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影响大断面球铁件石墨形态的因素探析
影响大断面球铁件石墨形态的因素探析
【提要】综述国内外有关大断面球铁件石墨形态及其影响因素的有关报道。
介绍了化学成分、工艺过程、凝固过程等。
推荐了用于生产的碳当量CE=4.2~4.3,2.0~2.2%Si,0.04~0.05%Mg残,S<0.028%,浇注温度=1350~1360℃,孕育总量为0.2~0.3%Si。
关键词:
大断面球铁 石墨形态
大断面球墨铸铁由于冷却速度缓慢,凝固时间长,使得铸件中尤其是厚壁中心或热节处出现石墨畸变、球数减少、球径加大、成分偏析、晶间碳化物增多及石墨飘浮等问题,结果降低了其力学性能特别是塑韧性。
为防止大断面球铁件的球化衰退,改善其石墨形态和力学性能,国内外铸造工作者在理论和生产技术方面作了大量工作,取得了满意的结果。
但是由于影响大断面球铁件石墨形态的因素较多,各因素间互相关联和影响,因此还有很多问题尚需进一步探讨,现将其主要内容综述如下,并以此为依据,提出可用于指导大断面球铁件生产的几点建议和结论,并同时阐明为改善大断面球铁件石墨形态需要进一步研究的领域和必须解决的问题。
一、化学成分
碳和硅是影响大断面球铁件石墨形态的基本成分。
H.Mayer和S.I.Karsay等指出,在一定的冷却速度和孕育条件下,提高碳当量(CE),可提高石墨球数,改善石墨球形状,并可增加自补缩能力,减少碳化物〔1〕。
S.I.Karsay又发现,当CE大于4.3时,石墨飘浮倾向增加〔2〕。
不少研究者认为,大断面球铁件过高的硅量易产生碎块状石墨,E.Campomanes等同时指出,当Si<2%时,碎块状石墨会明显减少〔3〕。
因此,为使大断面球铁件有足够的球化能力,又不致于产生碎块状石墨和石墨飘浮,建议取,碳当量CE4.2~4.3,硅2.0%~2.2%。
镁大断面球铁件残余Mg量的控制对获得完全球化的组织很重要。
曾有不少人认为,随球铁件断面尺寸的增大应相应地加大Mg残,以加强球化因素,抵偿石墨化因素,提高球数〔4〕。
而P.K.Basutkar等则认为,当Mg残<0.045%时,增加Mg残量可增加球数和球化率,过高的Mg残即大于0.045%时,会产生变态石墨〔5〕;杨学厚等也认为,在用轻稀土镁球化处理的大断面球铁件,当硫量达到一定的低限且没有回硫现象时,球化元素最佳残留量与断面尺寸无关〔6〕。
因此建议取Mg残为0.040%~0.050%〔7〕。
稀土几乎所有的文献都认为,当大断面球铁件中存在哪怕是极少量的微量无素时,就必须在球化剂或孕育剂中加入适量的稀土。
它有两方面的作用,其一是脱硫去气,净化铁水,保护镁,即起到球化或间接球化的作用〔8〕;其二是与微量元素互相作用,消除有害的一面,发挥有利的一面〔9〕。
但是,这些文献同时指出,过量的残余稀土将使大断面球铁件的石墨形态恶化,尤其是易产生碎块状石墨。
因些,对大断面球铁件的稀土含量应根据具体的条件如微量元素量、硫量等因素严格控制。
根据大断面球铁碎块状石墨形成机理〔10,11〕,稀土促进碎块状石墨形成的原因有以下三点:
(1)稀土使共晶温度范围和共晶凝固时间加大,增加了碎块状石墨在残余共晶铁液中形成的可能
(2)铈等轻稀土熔点较低,对奥氏体—石墨球共晶团之间的狭窄铁水通道有稳定作用,而碎块状石墨最易在该通道中形成 (3)稀土易积累在正在生长的碎块状石墨的(0001)面上,产生新的螺旋形位错,促进富碳铁液在此处长出新的分枝,如此反复,促进碎块状石墨不断分枝呈扇形生长。
关于大断面球铁件中的最佳残余稀土量,如前所述应根据具体情况确定,不同的生产或试验条件可能会得出不同的结果。
汪百夫等认为,在用稀土镁处理的大断面球铁件,最佳RE/S(残)=1.5~2.0〔12〕。
而对于Mg球铁,当RE<0.01%时,即有中和有害元素的作用〔13〕。
