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球鐵無(wú)冒口工藝應具備的參數分析

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發(fā)表時(shí)間:2019-11-05 09:21

由球墨鑄鐵的凝固特點(diǎn)認為球鐵件易于出現縮孔縮松缺陷,因而其實(shí)現無(wú)冒口鑄造較為困難。闡述了實(shí)現球鐵件無(wú)冒口鑄造工藝所應具備的鐵液成份、澆注溫度、冷鐵工藝、鑄型強度和剛度、孕育處理、鐵液過(guò)濾和鑄件模數等條件,用大模數鑄件和小模數鑄件鑄造工藝實(shí)例佐證了自己的觀(guān)點(diǎn)。

1、球墨鑄鐵的凝固特點(diǎn)

球墨鑄鐵與灰鑄鐵的凝固方式不同是由球墨與片墨生長(cháng)方式不同而造成的。

在亞共晶灰鐵中石墨在初生奧氏體的邊緣開(kāi)始析出后,石墨片的兩側處在奧氏體的包圍下從奧氏體中吸收石墨而變厚,石墨片的先端在液體中吸收石墨而生長(cháng)。

在球墨鑄鐵中,由于石墨呈球狀,石墨球析出后就開(kāi)始向周?chē)帐?,周?chē)囊后w因為w(C)量降低而變?yōu)楣虘B(tài)的奧氏體并且將石墨球包圍;由于石墨球處在奧氏體的包圍中,從奧氏體中只能吸收的碳較為有限,而液體中的碳通過(guò)固體向石墨球擴散的速度很慢,被奧氏體包圍又限制了它的長(cháng)大;所以,即使球墨鑄鐵的碳當量比灰鑄鐵高很多,球鐵的石墨化卻比較困難,因而也就沒(méi)有足夠的石墨化膨脹來(lái)抵消凝固收縮;因此,球墨鑄鐵容易產(chǎn)生縮孔。


另外,包裹石墨球的奧氏體層厚度一般是石墨球徑的1.4倍,也就是說(shuō)石墨球越大奧氏體層越厚,液體中的碳通過(guò)奧氏體轉移至石墨球的難度也越大。

低硅球墨鑄鐵容易產(chǎn)生白口的根本原因也在于球墨鑄鐵的凝固方式。如上所述,由于球墨鑄鐵石墨化困難,沒(méi)有足夠的由石墨化產(chǎn)生的結晶潛熱向鑄型內釋放而增大了過(guò)冷度,石墨來(lái)不及析出就形成了滲碳體。此外,球墨鑄鐵孕育衰退快,也是極易發(fā)生過(guò)冷的因素之一。

2.球墨鑄鐵無(wú)冒口鑄造的條件

從球墨鑄鐵的凝固特點(diǎn)不難看出,球墨鑄鐵件要實(shí)現無(wú)冒口鑄造的難度較大。筆者根據自己多年的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗,對球墨鑄鐵實(shí)現無(wú)冒口鑄造工藝所需具備的條件作了一些歸納總結,在此與同行分享。

2.1鐵液成分的選擇

(1)碳當量(CE)

在同等條件下,微小的石墨在鐵液中容易溶解并且不容易生長(cháng);隨著(zhù)石墨長(cháng)大,石墨的生長(cháng)速度也變快,所以使鐵液在共晶前就產(chǎn)生初生石墨對促進(jìn)共晶凝固石墨化是非常有利的。過(guò)共晶成分的鐵液就能滿(mǎn)足這樣的條件,但過(guò)高的CE值使石墨在共晶凝固前就長(cháng)大,長(cháng)大到一定尺寸時(shí)石墨開(kāi)始上浮,產(chǎn)生石墨漂浮缺陷。這時(shí),由石墨化引起的體積膨脹只會(huì )造成鐵液液面上升,不但對鑄件的補縮毫無(wú)意義,而且由于石墨在液態(tài)時(shí)吸收了大量的碳,反而造成在共晶凝固時(shí)鐵液中的w(C)量低不能產(chǎn)生足夠的共晶石墨,也就不能抵消由于共晶凝固造成的收縮。實(shí)踐證明,能夠將CE值控制在4.30%~4.50%是最理想的。

(2)硅(Si)

