沈保羅，李 莉，岳昌林

（成都金頂凸輪軸鑄造有限公司，四川郫縣 611732）

采用熱分析儀與直讀光譜儀分析四種合金灰鑄鐵中碳和硅的含量

沈保羅，李 莉，岳昌林

（成都金頂凸輪軸鑄造有限公司，四川郫縣 611732）

本文用熱分析儀和直讀光譜儀對(duì)比分析了Cu-Sn系、Cr-Ni-C系、Cr系以及Cr-Ni-Mo系四種合金灰鑄鐵的碳和硅的含量。結(jié)果表明，用熱分析儀和直讀光譜儀分析這四種合金灰鑄鐵的碳含量偏差率最大5%；Cu-Sn系合金灰鑄鐵的硅含量偏差率在9.9%～16.8%之間，而后三種合金灰鑄鐵的硅含量偏差率小于4%。作者對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了初步分析。

合金灰鑄鐵；碳含量；硅含量

1 前言

根據(jù)可查到的資料記載，從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)鑄造行業(yè)開(kāi)始在爐前使用熱分析儀分析鑄鐵的碳含量和硅含量[1]。用熱分析儀，可以在不到2min的時(shí)間里迅速分析出鑄鐵的碳和硅含量，大大提高了工作效率從而也為鑄鐵件質(zhì)量的提高打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。熱分析儀的工作原理是建立在Fe-C二元亞共晶合金的碳含量與硅含量與鑄鐵的初晶溫度（TL）和共晶溫度（TE）存在下述關(guān)系的基礎(chǔ)之上的：

其中：a1，b1；a2，b2，c2；a3，b3，c3為試驗(yàn)常數(shù)。

和傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法相比，熱分析儀具有快速簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，因而全國(guó)許多鑄造工廠都先后采用熱分析儀來(lái)迅速檢測(cè)鑄鐵中碳和硅的含量，一些大專院校也紛紛研制新型具有更多功能的熱分析儀并對(duì)影響普通熱分析儀分析結(jié)果的因素進(jìn)行了不少研究，從而解決了一些熱分析中出現(xiàn)的異常問(wèn)題[2-38]。研究表明，鑄鐵中的合金元素以及微量元素、爐料組成、鐵液澆注量、鐵液澆注溫度以及量杯的尺寸和結(jié)構(gòu)等因素都會(huì)影響熱分析的結(jié)果。但是，還未見(jiàn)到系統(tǒng)研究不同體系合金灰鑄鐵熱分析結(jié)果準(zhǔn)確性的報(bào)道。

根據(jù)可查到的資料記載，我國(guó)從上世紀(jì)80年代末或90年代初開(kāi)始采用直讀光譜儀分析各種金屬材料的化學(xué)成分[39]。我公司在本世紀(jì)初先后引進(jìn)國(guó)產(chǎn)直讀光譜儀和德國(guó)OBLF直讀光譜儀爐前分析鐵液的化學(xué)成分，由于OBLF直讀光譜儀有20余個(gè)通道，不但可以分析合金鑄鐵中合金元素的含量還可以分析許多微量元素的含量，這給我們的產(chǎn)品質(zhì)量控制帶來(lái)了極大的便利。

現(xiàn)在，我們雖然一直采用上述兩種儀器同時(shí)測(cè)定原鐵液中的碳含量和硅含量，但是在生產(chǎn)中時(shí)常發(fā)生二者分析結(jié)果不一致的現(xiàn)象，這給我們的質(zhì)量控制帶來(lái)了一定的風(fēng)險(xiǎn)。下面就從我們的生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，分析兩種儀器分析結(jié)果出現(xiàn)差異的原因，以便其它企業(yè)借鑒。

2 試驗(yàn)方法

鐵液在GW型500kg無(wú)芯中頻感應(yīng)電爐中熔煉，爐襯材料為硅砂;用山西球鐵生鐵、廢鋼，75SiFe、電解銅、電解鎳、鉻鐵、鉬鐵、錳鐵、回爐料、增硫劑和石墨增碳劑等原料調(diào)整鐵液的化學(xué)成分，用天津撒布浪斯NSP-2551熱分析儀和德國(guó)OBLF光譜分析化學(xué)成分。各種凸輪軸的化學(xué)成分為見(jiàn)表1。熔煉溫度為1560～1580℃，鐵液從感應(yīng)爐中取出后，待鐵液剛結(jié)膜時(shí)就澆注在熱分析樣杯中，然后再澆注激冷（激冷面獲得白口）光譜樣。

表1 各種合金灰鑄鐵的化學(xué)成分（光譜分析結(jié)果）/%

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表2所示為熱分析儀與光譜儀分析的C和Si含量比較。由表2可見(jiàn)：四種合金鑄鐵熱分析的碳含量普遍高于光譜儀分析的碳含量，偏差率最高達(dá)4.7%；對(duì)于Cu+Sn系合金鑄鐵，熱分析的硅含量普遍高于光譜儀分析的硅含量，偏差率在9.9%～16.8%之間；對(duì)于其它三種合金鑄鐵，熱分析的硅含量普遍低于光譜儀分析的硅含量，偏差率最高達(dá)4%。

