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    可靠的大規模蠕鐵生產必須要有可行的控制手段


         蠕鐵同灰鐵相比,抗拉強度提高至少70%,彈性模量提高35%,而疲勞強度提高近一倍。同鋁合金相比,蠕鐵的強度和剛性要高出一倍,而疲勞強度要高出二倍。蠕鐵的這些特性,為發動機改善功率/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動機能達到最優性能的關鍵。為了迎接蠕鐵的廣泛應用,鑄造工業目前正在積極準備,大量投資和改建新工藝,使蠕鐵的生產達到穩定、可靠。
         蠕鐵發動機從樣機到大規模批量生產,決定性因素是質量風險。高質量的蠕鐵,穩定區非常小,僅在含鎂量為0.008%的范圍內。微量的,如0.001%鎂的損耗,就會產生片狀石墨,使機械性直線下降25%至40%。本文描述了基于熱分析手段的過程控制系統。該系統通過測量鎂的損耗,以及在線調整鐵水狀態來防止片狀石墨的產生。這種測量、調整的在線控制手段使生產蠕鐵過程中的波動性降低到了最低點,從根本上消除了蠕鐵生產所帶來的質量風險。
    前 言
          人們對高馬力、高轉矩、低廢氣排放以及降低燃料使用量的需求在持續增長。這迫使大功率柴油發動機的設計者們提高點火峰壓,使發動機的熱負荷和機械負荷大幅度增加。熱負荷及機械負荷的同時升高,使目前使用的常規鑄鐵和合金鑄鐵(CrMo)發動機已達到或超過了其使用上限。發動機制造廠商們需要強度更高,耐熱性更好的材料。
          蠕鐵很快成為人們的首選材料,它使新一代卡車發動機的缸體、缸蓋及缸套的可靠性大大提高。為了達到各種性能的最佳組合(如鑄造性能、機加性能、導熱性能和力學性能),這些部件必須用球化率為0%至20%(蠕化率為80%至100%)的蠕鐵來制造。如果球化率超過20%,會導致一系列不利因素。比如收縮量過大,形狀復雜的部件如缸蓋特別容易出現縮孔。又如機加中,工具過量磨損壽命下降。還有導熱性也明顯下降,產生熱應力等等。而在蠕鐵的另一端,片狀石墨的出現將導致機械性能的直線下降,使發動機不能勝任新的要求。綜合而述,為滿足新一代卡車發動機的需要,高強度蠕鐵的球化率必須在0%至20%之間(即蠕化率在80%以上,無片狀)。

           是否使用生產過程控制,取決于產品的年產量,產品的復雜性和金相組織允許有多大的變化范圍。如圖1所示,較簡單的,低產量的部件,如鑄錠模一般是可以用常規鑄造方法生產的。過程控制一般不需要,經濟上也不合算。當部件的年產量增加時,如排氣管、曲軸套和托架等,引入過程控制應該是有意義的。這類產品盡管年產件數多,但鑄造的年噸位數并不高。金相組織結構的要求也不很嚴,允許球化率高達50%。另外由于此類部件的機加工量小,生產中可允許加入的提升而增加的鈦來拓展可控范圍。對于這類產品,常規的鑄造手段加上嚴格的訓練,一般也可以勝任蠕鐵生產。但從質量控制角度而言,過程控制應該更加保險。同樣,過程控制對大型船用發動機缸體和缸蓋的生產也提供了保障。盡管超大的尺寸和較低的生產數量有利于產品的制造,但由于產品超標造成的經濟損失,足以增加一套過程控制系統。
           最需要過程控制的產品,當屬年產量大、復雜性高和技術要求嚴格的汽車發動機缸體、缸蓋和剎車盤等。這些產品的年產數量和年噸位量都很高。它們尺寸復雜、金相組織要求苛刻、產生縮孔趨向很高。這些產品不可以有任何質量風險,否則損失非常嚴重。
          對發動機缸體、缸蓋和缸座性能的嚴格要求奠定了制造產品規范的基礎。為了獲得鑄造性,機加性和機械性能的最佳綜臺性能,在部件的所有關鍵部位,球化率都應在0%至20%范圍之內。更為重要的是,片狀石墨必須絕對避免,從而杜絕局部薄弱造成部件損壞。為了達到好的機加性,自由碳化物必須降低到最低。因此,絕對不可以加入鈦。最后,從生產角度出發,鑄造廠需要一個穩定、可靠的工藝,以保證金相組織造成的廢品率最低。汽車行業的制造商們要求提供質量擔保,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,需要對鐵水進行準確的分析和在線調整,從而消除澆注前工藝過程中帶來的波動。
    蠕鐵穩定性
          蠕鐵沒有大批量地用于生產復雜部件(如發動機缸體)的原因是因為蠕鐵的穩定區太小,無法保障生產中沒有風險。一般來說這個穩定區大約只跨越0.008%鎂的區域,如圖2示。穩定區平臺的大小和位置隨產品而變。實際上可利用的鎂區間比這還小。因為每5分鐘,活性鎂就會燒損0.001%。鐵水的起始澆注點必須離蠕鐵到灰鐵的急轉點有足夠的距離,以確保最后澆鑄的部件不出現片狀石墨。當鎂加入到鐵水中后,只需約15分鐘,就會出現片狀石墨。

