大断面球墨铸铁件的质量控制措施

1、断面球墨铸铁件的质量控制措施 球墨铸铁自从1947年问世以后，大体经历了十年的过程，便以一种新型的工业金属材料投人了工业生产，并得到了快速的发展，生产比例不断增加。据统计，2005年度世界球铁件产量已达到1959万吨，我国球铁件产量达到583万吨。美国杂志M0dern Casting预测，从2004到2008，全球球墨铸铁件产量的年增长率达到3.8，高于全球金属铸件产量的年平均增长率，位居第二。球铁产量之所以能迅速发展的一个重 要原因是，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。 一般认为，铸件壁厚l00mm以上的球墨铸铁件称为

2、大断面球墨铸铁件。大断面球铁件尺寸大，重量大，壁厚大，铸造时的热容量大，凝固缓慢，极易造成球化衰退与孕育衰退，从而导致铸件的组织和基体发生变化，特别是在铸件的心部更加严重。主要表现为石墨球粗大，石墨球数量减少，石墨漂浮，石墨球产生畸变，形成各种非球状石墨，主要有伪片状、蠕虫状。爆裂状和碎块状。同时由于凝自时溶质元素的再分配还会出现严重的元素偏析及晶间碳化物、反白口等一系列问题，其结果使得球墨铸铁的力学性能变差，特别是延伸率和塑性明显降低，从而制约了大断面球墨铸铁的推广使用。随着制造业的快速发展，在技术条件上，对大型球铁件的内外在质量要求越来越高，铸造工作者面临新的挑战和机遇。 针对大断面球铁生

3、产中存在的问题，铸造工作者提出了多种质量控制措施，现从以下几方面进行介绍。1 加快冷却速度 铸造大型球墨铸铁件的关键工艺措施之一是加快铸件的冷却。通过各种冷却手段，缩短凝固时间，有效控制大断面球铁铸件的质量。一些研究结果认为，铁液的凝固时间应控制在2h之内。对大断面球铁铸件，各种型砂都难于满足快速冷却的要求。提高冷却速度的常规办法是加冷铁，强制冷却、冷铁和强制冷却配合应用。 1)加冷铁冷铁的热导率大，蓄热能力强，是应用最广的加强冷却材料。冷铁工作面第一次使用前要加工，不得有气孔、砂眼等缺陷，重复使用时必须把工掰彩作面磨光且干燥处理，根据实际情况控制冷铁使用次数。实验表明，冷铁只能在一定范围内起

4、作用，铸件壁厚尺寸太大时，仍然不能消除碎块状石墨。 2)强制冷却强制冷却是指使用水冷或水、汽 冷或空气冷等强制措施，强化铸件凝固，减少凝固时间，保证需要的结晶组织。但在使用时，一定要注意强制水冷的安全性。 3)冷铁与强制冷却配合为了能够充分发挥冷铁的冷却作用，特别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。最常用的冷却介质是空气、雾化水、液氧和水，选用哪种介质进行强制冷却，需依具体条件而定。例如，齐齐哈尔二机床企业集团铸造分厂，在进行大断面高伸长率球墨铸铁制造研究过程中，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，显著加快

5、铸件的冷却速度并保证石墨形态，取得了良好的效果。 4)加悬浮剂 浇注时加入悬浮剂均匀分布于铁水内部，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、成份等物化性能，铁液的温度、流动性以及采用的悬浮剂性能等工艺参数，其加入量一般不超过5，但对于厚大断面球铁，由于保持液态时间相对较长，在选择合适微型铁的基础上，加入量可以增加至10。有实验证明，粒度为5.7mm，成分接近大断面球铁模拟试样的化学成分的白口组织的铁丸作为微型冷铁加人到金属液中，可有效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，提高机械性能。2 严格控制化学成分 大断面球墨铸铁件的生产要求严格

6、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4.1一4.3较为适宜。一般控制w (c)在3.43.7，例如文献介绍，在6001500mm大断面球墨铸铁件试制过程中，速择w(c)为3.5-3.7，也取得了良好的效果。 2)Si 硅一方面具有促进石墨化、提高铁索体含量的作用，另一方面又有促进球化衰退、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，硅量应限制在1.8一2.2。 3)Mn 锰是促进碳化物形成元素且易

7、产生偏析，尤其是在厚大断面中，偏析非常严重，富集在晶界上，降低厚大断面的机械性能，须加控制。一般在厚大断面球铁中锰量应控制在0.10.4，铁素体球墨铸铁取下限，珠光体球墨铸铁取上限。 4)P 磷易产生偏析，形成磷共晶，引起铸件的脆性，降低韧性，因而其含量应越低越好，最好在0.02以下。 5)S硫是公认的有害元素，应尽量低。需要采取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。 6)Mg和RE 镁和稀土都属球化元素。镁是主要的球化元素，过量出现白口，在保证球化质量的前提下，应控制残留余量在0.08以下，一般取0.044一0.06；稀土具有和镁一样

8、的球化能力，同时还具有脱氧、去硫、除气，中和球化干扰元素铅、钦、啼、锑、秘等的作用，净化铁水，促进石墨化。残余量过高会引起白口化，恶化石墨形状，一般控制在0.025以下。3 添加微量合金元素 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人铋、锑，可有效地改善石墨形态，增加石墨球数，减少或消除大断面球铁铸件心部的变异石墨，改善球铁性能。 1)Bi 众多文献认为：微量铋和适量的稀土合理搭配，能显著提高大断面球铁球化率，增加石墨球数。一项研究表明，加入0.002Bi并采用型内孕育处理，可显著增加石墨球数。另外，文献介绍，大断面球铁中，加入0.005Bi可有效地细化石墨、提高球化率和石墨球数

9、，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，因此可用于生产以铁素体基体为主的高韧性球铁铸件。 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。有研究证明，向铁水中加入质量分数为(2010-6-5010-6)的Sb，即使w(si)高达2.5也不会出现碎块状石墨。与铋不同的是，锑强烈促使基体中形成珠光体。加入微量锑后，基体中珠光体量大幅增多，强度、硬度明显增加。因此可用在以珠光体基体为主的高强度球铁铸件的生产中。4 合适的球化处理和孕育处理 适用于大断面球铁的球化剂与通常使用的球化剂没有什么本质上的区别。文献认为，处理大断面球墨铸铁的球化剂加入量应较普通球

10、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实验中，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。球化处理采用冲人法，是简便、灵活且最经济的方法，国外也广泛采用。 合理的孕育处理是增加石墨球数的重要而有效的途径，因此当前球铁生产中十分重视瞬时孕育技术的开发。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质量，但文献认为，多级大剂量孕育不仅不能消除碎块状石墨，反而助长了碎块状石墨的产生。近年来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