铸铁件碳含量测定研究

2021-01-19

铸造设备与工艺 2020年5期

（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261001）

铸铁是一种在结晶过程中具有共晶转变的多元铁基合金，主要成分有Fe、C、Si 等元素，其中，碳作为铸铁的主要成分之一，对铸铁的组织和性能具有重要的作用。碳在铸铁中主要是以石墨的形式存在，碳含量的高低直接决定着铸铁中石墨的含量，从而影响铸铁的石墨化膨胀体积。当碳含量较高时，析出的片状石墨较多，导致铸件脆性增大，屈服强度降低，严重损坏了铸件的性能。当碳含量较低时，析出的石墨较少，使得膨胀化体积减小，铸件易出现缩松和缩孔，影响铸件的质量。因此在铸件生产过程中，碳含量的精准控制变得尤为重要。

1 背景

本公司长期以来采用钻床钻取的方法进行取样，但采用该方法测得的碳质量分数的偏差较大，最大可达0.1%，由于碳量变化大，导致铸件机械性能一致性较差，抗拉强度高低差两个牌号。近年来采用泼片法检测铁水碳含量，使得碳含量准确性得到很大提升。但当铸件发生质量问题时如何准确的检测铸件的碳含量成为目前亟待解决的问题，因此急需探究出一种快速精确铸件碳含量的取样方法。

2 铸件碳含量的测定

2.1 取样位置

为了保证试验的准确性，在同一机体的瓦口处截取三块试样，并测得采用不同的取样方式得到的试样的碳含量。试样形貌如图1 所示。

图1 测试样品图

2.2 不同取样方式

将三块试样分别采用钻取、铣取、车取三种取样方式制得测试样，其中三种取样机床参数都为低速固定的。

2.2.1 钻床取样碳含量测定

采用钻床对测试样进行加工，得到钻取碳含量检测样，如图2 所示。钻取得到的检测样大部分呈片状，中间夹杂少量颗粒状样品。加工过程中，接触面积大，局部温度较高，易造成碳的烧损。

图2 钻床取样

对三块试样分别钻取两次得到六个检测样进行了碳含量分析，得到的结果如表1 所示。

表1 钻取测得样品的碳含量（质量分数，%）

2.2.2 铣床取样碳含量测定

采用铣床对测试样进行加工，得到铣取碳含量检测样，如图3 所示。铣取检测样大部分呈针片状，夹杂大量颗粒状样。如钻取相似，铣取过程中反应较为激烈，局部温度高，易造成碳的烧损。

图3 铣床取样

我们对铣取检测样做了碳含量分析，得到的结果如表2 所示。

采用车床对测试样进行加工，得到车取碳含量检测样，如图4 所示。车取检测样呈规则的颗粒状，体积较大，加工过程中与机床的接触面积较小，不易产生碳的烧损，利于保持碳含量的稳定。

表2 铣取测得样品的碳含量（质量分数，%）

图4 车床取样

经过对车床加工得到的检测样做了碳含量分析，得到的结果如表3 所示。

表3 车取测得样品的碳含量（质量分数，%）

3 碳含量稳定性研究

3.1 取样方式对碳含量稳定性影响

为了研究取样方式对碳含量稳定性的影响，对不同取样方式测得的碳含量进行分析处理，结果如图5 所示。

图5 不同取样方式的碳含量

图5 表明，在低速状态下，车取样每一频次的碳含量均高于钻取和铣取的方式，在多数情况下，钻取的碳含量又高于铣取。通过碳含量曲线，可以得出钻取和铣取两种方式的碳含量波动较大，而车取碳含量波动较小，这表明采用车取方式得到的检测样碳含量稳定性好，在取样过程中碳损失较为恒定，受其它因素的干扰较小。

3.2 取样速度对碳含量稳定性影响

为了研究取样过程中转速对碳含量的影响，分别对三种不同取样方式的转速进行探究。采用不同转速制取的检测样有明显的差别，如不同转速车取得到的检测样，图6 所示。我们分别采用低速、中速、高速、最高速四种速度取样，测定其碳含量变化，得到结果如图7 所示。

图6 不同转速制取的铁屑

图7 转速对碳含量影响

从图7 中可以看出，针对不同的取样方式，都存在着碳含量随转速的增大而减少的现象，这是因为转速升高，机床与铸件的切割时碰撞强烈，使局部温度升高较大，造成碳的烧损增大。因此，速度越大，碳含量越低，磨损越大，越不准确。另外，从图中我们还可以看出车取相对于其它两种方式稳定性更强，车取碳含量随着速度的改变，其碳含量变化最小，受速度的影响最小，稳定性最好。

4 碳含量准确性研究

由于对铸件取样时，会产生碳的烧损，通过对原铁水的碳含量进行测量，从而得出铸件的碳含量。测铁水的碳含量时，采用泼片法，即将冷却后的片状石墨敲碎后进行测试，该过程中没有产生碳的烧损。为了保证试验的准确性，防止铸件长时间的冷却造成碳的衰退，因此将铁水浇成小块试样（体积小，冷却块，不产生碳的衰退），通过不同取样方式得到检测样后测量其碳含量，测得的结果如表4所示。