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      球墨鑄鐵氣孔缺陷和縮松缺陷問題解決方案

      發布日期:2024-02-29 07:58:04 作者:admin 點擊:95

      球墨鑄鐵氣孔缺陷和縮松缺陷問題解決方案

      碳能新材 石嘴山市碳能新材料科技有限公司 2024-02-29 07:57

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      氣孔特征

       

          皮下氣孔大多數情況下是由多個直徑為1-3mm的小氣孔,成串橫列于鑄件表面以下1-3mm處。氣孔內壁光滑,呈均勻分布在鑄件上表面或遠離內澆道的部位,但在鑄件側面和底部也偶爾存在。一般為圓球形、團球形、淚滴形、長針形。在鑄態時,皮下氣孔不易被發現;但是,鑄件經熱處理后,或是經機械加工后則顯露。 


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      形成的原因以及防治措施


      1、控制鐵液質量
      (1) 控制殘留鋁量

         濕型球墨鑄鐵件的危險殘留鋁量為0.03%-0.05%,此時會出現皮下氣孔,小于0.03%時,一般不會出現。在不影響金相組織的前提下,澆注前添加0.2%以上的鋁,就可以消除皮下氣孔。但是鑄鐵中的鋁主要來自孕育劑,濕型孕育的球墨鑄鐵件,在鐵液中加入過多的硅鐵孕育劑時,則是鑄件產生皮下氣孔的原因之一。 

       

      (2) 控制鈦量

         鑄鐵中殘留鋁和殘留鈦都有時,過量的殘留鈦會使鑄鐵產生嚴重的皮下氣孔。球墨鑄鐵件殘留鋁量小于0.03%時,一般不出現皮下氣孔,若此時殘留鈦含量超過0.01%時,則會產生皮下氣孔。鈦鋁共同作用下,加劇界面水氣還原,使得界面鐵液含氫量更高,更易形成皮下氣孔。殘留鈦主要來自熔煉爐料生鐵錠,應注意生鐵錠的含鈦量,含鈦量高的與低的搭配使用,控制鈦量。 

       

      (3)減少硫含量 

      錳、硫 對于濕型球墨鑄鐵件,從防止皮下氣孔的角度來講,硫元素是有害元素。當硫元素含量超過0.094%時容易產生皮下氣孔,硫含量越高,出現缺陷的情況越嚴重。除此之外,產生的H2S可能會使缺陷更加嚴重。球化處理之后產生的氧化物、硫化物渣,清理干凈。否則產生在界面處產生H2S氣體也會形成皮下氣孔,這種皮下氣孔周圍的石墨球化不良。 

       

      (4)添加稀土元素

         加入稀土元素能夠脫氧、脫硫,提高鑄鐵液態的表面張力,能夠有效的防止皮下氣孔的產生。球墨鑄鐵一般用稀土鎂硅鐵合金做球化劑,澆注前鐵液中加碲(Te)0.002%(20ppm),加入量很少就可以起到明顯的效果。 

       

      (5)控制澆注溫度

         為防止球墨鑄鐵件產生皮下氣孔,選擇正確的澆注溫度,避免落入危險的澆注溫度范圍(危險澆注溫度1310℃-1250℃)。 (6)控制鐵液原始含氫量實踐證明當鐵液含氫量到4-5ppm,此時易產生皮下氣孔,一般原始鐵液含氫量控制在2-2.5ppm以下,開爐后1.5-3.5小時內,含氫量較高不適宜澆注。 

       


      2、鑄型因素的控制

      (1)控制型砂含水量

         濕型型砂的水分、死粘土和附加物 水分應少于5%,當水分從4.5%到6.5%時,球墨鑄鐵的皮下氣孔出現的幾率會增加7-10倍。在砂型中添加煤粉(4%-6%)、赤鐵礦粉(2%)、二氟化銨(2%-2.5%)等各種附加物都有利于防止皮下氣孔。 

       

      (2)型砂溫度

         流水線生產時,對于皮下氣孔非常敏感的球墨鑄鐵,不能用冒熱氣溫度超過35℃的熱砂造型,否則極易在鑄件過熱部位出現皮下氣孔,不解決熱型砂造型問題,其他防治措施的效果不理想。因此在砂處理系統設計上舊砂回用的砂冷卻裝置,容量足夠的貯砂斗等設備設施,工藝上定時添加新砂及合理的濕型型砂壁厚度等,保證生產制造時不出現熱型砂造型的問題。 


      (3)型腔表面抖敷熔劑粉

      常用的熔劑粉是冰晶石粉或者氟化鈉粉,據有關統計,抖敷的氟化鈉粉的同不抖敷的相比較,可使球墨鑄鐵皮下氣孔產生的缺陷由25%降至5%,有利的減少皮下氣孔。 

       

