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优质的铁水是保证灰鐵鑄件内在质量的基础

时间:2019-07-16 17:31:22 來源:未知
优质的铁水是保证灰鐵鑄件内在质量的基础,铁水质量是由三个指标组成的,这就是铁水温度、化学成分及纯净度。 在这三个指标中,铁水温度占着主导作用,它的高低直接影响着化学成分和纯净度。
 
一、鐵水溫度
鐵水的過熱溫度多少比較合適,國內外學者皆有不同的看法。但有二點是相同的,第一是存在一個臨界溫度,只有高于這一臨界溫度,隨著溫度的提高,鐵水則大幅度地減少氧化,減少Si、Mn燒損,並使石墨細化,基體組織致密,鑄鐵強度提高,硬度下降,彈性模數有少許提高,成熟度RG提高,相對硬度RH下降,品質系數Qi提高。
 
第二就是如果鐵水過熱太高,則會導致石墨分布形狀的惡化,過冷度過大,極易出現自由滲碳體,導致力學性能的下降,尤其低碳當量的鐵水對太高的過熱敏感性更大,性能下降更明顯,因此對鐵水溫度過熱也要有一個上限。
生産實踐中,鐵水過熱的臨界溫度及過熱的上限範圍是與鑄鐵牌號即碳矽量的高低密切聯系的。牌號越高,碳矽量越低,過熱溫度範圍也越高。從HT250至HT350,國外工業發達國家灰鑄鐵的出鐵溫度爲1500~1550℃,國內有建議1460~1500℃,也有建議1480~1520℃。
 
从实践效果和节能角度考虑,笔者认为1480~1520℃比较合适,表十列出了孕育铸铁的出铁温度的范围。 牌号铁水的出铁温度℃HT2501480~1500HT3001490~1510HT3501490~1520
對灰鑄鐵过热温度的选择,涉及到铸件质量和节约能源两方面的问题。实践证明,把铁水温度控制在1480~1520℃,即能保证铸件质量,同时节约能源,这是因为: 合适的过热温度减少了铁水的氧化及硅、锰的烧损。 理论计算表明,铁水中的C、Si与铁水温度之间存在着一定的关系,当铁水过热到某一临界温度时,铁水可避免氧化,SiO2、MnO可以被还原。
 
根据铁水的C、Si含量,通过图11确定理想的铁水过热温度,如C=3.3%,Si=1.7%,则查出临界温度1418℃,过热温度为1468℃,图12的过热温度之所以要高出临界温度50℃,这是因为冲天炉内达不到临界温度的平衡条件。 由图11看出,随着C、Si含量降低,过热温度越高,可以说1480℃是HT250~HT350灰鑄鐵最低的过热温度。
 
高溫鐵水在實際生産中具有著巨大的實際意義:
沖天爐熔煉的鐵水溫度越高,滲C率也越高,在同等強度下提高了碳當量,提高了鑄造性能;高溫優質鐵水由于減少了氧化,大幅度減少了因氧化造成的廢品,並顯著地減少了矽、錳燒損,這是下降成本,節約能源的最重要措施,鐵水的含氧量與渣中的含氧量有著密切的關系,
渣中FeO(%)5.65.657.208.3411.3014.35鐵水中含氧量(PPM)4047728695110
美國資料指出,鑄鐵的合適的含氧量爲10~20PPM,日本爲20~30PPM,這樣低的鐵水含氧量是與他們的高溫鐵水有著密切聯系的。我國據不完全測定,灰鑄鐵含氧量在40~110PPM的範圍內,國內鑄造企業在很長的一段時間內,在節約焦碳與鐵水質量的選擇中,吃了大虧,表十二顯示了我國鑄造企業鐵水嚴重氧化矽、錳燒損狀況。
從能源上說,一噸焦炭相當3508度電,而煉一噸矽鐵需8900度電,一噸錳鐵需7000度電,因節約焦炭而損失矽鐵、錳鐵得不償失,而鐵水氧化造成的廢品損失更是嚴重。某廠生産4M16缸體時,渣中FeO爲10~15%時,缸體廢品率達50%,當鐵水溫度達至1480℃,渣中FeO爲5~7%時,缸體幾乎消除了廢品。節約焦炭不能以犧牲鐵水溫度爲代價,而應采用富氧送風、預熱送風等一系列措施來獲得高溫鐵水。某廠采用熱風後,鐵水溫度1480~1500℃。不僅Si、Mn燒損減少,而且多加了廢鋼,在同樣的碳當量下下降了成本。更重要的是鐵水合適的過熱溫度,使石墨細化,石墨減少,鐵水中的雜質得一定穩定的純化,從而顯著地提高了鐵水的接受孕育的能力,爲孕育打下了良好的基礎。
在生産HT250~350灰鑄鐵時,強調沖天爐的出鐵溫度爲1480~1520℃,在任何情況下是不爲過的,它是優質鐵水的首要條件。
 