C.R.Loper认为Ce残在0.009%~0.020%范围内可使球数增加,并大大降低碳化物形成倾向,而超过此范围时其结果刚好相反〔14〕。
P.C.Liu指出,在0.045%Ti,0.002%Bi,0.0001%Sb和0.005~0.010%S的条件,Ce残的理想范围为0.003%~0.019%〔15〕。
据H.Morough的报道,在含0.011%Pb,0.005%Te和0.015%Ti的情况下,Ce取0.02%就能中和这些元素的副作用〔16〕。
微量元素
S.I.Karsovy指出,影响大断面球铁件石墨形状的所有元素可分为两组,一组是Sb、Pb、Sn、As等微量元素,其促进晶间片状石墨但抑制碎块状石墨;另一组是Ce、Ca、Si、Sr、Ni等则促进碎块状石墨但有利于消除晶间片状石墨〔17〕。
因此,对大断面球铁件的微量元素应辩证看待,如果能把微量元素与铈等元素合理搭配,就可能互相中和各自的有害作用,发挥有益影响。
文献报道中对锑在大断面球铁件的作用比较一致。
B.C.Liu和E.Campomanes等人都认为,在大断面球铁中加入一定量的Sb并辅以适量的稀土,可有效地消除碎块状石墨,改善石墨形态并提高力学性能〔18,19〕。
B.C.Liu等用俄歇电子显微分析探讨了Sb的作用机理,认为Sb能消除吸附在石墨/铁液界面上对石墨后期长大起恶化作用的氧;并能代替氧吸附在该界面上降低其界面能,从而提高新相的形核率和长大速度;同时还能与铁水中的La等元素形成稳定复杂化合物而成为异质核心〔20〕。
Likewise则认为加入微量锑可消除由于过量铈而造成的石墨形态恶化〔21〕,而过量锑引起的石墨变态则应加适量铈消除。
关于锑的加入量也应由具体条件确定,B.C.Liu〔18〕的推荐值为0.005~0.070%Sb,0.01~0.04%RE。
铋、碲和钛通常被认为是有害的,铈能中和这些元素,镁可提高碲的允许含量〔16〕。
但沈定钊等人最近的研究发现,铋具有与锑类似的降低界面能以及与La、Sc、Al等元素形成稳定长效异质核心的作用〔20〕,可用为孕育元素加入,通常取0.003%~0.005%Bi,0.027~0.042%RE。
关于锡,S.Karsay发现,当大断面球铁件硅量小于2.5%时,加入0.05%Sn,可稳定奥氏体外壳,从而避免产生碎块状石墨〔4〕。
二、工艺过程的影响
1.球化处理
目前国内外生产大断面球铁件采用的球化剂有纯镁、钇基重稀土镁、轻稀土镁等。
沈阳铸造研究所的研究及Loper等人的试验表明,重稀土镁比轻稀土镁脱硫能力强,石墨球圆整、抗衰退能力强,当大断面球铁液中存在0.005~0.027%钇时,不仅不会产生碎块状石墨,而且可中和有害元素,提高球化率〔22〕。
杨学厚等报道,以铈等元素组成的轻稀土镁球化剂,如果控制得好(例如与微量元素配合使用),也能较好地用于大断面球铁件的球化处理,认为重稀土镁球化剂目前成本较高〔6,4〕。
国内目前的稀土镁硅铁合金球化剂与国外相比,存在一些明显的不足,硅、稀土和镁量都偏高,成分波动范围大,且品种少、标准化、系列化工作不够〔23〕。
最近,笔者试制了一种低镁稀土硅的混合球化剂,其以镁团块为主,轻稀土镁为辅,成分稳定可调,能适应于不同条件下大断面球铁球化处理,对解决上述问题作了有益的尝试。
关于球化工艺对大断面球铁石墨形态的影响报道不多,但对型内球化法、盖包法、密流法、GF转包法等球化工艺的选择也很重要。
据认为目前国内外应用最多的冲入法比GF转包法处理大断面球铁铁液质量更好〔24〕。
2.孕育处理
普遍认为球化衰退与孕育衰退有关,大断面球铁石墨变态的一个重要原因就是在长时间凝固过程中缺乏足够数量稳定的结晶核心〔20〕;C.R.Loper指出大断面球铁石墨球数能达到60~70个/mm2以上时,将不会形成变态石墨,即随球数增加,石墨形态能明显改善〔5〕。
