大断面球墨铸铁件的质量控制措施

球墨铸件自打1947年面世之后,大致经历了十年的过程,便以一种新式的金属复合材料投入了工业化生产,并得到了迅速的发展,生产制造比例连续不断增加。调查显示,2005年度全球球铁件生产量已达到1959万t,在我国球铁件生产量达到583万t。美国杂志《ModernCast2ing》预测,从2004年到2008年,全球球墨铸铁件生产量的增长率达到3.8%,高于全球金属铸造件生产量的年年平均增长率,稳居第二。球铁生产量为什么能迅速发展的一个关键原因是,随着制造业的发展,厚大断面球铁在冶金、机械、交通运输及核燃料储运等方面得到越来越广泛的应用,需求量迅猛增加。

通常认为,铸造件壁厚100mm以上的球墨铸铁件称之为大断面球墨铸铁件。大断面球铁件尺寸大,重量大,壁厚大,精密铸造时的热容量大,凝固较慢,非常容易造成球化衰退与孕育衰退,进而造成铸造件的组织产生变化,尤其是在铸造件的心部更加比较严重。具体表现为石墨球粗大,石墨球数量减少,石墨漂浮,石墨球产生畸变,产生各种各样非球状石墨,主要有伪片状、蠕虫状,爆裂状和碎块状。与此同时因为凝固时溶质元素的再分配,还是会出现比较严重的元素偏析及晶间碳化物、反白口等一连串难题,其結果使得球墨铸件的材料力学性能变差,尤其是伸长率和塑性明显降低,进而制约了大断面球墨铸件的推广应用。随着制造业的迅速发展, 对大型球铁的内外在质量需求越来越高,精密铸造工作人员面临新的挑战和机遇。

针对大断面球铁生产制造中存在问题,精密铸造工作人员提出了多种质量控制措施,现从下列几方面进行详细介绍。

1加快制冷速度

精密铸造大型球墨铸造件的关键加工工艺措施之一是加快铸造件的制冷,通过各种各样制冷手段,缩短凝固时间,有效控制大断面球铁铸造件的质量。某些科学研究結果认为,铁液的凝固时间应控制在2h之内。对大断面球铁铸造件,各种各样型砂都难于满足迅速制冷的需求。提高制冷速度的常规办法是加冷铁、强制制冷、冷铁和强制制冷·1383·FOUNDRYTECHNOLOGYVol.28No.10Oct.2007配合应用。

(1)加冷铁

冷铁的热导率大,蓄热能力强,是应用较广的加强制冷材料。冷铁工作面首次应用前应加工,不可以有气孔、砂眼等缺陷,多次重复使用时务必把工作面磨光且干躁处理,依据实际情况控制冷铁应用次数。试验说明,冷铁只能在一定范围内起作用,铸造件壁厚尺寸太大时,依然不可以消除碎块状石墨。

(2)强制冷却

强制冷却就是指采用水冷、水汽冷或空气冷等强制执行措施,加强铸造件凝固,减小凝固时间,确保需要的结果组织。但在采用时,一定要注意强制水冷的安全系数。

(3)冷铁与强制冷却

相互配合为了更好地可以充分运用冷铁的冷却作用,尤其是石墨冷铁的冷却作用,可在冷铁的内部或外表面采用强制冷却措施。较常用的冷却介质是空气、雾化水、液氧和水,采用哪种介质开展强制冷却,需依具体条件而定。例如,齐齐哈尔市二机床企业集团铸造加工厂,在开展大断面高伸长率球墨铸铁生产制造研究过程中,采用在冷铁中间放置通气管,造型时将冷铁按位置安放好并接通管路,浇注时将压缩空气通人管道中连续供气,明显促进铸造件的冷却速度并确保石墨形态,获得了优良的作用。

(4) 加悬浮剂

浇注时添加悬浮剂均匀分布于铁液内部,起到“内冷铁”的作用。通常的悬浮铸造工艺应考虑介质的颗粒大小、比重、成分等因素,铁液的温度、流动性以及采用的悬浮剂性能等工艺参数,其添加量通常不超过5%,但对于厚大断面球铁,由于保持液态时间相对较长,在选择合适微型冷铁的基础上,添加量可以增加至10%。有实验证明,粒度为5～7mm,成分接近大断面球铁模拟试样化学成分的白口铁组织铁丸作为微型冷铁添加到金属液中,可合理地抑制大断面球铁的球化衰退,改善组织的均匀性及其杂质元素的分布形态,提高力学性能

