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[交流] 灰铸铁常用孕育方法和操作工艺

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    [LV.Master]伴坛终老

    发表于 2021-2-27 12:49:37 | 显示全部楼层 |阅读模式

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          灰铸铁基本上是由铁、碳和硅组成的共晶型合金,其中,碳主要以石墨的形态存在。生产优质铸件,控制铸铁凝固时形成的石墨的形态和基体金属组织是至关重要的。孕育处理是生产工艺中最重要的环节之一。良好的孕育处理可使灰铸铁具有符合要求的显微组织,从而保证铸件的力学性能和加工性能。在液态铸铁中加入孕育剂,可以形成大量亚显微核心,促使共晶团在液相中生成。接近共晶凝固温度时,生核处首先形成细小的石墨片,并由此成长为共晶团。每一个共晶团的形成,都会向周围的液相释放少量的热,形成的共晶团越多,铸铁的凝固速率就越低。凝固速率的降低,就有助于按铁-石墨稳定系统凝固,而且能得到A型石墨组织。! X- @7 ]. `: U1 [0 j
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          一、孕育处理的作用$ o( n' U% T  \
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          灰铸铁的力学性能在很大程度上取决于其显微组织。未经孕育处理的灰铸铁,显微组织不稳定、力学性能低下、铸件的薄壁处易出现白口。为保证铸件品质的一致性,孕育处理是必不可少的。铸铁孕育处理所用的孕育剂,加入量很少,对铸铁的化学成分影响甚小,对其显微组织的影响却很大,因而能改善灰铸铁的力学性能,对其物理性能也有明显的影响。* f3 P* N; [( I9 F! o0 h

    * p& Z' }" t2 u" G      良好的孕育处理有以下作用:◆消除或减轻白口倾向;◆避免出现过冷组织;◆减轻铸铁件的壁厚敏感性,使铸件薄、厚截面处显微组织的差别小,硬度差别也小;◆有利于共晶团生核,使共晶团数增多;◆使铸铁中石墨的形态主要是细小而且均匀分布的A型石墨,从而改善铸铁的力学性能。孕育良好的铸铁流动性较好,铸件的收缩减少、加工性能改善、残留应力减少。
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          二、灰铸铁的显微组织
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    " T6 j$ b  w$ _% o6 y; F      灰铸铁的力学性能决定于其基体组织和片状石墨的分布状况。灰铸铁的力学性能主要取决于其基体组织,为了得到高强度,希望基体组织以珠光体为主、尽量减少铁素体含量。如果铁素体量过多,不仅导致铸铁的强度低,而且加工时会使刀具过热,显著降低刀具的寿命。与球墨铸铁不同,对灰铸铁不可能有延性和韧性的要求,只要求其强度,所以一般都以珠光体含量高为好。灰铸铁中的石墨片,有切割金属基体、破坏其连续性、使其强度降低的作用。从强度考虑,应避免产生长而薄的石墨片和粗大的石墨片,具明显方向性的石墨片影响尤大。控制石墨片的分布状况,是保证灰铸铁性能的关键。
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    ( p" u& \* D4 t      A型石墨是在铸铁的石墨生核能力较强、冷却速率较低、在过冷度很小的条件下发生共晶转变时形成的。在光学显微镜下观察时,石墨呈均匀分布的弯曲片状,无方向性,其长度则因铸铁的生核条件和冷却速率而不同。高品质的结构铸件,都希望其具有中等长度的A型石墨。
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    ! b! G/ }& D. n1 X      B型石墨在光学显微镜下呈菊花状,共晶团中心部位石墨片比较细小,外围的石墨片较粗大。实际上,中心部位是D型石墨,外围是A型石墨。B型石墨的生核条件比A型石墨差,共晶转变时的过冷度也比形成A型石墨时大,结晶时先在共晶团中心部位产生过冷石墨(D型),释放的结晶潜热使周边的过冷度降低、形成A型石墨。如B型石墨为量不多,对铸铁的性能影响不大,一般情况下可允许其存在。
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    * Y0 {, n0 p2 b) w) Y5 ~  K      C型石墨主要出现于碳当量很高(过共晶)、冷却缓慢的铸铁中,有粗大片状初生石墨,也有小片状石墨,有时部分石墨片上有带尖角的块状。过共晶铁液冷却时,通过液相线后,在一定的过冷度下析出初生石墨,并在液相中逐渐长大。由于结晶温度较高,成长时间较长,形成分枝较少的粗大片状。温度降低到共晶温度时,发生正常的共晶转变,这时产生的石墨是正常的共晶石墨(A型石墨),最终的结果是在粗大的石墨片之间分布有正常的共晶石墨。因此,C型石墨是由粗大、块状石墨和A型石墨构成的。C型石墨可使铸铁的热导率提高,改善其抗热冲击的能力,但对铸铁的力学性能影响较大,一般的结构铸件不应有这种石墨。亚共晶铸铁中,偶尔也能见到这种石墨。如:用感应电炉熔炼而炉料中生铁块用量过多时,由于原生铁遗传的影响,就可能出现带尖角的块状石墨;孕育剂加入量过大,造成局部硅元素富集,也会产生这种石墨。4 z& M1 P; F- o& I

