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《灰鑄鐵孕育劑和孕育工藝知識(shí)匯總》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
?????一.孕育處理的作用??????灰鑄鐵的力學(xué)性能在很大程度上取決于其顯微組織。未經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵,顯微組織不穩(wěn)定、力學(xué)性能低下、鑄件的薄壁處易出現(xiàn)白口。為保證鑄件品質(zhì)的一致性,孕育處理是必不可少的。??????鑄鐵孕育處理所用的孕育劑,加入量很少,對(duì)鑄鐵的化學(xué)成分影響甚小,對(duì)其顯微組織的影響卻很大,因而能改善灰鑄鐵的力學(xué)性能,對(duì)其物理性能也有明顯的影響。良好的孕育處理有以下作用:??????◆消除或減輕白口傾向;??????◆避免出現(xiàn)過冷組織;??????◆減輕鑄鐵件的壁厚敏感性,使鑄件薄、厚截面處顯微組織的差別小,硬度差別也??;??????◆有利于共晶團(tuán)生核,使共晶團(tuán)數(shù)增多;??????◆使鑄鐵中石墨的形態(tài)主要是細(xì)小而且均勻分布的A型石墨,從而改善鑄鐵的力學(xué)性能。??????孕育良好的鑄鐵流動(dòng)性較好,鑄件的收縮減少、加工性能改善、殘留應(yīng)力減少。?
1?????二.灰鑄鐵的顯微組織??????灰鑄鐵的力學(xué)性能決定于其基體組織和片狀石墨的分布狀況。??????灰鑄鐵的力學(xué)性能主要取決于其基體組織,為了得到高強(qiáng)度,希望基體組織以珠光體為主、盡量減少鐵素體含量。如果鐵素體量過多,不僅導(dǎo)致鑄鐵的強(qiáng)度低,而且加工時(shí)會(huì)使刀具過熱,顯著降低刀具的壽命。與球墨鑄鐵不同,對(duì)灰鑄鐵不可能有延性和韌性的要求,只要求其強(qiáng)度,所以一般都以珠光體含量高為好。??????灰鑄鐵中的石墨片,有切割金屬基體、破壞其連續(xù)性、使其強(qiáng)度降低的作用。從強(qiáng)度考慮,應(yīng)避免產(chǎn)生長(zhǎng)而薄的石墨片和粗大的石墨片,具明顯方向性的石墨片影響尤大??刂剖姆植紶顩r,是保證灰鑄鐵性能的關(guān)鍵。??????A型石墨是在鑄鐵的石墨生核能力較強(qiáng)、冷卻速率較低、在過冷度很小的條件下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時(shí)形成的。在光學(xué)顯微鏡下觀察時(shí),石墨呈均勻分布的彎曲片狀,無方向性,其長(zhǎng)度則因鑄鐵的生核條件和冷卻速率而不同。高品質(zhì)的結(jié)構(gòu)鑄件,都希望其具有中等長(zhǎng)度的A型石墨。?
2?????B型石墨在光學(xué)顯微鏡下呈菊花狀,共晶團(tuán)中心部位石墨片比較細(xì)小,外圍的石墨片較粗大。實(shí)際上,中心部位是D型石墨,外圍是A型石墨。B型石墨的生核條件比A型石墨差,共晶轉(zhuǎn)變時(shí)的過冷度也比形成A型石墨時(shí)大,結(jié)晶時(shí)先在共晶團(tuán)中心部位產(chǎn)生過冷石墨(D型),釋放的結(jié)晶潛熱使周邊的過冷度降低、形成A型石墨。如B型石墨為量不多,對(duì)鑄鐵的性能影響不大,一般情況下可允許其存在。??????C型石墨主要出現(xiàn)于碳當(dāng)量很高(過共晶)、冷卻緩慢的鑄鐵中,有粗大片狀初生石墨,也有小片狀石墨,有時(shí)部分石墨片上有帶尖角的塊狀。過共晶鐵液冷卻時(shí),通過液相線后,在一定的過冷度下析出初生石墨,并在液相中逐漸長(zhǎng)大。由于結(jié)晶溫度較高,成長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng),形成分枝較少的粗大片狀。溫度降低到共晶溫度時(shí),發(fā)生正常的共晶轉(zhuǎn)變,這時(shí)產(chǎn)生的石墨是正常的共晶石墨(A型石墨),最終的結(jié)果是在粗大的石墨片之間分布有正常的共晶石墨。因此,C型石墨是由粗大、塊狀石墨和A型石墨構(gòu)成的。C型石墨可使鑄鐵的熱導(dǎo)率提高,改善其抗熱沖擊的能力,但對(duì)鑄鐵的力學(xué)性能影響較大,一般的結(jié)構(gòu)鑄件不應(yīng)有這種石墨。??????
