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大型球墨鑄鐵件有問題的解決途徑

來源：河鑄重工發(fā)布時(shí)間：2016/8/5 10:15:28

大型球墨鑄鐵件的類型比_多，如：大型柴油機(jī)缸體、大型輪轂、大球磨機(jī)端蓋、高爐冷卻壁、大型軋鋼機(jī)機(jī)架、大型注塑機(jī)模板、大型汽輪機(jī)軸承座、風(fēng)電設(shè)備中的輪轂及底座以及核電設(shè)備中的廢渣罐等。這些部件除須滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的力學(xué)性能外，還有一些特殊性能要求，如風(fēng)電鑄件要求低溫沖擊韌度，核渣罐有許多附加的特殊驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等等。因此，生產(chǎn)這些鑄件，事先須做周密的考慮。
  1）首先要考慮的是如何獲得健全、致密、尺寸合格的鑄件生產(chǎn)大型球墨鑄鐵件的技術(shù)流程與灰鑄鐵件基本相同，只要結(jié)合球墨鑄鐵的特點(diǎn)在縮尺的選定、砂箱設(shè)計(jì)等方面稍作修正即可。
  2）其次要針對(duì)大型球墨鑄鐵件的共同特點(diǎn)做相應(yīng)工作大型球墨鑄鐵件的共同特點(diǎn)是特別厚重，大多數(shù)要求鐵素體基體，力學(xué)性能須滿足標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，有時(shí)外加低溫沖擊性能要求等。
1 大型球墨鑄鐵件生產(chǎn)的_問題由于大型球鐵件冷卻速度緩慢，導(dǎo)致共晶凝固期長達(dá)數(shù)小時(shí)，而在此期間要形成球鐵的主要組織，因而_出現(xiàn)了大斷面球鐵或大型球鐵件所_的一系列問題：球墨數(shù)量少、球墨直徑大、球墨畸變、石墨漂浮、化學(xué)成分偏析、晶間碳化物以及碎塊狀石墨（Chunky Graphite）等。這些問題早已受到關(guān)注，雖形成機(jī)理尚不統(tǒng)一，但對(duì)具體問題已有了初步的解決措施。還有一個(gè)重要問題是如何滿足和解決低溫沖擊韌度的要求？問題的巧合在于解決這兩大難題的方向及措施大致相同。
2 解決大型球墨鑄鐵件_問題的途徑
1）強(qiáng)化冷卻以加速凝固關(guān)于碎塊狀石墨的成因普遍_易接受的說法有二：一是球狀石墨破碎而引起；二是由于熱流或某些合金元素特別是Ce 和La 的偏析造成奧氏體外殼的穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致球墨的生長模式改變而形成。不管哪種理論或說法，可以肯定的是，共晶階段凝固時(shí)間太長（即緩慢冷卻）是形成碎塊狀石墨的直接和客觀因素。因此不管采取什么方法，只要能縮短凝固階段的時(shí)間，都可有效地阻止碎塊狀石墨的出現(xiàn)。也有文獻(xiàn)指出，球墨畸變有一個(gè)臨界冷卻速度（0.8 ℃/min）[1]。石墨畸變有時(shí)是一個(gè)突變過程，因此加速冷卻，縮短凝固時(shí)間，特別是縮短共晶階段的凝固時(shí)間，想方設(shè)法使共晶凝固階段縮短至2 h 以內(nèi)是有顯著效果的。圍繞這個(gè)原則有不少措施：強(qiáng)制冷卻；金屬型掛砂；使用冷鐵等等。冷鐵的導(dǎo)熱率大，特別是蓄熱能力強(qiáng)，是被廣泛認(rèn)為可以應(yīng)用的有力措施。