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锌合金压铸件目前广泛应用于各种装饰方面，如家具配件、建筑装饰、浴室配件、灯饰零件、玩具、领带夹、皮带扣、各种金属饰扣等，因而对铸件表面质量要求高，并要求有良好的表面处理性能。而锌合金压铸件最常见的缺陷是表面起泡。

缺陷表征：压铸件表面有突起小泡、压铸出来就发现、抛光或加工后显露出来、喷油或电镀后出现。

产生原因：

1．孔洞引起：主要是气孔和收缩机制，气孔往往是圆形，而收缩多数是不规则形。


（1）气孔产生原因：

a 金属液在充型、凝固过程中，由于气体侵入，导致铸件表面或内部产生孔洞。
b 涂料挥发出来的气体侵入。
c 合金液含气量过高，凝固时析出。

当型腔中的气体、涂料挥发出的气体、合金凝固析出的气体，在模具排气不良时，最终留在铸件中形成的气孔。

（2）缩孔产生原因：

a 金属液凝固过程中，由于体积缩小或最后凝固部位得不到金属液补缩，而产生缩孔。
b 厚薄不均的铸件或铸件局部过热，造成某一部位凝固慢，体积收缩时表面形成凹位。

由于气孔和缩孔的存在，使压铸件在进行表面处理时，孔洞可能会进入水，当喷漆和电镀后进行烘烤时，孔洞内气体受热膨胀；或孔洞内水会变蒸气，体积膨胀，因而导致铸件表面起泡。

2．晶间腐蚀引起：

锌合金成分中有害杂质：铅、镉、锡会聚集在晶粒交界处导致晶间腐蚀，金属基体因晶间腐蚀而破碎，而电镀加速了这一祸害，受晶间腐蚀的部位会膨胀而将镀层顶起，造成铸件表面起泡。特别是在潮湿环境下晶间腐蚀会使铸件变形、开裂、甚至破碎。

3．裂纹引起：水纹、冷隔纹、热裂纹。

水纹、冷隔纹：金属液在充型过程中，先进入的金属液接触型壁过早凝固，后进入金属液不能和已凝固金属层熔合为一体，在铸件表面对接处形成叠纹，出现条状缺陷，见图2。水纹一般是在铸件表面浅层；而冷隔纹有可能渗入到铸件内部。

热裂纹：

a 当铸件厚薄不均，凝固过程产生应力；
b 过早顶出，金属强度不够；
c 顶出时受力不均
d 过高的模温使晶粒粗大；
e 有害杂质存在。

以上因素都有可能产生裂纹。

当压铸件存在水纹、冷隔纹、热裂纹，电镀时溶液会渗入到裂纹中，在烘烤时转化为蒸气，气压顶起电镀层形成起泡。

解决缺陷方案：

控 制气孔产生，关键是减少混入铸件内的气体量，理想的金属流应不断加速地由喷嘴经过分流锥和浇道进入型腔，形成一条顺滑及方向一致的金属流，采用锥形流道设 计，即浇流应不断加速地由喷嘴向内浇口逐渐减少，可达到这个目的。在充填系统中，混入的气体是由于湍流与金属液相混合而形成气孔，从金属液由浇铸系统进入 型腔的模拟压铸过程的研究中，明显看出浇道中尖锐的转变位和递增的浇道截面积，都会使金属液流出现湍流而卷气，平稳的金属液才有利于气体从浇道和型腔进入 溢流槽和排气槽，排出模外。

对于缩孔：要使压铸凝固过程中各个部位尽量同时均匀散热，同时凝固。可通过合理的水口设计，内浇口厚度及位置，模具设计，模温控制及冷却，来避免缩孔产生。
对于晶间腐蚀现象：主要是控制合金原料中有害杂质含量，特别是铅<0.003％。注意废料带来的杂质元素。
对于水纹、冷隔纹，可提高模具温度，加大内浇口速度，或在冷隔区加大溢流槽，来减少冷隔纹的出现。
对于热裂纹：压铸件厚薄不要急剧变化以减少应力产生；相关的压铸工艺参数作调整；降低模温。
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【經濟日報／記者陳信榮、郭維邦、林茂仁、宋健生】 2007.04.06 03:36 am