3亞共晶鑄鐵中,偶爾也能見到這種石墨。如:用感應(yīng)電爐熔煉而爐料中生鐵塊用量過多時(shí),由于原生鐵遺傳的影響,就可能出現(xiàn)帶尖角的塊狀石墨;孕育劑加入量過大,造成局部硅元素富集,也會(huì)產(chǎn)生這種石墨。??????D型石墨是鑄鐵的碳當(dāng)量較低、冷卻速率較高,在過冷度較大、初生奧氏體枝狀晶發(fā)達(dá)的條件下在奧氏體枝晶間形成的,石墨片細(xì)小而無方向性。D型石墨常見于碳當(dāng)量較低的薄壁灰鑄鐵件中,也稱為‘過冷石墨’或‘枝晶間石墨’。在不加合金元素時(shí),D型石墨往往伴隨有鐵索體。如基體組織為珠光體,則鑄鐵的耐磨性較好,且機(jī)械加工后能得到較細(xì)的表面粗糙度。??????E型石墨是在碳當(dāng)量較低、冷卻速率也較低的條件下形成的。由于初生奧氏體枝狀晶較多、發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時(shí)過冷度不大、石墨核心不太多、共晶團(tuán)較大,形成的石墨片大于D型石墨。由于冷卻比較緩慢,奧氏體枝狀晶發(fā)達(dá),發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時(shí)液相主要在初生奧氏體枝狀晶之間,形成的石墨片沿枝狀晶方向生長(zhǎng),具有一定的方向性,對(duì)鑄鐵力學(xué)性能的影響較大,要力求避免其產(chǎn)生。??????可能出現(xiàn)E型石墨的鑄鐵,如冷卻速率較高,也會(huì)形成D型石墨。因此,在高強(qiáng)度薄壁鑄鐵件中往往會(huì)同時(shí)見到D型石墨和E型石墨。??????
4生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵件,應(yīng)使其基體組織全部為珠光體,石墨為A型,而且石墨片要均勻分布于金屬基體中,珠光體也應(yīng)細(xì)小而均勻。要盡可能的地使組織中的B型石墨和D型石墨減至最少,不應(yīng)該有C型石墨和E型石墨。為此,必須進(jìn)行有效的孕育處理并控制鑄件的冷卻速率。??????三.孕育劑??????目前,用于處理灰鑄鐵的孕育劑品種繁多,但廣泛應(yīng)用的還是75硅鐵。近年來,對(duì)薄壁鑄件的需求日益增多,對(duì)孕育處理的要求也更為嚴(yán)格,在鑄鐵碳當(dāng)量較低的情況下,采用含鍶、鋇、鉍、鋯或某種稀土元素的孕育劑,能較好地控制薄壁處的白口傾向。還有報(bào)道說,采用含鋇、鉍和稀土元素的孕育劑,可減緩孕育的衰退。此外,碳質(zhì)孕育劑的應(yīng)用近來也日漸增多。關(guān)于孕育劑的選用,雖然已進(jìn)行了大量的研究工作,但還不足以形成普遍適用的準(zhǔn)則,鑄造廠需考慮自己產(chǎn)品的特點(diǎn)、參考其他單位的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn),并考核供應(yīng)廠商產(chǎn)品的質(zhì)量,再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果作出最適合本企業(yè)條件的選擇。??????1.75硅鐵??????
575硅鐵是最常采用的孕育劑,其中的鋁、鈣含量對(duì)孕育效果有重要的作用,有報(bào)道說,不含鋁、鈣的硅鐵對(duì)灰鑄鐵的孕育作用很小,甚至沒有作用。一般認(rèn)為:在鐵液中,鋁和鈣會(huì)與氧、氮反應(yīng),形成高熔點(diǎn)的化合物,成為石墨結(jié)晶的核心。而且,加入孕育劑后,鐵液中可形成局部的富硅微區(qū),有利于石墨析出。采購(gòu)孕育用硅鐵時(shí),不能不考慮其中鋁和鈣的含量。??????對(duì)于作孕育劑的75硅鐵,美國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定含鋁量為0.75~1.75%,含鈣量為0.5~1.5%。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T2272-1987中有不同鋁含量的75硅鐵牌號(hào),鋁含量的上限值分別為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%,含鈣量的上限值則為1.0%。??????但是,鐵液中的鋁含量不能太高,加入0.01%的鋁,就可能導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生皮下氣孔。選擇孕育劑品種和確定孕育劑用量時(shí),對(duì)此也應(yīng)有所考慮。??????2.含鍶硅鐵??????含鍶硅鐵消除白口的能力很強(qiáng),特別有利于改善薄壁鑄件中石墨的形態(tài)和分布狀況,使不同厚度處組織的差別更小,過冷組織只見于鑄件的表層。??????目前,我國(guó)已有含鍶硅鐵供應(yīng),其中鍶含量有0.6~1.0%和1.0~2.0%兩種。一般可選用含鍶0.6~1.0%的品種,鍶含量過高則不能充分發(fā)揮其作用。?
