采用热分析仪与直读光谱仪分析四种合金灰铸铁中碳和硅的含量

沈保罗，李 莉，岳昌林

（成都金顶凸轮轴铸造有限公司，四川郫县 611732）

采用热分析仪与直读光谱仪分析四种合金灰铸铁中碳和硅的含量

沈保罗，李 莉，岳昌林

（成都金顶凸轮轴铸造有限公司，四川郫县 611732）

本文用热分析仪和直读光谱仪对比分析了Cu-Sn系、Cr-Ni-C系、Cr系以及Cr-Ni-Mo系四种合金灰铸铁的碳和硅的含量。结果表明，用热分析仪和直读光谱仪分析这四种合金灰铸铁的碳含量偏差率最大5%；Cu-Sn系合金灰铸铁的硅含量偏差率在9.9%～16.8%之间，而后三种合金灰铸铁的硅含量偏差率小于4%。作者对该现象进行了初步分析。

合金灰铸铁；碳含量；硅含量

1 前言

根据可查到的资料记载，从上世纪80年代开始，我国铸造行业开始在炉前使用热分析仪分析铸铁的碳含量和硅含量[1]。用热分析仪，可以在不到2min的时间里迅速分析出铸铁的碳和硅含量，大大提高了工作效率从而也为铸铁件质量的提高打下了坚实的基础。热分析仪的工作原理是建立在Fe-C二元亚共晶合金的碳含量与硅含量与铸铁的初晶温度（TL）和共晶温度（TE）存在下述关系的基础之上的：

其中：a1，b1；a2，b2，c2；a3，b3，c3为试验常数。

和传统的化学分析方法相比，热分析仪具有快速简便的优点，因而全国许多铸造工厂都先后采用热分析仪来迅速检测铸铁中碳和硅的含量，一些大专院校也纷纷研制新型具有更多功能的热分析仪并对影响普通热分析仪分析结果的因素进行了不少研究，从而解决了一些热分析中出现的异常问题[2-38]。研究表明，铸铁中的合金元素以及微量元素、炉料组成、铁液浇注量、铁液浇注温度以及量杯的尺寸和结构等因素都会影响热分析的结果。但是，还未见到系统研究不同体系合金灰铸铁热分析结果准确性的报道。

根据可查到的资料记载，我国从上世纪80年代末或90年代初开始采用直读光谱仪分析各种金属材料的化学成分[39]。我公司在本世纪初先后引进国产直读光谱仪和德国OBLF直读光谱仪炉前分析铁液的化学成分，由于OBLF直读光谱仪有20余个通道，不但可以分析合金铸铁中合金元素的含量还可以分析许多微量元素的含量，这给我们的产品质量控制带来了极大的便利。

现在，我们虽然一直采用上述两种仪器同时测定原铁液中的碳含量和硅含量，但是在生产中时常发生二者分析结果不一致的现象，这给我们的质量控制带来了一定的风险。下面就从我们的生产实际出发，分析两种仪器分析结果出现差异的原因，以便其它企业借鉴。

2 试验方法

铁液在GW型500kg无芯中频感应电炉中熔炼，炉衬材料为硅砂;用山西球铁生铁、废钢，75SiFe、电解铜、电解镍、铬铁、钼铁、锰铁、回炉料、增硫剂和石墨增碳剂等原料调整铁液的化学成分，用天津撒布浪斯NSP-2551热分析仪和德国OBLF光谱分析化学成分。各种凸轮轴的化学成分为见表1。熔炼温度为1560～1580℃，铁液从感应炉中取出后，待铁液刚结膜时就浇注在热分析样杯中，然后再浇注激冷（激冷面获得白口）光谱样。

表1 各种合金灰铸铁的化学成分（光谱分析结果）/%

3 试验结果及分析

表2所示为热分析仪与光谱仪分析的C和Si含量比较。由表2可见：四种合金铸铁热分析的碳含量普遍高于光谱仪分析的碳含量，偏差率最高达4.7%；对于Cu+Sn系合金铸铁，热分析的硅含量普遍高于光谱仪分析的硅含量，偏差率在9.9%～16.8%之间；对于其它三种合金铸铁，热分析的硅含量普遍低于光谱仪分析的硅含量，偏差率最高达4%。

为了证实是否是Cu+Sn合金铸铁中含有0.07%Sn导致该铸铁热分析时硅含量异常偏高，我们在Cr-Ni-Cu合金铸铁中有意加入0.012%的锡（表3），检测结果表明，并没有出现两种分析仪分析的硅含量有异常的现象。这说明，锡并不是导致两种分析仪器分析Cu+Sn合金铸铁硅含量异常的原因。

表4 加锡与不加锡的Cr-Ni-Cu铸铁的C和Si含量对比(%)

根据热分析法的基本原理，二元Fe-C合金铁液冷却到凝固时会发生相变，并放出结晶潜热并在短时期内保持温度不变，这时热分析仪上记录的温度—时间冷却曲线斜率发生变化，出现拐点或平台（即液相驻点TL，共晶平台TE）。铁液的成分不同，相变的温度也不同；如果知道相变温度TL和TE，就能推算出该铁液的CE、C、Si含量。但是，生产中应用的铸铁，不是单纯的Fe-C二元合金，还含有Si、Mn、S、P等多种元素。S和Mn对状态图的影响较小，Si和P的影响较大，能使共晶点向左移，使液相温度TL降低。因此，Fe-C-Si三元相图不能直接用于铸铁热分析法，而实际中Fe-CSi-P四元状态图又不存在，这就给热分析法在铸铁生产中应用带来困难[2]。

我公司根据顾客的需求一直生产含有各种合金元素（Cr，Ni，Cu，Mo，Sn）的合金灰铸铁凸轮轴。可以认为，这些合金元素及其不同组合或多或少会对Fe-CSi-P四元状态图产生一些影响，从而影响凝固冷却曲线上的拐点（TL和TE）。这样，也就不难理解为什么不同合金体系的灰铸铁用同一台热分析仪（计算CE、C、Si含量公式中的参数已经固定，难以在生产现场随时调整）其C和Si的含量与直读光谱仪会有一定的差距。

生产中我们还发现，如果使用四川钒钛生铁，钛含量偏高时，还会出现热分析仪只给出CE值而无法给出C和Si含量的现象，这时我们可以发现，共晶水平线会出现凹谷。因为微机无法识别该情况下的共晶温度，因而无法算出碳和硅含量。这种现象可以用钛增大铁液的过冷度的原因来解释[40]。我们有时甚至还发现，当合金铸铁的碳当量高于4.3%时，热分析仪上竟连CE值也无法显示的现象。这时，我们只要在炉内添加适量废钢，使碳当量低于4.3%，再取样时，正常的热分析结果又可以得到。这个现象说明，热分析仪分析过共晶铸铁的碳和硅含量可能不适用。

4 结论

（1）用热分析仪和直读光谱仪分析Cu-Sn系、Cr-Ni-C系、Cr系以及Cr-Ni-Mo四种合金灰铸铁的碳含量偏差率小于5%；Cu-Sn系合金灰铸铁的硅含量偏差率在9.9%～16.8%之间，而后三种合金灰铸铁的硅含量偏差率小于4%。

（2）合金元素和微量元素会影响灰铸铁的凝固冷却曲线，从而影响碳和硅分析结果的准确性。

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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

沈保罗（1945-），男，教授，博士生导师，从事铸造凸轮轴生产与新产品开发