2严格控制化学成分

大断面球墨铸铁件的生产制造规定严格控制化学成分。

(1) 碳当量

碳当量高易产生石墨漂浮,但过低又易产生缩孔缩松等缺陷。从改善铁液铸造性能考虑,尽量使铁液的碳当量接近共晶点。而由于球化元素的影响,球铁的共晶点右移至4.6%～4.7%。有人认为,控制碳当量在4.1%～4.3%较为适宜。通常控制w(C)在3.4%～3.7%,例如文献]介绍,在«600mm×1500mm大断面球墨铸铁件试制过程中,选择w(C)为3.5%～3.7%,也获得了优良的作用。

(2)Si

硅不仅具有促进石墨化、提高铁素体含量的作用,而且又有促进球化衰退、导致低温脆性、促进碎块状石墨形成的作用。多数研究认为厚大断面球铁中,硅量应限定在1.8%～2.2%。

(3)Mn

锰是促进碳化物形成元素且易产生偏析,须加控制。通常在厚大断面球铁中锰量应控制在0.1%～0.4%,铁素体球墨铸铁取下限,珠光体球墨铸铁取上限。

(4)P

磷在凝固过程极易富集在晶界,造成铸造件的脆性,降低韧性,因而其含量应越低越好,非常好的状况是在0.02%之下。

(5)S

硫是全球公认的有危害元素,应尽可能低。必须采用一定的铁液预脱硫措施来降低铁液的含硫量。但也有研究表明,为保证球化良好,原铁液w(S)不宜过低。

3添加少量合金元素

大量的研究表明,在大断面球铁中,与稀土元素按一定比率加入铋、锑,可有效地改善石墨形态,提升石墨球数,减少或消除大断面球铁铸造件心部的变异石墨,改善球铁性能。

1)Bi

诸多参考文献觉得:少量铋和适量的稀土合理搭配,能明显提升大断面球铁球化率,提升石墨球数。研究表明,加入0.002%Bi并采用型内孕育处理,可明显提升石墨球数。参考文献介绍,在大断面球铁中,加入0.005%Bi可有效地细化石墨、提升球化率和石墨球数,改善球化级别,防止和减少异形石墨的形成。加Bi后球铁基体中铁素体量增多,因而可用于生产制造以铁素体基体为主的高韧性球铁铸造件。

(2)Sb

大断面球铁中,锑对球化率和石墨球数的影响与铋相同。有科学研究证实,向铁液中加入质量分数为(20×10-6～50×60-6)的Sb,即使w(Si)高达2.5%,也不会出現碎块状石墨。与铋不同的是,锑强烈促使基体中形成珠光体。加入少量锑后,基体中珠光体量大幅增多,强度、硬度明显增加。因而可以用在以珠光体基体为主的高强度球铁铸造件的生产制造中。

4适宜的球化处理和孕育处理

主要用于大断面球铁的球化剂与通常使用的球化剂没什么其本质上的差别。参考文献]觉得,处理大断面球墨铸铁的球化剂加入量应较普通级球墨铸铁多,但这将带来一些副作用。球化剂中需加入有生核及抗衰退的微量元素。重稀土球化能力较轻稀土强,抗衰退·1384·

《铸造技术》10/2007李小娟等:大断面球墨铸铁件的质量控制措施能力强,但比使用轻稀土成本要高一些,根据我国原材料资源条件及熔炼条件来看,采用轻、重稀土并用是合理的选择。但如果对材质要求不是特别高时,单独合理使用普通级稀土球化剂也可以满足要求。例如,一汽无锡柴油机厂,在高质量注塑机模板类厚大断面球铁件生产制造试验中,采用轻稀土加锑球化剂,取得了良好的效果。球化处理时要控制起爆时间、反应速度和反应时间。球化处理采用冲入法,是简便、灵活且较经济的方法,国外也广泛采用。

科学合理的孕育处理是增加石墨球数的关键而合理有效的方式,因而当前球铁生产中非常重视瞬时孕育技术的开发设计。孕育剂的选择应与相应的球化剂配合。孕育剂中也应有抗衰退元素。据参考文献介绍,锶、钡的加入对加强孕育、减缓球化衰退的作用较大,长效孕育剂适用于厚大件。一般认为,多级大剂量孕育有利于提高普通球墨铸铁的品质,但参考文献]认为,多级大剂量孕育不但不可以消除碎块状石墨,反倒助长了碎块石墨的产生。近些年的发展趋势是减少孕育量,减少孕育次数,孕育时间尽量短(即瞬时孕育)。孕育方法则应以临近浇注为原则,采用型内孕育、浇口杯孕育丝孕育以及随流孕育效果佳。

此外,要采取科学合理的浇注工艺,铁液进入铸型应平稳充满,浇注温度不适合太高。

大断面球铁的凝固结晶特点对其铸造工艺提出了独特的要求,要想得到内部致密、球化良好、石墨及晶粒细化的大断面铸件,在现有产品质量控制措施的基础性上,还需进行连续不断讨论。