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）

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%。作者對該現象進行了初步分析。

合金灰鑄鐵；碳含量；硅含量

1 前言

根據可查到的資料記載，從上世紀80年代開始，我國鑄造行業開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量的提高打下了堅實的基礎。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）存在下述關系的基礎之上的：

其中：a1，b1；a2，b2，c2；a3，b3，c3為試驗常數。

和傳統的化學分析方法相比，熱分析儀具有快速簡便的優點，因而全國許多鑄造工廠都先后采用熱分析儀來迅速檢測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影響普通熱分析儀分析結果的因素進行了不少研究，從而解決了一些熱分析中出現的異常問題[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構等因素都會影響熱分析的結果。但是，還未見到系統研究不同體系合金灰鑄鐵熱分析結果準確性的報道。

根據可查到的資料記載，我國從上世紀80年代末或90年代初開始采用直讀光譜儀分析各種金屬材料的化學成分[39]。我公司在本世紀初先后引進國產直讀光譜儀和德國OBLF直讀光譜儀爐前分析鐵液的化學成分，由于OBLF直讀光譜儀有20余個通道，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，這給我們的產品質量控制帶來了極大的便利。

現在，我們雖然一直采用上述兩種儀器同時測定原鐵液中的碳含量和硅含量，但是在生產中時常發生二者分析結果不一致的現象，這給我們的質量控制帶來了一定的風險。下面就從我們的生產實際出發，分析兩種儀器分析結果出現差異的原因，以便其它企業借鑒。

2 試驗方法

鐵液在GW型500kg無芯中頻感應電爐中熔煉，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整鐵液的化學成分，用天津撒布浪斯NSP-2551熱分析儀和德國OBLF光譜分析化學成分。各種凸輪軸的化學成分為見表1。熔煉溫度為1560～1580℃，鐵液從感應爐中取出后，待鐵液剛結膜時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成分（光譜分析結果）/%

3 試驗結果及分析

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：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4.7%；對于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4%。

為了證實是否是Cu+Sn合金鑄鐵中含有0.07%Sn導致該鑄鐵熱分析時硅含量異常偏高，我們在Cr-Ni-Cu合金鑄鐵中有意加入0.012%的錫（表3），檢測結果表明，并沒有出現兩種分析儀分析的硅含量有異常的現象。這說明，錫并不是導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含量對比(%)

根據熱分析法的基本原理，二元Fe-C合金鐵液冷卻到凝固時會發生相變，并放出結晶潛熱并在短時期內保持溫度不變，這時熱分析儀上記錄的溫度—時間冷卻曲線斜率發生變化，出現拐點或平臺（即液相駐點TL，共晶平臺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，生產中應用的鑄鐵，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對狀態圖的影響較小，Si和P的影響較大，能使共晶點向左移，使液相溫度TL降低。因此，Fe-C-Si三元相圖不能直接用于鑄鐵熱分析法，而實際中Fe-CSi-P四元狀態圖又不存在，這就給熱分析法在鑄鐵生產中應用帶來困難[2]。

我公司根據顧客的需求一直生產含有各種合金元素（Cr，Ni，Cu，Mo，Sn）的合金灰鑄鐵凸輪軸。可以認為，這些合金元素及其不同組合或多或少會對Fe-CSi-P四元狀態圖產生一些影響，從而影響凝固冷卻曲線上的拐點（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熱分析儀（計算CE、C、Si含量公式中的參數已經固定，難以在生產現場隨時調整）其C和Si的含量與直讀光譜儀會有一定的差距。

生產中我們還發現，如果使用四川釩鈦生鐵，鈦含量偏高時，還會出現熱分析儀只給出CE值而無法給出C和Si含量的現象，這時我們可以發現，共晶水平線會出現凹谷。因為微機無法識別該情況下的共晶溫度，因而無法算出碳和硅含量。這種現象可以用鈦增大鐵液的過冷度的原因來解釋[40]。我們有時甚至還發現，當合金鑄鐵的碳當量高于4.3%時，熱分析儀上竟連CE值也無法顯示的現象。這時，我們只要在爐內添加適量廢鋼，使碳當量低于4.3%，再取樣時，正常的熱分析結果又可以得到。這個現象說明，熱分析儀分析過共晶鑄鐵的碳和硅含量可能不適用。

4 結論

（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影響灰鑄鐵的凝固冷卻曲線，從而影響碳和硅分析結果的準確性。

[1]梁盛文.用熱分析法快速測定鑄鐵的化學成分[J].機械工人：熱加工，1986（8）：9-10.

[2]江夢豹，李樹達.熱分析法快速測定灰鑄鐵成分[J].鑄造技術，1987（3）:30-32.

[3]郭峰，王春祺.用熱分析法測定可鍛鑄鐵鐵水的白口傾向[J].鑄造，1989（2）:10-12，24.

[4]崔東煥.熱分析技術在鑄造材料分析中的應用[J].鑄造，1989（9）:2-4.

[5]翟忠和.用熱分析法測定鑄鐵性能的建模研究[J].哈爾濱科學技術大學學報，1991（2）：59-63.

[6]李冬琪.鑄鐵微分熱分析測試技術的新發展[J].機械工人：熱加工，1993（1）：4-5.

[7]李冬琪，毛衛民，李耳，等.微分熱分析儀同步預報鑄鐵成分和機械性能的研究[J].鑄造技術，1993（4）：42-45.