石墨的導(dǎo)熱率高于掛砂冷鐵（分別為45W/m•℃及17 W/m•℃），但它的蓄熱能力比冷鐵小，假如有強(qiáng)制冷卻的條件，則用石墨是比_合適的。對(duì)于大型或特大型球墨鑄鐵件，進(jìn)行強(qiáng)制冷卻仍不失為一種有力的措施。一般可采用風(fēng)冷、霧冷或水冷裝置，甚至可采用液氮冷卻方式加速鑄件的凝固速度。有數(shù)據(jù)表明，20 t 級(jí)球墨鑄鐵乏料容器鑄件凝固時(shí)，其傳熱效果為：金屬型吸熱占58%、石墨及砂型（型芯部分）吸熱占3.5%、砂型及其它裝置部分吸熱占3.5%、水冷導(dǎo)熱占3.5%。由此可見，金屬型可使鑄件50%以上的熱量傳導(dǎo)出去，而型芯部分傳熱很少，顯然強(qiáng)制冷卻是要的。
2）改進(jìn)工藝技術(shù) （1）精心選擇原材料為了生產(chǎn)出大型球墨鑄鐵件，無論怎樣_爐料都是值得的。原料的干擾元素應(yīng)盡可能低，特別要注意的是生鐵來源、廢鋼品種、增碳劑的選用。（2）化學(xué)成分設(shè)計(jì) CE不能過高（4.2%～4.3%），如w（C）選3.6%～ 3.7% ，w（Si）則須低至1.8% ～2.0% ；另外，w（Mn）＜0.3%，w（P）、w（S）也要嚴(yán)格限制。除殊殊情況外，一般不用合金，因而須嚴(yán)格挑選廢鋼。 w（Si）低是須做到的，否則易出現(xiàn)碎塊狀石墨，低溫性能也會(huì)達(dá)不到要求，問題_出在又要w（Si）低，又要不出現(xiàn)因w（Si）低而產(chǎn)生的弊病。日本百噸級(jí)乏燃料容器成分為：w（C） 3.6%，w（Si） 2.01%，w（Mn） 0.27%，w（P） 0.025%，w（S） 0.004%，w（Ni） 0.78%，w（Mg） 0.065%。（3）選擇雙聯(lián)熔煉雙聯(lián)熔煉能充分發(fā)揮沖天爐鐵液成核能力強(qiáng)、電爐熱效率高的特點(diǎn)。鐵液須高溫出爐，有條件時(shí)可脫S，在電爐內(nèi)的時(shí)間不要太長。根據(jù)情況決定球化溫度，不能太高亦不能太低。筆者主張大型件球化處理不要用沖入法，因?yàn)闀r(shí)間太長。至少用蓋包法，好用特色法或喂絲法，在固定地方喂絲，甚至可連同喂孕育絲。球化劑千萬不要用常用的，好重稀土球化劑和輕稀土球化劑混合使用。如采用沖入法，球化劑中w（Mg） 6%，w（RE） 1.0%～    1.5%_可以了；如生鐵_純，w（RE） 0.5％～1.0％亦可。如采用喂絲法，可用高w（Mg）量的球化劑，但w（RE）要低，稍含些Ca 即可。澆注溫度要合適（1300～1350 ℃），不要太高，否則液態(tài)收縮太大；宜采用分散內(nèi)澆道中速澆注，盡可能用高剛度鑄型以充分利用石墨化膨脹進(jìn)行球墨鑄鐵的自補(bǔ)縮，減輕冒口負(fù)擔(dān)，確保鑄件內(nèi)部致密。（4）注意孕育問題孕育是主要的工藝技術(shù)措施之一，只有解決好這個(gè)問題，才有可能既_低w（Si）量又不出現(xiàn)問題，也才能_低溫性能過關(guān)。而孕育問題無非是孕育劑及孕育處理方法的選擇?？梢赃x擇孕育作用時(shí)間長的孕育劑，如含Ba 劑（含Sr 劑對(duì)灰鑄鐵更有效，而且Ca要低）、含石墨的孕育劑或在孕育劑中適當(dāng)?shù)鼗煨㏑ESiFe。目前，有不少企業(yè)都有自制孕育劑，我猜想遵循的都是這個(gè)原則?？傊?，孕育“要滯后，要瞬時(shí)”，不但效果好，而且劑量可大大減少。