冶金质量与球墨铸铁皮下气孔浅谈

     

在(zai)(zai)球墨(mo)铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)铁生产中最常见的(de)(de)缺陷就是(shi)(shi)皮(pi)(pi)下气(qi)孔(kong)(kong)(kong),在(zai)(zai)湿型(xing)砂铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)型(xing),特别是(shi)(shi)比表(biao)(biao)(biao)面积大(da)的(de)(de)小型(xing)铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)件中最易发生皮(pi)(pi)下气(qi)孔(kong)(kong)(kong)。皮(pi)(pi)下气(qi)孔(kong)(kong)(kong)往往位于铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)件表(biao)(biao)(biao)面以(yi)下0.5~1mm处(chu),呈(cheng)细小的(de)(de)圆形或(huo)(huo)椭圆形孔(kong)(kong)(kong)洞,孔(kong)(kong)(kong)径多为0.5~2mm的(de)(de)针孔(kong)(kong)(kong),内(nei)壁光滑(内(nei)表(biao)(biao)(biao)面有时附有石墨(mo)膜(mo)),呈(cheng)均(jun)匀分布(bu)在(zai)(zai)铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)件上(shang)表(biao)(biao)(biao)面或(huo)(huo)远(yuan)离内(nei)浇道(dao)的(de)(de)部(bu)位,但在(zai)(zai)铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)件侧面和底部(bu)也偶尔(er)存在(zai)(zai)。在(zai)(zai)铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)态时,皮(pi)(pi)下气(qi)孔(kong)(kong)(kong)不易发现(xian),但经热处(chu)理后,或(huo)(huo)是(shi)(shi)经机械加工则显露(lu)。皮(pi)(pi)下气(qi)孔(kong)(kong)(kong)影(ying)响铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)件的(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面质量,并且(qie)在(zai)(zai)出现(xian)皮(pi)(pi)下气(qi)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)部(bu)位,往往伴(ban)随有片状石墨(mo),因而恶(e)化(hua)了该(gai)部(bu)位的(de)(de)力学(xue)性能,严重的(de)(de)会使铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)件报废(fei)。某产品的(de)(de)铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)造(zao)毛坯结构(gou)如图1所示。

该铸(zhu)件(jian)材质为(wei)(wei)QT450,最(zui)薄处壁厚为(wei)(wei)6 mm,在头(tou)弧部(bu)(bu)、尾弧部(bu)(bu)是非加(jia)工(gong)表面(mian),技术要(yao)求规定在其(qi)表面(mian)不(bu)允许(xu)有(you)深度大于(yu)1 mm的(de)(de)皮下气(qi)孔(kong),单件(jian)铸(zhu)件(jian)质量为(wei)(wei)1.1 kg,铸(zhu)造(zao)总(zong)质量为(wei)(wei)50 kg。采用(yong)湿砂(sha)型铸(zhu)造(zao),气(qi)压造(zao)型。铸(zhu)件(jian)内腔用(yong)覆膜砂(sha)热(re)芯成(cheng)形,从一端芯头(tou)排气(qi),初期采用(yong)5t冲(chong)天炉熔炼铁(tie)(tie)液,铁(tie)(tie)水出(chu)炉温(wen)度1 430℃左右,球(qiu)化(hua)包底筑成(cheng)凹(ao)坑式,采用(yong)冲(chong)入法球(qiu)化(hua)处理(li)(li),球(qiu)化(hua)剂(ji)(ji)为(wei)(wei)FeSiMg8RE7,孕育剂(ji)(ji)为(wei)(wei)FeSi75Al0.5,总(zong)加(jia)入量为(wei)(wei)0.5%~ 0.8%,分多(duo)次(ci)加(jia)入。铸(zhu)件(jian)滚光(guang)清理(li)(li)后(hou)表面(mian)光(guang)洁平整,经第二(er)次(ci)喷(pen)砂(sha)处理(li)(li)后(hou),在铸(zhu)件(jian)表面(mian)发现(xian)弥(mi)散分布的(de)(de)小圆坑,孔(kong)径为(wei)(wei)0.5~2 mm,经解剖(pou)后(hou)确(que)定为(wei)(wei)皮下气(qi)孔(kong)。为(wei)(wei)了消除这种(zhong)流行性缺陷(xian),针对在湿型生产球(qiu)墨铸(zhu)铁(tie)(tie)件(jian)易(yi)出(chu)现(xian)的(de)(de)特征,工(gong)艺上除注重这种(zhong)缺陷(xian)对铸(zhu)件(jian)“壁厚效(xiao)应(ying)(ying)”的(de)(de)敏(min)感性,即它的(de)(de)形成(cheng)同铸(zhu)件(jian)凝固速度有(you)内在联系,还应(ying)(ying)从形成(cheng)原因上分析,找出(chu)相应(ying)(ying)对策。