    # D( P0 n( l$ E* H  Y! u      D型石墨是铸铁的碳当量较低、冷却速率较高,在过冷度较大、初生奥氏体枝状晶发达的条件下在奥氏体枝晶间形成的,石墨片细小而无方向性。D型石墨常见于碳当量较低的薄壁灰铸铁件中,也称为‘过冷石墨’或‘枝晶间石墨’。在不加合金元素时,D型石墨往往伴随有铁索体。如基体组织为珠光体,则铸铁的耐磨性较好,且机械加工后能得到较细的表面粗糙度。
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          E型石墨是在碳当量较低、冷却速率也较低的条件下形成的。由于初生奥氏体枝状晶较多、发生共晶转变时过冷度不大、石墨核心不太多、共晶团较大,形成的石墨片大于D型石墨。由于冷却比较缓慢,奥氏体枝状晶发达,发生共晶转变时液相主要在初生奥氏体枝状晶之间,形成的石墨片沿枝状晶方向生长,具有一定的方向性,对铸铁力学性能的影响较大,要力求避免其产生。可能出现E型石墨的铸铁,如冷却速率较高,也会形成D型石墨。因此,在高强度薄壁铸铁件中往往会同时见到D型石墨和E型石墨。生产优质灰铸铁件,应使其基体组织全部为珠光体,石墨为A型,而且石墨片要均匀分布于金属基体中,珠光体也应细小而均匀。要尽可能的地使组织中的B型石墨和D型石墨减至最少,不应该有C型石墨和E型石墨。为此,必须进行有效的孕育处理并控制铸件的冷却速率。
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          三、孕育剂
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          目前,用于处理灰铸铁的孕育剂品种繁多,但广泛应用的还是75硅 铁。近年来,对薄壁铸件的需求日益增多,对孕育处理的要求也更为严格,在铸铁碳当量较低的情况下,采用含锶、钡、铋、锆或某种稀土元素的孕育剂,能较好地控制薄壁处的白口倾向。还有报道说,采用含钡、铋和稀土元素的孕育剂,可减缓孕育的衰退。此外,碳质孕育剂的应用近来也日渐增多。关于孕育剂的选用,虽然已进行了大量的研究工作,但还不足以形成普遍适用的准则,铸造厂需考虑自己产品的特点、参考其他单位的经验进行试验,并考核供应厂商产品的质量,再根据试验结果作出最适合本企业条件的选择。6 c4 n% X+ O0 v; H7 U. }/ w

    0 z3 I+ m0 _. }3 h: s- r, \      1、75硅铁. E. ^+ |. n0 |6 i" h, L
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          75硅铁是最常采用的孕育剂,其中的铝、钙含量对孕育效果有重要的作用,有报道说,不含铝、钙的硅铁对灰铸铁的孕育作用很小,甚至没有作用。一般认为:在铁液中,铝和钙会与氧、氮反应,形成高熔点的化合物,成为石墨结晶的核心。而且,加入孕育剂后,铁液中可形成局部的富硅微区,有利于石墨析出。采购孕育用硅铁时,不能不考虑其中铝和钙的含量。对于作孕育剂的75 硅铁,美国相关标准规定含铝量为0.75~1.75%,含钙量为0.5~1.5%。我国标准GB/T2272-1987中有不同铝含量的75硅铁牌号,铝含量的上限值分别为0.5%、1.0%、1.5%和2.0%,含钙量的上限值则为1.0%。但是,铁液中的铝含量不能太高,加入0.01%的铝,就可能导致铸件产生皮下气孔。选择孕育剂品种和确定孕育剂用量时,对此也应有所考虑。
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          2、含锶硅铁3 X0 n: y0 o1 K( P1 a

