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            企業新聞

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        灰鑄鐵的孕育方法和操作工藝

        發布日期:2022-05-10 16:56:58 作者:admin 點擊:273

        灰鑄鐵孕育方法和操作工藝

        碳能新材 石嘴山市碳能新材料科技有限公司 2022-05-10 16:54

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           鑄鐵基本上是由鐵、碳和硅組成的共晶型合金,其中,碳主要以石墨的形態存在。生產優質鑄件,控制鑄鐵凝固時形成的石墨的形態和基體金屬組織是至關重要的。孕育處理是生產工藝中最重要的環節之一。

        良好的孕育處理可使灰鑄鐵具有符合要求的顯微組織,從而保證鑄件的力學性能和加工性能。在液態鑄鐵中加入孕育劑,可以形成大量亞顯微核心,促使共晶團在液相中生成。接近共晶凝固溫度時,生核處首先形成細小的石墨片,并由此成長為共晶團。


        每一個共晶團的形成,都會向周圍的液相釋放少量的熱,形成的共晶團越多,鑄鐵的凝固速率就越低。凝固速率的降低,就有助于按鐵-石墨穩定系統凝固,而且能得到A型石墨組織。

        一.孕育處理的作用灰鑄鐵的力學性能在很大程度上取決于其顯微組織。未經孕育處理的灰鑄鐵,顯微組織不穩定、力學性能低下、鑄件的薄壁處易出現白口。為保證鑄件品質的一致性,孕育處理是必不可少的。鑄鐵孕育處理所用的孕育劑,加入量很少,對鑄鐵的化學成分影響甚小,對其顯微組織的影響卻很大,因而能改善灰鑄鐵的力學性能,對其物理性能也有明顯的影響。良好的孕育處理有以下作用:

        消除或減輕白口傾向;

        避免出現過冷組織;

        減輕鑄鐵件的壁厚敏感性,使鑄件薄、厚截面處顯微組織的差別小,硬度差別也??;

        有利于共晶團生核,使共晶團數增多;

        使鑄鐵中石墨的形態主要是細小而且均勻分布的A型石墨,從而改善鑄鐵的力學性能。孕育良好的鑄鐵流動性較好,鑄件的收縮減少、加工性能改善、殘留應力減少。

        二.灰鑄鐵的顯微組織灰鑄鐵的力學性能決定于其基體組織和片狀石墨的分布狀況。灰鑄鐵的力學性能主要取決于其基體組織,為了得到高強度,希望基體組織以珠光體為主、盡量減少鐵素體含量。

        如果鐵素體量過多,不僅導致鑄鐵的強度低,而且加工時會使刀具過熱,顯著降低刀具的壽命。與球墨鑄鐵不同,對灰鑄鐵不可能有延性和韌性的要求,只要求其強度,所以一般都以珠光體含量高為好。

        灰鑄鐵中的石墨片,有切割金屬基體、破壞其連續性、使其強度降低的作用。從強度考慮,應避免產生長而薄的石墨片和粗大的石墨片,具明顯方向性的石墨片影響尤大??刂剖姆植紶顩r,是保證灰鑄鐵性能的關鍵。

        A
        型石墨是在鑄鐵的石墨生核能力較強、冷卻速率較低、在過冷度很小的條件下發生共晶轉變時形成的。在光學顯微鏡下觀察時,石墨呈均勻分布的彎曲片狀,無方向性,其長度則因鑄鐵的生核條件和冷卻速率而不同。高品質的結構鑄件,都希望其具有中等長度的A型石墨。

        B
        型石墨在光學顯微鏡下呈菊花狀,共晶團中心部位石墨片比較細小,外圍的石墨片較粗大。實際上,中心部位是D型石墨,外圍是A型石墨。B型石墨的生核條件比A型石墨差,共晶轉變時的過冷度也比形成A型石墨時大,結晶時先在共晶團中心部位產生過冷石墨(D型),釋放的結晶潛熱使周邊的過冷度降低、形成A型石墨。如B型石墨為量不多,對鑄鐵的性能影響不大,一般情況下可允許其存在。

        C
        型石墨主要出現于碳當量很高(過共晶)、冷卻緩慢的鑄鐵中,有粗大片狀初生石墨,也有小片狀石墨,有時部分石墨片上有帶尖角的塊狀。過共晶鐵液冷卻時,通過液相線后,在一定的過冷度下析出初生石墨,并在液相中逐漸長大。由于結晶溫度較高,成長時間較長,形成分枝較少的粗大片狀。溫度降低到共晶溫度時,發生正常的共晶轉變,這時產生的石墨是正常的共晶石墨(A型石墨),最終的結果是在粗大的石墨片之間分布有正常的共晶石墨。因此,C型石墨是由粗大、塊狀石墨和A型石墨構成的。C型石墨可使鑄鐵的熱導率提高,改善其抗熱沖擊的能力,但對鑄鐵的力學性能影響較大,一般的結構鑄件不應有這種石墨。亞共晶鑄鐵中,偶爾也能見到這種石墨。如:用感應電爐熔煉而爐料中生鐵塊用量過多時,由于原生鐵遺傳的影響,就可能出現帶尖角的塊狀石墨;孕育劑加入量過大,造成局部硅元素富集,也會產生這種石墨。

