船用大型球墨铸铁件典型缺陷的影响因素

2020-07-01苏燕萍吴逸智孔德成

舰船科学技术 2020年6期

苏燕萍，吴逸智，孔德成

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 200032）

0 引言

随着钢铁生产加工技术的发展，球墨铸铁生产加工技术得到大幅度改善，加上其优良的性价比，近年来应用范围越来越广，并且在多个行业中成为铸钢与灰铸铁件的替代品。但是球墨铸铁也存在一定的缺陷，特别是在厚大断面铸件中，时常会出现质量问题。针对此类问题，国内学者开始对其进行研究，分析其产生的原因以及影响因素。本文通过分析球墨铸铁常见的缺陷，在此基础上对某公司生产的船用厚大断面球墨铸铁铸件进行试验，讨论大型球墨铸铁铸件缺陷影响因素，以期为船用大型球墨铸铁铸件生产技术改善提供一些思路和方法。

1 典型缺陷分析

1.1 球化不良

球化不良会导致铸件的力学性能下降并且明显降低铸件伸长率，这种缺陷典型特征表现为断口面呈现银灰色，同时不均匀分布大量的黑色斑点。通过光学显微镜观测，可以看到石墨以片状分布在石墨聚集区，并且球状石墨大小为5 级，含量非常少，整体球化率在2～3 级。通过热分析技术相关理论，导致铸件球化不良的主要原因是铁液中镁、铼等元素残留量影响，而导致镁、铼元素含量超标的原因是前期投料时杂质较多，扒渣处理不到位，这导致铁液中S 和活性氧含量增高，它们与镁、铼发生反应，导致球化不良；另外，在浇注时，由于镁、铼在铁液出炉时被消耗，残余量非常少，同样造成球化不良。

1.2 缩松

缩松缺陷主要呈现出蝇脚状黑点或者灰暗疏松孔，它主要产生于热节区，通常尺寸较大，最终成型于铸件表面。微观缩松是在二次收缩末期产生的，主要是晶间铁液或共晶团在负压环境中凝固形成。缩松特征是球墨铸铁铸件独有的缺陷，也是与其他铸件的差别所在。在凝固成型中，由于负压导致二次收缩产生真空区，待凝固后即产生缩松缺陷。究其原因，铁液在炼化中，扒渣工作不到位，铁液被严重氧化，导致其化学成分含量不稳定，特别是碳当量、硫、磷等元素，对铸件缩松产生较大影响作用。当碳当量减少，铸件中石墨含量也会降低，缩松增加，当硫、磷含量增加，铁液中的镁、铼被消耗，阻止铁液补缩，影响球化率。

1.3 气孔

铸件气孔一般成型于表皮2～3 mm 之下，其形状较多，可以呈现椭圆球状或者蜂窝状分布的球形，有些还表现为针孔状内壁光滑孔洞。这种缺陷多见于小型球墨铸铁铸件中。形成气孔的主要原因是球墨铸铁铸件在粥状凝固时，液体表面张力会增大，并且还会形成一层氧化膜，使得液体内部气体无法排除，在逐渐降温凝固后，气体则以气孔形式留在铸件表皮以下。另外，在浇注时，EPS 模样气化得到的气体弱若无法排除，则会导致铸件气孔缺陷，特别是在小型铸件中，这种缺陷较为常见[1]。

1.4 裂纹

裂纹是由于铸件在凝固中的内应力超过金属本身抗断裂强度，是一种自身破坏缺陷。当断裂温度较高时，断口会呈现出暗褐色，当温度低于600℃时，此时铸件断裂，断口呈现浅褐色，这种断裂也叫冷裂。通过分析可知，当球化不足时，白口倾向增大，导致冷裂现象发生，并且冷却速度太快，由于铸件内部存在较大的组织应力，则导致铸件边缘地区产生裂纹。其中，磷元素也是引起裂纹的主要因素，当其含量超过0.25%时，对于大型球墨铸铁铸件，容易引起热裂[2]。

2 试验结果及分析

本文根据船用大型球墨铸铁铸件使用情况，选择多种尺寸铸件进行研究。铸件壁厚从小到大依次为40 mm、80 mm、120 mm、180 mm、220 mm，除最后一级之外，其余每级长度均为250 mm，然后进行阶梯试样和浇注。球墨铸铁铸件生产原料为35%优质废钢、65%高纯生铁、增碳剂；生产条件为1.5 t 中频炉，最高熔炼温度1500℃；处理工艺为冲入法球化和孕育处理，球化剂和孕育剂分别为REMg 合金和SiBa 合金，每次能够处理1 t 铁液。并且设置4 个浇注温度，即1310℃、1330℃、1350℃、1370℃。表1 是不同方案铸件处理后的铁液化学成分组成。采用热分析仪来分析冷却曲线，带成型后先目视检测，记球墨铸铁铸件基本情况。

表1 不同方案铸件孕育处理后铁液的化学成分

经过对上述4 种方案铸件进行测试分析，可以发现对船用大型球墨铸铁铸件主要的影响因素为碳当量、石墨形态以及微量元素。

2.1 碳当量对缩松等缺陷的影响作用

球墨铸铁铸件之所以产生缩松缺陷是因为铸件凝固成型中石墨化膨胀引起的。当碳当量稳定时，壁厚增大，则凝固时间变长，在此过程中若是不补缩，最终会导致缩松；当壁厚稳定时，碳当量越大孕育效果越好，则石墨化导致的膨胀量会增大。一旦铸件强度不能抵抗膨胀力，会出现缩松缺陷。但是可以将膨胀力控制在能够抵抗阶段，这样铸件就不会出现缩松缺陷，即可以适当提高碳当量[3]。但是一味提高碳当量还会带来石墨漂浮情况，温度越高，碳当量越大，则石墨漂浮现象越明显，特别是大型铸件，凝固时间长，形成石墨漂浮几率大。

在本文试验条件下，要综合考虑碳当量与石墨漂浮影响，当浇注温度1370℃时，铸件壁厚不超过120 mm 时，应该将碳当量控制在4.01%～4.42%。

2.2 CE 与碎块状石墨

通过观察和检测不同铸件，可以发现碳当量超过4.42%，并且壁厚大于120 mm 时，铸件中出现碎块状石墨，且趋于增大趋势。

2.3 微量元素与碎块状石墨

将Sb、Bi 等微量元素加入到铸件中，可以有效缓解，甚至放置铸件出现碎块状石墨。为了考察微量元素对铸件的影响，根据上述实验方案再次浇注样品。其中，方案2 和方案4 分别放置不同大小的平面冷铁。带铸件成型后，对其进行检测分析，可以看到当加入Sb 元素后，上述4 组方案铸件均未看到碎块化石墨，这可能是因为Sb 加入到铸件中，C 原子在铁液中扩散受阻，抑制了石墨产生，从而避免出现碎块化石墨。对比前后2 组试验铸件，发现加入一定量的Sb 后，再配合使用冷铁，能够明显提高石墨球的数量和圆整度，石墨大小等级可以上升到6 级。但是Sb 超过0.007%之后，则会产生大量珠光体，影响球墨铸铁铸件质量[4]。