鑄態(tài)鐵素體球鐵件的生產(chǎn)與質(zhì)量控制

1、鑄態(tài)鐵素體球鐵件的生產(chǎn)與質(zhì)量控制摘要：本文根據(jù)多年的生產(chǎn)實(shí)踐，分析了主要工藝因素對(duì)鑄態(tài)鐵素體球鐵性能的影響。提出要在鑄態(tài)條件下穩(wěn)定獲得高韌性球鐵件需要根據(jù)生產(chǎn)條件，對(duì)原材料的選擇，化學(xué)成分的確定，爐前控制，鑄造工藝，開箱時(shí)間以及生產(chǎn)過程各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施嚴(yán)格管理和監(jiān)控。關(guān)鍵詞：鑄態(tài)，鐵素體球鐵，生產(chǎn)技術(shù)，質(zhì)量控制前言我公司是軍工企業(yè)，其下屬鑄造廠主要進(jìn)行軍民用品的鐵素體球鐵件生產(chǎn)。其產(chǎn)品多是球鐵小件，大部分鑄件壁厚4-30mm，單件重0.4-40Kg。過去一直沿用退火處理工藝。自2001年后，采用鑄態(tài)鐵素體球鐵生產(chǎn)技術(shù)，取消了熱處理工藝，減少了設(shè)備投資，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約能耗，節(jié)省工時(shí)，避免了熱處

2、理過程中鑄件的變形、氧化、脫碳等缺陷。通過多年來的生產(chǎn)實(shí)踐，我公司生產(chǎn)的鑄態(tài)鐵素體球鐵件品質(zhì)穩(wěn)定，滿足了客戶要求，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。1 生產(chǎn)的基本條件1.1 熔煉設(shè)備鑄態(tài)鐵素體球鐵對(duì)原鐵水的質(zhì)量要求是：化學(xué)成分穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求；好的冶金質(zhì)量，潔凈，無氧化現(xiàn)象；高的出鐵溫度（一般1460-1490）。這就對(duì)熔煉提出了要求，筆者建議選用熱風(fēng)沖天爐，在使用北京焦，焦鐵比為1：8的情況下，鐵水出爐溫度穩(wěn)定在1440-1480。為了進(jìn)一步提高球鐵原鐵水的冶金質(zhì)量，自2002年后改用3t中頻感應(yīng)電爐生產(chǎn)。1.2 造型設(shè)備球墨鑄鐵凝固時(shí)有石墨析出，膨脹量大，生產(chǎn)上可利用這一特點(diǎn)，采用剛性鑄型，避免鑄型

3、脹大，獲得致密、無縮孔，無宏觀縮松的鑄件。要獲得較強(qiáng)的剛性鑄型最好采用機(jī)器造型，本公司生產(chǎn)的球鐵件是采用一條145水平造型線和一條丹麥生產(chǎn)的DISA造型線。2 原材料的選擇原材料的選擇對(duì)生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球鐵是很重要的，應(yīng)該引起重視。2.1 鑄造生鐵生鐵應(yīng)高碳低硅、低磷低硫。選用地方生鐵應(yīng)慎重，因常規(guī)五元素雖符合要求，但如含有干擾元素，就導(dǎo)致球化不良。對(duì)石墨片粗大、渣氣孔較多的生鐵也就盡量不用或少用。建議選用本溪生鐵或其他地方生產(chǎn)的已被實(shí)踐證明適用的球鐵生鐵，切忌亂采購和盲目使用。本公司根據(jù)客戶要求，軍品采用本溪低錳低磷生鐵，民品采用山西、邯鄲等地Q10、Q12低錳生鐵。2.2 回爐鐵加爐鐵應(yīng)用本