        起始點也不可以太接近穩定平臺的右側(高含鎂量),否則會導致較薄部位和快速冷卻部位形成大量的球狀石墨。
         除可利用的平臺區很小外,該平臺區還總是在移動的。如果活性氧和硫的含量高,它們將消耗更多的活性鎂,整個平臺將向右側移動(高含鎂量)。相反地,如果活性氧和硫含量較低,平臺將向左側移動(低含鎂量)。原材料的成份變化,純凈狀態,氧化程度以及潮濕程度等等原因,使人們無法用一個固定的化學成份范圍來控制蠕鐵。
           盡管從蠕鐵到灰鐵的轉變只需下降0.001%的活性鎂,鎂的燒損并不會導致整個部件都變成片狀石墨。當活性鎂不夠時,石墨先形成片狀,隨著凝固向外擴張,鎂在固液界面前端偏淅、濃縮。如果初始活性鎂適量,就會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。同常見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出。它們被超聲波掃到概率不高。

         鎂對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試驗樣中分散的片狀石墨斑就能完全轉變成蠕狀石墨。有片狀石墨斑的試棒其杭拉強度只有300MPa,而完全蠕化的同樣試棒其抗拉強度則達到450MPa。

          孕育劑對蠕鐵的穩定平臺也很敏感,如圖5所示:在一噸鐵水中多加入80克孕育劑,就會使Φ25試棒中的球化率從3%增加到21%。孕育量高,產生晶核多,有利于形成球狀石墨。這使蠕鐵平臺向球化率高的方向抬起。而低的孕育量則使平臺向下移動。眾多的因素,如鐵水過熱溫度,保溫時間、原材料化學成份,孕育劑種類和孕育量,都會影響蠕鐵的平臺位置。

            欣特卡斯特探頭 SinterCast Prob(簡稱欣特探頭)
           任何一種過程控制技術,最基本的要求是能準確地測量分析鐵水狀態。對蠕鐵而言,可靠的生產控制需要同時測量活性鎂離蠕-灰轉變臨界點的位置、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將欣特探頭插入到經球化及孕育處理后的鐵水中獲得的。在三秒鐘的插入過程中,探頭壁同鐵水達到熱平衡狀態。與常規熱分析樣杯不同,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生氧化。因為沒有常規熱分析中的激冷凝固現象,過熱度的測量也更加精確。
          如圖6a所示,欣特探頭是由壓制的拉伸薄鋼板制成;旧鲜且粋球狀的容樣體。容納鐵水的簿鋼壁有一個真空瓶式的保溫層。保溫層的厚度是按高度方向對稱變厚的,以保證向周圍散熱、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N型熱電偶處于保護管中。每次測量后熱偶可拔出,重復使用100次以上。兩個熱偶中的一個位于容器底端,另一個位于容器的熱中心。由于容器是球形的,加上是自由懸掛(這不同于常規熱分析樣杯依托在一個吸熱的托架上),因此鐵水在容器中產生勻稱的熱流,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分隔區。

          為了模仿鐵水澆注過程中的自然損耗,在探頭壁上有一層同活性鎂發生反應的涂層。鐵水在熱流推動下沿著有涂層的墻壁流動。反應后的鐵水含鎂量下降,并聚集在容器底部的分隔區。直接地講: 探頭中心熱偶測量的是沒有發生反應的鐵水,也就是澆注的初始狀態;而在底部的熱偶測量的是澆注結束后的狀態。反應涂層的配方十分講究。必須精確地保證在分隔區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-灰轉折點太近,分隔區的鐵水將生成灰鐵,并被在該區的熱偶測出。這樣,在澆鑄開始時,車間可多加些鎂,以抵消不可避免的鎂燒損。
         如果在底部的熱偶測出是蠕鐵曲線,說明初始鎂含量足夠高,在澆鑄結束后也不會出現片狀石墨。
         圖7是欣特探頭在測樣后的截面侵蝕圖。圖中可以清楚地看到分隔區,主樣區和熱偶保護管。由于活性鎂減少了0.003%,在分隔區形成D狀石墨和鐵素體基體。底部片狀石墨區的大小直接反映了在主樣區的初始含鎂量。這個區的大小可通過底部釋放熱來計算。釋放熱與分隔區大小的方差回歸系數超過0.9,證明兩者關系十分密切。釋放熱由冷卻曲線的時間積分得到。這種同時測量當前和澆注結束時鐵水狀態的方法,保障了在澆注前鎂的含量準確無誤。

    生產綜合考慮
          由于蠕鐵對球化劑和孕育劑都十分敏感,鑄造廠不可能使用生產灰鐵和球鐵時所采用的過量處理方法。如圖8示,由于其敏感性,蠕鐵僅僅在一個四方窗內穩定,而不只是鎂平臺區。一個可靠的蠕鐵生產工藝,必須從頭到尾地對球化和孕育進行控制,從而保證金相組織符合指標。