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1、皮下气(qi)孔成因(yin)分(fen)析

皮下气(qi)(qi)孔(kong)是湿型(xing)球墨铸铁件常见的铸造(zao)缺陷,所以说(shuo)它(ta)带(dai)有(you)流行性缺陷,且对(dui)薄壁(bi)(bi)铸件特别敏感(gan),原(yuan)因是薄壁(bi)(bi)件凝固速(su)(su)度快,气(qi)(qi)体(ti)来不及形成(cheng)气(qi)(qi)泡(pao),厚(hou)壁(bi)(bi)件凝固速(su)(su)度慢(man),气(qi)(qi)体(ti)形成(cheng)气(qi)(qi)泡(pao)后有(you)足够的时间上浮排(pai)出,不会滞留在(zai)铸件表层。影响皮下气(qi)(qi)孔(kong)形成(cheng)的主(zhu)要因素有(you):

①残余(yu)镁量(liang)和(he)残余(yu)稀土量(liang),当镁残留量(liang)>0.06%时,皮(pi)下(xia)气孔显著增(zeng)加。统(tong)计(ji)数据显示(shi),湿型(xing)球(qiu)墨铸铁件(jian)ω

Mg

残留(liu)

=0.05%时,皮下气孔缺陷率为7%,当ω

Mg

残留

=0.065%时,皮下气孔缺陷率剧增,高达33%。残留镁量越高,形成皮下气孔的倾向性越大。稀土元素会增大铁液的表面张力,能有效防止皮下气孔产生倾向,以ω

RE

残(can)留

=0.025%左右为佳。

②铁液(ye)中(zhong)硫(liu)含量高,容(rong)易引起(qi)皮(pi)下气孔,含硫(liu)量越高,情(qing)况就(jiu)越严重。这(zhei)是因为除了有氢致皮(pi)下气孔外,还(hai)可(ke)能由于(yu)H

2

S气体而使缺陷情况更为严重,球化处理后会产生氧化物和硫化物(包括MgS)渣滓,若扒渣不净MgS随铁液流进型腔,上浮至金属一铸型界面的MgS同界面水气发生化学反应,反应产物H

2

S气体也会形成皮下气孔。

③铝和钛(tai)的影响,铁液中Al>0.03%时(shi)(shi),皮下气(qi)孔增(zeng)加,若残留铝和残留钛(tai)兼有时(shi)(shi),则皮下气(qi)孔急骤增(zeng)加,生产(chan)实践(jian)证明:球墨铸(zhu)(zhu)铁件Al<0.03%时(shi)(shi),一般不会(hui)产(chan)生皮下气(qi)孔,但如果同(tong)时(shi)(shi)Ti >0.01%,则会(hui)促使(shi)铸(zhu)(zhu)件产(chan)生皮下气(qi)孔。

④铸型(xing)水分(fen)(fen)>5%时,湿(shi)型(xing)球墨铸铁件(jian)易出(chu)现(xian)皮下气(qi)孔。因为铁液与铸型(xing)界面(mian)上的水分(fen)(fen)存在(zai)化学反应,产生H

