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高强度灰铸铁件典型质量问题探讨(2)
发布时间:
2016-02-19 00:00
来源:
?。ㄇ慷龋┖臀榷ㄐ愿哂诘ヒ惶蓟铮馐呛辖鹪靥岣撸ㄖ┣慷鹊脑蛑?。合金元素几乎都可固溶于铁素体并强化铁素体,虽然其固溶量极限与强化程度各不相同。这是合金元素提高(铸铁)强度的另一效果。绝大多数合金元素提高珠光体的数量及其弥散度,这是它们提高(铸铁)强度的又一作用。对此有必要加以阐述。
根据铁—碳平衡图可知,珠光体是在铸铁冷却降温通过共析转变温度区间时以介稳定形式相变获得的。反之,当以稳定形式发生相变则将得到铁素体和石墨。
究竟哪些因素影响铸铁共析转变按介稳定或按稳定平衡进行?
第一,当铸铁快速冷却即迅速通过该温度区间时,碳化物(渗碳体)将来不及分解从而得到珠光体组织。这也就是薄壁件和800℃以上高温开箱落砂有利于珠光体生成的原因。
第二,有的元素扩大并抬高此温度范围因此将有利于相变按稳定平衡模式进行,例如硅。 铸铁学者德拉帕尔对此进行大量试验归纳其数据得出如下公式(2): A1.2=738+18×(Si %)1.75?(1) A1.1=738+5×(si %)2.0 ? (2)
式中,A1.2为共折转变的启始(上限)温度,A1.1为终了(下限)温度。其间为两相区。 这就是硅高不利于铸铁获得珠光体基体而且粗化珠光体的缘故。
绝大多数的合金元素——例如铜和镍,虽然属弱石墨化元素,但因随其含量的升高,既收缩共析转变温度区间同时压低该温度范围,因而不但促使相变按介稳定方式进行以形成珠光体,同时还加大珠光体的弥散度,因为随着温度的降低原子扩散活力减弱之故。镍的加入量一般为0.3~0.7%。铜在0.4~0.8%左右(超出1.2%溶解度极限后将有游离铜出现,导致强度下降)。铬和锰性质近似,易引起“白口”故锰不超过0.7%,而铬不可超过0.4%。钒的类似作用更强,仅在生产某些耐磨件时应用,加入量一般不超过0.1%。钛通常也很少运用,加入上限为0.1%。锡只有稳定珠光体的作用,故仅在铸件厚壁或需考核珠光体数量的指定部位(例如缸体的缸筒)达不到时推荐采用,其加入量通常在0.05%左右。锑的作用与锡相同而且更强烈,提高材质脆性对断屑有利,但它加大复杂铸件产生裂纹的倾向,加入量不宜超过0.02%。锡和锑对消除过冷铁素体作用明显。钼是最优异的合金元素,但价格昂贵,故通常不选用。
通过以上分析可见,生产高强度灰铁件时加入合金虽然是必要措施之一,但通常实际可供运用的元素只有铜、铬和锡,而且可变动的含量范围都很窄。有必要指出的是,任何合金元素都不同程度地降低铁水流动性且加大收缩倾向,亦即对铸件工艺性不利。
第三,石墨形态对共析转变具有显著的影响。共析转变是固相发生,此时不易产生石墨晶核,故相变将以稳定或者介稳定模式进行必然与这时己有的石墨(因为它们是共析转变时的石墨化核心)数量有关,不言而喻,数量愈多相变愈有利于按稳定平衡进行。这就解释了为何A型石墨有利于生成珠光体基体;而D、E型石墨必然伴生“过冷”铁素体,因为过冷石墨的特征就是大量密布的细小片状和点状石墨,因而缩短了碳原子扩散至石墨聚合的距离?;谎灾绻倒涠却笫?ldquo;因”,则共晶结晶(凝固)形成过冷石墨是“果”;而对共析结晶(固相转变)来说,如果有了过冷石墨这个“因”,就极有可能(如无其他相反因素)导致产生过冷铁素体这个“果”。
4.3孕育剂的作用
孕育剂增加石墨晶核,因此降低过冷度,促进A型石墨生长同时也增加珠光体数量,故对提高铸铁强度有利。
4.4共晶团的影响
虽然国标BG7216——87《灰铸铁金相》载有共晶团的图谱及其检测与分级,但遗憾的是,极少有灰铁铸造车向将其纳入日常生产的考核内容,无疑这对生产者深层次地综合了解和提高铸件质量带来缺失。看来这可能是由于对共晶团数量(大?。┰谝欢ǔ潭纫卜从衬承┗抑闹屎突抑柿康墓δ芰私獠蛔愕脑倒省?br />
4.4.1共晶团数与强度的关系:仅就此而言,铸铁的强度随共晶团数的增加而升高。
4.4.2共晶团数与石墨长度的关系:从立体观念看,每一生长完成的石墨结构都被界定(限制)在该共晶团之内,可见,石墨的大小取决于共晶团的尺寸。金相视场上所见的是所切取试样无数石墨花瓣的平面形态,由于数量庞大且尺寸悬殊,因此人们只能对照图谱给石墨长度评级,因此不可能准确。而共晶团是可计数的。
