大斷面球墨鑄鐵件的質(zhì)量控制措施

2020-10-09 09:20:58

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球墨鑄件自打1947年面世之后,大致經(jīng)歷了十年的過程,便以一種新式的金屬復(fù)合材料投入了工業(yè)化生產(chǎn),并得到了迅速的發(fā)展,生產(chǎn)制造比例連續(xù)不斷增加。調(diào)查顯示,2005年度全球球鐵件生產(chǎn)量已達(dá)到1959萬t,在我國球鐵件生產(chǎn)量達(dá)到583萬t。美國雜志《ModernCast2ing》預(yù)測,從2004年到2008年,全球球墨鑄鐵件生產(chǎn)量的增長率達(dá)到3.8%,高于全球金屬鑄造件生產(chǎn)量的年年平均增長率,穩(wěn)居第二。球鐵生產(chǎn)量為什么能迅速發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵原因是,隨著制造業(yè)的發(fā)展,厚大斷面球鐵在冶金、機(jī)械、交通運(yùn)輸及核燃料儲(chǔ)運(yùn)等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用,需求量迅猛增加。

通常認(rèn)為,鑄造件壁厚100mm以上的球墨鑄鐵件稱之為大斷面球墨鑄鐵件。大斷面球鐵件尺寸大,重量大,壁厚大,精密鑄造時(shí)的熱容量大,凝固較慢,非常容易造成球化衰退與孕育衰退,進(jìn)而造成鑄造件的組織產(chǎn)生變化,尤其是在鑄造件的心部更加比較嚴(yán)重。具體表現(xiàn)為石墨球粗大,石墨球數(shù)量減少,石墨漂浮,石墨球產(chǎn)生畸變,產(chǎn)生各種各樣非球狀石墨,主要有偽片狀、蠕蟲狀,爆裂狀和碎塊狀。與此同時(shí)因?yàn)槟虝r(shí)溶質(zhì)元素的再分配,還是會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的元素偏析及晶間碳化物、反白口等一連串難題,其結(jié)果使得球墨鑄件的材料力學(xué)性能變差,尤其是伸長率和塑性明顯降低,進(jìn)而制約了大斷面球墨鑄件的推廣應(yīng)用。隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展, 對大型球鐵的內(nèi)外在質(zhì)量需求越來越高,精密鑄造工作人員面臨新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

針對大斷面球鐵生產(chǎn)制造中存在問題,精密鑄造工作人員提出了多種質(zhì)量控制措施,現(xiàn)從下列幾方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1加快制冷速度

精密鑄造大型球墨鑄造件的關(guān)鍵加工工藝措施之一是加快鑄造件的制冷,通過各種各樣制冷手段,縮短凝固時(shí)間,有效控制大斷面球鐵鑄造件的質(zhì)量。某些科學(xué)研究結(jié)果認(rèn)為,鐵液的凝固時(shí)間應(yīng)控制在2h之內(nèi)。對大斷面球鐵鑄造件,各種各樣型砂都難于滿足迅速制冷的需求。提高制冷速度的常規(guī)辦法是加冷鐵、強(qiáng)制制冷、冷鐵和強(qiáng)制制冷·1383·FOUNDRYTECHNOLOGYVol.28No.10Oct.2007配合應(yīng)用。

(1)加冷鐵

冷鐵的熱導(dǎo)率大,蓄熱能力強(qiáng),是應(yīng)用較廣的加強(qiáng)制冷材料。冷鐵工作面首次應(yīng)用前應(yīng)加工,不可以有氣孔、砂眼等缺陷,多次重復(fù)使用時(shí)務(wù)必把工作面磨光且干躁處理,依據(jù)實(shí)際情況控制冷鐵應(yīng)用次數(shù)。試驗(yàn)說明,冷鐵只能在一定范圍內(nèi)起作用,鑄造件壁厚尺寸太大時(shí),依然不可以消除碎塊狀石墨。

(2)強(qiáng)制冷卻

強(qiáng)制冷卻就是指采用水冷、水汽冷或空氣冷等強(qiáng)制執(zhí)行措施,加強(qiáng)鑄造件凝固,減小凝固時(shí)間,確保需要的結(jié)果組織。但在采用時(shí),一定要注意強(qiáng)制水冷的安全系數(shù)。

