球墨铸铁件常见缺陷和工艺措施方案

1、攀枝花学院Panzhihua University本科毕业设计（论文）文献综述院 （系）：材料工程学校专业：材料成型及控制工程班级 ：2010级材料成型及控制工程2 班学生姓名：范家栋学号 :201011102011.2013年 12月 4 日文献综述：球墨铸铁件常见缺陷及工艺措施摘要：本文对球墨铸铁件生产中常见的缩孔、缩松、夹渣、 、皮下气孔、球化衰退与球化不良缺陷及影响因素进行了详细分析 , 并根据实际情况提出了一些有效的工艺措施措施。关键词：球墨铸铁缺陷 工艺措施球墨铸铁是 20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料 . 具有良好的强度和韧性 , 其机械性能与铸钢件相当 , 在耐热性、

2、耐蚀性及耐磨性上优于传统的片状石墨铸铁 , 而且在经济上球墨铸铁件生产成本低于铸钢件 , 因此高强度球墨铸铁件在结构件上有取代铸钢的趋势。当然 . 球墨铸铁因其自身特性常产生一些常见缺陷外的特有缺陷。 这些缺陷影响铸件性能 , 使铸件废品率增高。 为了防止这些缺陷的发生 , 有必要对其进行分析 , 总结出各种影响因素 , 提出防止措施 , 才能有效降低缺陷的产生 , 提高铸件的力学性能及生产效益。 本文将讨论球铁件的主要常见缺陷 : 缩孔、缩松、夹渣、皮下气孔、石墨漂浮、球化不良及球化衰退。1 缩孔缩松1.1产生原因缩孔的形状不规则 . 孔壁粗糙。防止缩孔产生的条件是合金在恒温或很小的温度范围

3、内结晶。 铸件壁逐层凝固的方式进行凝固。 液态合金填满铸型后。 因铸型吸热 . 靠近型腔表面的金属很快就降到凝固温度 . 凝固成一层外壳 . 温度下降 . 合金逐层凝固 . 凝固层加厚 . 内部的剩余液体 . 由于 液体收缩和补充凝固层的凝固收缩 . 体积缩减 . 液面下降 . 铸件内部出现空隙 . 直到内部完全凝固 . 在铸件上部形成.缩孔。已经形成缩孔的铸件的铸件继续冷却到室温时. 因固态收缩 . 铸件的外形轮廓尺寸略有缩小 , 如缩孔的形成过程分为 4个阶段见图 1. 21缩松为当合金结晶温度范围较宽时. 在铸件表面结壳后 . 内部有一个较宽的液、固两相共存的凝固区域。 继续凝固 . 固

4、相不断增多。 凝固后期 . 先生成的树枝晶相互接触 . 将合金液分割成许多小的封闭区域 . 当封闭区域内合金液凝固收缩得不到补充时 . 就形成了缩松。缩松可以看成为许多分散的小缩孔 . 合金的结晶温度范围愈宽 . 愈易形成缩松。缩松一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近 . 也常分布在集中缩孔的下方 . 见宏观缩送形成图 1. 2 2 。图 1.1球铁缩孔形成示意图图 1.2 球铁缩松形成示意图1.2影响因素碳当量.文献指出碳当量过高会推迟冒口中补缩金属的传输. 结果使得冒口颈凝固过早 . 补缩通道受到限制 . 在铸件中形成缩孔、缩松缺陷 . 而且高的碳当量还会促进铸件胀大.

5、 增加补缩液量的要求. 无缩孔、缩松铸件的碳硅含量范围为c%+si%/73. 9 3 ；橘堂 忠 4 等人的研究表明 CE在4.5%到4.6%之间时获得无缩孔及缩松铸件 .CE在大于 4.6%时易获得缩孔及缩松缺陷。残留镁元素残留镁元素含量高导致缩孔、缩松倾向大 . 大致有三种影响机制：残留镁含量高阻碍补缩 . 增大队冒口的要 求 5 ；残留镁留亮过高阻碍石墨 化 6 ；增加镁含量膨胀增加 . 因而加大对补缩的要 求 7 。稀土元素在一定范围内的稀土元素能减少铸件的缩孔和缩松倾向 . 过量则增加白口倾向 . 薄壁件可通过稀土铈来增加石墨球数来增加补缩。铸型强度的影响由于球墨铸铁特有的糊状凝固特

6、点. 凝固过程中有石墨化膨胀阶段. 其膨胀量大约是灰铸铁的 5倍 . 若铸型强度不够则会出现“胀型”或错箱缺陷. 引起铸型内型腔的变化 . 导致缩松倾向加 大 8 。孕育的影响表面增大孕育量 , 加大铸件的收缩体型 . 增大缩松倾向；明高强度铸型强度下 . 提高孕育量会减少缩松倾 向 9 。1.3防止措施控制铁液成分 :保持较高的碳当量 3.9%;尽量降低磷含量 0.08%;降低残留镁量 0055%时 , 皮下气孔剧增多。 同时 , 在球化剂加入量相同的情况下 , 原铁水中含 S量高 , 球墨铸铁中含 S量也高。随着 Mg与 S含量增加 , 球墨铸铁中.MgS 含量也增加 , 由于 MgS与湿