6?????含鍶硅鐵的加入量約為75硅鐵的一半。??????3.含鋇硅鐵??????含鋇硅鐵也具有很強(qiáng)的促進(jìn)石墨化的能力,可改善薄壁鑄件中石墨的形態(tài)和分布狀況,而且還有減緩孕育衰退的作用,處理時(shí)的用量也少于75硅鐵。有報(bào)道說,加入過多的鋇會(huì)使基體組織中鐵素體含量增多,導(dǎo)致鑄鐵的強(qiáng)度降低。??????目前,我國(guó)也有含鋇硅鐵供應(yīng),其中鋇含量一般為4~6%。???????國(guó)外有研究報(bào)告稱,含鉍的硅鐵也具有與含鋇硅鐵類似的效果。??????4.含鋯硅鐵??????鋯有脫氧作用,有利于提高鐵液的流動(dòng)性,能減輕鑄鐵的白口傾向,促成均勻、細(xì)小的A型石墨。而且還有減緩孕育衰退的作用。??????我國(guó)也有含鋯硅鐵供應(yīng),但目前采用者還很少。??????5.硅鋇合金?
7?????用含鋇20~30%的硅鋇合金作孕育劑,能顯著降低鑄鐵的白口傾向,并可使保持孕育效果的時(shí)間增至30min左右,特別適用于大型鑄件。處理時(shí),合金加入量約為0.1%。??????6.硅鈣合金??????硅鈣合金雖有很強(qiáng)的孕育作用,但是,除制成包芯線應(yīng)用外,用粒狀合金作鑄鐵的孕育劑并不太合適,其主要缺點(diǎn)是:??????◆密度遠(yuǎn)低于鐵液,易于飄浮而影響其與鐵液的作用;??????◆成渣傾向大;??????◆孕育作用衰退快;??????◆處理需用的加入量大,約為0.3~0.5%。??????7.稀土孕育劑??????稀土混合金屬和稀土硅鐵等含稀土金屬的孕育劑,加入量適當(dāng)時(shí),孕育作用很強(qiáng),其效果可以是75硅鐵的若干倍,能有效地消除白口,并減緩孕育作用的衰退。如加入量過高,則可能使鑄鐵結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生過冷,出現(xiàn)滲碳體組織。使用時(shí)必須嚴(yán)格控制用量。?
8?????8.碳質(zhì)孕育劑??????碳質(zhì)孕育劑主要用于鐵液孕育前的預(yù)處理,一般都是結(jié)晶態(tài)的碳質(zhì)材料。有研究報(bào)告稱:對(duì)于灰鑄鐵,以85~90%的冶金碳化硅效果最好,晶態(tài)石墨也有效。預(yù)處理時(shí)的加入量一般為0.75~1.0%,應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果求得最佳值。??????四.孕育處理方法??????近年來,孕育處理工藝發(fā)展很快,有多種有效的孕育方法。對(duì)于生產(chǎn)灰鑄鐵件,選用合適的孕育處理方法非常重要,往往是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。每一種孕育處理方法都有其優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也有一定的局限,迄今還沒有一種能適應(yīng)各種生產(chǎn)條件的處理方法。鑄造企業(yè)都應(yīng)該根據(jù)自己的具體條件,通過試驗(yàn),選定最適合企業(yè)特點(diǎn)的方法。處理方法一經(jīng)確定,就應(yīng)嚴(yán)格控制工藝過程,以保證鑄件質(zhì)量穩(wěn)定。??????廣泛采用的孕育處理方法主要有:出鐵時(shí)孕育、澆注時(shí)孕育、型內(nèi)孕育和孕育前的預(yù)處理??????1.出鐵時(shí)孕育??????出鐵時(shí)孕育也稱為澆包孕育(LadleInoculation),是在