鋼鐵價格上揚，汽車零件製造業者積極因應，以加強內控、增加共用零件等，設法降低成本。 記者陳信榮／攝影 不銹鋼價格再漲下去，就要跳樓啦！」關中公司總經理林身仁，發出許多台灣中小製造業者的心聲；一位精密機械加工業董事長自爆，自己的血壓幾乎跟著國際鋼鐵期貨行情一路飆高，「都快爆血管啦！」 中華汽車 號召協力廠 改善製程節省成本 國際鋼價飆漲，帶動包括鎳、銅等非鐵金屬行情跟著飛升，上游的鋼廠、不銹鋼業者，可以每季、甚至每月轉嫁，調漲產品價格；但下游廠商卻遭遇客戶反對的阻力，讓這一波接著一波的鋼鐵原料上漲，搞得血壓直線上升。 台北國際工具機展剛結束，不少機械業者在會場才高興接到訂單，結果馬上碰到鋼鐵原料行情創新高，新接訂單無法立即反映成本上漲，心情如洗三溫暖。 工具機業者說，為了業績，現階段只能忍痛接單，但也不敢保證半年後不會漲價。面對上游鑄件廠放話漲價的壓力，已有工具機業者被迫轉向大陸採購，確保獲利。 不過，儘管鋼價大漲，還是有許多傳統製造業者從容應對，從中找出生存、獲利之道。 「每輛汽車超過四成的零件與鋼鐵有關，鋼價大漲、甚至供應短缺，對汽車製造業當然會有衝擊」，某汽車業者初估，近三年來鋼價上漲，汽車製造成本因此增加超過一成。 但國內新車銷售市場，卻陷入20年來最低迷的窘境，讓國內汽車製造廠只能把苦往肚子吞，得自行吸收成本。 汽車廠除透過同業聯合採購鋼材外，最常使用的手段，就是要求零件協力廠家配合降價。但經過多年的降低成本，零件供應價格幾乎見底，加上國內新車銷售市場萎縮，車廠自知無法強勢要求協力廠降價，必須另謀他策。 中華汽車透過號召協力廠加入「VA/VE」運動，成功戰勝高鋼價威脅。 中華車採購主管說，設法在生產過程中，減少加工次數、不良率、材料消耗率，達到節省成本的效果；同時在開發新車時，提升零件與其他車型共用程度，節省成本。 和大工業 材料彈性收費，分攤價格波動風險 汽車變速箱、傳動系統零件製造業者和大工業，則仿效航空業者燃油附加費的策略，推出「材料附加費」的措施，攤提鋼價波動風險，確保公司獲利。 和大總經理陳俊智說，「材料附加費」並非單向的對客戶增加收費，一旦鋼價走跌時，也必須將利潤回饋給客戶。透過這種雙向的收費回饋方式，更容易獲得顧客的支持。 然材料附加費每半年、甚至一年才檢討一次，鋼價調漲卻是愈來愈頻繁，材料附加費也無法100%反映成本上漲。陳俊智建議同業，還是得從生產效率提升、降低浪費等著手，才能將鋼價漲價衝擊減至最低。 國內最大烤肉爐製造商關中，則跳脫降低成本的思維，從改變產品設計，迎戰高鋼價。關中生產的烤肉爐材料中，有高達七成是不銹鋼，一年來不銹鋼板報價調漲將近一倍，讓曾是台灣傳產股王的關中措手不及，去年一度出現虧損。 烤 肉爐市場競爭愈來愈激烈，關中想漲價轉嫁成本根本行不通，於是朝更改烤肉爐的設計著手。關中開始設計使用低階不銹鋼板的烤肉爐產品，降低 材料成本；因不銹鋼板漲價的主因是鎳價大漲，而高階不銹鋼中有八成的原料是鎳，低階不銹鋼使用鎳的比重很低，漲幅相對較小。經此變化，關中樂觀預期，今年 上半年就能重回獲利企業的行列。 衛浴設備業者是這波高鋼價時代的另類受害者，因為鋼價上漲，帶動包括銅在內的非鐵金屬同漲，銅是製造水龍頭等衛浴設備的主要原料，業者苦不堪言。 國內衛浴設備龍頭和成欣業協理顧成棟表示，和成從前年起，著手展開替代材料的開發工作，成功研發出陶瓷水龍頭產品。和成計畫提高陶瓷水龍頭的銷售比重，拋開銅價上漲的沉重壓力。 【2007/04/06 經濟日報】@ http://udn.com/

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模具损坏分析

在压铸生产中，模具损坏最常见的形式是裂纹、开裂。应力是导致模具损坏的主要原因。热、机械、化学、操作冲击都是产生应力之源，包括有机械应力和热应力，应力产生于：

一．在模具加工制造过程中

1、毛坯锻造质量问题
有些模具只生产了几百件就出现裂纹，而且裂纹发展很快。有可能是锻造时只保证了外型尺寸，而钢材
中的树枝状晶体、夹杂碳化物、缩孔、气泡等疏松缺陷沿加工方法被延伸拉长，形成流线，这种流线对以后的最后的淬火变形、开裂、使用过程中的脆裂、失效倾向影响极大。
2、在车、铣、刨等终加工时产生的切削应力，这种应力可通过中间退火来消除。
3、淬火钢磨削时产生磨削应力，磨削时产生摩擦热，产生软化层、脱碳层，降低了热疲劳强度，容易导致热裂、早期裂纹。对H13钢在精磨后，可采取加热至510－570℃，以厚度每25mm保温一小时进行消除应力退火。
4、电火花加工产生应力。模具表面产生一层富集电极元素和电介质元素的白亮层，又硬又脆，这一层本身会有裂纹，有应力。电火花加工时应采用高的频率，使白亮层减到最小，必须进行抛光方法去除，并进行回火处理，回火在三级回火温度进行。

