌握了控制铁水质量的核心技术，才能稳定的生产优质、高端铸件。
关键词：测量共晶度再辉度碳当量孕育效果

在铸铁生产中为什么我们控制住了铁水的化学成分，还不时有材质性能的废品发生。为什么在浇、冒系统、模型固定后，有的铸件有缩孔、缩松，有的铸件没有缩孔、缩松问题。我们当前控制铁水质量的常规手段有效吗？充分吗？上述质量问题说明我们还没有掌控铁水质量的核心技术，还没有掌控铁水质量的全部要素。
在各种铸铁件的标准中以组织与性能符合作为交货条件。铸铁材质的力学性能是由铸铁组织与合金含量决定的，铸铁组织是由铁水的凝固组织经共析转变得到的。由于我们不掌握凝固组织与铁水成分的内在关系，导致了凝固组织失控发生了上述质量问题。

误区一：用碳当量控制凝固组织
众所周知：铸铁的凝固组织是由不同比例的初生奥氏体枝晶、次生奥氏体共晶与特定形态的石墨组成，经共析转变后获得了铸铁组织。
奥氏体枝晶与奥氏体共晶的比例，是由铁水的固液两相区（共晶度）决定的。

固液两相区温差大固液两相区温差小
而碳当量仅与液相线存在着唯一的关系，与固相线无关。仅控制碳当量（液相线），不控制固液两相区（共晶度），怎么能控制住奥氏体枝晶与奥氏体共晶的比例呢？怎么能控制住共析转变后的铸铁组织呢？这个问题的发生是由于我们没有固液两相区（共晶度）决定着凝固组织这个意识，片面的认为控制了碳当量（液相线）就控制了凝固组织。这就是我们向同行们要揭示的第一个误区。
要控制铸铁的组织，首先要控制铸铁的凝固组织。要控制铸铁的凝固组织，首先要控制铁水的固液两相区（共晶度）。要控制铁水的固液两相区（共晶度），不仅要控制铁水的液相线（碳当量），还要控制铁水的固相线（硅当量），才能控制住铸铁的凝固组织。
发生这个问题的原因是：人们将铁碳复合相图（硅含量为零），固相线仅在稳定态和介稳定态之间变化的场景，错误的对标到实际生产条件下的铁水上，导致铁水的固相线失控、铸铁的凝固组织失控。
现将我们掌握的固相线变化规律向大家通报一二：
在介稳定系（白口化）条件下，硅含量对固相线温度和共晶点的影响如下：

这个状态可以对标到未经孕育的原铁水状态：随着硅含量的增加，固相线温度降低；与液相线相交的共晶点右移。在碳当量不变的条件下使铁水的共晶度降低。导致亚共晶铁水的凝固组织中奥氏体枝晶的比例增加，奥氏体共晶的比例降低。
在稳定系（石墨化）条件下，硅含量对固相线温度和共晶点的影响如下：

这个状态可以对标到孕育充分的铁水状态：首先固相线向高温方向翻越，并且硅含量越高，固相线温度增幅越大；与液相线相交的共晶点左移。在碳当量不变的条件下使铁水的共晶度提高。导致亚共晶铁水的凝固组织中奥氏体枝晶的比例降低，奥氏体共晶的比例提高。导致近共晶铁水成为过共晶铁水，产生石墨漂浮。
在实际生产中孕育造成的固相线翻越，导致不同硅含量的共晶度增量（△ScS）为：
SiE=1.2% 时 △ScS≈0.007; SiE=2.4% 时 △ScS ≈0.015; SiE=3.6% 时 △ScS ≈ 0.023。
据此大家可以了解到：孕育前后凝固组织中奥氏体枝晶和奥氏体共晶比例变化的规律，即原铁水的硅含量越高，孕育造成的共晶度增量越大，孕育后铁水的共晶度越高。因此：仅控制碳当量（液相线），不控制固相线和共晶度是我们不能获得预期凝固组织的问题所在。

误区二：把铁水的碳、硅含量作为控制目标
如上所述：决定液相线的是铁水的碳当量（CEs），决定固相线的是铁水的硅当量（SiEs），只有控制住铁水的液相线和固相线，才能获得预期的凝固组织，及其共析转变后的铸铁组织。
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······
从碳当量计算式（CEc）和硅当量计算式（SiEc）可见：当铁水中不含有残余成分时碳当量等于碳含量（CEc=C），硅当量等于硅含量（SiEc=Si）。即：在铁水中不含有残余成分的特定条件下，把铁水的碳、硅含量作为控制铁水凝固组织的目标，是可以控制住铁水的凝固组织。但是在现代铸铁生产条件下，铁水中含有众多的残余成分。仅把铁水的碳、硅含量作为控制目标，忽视残余成分对液相线和固相线的影响，不可能控制住固液两相区，也不可能获得预期的凝固组织。这是我们向同行们要揭示的第二个误区。
    众所周知：液相线由碳当量决定，要控制液相线就要控制碳当量。从计算碳当量（CEc）可见，调整碳当量的最强项是碳含量。在铁水溶解后、炉料带入的各残余成分的作用综合之后、液相线如果不在控制范围时就要用调整碳含量的方法来调整碳当量，以实现铁水的液相线控制目标。因此碳含量只是调整液相线的最强手段，不是获得预期凝固组织的根本目标。
    同理：固相线由硅当量决定，要控制固相线就要控制硅当量。硅含量只是调整固相线的最强手段，不是获得预期凝固组织的根本目标。
    控制固液两相区是控制铸铁组织的必要条件。因此控制液相线（碳当量）和固相线（硅当量），控制固液两相区（共晶度）才是我们在铁水熔制阶段获得预期凝固组织的根本目标。