9鐵液自熔爐或保溫爐流向澆包時(shí)進(jìn)行的孕育處理。這種處理方法既簡(jiǎn)單又方便,目前是應(yīng)用最廣的工藝,但采用時(shí)必須注意遵從作業(yè)要點(diǎn)。??????不可在澆注前將孕育劑加在空澆包的底部。這樣操作,會(huì)有部分孕育劑在與鐵液作用前被氧化,而且孕育劑易于裹入爐渣,導(dǎo)致其利用率降低。最好在出鐵后、自澆包中鐵液量約為出鐵量的1/4時(shí)起開始孕育處理,通過定量漏斗將粒狀孕育劑均勻而分散地撒向液流,到澆包中鐵液量約為出鐵量的4/5時(shí)處理結(jié)束。這種作業(yè)方法,可利用液流的攪拌作用使孕育劑完全溶于高溫鐵液,提高其利用率。采用喂線法進(jìn)行孕育處理效果更為穩(wěn)定,但目前用于出鐵時(shí)孕育的還比較少。??????孕育劑的粒度因處理的鐵液量而略有不同:鐵液量不到500kg時(shí),粒度宜為2~5mm;鐵液量在500kg時(shí),粒度宜為5~8mm。加入量一般為處理鐵液量的0.2~0.4%,可視孕育劑的品種和鑄件壁厚調(diào)整,并通過試驗(yàn)確定。加入量過多,不僅無益,還會(huì)因不能完全溶于鐵液而產(chǎn)生一些負(fù)面作用,如澆包積渣、鑄件產(chǎn)生夾渣缺陷、堵塞澆注系統(tǒng)中的過濾器件以及因鐵液過孕育而造成鑄件缺陷等。孕育劑粒度太大,也會(huì)因不能完全溶于鐵液而影響孕育效果,并造成鑄造缺陷。??????
10出鐵時(shí)用75硅鐵進(jìn)行孕育處理,孕育效果會(huì)很快地隨時(shí)間的推移而衰退,孕育后5~7min,作用的衰退可在50%以上,大約經(jīng)15min后,孕育作用將大部或全部消失。為確保鑄件質(zhì)量,通常都要在孕育后10min內(nèi)澆注完畢,最好在鐵液自澆包注入鑄型時(shí)進(jìn)行再次孕育。??????2.澆注時(shí)孕育??????澆注時(shí)孕育也稱為后孕育(PostInoculation)或瞬時(shí)孕育,是在鐵液自澆包注入鑄型時(shí)進(jìn)行的孕育處理??蓪⒓?xì)粒孕育劑加入液流,也可用喂線法孕育。?????(1)細(xì)粒孕育劑孕育??????澆注時(shí)孕育不存在孕育衰退的問題,一般都用75硅鐵作孕育劑,有特殊要求時(shí)也可用含其他合金元素的孕育劑。為使孕育劑能迅速溶于鐵液并能均勻地分布于鐵液中,應(yīng)采用細(xì)粒,一般為0.3~0.7mm。加入量大致為鐵液的0.15~0.2%。??????采用傾轉(zhuǎn)式澆包人工澆注時(shí),比較簡(jiǎn)便辦法是采用吊掛在包嘴上的定量漏斗,澆注時(shí)開啟下料口,孕育劑由重力作用落入液流。對(duì)于生產(chǎn)線上位置固定的傾轉(zhuǎn)包,則以采用帶料斗的微型螺旋給料器為好。?
11?????生產(chǎn)線上由保溫爐經(jīng)虹吸式澆嘴澆注的條件下,國(guó)外多采用干燥空氣吹送方式。開始澆注時(shí),由傳感器控制開啟氣閥,將孕育劑加入液流中,如圖1所示。??????????????????????????????????????圖1空氣吹送方式加料裝置示意圖?????采用這種加料方式的缺點(diǎn)是:難免有些粉狀孕育劑被空氣吹散,不能進(jìn)入液流。采用機(jī)械給料方式,也有容易堵塞而影響準(zhǔn)確定量的問題。??????(2)喂線孕育?
12?????喂線孕育也是一種常用的方法,所用的包芯線直徑一般在5~10mm之間,線芯材料為75硅鐵。孕育劑加入量約在0.05~0.1%之間。??????用保溫爐經(jīng)虹吸式澆嘴澆注的條件下,在澆嘴的塞桿附近喂入包芯線,如圖2所示。喂線裝置由計(jì)算機(jī)控制,在提起塞桿進(jìn)行澆注的同時(shí)喂入包芯線,澆注完畢放下塞桿時(shí)停止喂線。????????????????????????????????圖2加壓經(jīng)虹吸式澆嘴澆注時(shí)喂線孕育示意圖?????3.型內(nèi)孕育?
