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球墨鑄鐵縮松缺陷,都與哪些因素有關?

發布日期:2022-12-19 08:29:11 作者:admin 點擊:2091

球墨鑄鐵縮松缺陷,都與哪些因素有關?

碳能新材 石嘴山市碳能新材料科技有限公司 2022-12-16 10:50 發表于寧夏

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   球墨鑄鐵化學成分主要包括碳、硅、錳、硫、磷五大常見元素。對于一些對組織及性能有特殊要求的鑄件,還包括少量的合金元素。同普通灰鑄鐵不同的是,為保證石墨球化,球墨鑄鐵中還須含有微量的殘留球化元素。

1、碳及碳當量的選擇原則: 

    碳是球墨鑄鐵的基本元素,碳高有助于石墨化。由于石墨呈球狀后石墨對機械性能的影響已減小到最低程度,球墨鑄鐵的含碳量一般較高,在3.53.9%之間,碳當量在4.14.7%之間。鑄件壁薄、球化元素殘留量大或孕育不充分時取上限;反之,取下限。將碳當量選擇在共晶點附近不僅可以改善鐵液的流動性,對于球墨鑄鐵而言,碳當量的提高還會由于提高了鑄鐵凝固時的石墨化膨脹提高鐵液的自補縮能力。但是,碳含量過高,會引起石墨漂浮。因此,球墨鑄鐵中碳當量的上限以不出現石墨漂浮為原則。

2、硅的選擇原則: 

    硅是強石墨化元素。在球墨鑄鐵中,硅不僅可以有效地減小白口傾向,增加鐵素體量,而且具有細化共晶團,提高石墨球圓整度的作用。但是,硅提高鑄鐵的韌脆性轉變溫度(圖1),降低沖擊韌性,因此硅含量不宜過高,尤其是當鑄鐵中錳和磷含量較高時,更需要嚴格控制硅的含量。球墨鑄鐵中終硅量一般在1.43.0%。選定碳當量后,一般采取高碳低硅強化孕育的原則。硅的下限以不出現自由滲碳體為原則。


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球墨鑄鐵中碳硅含量確定以后,可用圖2進行檢驗。如果碳硅含量在圖中的陰影區,則成分設計基本合適。如果高于最佳區域,則容易出現石墨漂浮現象。如果低于最佳區域,則容易出現縮松缺陷和自由碳化物。


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3、錳的選擇原則: 

  由于球墨鑄鐵中硫的含量已經很低,不需要過多的錳來中和硫,球墨鑄鐵中錳的作用就主要表現在增加珠光體的穩定性,促進形成(Fe、Mn)3C。這些碳化物偏析于晶界,對球墨鑄鐵的韌性影響很大。錳也會提高鐵素體球墨鑄鐵的韌脆性轉變溫度,錳含量每增加0.1%,脆性轉變溫度提高1012℃。因此,球墨鑄鐵中錳含量一般是愈低愈好,即使珠光體球墨鑄鐵,錳含量也不宜超過0.40.6%。只有以提高耐磨性為目的的中錳球鐵和貝氏體球鐵例外。

4、磷的選擇原則: 

  磷是一種有害元素。它在鑄鐵中溶解度極低,當其含量小于0.05%時,固溶于基體中,對力學性能幾乎沒有影響。當含量大于0.05%時,磷極易偏析于共晶團邊界,形成二元、三元或復合磷共晶,降低鑄鐵的韌性。磷提高鑄鐵的韌脆性轉變溫度,含磷量每增加0.01%,韌脆性轉變溫度提高44.5℃。因此,球墨鑄鐵中磷的含量愈低愈好,一般情況下應低于0.08%。對于比較重要的鑄件,磷含量應低于0.05%。

5、硫的選擇原則:

  硫是一種反球化元素,它與鎂、稀土等球化元素有很強的親合力,硫的存在會大量消耗鐵液中的球化元素,形成鎂和稀土的硫化物,引起夾渣、氣孔等鑄造缺陷。球墨鑄鐵中硫的含量一般要求小于0.06%。

6、球化元素的選擇原則:

    目前在工業上使用的球化元素主要是鎂和稀土。鎂和稀土元素可以中和硫等反球化元素的作用,使石墨按球狀生長。鎂和稀土的殘留量應根據鐵液中硫等反球化元素的含量確定。在保證球化合格的前提下,鎂和稀土的殘留量應盡量低。鎂和稀土殘留量過高,會增加鐵液的白口傾向,并會由于它們在晶界上偏析而影響鑄件的機械性能。


  球墨鑄鐵鑄造生產中經常遇到縮松方面的質量問題,于是就學習,就在實際工作中去想辦法解決。很多時候,通過學習解決了一些問題,也有難以解決的縮松現象。最近看見了周啟明老師的文章和陳子華的報告,結合之前實際工作,匯總以下。


  影響球鐵縮松的一般規律


  球墨鑄鐵鑄件的模數。鑄件模數大于2.5,容易實現無冒口鑄造,但有專家對此規定限制值,有疑問。一般來講,比較厚大鑄件,由于石墨化膨脹,容易鑄造無縮松鑄件。此時,碳當量控制不要大于4.5%,避免石墨漂浮。而熱節分散的薄小鑄件,容易產生縮松,通過冷鐵,鉻礦砂或局部內冒口設置解決。特別要注意澆冒口系統的補縮,一般來講,冒口盡可能使用熱冒口,避免冷冒口使用。


  要充分注意砂箱的剛度和砂型的硬度。在砂箱剛度和砂型緊實度方面,設置再充分都不為過。


  澆冒口工藝設計的合理性。盡可能使用熱冒口加冷鐵,冷冒口補縮效果很差。


  鑄型的冷卻速度。


  澆注溫度和澆注速度的合理選擇。一些比較厚的鑄件,可以考慮適當調高澆注溫度,同時延長澆注速度來解決縮松。同時利于二次氧化渣浮出鑄件內部,增加探傷檢測的合格。


  化學成分的合理選擇和適當的殘余鎂,稀土含量。


  在砂型冷卻條件下,爭取較多的石墨球數對減少縮松有利,對提高力學性能有利。


  比較好的原材料和好的鐵水冶金質量,要特別注意鐵水不要在出爐前高溫下保持時間過久,同時出爐前做好增加鐵水石墨結晶核心的預處理,這樣可以提高石墨球數,減少縮松。


  新的減少縮松的觀點


  ??详愖尤A總監最近報告指出:球墨鑄鐵因為鐵水含有鎂,促使狀態圖上共晶點右移,鎂含量在0.035-0.045%時,其實際共晶點 大約在4.4-4.5%。


  球鐵成分選擇在共晶點附近,鐵水流動性最好,則凝固時鐵水容易補充收縮。


  球鐵球化前后的硫含量不要變化太大。即原鐵水硫含量不要太高。硫含量高,石墨容易析出過早。容易產生縮松。


  錫柴周啟明老師今年文章“防止球墨鑄鐵縮松縮孔方法的新進展”中指出:在不發生石墨漂浮和沒有初生石墨析出前提下,盡量提高碳含量。我對這句話的理解:一般來講,過共晶越大,則液態下產生初生石墨就越多,對減少縮松不利。


  球鐵凝固期間,控制石墨膨脹的時間,使石墨化膨脹延遲。在碳當量選擇確定情況下,高碳低硅。合適的殘余鎂量,正確的孕育和注重最后的隨流孕育。


  鐵水注意快速熔煉,避免在出鐵溫度下,爐內保存時間過長,避免超過1550度過高的熔煉保溫溫度,損失大量碳和結晶核心。一般超過10-20左右分鐘就要重新做處理。這種鐵水即便經過各種孕育處理,也要產生碳化物和縮松,很難消除。


  鐵水球化之后,要馬上澆注,嚴禁等待時間過長,使球化孕育衰退。


  使用含鑭稀土的球化劑,則凝固初期的石墨結晶較少,避免個別較大石墨球出現。石墨球數比較多,大小比較均勻,說明凝固中石墨球析出時間比較一致,凝固后期膨脹較大。這種球化劑使用工藝,在最近鑄協武漢華中科技大學的會議上,江陰吉鑫的工程師們提出,對厚大斷面的風電球鐵,沒有效果,不適用。