二、鐵水的化學成分
合理地選擇化學成分,是保證灰鑄鐵最佳的內在質量的基本條件,具體要求如下:
碳、矽含量選擇:HT250至HT350灰鑄鐵都是高強度孕育鑄鐵,孕育作用大小在很大程度上取決原鐵水的過冷度,而影響鐵水過冷的主要因素是兩個,一是鐵水溫度,過熱溫度越高,過冷越大,見圖13。二是碳當量,碳當量越低,過冷度越大。
 
碳當量多少合適呢?其原則是未孕育的原鐵水凝固後應是白口與麻口組織,即碳是以部分或全部滲碳體出現,孕育後全部爲珠光體細灰口組織。因此在孕育鑄鐵熔制時主要是掌握兩個環節,一是選擇C、Si含量使孕育前鐵水爲白口或麻口,或石墨呈D、E型過冷石墨。二是經過孕育後成爲細珠光體與A型石墨。一般情況下HT250至HT350牌號的灰鑄鐵,C爲2.8~3.3%,Si爲1.0~1.7%,表十三是孕育鑄鐵的化學成分。
 
在實際生産中,如果金相組織中基體爲細珠光體,石墨細小,並呈A型分布說明二個環節控制得較好。若發現有25~40%過冷石墨說明C、Si含量選擇基本正確,孕育作用不夠,應加強孕育,如發現孕育充分,但仍出現較多的過冷石墨,甚至出現部分滲碳體,則說明C、Si量過低,應適當上調,如稍加孕育,就石墨粗大,說明C、Si量過高,應適當下調。在實踐中通過金相分析來調整二個環節是十分必要的。
近代灰鑄鐵對化學成分的理解又有了新的進步,一是高的鐵水溫度,高碳當量的概念;二是在配料中增加廢鋼量,通過高溫、高滲碳,在同樣的碳當量下獲得高強度的概念;三是在適當的碳當量下,將Si/C比的概念由0.4~0.5提高到0.65~0.75,則同樣的碳當量下,能提高強度與彈性模數,降低硬度,降低白口傾向;四是准確而穩定的化學成分,以最小的波動值來保證鑄件質量的一致性的概念,成分波動如表十四所示:
 化學成分CSiMnPs波動範圍(%)±0.05±0.1±0.1<0.02<0.02上述概念在生産中的應用,都獲得極其良好的效果。
孕育鑄鐵的基體是珠光體或索氏體,故含錳量較普通鑄鐵稍高,爲0.8~1.2%。灰鑄鐵中的硫應<0.12%,過高則增加鐵水的白口傾向,並降低鐵水流動性。但也不能過低,一般爲0.05~0.06%,否則會減少孕育核心,致孕育效果的降低。爲了防止孕育鑄鐵的脆、裂及沖擊韌性降低,一般要求磷含量<0.2%。
在相同的強度下,具有較高的碳、矽含量及較小的成分波動範圍是優質鐵水中判斷化學成分水平的重要依據。前者是力學性能與鑄造性能的綜合要求,後者穩定生産的前提。
 
三、鐵水的純淨度:鐵水的純淨度是指鐵水中較低的氣體含量和非金屬的夾雜物。
生産實踐證明,鐵水中氫含量>3PPM,易産生氫氣孔。氧含量>60PPM,則鐵水氧化開始嚴重,矽、錳燒損增加。氮含量>100PPM,易産生氮氣孔,>140PPM時更爲顯著。
氣體要求含量(PPM)對灰鑄鐵性能的影響氫<21.增加鐵水過冷度,增加鑄鐵白口傾向
2.阻礙石墨化,易形成技晶狀石墨
3.>3PPM時,易産生氫氣孔,導致鐵水流動性下降,機械性能下降
铁水中氢(cm3/100g) 0.8 4.1 氢含量(cm3/100g) 1.15 4.3
螺旋长度(mm) 530 390 抗拉强度Mpa 229 187氧<601.铁水氧化,产生非金属夹杂物,机械性能下降
2.産生CO皮下氣孔氮<801.鐵水含氮20~80PPM範圍內,增加珠光體,增加強度,但增加硬度,降低加工性能。
2. >100PPM,易形成裂纹状的氮气孔
在鐵水的氣體含量要求中,避免鐵水氧化是最重要的。這就是生産中我們爲什麽要求鐵水溫度要高于避免鐵水氧化的臨界過熱溫度,要求渣中FeO<5%及Si、Mn燒損<15%的原因。
鐵水純淨度中的非金屬夾雜物是指除石墨、碳化物、基體、磷共晶以外的組成物,主要爲氧化物與硫化物。
在灰鑄鐵中,1cm3體積內,氧化物(SiO2、FeO-MnO、Al2O3)可達500萬個,硫化物(MnS、FeS-MnS)有4300萬個,前者尺寸爲0.2~1.0um,後者爲2~23um,這些夾雜物在灰鑄鐵的總含量約爲0.01%,含量雖少,但對鑄鐵性能的影響不可忽視。
 
