球墨铸铁五大元素对铸件的影响

2020-03-20 13:55:39 549

  球墨铸铁化学成分主要包括碳、硅、锰、硫、磷五大常见元素。对于一些对组织及性能有特殊要求的铸件,还包括少量的合金元素。同普通灰铸铁不同的是,为保证石墨球化,球墨铸铁中还须含有微量的残留球化元素。

  1、碳及碳当量的选择原则: 碳是球墨铸铁的基本元素,碳高有助于石墨化。由于石墨呈球状后石墨对机械性能的影响已减小到最低程度,球墨铸铁的含碳量一般较高,在3.5~3.9%之间,碳当量在4.1~4.7%之间。铸件壁薄、球化元素残留量大或孕育不充分时取上限;反之,取下限。将碳当量选择在共晶点附近不仅可以改善铁液的流动性,对于球墨铸铁而言,碳当量的提高还会由于提高了铸铁凝固时的石墨化膨胀提高铁液的自补缩能力。但是,碳含量过高,会引起石墨漂浮。因此,球墨铸铁中碳当量的上限以不出现石墨漂浮为原则。

  2、硅的选择原则: 硅是强石墨化元素。在球墨铸铁中,硅不仅可以有效地减小白口倾向,增加铁素体量,而且具有细化共晶团,提高石墨球圆整度的作用。但是,硅提高铸铁的韧脆性转变温度(图1),降低冲击韧性,因此硅含量不宜过高,尤其是当铸铁中锰和磷含量较高时,更需要严格控制硅的含量。球墨铸铁中终硅量一般在1.4—3.0%。选定碳当量后,一般采取高碳低硅强化孕育的原则。硅的下限以不出现自由渗碳体为原则。

球墨铸铁五大元素对铸件的影响

  球墨铸铁中碳硅含量确定以后,可用图2进行检验。如果碳硅含量在图中的阴影区,则成分设计基本合适。如果高于区域,则容易出现石墨漂浮现象。如果低于区域,则容易出现缩松缺陷和自由碳化物。

球墨铸铁五大元素对铸件的影响

  3、锰的选择原则: 由于球墨铸铁中硫的含量已经很低,不需要过多的锰来中和硫,球墨铸铁中锰的作用就主要表现在增加珠光体的稳定性,促进形成(Fe、Mn)3C。这些碳化物偏析于晶界,对球墨铸铁的韧性影响很大。锰也会提高铁素体球墨铸铁的韧脆性转变温度,锰含量每增加0.1%,脆性转变温度提高10~12℃。因此,球墨铸铁中锰含量一般是愈低愈好,即使珠光体球墨铸铁,锰含量也不宜超过0.4~0.6%。只有以提高耐磨性为目的的中锰球铁和贝氏体球铁例外。

  4、磷的选择原则: 磷是一种有害元素。它在铸铁中溶解度极低,当其含量小于0.05%时,固溶于基体中,对力学性能几乎没有影响。当含量大于0.05%时,磷极易偏析于共晶团边界,形成二元、三元或复合磷共晶,降低铸铁的韧性。磷提高铸铁的韧脆性转变温度,含磷量每增加0.01%,韧脆性转变温度提高4~4.5℃。因此,球墨铸铁中磷的含量愈低愈好,一般情况下应低于0.08%。对于比较重要的铸件,磷含量应低于0.05%。

  5、硫的选择原则: 硫是一种反球化元素,它与镁、稀土等球化元素有很强的亲合力,硫的存在会大量消耗铁液中的球化元素,形成镁和稀土的硫化物,引起夹渣、气孔等铸造缺陷。球墨铸铁中硫的含量一般要求小于0.06%。

  6、球化元素的选择原则: 目前在工业上使用的球化元素主要是镁和稀土。镁和稀土元素可以中和硫等反球化元素的作用,使石墨按球状生长。镁和稀土的残留量应根据铁液中硫等反球化元素的含量确定。在保证球化合格的前提下,镁和稀土的残留量应尽量低。镁和稀土残留量过高,会增加铁液的白口倾向,并会由于它们在晶界上偏析而影响铸件的机械性能。