2

、H

2

S气体,在铸件快速凝固时,来不及上浮,就停留在靠近铸件表面上,形成皮下气孔。

⑤炉料(liao)有水、球化剂(ji)和孕育(yu)剂(ji)吸潮及铁(tie)液(ye)中含氢量增加均会导致皮下气孔较多。

⑥熔渣过多和铁液(ye)氧化夹杂是产生(sheng)皮下气孔的重(zhong)要原因(渣为触媒导致皮下气孔产生(sheng))。

⑦铁(tie)水出炉温(wen)(wen)度(du)低,或浇注温(wen)(wen)度(du)低,易(yi)形(xing)成皮下(xia)气孔。

⑧浇注速度慢,铁液易(yi)氧化、降温(wen)、进渣,易(yi)形成皮下气孔。

上(shang)述诸因(yin)素单(dan)独(du)出现时,皮(pi)下(xia)(xia)(xia)气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)虽(sui)有(you)(you)可(ke)能(neng)产(chan)生(sheng),但不(bu)会十分(fen)严重,如(ru)果儿种因(yin)素同(tong)时肴加一(yi)起(qi)(qi)作用,则皮(pi)下(xia)(xia)(xia)气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)倾向大大增加。根据我公(gong)司铸(zhu)(zhu)(zhu)造厂的(de)(de)生(sheng)产(chan)实(shi)践,逐一(yi)对上(shang)述因(yin)素进(jin)行(xing)对照、分(fen)析、排查,最后确(que)定其(qi)中②、⑥、⑦三种因(yin)素的(de)(de)影响较(jiao)为严重。硫对湿型(xing)球(qiu)墨铸(zhu)(zhu)(zhu)铁件皮(pi)下(xia)(xia)(xia)气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)的(de)(de)影响机理(li),目(mu)前(qian)尚无系统确(que)切(qie)的(de)(de)理(li)论依据,但原铁液硫含量高(gao)(gao)易(yi)(yi)产(chan)生(sheng)皮(pi)下(xia)(xia)(xia)气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong),却是不(bu)争的(de)(de)事实(shi),原因(yin)是高(gao)(gao)硫铁液易(yi)(yi)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)较(jiao)多的(de)(de)硫化(hua)物(wu)(wu)夹(jia)杂物(wu)(wu)(MnS、FeS、MeS等),引(yin)起(qi)(qi)渣产(chan)生(sheng)皮(pi)下(xia)(xia)(xia)气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong),另外(wai),熔炼与处理(li)过程中形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)氧化(hua)物(wu)(wu)熔渣(如(ru)FeO、MnO、AlO、SiO等),铁液与型(xing)砂表面(mian)(mian)水分(fen)发生(sheng)反应生(sheng)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)氧化(hua)物(wu)(wu)熔渣等,都可(ke)能(neng)成(cheng)(cheng)(cheng)为气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)体(ti)形(xing)(xing)核的(de)(de)衬底,吸附气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)体(ti)分(fen)子聚集成(cheng)(cheng)(cheng)气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡,铁液中残留(liu)镁量过高(gao)(gao),镁在脱硫、脱氧时产(chan)生(sheng)的(de)(de)氧化(hua)物(wu)(wu)和硫化(hua)物(wu)(wu)越(yue)多,球(qiu)墨铸(zhu)(zhu)(zhu)铁的(de)(de)皮(pi)下(xia)(xia)(xia)气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)会急(ji)剧增加,将浇注温度提高(gao)(gao)到1380℃以上(shang),可(ke)以有(you)(you)效地防止(zhi)皮(pi)下(xia)(xia)(xia)气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong),实(shi)质上(shang)铁液温度越(yue)高(gao)(gao),夹(jia)杂物(wu)(wu)越(yue)少(shao),其(qi)原因(yin)是:一(yi)方面(mian)(mian)氧化(hua)反应在高(gao)(gao)温下(xia)(xia)(xia)不(bu)易(yi)(yi)进(jin)行(xing);另一(yi)方面(mian)(mian)高(gao)(gao)温下(xia)(xia)(xia)夹(jia)杂物(wu)(wu)易(yi)(yi)于(yu)上(shang)升排除。

另(ling)外,涉及到(dao)铁(tie)液的(de)化学(xue)成(cheng)分(fen)、熔炼温度和纯净(jing)度,这(zhei)是(shi)铁(tie)液冶金质量的(de)3个主要指标(biao)。化学(xue)成(cheng)分(fen)控(kong)制得(de)越(yue)严格,有害元素硫含量越(yue)低;铁(tie)液温度越(yue)高(gao),夹杂物越(yue)少(shao);铁(tie)液的(de)冶金质量越(yue)高(gao),则产生皮(pi)下气(qi)孔的(de)可能性越(yue)小。所(suo)以,提高(gao)铁(tie)液冶金质量,是(shi)生产湿型球墨铸铁(tie)件中防止皮(pi)下气(qi)孔的(de)关(guan)键控(kong)制环节。