[8]王萬良，田學雷，魯俐.灰鑄鐵成份熱分析的新方法[J].濟南大學學報：社會科學版，1994（2）：93-97.

[9]孫業瓚，魏寶善，車勝錫，等.鑄鐵樣杯的結構參數對硅含量預測精度的影響[J].鑄造技術，1995（3）：6-8.

[10]孫業瓚，車勝錫，陳洪升，等.鑄鐵樣杯的結構參數對碳當量預測精度的影響[J].中國鑄造裝備與技術，1995（2）:48-50.

[11]孫業瓚，車勝錫，陳洪升，等.對鑄鐵某些熱分析數學模型精度及適用范圍的分析[J].鑄造，1995（5）：21-24.

[12]孫業瓚，安閣英.鐵水的含氧量對冷卻曲線形態的影響[J].鑄造設備研究，1995（3）：11-14.

[13]李冬琪，李耳，馬文華，等.鑄鐵高精度微分熱分析測試技術的研究和應用[J].機械工人：熱加工，1996（7）：8.

[14]黃斌.鑄鐵異常冷卻曲線的識別[J].鑄造，1999（11）：25-28.

[15]黃斌.熱分析儀的合理應用[J].現代鑄鐵，1999（4）:43-46.

[16]蔣書彬，祁柏祥，何迪，等.用熱分析法測定低合金灰鑄鐵的抗拉強度和硬度[J].現代鑄鐵，2000（4）：34-39.

[17]李福山，李永剛.鑄鐵合金熔體成分及性能熱分析系統的研究[J].鄭州工業大學學報，2001，22（2）：30-33.

[18]魏喆良，陳宇，張水珠.熱分析法在鑄造生產中的應用[J].現代鑄鐵，2003（2）：58-61.

[19]周小平.灰鑄鐵成分檢測及性能預測的熱分析方法[J].現代鑄鐵，2003（3）：55-56.

[20]周小平.球墨鑄鐵爐前快速檢測的熱分析方法[J].熱加工工藝,2003（3）:39-40.

[21]周小平，楊賢鏞，房莉.多功能鑄造合金熱分析儀的研制[J].鑄造技術，2003，24（4）307-308.

[22]李平，魏伯康，蔡啟舟，等.熱分析法在冷激灰鑄鐵凸輪軸爐前鐵液控制中的應用[J].熱加工工藝，2004（4）：56-57.

[23]金長久.鐵液質量熱分析儀的功能特點及發展[J].鑄造技術，2004（10）：806-807.

[24]張守魁，連峰，梁延德.鑄鐵成分熱分析[J].中國現代教育裝備，2004（3）：29-31.

[25]黎振華，李言祥，耿慧遠.工藝因素對熱分析碳當量儀測試結果影響的研究[J].鑄造，2004（12）：1043-1046.

[26]王毅，戴挺，張遠明.熱分析法在鑄鐵成分檢測及性能預測中的應用[J].江蘇冶金，2006（4）：4-8.

[27]劉長起，王學華.熱分析儀器使用過程中應注意的問題[J].中國鑄造裝備與技術，2007（1）：15-16.

[28]星山康洋，林尤棟，三宅秀和.增碳鑄鐵熔液的特性與凝固行為[J].鑄造技術，2007（7）：895-898.

[29]呂建南，征燈科，華勤.灰鑄鐵熱分析數學模型及選用范圍的研究[J].上海金屬，2008（3）：35-38.

[30]馬建華.熱分析技術對提高鑄鐵質量的作用（下）[J].金屬加工：熱加工，2008（23）：69-71.

[31]佟媛媛，呂建南，唐生平，等.灰鑄鐵熱分析特征值多元線性回歸及數學模型優化[J].鑄造技術，2009（5）：614-617.

[32]王鳳娟.灰鑄鐵熱分析數學模型的研究[J].鑄造技術，2009（8）：986-988.

[33]王利華，石德全，李大勇.熱分析技術在鑄造生產質量檢測上的應用（一）[J].熱加工工藝，2009（21）：72-76.

[34]王利華，石德全，李大勇.熱分析技術在鑄造生產質量檢測上的應用（二）[J].熱加工工藝，2009（23）：99-101.

[35]初福民，祖昕暉.稀土合金變質對高碳當量灰鑄鐵結晶過程及工藝性能的影響[J].鑄造技術，2010，31（8）:1057-1061.

[36]李明，李娜，房奪，等.鐵液熱分析技術在高性能灰鑄鐵開發中的應用[J].現代鑄鐵，2010（5）：84-87.

[37]董云菊，黎振華，蔣業華，等.球墨鑄鐵熱分析技術的應用與發展[J].鑄造，2011（3）：255-258，264.

[38]湯虎，陳萌，吳安，等.W（Si）、W（C）量及冷卻速度對鑄態球鐵組織的影響[J].現代鑄鐵，2011（1）:52-55.

[39]董淑琴.合金鑄鐵元素直讀光譜分析[J].機車車輛工藝，1992（1）:26-29.

[40]沈保羅，李莉，岳昌林，等.高強度D型石墨鑄鐵的研究進展[J].現代鑄鐵，2006（6）：49-55.

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，博士生導師，從事鑄造凸輪軸生產與新產品開發