    ! V/ ^. h, k$ j      含锶硅铁消除白口的能力很强,特别有利于改善薄壁铸件中石墨的形态和分布状况,使不同厚度处组织的差别更小,过冷组织只见于铸件的表层。目前,我国已有含锶硅铁供应,其中锶含量有0.6~1.0%和1.0~2.0%两种。一般可选用含锶0.6~1.0%的品种,锶含量过高则不能充分发挥其作用。含锶硅铁的加入量约为75硅铁的一半。
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    " o8 m: u% H5 h% O3 y; L0 F6 V; j# u$ H# X      3、含钡硅铁# F" X  C4 Z% q- u# P) |

    5 u( A% K+ U( b" p1 n; O8 ~. ]      含钡硅铁也具有很强的促进石墨化的能力,可改善薄壁铸件中石墨的形态和分布状况,而且还有减缓孕育衰退的作用,处理时的用量也少于75硅铁。有报道说,加入过多的钡会使基体组织中铁素体含量增多,导致铸铁的强度降低。目前,我国也有含钡硅铁供应,其中钡含量一般为4~6%。国外有研究报告称,含铋的硅铁也具有与含钡硅铁类似的效果。
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    6 f1 J, g2 E3 v# p      4、含锆硅铁
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          锆有脱氧作用,有利于提高铁液的流动性,能减轻铸铁的白口倾向,促成均匀、细小的A型石墨。而且还有减缓孕育衰退的作用。我国也有含锆硅铁供应,但目前采用者还很少。! ?  M  x  y9 ~2 T, }1 t

    - i; \4 e; k3 r' X! k. _      5、硅钡合金9 z/ S2 k( Z$ a( O! E6 a8 m! k2 n* ?
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          用含钡20~30%的硅钡合金作孕育剂,能显著降低铸铁的白口倾向,并可使保持孕育效果的时间增至30min左右,特别适用于大型铸件。处理时,合金加入量约为0.1%。; D8 W& t" G8 X/ \0 |/ K

    % d; x3 m0 k4 l. g! G      6、硅钙合金7 d! Q2 O; o; H$ ^# r

    / r- t) ]1 @' ?1 @      硅钙合金虽有很强的孕育作用,但是,除制成包芯线应用外,用粒状合金作铸铁的孕育剂并不太合适,其主要缺点是:◆密度远低于铁液,易于飘浮而影响其与铁液的作用;◆成渣倾向大;◆孕育作用衰退快;◆处理需用的加入量大,约为0.3~0.5%。
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    3 U3 c% Q; p" {" F      7、稀土孕育剂/ o; t8 [: H' A

    / P& p- o& r% |- i/ f      稀土混合金属和稀土硅铁等含稀土金属的孕育剂,加入量适当时,孕育作用很强,其效果可以是75硅铁的若干倍,能有效地消除白口,并减缓孕育作用的衰退。如加入量过高,则可能使铸铁结晶时产生过冷,出现渗碳体组织。使用时必须严格控制用量。
    * q" Q& C/ g0 h$ J' K. p0 Z* N: T4 A+ C" a. B
          8、碳质孕育剂! M4 g  i. i' {$ j0 m
    7 c5 Z$ J: |- u$ I# C' C
          碳质孕育剂主要用于铁液孕育前的预处理,一般都是结晶态的碳质材料。有研究报告称:对于灰铸铁,以85~90%的冶金碳化硅效果最好,晶态石墨也有效。预处理时的加入量一般为0.75~1.0%,应根据试验结果求得最佳值。# H& s8 ?2 q; o; @2 ?1 A1 r