二．模具处理过程中

热处理不当，会导致模具开裂而过早报废，特别是只采用调质，不进行淬火，再进行表面氮化工艺，在压铸几千模次后会出现表面龟裂和开裂。
钢淬火时产生应力，是冷却过程中的热应力与相变时的组织应力叠加的结果，淬火应力是造成变形、开裂的原因，固必须进行回火来消除应力。

三．在压铸生产过程中

1、模温
模具在生产前应预热到一定的温度，否则当高温金属液充型时产生激冷，导致模具内外层温度梯度增大，形成热应力，使模具表面龟裂，甚至开裂。
在生产过程中，模温不断升高，当模温过热时，容易产生粘模，运动部件失灵而导致模具表面损伤。
应设置冷却温控系统，保持模具工作温度在一定的范围内。
2、充型
金 属液以高压、高速充型，必然会对模具产生激烈的冲击和冲刷，因而产生机械应力和热应力。在冲击过程中，金属液、杂质、气体还会与模具表面产生复杂的化学作 用，并加速腐蚀和裂纹的产生。当金属液裹有气体时，会在型腔中低压区先膨胀，当气体压力升高时，产生内向爆破，扯拉出型腔表面的金属质点而造成损伤，因气 蚀而产生裂纹。
3、开模
在抽芯、开模的过程中，当某些元件有形变时，也会产生机械应力。
4、生产过程
在每一个压铸件生产 过程中，由于模具与金属液之间的热交换，使模具表面产生周期性温度变化，引起周期性的热膨胀和收缩，产生周期性热应力。如浇注时模具表面因升温受到压应 力，而开模顶出铸件后，模具表面因降温受到拉应力。当这种交变应力反复循环时，使模具内部积累的应力越来越大，当应力超过材料的疲劳极限时，模具表面产生 裂纹。

预防模具损伤的措施

1．良好的铸件结构设计

铸件壁厚尽可能均匀，避免产生热节，以减少模具局部热量集中产生的热疲劳。铸件的转角处应有适当的铸造圆角，以避免模具上有尖角位导致应力产生。

2．合理的模具结构设计
1）模具中各元件应有足够的刚度、强度，以承受压力而不变形。模具壁厚要足够，才能减少变形。
2）浇注系统设计尽量减少对型芯冲击、冲蚀。
3）正确选择各元件的公差配合和表面粗糙度。
4）保持模具热平衡。

3．规范热处理工艺

通过热处理可改变材料的金相组织，保证必要的强度、硬度、高温下尺寸稳定性、抗热疲劳性能和材料切削性能。
正确的热处理工艺，才会得到最佳的模具性能，而钢材的性能是受到淬火温度和时间、冷却速度和回火温度控制。

4．压铸生产过程控制

1）温度控制：模具的预热温度和工作温度；合金浇注温度，在保证成型良好前提下，用较低的浇注温度。
2）合理的压铸工艺：比压、充填速度。
3）调整机器的锁模力，使模具受力均匀。注意清扫模具表面的残削碎片，以免合模时这些多余物使模具表面受力不均匀，引起变形。
4）对合金熔炼严格控制，减少金属液中气体。

5．模具的维护与保养

1）定期消除应力
2）模具修补

压铸件结构设计的注意事项

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一、概述

面 对制造行业日益激烈的国际性竞争，高速加工(HSC)已成为一个非常重要的技术研发方向。高速切削是一个相对概念。一般地，高速被定义为明显超出普通切削 速度的5~10倍。同时，高速切削不仅仅是切削速度的提高，还需要在制造技术全面进步和进一步创新的基础上，包括驱动、刀具材料、涂层、刀具、测试、安全 等技术的重大进步，才能达到的切削速度和进给速度的成倍提高，才能使制造业整体切削加工效率有显著的提高。


图1 铣削加工

高速切削工艺主要有以下几方面的优点：

1) 缩短生产时间。 切削速度和进给速度的成倍提高，刀具消耗工具交换时间的增加可忽略不计，空运时间减少，整体切削加工效率有显著的提高 ，加工时间明显缩短。
2) 降低制造成本。 更快的生产力必然引起制造成本的下降。
3) 高速切削吸收能量。 一方面减少了工件在加工过程中的发热(特别在铣削加工中)，工件升温小；另一方面可加工硬质材料。
4) 改善工件的加工质量。 加工精度和切削表面的光洁度大大提高，减少人工后加工及辅助工时。

