厚大斷面球墨鑄鐵件的質(zhì)量影響因素及控制措施

1、中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心徐明君厚大斷面球墨鑄鐵件一般指壁厚大千100mm的鑄件，其自20 世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)。隨著球墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，厚大斷面球墨鑄鐵件的應(yīng)用也愈 加廣泛，包括鐵素體球鐵和珠光體球鐵，涉及到風(fēng)電、核電、造船、冶金、重型機(jī)床等諸多 領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)外很多生產(chǎn)企業(yè)都在積極研制厚大斷面球墨鑄鐵件，典型產(chǎn)品有風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組中的輪轂和機(jī)座、大型船舶柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、核乏燃料儲(chǔ)運(yùn)容器、汽輪機(jī)軸承座等。 本文將結(jié)合國(guó)內(nèi)外鑄造行業(yè)生產(chǎn)、技術(shù)及科研人員的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及研究成果，就厚大斷面球墨 鑄鐵件的質(zhì)量影響因素及控制措施進(jìn)行介紹。1厚大斷面球墨鑄鐵件存在的問題由于厚大 斷面球墨鑄鐵件的尺寸大

2、、壁厚，鑄造時(shí)熱容量大，凝固緩慢，極易造成元素偏析、球化衰 退與孕育衰退，從而導(dǎo)致鑄件的組織和基體發(fā)生變化，特別是在鑄件的心部更加嚴(yán)重。主要 表現(xiàn)為石墨球粗大，石墨球數(shù)量少，石墨漂浮，石墨球產(chǎn)生畸變，形成各種非球狀石墨，如 碎塊狀、開花狀和蠕蟲狀等。同時(shí)由于凝固時(shí)溶質(zhì)元素的再分配還會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的元素偏析及 晶間化合物、反白口、縮孔、縮松等一系列問題，導(dǎo)致鑄件的力學(xué)性能變差。如圖廣圖4所 示。2厚大斷面球墨鑄鐵件的質(zhì)量影響因素通過對(duì)生產(chǎn)及研究情況的分析歸納，表1列出 了厚大斷面球墨鑄鐵件常見問題的影響因素。3厚大斷面球墨鑄鐵件生產(chǎn)的控制措施(1) 爐料的影響與控制厚大斷面球墨鑄鐵件的生產(chǎn)多采用高純

3、生鐵。生鐵中的微量元素總和低于 0.1%，有利于獲得成分合格的鐵液，減少雜質(zhì)元素晶界偏析的程度，削弱干擾元素對(duì)石墨球 化的影響。爐料中的廢鋼以優(yōu)質(zhì)碳素鋼為宜，要嚴(yán)格控制p.s及微量元素含量，防止反球化 元素及偏析元素過量。表2列舉了一些晶間化合物形成元素的臨界含量。(2)鐵液成分的影 響與選擇由于厚大斷面球墨鑄鐵件極易出現(xiàn)石墨漂浮、石墨畸變、球化衰退等缺陷，國(guó)內(nèi)外 的大量研究和試驗(yàn)表明，嚴(yán)格控制鐵液的化學(xué)成分能夠有效減少這些缺陷的產(chǎn)生。表3給出 了生產(chǎn)厚大斷面球墨鑄鐵件鐵液化學(xué)成分含量的參考值。當(dāng)然，根據(jù)各類產(chǎn)品的不同特性要 求，在實(shí)際生產(chǎn)中，一些成分的控制含量可能需要細(xì)微的調(diào)整。微量元素和合

4、金元素對(duì)厚大 斷面球墨鑄鐵件質(zhì)量的影響也倍受研究者的關(guān)注。以下介紹了常用微量及合金元素的控制要 點(diǎn)。1) sb。厚大斷面球鐵中加入適量的sb時(shí)，通過與稀土的作用，可有效地抑制碎塊狀石 墨的形成，并能改善斷面中心部位的球化狀況，使得球徑小、球數(shù)多。生產(chǎn)實(shí)踐表明，對(duì)于 壁厚200mm的鑄件，加入0.005%的sb，經(jīng)孕育處理后，可得到十分圓整的石墨球，并且在單 位面積上石墨球的數(shù)量與不加sb相比增加了一倍。sb能夠促使基體中形成珠光體，適用于 厚大斷面珠光體球鐵件的生產(chǎn)。2) ba。ba具有強(qiáng)烈的孕育作用，其形核能力強(qiáng)，在鐵液中 能大量增加石墨結(jié)晶核心并具有抗衰退性能，但單獨(dú)加ba的作用是有限的，