        D
        型石墨是鑄鐵的碳當量較低、冷卻速率較高,在過冷度較大、初生奧氏體枝狀晶發達的條件下在奧氏體枝晶間形成的,石墨片細小而無方向性。D型石墨常見于碳當量較低的薄壁灰鑄鐵件中,也稱為過冷石墨枝晶間石墨。在不加合金元素時,D型石墨往往伴隨有鐵索體。如基體組織為珠光體,則鑄鐵的耐磨性較好,且機械加工后能得到較細的表面粗糙度。

        E
        型石墨是在碳當量較低、冷卻速率也較低的條件下形成的。由于初生奧氏體枝狀晶較多、發生共晶轉變時過冷度不大、石墨核心不太多、共晶團較大,形成的石墨片大于D型石墨。由于冷卻比較緩慢,奧氏體枝狀晶發達,發生共晶轉變時液相主要在初生奧氏體枝狀晶之間,形成的石墨片沿枝狀晶方向生長,具有一定的方向性,對鑄鐵力學性能的影響較大,要力求避免其產生。可能出現E型石墨的鑄鐵,如冷卻速率較高,也會形成D型石墨。因此,在高強度薄壁鑄鐵件中往往會同時見到D型石墨和E型石墨。生產優質灰鑄鐵件,應使其基體組織全部為珠光體,石墨為A型,而且石墨片要均勻分布于金屬基體中,珠光體也應細小而均勻。要盡可能的地使組織中的B型石墨和D型石墨減至最少,不應該有C型石墨和E型石墨。為此,必須進行有效的孕育處理并控制鑄件的冷卻速率。三.孕育劑目前,用于處理灰鑄鐵的孕育劑品種繁多,但廣泛應用的還是75硅鐵。近年來,對薄壁鑄件的需求日益增多,對孕育處理的要求也更為嚴格,在鑄鐵碳當量較低的情況下,采用含鍶、鋇、鉍、鋯或某種稀土元素的孕育劑,能較好地控制薄壁處的白口傾向。還有報道說,采用含鋇、鉍和稀土元素的孕育劑,可減緩孕育的衰退。此外,碳質孕育劑的應用近來也日漸增多。關于孕育劑的選用,雖然已進行了大量的研究工作,但還不足以形成普遍適用的準則,鑄造廠需考慮自己產品的特點、參考其他單位的經驗進行試驗,并考核供應廠商產品的質量,再根據試驗結果作出最適合本企業條件的選擇。

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        75硅鐵

        75 
        硅鐵是最常采用的孕育劑,其中的鋁、鈣含量對孕育效果有重要的作用,有報道說,不含鋁、鈣的硅鐵對灰鑄鐵的孕育作用很小,甚至沒有作用。一般認為:在鐵液中,鋁和鈣會與氧、氮反應,形成高熔點的化合物,成為石墨結晶的核心。而且,加入孕育劑后,鐵液中可形成局部的富硅微區,有利于石墨析出。采購孕育用硅鐵時,不能不考慮其中鋁和鈣的含量。對于作孕育劑的75 硅鐵,美國相關標準規定含鋁量為0.751.75%,含鈣量為0.51.5% 。我國標準GB/T 22721987中有不同鋁含量的75硅鐵牌號,鋁含量的上限值分別為0.5%、1.0%、1.5%2.0%,含鈣量的上限值則為1.0%。但是,鐵液中的鋁含量不能太高,加入0.01%的鋁,就可能導致鑄件產生皮下氣孔。選擇孕育劑品種和確定孕育劑用量時,對此也應有所考慮。

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        2.含鍶硅鐵含鍶硅鐵消除白口的能力很強,特別有利于改善薄壁鑄件中石墨的形態和分布狀況,使不同厚度處組織的差別更小,過冷組織只見于鑄件的表層。目前,我國已有含鍶硅鐵供應,其中鍶含量有0.61.0%1.02.0%兩種。一般可選用含鍶0.61.0%的品種,鍶含量過高則不能充分發揮其作用。含鍶硅鐵的加入量約為75硅鐵的一半。

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        3.含鋇硅鐵含鋇硅鐵也具有很強的促進石墨化的能力,可改善薄壁鑄件中石墨的形態和分布狀況,而且還有減緩孕育衰退的作用,處理時的用量也少于75硅鐵。有報道說,加入過多的鋇會使基體組織中鐵素體含量增多,導致鑄鐵的強度降低。目前,我國也有含鋇硅鐵供應,其中鋇含量一般為46%。國外有研究報告稱,含鉍的硅鐵也具有與含鋇硅鐵類似的效果。

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        .含鋯硅鐵鋯有脫氧作用,有利于提高鐵液的流動性,能減輕鑄鐵的白口傾向,促成均勻、細小的A型石墨。而且還有減緩孕育衰退的作用。我國也有含鋯硅鐵供應,但目前采用者還很少。