7、砂型 ( 芯) 中水分作用 , 生成硫化氢气体 , 从而构成皮下气孔 :MgS+H2OMgO(烟气 )+H2S 个另外 , 从球墨铸铁中析出的Mg蒸汽也可直接与型芯中水分作用, 生成 MgO烟气与氢气, 也导致皮下气孔的产生：Mg(蒸汽 )+H2OM gO(烟气 )+2H 。Al 与Ti ：由表 1. 311 看出 , 球墨铸铁中含 A I 量在 0.03%以下 , 一般不会产生皮下气孔。如果 AI 、T i 并存 , 则皮下气孔数会迅速增加。这可能由于一方而 A ITi 含量提高后加剧了铁水与砂型的界面反应放出H :2Al+3H 2O Al 203+6H ;Ti+2H2O Ti 2O+4H从

8、而导致铁水吸氢后造成析出性气孔; 另一方面 AlTi都是强烈的脱氧元素 , 促使铁与水汽反应 , 不仅产生氢 , 而且其反应产物 FeO被铁水中 C还原成 CO,后者分解生成 C和CO,都易造成皮下气孔产生。表1.3含 Al 、 Ti 亮对皮下气孔影响浇注温度提高浇注温度能延缓氧化膜的生成. 防止熔渣进入型腔 . 同时对砂型烘烤时间加长 . 有利于砂型表面的水分向外迁移。而靠近铸件砂型表层水分少了。尽管铁水在铸型内冷却时也产生一些MgS , 但与铸型界而作用产生H多与 H的机率下降 ,故高温浇注使皮下气孔减少。砂型紧实度与透气性型砂的透气性太低 . 导致型壁所产生的气体不能排出型外 . 而向金

9、属侵入 . 致使铸件产生气孔；随着紧实度的增加 . 产生皮下气孔的倾向也加大。但当紧实度相当高时 . 产生皮下气孔的倾向又减少 . 这可能是由于表层型砂紧实度的增加 .增大了水分向铸件方向的迁移阻力。空气湿度.雨季生产的铸件皮下气孔废品远较旱季为高。显然 , 这是由于空气中湿度大了加剧了铁水与砂型界面反应致。我们发现 , 这类皮下气孔大部分发生在远离冒口的下箱表面上 , 孔径大小不等、分布不均。如果提高出炉与浇注温度 , 加速浇注 , 对减少皮下气孔颇有裨益。3.3防止措施控制硫化镁夹杂物含量为防止产生皮下气孔要求原铁水的含硫量愈低愈好；为此可采用低硫生铁 . 配料时应考虑使原铁水的含硫量不大

10、于 0.094%.或在球化处理时适当加入小苏打进行脱硫。在球化处理后 . 要多次扒渣和静置片刻 . 以使 MgS 渣上浮。控制铁液中残余稀土含量小于 0.043%；残余镁含量不大于 0.05%；铝含量在 0.03%到0.05%范围以外。合理的浇注温度根据铸件结构和铸件的壁厚确定合理的浇注温度 . 一般情况下 . 薄壁件浇注温度不得小于 1320；中等壁厚铸件不得小于 1300；对于导盘这类厚壁件也不得小于 1280oC 11 。严格控制型砂水分严格控制型砂水分 . 减少铁液与铸型界面所产生的气体量。对于导盘这类大型铸件 . 采用的是干型铸造 . 通常要求砂型必须烘干 . 造型时摆放一些草绳以增

11、加砂型的透气性并使型壁所产生的气体能顺利排出型外。加入过渡层采用涂料、覆料 . 将铸型与铁液隔开 . 避免在界面上发生产生气体的反应。如在湿型型砂中加入煤粉或在砂型表面喷涂一层稀润滑油、石墨涂料. 浇注时都能产生还原性气膜 . 减少铸型与铁液的作用 . 可减少皮下气孔。也有在砂型表面喷涂一层含有 Fe2O3细粉的煤油悬浊液。据分析 . 喷涂在砂型表面的 Fe2O3在铁液浇入后形成玻璃状物质 . 将铸型与铁液隔开。4 球化不良及球化衰退4.1 形成原因球化不良和球化衰退是球墨铸铁独有的缺陷。 原铁水经球化处理后 , 先浇注的铸件球化良好 , 后浇注的铸件球化不良 , 或者是铁水放置一定时间后 ,

12、 球化效果下降 , 这种现象称为球化衰退。 球化不良的特征表现在铸件断面上有大块黑斑或明显的小黑点 , 越接近中心越密。4.2影响因素.碳含量碳当量影响铁液的碳当量太高时（尤其是硅含量也高时）. 将使石墨球化受到影响。试验表明 . 对于厚壁铸件 . 当碳当量超过共晶成分时. 就有可能产生开花状石墨。但是提高铁液的含碳量有利于镁回收率的提高 . 因此生产中大多采用高碳低硅的原则 . 通常含硅量控制在 2%左右。此外 . 碳当量的选取还与铸件壁厚有关：当壁厚为 6.5 76mm时. 碳当量为 4.35% 4.7%；当壁厚大于 76mm时. 碳当量为4.3%4.3 %1 。硫含量当铁液中的含硫量太高