5、當(dāng)ba與sb復(fù)合 加入時(shí)，ba促使大量石墨形成核心，sb則吸附在共晶團(tuán)邊界上，從而抑制石墨長(zhǎng)大，可以獲 得良好的球化效果。3)bi。bi在一定范圍內(nèi)加入到鐵液中，可以和稀土元素作用形成穩(wěn)定 的高熔點(diǎn)化合物，有利于球墨的異質(zhì)形核，而且其易在球墨周圍形成包圍層。當(dāng)bi的加入量 為0.005%時(shí)，可有效細(xì)化石墨，增加球墨的數(shù)量和球化率，改善球化級(jí)別，阻止或減少異形 石墨的形成。bi可以提高球墨鑄鐵基體中的鐵素體含量。4) sn。sn是消除碎塊狀石墨產(chǎn)生 的元素，原因是其可以強(qiáng)化包圍石墨的奧氏體殼，從而防止石墨球發(fā)生畸變sn的加入能夠 增加基體的珠光體含量。5)cu。cu可以細(xì)化石墨和強(qiáng)化珠光體，阻止

6、鐵素體形成，在厚大 斷面鑄件中加入司，能明顯提高鑄態(tài)機(jī)械性能，并改善厚大斷面組織的均一性。一般加入量 為0.5%加8%。6) mo。mo是穩(wěn)定碳化物元素，能夠提高厚大斷面球墨鑄鐵的抗蠕變能力， 提高球化等級(jí)，加入量一般為02%04%。通常與cu聯(lián)合加入，促進(jìn)大斷面鑄件中心部位球化， 抑制石墨漂浮，加入量cu:mo為2:1。(3)預(yù)處理工藝預(yù)處理工藝，即在球化處理之前，通 過加入預(yù)處理劑。將鐵液中的o.s控制在較低和穩(wěn)定的水平，并形成穩(wěn)定的形核質(zhì)點(diǎn)，為球 化反應(yīng)提供良好條件。預(yù)處理工藝主要優(yōu)點(diǎn)有，降低球化劑的加入量，提高mg的吸收率； 增加單位面積石墨球數(shù)，提高球化率；凈化鐵液，去除鐵液中的夾雜

7、物，形成高質(zhì)量的、穩(wěn) 定的干渣，易于扒除；降低鐵液縮松傾向；提高抗衰退能力。(4)球化和孕育處理1)球化劑 與孕育劑國(guó)外多采用純鎂球化劑或硅鐵鎂球化劑，其對(duì)鐵水純凈度要求較高。根據(jù)我國(guó)的資 源特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)多采用稀土鎂球化劑。研究表明，重稀土鎂球化劑脫硫能力強(qiáng)，石墨球圓整， 抗衰退能力強(qiáng)，更適合于厚大斷面球鐵件生產(chǎn)。輕稀土球化劑通過復(fù)合添加少量sb，能夠顯 著提高球化等級(jí)與球數(shù)。由于各種球化劑都有其自身的特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中，可單獨(dú)使用， 也可配合使用。前蘇聯(lián)、美國(guó)、德國(guó)等曾經(jīng)研究過純釔及釔合金處理球墨鑄鐵，并指出釔是 目前所有元素抗球化衰退、細(xì)化晶粒最好的元素。孕育劑的組成和數(shù)量對(duì)厚大斷面球鐵的孕

8、 育效果有著直接影響。為防止碎塊狀石墨，孕育劑量以不超過0.4%為宜。在孕育劑中添加適 量的sb、bi、ba等微量元素，也可提高孕育效果，消除變異石墨，改善鑄件性能。還有研 究表明，在厚大球墨鑄鐵件熔煉和球化、孕育處理過程中，合理使用增碳劑，會(huì)產(chǎn)生很好的 孕育效果，特別是對(duì)球狀石墨的孕育作用是其他種類的孕育劑難以比擬的。但是，加入增碳 劑會(huì)使鐵液的含氮量升高，需將鐵液靜置保溫，以避免氮?dú)饪兹毕莸漠a(chǎn)生。2）球化和孕育工 藝 沖入法處理方式設(shè)備比較簡(jiǎn)單，容易操作，在生產(chǎn)中靈活性較強(qiáng)，但由于存在較多不確定 因素，沖入法難以保證球化效果的一致性。蓋包法保留了沖入法操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，且能夠使 球化劑的吸收