灰鑄鐵性能的影響
 
力学性能對石墨细小,石墨数量少的高牌号铸铁,非金属夹杂物對基体的削弱作用有时大于石墨的影响,导致了强度的降低。裂纹、疲劳强度非金属夹杂物成为疲劳裂纹的裂纹源,裂纹因其变宽延长,夹杂物增多时,疲劳强度下降。铸造性能夹杂物越多,流动性越差,低温铁水时尤甚,且因热膨胀系数不同,凝固时易产生缩松,导致承受水压或气压时的渗漏。可切削性能夹杂物增加导致加工困难,刀具磨损加剧。电性能非金属夹杂物为非铁磁性物质,减少了基体磁性连续性并使基体磁化不均匀,非金属夹杂物各有不同的导电性能,故分布状态對灰鑄鐵电阻有较大影响。
超过临界过热的高温铁水,對非金属夹杂物作用为:一是使铁水免于氧化,Si、Mn烧损的下降,减少夹杂物;二是高温使已一些生成的非金属夹杂物“熔化”,使铁水得到一定程度的纯化;三是高温利于其聚集上浮成渣。故高温铁水是铁水纯化的基础。当然炉料的“净化”及限制废钢中Cr、Mn、V等合金钢的加入對提高铁水纯净度也是十分重要的。
優質鐵水的定義就是足夠高的鐵水溫度;合適而穩定的化學成分及元素燒損低,不氧化及具有一定純淨度的鐵水。而鐵水溫度是主導的,起決定性作用的。在生産實踐中,可以以1480~1520℃的鐵水溫度;Si、Mn小于15%的燒損,小于5%的渣中氧化鐵,作爲優質鐵水的鐵水溫度指標和純淨度指標;以±0.05~0.1%C、±0.1%的Si、Mn波動值,以孕育前爲白口或麻口組織,孕育後爲細珠光體,A型石墨分布爲化學成分的C、Si的選擇,作爲優質鐵水中化學成分的指標。這5個指標在實踐生産中具有極其重要的意義,控制這5個指標就可以熔煉出優質鐵水,這種優質鐵水爲下工序的孕育打下了良好的基礎。
三.灰鑄鐵的孕育
孕育以获得细珠光体基体及A型分布的石墨金相组织的灰鑄鐵为原则,但在实际生产中,情况复杂,孕育效果极不稳定,现就生产经常发生或易被忽略的某些环节进行分析,以便在实践中加以改进。
孕育劑的粒度、放置和烘烤
在分析孕育效果較差時,孕育劑的粒度大小,放置情況及其烘烤,往往被操作者忽視,造成孕育效果變差。
① 孕育剂粒度 孕育剂粒度分二类,出铁槽孕育的见表十七,瞬时孕育为0.3~1.0mm。
② 孕育剂的放置
矽、鐵等孕育劑極易吸潮,不宜破碎後長期存放,應鐵桶封存,用時再打開,目前不少工廠孕育劑隨意堆放,吸濕、氧化、汙染嚴重,往往使孕育作用大減,故孕育劑存放必須桶裝加蓋。
③ 孕育剂的烘烤
孕育剂需经300~500℃预热后使用,未经预热的硅铁易从大气中吸收水汽,造成铸件针孔,對瞬时孕育细粒孕育剂使用时再打开,发现受潮也要预热。
④ 注意铁水的含硫量,为保证孕育时有足够的结晶核心,铁水的含S宜在0.05~0.06%范围内,低于此值,孕育效果降低,应及时调整铁水成分。
⑤ 在进行出铁槽孕育时,在化学成分确定后还要重视铁水中Si含量与孕育剂加入Si量的比例关系。实践证明,在一定的碳当量下,如孕育后铁水的终硅量不变,原铁水Si较低,孕育Si量较多者强度好,硬度低,孕育效果显著:
在實踐中,當碳當量在3.3~3.5%時,孕育矽終矽量50~60%爲宜,碳當量3.6~3.8%時,其比例25~35%爲宜,最佳的比例仍要每個工廠實踐確定。不過有一點是可以肯定的,原鐵水的矽量不宜過高,原鐵水的矽僅能作爲鐵水成份起石墨化作用,孕育劑中的矽所起的石墨化作用爲原鐵水矽的3~4倍。瞬時孕育的劑量不再上述的規律內。
⑥ 孕育温度的选择
衆多的試驗證明,高的過熱溫度下,較低的孕育溫度則會取得較好的孕育效果。如鐵水過熱溫度爲1470℃時,1350℃孕育溫度比1470℃的孕育效果要好。A類石墨增多,D型石墨減少。石墨長度也比1470℃孕育的短。
 