4、單位生產(chǎn)的球鐵澆冒口和廢品鑄件，杜絕使用市場(chǎng)收購的廢舊鑄鐵件。2.3 廢鋼廢鋼主要是用來調(diào)整碳量，或是用于廢鋼增碳生產(chǎn)球鐵的主要原材料，應(yīng)是成分明確的無銹碳素鋼，杜絕使用合金鋼或來歷不明的廢鋼。2.4 焦炭焦炭的優(yōu)劣直接影響到?jīng)_天爐熔煉時(shí)的冶金質(zhì)量和鐵水溫度。要求固定碳高、強(qiáng)高度、硫量低、灰分少。如果焦炭的固定碳低，灰分高，鐵水出爐溫度就不會(huì)高，這樣給球化處理和澆注帶來困難；如果焦炭的含硫量高，焦炭中的硫就會(huì)大量進(jìn)入到鐵液中，鐵水含碳量就高，勢(shì)必在球化處理時(shí)球化劑要多加，容易導(dǎo)致球形較差，白口增加，薄壁件加工困難，大件縮孔縮松增加，甚至有可能出現(xiàn)球化不良、球化衰退現(xiàn)象，因此，生產(chǎn)中最好選用鑄造

5、焦炭，如考慮價(jià)格因素，也可選用質(zhì)量好的冶金焦或其他地方焦，但固定碳要大于80%，含硫量低于0.65。2.5 球化劑球化劑要求成分穩(wěn)定、均勻。它的選用應(yīng)根據(jù)熔煉設(shè)備、鐵液的含硫量、鐵水出爐溫度的不同而定。使用沖天爐生產(chǎn)時(shí)，因鐵水溫度相應(yīng)較低，硫量較高，鐵液純凈度較差，因此，要選用含稀土、鎂含量較高的球化劑，通常選用Mg7-9%，Re5%或7%的球化劑；而電爐生產(chǎn)時(shí)，由于鐵水溫度達(dá)到要求，鐵水冶金質(zhì)量好，純凈度高，應(yīng)選用稀土、鎂含量較低的球化劑一般選用含Mg7-9%，Re2-4%的球劑，薄小件選用Mg5-7%，Rel-3%的球化劑。有生產(chǎn)單位證明低稀土含鋇球化劑適用于沖天爐熔煉下生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球鐵

6、。2.6 孕育劑孕育劑是球鐵生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要鐵合金材料，球化處理后加入孕育劑不僅能消除滲碳體，而且還可以提高球化率、細(xì)化石墨球，使之圓整、分布均勻。實(shí)踐證明，孕育效果和孕育劑的成分有很大關(guān)系。目前，國內(nèi)應(yīng)用最多的是75硅鐵，有些單位采用含有鋇、鍶、鈣、鋁、鉍等元素組成的長效復(fù)合孕育劑，如硅鋇、硅鍶、硅鈣等。3 爐前控制3.1 化學(xué)成分的選擇眾所周知，球鐵的組織和性能與化學(xué)成分組成有著密切的關(guān)系。所謂球鐵的成分設(shè)計(jì)主要就是碳和硅，其他如錳、磷、硫是靠原材料加以控制。3.1.1 碳、硅生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球鐵是采用高碳、低硅，大孕育量的方法。碳、硅元素對(duì)球鐵性能有較大影響。通常是以碳當(dāng)量來綜合考慮。碳當(dāng)

7、量的選擇主要著眼于改善鑄造性能、消除鑄造缺陷，獲得健全鑄件和高的機(jī)械性能。我公司鑄態(tài)鐵素體球鐵要求鐵素體基體組織含量大于80%，且不允許有滲碳體存在。因此在設(shè)計(jì)碳當(dāng)量時(shí)應(yīng)以鑄件不出現(xiàn)石墨飄浮，不出白口，保證球化為準(zhǔn)則，碳當(dāng)量控制在4.3-4.8%，其中碳為3.3-3.9%，原鐵水硅量為1.2-1.6%，終硅量為2.8-3.2%。但硅量不宜過高，因?yàn)楣鑿?qiáng)化鐵素體基體，使之變脆，塑性韌性下降。3.1.2 錳錳是促進(jìn)珠光體生成的元素，它固溶鐵素體中提高強(qiáng)度降低韌性，對(duì)生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球鐵是不利的，因此要求錳盡可能的低，控制含錳量低于0.4%，薄小件低于0.2%。3.1.3 磷、硫磷、硫都是有害元素，磷

