球墨铸铁冶金处理的影响总结.docx
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球墨铸铁冶金处理的影响总结
球墨铸铁冶金处理的影响
一、引言。
“冶金”处理是指为了实现以下目的而进行的任何处理:
1.将原铁转变为球墨铸铁;
2.提高和/或稳定材料的质量。
金属的质量涉及强度(微观结构)、延展性(球化率,碳化物和微观结构)以及截面和表面质量(球数,孔隙率,夹杂物)。
球墨铸铁转化的结果由以下因素测量或评估的:
1.球化率-最大化;
2.球数-最大化,但受铸件截面限制;
3.激冷碳化物-最小化;
4.反白口-最小化;
5.缩松-最小化;
6.冶金夹杂物-最小化。
冶金处理将主要影响球化率(脱硫,球化)、球数(在炉中进行预处理,孕育)、碳化物(在炉中进行预处理,孕育)和夹杂物的出现(球化,脱硫)。
这些处理是指对铁水采取的炉内预处理、脱硫(如果需要)、球化和孕育。
有时有必要对金属进行脱硫。
这通常是在熔化过程中完成的(通过添加石灰粉)。
添加必须在其他处理之前完成。
冶金处理是在炉内,出铁过程中或之后进行的。
炉子内的预处理在炉子中进行,脱硫可以在炉子或特殊的铁水包中进行,球化在钢包中进行,孕育可以在钢包和/或浇注箱中进行。
对于连续铸造型内球化也是可以的。
在这种情况下,最好使用过滤器以避免反应产物(MgS)进入铸件。
本文将描述处理的过程和对金属冶金质量的影响。
在附件中,将描述熔炼对化学过程的影响以及熔炼和冶金处理对形核的影响。
二、炉内预处理。
1、目标。
炉内预处理的目标是“获得液态金属的可控状态,这将需要恒定数量的球化剂和孕育剂,以及由得到的恒定且可预测的金属强度和铸件质量”。
为此,必须进行“预处理”。
这意味着将其处理为存在几乎恒定量的氧和核心。
有效的预处理可将形核数量增加20%到25%。
无论如何,根据熔化说明使熔化温度保持较低且恒定是非常重要的。
这避免了液态金属质量(氧和核心的存在)中的许多变化。
原则上,如果需要,应在脱硫后进行预处理。
但是某些预处理活动是在熔化过程中完成的,因此在进行脱硫的情况下,需要进行其他预处理。
2、类型。
要知道预处理是在熔融炉中进行的,目标是增加液态金属中的核心数量,因此必须根据测试结果进行。
该测试主要是楔形测试(请参阅下页图44)或CE表显示的冷却曲线(ΔT)。
当炉料由大量废钢组成时,有必要从一开始就进行预处理(废钢对石墨形核无贡献)。
预处理主要通过以下方式完成:
•在末尾添加大量的生铁;
•添加SiC(含量约为0.4%),尤其是还有废钢时;
•在出炉前在炉中添加FeSiBa孕育剂;
•在进行第一次孕育时添加额外的孕育剂。
如果氧含量通常很高,最好的预处理之一就是在出铁前炉内加入碳化硅(SiC)。
其作用如下:
1.碳与氧反应,以CO的形式消失;
2.硅进入金属,从而增加了硅的含量。
经过预处理的铁液将具有更好的孕育效果(降低衰退效果),请参见图44,显示楔形测试中的凝固白口宽度。
用FeSi进行孕育。
每个铸造厂都知道这些非常简单的解决方案,但是只有第三个方法是额外的孕育,这不是真正的预处理,因为它是在出铁后进行的,甚至在数量上也没有很高的一致性。
不同的铸造厂加入量也不同,SiC添加量一般在0.1%至0.4%之间变化。
一些文献还提到用SiC预处理会降低后来孕育效果的衰退。
3、步骤
A:
没有脱硫过程的情况:
必要的程序确实包括加料和熔化的方式,可以是以下步骤:
1.首次装料要装入密度高的物料,由废钢和回炉的混合物组成;
2.接着装入回炉铁和生铁的混合物;
3.最后装入的是生铁和SiC预处理合金。
4.熔化温度可至1400–1450°C,具体取决于液态金属的化学成分(有关任何特定材料,请参见Tg和Tc温度表)。
温度应保持在Tc以下,直到化学分析检测完毕并确定正确为止。
Tg是指低于该温度,将发生Si+O2→SiO2反应的温度,而Tc是指高于此温度,将发生SiO2→Si+O2和C+O→CO这两个反应的温度。
5.进行测试样品的化学分析和冷却曲线/CE。
6.根据检测结果,调整化学成分和/或添加了额外的预处理产品,可以是:
•在炉中无需额外添加,但在过冷度为3–5°C时额外增加0.1%的孕育剂;