那種老的方法如處理時(shí)覆蓋，效果很差，但w（Si）倒是降低了?，F(xiàn)在的問題是，要w（Si）低，又要效果好，出路只有改變方法。事實(shí)證明，w（Si）量2.0%是可以做到的，成功的標(biāo)識(shí)是石墨要小，要多。小了_多，小了球化率_高，小了_不出滲碳體，小了偏析程度_輕。大件如能做到石墨球在200 個(gè)/mm2 或以上，大小5～6 級(jí)，球化率、鐵素體量自然不出問題?？傊痪湓?，去和石墨斗爭(zhēng)，為爭(zhēng)取小而多的石墨努力，主要手段_是通過孕育處理。w（Si）低了，而且又沒有自由滲碳體，塑性及常溫、低溫沖擊韌度_很容易過關(guān)。對(duì)于大型鑄件來說，在澆杯中進(jìn)行大塊孕育處理，以及澆道內(nèi)放一塊孕育塊是輕而易舉的事，問題是須有正確的理念。（5）合金及微量元素的利用在特大型球墨鑄鐵件中能考慮利用的合金元素只有Ni，因有其特殊的作用。從技術(shù)角度看，w（Ni）＜1%是有好處的，但用還是不用要根據(jù)具體情況、從經(jīng)濟(jì)角度考慮決定。微量元素在大件中有成熟使用經(jīng)驗(yàn)的是Bi 和Sb，認(rèn)為加w（Bi） 0.008%～0.010%，使w（RE）/w（Bi）=1.4～1.5 的比例，對(duì)增加球數(shù)、降低出現(xiàn)碎塊狀石墨的危險(xiǎn)性有利。Sb 亦可在厚大件中應(yīng)用，有人認(rèn)為會(huì)增加珠光體量，但有人卻在鐵素體球鐵中應(yīng)用，可能是量的問題在作怪，用50 ppm 的量應(yīng)該是沒有問題的。周繼揚(yáng)教授曾指出，用w（Sb） 0.005%～0.007%還可抑制鐵液中有過量Ti 及RE 時(shí)的有害作用[2]。雖然業(yè)界對(duì)于加入Bi和Sb的作用與機(jī)理意見還不統(tǒng)一，但對(duì)于Ni的加入已經(jīng)形成共識(shí)。（6）預(yù)處理作用很關(guān)鍵對(duì)球鐵原液在球化前用石墨性預(yù)處理劑進(jìn)行預(yù)處理有提升和穩(wěn)定鑄件質(zhì)量的積_效果[3]。方法如下：調(diào)整成分后［預(yù)處理會(huì)使w（C）增加0.2%］→脫S→倒回電爐→1/4 量時(shí)加入0.2%～0.25%的預(yù)處理劑→全部倒回電爐后略升溫至1 470～1 480 ℃→球化處理→孕育處理（可用Ultraseed）→澆注。（7）抗縮孔劑QKS 的使用，球墨中心存在1 μm 的外來夾雜，成雙層核心；其內(nèi)層為MgS、CaS（0.5 μm），外層為MgO、SiO 及硅酸鹽。因而在孕育劑中加入量的O 及S，使之能與孕育劑中的金屬元素結(jié)合，產(chǎn)生更多的硫化物及氧化物，從而形成更多的石墨核心，這_產(chǎn)生了含Ca、Ce 及S、O 的硅鐵孕育劑。這種孕育劑能顯著增加石墨球數(shù)，而且在結(jié)晶后期析出，后期的石墨化膨脹能有效地抵消凝固后期的縮松。特別是對(duì)局部熱節(jié)部位的縮松更有效[4]。實(shí)驗(yàn)指出：對(duì)于5～40 mm 的階梯試塊，用SrSiFe 時(shí)石墨球從300 個(gè)/mm2減少到150 個(gè)/mm2；而用Ca-Ce-O-S 劑時(shí)，石墨球數(shù)量不受壁厚的影響。與BaSiFe和75SiFe 相比都是如此。在十字試塊熱節(jié)上的收縮缺陷表明，用含Ba、含Sr 孕育劑，斷面熱節(jié)處皆有縮孔，而用Ca-Ce-O-S 劑則沒有。