          無論做出多大的努力,無論多么嚴格的管理,鐵水的波動總是無法避免的。先不說人們對鐵水處理到底能有多準確的了解,一步到位的處理方法,如三明治法,是無法保證每次處理都落在窄小的蠕鐵窗口內。眾多的生產變數,如混料比、爐溫、保溫時間、鐵水包的預熱程度、出爐速度、出爐鐵水入包位置(合金內側還是外測)、出爐鐵水重量、合金袋狀況、球化劑(PeSiMg)的實際含鎂量、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改變蠕鐵窗口的大小和位置。鐵水在包中停留時間、運輸時間及澆注時間的變化都將改變可利用的燒損時間。
          然而,最難預料的波動因素是操作者的失誤,或不同操作者之間由于工作習慣不同而引起的差異。
          在大規模的批量生產中,唯一保險的方法是測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后再澆注。這種二步曲,測量及調整的過程控制方法,使生產波動性降低到最小,完全消除了在鑄件中產生片狀石墨的風險。
    用鐵水包生產蠕鐵的過程控制
          如圖9示,過程控制始于對初始球化和孕育處理后鐵水的熱分析。根據分析結果,喂線機自動顯示出需要加入鎂和孕育劑線纜的長度,并等待操作者啟動。當喂線完畢后,鐵水包隨即被送到澆注線上。整個測量及調整過程需要大約三分鐘。在這期間,車間可進行常規的澆注前處理,如去渣等。這樣保證了鑄造流水線的連續性。

          當探頭中的鐵水凝固后,熱分析結果以無計量單位的鎂指數和孕育指數表示出來。參考前述圖8中微觀組織“棋盤”,這兩個指數足以確認鐵水的凝固特性和微觀結構。如圖10示,這個“棋盤”可以進一步簡化。去掉不用的部分,只顯示初始處理狀態和所定義的蠕鐵窗口。雖然蛹鐵窗口的位置和大小隨產品不同,統一的原則是:總在窗口的右上角開始澆注。如果每包鐵水在澆注前都被調整到這個位置,鎂和孕育劑的正常損耗,就決不會導致片狀石墨斑和碳化物出現。

            從操作角度來看,原鐵水是不含鎂的,孕育能力也很有限。經球化、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”棋盤中某個位置。在圖10例中,鐵水的鎂指數和孕育指數分別是65和45。因為影晌生產的主要變化參數在測量處理后的鐵水中都被表現出來,熱分析結果直接反映了當前鐵水的狀態。剩下來的就是加入合適量的鎂和孕育劑,把鐵水從當前的位置提升到要求的起始澆注點。在圖10例中,先加入七個單位的鎂線纜,再加入23個單位的孕育劑線纜。指數單位同線纜長度的對應關系根據產品和車間來校正,并被編制在程序中;谝酝10萬件蠕鐵鑄件的經驗,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%計算,每噸鐵水的加入量僅為30克鎂。由于加入量非常小,同時主要變化在初始處理中都已發生,因此,調整十分有效可靠。調整后,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到最佳值,鐵水也只是達到起始澆注狀態。除了不要過量處理外,處理后鐵水只要不是灰鐵和白口鐵狀態就行。為了使鑄造過程更有效,每包鐵水的鎂指數和孕育指數都被顯示在過程方框圖中。根據方框圖變化趨勢,操作者可調整下一包鐵水中的加入量。碳當量值也顯示在屏幕中。這些數據都被編輯好并存在生產日志中,做到了可跟綜性,同時也滿足了質量擔保的要求。
          盡管熱分析和隨后的調整可以確保蠕鐵的生產,建議還是在最后鑄件的澆口杯中取樣分析。同常規的質量檢驗相比,這個熱分析結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“非破壞”檢驗技術比金相和超聲波法更有效。因為這個方法測量樣塊的體積更大,它同時還檢測出在隨后的10—15分鐘,鐵水將如何凝固。
    總 結
           過程控制系統的選擇取決于產品和鑄造工藝。當鑄造蠕鐵發動機機蓋和機缸一類的復雜產品時,系統必須同時控制鎂和孕育劑含量,使其從澆注開始到結束都在一個很窄的窗口內。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。
          任何過程控制系統的起始點是準確有效地測量鐵水狀態?煽康拇笠幠H滂F生產必須要有可行的控制手段來消除工藝變化和人為操作錯誤。最有效的消除工藝變化的方法是在球化、孕育處理后對鐵水進行熱分析。根據熱分析結果,在澆注前進一步加入準確數量的鎂和孕育劑。這種在線測量及調整的手段保證了鑄造生產線的穩定性,消除了在大規模蠕鐵生產中所帶來的各種風險。

     


    【上一個】 虛擬現實技術在制造領域中的應用 【下一個】 鎂合金壓鑄技術在汽車工業和電子信息產業中獲得大量應用

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