怎樣提高球墨鑄鐵的球化率
發布日期：2024-06-25 09:16:46
作者：admin
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對球墨鑄鐵件采用什么樣的工藝措施解決和防止縮孔縮松, 目前的共識是, 鑄型必須具有足夠的剛性和強度, 化學成分接近共晶成分、加強球化和孕育處理以產生足夠的石墨化膨脹。但具體工藝設計原則上還存在爭議: 均衡凝固理論認為球鐵的石墨化膨脹可以抵消凝固收縮, 工藝上應該采取措施, 使單位時間的收縮和膨脹、收縮與補縮按比例進行, 利用膨脹與動態收縮疊加, 達到鑄件的補縮目的, 使用冒口的理念是有限補縮, 冒口不必晚于鑄件凝固[ 1] , 冷鐵的作用是平衡鑄件的壁厚差異, 消除熱節, 并可以使一部分石墨化提前;但也有文獻[ 2]對此表示異議, 認為球鐵的收縮大于膨脹, 必須有外部補縮, 冒口不能晚于鑄件凝固, 冷鐵的作用是首先使鐵液的收縮提前和加快, 更有利于更早的及時的補縮, 對脹縮疊加并沒有影響。焦點在于是強調石墨化膨脹自補縮還是強調外部補縮。從一些典型鑄件的縮松缺陷分析以及解決措施的總結, 單純強調外部補縮或強調石墨化膨脹自補縮均無法穩定的控制鑄件的縮孔縮松。如何有效地把石墨化膨脹和補縮利用起來, 主要還是要取決于鑄件結構、鐵液熔煉處理水平和鑄型條件。文獻[ 3] 中闡述的一個觀點認為, 在冷卻凝固過程鐵液內部會發生壓力變化, 當內部壓力小于一定程度或至負壓時, 這個部分就容易產生收縮缺陷。(1) 設置冒口和提高澆冒口高度、延遲冒口的凝固時間, 均可認為是有利于提高鐵液靜壓力的措施, 對內部壓力增加有益, 能起到防止縮孔縮松的作用。(2) 加強熔煉球化孕育處理, 加大鑄型強度和剛度, 可以提高石墨化膨脹壓力以及提高其利用率。(3) 控制熔煉水平和鐵液處理工藝, 控制澆注溫度和速度, 可認為是減少凝固收縮產生的負壓。因此可以認為, 所有有利于減少縮孔縮松的工藝措施, 均是出于把上式中的壓力控制在有利的趨勢為目的。但關鍵的因素在于, 鐵液內部壓力大小是各種壓力在同一點時間的疊加, 由于鑄鐵的結晶凝固特性,各種壓力影響不一定會同時起到作用。很多文獻顯示, 球墨鑄鐵在共晶溫度以上, 鐵液中有大量的石墨核心存在或石墨生長[ 3, 4 ] , 石墨在共晶溫度以上附近析出速度最快[ 3] , 由于此時鐵液的流動性還存在, 大量的石墨化膨脹產生的壓力將通過液體傳遞出去, 鐵液內部的壓力是以液體靜壓力為主, 共晶凝固開始時也是這種情況占主導; 共晶凝固前期, 石墨化膨脹部分可能會作用于鐵液內部, 但由于形成的凝固層強度不高, 也會消耗部分膨脹壓力; 到中后期, 鑄件中鐵液流動性已經喪失,鐵液的靜壓力已經不起作用, 需要靠石墨生長產生的膨脹壓力來抵消凝固收縮產生的負壓。因此,文獻[ 2] 認為, 總體上球鐵的收縮大于并提前于膨脹,膨脹和收縮無法疊加, 必須有外部補縮,實踐上證明了這一點。但同時許多基于均衡凝固理論、靠石墨化膨脹補縮的工藝也獲得了成功, 也證明了石墨化膨脹的壓力可以抵消收縮負壓。壓力和鐵液流動( 補縮) 對鐵液來說某一時刻是相通的,有壓力存在才有鐵液傳遞( 補縮) 的動力; 但強調壓力的概念更能體現補縮的動態性、時效性和方向性。因此, 為了預防球鐵鑄件縮孔縮松缺陷, 不僅要在提高石墨化能力以及石墨化膨脹利用、提高鐵液靜壓力、減少冷卻凝固液態收縮方面采取措施, 同時鑄造工藝上也要盡可能的保證這些增大壓力的措施同收縮產生的負壓相疊加, 才能達到鐵液內部凝固壓力隨時處于一定的水平, 滿足鑄件不產生縮孔縮松的需求。(1) 小件或鑄件薄的部分應當考慮外部補縮, 凝固收縮過程需要外部提供壓力支持均衡凝固理論也提出, 小件需要外部的強補縮, 實際上可擴展開來認為: 所謂小件是指體積重量小的鑄件或者大件中薄壁部位, 包括厚大件的薄壁部位。