  球墨铸铁铸造生产中经常遇到缩松方面的质量问题,于是就学习,就在实际工作中去想办法解决。很多时候,通过学习解决了一些问题,也有难以解决的缩松现象。最近看见了周启明老师的文章和陈子华的报告,结合之前实际工作,汇总以下。

  影响球铁缩松的一般规律

  球墨铸铁铸件的模数。铸件模数大于2.5,容易实现无冒口铸造,但有专家对此规定限制值,有疑问。一般来讲,比较厚大铸件,由于石墨化膨胀,容易铸造无缩松铸件。此时,碳当量控制不要大于4.5%,避免石墨漂浮。而热节分散的薄小铸件,容易产生缩松,通过冷铁,铬矿砂或局部内冒口设置解决。特别要注意浇冒口系统的补缩,一般来讲,冒口尽可能使用热冒口,避免冷冒口使用。

  要充分注意砂箱的刚度和砂型的硬度。在砂箱刚度和砂型紧实度方面,设置再充分都不为过。

  浇冒口工艺设计的合理性。尽可能使用热冒口加冷铁,冷冒口补缩效果很差。

  铸型的冷却速度。

  浇注温度和浇注速度的合理选择。一些比较厚的铸件,可以考虑适当调高浇注温度,同时延长浇注速度来解决缩松。同时利于二次氧化渣浮出铸件内部,增加探伤检测的合格。

  化学成分的合理选择和适当的残余镁,稀土含量。

  在砂型冷却条件下,争取较多的石墨球数对减少缩松有利,对提高力学性能有利。

  比较好的原材料和好的铁水冶金质量,要特别注意铁水不要在出炉前高温下保持时间过久,同时出炉前做好增加铁水石墨结晶核心的预处理,这样可以提高石墨球数,减少缩松。

  新的减少缩松的观点

  埃肯陈子华总监最近报告指出:球墨铸铁因为铁水含有镁,促使状态图上共晶点右移,镁含量在0.035-0.045%时,其实际共晶点 大约在4.4-4.5%。

  球铁成分选择在共晶点附近,铁水流动性最好,则凝固时铁水容易补充收缩。

  球铁球化前后的硫含量不要变化太大。即原铁水硫含量不要太高。硫含量高,石墨容易析出过早。容易产生缩松。

  锡柴周启明老师今年文章“防止球墨铸铁缩松缩孔方法的新进展”中指出:在不发生石墨漂浮和没有初生石墨析出前提下,尽量提高碳含量。我对这句话的理解:一般来讲,过共晶越大,则液态下产生初生石墨就越多,对减少缩松不利。

  球铁凝固期间,控制石墨膨胀的时间,使石墨化膨胀延迟。在碳当量选择确定情况下,高碳低硅。合适的残余镁量,正确的孕育和注重最后的随流孕育。

  铁水注意快速熔炼,避免在出铁温度下,炉内保存时间过长,避免超过1550度过高的熔炼保温温度,损失大量碳和结晶核心。一般超过10-20左右分钟就要重新做处理。这种铁水即便经过各种孕育处理,也要产生碳化物和缩松,很难消除。

  铁水球化之后,要马上浇注,严禁等待时间过长,使球化孕育衰退。

  使用含镧稀土的球化剂,则凝固初期的石墨结晶较少,避免个别较大石墨球出现。石墨球数比较多,大小比较均匀,说明凝固中石墨球析出时间比较一致,凝固后期膨胀较大。这种球化剂使用工艺,在最近铸协武汉华中科技大学的会议上,江阴吉鑫的工程师们提出,对厚大断面的风电球铁,没有效果,不适用。