8、高易在基體晶界上形成磷共晶，使材質(zhì)的伸長率下降，脆性增加。硫高會(huì)造成球化元素殘留量少而導(dǎo)致球化不良，以及鑄件產(chǎn)生皮下氣孔，夾渣等鑄造缺陷。我們控制磷含量0.06%以下，球化處理前原鐵水含硫量0.05%以下，處理后小于0.03%.3.1.4 鎂、稀土殘留量鑄鐵中應(yīng)有一定的鎂和稀土元素的殘留量才能保證石墨成球。鎂在鐵水中主要起球化作用，稀土主要是除氣，脫硫和中和干擾元素，起到凈化鐵水的作用。鎂和稀土又是強(qiáng)烈形成碳化物元素，如果殘留量過高，惡化石墨形態(tài)，增大鑄件白口傾向和夾渣、縮孔、皮下氣孔等鑄造缺陷。因此，在生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球鐵件時(shí)，在保證球化良好的情況下，應(yīng)盡可能降低鎂和稀土的殘留量，這一點(diǎn)對(duì)于薄

9、小件尤為重要。通常殘留鎂量控制在0.03-0.05%，殘留稀土量控制在0.02-0.03%。3.2 球化及孕育處理3.2.1 球化處理為保證球化處理成功，須注意以下幾點(diǎn)：1）鐵水包的結(jié)構(gòu)要適應(yīng)工藝要求，一般鐵水包的內(nèi)腔高度與內(nèi)徑之比值為1.0-1.2，有利于鎂和稀土元素的吸收。包底應(yīng)搪成凹坑或堤壩式。2）球化劑破碎成適當(dāng)大小的粒度。粒度過小，容易浮起，氧化；過大，則溶解速度過慢，延長反應(yīng)時(shí)間，鐵水降溫大。粒度的大小視每次處理的鐵水量而言。球化劑最好當(dāng)天破碎、當(dāng)天使用，不要久放或受潮。3）球化劑的加入量要根據(jù)熔煉工藝、出鐵溫度和原鐵水的含硫量來決定。4）采用沖天爐熔煉應(yīng)注意交界鐵水的處理，要勤放

10、渣，前爐內(nèi)要儲(chǔ)存足夠的鐵水；電爐熔煉時(shí)，出鐵前也要將渣扒凈。5）球化處理方法要合理。我們采用沖入法，球化劑放入包坑內(nèi)，應(yīng)搗緊，上面覆蓋孕育硅鐵、稻草灰（或鋼板、或鋼鐵屑）。不要在鐵水包紅熱時(shí)放入球化劑，以免氧化，失去球化能力，出鐵時(shí)，鐵水流不能直接沖入球化劑。鐵水流不能太大太小，不能斷流。出鐵量要盡量準(zhǔn)確，上下不能有5%的誤差。球化反應(yīng)結(jié)束后，要盡快放入草灰、珍珠巖等集渣劑，攪拌扒渣，進(jìn)行后續(xù)孕育處理。3.2.2 孕育處理孕育處理的作用主要是消除球化元素造成的白口傾向，促進(jìn)石墨析出，提高球化率、細(xì)化石墨球，使之分布均勻。不同的孕育劑，不同的加入量，不同的孕育處理方法和不同的孕育處理時(shí)間對(duì)球鐵機(jī)