這樣的薄小件因為其凝固速度快, 由于球鐵的石墨化膨脹和凝固收縮時間上的差異無法利用壓力的疊加實現自補縮, 需要外部提供液態靜壓力支持和液體補充。在薄小件鑄件工藝設計時, 應當首先考慮補縮。( 2) 厚大件或大鑄件的厚大部位不需要補縮或只需有限補縮鑄件的厚大部位或厚大件, 由于其石墨化量大, 且容易實現石墨化膨脹和凝固收縮的相互疊加, 所以自補縮能夠實現。外部只需要提供在凝固初期產生大量收縮時的壓力支持, 后期則可以完全靠自身膨脹產生的壓力實現自補縮。厚大件或厚壁處在工藝設計時, 可以通過實現石墨化膨脹自補縮的方式來處理, 而較少考慮采用外部補縮。(3) 鑄件的補縮并不局限于外部的補縮鑄件存在結構差異, 對薄壁處的補縮并不一定要靠外部設置冒口來實現, 臨近部位的厚大壁厚部位同樣可以為薄壁處補縮, 用傳統的觀念講就是, 建立和實現適當的溫度梯度( 凝固次序), 使液態靜壓力能保持在一定的水平, 滿足較薄處凝固收縮時的補縮需要。在有薄厚差異結構的鑄件的工藝設計時, 可以考慮建立一定的凝固次序, 兼顧上述兩點原則, 即薄小部位靠厚大部位補縮, 而厚大部位則考慮僅實現有限的補縮。(4) 冷鐵可以調節厚大熱節處的凝固速度和鑄件的溫度梯度, 其對鑄件的補縮作用是有條件的。冷鐵的作用除了可以加快鑄件的凝固速度, 改善凝固梯度外, 對球墨鑄鐵來說還具有突出的改善鑄件石墨大小和形態、提高球化等級和防止球化衰退與石墨漂浮等作用, 但冷鐵的使用同樣會對鑄件產生許多副作用。過去人們認識冷鐵的缺點是容易產生白口、冷鐵氣孔等。其實, 冷鐵使用同樣對鑄件的收縮補縮產生不好的影響, 如果冷鐵改變了與上述幾個原則有利的凝固順序和溫度梯度, 鑄件反而會產生收縮缺陷;另外, 在相對均勻的厚大部位設置多個冷鐵時, 冷鐵間隙過大, 間隙間( 或冷鐵激冷區域外) 可能會形成新的熱節而產生收縮缺陷因此冷鐵設置時, 除了要滿足改善鑄件局部的冷卻條件外, 還要防止冷鐵改變固有的平衡狀態, 或造成新的熱節, 或阻斷液態靜壓力傳遞通道( 補縮通道), 造成鑄造收縮缺陷; 多個冷鐵并行放置時, 應當避免過大的冷鐵間隙, 可以采用增加有效激冷面積的方式提高冷鐵激冷效果, 而不是一味的增加冷鐵厚度。以下是幾個球鐵鑄件失敗與成功的工藝方案實例。例 1, 軌條類鑄件, ( 圖 1) 鑄件長度1000 ~ 3 000 mm, 鑄件壁厚 15~ 30 mm, 重量 100~ 200 kg,材質為 QT 450- 10。盡管長度比較長, 但在樹脂砂生產中屬于薄小鑄件, 按圖示方案分型澆注, 最終采用橫澆道和內澆道補縮, 內澆道為補縮效率較高的梯形截面, 取得合格鑄件; 其他工藝方式生產的鑄件不同程度都有縮孔縮松缺陷導致鑄件報廢。例 2 是一個風電鑄件支撐盤, ( 圖 2) 材質為QT400- 18AL, 重量 2 000 kg ,兩種方案在厚大的法蘭邊緣均沒有收縮缺陷, 而原來的工藝方案在薄壁處存在縮孔縮松, 取消法蘭處冷鐵, 缺陷消失。說明該處冷鐵阻斷了液態靜壓力通道, 使鑄件補縮通道斷開, 當取消冷鐵, 開通補縮通道( 液態靜壓力通道) , 鑄件缺陷消失, 該實例可同時適用于上述4 個原則。例3 是常見的一些球鐵鑄件結構, ( 圖3) 經統計發現, 當初為了保證厚大重要面的質量, 而把較厚的面放置在澆注位置下方, 但探傷時經常發現厚薄交接處出現收縮缺陷, 個別時候甚至表面出現縮陷; 但把厚大的面放在澆注位置上方時, 卻很少發現有缺陷產生。這是個典型的“薄補厚與厚補薄”的實例。薄補厚時, 薄壁凝固速度快, 當交接處凝固收縮產生負壓時, 薄處無法提供有效地靜壓力支持, 因此容易出現收縮缺陷; 厚補薄時, 由于薄壁及交接處凝固靠前, 收縮產生的負壓有凝固靠后的厚壁處提供靜壓力支持, 因此反倒不容易產生缺陷。例2 和例3 中厚壁處并未采取強制冷卻或強補縮措施, 也沒有太多的缺陷, 可以認為是厚壁處的石墨化膨脹壓力和收縮壓力有條件實現疊加, 不會在凝固過程形成負壓, 所以產生收縮缺陷的幾率不大。