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        .硅鋇合金用含鋇2030%的硅鋇合金作孕育劑,能顯著降低鑄鐵的白口傾向,并可使保持孕育效果的時間增至30min左右,特別適用于大型鑄件。處理時,合金加入量約為0.1%。

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        .硅鈣合金硅鈣合金雖有很強的孕育作用,但是,除制成包芯線應用外,用粒狀合金作鑄鐵的孕育劑并不太合適,其主要缺點是:

        密度遠低于鐵液,易于飄浮而影響其與鐵液的作用;

        成渣傾向大;

        孕育作用衰退快;

        處理需用的加入量大,約為0.30.5%。

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        .稀土孕育劑稀土混合金屬和稀土硅鐵等含稀土金屬的孕育劑,加入量適當時,孕育作用很強,其效果可以是75硅鐵的若干倍,能有效地消除白口,并減緩孕育作用的衰退。如加入量過高,則可能使鑄鐵結晶時產生過冷,出現滲碳體組織。使用時必須嚴格控制用量。

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        .碳質孕育劑碳質孕育劑主要用于鐵液孕育前的預處理,一般都是結晶態的碳質材料。有研究報告稱:對于灰鑄鐵,以8590%的冶金碳化硅效果最好,晶態石墨也有效。預處理時的加入量一般為0.751.0,應根據試驗結果求得最佳值。四.孕育處理方法近年來,孕育處理工藝發展很快,有多種有效的孕育方法。對于生產灰鑄鐵件,選用合適的孕育處理方法非常重要,往往是決定產品質量的關鍵因素。每一種孕育處理方法都有其優點,同時也有一定的局限,迄今還沒有一種能適應各種生產條件的處理方法。鑄造企業都應該根據自己的具體條件,通過試驗,選定最適合企業特點的方法。處理方法一經確定,就應嚴格控制工藝過程,以保證鑄件質量穩定。廣泛采用的孕育處理方法主要有:出鐵時孕育、澆注時孕育、型內孕育和孕育前的預處理

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        1.出鐵時孕育出鐵時孕育也稱為澆包孕育(Ladle Inoculation),是在鐵液自熔爐或保溫爐流向澆包時進行的孕育處理。這種處理方法既簡單又方便,目前是應用最廣的工藝,但采用時必須注意遵從作業要點。不可在澆注前將孕育劑加在空澆包的底部。這樣操作,會有部分孕育劑在與鐵液作用前被氧化,而且孕育劑易于裹入爐渣,導致其利用率降低。最好在出鐵后、自澆包中鐵液量約為出鐵量的1/4時起開始孕育處理,通過定量漏斗將粒狀孕育劑均勻而分散地撒向液流,到澆包中鐵液量約為出鐵量的4/5時處理結束。這種作業方法,可利用液流的攪拌作用使孕育劑完全溶于高溫鐵液,提高其利用率。采用喂線法進行孕育處理效果更為穩定,但目前用于出鐵時孕育的還比較少。孕育劑的粒度因處理的鐵液量而略有不同:鐵液量不到500kg時,粒度宜為25mm;鐵液量在500kg時,粒度宜為58mm。加入量一般為處理鐵液量的0.20.4%,可視孕育劑的品種和鑄件壁厚調整,并通過試驗確定。加入量過多,不僅無益,還會因不能完全溶于鐵液而產生一些負面作用,如澆包積渣、鑄件產生夾渣缺陷、堵塞澆注系統中的過濾器件以及因鐵液過孕育而造成鑄件缺陷等。孕育劑粒度太大,也會因不能完全溶于鐵液而影響孕育效果,并造成鑄造缺陷。出鐵時用75硅鐵進行孕育處理,孕育效果會很快地隨時間的推移而衰退,孕育后57min,作用的衰退可在50%以上,大約經15min后,孕育作用將大部或全部消失。為確保鑄件質量,通常都要在孕育后10min內澆注完畢,最好在鐵液自澆包注入鑄型時進行再次孕育。

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        .澆注時孕育澆注時孕育也稱為后孕育(Post Inoculation)或瞬時孕育,是在鐵液自澆包注入鑄型時進行的孕育處理??蓪⒓毩T杏齽┘尤胍毫?,也可用喂線法孕育。1)細粒孕育劑孕育澆注時孕育不存在孕育衰退的問題,一般都用75硅鐵作孕育劑,有特殊要求時也可用含其他合金元素的孕育劑。為使孕育劑能迅速溶于鐵液并能均勻地分布于鐵液中,應采用細粒,一般為0.30.7mm 。加入量大致為鐵液的0.150.2%。采用傾轉式澆包人工澆注時,比較簡便辦法是采用吊掛在包嘴上的定量漏斗,澆注時開啟下料口,孕育劑由重力作用落入液流。對于生產線上位置固定的傾轉包,則以采用帶料斗的微型螺旋給料器為好。生產線上由保溫爐經虹吸式澆嘴澆注的條件下,國外多采用干燥空氣吹送方式。開始澆注時,由傳感器控制開啟氣閥,將孕育劑加入液流中。


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        發表于寧夏


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