铸铁缩孔、缩松的热分析测量与预防

铁水质量的热分析方法源于金属学中的相图理论，在发达国家早已广泛用于铁水的在线检测和控制，是高质量铸铁生产中依赖的检测手段，在提高资源利用率、节能减排中发挥着重要的作用。

随着我们对热分析技术的了解，能够改变我们以往仅从成分角度来进行材质控制的初级状态。可以使我们对活性成分的概念、型核物质的作用、消除缺陷的机理从理念上发生质的飞跃。

为了使大家能够掌握热分析技术的优势，正确使用热分析解决生产中具体的质量问题，普遍提高我国的铸件材质水平和参与国际市场竞争的能力。在此依个人之浅见就热分析测量和预防缩孔、缩松方面的作用，向大家做一个介绍。

一、热分析测量缩孔、缩松的方法

取铁水浇入H-3QG样杯，用HF-08H型炉后铁水质量管理仪对孕育或球化后的铁水进行热分析。热分析仪首先记录下样杯内铁水的凝固温度曲线：

炉后铁水质量管理仪通过对凝固温度曲线的解析，找出铁水凝固过程的各种相变特征参数。将相变特征参数值带入数学模型，即可计算出铁水凝固组织中的：初生奥氏体生成量、过冷段石墨生成量、再辉后石墨生成量，进而可以计算出凝固组织的缩孔概率和缩松概率。

二、热分析测量缩孔概率的机理：

铁水降温到初晶温度点（TL），在铸型的激冷作用下首先凝固出一个封闭的激冷壳。从初晶温度点（TL）到共晶过冷点（TEL）的凝固过程，是初生奥氏体晶芽生长成树枝状奥氏体枝晶的过程。由于液态的铁水可以在树枝状枝晶间流动，降温、凝固收缩产生的体积空位，可由上部的液态铁水绕过树枝状枝晶进行填补。因此在封闭的激冷壳内，凝固产生的体积收缩经流动铁水的补充后，在中心的上部合并成一个集中的体积空位，这就是缩孔的形成过程。

热分析能够测量出凝固铁水的初晶温度点（TL）和共晶过冷点（TEL），可以通过测量凝固铁水在这个区间释放的热量，计算出初生奥氏体生成量和体积收缩率。因此可以在浇注前预测铁水的缩孔率。

简而言之：从初晶点（TL）到共晶过冷点（TEL）的凝固过程，放热量越大被测铁水的缩孔率越大。

需要说明的是：热分析测量的缩孔概率，不包含液态降温（浇注温度到初晶温度）产生的体积收缩。

当浇注温度过高，封闭在激冷壳内的高温铁水降温也会产生缩孔。这个问题应该从调整浇注温度入手解决，不在铁水的固态收缩讨论范围。适当的浇注温度应该以初晶温度为基础，适当增加转运铁水需要的过热度来确定。

三、热分析测量缩孔概率的应用：

从上述机理可知：共晶铁水（初晶点（TL）到共晶过冷点（TEL）没有温度差）热分析测量的缩孔概率为零，浇注的铸件中不会有固态收缩产生的缩孔。

人们通常在共晶点附近生产球铁。因此应用热分析检测手段，将球化后的铁水控制在共晶状态，在接近初晶温度的条件下进行浇注。就可以减小冒口的比例，提高工艺出品率，有些球铁件还可能实现无冒口铸造。

下面是热分析测量结果与缩孔的对应关系：

以上图示说明：通过热分析测量球化铁水的初晶奥氏体生成量可预测和防止缩孔缺陷的发生。

在灰铁生产中人们通常将铁水控制在亚共晶状态，在铸造工艺的浇冒口系统固定以后，只有热分析测量的缩孔概率超过一定的界限值后，缩孔才会超出冒口的范围，形成灰铁件的缩孔缺陷。

预防缩孔缺陷的可操作性在于：使用热分析在线检测手段，测量原铁水的缩孔概率。通过提高碳当量降低初晶温度等措施，将原铁水的缩孔概率控制在一定的界限值内。通过强化孕育提高共晶开始温度等措施，将孕育后铁水的缩孔概率控制在一定的界限值内。即可将缩孔控制在冒口之内，消除灰铁件的缩孔缺陷。