误区三：不论效果、不论时机的孕育操作
    随着感应炉替代冲天炉熔制铁水，提高球铁的球化率、减少灰铁白口率的孕育处理方法被人们广泛应用。孕育处理的作用仅在于提高球铁球化率、减少灰铁白口率吗？我们发现：人们对孕育效果的应用、孕育效果的识别、孕育形核的机理、孕育时效的改善都存在着盲区，也是我们在这个传统产业上大而不强的短板所在。这是我们向同行们要揭示的第三个误区。
    我们先用一个孕育衰退实验，让大家了解一下孕育效果对凝固组织的影响：

从上图可见：在铁水成分一定、碳当量不变、孕育铁水衰退的过程中，液相线几乎没有发生变化，而固相线从石墨化共晶温度降低到白口化共晶温度。我们也可以把这几条温度曲线理解为不同孕育效果的凝固温度曲线。
从不同孕育效果的凝固温度曲线可见：孕育的效果不同，导致固液两相区的温差幅度（共晶度）不同，导致凝固组织中奥氏体枝晶与奥氏体共晶的比例不同。因此在原铁水液相线、固相线、共晶度控制达标的条件下，孕育处理的效果不同也会导致凝固组织失控。
要想控制孕育处理的效果，首先要有识别孕育效果的手段，热分析仪测量的再辉度是在线识别铁水中形核物质多少、在线评价孕育处理效果的唯一手段。原铁水时再辉度越大铁水中保留的形核物质越多，孕育处理后再辉度越小孕育的效果越好。
造成孕育效果不稳定的原因与我们选取的孕育剂种类、采取的孕育方法、以及孕育的时机都有关系：孕育剂加入铁水后，一部分孕育剂与氧反应形成氧化物，其中高熔点的、与石墨晶格匹配度较好的、纳米级氧化物发挥着背向异质形核的作用。这部分高熔点的氧化物在铁水中作布朗运动，相遇、聚合、长大后成为夹杂失去形核作用。氧化物的熔点越高，聚合长大的速度就越慢，发挥孕育作用的时间越长。这部分氧化物在孕育中发挥着长效形核作用。还有一部分孕育剂直接融入铁水，以温度起伏和浓度起伏在铁水中激冷形核。这种激冷形核效果在第四分钟能够达到最大化，之后随着时间的推移逐渐消失。温度起伏和浓度起伏在孕育中发挥着短效形核作用。
相同的孕育剂浮在铁水表面时，可以从空气（｛O｝=21%）中吸收氧气，形成长效孕育的氧化物较多，孕育铁水衰退的较慢。相同的孕育剂加在包底时，被铁水（［O］=0.01%）裹挟后与空气接触的较少，形成温度起伏和浓度起伏的激冷形核较多，孕育铁水衰退的较快。
总之孕育剂从融入铁水开始计时，孕育效果在第四分钟达到最大化，只要铁水不凝固随后进行的就是孕育效果的持续衰退。因此我们要以铁水在孕育后的第四分钟凝固为目标，设计孕育和浇注工艺，在第四分钟之后凝固的铸件质量取决于我们的让步程度。在包内掩埋、出铁时淋撒、浮硅、随流、型内等诸多孕育方法中，选择与铸件凝固时间匹配的孕育方法。实现孕育效果的最大化，再辉度的最小化，才是稳定孕育效果、稳定凝固组织的有效方法。

误区四：计算共晶度（ScC）与测量共晶度（ScS）的选用
共晶点是碳在铁水中的饱和点，共晶度Sc是指铸铁偏移共晶点的程度，是衡量铁水质量的重要指标，它决定着铸铁的组织和性能。共晶度在国家铸造标准术语中，用铸铁含碳量与共晶点含碳量的比值表示：
Sc＝C/(4.26－0.31Si－0.27P)，这个计算共晶度，本文中用ScC表示。
我们发现：这个计算共晶度（ScC）的各项与硅当量无关。当人们试图用它来控制凝固组织时，这个计算共晶度（ScC）与凝固组织中奥氏体枝晶与奥氏体共晶的比例无关。当铁水的液相线与固相线重合时，这个计算共晶度（ScC）并不等于1。就像计算碳当量（CEc）与测量碳当量（CEs）的区别一样，这个经典的示意式模糊了人们对共晶度的正确理解，贻误着人们对这个决定凝固组织关键指标的应用。
通过热分析仪测量铁水的液相线与固相线温度差，可以获取测量共晶度（ScS）。这个测量共晶度（ScS）包含了原铁水中所有成分对固相线和液相线的综合作用结果：

这个测量共晶度（ScS）包含了铁水中所有型核物对固相线和液相线的综合作用结果：

控制住测量共晶度（ScS），就可以控制住凝固组织中奥氏体枝晶与奥氏体共晶的比例，就可以控制住铸铁的组织和性能。这样就打通了成分决定组织这个断头路，解决了精准控制凝固组织的融会贯通问题。
在此我们建议从事铁水质量管理的同行们把注意力由关注铁水的碳、硅含量、碳当量，转向关注铁水的测量共晶度、再辉度和共晶度增量。通过管控原铁水的液相线、固相线、共晶度；通过管控球化、孕育处理的再辉度，稳定共晶度增量；管控住浇注铁水的共晶度、再辉度和浇注温度。才是我们获得预期凝固组织、获得高质量的组织与性能的有效手段。

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