把当前的高速切削水平实用化，使我国机加工整体切削效率提高1～2倍，缩小与工业发达国家的差距，是我国从事切削加工与刀具技术的专业人员在新世纪的努力目标和面临的重大挑战。

二、汽车工业中的高速加工

高 速加工最先应用于航天技术领域，主要加工大型整体零件、金属去除量比较大从而生产时间比较长的工件。如今，随着新的工艺不断采用，超硬材料刀具、涂层刀具 与合金材料刀具的不断开发，高速加工在普通加工中也变得愈发重要。汽车工业中的高速加工中心、高速外铣、CBN砂轮高速磨削等应用十分普遍。

图2 曲轴磨床CBN高速磨削

汽 车制造业在高速加工的应用中以电主轴实现主轴高速和以直线电机实现高直线移动速度为主要特征，目的是 力图用高主轴转速和高速直线进给运动的单主轴加工中心来替代多主轴但难以实现高主轴转速和高速进给的组合机床。主轴最高转速一般可达 60000r/min，最大进给速度100m/min左右。电主轴融合了许多尖端技术，如一般采用复合陶瓷材料或电磁悬浮的高速轴承、高速电机技术、定时 定量油气润滑、自动换刀装置等等。

也有一些公司为降低成本，不用直线电机，而采用中空通冷却液、加大直径和加大导程的滚珠丝杆。

上海大众在发动机制造过程中，逐步采用高速加工中心。

1 铣削加工

目前汽车工业中缸体、缸盖大平面加工一般使用铣削技术。以灰铸铁材料缸体在高速加工中心上的铣削加工为例，采用了立方氮化硼(CBN)刀片，其切削速度可达到700～1500m/min(见图一)。

铣削的生产效率大大提高，经综合国内国外铣削缸体平面的切削用量见表1。在该工序中，安装了切屑回收装置，可消除切屑飞散造成的机械故障，减轻机床清洁保养作业的强度，从而提高设备运转率。

对于铝合金缸体、缸盖均采用面铣刀进行高速切削加工。采用PCD刀片，铣刀直径逐渐缩小，并向多工位复式加工发展。

2 磨削加工

曲轴加工中应用高速磨削，可大大提高加工柔性，CBN砂轮每修整一次，可加工600～800件曲轴(见图2)。

凸轮轴采用CBN砂轮高速磨削已普遍在使用。 在外圆磨削中采用了JUNKER公司的点磨技术。其使用CBN砂轮在一次夹紧工件的条件下对凸轮进行加工。它具有高切削功率，高精度的工件几何外形，均匀的高精度尺寸及外表面质量等优点。

3 车-车拉结合高速外铣

车车拉工艺将车削和车拉工艺结合在一起，使加工的柔性增大。不但可加工曲轴的主轴颈、连杆颈、法兰和皮带轮轴颈，而且还可同时加工轴颈的外圆轴肩、圆角或沿割槽。结合曲轴的高速外铣后可大大节省加工时间(见图3)。

图3 高速外铣

4 钻削加工

在发动机生产过程中，孔加工的比例也比较高。尤其是缸盖和缸体的孔加工作业量比较大。其中钻削加工约占60%，其次为镗削加工、攻丝加工。高速钻削加工主要注意提高排屑性能，提高工具刚性，防止钻尖过热，回转平衡性等问题。以上各点均需根据被加工材料特性采取相应措施。

三、切削刀具的应用

高速加工的发展史，就是刀具材料不断进步的历史。上海大众建成初期采用的大部分刀具均为进口，国产化工作不断取得突破，现在应用比较普遍的刀具主要有CBN和PCD刀具、涂层硬质合金刀具、陶瓷刀具等。

1 CBN及PCD刀具

高 速切削的代表性工具材料是CBN以及PCD。端面铣削使用CBN刀具时，其切削速度可高达5000m/min。用CBN刀具加工20CrMo5 淬硬齿轮(60HRC)内孔，代替磨削，表面粗糙度可达0.22μm，已成为国内外汽车行业推广的新工艺。凸轮轴和曲轴也采用CBN砂轮进行高速磨削；在 缸体、缸盖铝合金材料铣削加工中则广泛采用PCD刀具，考虑到高速回转时将会产生很大的离心力，因此刀体采用高强度铝合金材料制作(见图4)。

图4 凸轮轴CBN砂轮

2 硬质合金刀具及涂层技术

硬质件切削是高速切削技术的重要应用领域，即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件，它比传统的磨削加工效率高，而且简化了工艺方法和工艺环节，不仅节约了成本，而且更加柔性化。

在 钻削和铣削加工中，超细晶粒硬质合金适合于大多数应用，它们同时具有较高的韧性和优异的耐热性，从而可将有利的切削刃槽形与较大的前角及后角融为一体， 这些特征的直接反映是降低了切削力和切削温度；在攻丝时，特别高的扭矩以及在较高切削速度下升高的温度需要采用非常坚韧却具有高耐热性的切削材料。