13?????型內(nèi)孕育是將孕育劑直接安放在澆注系統(tǒng)內(nèi),使其在澆注過程中與鐵液作用,孕育劑溶入鐵液的速率是工藝方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮的重點(diǎn)。??????所用的孕育劑可以是細(xì)粒狀料、由粉料加粘結(jié)劑制成的塊料或預(yù)制塊。??????按照鑄件的工藝特點(diǎn),孕育劑可安放在澆口盆內(nèi)、澆注系統(tǒng)內(nèi)或特制的過濾器件中。??????(1)澆口盆內(nèi)孕育??????澆口盆內(nèi)孕育可以有兩種方式,見圖3。?????????????????????????????????????????????圖3澆口盆內(nèi)孕育????????????????????????????(a)孕育塊固定;(b)孕育塊飄浮
14?????一種是將塊狀孕育劑固定于澆口盆底部,見圖3(a),澆注時(shí)逐漸溶入鐵液。澆注的鐵液量較大時(shí),可采用塞桿,這就更有利于孕育劑溶入鐵液并均勻分布于鐵液中。??????另一種是將塊狀孕育劑放在澆口盆內(nèi),澆注時(shí)浮在鐵液上,見圖3(b),也可說是浮硅孕育,只不過不在澆包中孕育。采用此種方式時(shí),應(yīng)保證孕育塊部分溶入鐵液后尺寸仍大于直澆口的直徑。??????無論采用何種方式,澆口盆內(nèi)都應(yīng)有擋渣板。??????(2)澆注系統(tǒng)內(nèi)孕育??????澆注系統(tǒng)內(nèi)孕育液也有兩種方式,見圖4。
15???????????????????????????????????????????????圖4澆注系統(tǒng)內(nèi)孕育???????????????????(a)孕育塊固定于澆口窩內(nèi);(b)橫澆道中設(shè)孕育槽?????可將塊狀孕育劑固定在直澆口下的澆口窩內(nèi),如圖4(a)所示。采用此種方式時(shí),一定要用預(yù)制成塊狀的孕育劑,澆注過程中逐漸溶入鐵液,實(shí)現(xiàn)有效的孕育。??????也可將孕育劑安放在橫澆道中專設(shè)的孕育槽內(nèi),如圖4(b)所示。采用此種方式時(shí),可用粒度為0.3~0.7mm的孕育劑,用量一般為鑄型中鐵液量的0.05~0.1%。澆注時(shí),鐵液從孕育劑的上方流過。為避免孕育劑顆粒進(jìn)入鑄件,鐵液流經(jīng)孕育槽后必須通過有效的過濾片。??????(3)通過過濾片時(shí)孕育??????這是一種比較新的型內(nèi)孕育方法,將孕育劑安放在特制的濾片內(nèi),澆注時(shí)鐵液流經(jīng)濾片得到孕育處理,同時(shí)又可以防止殘?jiān)M(jìn)入鑄件型腔。??????采用發(fā)泡陶瓷濾片時(shí),在兩濾片間的空腔內(nèi)裝細(xì)粒孕育劑,如圖5(a)所示。?
16?????如采用通孔陶瓷濾片,則將預(yù)制成片狀的孕育塊置于兩濾片間的空腔內(nèi),如圖5(b)所示。??????????????????????????????圖5孕育劑置于兩濾片間的空腔內(nèi)????????????????????????????(a)發(fā)泡陶瓷濾片;(b)通孔陶瓷濾片?????4.孕育前的預(yù)處理??????一些重要的薄壁灰鑄鐵件,如內(nèi)燃機(jī)的缸體、缸蓋等,需求量不斷增長(zhǎng),冶金要求也日益提高,因而,灰鑄鐵孕育前的預(yù)處理逐漸受到了廣泛的關(guān)注。??????生產(chǎn)薄壁灰鑄鐵件時(shí),在孕育處理前進(jìn)行預(yù)處理,不僅可避免組織中出現(xiàn)碳化物,而且可使過冷石墨(B型、D型和E型)減至最少。?
17?????研究結(jié)果表明,效果最好的預(yù)處理劑是結(jié)晶態(tài)的碳質(zhì)材料,灰鑄鐵宜用85~90%的冶金碳化硅,也可用晶態(tài)石墨。加入量一般為0.75~1.0%,應(yīng)用時(shí)需通過試驗(yàn)求得最佳用量。預(yù)處理劑加入鐵液后,需要一定的時(shí)間使其溶于鐵液,而且需要攪拌,所以,最好是在出鐵前加入感應(yīng)電爐進(jìn)行處理。也有報(bào)道說,加入澆包中處理,只要操作得當(dāng),也可得到很好的效果。