一般認為在Fe-C-Si系合金中, Si是石墨化元素,w(Si)量高有利于石墨化膨脹,能夠減少縮孔的發(fā)生。很少有人知道,Si是阻礙共晶凝固石墨化的。所以,不論從補縮的角度考慮,還是從防止碎塊狀石墨產(chǎn)生的角度考慮,只要能通過(guò)強化孕育等措施防止白口產(chǎn)生,都要盡可能地降低w(Si)量。

(3)碳(C)

在合理的CE值條件下,盡可能提高w(C)量。事實(shí)證明球墨鑄鐵的w(C)量控制在3.60%~3.70%,鑄件具有最小的收縮率。

(4)硫(S)

S是阻礙石墨球化的主要元素,球化處理的主要目的就是脫S,但球墨鑄鐵孕育衰退快與w(S)量太低有直接關(guān)系;所以,適當的w(S)量是必要的??梢詫(S)量控制在0.015%左右,利用MgS的成核作用增加石墨核心質(zhì)點(diǎn)以增加石墨球數,減少衰退。

(5)鎂(Mg)

Mg也是阻礙石墨化的元素,所以在保證球化率能夠達到90%以上的前提下,Mg應盡可能低。在原鐵液w(O)、w(S)量不高的條件下,殘留w(Mg)量能夠控制在0.03%~0.04%是最理想的。

(6)其他元素

Mn、P、Cr等所有阻礙石墨化的元素越低越好。

要注意微量元素的影響,如Ti。當w(Ti)量低時(shí),是強力促進(jìn)石墨化元素,同時(shí)Ti又是碳化物形成元素,又是影響球化促進(jìn)蠕蟲(chóng)狀石墨產(chǎn)生的元素,所以w(Ti)量控制得越低越好。筆者公司曾經(jīng)有一個(gè)非常成熟的無(wú)冒口鑄造工藝,由于一時(shí)原材料短缺而使用了w(Ti)量為0.1%的生鐵,生產(chǎn)出的鑄件不但表面有縮陷,加工后內部也出現了集中型縮孔。

總之,純凈原材料對提高球墨鑄鐵的自補縮能力是有利的。

2.2澆注溫度

有實(shí)驗表明,球墨鑄鐵的澆注溫度從1350℃到1500℃對鑄件收縮的體積沒(méi)有明顯的影響,只不過(guò)縮孔的形態(tài)從集中型逐漸向分散型過(guò)度。石墨球的尺寸也隨著(zhù)澆注溫度的升高逐漸變大,石墨球的數量逐漸減少。所以沒(méi)有必要苛求過(guò)低的澆注溫度,只要鑄型強度足夠抵抗鐵液的靜壓力,澆注溫度可以高一些。通過(guò)鐵液加熱鑄型減少共晶凝固時(shí)的過(guò)冷度,使石墨化有充足的時(shí)間進(jìn)行。不過(guò),澆注速度要盡可能地快,以盡量減少型內鐵液的溫度差。

2.3冷鐵

根據筆者使用冷鐵的經(jīng)驗及利用以上理論分析,冷鐵能夠消除縮孔缺陷的說(shuō)法并不確切。一方面,局部使用冷鐵(如打孔部位),只能使縮孔轉移而不是消除縮孔;另一方面,大面積地使用冷鐵而獲得了減少補縮或無(wú)冒口的效果,只是無(wú)意識地增加了鑄型強度而不是冷鐵減少了液體或共晶凝固收縮。事實(shí)上,如果冷鐵使用過(guò)多,影響了石墨球的長(cháng)大及石墨化的程度,相反會(huì )加劇收縮。

2.4鑄型強度和剛度

由于球鐵大都選擇共晶或過(guò)共晶成分,鐵液在鑄型中冷卻至共晶溫度所經(jīng)過(guò)的時(shí)間較長(cháng),也就是鑄型所承受的鐵液靜壓力的時(shí)間要比亞共晶成分的灰鑄鐵要長(cháng),鑄型也就更容易產(chǎn)生壓縮性變形。當石墨化膨脹引起的體積增加不能抵消液體收縮+凝固收縮+鑄型變形體積時(shí),產(chǎn)生縮孔也就在所難免。所以,足夠的鑄型剛度及抗壓強度是實(shí)現無(wú)冒口鑄造的重要條件,有許多覆砂鐵型鑄造工藝實(shí)現無(wú)冒口鑄造既是這一理論的證明。