我们采用内冷的硬质合金钻头代替过去的高速钢钻头进行孔加工，攻螺纹也采用硬质合金丝锥来提高速度，曲轴攻螺纹甚至采用无切削挤压式丝锥；凸轮轴轴颈加工现改用硬质件加工方式，刀具一次加工就可达到要求的表面光洁度，不需要再进行磨削。

为使切削工具既作到价格低廉，又具备优异的性能，可有效降低加工成本的技术，目前当首推涂层技术。现在高速加工使用的立铣刀，大都采用TiAIN系的复合多层涂镀技术进行处理。

3 刀具夹持系统

刀 具的夹持系统是支撑高速切削的重要技术，以前使用的7:24大锥度刀柄，轴向定位精度低，刚度差，在高速时主轴孔大头在离心力作用下“张口”， 使其刚度进一步降低，且不安全。目前两面夹紧式工具系统被广泛应用，上海大众发动机厂大量采用了HSK工具系统。这种短锥柄采用锥面和端面同时定位，轴向 重复精度比7:24刀柄提高3倍，达0.001mm，有效防止了轴向的窜动；径向跳动提高2~3倍，达0.003mm，提高了抵抗径向切削力的能力。刀具 与夹具回转平衡性能的优劣，不仅影响到加工精度和刀具寿命，而且也会影响机床的使用寿命。

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切 削镁合金零件是一项危险性很大的加工操作。因为镁合金的熔点很低(651℃)，在切削中，产生的也高达500-600℃的切屑飞溅，使操作者处于不安全条 件下加工。加之高温的碎屑和粉尘与冷却液中的油剂混合，很容易引起燃烧，稍有不慎(处理不当)，将会造成火灾事故发生。通常在切削过程中，要求一定将产生 的切屑处理好，将碎屑和粉尘，迅速处理出加工现场。一般采用在刀具前加一个隔离罩，防止切屑乱飞，将碎屑和粉尘及时清
扫干净。条件好的公司，使用 真空吸尘器把切屑、碎屑和粉末从切削区抽吸到集屑箱内，然后进行清理。经过长时间的加工实践证明，采用干式切削或使用最小量润滑(MQL)液冷却与使用真 空吸尘方法相结合的方法，能较好的收集切屑，取消清扫碎屑和粉尘的工作程序。但是，附加在机床上的真空吸尘器将给换刀和机床的高速运动造成不便。

油剂冷却液虽然减少，但还不能完全取消，所以造成火灾事故的危险依然存在。另外混合在油剂冷却液中的碎屑和粉尘也再不能回收利用，所以还需付出另派专人处理的费用。

最 近，西班牙达诺巴特(Danobat)集团所属的IDEKO研究所，为满足高速切削镁合金零件的市场需要，和多家公司合作新开发出一种安全可靠的新加工方 法。而其中的核心技术是设计出一台能包括中空的刀具、夹头和主轴在内的新型真空吸尘系统，及时、高效、彻底地将切屑和碎屑与粉尘抽吸到一个较大空间的集屑 箱内。正是这个与冷却液加注方向相反的吸尘系统，使镁合金的高速切削变得安全、可靠。


切削中产生的易燃镁合金的切屑、碎屑和粉尘可通过包括中空刀具、夹头和主轴在内的真空吸尘系统，抽吸到集屑箱内
在 新的真空吸尘系统中，最关键的零件有特别设计的新结构刀具、刀具夹头。新型刀具设计成中空型刀体和具有特殊几何形状的硬质合金刀头。通过使用CNC系统所 具有的圆弧内插补功能，控制刀具的切削运动，和设计出的具有断屑、定向控制切屑排除方向功能的切削刃共同作用，产生出的体积小而且容易折断的切屑，因而使 镁合金切屑的收集与排除变得快速、容易。该系统设计中，刀具夹头选用了HSK刀夹结构形式，与通入大流量高压冷却液效果相同，有利于切屑的顺利排除。

据IDEKO 公司透露，使用该系统能及时排除切削镁合金切屑的 95 %。同时，还对该系统能否用于其它材料，例如铝合金加工，进行了试验研究，结果表明，只要处理好影响系统全局的关键问题，例如，使用能产生出体积小、易折 断切屑的刀具，即可在加工中使用新型真空吸尘系统。

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摘 要：作者利用自制的一套带有特殊结晶器的连续铸造实验装置，研究了连续铸造锰硅铁合金的工艺及其制品的外观和内部质量。稳定地连续铸造了直径分别为 44mm、52mm、54mm和74mm的锰硅铁合金铸锭。结果表明，所研究的锰硅铁合金连续铸造工艺稳定性良好，连续铸造生产锰硅铁合金产品的外观光 洁，内部组织致密、细化，质量明显优于传统模铸生产的锰硅铁合金。
关键词：锰硅 铁合金 连续铸造 工艺 模铸