例4 為一核電鑄件接盤, ( 圖4) 材質為QT450-10A, 鑄件重量980 kg, 壁厚為90~ 110 mm, 屬于厚大的中小件, 該鑄件的成功的工藝方案是, 采用冷鐵和澆注系統在鑄件的整體結構上, 建立了有序的液態靜壓力傳遞梯度, 但最后凝固的部位并沒有采取比較強的外部補縮。例5 是一個冷鐵設置的案例, 鑄件為風電增速箱內的行星架, ( 圖5) 材質為QT 700-2A, 重量為3 t, 厚壁處約120 mm。最初軸身的冷鐵比較厚, 冷鐵間隙大, 冷鐵的有效激冷面積僅占鑄件須激冷面積的30% , 鑄件質量很不穩定, 經常在軸身根部和冷鐵間隙之間探傷發現收縮缺陷; 后將冷鐵減薄, 同時增加激冷面積, 由于冷鐵壁厚減小, 又有條件地適當減小冷鐵間隙, 最終得到成功并穩定的工藝方案。從上述實例看, 由于結構因素, 球墨鑄鐵鑄件的收縮缺陷主要產生于中小件、或大件的薄小壁厚及厚薄交接處, 而很少在厚大處的熱節中心。球鐵的凝固方式為糊狀凝固, 共晶凝固時間長, 薄壁處的散熱條件較好, 整個斷面處于共晶階段的時期趨于一致, 所以收縮產生負壓及石墨化膨脹產生的壓力無法有效地疊加, 容易產生收縮缺陷。工藝設置上的解決辦法是建立合適的溫度梯度, 為薄壁處的凝固收縮提供適當的靜壓力支持, 預防縮孔縮松缺陷產生。而厚大部位外部和中心部位的凝固次序差異大,共晶階段差別較大, 容易實現脹縮疊加, 因此出現收縮缺陷的幾率不大, 鑄型的強度和剛性足夠時, 就能夠不用外部強補縮而獲得健全的鑄件。當厚大部位與薄壁存在交接時, 一方面是由于接觸熱節導致了厚面上的結構不平衡, 打破了中心到外殼這樣的凝固次序; 另一方面可能是由于這種結構導致需要的外殼強度達不到要求。冷鐵過厚, 冷鐵間隙過大, 同樣也可以認為是打破了這樣的一種凝固次序的平衡, 因此冷鐵間隙容易發生缺陷。另外, 冷鐵設置不當, 也可能會改變凝固梯度,阻斷靜壓力傳遞通道,使需要補縮的部位產生收縮缺陷。球墨鑄鐵由于碳含量和碳當量比較高, 具有較大的石墨化膨脹; 但另一方面,由于球鐵的凝固方式為糊狀凝固, 共晶時間長, 共晶前期表現的石墨化膨脹量大, 而后期因石墨在奧氏體包裹下長大, 表現出來的膨脹量小。所以對某個具體部位來說表現為鑄件的凝固收縮和膨脹分離。單純強調收縮和膨脹分離, 需要外部補縮, 實際上并不一定能解決問題; 但過分強調石墨化膨脹自補縮,也不一定能起到作用。必須考慮鑄件的結構特性, 綜合考慮, 這其實是發展的看均衡凝固理論。實際上用壓力的理論來解釋鑄件的收縮可能比較全面和有效, 所有有利于防止鑄件產生收縮缺陷的工藝措施, 都可以認為是提高了鑄件局部在凝固過程中的綜合壓力, 要么是降低或減少產生負壓, 要么是提高正壓力或其利用率。降低收縮產生負壓、提高石墨化及其利用程度的工藝措施, 對幾乎所有球鐵鑄件的防止收縮缺陷都有效, 但如何利用鐵液的液體靜壓力, 在實際操作中卻有區別。對于薄小件來說, 由于斷面上的共晶階段一致,因膨脹和收縮分離無法利用, 因此需要重點考慮利用液態的靜壓力, 保持其凝固處于正壓力水平; 而對于厚大件來說, 自身結構決定了其斷面外部和內部的共晶凝固順序差異, 也就是石墨化膨脹和凝固收縮時間上的差異, 使得內外部的膨脹和收縮具有疊加的條件, 不需要外部提供液體靜壓力( 外部補縮) 可獲得健全的鑄件。相反如果采用外部補縮, 可能反而會產生負作用。
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