生产实践证明,最近发展很快的浇口杯孕育,随流孕育,型内孕育等瞬时孕育工艺皆获得极佳的孕育效果,也直接证明了较低的孕育温度效果为佳。当然其条件是必须保证孕育剂熔化和吸收。因此一般随流孕育的温度最低也要>1340℃,孕育剂粒度以0.3~1.0 mm为宜。
高溫孕育效果差,主要原因是:孕育後仍有較高的溫度,則孕育後至鐵水凝固的溫差大,凝固時間長,前者導致鐵水的過冷度增加,
後者使孕育衰退加劇,從而削弱了孕育效果。采用澆注時的瞬時孕育工藝,需考慮澆注溫度的高低。采用澆注時孕育的澆注溫度如表十九所示:
 
鑄鐵牌號HT250HT300HT350澆注溫度℃1340~13501350~13701360~1380
 
孕育的時間性與瞬時孕育工藝
孕育過程中最大的問題就是孕育衰退,圖16表示了孕育過程的三個階段。AB段表示原始晶核狀態,加入孕育後,晶核數迅速增加,達到C點,此時約1分鍾作用,此後孕育效果下降到達D點時,孕育效果完全消失。
 
传统的出铁槽孕育,孕育后5~7分钟、孕育效果丧失50%以上,15~20分钟孕育作用消失大半。该工艺孕育剂加入量大,75铸铁加入量HT250约0.2~0.4%,HT350约0.6~0.8%。在调研中发现,不少工厂很难保证出铁槽孕育后15分钟内浇完铁水,实际上孕育衰退是造成灰鑄鐵内在质量不一致性的主要原因。为保证铸铁质量,采用瞬时孕育势在必行。但是实际情况是,在一次调查中,采用瞬时孕育的铸造厂不到10%,这是十分严重的。
 
瞬時孕育、澆注時孕育、後孕育等雖名稱不同,都是一個意思:即在鐵液自澆包注入鑄型時進行的孕育。該孕育方法不存在孕育衰退問題。瞬時孕育的方法很多:有大塊浮矽孕育、澆口盒孕育、矽鐵棒孕育、喂絲孕育、隨流孕育、型內孕育等。在生産實踐中證實,隨流孕育工藝在生産中最實用,容易堅持,也易于實現,其他方法在應用時皆遇到不同的問題,如大塊浮矽孕育中塊度和鐵水溫度、鐵水包容量相互配合難度較大,孕育劑耗量也大;澆口杯孕育增加了造型工作量,孕育劑顆粒澆注時易于浮起;矽鐵棒孕育,其矽鐵棒制造麻煩,孕育劑量不易控制;喂絲孕育成本較高,且定點使用,要求控制可靠性強;而隨流孕育只需在澆注時人工將0.3~1.0mm細粒孕育劑加入鐵水流中即可,加入量約爲0.10~0.15%,加入時間爲澆注時間的2/3。實際生産中不少工廠都用手動工具加入,也有用翻轉漏鬥裝置進行的隨流孕育,取得良好的孕育效果。
 
孕育方法的改进對孕育效果起着决定性的作用。某种程度上胜于孕育剂品种的选择。采用瞬时孕育工艺在保证铸铁内在质量上可以说是必不可少的,更何况孕育剂能成几倍地降低呢。
一些工廠在出鐵槽內或在大型,厚斷面灰鑄件上加長效孕育劑及爲了滿足力學性能加某些特效孕育劑也是可行的。但不可將注意力全部寄托在特種孕育劑上。孕育方法在生産中才是最重要的,長效等孕育劑是一種用孕育方法不能全部達到目的時的輔助手段。
 
我国从一个铸造大国走向铸造强国,首要的任务是提高铸件质量。而提高铸件内在质量是质量中的重中之重。因此全面认识灰鑄鐵的内在质量的内容。全面认识优质铁水和孕育工艺對内在质量的影响和作用是十分重要的。只要對这两个环节中的各个因素进行严格控制,一定会使我国灰鑄鐵的内在质量得到明显的提高和可靠的保证。


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