•如果过冷度为5–7°C的话,则额外在炉中加入生铁;
•如果过冷度>8°C,则需要额外的SiC和生铁;
•如果过冷度接近10°C的话,则将不可能将冶金质量恢复到可接受的水平。
添加FeSiBa可能是有益的,因为它将使氧含量降低至较低水平(对于熔炼过程或多或少是稳定的),从而可以使添加Mg的量最小化和最优化。
7.加热到出炉温度,除去炉渣并出铁。
B:
有脱硫过程的情况:
参照上面没有脱硫的情况介绍。
脱硫工序加在第四条和第五条之间。
就像在每个程序或指令中一样,操作必须与测试结果相关,并且还应规定操作的数量。
只有这样才能避免操作者的主观行为。
三、脱硫处理
目前由于多采用电炉熔炼,通过原材料的严格控制,能够做到硫含量低于0.025%,因此脱硫极少进行,这里将不再赘述,仅做简要说明。
最终的含硫量最好控制在0.008-0.012%,以实现最佳的游离石墨析出。
原铁水大于0.025%就需要脱硫处理,一般控制在0.02%以下,最好0.015%-0.02%。
过多的硫含量将导致脱硫工序的增加,时间的消耗,球化剂的消耗量增加,渣子产生的量也增加,白口倾向增加及缩松倾向增加等一些列问题,铁水冶金质量下降。
一般用到的脱硫剂种类及使用:
另外需要注意的是,过低的硫含量也会导致问题(镁与硫反应并形成
MnS,如果尺寸≤50µm,则它起着核心的作用(并因此增加了球数))。
如下图所示:
四、球化处理
球化处理的目的和类型不再赘述,下面谈球化剂中Mg量的问题。
稀土与硫和氧结合是镁的5.8倍;Ce残余量超过0.01%就可能导致提前析出的石墨呈现变大或爆炸状;球化处理产生的MgS和CeS,如果≤10µm,则这两种化合物也可作为石墨形核的核心。
球化处理不一致(通过铸件球化率评估)问题的影响因素:
1、由于光谱仪没有校准好,导致铁水初始含硫量检测错误。
最终的含硫量应该大于0.005%,对于厚壁件最优的范围是0.008-0.012%;对于薄壁件,最优的范围是0.010-0.015%;
2、出铁量称量错误;
3、球化剂重量称量错误;
4、FeSiMg合金中Mg的变化量。
大多数合金的公差确实为±0.5%,但某些(便宜的)合金的公差为±1%。
每批次中的镁含量各不相同,镁含量也有所不同;
5、FeSiMgRE合金中RE的含量变化。
稀土具有与镁相似的去除氧和硫的作用。
如果订购和交付合金时未指定RE含量,则球化结果会有所不同;
6、FeSiMg的添加类型不一致。
进行三明治法处理时的覆盖方式,使用氧化的合金,喂丝球化时不合适的线速度等等;
7、球化与浇注间隔时间过长(运输中不盖包盖,与空气接触氧化烧损,不正确的浇注方式,尤其是球化与砂型之间距离很远等都会导致结果的变化);
8、残余镁含量检测不正确(光谱校准不正确导致检测的Mg是总镁量)。
球化后取样过早或者渣子没有及时去除都会导致。
五、孕育处理
孕育的主要目的是通过以下方法获得最佳的机械性能,最佳的性能和切削性能:
1.控制石墨结构;
2.消除或减少碳化物;
3.降低铸件断面敏感性。
在球墨铸铁中,它将优化石墨球形态,增加石墨球的数量,防止形成碳化物并增加铁素体含量。
孕育必须将金属中的核心数量增加到一定水平,这将导致所需的石墨形态。
原来的规则:
“先球化,然后孕育”,现在被证明具有很小的优势(不到2%)。
在衰退时,不存在积极优势。
孕育时的低温提高了孕育效率。
如果将孕育总量分为两部分进行,随着时间推移,与一次全部添加的处理相比,最终效果会更好。
材料的截面越薄,冷却速度将越快,形成碳化物和降低游离石墨总量的风险就越大。
基于这个原因,孕育应该尽可能的晚一些,例如通过形内孕育。
在较厚的区域,金属凝固时的孕育效果可能已经降低,形核的数量将变少,石墨球尺寸变大,球化率低。
偏析的可能性很大,尤其是锰,铬,钛和钒的偏析。
这些偏析也降低了机械性能。
截面越厚,碳化物的形成和残留元素就越少。
孕育合金必须具有长效作用。
孕育剂组分主要是硅,对于薄壁件,也可以含有如钙、铝、钡稀土(Ce,Sr)等元素…这些元素确实充当了硅析出的催化剂,硅将形成SiO2,这是石墨析出的核心。
这种类型的孕育剂(含有少量的Ca,Bi…)会很快起作用,但是也会很快衰退!