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2、防止皮(pi)下(xia)气(qi)孔(kong)的工艺措施

防止皮下气孔的工艺措施主要有(you):

①脱硫处理(li)。所谓脱硫,就是尽量将铁液中的硫向炉渣中转移,并随之排除,铁液中FeS量越少,脱硫效率也就越高,适当提高脱硫渣的碱度与铁液温度、减少炉渣中氧化亚铁的含量,有利于促进脱硫,因此,加大炉渣量,提高熔渣的流动性、加强搅拌、提高铁液与熔渣温度都有利于脱硫的充分进行,及时扒渣,防止回硫。采用炉外脱硫处理的方法,利用由碳化钙和氧化钙组成的铸造专用工业电石作为脱硫剂进行脱硫处理,加入量约占铁液质量的0.5%~1.5%。

②提高铁液纯净(jing)度为了提高铁液的纯净(jing)度,减少熔渣。曾采用在小浇包内加集渣剂二次除渣的措施,皮下气孔的数量(出现个数)有所减少,但未得到根除。在铸型表面抖敷冰晶石粉可以消除皮下气孔,但使用情况表明并不理想。铸件清理后,表面仍会出现一些小的渣孔,有时与皮下气孔转变成的小凹坑极为相似,表面质量仍不符合产品质量要求,这可能是冰晶石与铁液中的夹杂物反应(主要指固态渣)生成液态溶渣,仍然滞留在铸件表面无法排除的原因,因此,对球墨铸铁件在设计浇注系统时要尽可能加设过滤网和挡渣装置。

③调整焦铁比,优化熔炼(lian)工(gong)艺(yi)。提高冲天炉出铁温度,有利于消除和减轻遗传性和提高铸件品质,因此可以说,冲天炉出铁温度的高低,反映了现代铸铁的生产水平,炉前测温达到1470℃以上,同时采用脱硫、集渣措施,特别是在加商品集渣剂时,将定量的冰晶石粉(氟铝酸钠Na

3

AlP

6

,熔点994℃)作为熔剂一并加在铁液表面,并适当搅拌静置,提高了集渣效果,从而防止了界面铁液层的吸氢,可以有效地抑制球墨铸铁件皮下气孔的产生,效果显著,工艺出品率也明显提高。

④对化(hua)学成分的(de)控(kong)制。化学成分虽不作为验收依据,但它是生产高韧性铸态铁素体球墨铸铁件的前提,严格控制和计算炉料配比,控制终硅量(Si<3.0%),在保证铁素体的条件下尽量降低硅量。另外,含锰量不宜高,过高(Mn>0.65%)时,也会造成渣气孔,控制Mn<0.30%,可避免铸态下形成渗碳体。同时使用低硫、低磷的纯净炉料,严格限制白口化和反球化元素含量,也是必须遵循的原则。

⑤提高铸型(xing)的(de)透气性,有利于减轻皮下气孔。

⑥采(cai)用5t中频无芯(xin)感应电炉(lu)熔炼球墨铸铁铁液(ye),皮下气孔得以控制(zhi)。电炉熔炼时成分易于控制,铁液温度可以升高到1530℃~1550℃出铁。由于不使用熔剂,保证了铁液的纯净度,电炉不用焦炭(特别是高硫焦炭),不会增硫,铁液的冶金质量大大提高和稳定,为高质量球墨铸铁件的生产创造了硬件设施。

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3、结(jie)语

熔炼球(qiu)墨铸铁(tie)(tie)(tie)铁(tie)(tie)(tie)液(ye),在铸型水分、铁(tie)(tie)(tie)液(ye)中的(de)含(han)气量(liang)、球(qiu)化元素残(can)留量(liang)及其他有(you)害元素都(dou)得到有(you)效(xiao)控制的(de)情况下,同时提(ti)高脱硫(liu)、除渣效(xiao)果,保证铁(tie)(tie)(tie)液(ye)有(you)较(jiao)高的(de)纯净度,并辅以(yi)较(jiao)高的(de)熔炼处理和浇注温度,提(ti)高铁(tie)(tie)(tie)液(ye)的(de)冶(ye)金(jin)质量(liang)是防止(zhi)皮(pi)下气孔的(de)唯(wei)一有(you)效(xiao)措施。