一．引言

铁合金（包括Si-Fe，Mn-Fe，Mo-Fe等），主要
用 做炼钢的脱氧剂，合金元素的加入等。目前国内外铁合金的生产成型方法主要是模铸。经过冶炼→出铁→去渣→浇入铸模→一次破碎→清除杂质→二次破碎→最终产 品，在这些过程中有7%左右的铁合金变成了金属粉末，这是一个很大的消耗，也是一个很大的损失，仅八一铁合金厂每年就这一项损失 500～600万元，并且在破碎的过程中消耗大量的人力、物力（每天约有200～400人在现场进行人工破碎）。如何利用一种高新技术来生产铁合金材料是 铁合金生产单位和国内外铸造及冶金专家一致关注和要解决的问题。国外已经开始研究连续模铸方法生产铁合金。分析认为，利用连续铸造技术来代替模铸生产具有 以下特点：提高锰硅铁合金的产品质量。简化生产工艺，节省大量人力、物力和财力。提高锰硅铁合金的收集率和综合成材率。降低能耗和材料损耗、减少污染，保 护环境。易于实现机械化、自动化，实现铁合金的绿色生产。连铸的这些特点，可以说它给冶金企业带来了一次变革，是一个非常具有前景的铸造技术。综上所述， 锰硅铁合金连铸技术的研究与开发具有重要的实际意义，也具有重大的经济价值，如果把锰硅铁合金的模铸生产改变为连续铸造生产，预计每年获得的直接经济效益 仅八一铁合金厂一个单位就可达500万以上。因此，北京科技大学与广西八一铁合金（集团）有限责任公司于2001年9月开始共同开发锰硅铁合金连铸新技 术。

二．实验条件及内容

实验室以牌号为FeMn68Si18的锰硅铁合金为实验合金，其化学成分为：65.66%Mn， 18%Si，0.197%P，1.38%C， 0.030%S。利用自制带有特殊结晶器的连续铸造实验装置研究以下内容：研究锰硅铁合金连铸新工艺实现锰硅铁合金连铸生产的主要工艺参数（熔炼与浇注温 度，拉坯速度，结晶器的冷却强度等）和各种参数的相互匹配; 研究连铸锰硅铁合金制品的质量。
三．实验结果及分析

1．锰硅铁合金连铸工艺

（1）合金熔化温度、浇注温度

图1 Fe68Si18锰硅合金的微分冷却曲线

实 验测定合金的微分热分析曲线（图1），在微分曲线上第一个温度下降速度减缓点处，对 应的冷却曲线上锰硅铁合金的液相线温度为1244℃，在微分曲线上第二个温度下降速度增大点处，对应冷却曲线上锰硅铁合金的固相线温度为1222℃，锰硅 铁合金的结晶温度间隔约22℃；由于合金中所含的锰和硅都是易于氧化的元素，并且合金结晶凝固的温度间隔较大，因此要采用较高的熔化温度净化锰硅铁合金 液。参考几种铁合金的熔化温度，确定Fe68Si18合金的熔化出炉温度范围为1400～1450℃，浇注温度范围是1270～1340℃。利用型号为 GLEELE1500的热模拟实验机测定了不同温度下硅锰合金的强度（图2）。从图看出：600℃、700℃、800℃和900℃下锰硅合金的强度分别为 76MPa、127 MPa、49 MPa和49 MPa。浇注时合金的过热度高于100 ℃时，合金在结晶器中冷却所释放的热量不能及时充分传出，且容易熔化在结晶器壁形成的坯壳（图3），使坯壳厚度变薄，由于在800～900℃高温下，锰硅 合金的强度仅50MPa，而钢在1000℃的强度已达100MPa以上，所以锰硅合金在连续铸造过程中容易将坯壳拉断，甚至把坯壳熔化，导致拉漏。

图2 不同温度下锰硅合金的强度测试曲线

要稳定锰硅铁合金连铸必须具备以下条件：

① 过热度在结晶器中散失完全；
② 在结晶器中形成稳定厚度的坯壳；
③ 在连铸过程中，形成坯壳不断裂；
④ 由于锰硅铁合金在室温下脆性很大，必须保证锰硅铁合金在结晶器出口处合金温度不能低于600-800℃ 。