4.4.3 由共晶团可以联系到过冷度。
4.4.4共晶团数可以反映孕育处理是否适度。
4.4.5共晶团数在一定程度上也能反映铸铁的切削性。
4.4.6共晶团数可以表示铸铁的缩松倾向。
综上可知,每一级别的灰铸铁各有其相对应的共晶团数(大?。┑氖实狈段?,检验某些重要铸件的指定部位——如缸体缸筒的共晶团数对了解其质量将是有裨益的。
4.5试棒(指试样铸坯)和试样(指试棒机加后)的影响
4.5.1试棒(或试棒铸块)的取得:根据国标GB9439-88《灰铸铁件》,可以是用与浇注铸件的同一炉(包)铁水浇成的直径30毫米长约250毫米的单铸试棒或根据供需双方的协商在铸件上带出附铸试棒或浇出连体铸块再切取。对于单铸试棒无需讨论,但对附体试棒和连体铸坯有必要予以论及。
按国标图样规范,附铸试棒直径可以是30毫米也可以是50毫米,而连体铸块为一给定尺寸?;痪浠八倒哺鋈址绞焦┭≡瘛?鉴于灰铸铁的“断面敏感性”极强,生产高强度灰铸铁件要保证附铸试棒或连体铸坯性能达标,是一件不可忽视的问题。建议生产者以采取浇铸直径30毫米试棒为宜。同时,应将位置选择在远离浇冒口的铸件薄断面处。
对于某些特殊铸件,用户可能要求从铸件本体切取拉力试样,在这样的情况下,通常因受具体铸件的制约,大都不可能获得标准尺寸的试样,亦即只能作出非标试样,此时应力求试样加工后的直径最大限度地接近于所切得铸坯的壁厚。
还要提及的是,如果客户要求考核金相组织,则不论哪种方式取得的拉力试样,均可以之作为金相试验供检查之用。不能同意在铸件任一部位切取试样,因为没有代表性。当然,对于某些特殊件,如缸体指定检查缸筒的金相组织,则是合理的应予接受的要求。 4.5.2试样的车削及加工后的状态
由于灰铸铁金属“缺口敏感性”极强,故车削后的试样必须用细砂纸精抛光至国标规定的粗糙度3.2级以上,试验前必须精确测量记录各相关尺寸并细心地检查其外观状态,任何微观的铸造缺陷如:砂眼、气孔、渣孔、缩松等瑕疵以及刀痕,都将导致拉力强度试验值明显下落。 5.缩松
热胀冷缩是绝大多数物质固有的普遍规律。因此,收缩缺陷—尤其是缩松就成为铸件缺陷中最难以解决的问题。
灰铁中有自由碳—石墨的存在应该说对缓解收缩现象有利,这是由于石墨的密度(比重)是2.0,铁素体和珠光体都接近7.5的缘故,因而在铸铁凝固时石墨析出使铸件的收缩得到补偿(石墨碳量越高,补偿能力也越强),不过强度下降,在生产高强度铸铁时这一矛盾更突出。 为降低高强度灰铸铁件产生缩松的倾向,大致有以下一些措施可根据铸铁级别和具体铸件同时顾及可能引起其他铸造缺陷而适当采用。 5.1就铁水成份而言,国内外均倾向于尽可能地少调低碳饱和度(碳当量),即使要降也力求采取高碳低硅,因为起膨胀作用的是碳,而且低硅对强度有利。
5.2将磷控制在0.06%以下,因磷加剧缩松。
5.3尽可能降低合金元素加入量。研试并调动“冶金因素”以提高铸铁的性能是方向性的启迪。
5.4适中的浇注温度有利于减轻缩松倾向。但温度过低将恶化石墨、产生“白口”、降低铁水充型能力(流动性)和导致气孔(灰铁件极易产生气孔,特别是包覆砂芯的壳体件,如缸体)。
5.5过度孕育将加剧缩松,孕育后凝固过程进一步缩短并滞后,亦即铁水在铸型中保持液态的时间延长。大量试验研究表明,灰铁的最大容许孕育量为0.3%,何况过量孕育无累加效应。
5.6铸型刚度愈高铸件产生缩松的程度愈低,因为低硬度砂型在石墨化膨胀时发生位移使型腔增大从而导致膨胀产生的补偿作用失效的缘故。但高刚度铸型的起模性差、透气性下降和易引起砂膨胀缺陷(起皮与鼠尾)。
5.7“糊状凝固”的铸造合金较难依靠补缩冒口得以解决,而均衡凝固过程即铸件不同壁厚部位凝固终了时间若能趋于接近则可消减缩松的产生,如分散内浇口并将其设于薄壁处和加置“热平衡冒口”都是有益的工艺措施。因此,利用计算机通过模拟温度场使浇注系统设计更趋科学化和合理化显得更加重要。至于在某些铸件的特殊热节点处加放冷铁或刷碲粉涂料有时也是不得己的措施。
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