    5 ^# R' x. c( n& y' _2 A! K) E0 U      四、孕育处理方法: t6 E( T, p9 o! n% ]3 C: c

    7 F- l- ]* g4 P6 H) J. [$ j      近年来,孕育处理工艺发展很快,有多种有效的孕育方法。对于生产灰铸铁件,选用合适的孕育处理方法非常重要,往往是决定产品质量的关键因素。每一种孕育处理方法都有其优点,同时也有一定的局限,迄今还没有一种能适应各种生产条件的处理方法。铸造企业都应该根据自己的具体条件,通过试验,选定最适合企业特点的方法。处理方法一经确定,就应严格控制工艺过程,以保证铸件质量稳定。广泛采用的孕育处理方法主要有:出铁时孕育、浇注时孕育、型内孕育和孕育前的预处理! e- `' X$ }& K7 u& ~0 q  I
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          1、出铁时孕育
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    ( _/ R* K9 [. P      出铁时孕育也称为浇包孕育(Ladle Inoculation),是在铁液自熔炉或保温炉流向浇包时进行的孕育处理。这种处理方法既简单又方便,目前是应用最广的工艺,但采用时必须注意遵从作业要点。不可在浇注前将孕育剂加在空浇包的底部。这样操作,会有部分孕育剂在与铁液作用前被氧化,而且孕育剂易于裹入炉渣,导致其利用率降低。最好在出铁后、自浇包中铁液量约为出铁量的1/4时起开始孕育处理,通过定量漏斗将粒状孕育剂均匀而分散地撒向液流,到浇包中铁液量约为出铁量的4/5时处理结束。这种作业方法,可利用液流的搅拌作用使孕育剂完全溶于高温铁液,提高其利用率。采用喂线法进行孕育处理效果更为稳定,但目前用于出铁时孕育的还比较少。孕育剂的粒度因处理的铁液量而略有不同:铁液量不到500kg时,粒度宜为2~5mm;铁液量在500kg时,粒度宜为5~8mm。加入量一般为处理铁液量的0.2~0.4%,可视孕育剂的品种和铸件壁厚调整,并通过试验确定。加入量过多,不仅无益,还会因不能完全溶于铁液而产生一些负面作用,如浇包积渣、铸件产生夹渣缺陷、堵 塞浇注系统中的过滤器件以及因铁液过孕育而造成铸件缺陷等。孕育剂粒度太大,也会因不能完全溶于铁液而影响孕育效果,并造成铸造缺陷。出铁时用75硅铁进行孕育处理,孕育效果会很快地随时间的推移而衰退,孕育后5~7min,作用的衰退可在50%以上,大约经15min后,孕育作用将大部或全部消失。为确保铸件质量,通常都要在孕育后10min内浇注完毕,最好在铁液自浇包注入铸型时进行再次孕育。$ q# ?0 P1 L* |0 o* m6 @# ^

    - L1 a+ N4 ?6 w* N+ I  l& v      2、浇注时孕育9 ?$ _+ v6 s; [7 m

    1 g% `% C8 ]4 O" `- g      浇注时孕育也称为后孕育(Post Inoculation)或瞬时孕育,是在铁液自浇包注入铸型时进行的孕育处理。可将细粒孕育剂加入液流,也可用喂线法孕育。(1)细粒孕育剂孕育浇注时孕育不存在孕育衰退的问题,一般都用75硅铁作孕育剂,有特殊要求时也可用含其他合金元素的孕育剂。为使孕育剂能迅速溶于铁液并能均匀地分布于铁液中,应采用细粒,一般为0.3~0.7mm。加入量大致为铁液的0.15~0.2%。采用倾转式浇包人工浇注时,比较简便办法是采用吊挂在包嘴上的定量漏斗,浇注时开启下料口,孕育剂由重力作用落入液流。对于生产线上位置固定的倾转包,则 以采用带料斗的微型螺旋给料器为好。生产线上由保温炉经虹吸式浇嘴浇注的条件下,国外多采用干燥空气吹送方式。开始浇注时,由传感器控制开启气阀,将孕育剂加入液流中。
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                              (来源:联合铸造)
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