图3 锰硅合金连续铸造过程中结晶器壁形成的坯壳示意图

（2）锰硅铁合金连铸工艺

经过实验研究,对于不同尺寸的铸坯,其合适的连续铸造工艺为：

将合金保持在一定的温度进行浇注，对于一定尺寸铸坯，连铸机的冷却能力越高、结晶器长度大，合金的连续铸造速度大。

2．连铸锰硅铁合金的宏观质量

图4是连续铸造直径为54毫米的锰硅铁合金铸坯(a)及其表面形成明显的振动波纹(b)，由此看出，使用内衬石墨套的结晶器，由于石墨的润滑作用，所得到的连续铸造锰硅铁合金铸坯具有光洁清晰的外观表面。

图4直径为54毫米的锰硅铁合金铸坯(a) 及其表面形成的振动波纹(b)

3．连铸锰硅铁合金的微观质量

连 续铸造锰硅铁合金铸坯组织致密（图5，7～9），从图看到，模铸试样组织（图10）中存在较多的疏松和孔洞。由于模铸铸锭的体积比较大，合金本身传热能 力差，因此其热量散发较慢，铸锭的凝固速度缓慢，液体合金的粘度较大，合金的流动性差，补缩能力也差，所以铸锭容易形成参差不齐、带有尖锐边角的缩松和缩 孔，疏松的尖锐边角处产生应力集中，形成合金组织的薄弱部位，锰硅铁合金本身较脆，在应力集中处合金组织容易产生断裂；在连铸坯最后浇注的铁合金液存在着 液心，凝固时在中心形成一段集中缩孔（图6）。正常的连铸坯组织（图8、9）中疏松数量少，单个疏松的体积也比模铸疏松小。图中b放大倍数为1000倍的 连铸边缘组织，试样中没有明显的疏松孔洞，裂纹呈明显的金属色。这是因为连铸坯的体积较小，铸坯边缘的冷却强度大，合金的凝固结晶速度较快，因此合金组织 显著细化；由于合金本身传热能力差，因此其热量散发较慢，铸锭的凝固速度缓慢，加上合金的流动性差，补缩能力也差，所以合金组织中形成分散细小的缩松；由 于相变和热应力在缩松边角处造成应力集中，铁合金本身比较脆，在受应力作用合金组织中形成较小的裂纹。

图5 连铸铁合金棒材纵向剖面观察内在质量

图6 连续铸造铁合金棒材未端的集中缩孔

图7 均匀粒度的连续铸造铁合金材料

a)光学显微组织 b) SEM照片
图8连铸铁合金坯料表层显微组织

a)光学显微组织 b) SEM照片
图9 连铸铁合金坯料中心显微组织

a)光学显微组织 b) SEM照片
图10 模铸铁合金坯料的显微组织

对 比观察连续铸造与模铸锰硅铁合金的显微组织，可以看出，连续铸造锰硅铁合金的显微组织明显细 化、致密。对连铸与模铸两种方法生产铸锭不同部位化学成分进行分析，结果表明，连续铸造生产的铸锭各个部位化学成分均匀，消除了偏析。与模铸生产相比，连 续铸造合金锭的体积小，加上结晶器内循环水的强烈冷却，铸锭凝固结晶速度快，合金处于液态时间短，合金中各种元素均来不及进行远程扩散，合金就结晶凝固 了，因此易于偏析的元素不能偏聚，铸锭各个部位的化学成分均匀，消除偏析，显著提高合金质量。

将连续铸造与模铸的锰硅铁合金试样进行X射 线衍射分析。发现两种工艺所制得的试样形成的衍射谱线有较大的差别，如图11和图12所示。物相分析结 果表明，二者除了含有相同的组织组成物Mn、FeSi、Si、Fe之外，连续铸造锰硅铁合金组织组成物还有Fe2MnSi和Fe3Si，而模铸的锰硅铁合 金组织组成物还有MnSi。Fe的原子量为56，Mn 的原子量为55，Si的原子量为28。FeMn68Si18合金中各元素的原子百分数分别为11.7at%、58.3 at%、30at%。从Fe-Mn-Si三元合金相图分析，FeMn68Si18合金成分位于一个两相区，其组织为固溶有Fe的Mn3Si(LT)和固溶 有Fe的Mn5Si3化合物的两相混合物。由于铸造过程中合金的冷却速度比较快，合金是非平衡凝固，因此合金凝固后的组织与平衡相图上所分析的组织组成物 是有偏差的，而且连续铸造比模铸时合金的冷却速度大得多，所以两种铸造方法所得到合金的组织也存在差异。扫描电子显微镜观察分析（图8b、9b、 10b），模铸试样FeSi相的晶粒呈块状和片状分布于基体中，棱角处比较尖锐，对基体有割裂作用；连铸试样的晶粒形态圆整，分布均匀，大大减轻了对基体 的割裂作用。