      (4)型砂中加入適量煤粉

         型砂加入煤粉4-5%澆注時煤粉在金屬鑄型界面形成還原性氣膜,不僅可以防治鑄件粘砂,而且可能抵制了界面水氣的反應,也是防止皮下氣孔。另外也可以加入瀝青2%或木屑粉2%-3%來防止皮下氣孔。

      防止球墨鑄鐵件縮孔、縮松方法的新進展

      上世紀50年代初(甚至更早),鑄造界就發現鑄鐵件由石墨析出產生的體積膨脹可對鑄件起到自補縮作用,然而,至今仍然有不少鑄造工藝人員不會很好地利用這種自補縮作用。一般認為C),ωSi)量越高,孕育作用越強,越有利于石墨化;石墨化膨脹量越大,自補縮作用就越好。他們不知道石墨膨脹發生時間對補縮作用會有影響,甚至有人主張要采取工藝措施,使石墨化膨脹提前,使膨脹與凝固初期的收縮均衡,達到減少外部補縮量,從而減小冒口尺寸的目的,其結果反而導致外部補縮與石墨化膨脹相互抵觸,使鑄件更容易產生縮孔、縮松缺陷。

               隨著生產技術的發展,鑄造界對此問題的認識已逐步深化。早在21年前,RW Heine就發現:先共晶石墨析出使石墨化膨脹提前,不但使膨脹不能用于補縮,反而會使鐵液倒流,進人冒口導致鑄件產生縮孔、縮松缺陷。近年來,國外已經開展了如何利用石墨化膨脹自補縮作用的試驗研究,并且加強對到如何控制石墨析出時間,使石墨化膨脹高峰期推遲的方法?,F摘要介紹如下石墨析出時間的控制。最初只是通過控制ωC),ωSi)量和孕育強度,以防止初生石墨析出引起膨脹過早;目前,已發展到研制特殊球化劑和特殊孕育劑,使石墨析出高峰從鑄件凝固初期推遲到凝固后期,也就是使大部分石墨化膨脹推遲到型腔進出口已凝固封閉、外部補縮已停止、只能依靠石墨化膨脹進行自補縮的凝固后期,從而使膨脹更有效地起到消除縮孔、縮松的作用。

      2011年,??瞎?Elkem Metals.Inc.)技術服務部經理Doug White在“防止縮孔、縮松缺陷,提高球鐵件工藝出品率”的論文中列述了防止球墨鑄鐵件縮孔、縮松缺陷的各項措施,其中幾項主要措施都涉及。

      1、在不發生石墨漂浮、沒有初生石墨析出的前提下盡量提高ω(C)量

              1是按照壁厚為13~38mm的鑄件制作出來的。為防止石墨漂浮,鑄件的碳當量(CE=C+1/3Si)不能超過4.55%;對于更薄的鑄件,CE可以適當提高。

      此外,上世紀80年代中期,英國鑄鐵研究學會(BCIRA)曾受美國鑄造學會委托,系統研究了各種工藝因素對球墨鑄鐵石墨漂浮的影響。表1為試樣的情況,表2是不同Si量、不同壁厚的方形試棒防止石墨漂浮的最高ω(C)量(澆注溫度為1400℃),即減少縮孔、縮松傾向的最高ω(G)量。

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      共晶凝固包括奧氏體和石墨同時析出以及石墨在奧氏體外殼包圍下長大。如果按照共晶凝固方式進行凝固,縮孔、縮松傾向將隨ω(C)量增加而減小。但ω(C)量過高,凝固過程將以析出初生石墨開始,大部分由石墨析出所產生的膨脹會在凝固初期被消耗掉,這是由于石墨在鐵液中上浮時,析出速度過快造成的。在凝固后期,共晶團之間的孤立液池凝固時,由于石墨化膨脹量不足以補充體積收縮,故縮孔、縮松傾向較大。

      2、控制石墨析出產生膨脹的時間

              如果石墨析出過早,在凝固后期澆、冒口不能提供補縮液體時,石墨化膨脹量將會過小,將會產生大量的縮孔、縮松缺陷。因此,從凝固開始到凝固結束,石墨析出應始終保持相同的速度,尤其是凝固初期石墨析出不宜過快。影響凝固各階段石墨析出量的因素有:

              (1) ω(C)和ω(Si)量

      按表1和表2將CE控制在目標值的同時,應采取高C低Si的原則。因為C是使石墨膨脹的元素,Si是影響凝固初期膨脹量的元素,ω(Si)量較高,使石墨球數增加,出現較多的鐵素體,并且會使石墨析出較早,進而導致凝固初期膨脹量過大,凝固后期殘余鐵液凝固時膨脹量不足。因此,ω(Si)量只要能夠防止碳化物形成、強化鐵素體達到力學性能要求即可,不宜過高。

      (2)孕育劑

      孕育劑的加入量過多或采用含Bi的孕育劑將導致石墨球數增多,耐石墨球的尺寸均勻,進而使縮孔、縮松傾向增大。

      (3) ω(Mg)量

      隨著ω(Mg)量的增加,縮孔、縮松傾向也隨之增大,因此,應嚴格控制ω( Mg)量。

      3、穩定控制原鐵液的ω(S)量

              由于石墨球數隨ω(S)量的增加而增多,所以,在生產壁厚較薄、白口傾向較大的鑄件時,采用ω(S)量較高的原鐵液是防止碳化物形成的有效措施。但原鐵液的ω(S)量過高,會使石墨析出過早、石墨球較多且尺寸均勻,導致縮孔、縮松傾向增大,這種現象多出現在厚斷面鑄件。原鐵液ω(S)量變化較大將導致石墨球數及尺寸均發生較大的變化,為此,在鑄造生產中各包次原鐵液的ω(S)量應盡量保持一致。

      4、避免原鐵液停留時間過長

              由于在原鐵液停留期間,其形核能力會發生衰減,而且會損失大量的C,所以,在進行球化處理和孕育處理前應避免原鐵液停留時間過長。如果在出鐵溫度下停留約30 min后才進行球化處理和孕育處理,很容易形成碳化物和產生縮孔、縮松缺陷,而且這種碳化物即使采用包內孕育和隨流孕育的方法也很難消除。若此時加入晶體石墨(例如石墨電極切屑)則可以恢復部分形核能力,補償停留引起的ω(C)量損失。

      5、避免球化處理后的鐵液停留時間過長

         球化處理后的鐵液在自動澆注包內停留25~30 min,會使鐵液的形核能力降低,縮孔、縮松傾向增大,這種情況下,利用熱分析方法可有助于將鐵液恢復到縮孔、縮松傾向較低的狀態。向自動澆注包補加新鮮處理的鐵液,并加人0.1%用含S化合物和含O化合物包覆的孕育劑,可使這種已經衰退的死鐵液恢復形核能力。

      6、采用減小縮孔、縮松的專用球化

              傳統的MgFeSi球化劑一般加入混合RE(mischmetal),目的是抵消反球化元素、防止澆注溫度低時鑄件邊緣產生碳化物和優化石墨球數。專用球化劑中不加混合RE,而是加入純度較高的La,利用此類球化劑生產的鑄件不僅石墨球數多,而且石墨球的尺寸大小不一,凝固初期形成的石墨球數也略有減少,中、小尺寸的石墨球數明顯增多,說明凝固過程中石墨析出量自始至終比較一致,因此,在凝固后期有較大的膨脹

              表3為A、B兩種型內球化劑的成分對比。表3中兩種球化劑的La加入量相同,只是A種球化劑中除La外還有其他稀土元素,且量較多,B種球化利中則不含其它稀土元素;鐵液均來自同一自動澆注包,兩種球化劑分別放入兩個鑄型,二者澆注時問間隔僅有數秒鐘,因此,對比條件基本上是相同的。

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          2是使用這兩種球化劑所生產鑄件的金相組織,圖3為兩種球化劑得到的球墨尺寸分布對比。使用A種球化劑得到的大尺寸球墨相對較多,而使用B種球化劑得到的大尺寸石墨球較少,且以中、小石墨球為主,尺寸分布偏向于較細小的石墨球,即縮孔、縮松傾向較小。

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          石墨球的尺寸與其析出和開始長大的時間有關。從圖3可以看出,采川A種球化劑處理時,凝固初期析出石墨(尺寸較大的石墨)數量相對較多,凝固后期析出的石墨(尺寸較小的石墨)相對較少;而采用B種球化劑處理時,凝固末期(冒口已不能提供補縮鐵液)析出的石墨相對較多,囚而可以預測到它的縮孔、縮松傾向較小。

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      4、B兩種球化劑生產的鑄件縮孔、縮松情況對比,從圖4可以看出,讓部分石墨保留到凝固后期析出和膨脹,可有效減小縮孔、縮松傾向;球墨尺寸分散、并且多為小尺寸石墨(多數為后期析出),有利于減小縮孔、縮松傾向。