添加Ba和/或Ba&Ca的孕育剂主要用作炉中的预处理合金。
有时作为一次孕育剂(如果球化和浇注之间的时间较长)。
对于厚壁件最好的孕育剂是纯硅铁。
因为反应时间长,作用将持久,这对于厚壁件非常好。
看本页图51。
对于孕育剂的储存,不发生返潮是很有必要的。
这种返潮将显著降低孕育剂的效用。
孕育剂的量永远无法适应金属的初始硅含量!
孕育量太低或太高都会产生不好的结果。
尝试每吨金属始终使用相同量的孕育剂,以获得非常一致的结果。
硅的初始含量必须至少为1.0%。
孕育的类型和用量:
不一致的孕育结果通常是由以下因素造成的:
六、衰退
1、引言。
观察这些冶金处理的衰退效果非常重要,因为效果不足会导致:
•由于球化衰退导致了蠕虫状石墨,这在球铁中时完全不允许的;
•在孕育衰退时出现球数很少,这将导致碳化物和缩松的产生。
2、球化衰退。
球化衰退包括镁和稀土含量的减少。
这种衰退是由以下因素导致的:
A、大部分单质镁和氧在铁水表面发生了反应;
B、镁和稀土与不稳定化合态的氧发生了反应,尤其是二氧化硅;
C、硫化物分解后产生的硫与镁和稀土发生反应;
D、较小的硫化镁和少量硫化铈经过结合形成较大的粒度后,更快的上浮到铁液表面。
球化处理的衰退将取决于以下各项:
1.增加镁含量将增加衰退的速度;
2.提高处理温度将增加衰退的速度;
3.增加硫含量将增加衰退的速度;
4.使用中性或菱镁石衬的包会降低衰退的速度;
5.处理后1-2分钟,适当排渣(除渣)会降低衰退的速度;
6.金属的湍流:
(包来回倾斜,倒入浇注箱和铸型及浇注系统和型腔的填充)。
7.孕育剂中的合金元素(Ba,Ce)将减慢衰退的速度;
8.可以在压力浇注炉中使用的保护性气氛(例如氮气)。
在这种情况下(连续自动浇注),第二次后期孕育也将改善球化率;
9.连续使用包,在上次浇注后不清空。
包内剩余的铁水已经冷却或者已经凝固为片状石墨的铁。
球化衰退损耗的常见数据(必须在每个铸造厂中进行检查):
1.浇注包中的每分钟0.001%Mg和0.0002%RE;
2.封闭的包中每分钟0.0006%Mg和0.00013%RE;
3.在适当的带衬和有盖的保温炉中,每分钟0,0003%Mg。
但是每个铸造厂都应在特定条件下检查这种衰退,意识到即使是不同的包(尤其是高径比)也会产生不同的衰退效果。
3、孕育衰退
孕育衰退主要发生在硅元素上,孕育衰退在4分钟后开始,在10分钟后达到完全不足的孕育水平!
对于薄壁件,孕育剂还可以包含铝、钡、稀土元素...在这种情况下,添加孕育剂后效果会很快开始,但也会很快衰退。
对于厚壁件,最好的孕育剂是纯硅铁。
效果开始非常缓慢,但持续时间最长。
参见图52
注意:
铸造厂使用的一个普遍规则是,在球化和首次孕育12分钟后浇注会导致严重的游离石墨问题,但并非在所有情况下都是正确的。
对于大多数常用技术,球化和孕育处理的衰退速率几乎相同,要知道Mg衰退会立即开始,孕育效果会在最初的几分钟内增加(取决于孕育剂的类型),然后降低。
4、准则
1.镁合金最好是镁含量较低,例如4%至5%,以及较低的稀土含量。
在低温铁液和低镁含量的情况下可能不需要盖钢片;
2.出炉温度应保持尽可能低,同时保持足够高的浇注温度(1370°C以上);
3.应该使用含Ca和稀土的硅铁进行孕育处理,既能够中和有害元素同时也能够增加球数;
4.如果使用后期孕育(随流式),则必须注意限制孕育剂带入的稀土,因为未与硫和氧结合的稀土对石墨形状的影响方是很强的;
5.应当将镁残留量和稀土水平优化到最低水平,同时仍能获得良好的球化率;
6.限制衰退时间,以使倒出的第一个型腔和最后一个型腔之间的镁含量差异不大。
7.铁水的处理量要与型腔浇注的重量相称,以使每批处理铁水的衰退时间不超过12分钟。
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