图11 模铸试样X衍射谱线 图 12 连铸试样X衍射谱线

四.结论

1．不同尺寸硅锰铁合金连铸坯的合适连铸工艺为：合金保持在一定的温度进行浇注，对于一定尺寸铸坯，连铸机的冷却能力越高、结晶器长度大，合金的连续铸造速度大。
2．连续铸造锰硅铁合金的组织细化、致密。
3．由于连铸的冷却速率大于传统模铸工艺的冷却速度，合金凝固时形成的过渡相能够保存到室温。利用X射线衍射研究表明连铸试样由Mn、FeSi、Si、Fe2MnSi、Fe3Si、Fe等相组成；模铸试样由Mn、FeSi、Fe、Si和MnSi组成。
4．模铸试样FeSi相的晶粒呈块状和片状分布于基体中，角处比较尖锐，对基体有割裂作用；连铸试样的晶粒形态圆整，分布均匀，大大减轻了对基体的割裂作用。
5．连续铸造合金化学成分均匀，消除偏析，显著提高合金质量。

参考文献
[1]赵乃成，张启轩：铁合金生产实用手册，冶金工业出版社，北京，1998.4。
[2]张启轩：我国铁合金工业的现状及加快实施创新对策. 铁合金. 2000年第２期.33-39.
[3]张惠棠，杨志忠，刘英杰等：锰系铁合金现状和发展趋势探讨，铁合金，2001年第4期，
[4]Nicholas P. Godici, M. Jordan, et: United States Patent, No. 4605055.
[5]岩渕博，石黑宏久，田岛秀纪：日本国特许，公开特许公报，昭55-36042，1980年3月13日。
[6] 陈稼祥，连续铸钢手册，冶金工业出版社，北京，1991.
[7]干勇：连续铸钢前沿技术的工程化，中国工程科学，2002年9月第4卷第9期，12-18。
[8] ]赵乃成，张启轩：铁合金生产实用手册，冶金工业出版社，北京，1998.4。

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作为研究金属相变问题的基础，首先简要地回顾一下金属的组织结构特点。

1 液态金属的结构

对 于液态金属结构的研究是通过三种方法进行的，一是通过固液态、固气态转变前后金属物理性质的变化，判断液态金属的原子结合状况。二是通过X射线或中子线结 构分析，研究液态金属中原子的排列。三是在假想模型的基础上进行实验模拟研究。大量研究表明，在熔点以上不高的温度范围里，液态金属在结构上具有以下特 点：

(1) 在液态金属中，原子以原子团的方式存在，在原子团内
部原子的排列有一定的规律性，与固态相比，原子团内部原子的间距增加不大。这个性质我们把它概括为“近程有序性”。
(2) 液态金属中原子热运动的能量较大，存在着较大的能量起伏和温度起伏。
(3) 由于液态金属中原子具有较大的热运动能量和能量起伏，原子集团内部具有较大能量的原子就可能克服邻近原子的束缚，成簇地脱离原来的原子集团而加入到邻近的 集团中，或组成新的集团。同时，原子集团之间的距离较大，比较松散，犹如存在“空穴”，这些空穴同样在不停地变化。因此，在液态金属中，所有的原子集团和 空穴都处于瞬息万变状态，时而长大，时而变小，时而产生，时而消失，此起彼伏，犹如在不停地游动。液态金属的这种结构特点可以归纳为“结构起伏”。
(4) 当金属中含有第二种原子时，不同原子集团中含有的第二种原子的浓度不尽相同，伴随着原子集团的“游动”，液态金属内出现浓度起伏。
(5) 对于实际金属，由于杂质元素和未熔相质点的存在，液态金属除具有上述的近程有序、能量起伏、结构起伏、浓度起伏外，还具有相质点的起伏。

液态金属的这种结构特性对金属的结晶起重要作用。

2 固态金属结构的不完整性

固态金属是由许多晶粒组成的，在晶粒内部原子按一定的规律排列，即所谓长程有序性。对于理想的完整晶体，在有关的金属学教材中已有详尽的介绍，这里着重回顾金属晶体的不完整性。

在 金属晶体中，原子并非静止不动的，而是以其平衡位置为中心不停地进行热振动。虽然在一定的温度下原子热振动的平均能量是相等的，但是每个原子的能量却不相 等，而且经常变化，此起彼伏。在任何瞬间，总有一些原子的能量大到足以克服周围原子对它的束缚作用，从而脱离其原来的平衡位置而迁移到别处，结果在原来的 位置上出现了空位。如果离开平衡位置的原子迁移到晶体点阵的间隙中，还会同时形成间隙原子。

晶体中的空位和间隙原子不是固定不动的，而是不断的产生、消失，不停地运动、变化。这使金属晶体在成分和结构上存在一定程度上的不稳定现象。

除此而外，固态金属中还存在着刃型位错和螺型位错等线缺陷、以及晶界等面缺陷，这使实际金属晶体在成分和结构上存在严重的不均匀性。

凡此种种金属晶体的不完整性，构成了实际金属结构的不稳定性，并对晶体的相变产生重要影响。
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