11、械性能都有較大影響。目前國內(nèi)處企業(yè)采用孕育劑和孕育方法不盡相同，但都強(qiáng)調(diào)要采有瞬時(shí)孕育工藝，強(qiáng)化孕育效果，保證鐵水在較長時(shí)間直至澆注完畢處在良好的孕育狀態(tài)。我公司采用的是包內(nèi)孕育（一次）+鐵水包浮硅孕（二次）+轉(zhuǎn)包孕育（三次），實(shí)踐表明是可行的，孕育效果良好。3.3.3 球化判斷（爐前檢驗(yàn)）爐前球化情況判斷可用火苗觀察法、爐前三角試塊法、爐前快速金相法、熱分析法等智能化儀器測(cè)定法。1）火苗觀察法。當(dāng)補(bǔ)加鐵水時(shí)，鐵水表面逸出鎂光及白黃色火焰則表示球化良好。處理后鐵液表面形成氧化膜亦表示正常。2）三角試塊法。普遍采用的一種方法，三角試塊尺寸12.5（底面）50（高）120（長）或2550120mm

12、，立澆或臥澆。待試樣表面呈暗紅色時(shí)取出，底部向下淬入水中，打斷觀察斷口。如斷口及兩側(cè)有縮凹，中心有縮松，斷口崎嶇不平、呈鋸齒狀、銀灰色（銀白色）、致密、晶粒細(xì)小，尖部無白口或1-2mm白口，敲擊有鋼聲，嗅有電石味，表明球化孕育良好。如斷口有小黑點(diǎn)，球化不太好。如斷口烏黑、晶粒粗大或有許多黑點(diǎn)，呈麻臉狀，敲擊悶聲，則為不球化。3）爐前快速金相法。試樣為2030mm（視鑄件大小、厚薄定）。金相觀察，球化級(jí)別要在2級(jí)以上，表明球化良好。低于2級(jí)表明球化不太好。4）爐前采用熱分析法等智能化儀器，快速測(cè)定球墨鑄件的化學(xué)成分，金相組織及性能。我公司爐前檢驗(yàn)采用的是：三角試塊法+爐前快速金相法+爐前采用熱分

13、析智能化儀器。4 鑄造工藝鑄態(tài)鐵素體球鐵件的鑄造工藝設(shè)計(jì)要有利于促進(jìn)鐵素體的形成和有利于獲得健全的鑄件。因此，在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮球鐵凝固時(shí)的固有特性。1）球鐵在球化處理后，有很多的稠渣，澆注系統(tǒng)要考慮撇渣、擋渣裝置和工藝措施；2）球鐵容易氧化，澆注時(shí)如果出現(xiàn)紊流、飛濺，則產(chǎn)生二次氧化渣，因此，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮鐵水平穩(wěn)進(jìn)入型腔；3）球鐵凝固時(shí)有墨析出，膨脹量大。鑄型要有足夠的剛性，以獲得無縮孔的鑄件。工藝設(shè)計(jì)上亦可考慮實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造；4）球鐵具有粥狀凝固的特點(diǎn)，冒口的有效補(bǔ)縮距離短，可多設(shè)置冒口，或冒口與冷鐵相配合等措施來消除縮孔、縮松。鑒于上述特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)鑄態(tài)鐵素體球鐵件鑄造工藝時(shí)應(yīng)根據(jù)鑄件的形狀、壁厚來選擇順序凝固、同時(shí)凝固、還是均衡凝固，澆注系統(tǒng)一般采用半封閉或開放式。需要設(shè)置冒口時(shí)，不要采用氣割冒口。對(duì)于厚壁處盡可能不采用冷鐵；對(duì)薄壁處可設(shè)置溢流冒。5 開箱時(shí)間不同的鑄件在鑄型中的冷卻速度是不同的。不同的開箱時(shí)間將得到不同的基體組織。要在鑄態(tài)下獲得以鐵素體基體為主的組織，除鑄型要有足夠的吃砂量外，鑄件在鑄型中要有足夠的保溫和緩冷時(shí)間，至少要使鑄件在型內(nèi)冷卻到650以下方可開箱取出。6 結(jié)論鑄態(tài)鐵素體球鐵件是不經(jīng)過熱處理工藝工