2.5孕育處理

強效孕育劑及瞬時(shí)延后孕育工藝既能給予鐵液大量的核心質(zhì)點(diǎn),又能防止孕育衰退,能夠保證球墨鑄鐵在共晶凝固時(shí)有足夠的石墨球數;多而小的石墨球減少了液體中的C向石墨核心轉移的距離,加快了石墨化速度,短時(shí)內大量的共晶凝固又能釋放出較多的結晶潛熱,減少了過(guò)冷度,既能防止白口的產(chǎn)生,又能加強石墨化膨脹。因而。強效孕育對提高球墨鑄鐵的自補縮能力至關(guān)重要。

2.6鐵液過(guò)濾

鐵液經(jīng)過(guò)過(guò)濾,濾除了部分氧化夾雜,使鐵液的微觀(guān)流動(dòng)性增強,可以降低微觀(guān)縮孔的產(chǎn)生幾率。

2.7鑄件模數

由于鑄態(tài)珠光體球鐵需要加入阻礙石墨化的元素,這會(huì )影響石墨化程度,對鑄件實(shí)現自補縮目的有一定影響,所以有資料介紹,無(wú)冒口鑄造適用于牌號在QT500以下的球墨鑄鐵。除此之外,由鑄件的形狀尺寸所決定的模數應在3.1cm以上。

值得注意的是,厚度<50mm的板類(lèi)鑄件實(shí)現無(wú)冒口鑄造是困難的。

也有資料介紹,對QT500以上的球墨鑄鐵實(shí)現無(wú)冒口鑄造工藝的條件是其模數應大于3.6cm。

3.應用實(shí)例介紹

3.1大模數鑄件無(wú)冒口鑄造工藝實(shí)例

材料牌號為GGG70的風(fēng)電增速器行星支架鑄件,重量為3300kg,輪廓尺寸為φ1260×1220mm,鑄件模數約為5.0cm。鑄件成分為:w(C)3.62%;w(Si)2.15%;w(Mn)0.25%;w(P)0.035%;w(S)0.012%;w(Mg)0.036%;w(Cu)0.98%。澆注溫度為1370~1380℃

考慮到鐵液對鑄型下部的壓力較大,容易使鑄型下部產(chǎn)生壓縮變形,所以客戶(hù)推薦將冷鐵主要集中放置在下部。根據以往的經(jīng)驗,開(kāi)始試制時(shí),我們決定使用無(wú)冒口鑄造工藝,也就是去掉冒口的工藝。雖然客戶(hù)請專(zhuān)業(yè)人員對所試制鑄件做超聲探傷并未發(fā)現有內部缺陷,解剖結果也未發(fā)現縮孔缺陷。但對照其它相關(guān)資料及客戶(hù)提供的參考工藝,我們對這么重要的鑄件批量生產(chǎn)后一旦發(fā)生縮孔缺陷的后果甚為擔心,所以對工藝進(jìn)行了凝固模擬試驗,從模擬結果可見(jiàn),液態(tài)收縮已經(jīng)將包括內部的3個(gè)Φ140×170mm圓形發(fā)熱保溫冒口及外側的3個(gè)320×200×320mm腰圓形發(fā)熱保溫冒口內的鐵液全部用盡;因而,我們在原有320×200×320mm發(fā)熱保溫冒口的上面再加上1個(gè)同等大小的冒口,即將冒口尺寸改為320×200×640mm。但是,澆鑄后的結果卻是所有冒口一點(diǎn)收縮的痕跡也沒(méi)有,從而證實(shí)了這個(gè)鑄件完全可以實(shí)現無(wú)冒口鑄造。

3.2小模數鑄件有冒口鑄造實(shí)例

蜂窩板材料牌號為QT500-7,長(cháng)×寬×高尺寸為1 230×860×32 mm,鑄件模數M=3.2/2=1.6 cm。

此鑄件模數遠小于3.1cm,顯然不適用于無(wú)冒口鑄造工藝,但試制時(shí)為了提高工藝出品率,采用了立澆雨淋式澆口,原意是想使鑄件在凝固時(shí)產(chǎn)生自上而下的溫度梯度,以利用橫澆口補縮,但結果卻是在鑄件的中間部位加工后產(chǎn)生了大面積連通性縮孔,試制4件無(wú)一件成品。

于是,我們改變思路,制定了臥澆、冷鐵加冒口工藝。用冷鐵將鑄件分割成9部分,每部分的中央放置冒口。改進(jìn)后的工藝出品率大于75%,產(chǎn)品質(zhì)量穩定,廢品率在2.0%以下,由于原材料和工藝都較穩定,加工后幾乎沒(méi)有廢品。

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