  球铁碳当量越大,其结晶凝固范围越宽,固液共存区间越大,凝固过程中,液态铁水流动受初生枝晶影响,阻碍流动补缩,容易形成缩松。同时,铁水硅含量高,容易过早促进石墨形核,生长,此时的石墨化膨胀在固液共存期,对缩松减少不利。所以,通过上述一些工艺措施,使石墨化膨胀延迟一说,在现实铸造技术工作中,去解决球铁铸件缩松现象,有很重要的指导意义。

  球铁缩松的一些“异常”现象

  高炉铁水直接加入感应电炉的短流程铸造,生产球墨铸铁铸件时,如果熔炼中没有很好的高温熔炼操作,容易出现铸件缩松缺陷。分析原因,估计是原铁水里面高炉铁水内的厚片状石墨,在熔炼中没有消除,凝固过程中,液态下石墨过早析出,凝固后期石墨化膨胀不足引起。本溪地区某风电铸造工厂,利用短流程生产风电铸件,都以探伤不合格报废,几乎没有合格铸件,损失惨重,就是例子。本溪地区高炉铁水质量较好,有害微量元素很低,铁水直接进入功率不高的保温感应电炉,估计高温冶炼,细化石墨不足。而江苏吉鑫的短流程工艺,是高炉铁水经过30吨电弧炉氧化烧损了有害元素,熔炼过程经过了高温冶炼,同时烧损的碳,又经过增碳剂处理增加了碳,和上面所说本溪短流程在熔炼工艺上有很大的不同。

  笔者在山东和河南个别铸造工厂遇到,生产壁厚不均匀中小球铁铸件时,铸件各处热节分离,连接热节部位的结构壁厚较薄,采取各种措施,如冷铁或铬矿砂加速热节冷却,控制浇注温度,提高碳当量,变更浇冒口系统等等,都无法解决低于2级X射线探伤要求。当把碳当量从4.4-4.6%降低到4.25-4.30%之间后,缩松减轻,探伤合格。当然,同时也采取了一些其他辅助措施。采取这种做法的原因,是因为之前流水线造型,生产球铁卡车轮毂,个别热节分散的轮毂生产经验所得,与其他大部分球铁轮毂成分控制较高碳当量不同。这种做法能够减少缩松的原因,一直搞不清楚,是否与周启明老师文章中说得,延迟石墨化膨胀和凝固中减少初生石墨有关?这些球铁铸件碳当量选择低于共晶点附近,早期凝固过程中,虽有石墨析出,但量较少,主要首先析出奥氏体枝晶,给后期共晶凝固留下了较多的石墨化膨胀量,因此较少了缩松缺陷。是否也属于延迟石墨化膨胀的一种工艺方法?

  上述以较低碳当量控制球墨铸铁成分,解决缩松的做法,今年一月份,得到一位国内知名铸造专家的认可。他说:在德国铸造工厂,都是如此选择碳当量,而我国普遍以高碳当量选择,打算写一篇文章讨论此事。

  风电大件浇注,1320-1340度浇注,加强最后孕育,15-16吨左右铁水浇注时间80-90秒,能够生产UT探伤合格厚壁球铁铸件。但是浇注温度提高至1360-1380度浇注,浇注时间为300秒以上,使用冷铁和冒口较少,也可以生产合格风电铸件。这里就有对待球铁缩松不同的工艺出发点。当然,这里没有细说各自的浇冒口和冷铁工艺。其主要原因,是否可以与下条铸造工艺有类似关系?

  国内早期,机床附件行业在铸造各种尺寸的大小卡盘体(盘体直径从100毫米到1000毫米左右)时,材质灰铁300,都没有冒口,而以很小的内浇口,分散均匀进入型腔,浇注速度较长,实现无缺陷高质量铸件生产。(当年多以冲天炉熔炼灰铁300铁水)。

  以上文字,因为笔者水平,能力有限,难免偏僻,仅供参考。


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