(3)冷鐵與強(qiáng)制冷卻

相互配合為了更好地可以充分運(yùn)用冷鐵的冷卻作用,尤其是石墨冷鐵的冷卻作用,可在冷鐵的內(nèi)部或外表面采用強(qiáng)制冷卻措施。較常用的冷卻介質(zhì)是空氣、霧化水、液氧和水,采用哪種介質(zhì)開展強(qiáng)制冷卻,需依具體條件而定。例如,齊齊哈爾市二機(jī)床企業(yè)集團(tuán)鑄造加工廠,在開展大斷面高伸長率球墨鑄鐵生產(chǎn)制造研究過程中,采用在冷鐵中間放置通氣管,造型時(shí)將冷鐵按位置安放好并接通管路,澆注時(shí)將壓縮空氣通人管道中連續(xù)供氣,明顯促進(jìn)鑄造件的冷卻速度并確保石墨形態(tài),獲得了優(yōu)良的作用。

(4) 加懸浮劑

澆注時(shí)添加懸浮劑均勻分布于鐵液內(nèi)部,起到“內(nèi)冷鐵”的作用。通常的懸浮鑄造工藝應(yīng)考慮介質(zhì)的顆粒大小、比重、成分等因素,鐵液的溫度、流動(dòng)性以及采用的懸浮劑性能等工藝參數(shù),其添加量通常不超過5%,但對于厚大斷面球鐵,由于保持液態(tài)時(shí)間相對較長,在選擇合適微型冷鐵的基礎(chǔ)上,添加量可以增加至10%。有實(shí)驗(yàn)證明,粒度為5～7mm,成分接近大斷面球鐵模擬試樣化學(xué)成分的白口鐵組織鐵丸作為微型冷鐵添加到金屬液中,可合理地抑制大斷面球鐵的球化衰退,改善組織的均勻性及其雜質(zhì)元素的分布形態(tài),提高力學(xué)性能

2嚴(yán)格控制化學(xué)成分

大斷面球墨鑄鐵件的生產(chǎn)制造規(guī)定嚴(yán)格控制化學(xué)成分。

(1) 碳當(dāng)量

碳當(dāng)量高易產(chǎn)生石墨漂浮,但過低又易產(chǎn)生縮孔縮松等缺陷。從改善鐵液鑄造性能考慮,盡量使鐵液的碳當(dāng)量接近共晶點(diǎn)。而由于球化元素的影響,球鐵的共晶點(diǎn)右移至4.6%～4.7%。有人認(rèn)為,控制碳當(dāng)量在4.1%～4.3%較為適宜。通?？刂?/span>w(C)在3.4%～3.7%,例如文獻(xiàn)]介紹,在?600mm×1500mm大斷面球墨鑄鐵件試制過程中,選擇w(C)為3.5%～3.7%,也獲得了優(yōu)良的作用。

(2)Si

硅不僅具有促進(jìn)石墨化、提高鐵素體含量的作用,而且又有促進(jìn)球化衰退、導(dǎo)致低溫脆性、促進(jìn)碎塊狀石墨形成的作用。多數(shù)研究認(rèn)為厚大斷面球鐵中,硅量應(yīng)限定在1.8%～2.2%。

(3)Mn

錳是促進(jìn)碳化物形成元素且易產(chǎn)生偏析,須加控制。通常在厚大斷面球鐵中錳量應(yīng)控制在0.1%～0.4%,鐵素體球墨鑄鐵取下限,珠光體球墨鑄鐵取上限。

(4)P

磷在凝固過程極易富集在晶界,造成鑄造件的脆性,降低韌性,因而其含量應(yīng)越低越好,非常好的狀況是在0.02%之下。

(5)S

硫是全球公認(rèn)的有危害元素,應(yīng)盡可能低。必須采用一定的鐵液預(yù)脫硫措施來降低鐵液的含硫量。但也有研究表明,為保證球化良好,原鐵液w(S)不宜過低。