用于球铁的孕育剂种类很多,而且不同种类的球化剂可能要求对应的孕育剂相配合才得到最佳的抗衰退效果,因此要综合考虑各种因素,选择恰当的组元和成分研制特定条件下大断面球铁用孕育剂就显得难度较大。
国内外生产大断面球铁件常用的孕育剂仍然是75SiFe,其孕育效果好,价格便宜,但易衰退。
可用于大断面球铁孕育剂中的添加元素有Ba、Sr、Zr、Ca、Al、Bi、Sb等,即与普通球铁基本相同。
R.C.Helmink和S.Karsay分别把Ba、Sr、Zr用到大断面球铁孕育剂中,发现这些元素的作用不大〔9,3〕。
最近有文献报道,用Mg-Ca-Si系列球化孕育剂生产大断面球铁钢锭模取得了成功的经验〔25〕。
有人用球铁屑做二次孕育剂生产合金球铁轧辊,据认为这种二次孕育剂可形成与非溶解石墨弥散相类似的钝化石墨核心,从而增加石墨球数、缩小其球径〔26〕。
最近对球化之前的原铁液进行前期处理受到Loper等人的重视〔27〕。
笔者研制了一种适用于大断面球铁的PST-1前期处理剂,它能在铁液中持续扩散和溶解,与后期孕育互为强化,产生长时间的浓度起伏,迫使碳在长时间的共晶凝固过程中不断形核析出,同时能作为碳析出长大的有效基底,从而大大增加有效形核率,增加球数。
研究表明,用增加孕育硅总量的方法并不能改善大断面球铁的石墨形态和性能,相反由此造成的终Si量增加反而易产生碎块状石墨〔9〕。
因此,孕育硅总量建议取0.3%~0.4%Si。
另外,R.W.Recsman还发现,尽量降低铁液浇注温度,能缩短大断面球铁件凝固时间,从而改善其石墨形态〔28〕。
为获得较低的浇注温度而又不至于加长铁液保持时间引起孕育衰退,可采用倒包等措施使铁快速降温。
C.R.Lopr推荐大断面球铁浇注温度最好在1340℃以下。
三、凝固特性的影响
丁霖溥〔13〕指出,大断面球铁件的凝固特征为,液态凝固时间短,共晶(平台)凝固时间长,在最终凝固前变快。
随铸件壁厚增加,共晶平台凝固时间增加,后期凝固时,在接近最终凝固时变短,并认为其衰退的主要方式是共晶凝固衰退,即共晶转变时冷速缓慢、时间长,形成了较好的平衡结晶条件,从而导致石墨变态。
可见,凡是影响凝固特性的因素,都对大断面球铁衰退有影响。
很多研究者认为,解决球化衰退的途径,应是提高铁水的抗衰性能和减少铸件的凝固时间〔29〕。
且大断面球铁冷却速度越小,就态石墨越多〔5〕,因此防止大断面球铁衰退的一个重要途径就是控制凝固时间,提高冷却速度。
为缩短铸件的凝固时间,调整铸件不同部位的冷却速度,可采用强制冷却(如水冷)和激冷能力较强的造型材料(如石墨型、冷铁型等)。
铸件浇冒口设计、温度场等因素也直接影响铸件的凝固和衰退。
四、可用于生产的要点
从以上综述不难得出,可用于指导生产,提高大断面球铁石墨形态的的有关成分和参数推荐如下:
CE=4.2~4.3,2.0%~2.2%Si,0.04%~0.05%Mg残,S<0.028%,浇注温度t浇=1350~1360℃,孕育总量Si=0.20%~0.30%。
稀土和微量元素应同时存在,稀土和微量元素的种类和用量应根据具体条件选择。
(1)影响大断面球铁石墨形态的有关工艺措施建议如下,用PST-1前期处理剂对原铁水进行前期处理,以创造一个对后期球化或孕育有利的微观环境;选用成分稳定可调且Mg、RE、Si较低的系列球化剂以适应不同条件下的大断面球铁件生产;采用多次孕育,Sb、Bi随流孕育、球铁屑二次孕育以防止球化孕育衰退;采用水冷、悬浮浇注、快速降低浇注温度及强制冷却的措施,以缩短共晶凝固时间,防止共晶凝固衰退。
(2)在大断面球铁件中,把有利于提高石墨形态的两种或两种以上的诸种工艺联合使用,经常会收到较满意的效果。
参 考 文 献
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- 配套讲稿:
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