球墨鑄鐵化學(xué)成分主要包括碳、硅、錳、硫、磷五大常見元素。對(duì)于一些對(duì)組織及性能有特殊要求的鑄件，還包括少量的合金元素。同普通灰鑄鐵不同的是，為保證石墨球化，球墨鑄鐵中還須含有微量的殘留球化元素。
1、碳及碳當(dāng)量的選擇原則： 碳是球墨鑄鐵的基本元素，碳高有助于石墨化。由于石墨呈球狀后石墨對(duì)機(jī)械性能的影響已減小到低程度，球墨鑄鐵的含碳量一般較高，在3.5～3.9%之間，碳當(dāng)量在4.1～4.7%之間。鑄件壁薄、球化元素殘留量大或孕育不充分時(shí)取上限;反之，取下限。將碳當(dāng)量選擇在共晶點(diǎn)附近不僅可以改善鐵液的流動(dòng)性，對(duì)于球墨鑄鐵而言，碳當(dāng)量的提高還會(huì)由于提高了鑄鐵凝固時(shí)的石墨化膨脹提高鐵液的自補(bǔ)縮能力。但是，碳含量過(guò)高，會(huì)引起石墨漂浮。因此，球墨鑄鐵中碳當(dāng)量的上限以不出現(xiàn)石墨漂浮為原則。
2、硅的選擇原則： 硅是強(qiáng)石墨化元素。在球墨鑄鐵中，硅不僅可以有效地減小白口傾向，增加鐵素體量，而且具有細(xì)化共晶團(tuán)，提高石墨球圓整度的作用。但是，硅提高鑄鐵的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度(圖1)，降低沖擊韌性，因此硅含量不宜過(guò)高，尤其是當(dāng)鑄鐵中錳和磷含量較高時(shí)，更需要嚴(yán)格控制硅的含量。球墨鑄鐵中終硅量一般在1.4—3.0%。選定碳當(dāng)量后，一般采取高碳低硅強(qiáng)化孕育的原則。硅的下限以不出現(xiàn)自由滲碳體為原則。
球墨鑄鐵中碳硅含量確定以后，可用圖2進(jìn)行檢驗(yàn)。如果碳硅含量在圖中的陰影區(qū)，則成分設(shè)計(jì)基本合適。如果高于區(qū)域，則容易出現(xiàn)石墨漂浮現(xiàn)象。如果低于區(qū)域，則容易出現(xiàn)縮松缺陷和自由碳化物。
3、錳的選擇原則： 由于球墨鑄鐵中硫的含量已經(jīng)很低，不需要過(guò)多的錳來(lái)中和硫，球墨鑄鐵中錳的作用就主要表現(xiàn)在增加珠光體的穩(wěn)定性，促進(jìn)形成(Fe、Mn)3C。這些碳化物偏析于晶界，對(duì)球墨鑄鐵的韌性影響很大。錳也會(huì)提高鐵素體球墨鑄鐵的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，錳含量每增加0.1%，脆性轉(zhuǎn)變溫度提高10～12℃。因此，球墨鑄鐵中錳含量一般是愈低愈好，即使珠光體球墨鑄鐵，錳含量也不宜超過(guò)0.4～0.6%。只有以提高耐磨性為目的的中錳球鐵和貝氏體球鐵例外。
4、磷的選擇原則： 磷是一種有害元素。它在鑄鐵中溶解度極低，當(dāng)其含量小于0.05%時(shí)，固溶于基體中，對(duì)力學(xué)性能幾乎沒有影響。當(dāng)含量大于0.05%時(shí)，磷極易偏析于共晶團(tuán)邊界，形成二元、三元或復(fù)合磷共晶，降低鑄鐵的韌性。磷提高鑄鐵的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，含磷量每增加0.01%，韌脆性轉(zhuǎn)變溫度提高4～4.5℃。因此，球墨鑄鐵中磷的含量愈低愈好，一般情況下應(yīng)低于0.08%。對(duì)于比較重要的鑄件，磷含量應(yīng)低于0.05%。
5、硫的選擇原則： 硫是一種反球化元素，它與鎂、稀土等球化元素有很強(qiáng)的親合力，硫的存在會(huì)大量消耗鐵液中的球化元素，形成鎂和稀土的硫化物，引起夾渣、氣孔等鑄造缺陷。球墨鑄鐵中硫的含量一般要求小于0.06%。
6、球化元素的選擇原則： 目前在工業(yè)上使用的球化元素主要是鎂和稀土。鎂和稀土元素可以中和硫等反球化元素的作用，使石墨按球狀生長(zhǎng)。鎂和稀土的殘留量應(yīng)根據(jù)鐵液中硫等反球化元素的含量確定。在保證球化合格的前提下，鎂和稀土的殘留量應(yīng)盡量低。鎂和稀土殘留量過(guò)高，會(huì)增加鐵液的白口傾向，并會(huì)由于它們?cè)诰Ы缟掀龆绊戣T件的機(jī)械性能。
