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球墨铸铁球化不良的预防及改进措施

2021-11-23孟德凤

商品与质量 2021年4期
关键词:硫含量试块铸件

孟德凤

沈阳亚特重型装备制造有限公司 辽宁沈阳 110135

为了生产出高质量的球墨铸铁件,其球化率必须在90%以上,若球化率达不到标准或球化不良,先要区分是何种原因导致的球化不良。冬季采用树脂砂造型时,必须经常检测原铁液的硫含量,以此防止硫含量高影响球化率。

1 球墨铸铁的发展历史

球墨铸铁是20 世纪50 年代发展起来的一种高强度铸铁材料,其综合性能接近于钢,正是基于其优异的性能,已成功用于铸造一些受力复杂,强度、韧性、耐磨性要求高的零件。球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁、应用广泛的铸铁材料。

法国的雷奥姆尔(Reaumur)于1722 年制成了白心可锻铸铁。后来,美国的塞斯·包伊登(Seth·Boyden)于1826 年发明了黑心可锻铸铁。

到20 世纪20 代,由于对铸铁中碳、硅等主要成分及加入其他合金元素的影响、熔化方法、孕育效果等方面的研究并有了进展,出现了高级铸铁。因此,材质有了相当可观的改善,并在一定程度上扩大了应用范围。但由于存在着韧性低的缺点,未能迅速扩大其应用范围[1]。

1947 年,烟的莫罗(Morrogh)发现了铸态下存在球状石墨的铸铁。

1948 年,通过在高碳,低硫、低磷的灰铸铁中加入Ce,并使其残留量保持在0.02%以上,制得了球墨铸铁。同时,美国国际镍公司(INCO)加格奈宾(Gagnebin)等通过在铸铁中加Mg,并使其残留量保持在0.04%以上,获得了相同的球墨铸铁。

2 球墨铸铁生产现状

在球墨铸铁件生产中,为保证其产品质量,要求同炉产品附铸试块的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和球化率必须在材质牌号要求范围内,这一要求必须在理化检验规范中严格控制,特别是试块球化率不合格时,要看铸件本体的金相,若铸件本体金相球化率低于90%,则铸件必须报废,这将造成一定的经济损失。

某公司理化室在常规随炉附铸试块拉伸试验时,发现球墨铸铁试块的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率存在不合格现象,从试样上截取的金相块球化率也仅为65-80%,这是不合格的。立即检测本体金相,结果一部分铸件本体金相球化率仅为70-85%。因此,对性能不合格的铸件必须报废[2]。

3 球墨铸铁球化不良的分析

出现不良球化现象后,需加强原铁液及球化处理后的铁液中的硫检测,以及对回炉料使用的控制,防止此类问题的发生。要想生产高质量球墨铸铁件,球化率必须达到90%以上。通过总结长期生产实践和查阅相关文献,影响球化率的主要因素包括以下方面。

3.1 炉料中含有反球化元素

在铁液中含有某些杂质元素,会破坏球化效果,得到的是片状石墨而不是球状石墨。常见的反球化元素有锑(sh)、锡(sn)、铋(Bi)、碲(Te)、铅(Pb)、砷(As)、钛(Ti)等。这些元素通过消耗镁的含量或富集在共晶团边界,形成畸形石墨。球铁铸件使用的油漆通常加入金属元素,常见的加入元素有铅、镉、锡,这些元素都有反球化作用。另外,废钢中可能含有电镀件、铅料等杂件,应予以避免。

3.2 孕育效果不强或衰退

孕育衰退的原因主要与孕育剂加入量低或孕育工艺不完善有关。因镁的存在是球化的必要条件,充分的孕育处理是促进石墨化的保证,因此只讲球化处理而不重视孕育处理,是生产不出高质量球墨铸铁的。因而孕育剂的选用及添加量应适当,应采用含钡、钙的长效孕育剂,并采取二次孕育和随流孕育的复合措施。

3.3 球化剂加入量过少

铁水中加入球化剂,使石墨结晶成为球状。在工业生产领域,主要的球化剂是镁和稀土合金。Mg 的密度为1.7389/cm3,熔点为651℃,沸点为1107℃,其化学性质活泼,脱氧脱硫能力很强,与S 结合生成的MgS 由于密度小,极易上浮,通过除渣的方式去除。由于镁的密度小、沸点低,加入铁液中的Mg 一部分变成镁光汽化,一部分去硫去氧,剩余的部分才在铁液中进行球化反应。球化剂的加入量主要取决于原铁液中的含硫量、铁液的出炉温度、出铁冲入方式(是否盖包),一般加入量是处理铁水质量的1.0%-1.6%。

3.4 干扰元素含量过高

(1)原铁水的含硫量偏高。硫是主要的反球化元素,含硫量越高,球化反应的效果就越不好,因此需控制原铁液中的含硫量。当原铁液中的含硫量偏高时,相应的球化剂加入量应增多。球化剂脱硫的化学反应原理为:

Mg+S=MgS

2Ce+3S=Ce2S3

需注意的是,要及时将铁液上的浮渣清除,否则浮在铁液表面的MgS、Ce2S3夹杂物与空气中的氧会发生下列反应:

2MgS+02=2MgO+2S

2Ce2S3+302=2Ce2S3+6S

此时生成的硫又从浮渣中进入铁液,与镁和稀土发生作用,反复消耗球化剂,形成“回硫现象”,致使球化效果不好。

(2)反球化元素过量。严格控制反球化元素含量,特别是钛与铅。可选用高纯生铁,控制废钢及生铁中的反球化元素。

(3)铁液温度过高或过低。当球化铁液温度过高时,覆盖剂无法压实,导致球化剂熔化速度过快,致使其烧损过多。但当球化铁液温度低于1390℃时,合金不易熔化,球化反应不完全,球化水平难以满足要求。另外,在球化剂上浮过程中,由于铁液温度低,球化剂不能迅速熔化吸收,导致球化剂上浮到铁液面熔化燃烧。因此,铁液温度应控制在工艺要求范围内。

4 整改措施与效果

①规范操作规程,控制浇注时间。②球化包结构不合理,控制高径比。③控制原铁液的硫含量及回炉料使用量。④铁液中反球化元素含量超标,因此需控制铅、钛、锡等微量元素。

采取上述整改措施后,试块和本体的金相球化率在80%左右,仍不合格。同时检测到原铁液中wS 为0.025%-0.026%,超出了本厂规定的≤0.020%。在生产高质量球墨铸铁时,国外一般将原铁液的硫含量控制在0.020%以内,高于该含量都要进行脱硫处理。在冬季,树脂砂造型用固化剂中总酸及游离硫酸的含量高于其他季节,即硫含量较高,因此渗透到浇道及铸件表面会造成回炉料中硫的偏高。硫是一种反球化元素,它与镁有很强的亲和力,与镁反应生成MgS,消耗了有效镁量,导致铁液中游离镁含量不足,致使球化不良,此时需更多的球化剂来保证球化效果[3]。因此,球化剂的加入量从原来的1%增加到1.1%,经生产跟踪检测,附铸试块和本体球化率均达到90%以上,球化不良现象消失。

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