13、时 . 硫与镁和稀土生成硫化物 . 因其密度小而上浮到铁液表面 . 而这些硫化物与空气中的氧发生反应生成硫 . 硫又回到铁液 . 又重复上述过程 . 从而降低了镁与稀土含量。 当铁液中的硫大于 0.1%时 . 即使加入多量的球化剂 . 也不能使石墨完全球化。壁厚的影响铸件壁太厚也容易产生球化不良及衰退缺陷. 主要是因为铁液在铸型中长时间处于液态 . 镁蒸汽上浮 . 造成镁含量降低；共晶时大量石墨生成而释放出的结晶潜热使奥氏体壳重新熔化. 石墨伸出壳外而畸形长大. 形成非球状石 墨 3 。稀土和镁的影响稀土和镁均为球化元素 , 使石墨沿基面方向生长较快 , 从而使石墨生长呈现为球状。此外 , 普

14、通铸铁铁水中的氧和硫比较容易吸附到基面上 , 进一步促进石墨沿柱面生长。 当稀土和镁加入到铁水中 , 它们与氧、硫结合而脱氧、 脱硫 , 使石墨沿基面方向生长速度加快。 因此 , 工业上镁残留量应控制在 0.03%0.08%, 稀土残留量应控制在 0.025%0.05 % 3 。铁液温度影响若铁液温度过高 . 铁液氧化严重 . 由于镁与稀土易与氧化物产生还原反应 . 而使得镁、稀土含量降低 . 同时高温也将增加镁的烧损和蒸发； 铁液温度太低 . 球化剂不能熔化和被铁液吸收. 而上浮至铁液表面燃烧或被氧化。滞留时间的影响铁液中镁的含量是随孕育处理后停留时间的增加而减少. 其主要原因是因硫及镁、稀

15、土的氧化与蒸发造成的。一般情况下. 滞留时间不超过20mi n 5 。壁厚的影响铸件壁厚越大 , 球化不良和衰退的现象越严重。 当铸件壁较厚时 , 铸件在型内处于液态的时间也越长。 由于镁的沸点较低 , 同时镁在铁水中的溶解度很低 , 使镁不断析出损失 , 而稀土相对来说损失较少。此外 , 在共晶阶段 , 大量的石墨在奥氏体壳内生成 , 由于结晶潜热的释放奥氏体壳升温 , 甚至熔化 , 使石墨突破奥氏体壳.而长大 , 形成一些非球状石墨 , 也会造成球化不良的缺陷。4.3防止措施严格控制铁液成分选择合适的碳当量；铁液中的含硫量应小于0.08%. 否则可用小苏打脱硫。合理使用球化剂球化剂加入量一

16、般为 1.8% 2.2%；此外应注意球化剂的质量 . 若球化剂破碎后使用 . 放置时间不得超过一周。处理后的球铁铁液中稀土和镁的残留量不应过低 . 其中镁的残留量应大于 0.02%. 稀土的残留量应大于 0.02 % 5 。合理设计铸件结构和浇冒口铸件结构要避免壁厚过大. 也可在壁厚处加冷铁以提高凝固速度. 缩短液态时间 . 从而防止球化衰退及不良。浇冒口采用型内和型上球化处理加强孕育。注意出炉温度 . 控制铁液滞留时间出炉温度应低于 1460 . 以防球化剂严重烧损；要防止高温下的氧化现象.盖好覆盖球化剂的铁板 ( 厚度应大于 3mm)；铁液扒渣后应用草木灰等盖好；当铁液温度大于 1350出

17、现球化不良及衰退时 . 可补加球化剂；而当铁液温度小于1350时就不能补加球化剂 . 也不得浇注球铁件。铁液出炉后应及时浇注 . 滞留时间不得超过 20mi n 7 。.参考文献1 翟秋亚 . 徐锦锋 . 袁森 . 等。球墨铸铁中奥氏体枝晶与缩松铸造. 2001（ 7）：376- 380.2魏兵 . 肖志杰 . 铸件均衡凝固与有限补缩 J.铸造 .1996,(8) :27-30.3Reynolds C,Maitre J,TaylorH.Feedmetal requirementsfor ductileironcastingJ.AFS Trans,1958,66:386-389.4 橘堂忠 .

18、藤田健治铸物 J.1988.60(2):79-84.5Heine R W.Major aspects of processingcastironJ.AFST 然而 .1994,102:985-1042.6 Karsay S I, 著 . 白 天 申 . 等 译 . 球 墨 铸 铁 浇 口 和 冒 口 M. 清 华 大 学 出 版社.1986,3:115-116.7 李庆春 . 铸铁形成理论基础 M. 机械工业出版社 .1982:85-86.8Wallace J F.Effectsof minor elements on the structureof the ductileironsJAFSTransactions,1975,83:363-378.9 Kaczmarek J R.Leit ermann R,H EINE R W.Pinhole and slag cas ting defects in ductile iro