球墨鑄鐵鑄造生產(chǎn)中經(jīng)常遇到縮松方面的質(zhì)量問題，于是就學(xué)習(xí)，就在實(shí)際工作中去想辦法解決。很多時(shí)候，通過(guò)學(xué)習(xí)解決了一些問題，也有難以解決的縮松現(xiàn)象。近看見了周啟明老師的文章和陳子華的報(bào)告，結(jié)合之前實(shí)際工作，匯總以下。
影響球鐵縮松的一般規(guī)律
球墨鑄鐵鑄件的模數(shù)。鑄件模數(shù)大于2.5，容易實(shí)現(xiàn)無(wú)冒口鑄造，但有專家對(duì)此規(guī)定限制值，有疑問。一般來(lái)講，比較厚大鑄件，由于石墨化膨脹，容易鑄造無(wú)縮松鑄件。此時(shí)，碳當(dāng)量控制不要大于4.5%，避免石墨漂浮。而熱節(jié)分散的薄小鑄件，容易產(chǎn)生縮松，通過(guò)冷鐵，鉻礦砂或局部?jī)?nèi)冒口設(shè)置解決。特別要注意澆冒口系統(tǒng)的補(bǔ)縮，一般來(lái)講，冒口盡可能使用熱冒口，避免冷冒口使用。
要充分注意砂箱的剛度和砂型的硬度。在砂箱剛度和砂型緊實(shí)度方面，設(shè)置再充分都不為過(guò)。
澆冒口工藝設(shè)計(jì)的合理性。盡可能使用熱冒口加冷鐵，冷冒口補(bǔ)縮效果很差。
鑄型的冷卻速度。
澆注溫度和澆注速度的合理選擇。一些比較厚的鑄件，可以考慮適當(dāng)調(diào)高澆注溫度，同時(shí)延長(zhǎng)澆注速度來(lái)解決縮松。同時(shí)利于二次氧化渣浮出鑄件內(nèi)部，增加探傷檢測(cè)的合格。
化學(xué)成分的合理選擇和適當(dāng)?shù)臍堄噫V，稀土含量。
在砂型冷卻條件下，爭(zhēng)取較多的石墨球數(shù)對(duì)減少縮松有利，對(duì)提高力學(xué)性能有利。
比較好的原材料和好的鐵水冶金質(zhì)量，要特別注意鐵水不要在出爐前高溫下保持時(shí)間過(guò)久，同時(shí)出爐前做好增加鐵水石墨結(jié)晶核心的預(yù)處理，這樣可以提高石墨球數(shù)，減少縮松。
新的減少縮松的觀點(diǎn)
埃肯陳子華總監(jiān)近報(bào)告指出：球墨鑄鐵因?yàn)殍F水含有鎂，促使?fàn)顟B(tài)圖上共晶點(diǎn)右移，鎂含量在0.035-0.045%時(shí)，其實(shí)際共晶點(diǎn) 大約在4.4-4.5%。
球鐵成分選擇在共晶點(diǎn)附近，鐵水流動(dòng)性好，則凝固時(shí)鐵水容易補(bǔ)充收縮。
球鐵球化前后的硫含量不要變化太大。即原鐵水硫含量不要太高。硫含量高，石墨容易析出過(guò)早。容易產(chǎn)生縮松。
錫柴周啟明老師今年文章“防止球墨鑄鐵縮松縮孔方法的新進(jìn)展”中指出：在不發(fā)生石墨漂浮和沒有初生石墨析出前提下，盡量提高碳含量。我對(duì)這句話的理解：一般來(lái)講，過(guò)共晶越大，則液態(tài)下產(chǎn)生初生石墨就越多，對(duì)減少縮松不利。
球鐵凝固期間，控制石墨膨脹的時(shí)間，使石墨化膨脹延遲。在碳當(dāng)量選擇確定情況下，高碳低硅。合適的殘余鎂量，正確的孕育和注重后的隨流孕育。
鐵水注意快速熔煉，避免在出鐵溫度下，爐內(nèi)保存時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，避免超過(guò)1550度過(guò)高的熔煉保溫溫度，損失大量碳和結(jié)晶核心。一般超過(guò)10-20左右分鐘就要重新做處理。這種鐵水即便經(jīng)過(guò)各種孕育處理，也要產(chǎn)生碳化物和縮松，很難消除。
鐵水球化之后，要馬上澆注，嚴(yán)禁等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使球化孕育衰退。
使用含鑭稀土的球化劑，則凝固初期的石墨結(jié)晶較少，避免個(gè)別較大石墨球出現(xiàn)。石墨球數(shù)比較多，大小比較均勻，說(shuō)明凝固中石墨球析出時(shí)間比較一致，凝固后期膨脹較大。這種球化劑使用工藝，在近鑄協(xié)武漢華中科技大學(xué)的會(huì)議上，江陰吉鑫的工程師們提出，對(duì)厚大斷面的風(fēng)電球鐵，沒有效果，不適用。