四、热分析测量缩松概率的机理：

从共晶过冷点（TEL）开始，凝固进入次生奥氏体（共晶奥氏体）和石墨共生的阶段。当次生奥氏体的凝固形成连续的固体以后，将未凝固的铁水封闭在各个孤立的小熔池内。小熔池内铁水的凝固收缩，同样会产生体积空位。在得不到流动铁水的补充时，若得不到析出石墨的补充，这些分散的体积空位就形成了缩松。

铁水中的碳在形成石墨前，是间隙在铁原子列阵的狭缝里，不占据体积空间。在共晶凝固过程中析出的石墨，一定要占具独立的体积空间。因此石墨的析出一定伴随着石墨化膨胀。

在共晶过冷点（TEL）到共晶再辉点（TEH）产生的石墨化膨胀，可以将高刚度铸型内的铁水从浇口或冒口中挤出来，在浇冒口的补缩通道凝固以后或铸型刚度低时会造成型壁移动，使凝固的铸铁件失去尺寸精度。

在次生奥氏体形成连续的固体以后（共晶再辉点（TEH）以后），由析出的石墨填充封闭在小熔池内的凝固收缩，即可消除铸铁的缩松缺陷。

在铁水碳当量一定的前提下，球铁或灰铁生成的石墨量也是一定的。共晶再辉点之前析出的石墨越多，共晶再辉点之后析出的石墨就越少。因此控制共晶再辉点之前析出的石墨量，才能够为填充缩松预留足够的石墨量。

凝固铁水中的碳，析出成为石墨的过程是个放热过程。热分析就是通过测量析出石墨的放热量，来测量共晶凝固不同时段的石墨生成量，计算出被测铁水的缩松率。

简而言之：球化后或孕育后的铁水，从共晶过冷点（TEL）到共晶再辉点（TEH）的凝固过程，过冷度越大被测铁水的缩松率越大。
五、热分析测量缩松概率的应用：

我们通过一个孕育衰退实验，来说明铁水中的核心量对凝固温度曲线的影响。实验的条件是：在感应炉内对完成熔解的铁水进行强化孕育，对孕育后的铁水进行覆盖保温，以保持成分和温度不变。以间隔5分钟的频率连续进行取样热分析。获得的凝固温度曲线是：由石墨化共晶温度曲线向白口化共晶温度曲线逐步过渡。获得的三角试片是白口宽度逐渐增加。当铁水中的型核物质完全熔解后，凝固温度曲线呈白口化共晶温度曲线。三角试片呈全白口状态：

上述实验说明了铁水中的核心量对凝固组织和凝固温度曲线的影响。

核心量较少的铁水，共晶过冷点（TEL）的温度较低，初晶点（TL）到共晶过冷点（TEL）的温度差就较大。因此初生奥氏体的生成量较多，缩孔概率较大。

对铁水进行补充孕育，增加铁水中的核心量以后，就可以提高共晶凝固开始的温度（TEL）。将初晶点（TL）到共晶过冷点（TEL）温度差减小，就可以达到：减少初生奥氏体的生成量，减小铁水的缩孔概率的目的。

铁水共晶凝固曲线的过冷度较大时，从共晶过冷点（TEL）到共晶再辉点（TEH）产生的石墨较多。石墨化膨胀造成的型壁移动就严重。

加强铁水的孕育，可以使开始共晶凝固的温度提高，使温度曲线的共晶过冷度减小，共晶再辉点之前析出的石墨量减少，可消除石墨化膨胀造成的型壁移动缺陷。

加强铁水的孕育，还可以使铁水的共晶凝固提前开始。减小温度曲线的共晶过冷度，可以减缓共晶再辉点之前的石墨析出量。为再辉点之后预留足够的石墨量填充缩松，铁水的缩松概率可以减小。

预防缩松缺陷的可操作性在于：使用热分析检测手段，测量球化后或孕育后铁水的缩松概率。通过补充孕育等措施，将凝固温度曲线的共晶过冷度调整近零，被测铁水的缩松概率控制在一定的界限值内。可消除铸铁件的缩松缺陷。

用检查截面布氏硬度均匀性的方法，可以确认消除缩松缺陷的实际效果。

以上是热分析技术在提高铸铁质量、提高资源利用率、节能减排方面的作用。希望通过交流大家对热分析的应用有更多的了解，在统一检测手段的前提下，提高我们参与国际高档铸件市场的竞争能力。