9、率增加，提高球化的穩(wěn)定性，在國(guó)外已經(jīng)應(yīng)用于厚大斷面風(fēng)電球鐵件的生產(chǎn)。 球化處理時(shí)要注意控制起爆時(shí)間和反應(yīng)時(shí)間。恰當(dāng)選取球化溫度，保證球化劑被充分吸收、 氧化物夾渣和氣體充分上浮到渣中。厚大斷面球墨鑄鐵件的孕育較中小或薄壁件有很大差別。 對(duì)于厚大斷面球墨鑄鐵，孕育處理可以增加石墨球數(shù)，縮短c向石墨球擴(kuò)散的距離，有利于 減少元素的偏析。為了達(dá)到良好的孕育效果，很多企業(yè)采用了多次孕育方式，包括出鐵孕育、 包內(nèi)孕育、孕育塊孕育、型內(nèi)孕育等。對(duì)鐵液進(jìn)行多次孕育處理能較好地避免孕育衰退現(xiàn)象， 并能細(xì)化石墨，增加石墨球數(shù)，提高鑄件的力學(xué)性能。在生產(chǎn)實(shí)踐中，一些企業(yè)采用了喂線 法進(jìn)行球化及孕育處理，可以簡(jiǎn)化操

10、作過程，有效控制球化劑和孕育劑的加入量，提高球化 元素的吸收率，降低原材料成本，且污染較小，利于環(huán)保。用喂線法進(jìn)行處理，減少了人為 因素的影響，處理過程平穩(wěn)可控，球化質(zhì)量穩(wěn)定，能夠滿足較大型球墨鑄鐵件的球化、孕育 要求。5鑄造工藝控制（1）保證砂型的強(qiáng)度和緊實(shí)度，以及砂箱的剛度和強(qiáng)度。（2）控制鐵 液出爐溫度，一般在1460C以下。出爐溫度過高，可能引起含硫量和含碳量增加。為避免碎 塊狀石墨產(chǎn)生，應(yīng)在球化孕育處理后20分鐘內(nèi)澆注完畢。（3）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。可通過相關(guān)模 擬軟件如magma，procast等，對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使鐵液平穩(wěn)充型，保證厚大部位的凝固 得到有效補(bǔ)縮。為了防止夾渣，利于充

11、型，可在澆注系統(tǒng)中設(shè)置過濾網(wǎng)或閉渣裝置。目前， 在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)低溫高韌性鐵素體球墨鑄鐵件生產(chǎn)過程中，基本上采用先進(jìn)的無冒口澆注 工藝，完全依靠球墨鑄鐵凝固的石墨化膨脹特性進(jìn)行補(bǔ)縮，鑄件工藝出品率高。為消除厚大 斷面球鐵件的縮松缺陷，有的生產(chǎn)企業(yè)采用了排氣片工藝，即在厚大部位表面設(shè)置排氣片， 在鑄件凝固時(shí)可以對(duì)其形成液態(tài)靜壓力，進(jìn)而起到補(bǔ)縮作用。對(duì)于厚大斷面鑄件，為了防止 產(chǎn)生縮孔和縮松，宜選擇低溫澆注（1350C以下），澆注溫度適當(dāng)降低，可增加液體粘度，增 大石墨上浮的臨界球徑，這樣漂浮所需阻力增大，有利于防止石墨漂浮。有研究表明，澆注 溫度每升高100 C，液態(tài)收縮將增加1%。 （4）加快冷卻速度。可采用加冷鐵、強(qiáng)制冷卻或金 屬型掛砂的方式加快鑄件冷卻，縮短凝固時(shí)間，以提高鑄件質(zhì)量。鑄鐵冷鐵的導(dǎo)熱率較高， 蓄熱能力強(qiáng)，應(yīng)用很廣。石墨冷鐵的導(dǎo)熱率是鑄鐵冷鐵的三倍左右，但蓄熱能力小，適用于 強(qiáng)制冷卻條件。對(duì)于特大型厚壁球鐵鑄件，進(jìn)行強(qiáng)制冷卻控制是必備的手段。強(qiáng)制冷卻一般 包括風(fēng)冷、霧冷、水冷等。對(duì)于某些容器鑄件，為了增強(qiáng)內(nèi)腔部分激冷效果，也可采用液氮 冷卻方式加快鑄件凝固速度。應(yīng)該指出，在強(qiáng)制冷卻條件下，鑄型材料表面覆砂層材料和厚 度，對(duì)強(qiáng)冷有明顯影響，砂層的熱阻占總熱阻的90%以上，所以合理選用覆砂層材料和厚度 是關(guān)鍵。進(jìn)行強(qiáng)制冷卻時(shí)，需