球鐵碳當(dāng)量越大，其結(jié)晶凝固范圍越寬，固液共存區(qū)間越大，凝固過(guò)程中，液態(tài)鐵水流動(dòng)受初生枝晶影響，阻礙流動(dòng)補(bǔ)縮，容易形成縮松。同時(shí)，鐵水硅含量高，容易過(guò)早促進(jìn)石墨形核，生長(zhǎng)，此時(shí)的石墨化膨脹在固液共存期，對(duì)縮松減少不利。所以，通過(guò)上述一些工藝措施，使石墨化膨脹延遲一說(shuō)，在現(xiàn)實(shí)鑄造技術(shù)工作中，去解決球鐵鑄件縮松現(xiàn)象，有很重要的指導(dǎo)意義。
球鐵縮松的一些“異常”現(xiàn)象
高爐鐵水直接加入感應(yīng)電爐的短流程鑄造，生產(chǎn)球墨鑄鐵鑄件時(shí)，如果熔煉中沒有很好的高溫熔煉操作，容易出現(xiàn)鑄件縮松缺陷。分析原因，估計(jì)是原鐵水里面高爐鐵水內(nèi)的厚片狀石墨，在熔煉中沒有消除，凝固過(guò)程中，液態(tài)下石墨過(guò)早析出，凝固后期石墨化膨脹不足引起。本溪地區(qū)某風(fēng)電鑄造工廠，利用短流程生產(chǎn)風(fēng)電鑄件，都以探傷不合格報(bào)廢，幾乎沒有合格鑄件，損失慘重，就是例子。本溪地區(qū)高爐鐵水質(zhì)量較好，有害微量元素很低，鐵水直接進(jìn)入功率不高的保溫感應(yīng)電爐，估計(jì)高溫冶煉，細(xì)化石墨不足。而江蘇吉鑫的短流程工藝，是高爐鐵水經(jīng)過(guò)30噸電弧爐氧化燒損了有害元素，熔煉過(guò)程經(jīng)過(guò)了高溫冶煉，同時(shí)燒損的碳，又經(jīng)過(guò)增碳劑處理增加了碳，和上面所說(shuō)本溪短流程在熔煉工藝上有很大的不同。
筆者在山東和河南個(gè)別鑄造工廠遇到，生產(chǎn)壁厚不均勻中小球鐵鑄件時(shí)，鑄件各處熱節(jié)分離，連接熱節(jié)部位的結(jié)構(gòu)壁厚較薄，采取各種措施，如冷鐵或鉻礦砂加速熱節(jié)冷卻，控制澆注溫度，提高碳當(dāng)量，變更澆冒口系統(tǒng)等等，都無(wú)法解決低于2級(jí)X射線探傷要求。當(dāng)把碳當(dāng)量從4.4-4.6%降低到4.25-4.30%之間后，縮松減輕，探傷合格。當(dāng)然，同時(shí)也采取了一些其他輔助措施。采取這種做法的原因，是因?yàn)橹傲魉�造型，生產(chǎn)球鐵卡車輪轂，個(gè)別熱節(jié)分散的輪轂生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)所得，與其他大部分球鐵輪轂成分控制較高碳當(dāng)量不同。這種做法能夠減少縮松的原因，一直搞不清楚，是否與周啟明老師文章中說(shuō)得，延遲石墨化膨脹和凝固中減少初生石墨有關(guān)?這些球鐵鑄件碳當(dāng)量選擇低于共晶點(diǎn)附近，早期凝固過(guò)程中，雖有石墨析出，但量較少，主要首先析出奧氏體枝晶，給后期共晶凝固留下了較多的石墨化膨脹量，因此較少了縮松缺陷。是否也屬于延遲石墨化膨脹的一種工藝方法?
上述以較低碳當(dāng)量控制球墨鑄鐵成分，解決縮松的做法，今年一月份，得到一位國(guó)內(nèi)知名鑄造專家的認(rèn)可。他說(shuō)：在德國(guó)鑄造工廠，都是如此選擇碳當(dāng)量，而我國(guó)普遍以高碳當(dāng)量選擇，打算寫一篇文章討論此事。
風(fēng)電大件澆注，1320-1340度澆注，加強(qiáng)后孕育，15-16噸左右鐵水澆注時(shí)間80-90秒，能夠生產(chǎn)UT探傷合格厚壁球鐵鑄件。但是澆注溫度提高至1360-1380度澆注，澆注時(shí)間為300秒以上，使用冷鐵和冒口較少，也可以生產(chǎn)合格風(fēng)電鑄件。這里就有對(duì)待球鐵縮松不同的工藝出發(fā)點(diǎn)。當(dāng)然，這里沒有細(xì)說(shuō)各自的澆冒口和冷鐵工藝。其主要原因，是否可以與下條鑄造工藝有類似關(guān)系?
國(guó)內(nèi)早期，機(jī)床附件行業(yè)在鑄造各種尺寸的大小卡盤體(盤體直徑從100毫米到1000毫米左右)時(shí)，材質(zhì)灰鐵300，都沒有冒口，而以很小的內(nèi)澆口，分散均勻進(jìn)入型腔，澆注速度較長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷高質(zhì)量鑄件生產(chǎn)。(當(dāng)年多以沖天爐熔煉灰鐵300鐵水)。
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