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      7、采用減小縮孔、縮松的專利孕育

      采用含S化合物和含O化合物包覆的專利孕育劑也可使球墨尺寸分布向小尺寸偏移。圖5為普通孕育劑與專利孕育劑的球墨數量和尺寸分布對比。從圖5可以看出:對一于壁厚為5mm的薄件,兩種孕育劑生產的鑄件石墨形態幾無差別;而對于厚斷面鑄件,兩種孕育劑生產的鑄件石墨形態則差別較大。用普通孕育劑處理時,隨著鑄件斷面厚度的增加,5mm厚的鑄件石墨球數從297/mm2 減少至40 mm厚鑄件的155/mm2,由于尺寸較大的石墨球析出時間較早,長大時間較長,所以石墨球尺寸會變得更大;而用專利孕育劑處理時,石墨球數幾乎沒有發生變化,甚至略有增多,5 mm厚的鑄件石墨球數從297/mm2增至312/mm2,40 mm厚的鑄件石墨球數從155/mm2增至340/mm2,而且大尺寸的石墨球很少,中、小尺寸的石墨球占多數。

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      6為采用不同孕育劑處理的十字形試樣的縮孔、縮松情況對比,從圖6可以看出,縮孔、縮松傾向的大小與球墨尺寸分布有關。

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      8、利用熱分析曲線預測球墨尺寸和縮孔、縮松傾向

          圖7為采用傳統孕育劑與采用S、O包覆的專利孕育劑處理的球墨鑄鐵的熱分析曲線對比。從圖7可以看出,用傳統孕育劑處理的球墨鑄鐵件,其冷卻曲線后半段呈大圓弧形;用S、O包覆的專利孕育劑處理的球墨鑄鐵件,由于在整個凝固過程中C和奧氏體的析出速度始終較為均勻,其冷卻曲線比較平坦,并且其過冷度和再輝度均較小。高的再輝度表明凝固初期C和奧氏體析出較迅速,平坦的曲線說明縮孔、縮松傾向較小。

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               為進一步顯示圖7兩條熱分析曲線的差別,對兩條曲線進行了一階微分處理,結果如圖8所示。使用專利孕育劑時,曲線在凝固終點處的轉角較小、較尖,說明凝固后期熱分析曲線斜度變化較大,是縮孔、縮松傾向較小的標志。

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      研究表明,如果孕育目的僅是使尺寸相同的石墨球數增加,那么孕育過度必然會導致縮孔、縮松缺陷產生。圖9是石墨球數量、尺寸分布與縮孔、縮松的關系,從圖9可以看出,石墨球數從175/mm2增至225/mm2,縮孔、縮松也隨之增加;但隨著石墨球數增加,石墨球尺寸分布以小尺寸的石墨球隨之增多,縮孔、縮松傾向則可以大大減小。

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      9、提高凝固速度

          對于大型鑄件,往往希望有較多的石墨球數和較高的球化率,采用激冷技術不但可以防止縮孔、縮松缺陷的產生,還有利于增加石墨球的數量和提高球化率;而使用冒口不但降低工藝出品率,還會延長凝固時間而使組織變差。

          對鑄件容易產生縮孔、縮松的部位采用激冷技術的方法有多種,除了常用外冷鐵和內冷鐵之外,還可以在鑄件容易產生縮孔、縮松的部位設置一些散熱針或散熱片,使鑄件熱量向型砂的傳遞速度加快,從而防止該部位產生縮孔、縮松。這些散熱針或者散熱片可以直接在模具和芯盒上做出,也可以在砂芯(或砂型)上鉆孔做出。

      10、采用剛度高且均勻的鑄型

           如果鑄型剛度足夠高,球鐵件可以采用無冒口工藝生產為盡可能提高濕型粘上砂的剛度,防止其型壁移動而產生縮孔、縮松缺陷,要注意確保型砂性能和加強造型機維護保養,模具上的深凹部位,要注意排氣通暢。

      結 束 語
          總之,防止球鐵件縮孔、縮松缺陷的措施有很多,其中如何合理利用石墨化膨脹的自補縮作用很重要。利用膨脹進行補縮不是通過簡單地提高ω(C)ω(Si)量、強化孕育和增大石墨化膨脹量,還必須重視對石墨析出時間的控制,要盡量避免石墨析出過早,防止凝固初期由于膨脹過早、過大而使來自澆、冒口的外部液態補縮受阻;要選擇恰當的ω(C)ω(Si)量、控制原鐵液質量、改進球化劑和孕育劑,使石墨析出高峰期(也就是膨脹高峰)推遲,確保鑄件在其型腔進出口已凝固封閉、外部補縮已停止、只能依靠石墨化膨脹進行自補縮的鑄件在凝固后期有足夠的石墨化膨脹進行補縮。

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