  球鐵碳當量越大,其結晶凝固范圍越寬,固液共存區間越大,凝固過程中,液態鐵水流動受初生枝晶影響,阻礙流動補縮,容易形成縮松。同時,鐵水硅含量高,容易過早促進石墨形核,生長,此時的石墨化膨脹在固液共存期,對縮松減少不利。所以,通過上述一些工藝措施,使石墨化膨脹延遲一說,在現實鑄造技術工作中,去解決球鐵鑄件縮松現象,有很重要的指導意義。


  球鐵縮松的一些“異?!爆F象


  高爐鐵水直接加入感應電爐的短流程鑄造,生產球墨鑄鐵鑄件時,如果熔煉中沒有很好的高溫熔煉操作,容易出現鑄件縮松缺陷。分析原因,估計是原鐵水里面高爐鐵水內的厚片狀石墨,在熔煉中沒有消除,凝固過程中,液態下石墨過早析出,凝固后期石墨化膨脹不足引起。本溪地區某風電鑄造工廠,利用短流程生產風電鑄件,都以探傷不合格報廢,幾乎沒有合格鑄件,損失慘重,就是例子。本溪地區高爐鐵水質量較好,有害微量元素很低,鐵水直接進入功率不高的保溫感應電爐,估計高溫冶煉,細化石墨不足。而江蘇吉鑫的短流程工藝,是高爐鐵水經過30噸電弧爐氧化燒損了有害元素,熔煉過程經過了高溫冶煉,同時燒損的碳,又經過增碳劑處理增加了碳,和上面所說本溪短流程在熔煉工藝上有很大的不同。


  在山東和河南個別鑄造工廠遇到,生產壁厚不均勻中小球鐵鑄件時,鑄件各處熱節分離,連接熱節部位的結構壁厚較薄,采取各種措施,如冷鐵或鉻礦砂加速熱節冷卻,控制澆注溫度,提高碳當量,變更澆冒口系統等等,都無法解決低于2級X射線探傷要求。當把碳當量從4.4-4.6%降低到4.25-4.30%之間后,縮松減輕,探傷合格。當然,同時也采取了一些其他輔助措施。采取這種做法的原因,是因為之前流水線造型,生產球鐵卡車輪轂,個別熱節分散的輪轂生產經驗所得,與其他大部分球鐵輪轂成分控制較高碳當量不同。這種做法能夠減少縮松的原因,一直搞不清楚,是否與周啟明老師文章中說得,延遲石墨化膨脹和凝固中減少初生石墨有關?這些球鐵鑄件碳當量選擇低于共晶點附近,早期凝固過程中,雖有石墨析出,但量較少,主要首先析出奧氏體枝晶,給后期共晶凝固留下了較多的石墨化膨脹量,因此較少了縮松缺陷。是否也屬于延遲石墨化膨脹的一種工藝方法?


  上述以較低碳當量控制球墨鑄鐵成分,解決縮松的做法,今年一月份,得到一位國內知名鑄造專家的認可。他說:在德國鑄造工廠,都是如此選擇碳當量,而我國普遍以高碳當量選擇。


  風電大件澆注,1320-1340度澆注,加強最后孕育,15-16噸左右鐵水澆注時間80-90秒,能夠生產UT探傷合格厚壁球鐵鑄件。但是澆注溫度提高至1360-1380度澆注,澆注時間為300秒以上,使用冷鐵和冒口較少,也可以生產合格風電鑄件。這里就有對待球鐵縮松不同的工藝出發點。當然,這里沒有細說各自的澆冒口和冷鐵工藝。其主要原因,是否可以與下條鑄造工藝有類似關系?


  國內早期,機床附件行業在鑄造各種尺寸的大小卡盤體(盤體直徑從100毫米到1000毫米左右)時,材質灰鐵300,都沒有冒口,而以很小的內澆口,分散均勻進入型腔,澆注速度較長,實現無缺陷高質量鑄件生產。(當年多以沖天爐熔煉灰鐵300鐵水)。


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