大斷面球墨鑄鐵件的質(zhì)量控制措施

3添加少量合金元素

大量的研究表明,在大斷面球鐵中,與稀土元素按一定比率加入鉍、銻,可有效地改善石墨形態(tài),提升石墨球數(shù),減少或消除大斷面球鐵鑄造件心部的變異石墨,改善球鐵性能。

1)Bi

諸多參考文獻(xiàn)覺得:少量鉍和適量的稀土合理搭配,能明顯提升大斷面球鐵球化率,提升石墨球數(shù)。研究表明,加入0.002%Bi并采用型內(nèi)孕育處理,可明顯提升石墨球數(shù)。參考文獻(xiàn)介紹,在大斷面球鐵中,加入0.005%Bi可有效地細(xì)化石墨、提升球化率和石墨球數(shù),改善球化級(jí)別,防止和減少異形石墨的形成。加Bi后球鐵基體中鐵素體量增多,因而可用于生產(chǎn)制造以鐵素體基體為主的高韌性球鐵鑄造件。

(2)Sb

大斷面球鐵中,銻對球化率和石墨球數(shù)的影響與鉍相同。有科學(xué)研究證實(shí),向鐵液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(20×10-6～50×60-6)的Sb,即使w(Si)高達(dá)2.5%,也不會(huì)出現(xiàn)碎塊狀石墨。與鉍不同的是,銻強(qiáng)烈促使基體中形成珠光體。加入少量銻后,基體中珠光體量大幅增多,強(qiáng)度、硬度明顯增加。因而可以用在以珠光體基體為主的高強(qiáng)度球鐵鑄造件的生產(chǎn)制造中。

4適宜的球化處理和孕育處理

主要用于大斷面球鐵的球化劑與通常使用的球化劑沒什么其本質(zhì)上的差別。參考文獻(xiàn)]覺得,處理大斷面球墨鑄鐵的球化劑加入量應(yīng)較普通級(jí)球墨鑄鐵多,但這將帶來一些副作用。球化劑中需加入有生核及抗衰退的微量元素。重稀土球化能力較輕稀土強(qiáng),抗衰退·1384·

《鑄造技術(shù)》10/2007李小娟等:大斷面球墨鑄鐵件的質(zhì)量控制措施能力強(qiáng),但比使用輕稀土成本要高一些,根據(jù)我國原材料資源條件及熔煉條件來看,采用輕、重稀土并用是合理的選擇。但如果對材質(zhì)要求不是特別高時(shí),單獨(dú)合理使用普通級(jí)稀土球化劑也可以滿足要求。例如,一汽無錫柴油機(jī)廠,在高質(zhì)量注塑機(jī)模板類厚大斷面球鐵件生產(chǎn)制造試驗(yàn)中,采用輕稀土加銻球化劑,取得了良好的效果。球化處理時(shí)要控制起爆時(shí)間、反應(yīng)速度和反應(yīng)時(shí)間。球化處理采用沖入法,是簡便、靈活且較經(jīng)濟(jì)的方法,國外也廣泛采用。

科學(xué)合理的孕育處理是增加石墨球數(shù)的關(guān)鍵而合理有效的方式,因而當(dāng)前球鐵生產(chǎn)中非常重視瞬時(shí)孕育技術(shù)的開發(fā)設(shè)計(jì)。孕育劑的選擇應(yīng)與相應(yīng)的球化劑配合。孕育劑中也應(yīng)有抗衰退元素。據(jù)參考文獻(xiàn)介紹,鍶、鋇的加入對加強(qiáng)孕育、減緩球化衰退的作用較大,長效孕育劑適用于厚大件。一般認(rèn)為,多級(jí)大劑量孕育有利于提高普通球墨鑄鐵的品質(zhì),但參考文獻(xiàn)]認(rèn)為,多級(jí)大劑量孕育不但不可以消除碎塊狀石墨,反倒助長了碎塊石墨的產(chǎn)生。近些年的發(fā)展趨勢是減少孕育量,減少孕育次數(shù),孕育時(shí)間盡量短(即瞬時(shí)孕育)。孕育方法則應(yīng)以臨近澆注為原則,采用型內(nèi)孕育、澆口杯孕育絲孕育以及隨流孕育效果佳。