為了證實(shí)是否是Cu+Sn合金鑄鐵中含有0.07%Sn導(dǎo)致該鑄鐵熱分析時(shí)硅含量異常偏高，我們?cè)贑r-Ni-Cu合金鑄鐵中有意加入0.012%的錫（表3），檢測(cè)結(jié)果表明，并沒(méi)有出現(xiàn)兩種分析儀分析的硅含量有異常的現(xiàn)象。這說(shuō)明，錫并不是導(dǎo)致兩種分析儀器分析Cu+Sn合金鑄鐵硅含量異常的原因。

表4 加錫與不加錫的Cr-Ni-Cu鑄鐵的C和Si含量對(duì)比(%)

根據(jù)熱分析法的基本原理，二元Fe-C合金鐵液冷卻到凝固時(shí)會(huì)發(fā)生相變，并放出結(jié)晶潛熱并在短時(shí)期內(nèi)保持溫度不變，這時(shí)熱分析儀上記錄的溫度—時(shí)間冷卻曲線斜率發(fā)生變化，出現(xiàn)拐點(diǎn)或平臺(tái)（即液相駐點(diǎn)TL，共晶平臺(tái)TE）。鐵液的成分不同，相變的溫度也不同；如果知道相變溫度TL和TE，就能推算出該鐵液的CE、C、Si含量。但是，生產(chǎn)中應(yīng)用的鑄鐵，不是單純的Fe-C二元合金，還含有Si、Mn、S、P等多種元素。S和Mn對(duì)狀態(tài)圖的影響較小，Si和P的影響較大，能使共晶點(diǎn)向左移，使液相溫度TL降低。因此，F(xiàn)e-C-Si三元相圖不能直接用于鑄鐵熱分析法，而實(shí)際中Fe-CSi-P四元狀態(tài)圖又不存在，這就給熱分析法在鑄鐵生產(chǎn)中應(yīng)用帶來(lái)困難[2]。

我公司根據(jù)顧客的需求一直生產(chǎn)含有各種合金元素（Cr，Ni，Cu，Mo，Sn）的合金灰鑄鐵凸輪軸。可以認(rèn)為，這些合金元素及其不同組合或多或少會(huì)對(duì)Fe-CSi-P四元狀態(tài)圖產(chǎn)生一些影響，從而影響凝固冷卻曲線上的拐點(diǎn)（TL和TE）。這樣，也就不難理解為什么不同合金體系的灰鑄鐵用同一臺(tái)熱分析儀（計(jì)算CE、C、Si含量公式中的參數(shù)已經(jīng)固定，難以在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)調(diào)整）其C和Si的含量與直讀光譜儀會(huì)有一定的差距。

生產(chǎn)中我們還發(fā)現(xiàn)，如果使用四川釩鈦生鐵，鈦含量偏高時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)熱分析儀只給出CE值而無(wú)法給出C和Si含量的現(xiàn)象，這時(shí)我們可以發(fā)現(xiàn)，共晶水平線會(huì)出現(xiàn)凹谷。因?yàn)槲C(jī)無(wú)法識(shí)別該情況下的共晶溫度，因而無(wú)法算出碳和硅含量。這種現(xiàn)象可以用鈦增大鐵液的過(guò)冷度的原因來(lái)解釋[40]。我們有時(shí)甚至還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合金鑄鐵的碳當(dāng)量高于4.3%時(shí)，熱分析儀上竟連CE值也無(wú)法顯示的現(xiàn)象。這時(shí)，我們只要在爐內(nèi)添加適量廢鋼，使碳當(dāng)量低于4.3%，再取樣時(shí)，正常的熱分析結(jié)果又可以得到。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明，熱分析儀分析過(guò)共晶鑄鐵的碳和硅含量可能不適用。

4 結(jié)論

（1）用熱分析儀和直讀光譜儀分析Cu-Sn系、Cr-Ni-C系、Cr系以及Cr-Ni-Mo四種合金灰鑄鐵的碳含量偏差率小于5%；Cu-Sn系合金灰鑄鐵的硅含量偏差率在9.9%～16.8%之間，而后三種合金灰鑄鐵的硅含量偏差率小于4%。

（2）合金元素和微量元素會(huì)影響灰鑄鐵的凝固冷卻曲線，從而影響碳和硅分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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A Comparison Study on Carbon and Silicon Contents in Four Alloy Grey Cast Irons Using a Thermal Analyzer and a Direct-Reading Spectrometer

SHEN BaoLuo，LI Li，YUE ChangLin
（Chengdu Jinding Camshaft Foundry Co.Ltd.,Pixian County 611732，Sichuan China）

A comparison study on carbon and silicon contents in Cu-Sn,Cr-Ni-C,Cr and Cr-Ni-Mo four alloy cast iron has been carried by using a thermal analyzer and a direct-reading spectrometer,resulting in that the maximum deviation rate of carbon content was 5%in four alloy cast iron;the deviation rate of the silicon content in the Cu-Sn alloy cast iron was 9.9-16.8%,the maximum deviation rate of the silicon content in other three alloy cast iron was less than 4%on which preliminary analysis has been done.

Alloy grey cast iron；Carbon content；Silicon content

TG143.7;

A；

1006－9658（2011）06－3

2011－05－25

2011－073

沈保羅（1945-），男，教授，博士生導(dǎo)師，從事鑄造凸輪軸生產(chǎn)與新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)