墨铸铁缺陷研究

作者：哈尔滨理工大学 姜海峰

欢迎访问e展厅 展厅 7 钢铁/粉末冶金展厅 合金钢, 不锈钢, 高温合金, 模具钢材, 铁... 摘 要：本文综合分析了球墨铸铁缺陷的研究现状，指出了缩孔缩松、石墨漂浮、皮下气孔、球化不良和球化衰退等球墨铸铁特有缺陷的形成原因及防止措施。 关键词：球墨铸铁；缺陷；现状 球墨铸铁是本世纪4O年代末发明的，从1950年前后才真正用于生产中。目前，球墨铸铁已广泛的用于制造一些受力复杂、强度、韧性、耐磨性要求高的零件，如柴油机、汽车及拖拉机的曲轴、凸轮轴、中压闸门，汽车及拖拉机的某齿轮以及农机、农具等零件。球墨铸铁除具有一般铸造缺陷外，它还经常出现诸如缩孔缩松、夹渣、石墨漂浮、皮下气孔、球化衰退及球化不良等球墨铸铁特有的缺陷。球铁缺陷的分析研究，多年来一直是铸造工作者和铸造厂家关心的热门话题。 一、缩孔缩松 球墨铸铁件与灰铸铁件相比，具有较大的缩孔和缩松倾向，这一直是球墨铸铁件生产技术的关键问题之一，国内外的球铁专家、学者对此进行了大量的研究。 早期人们对球铁件缩孔的形成机理及冒口设计问题认识不清。有人认为球铁具有与铸钢相同的收缩倾向，因此冒口也要和铸钢一样大。与此相反，用小冒口甚至不用冒口也能生产出健全铸件。近年来随着人们对球铁凝固特性认识的深入及电子显徽技术的发展，对球铁缩孔形成机理和冒口设计有了比较清楚的认识。 国内外研究者对球铁缩松作了大量的研究工作，提出了一些消除缩松的措施，但由于早期对缩松产生机理存在较大分歧，各自提出的影响因素和防止措施相差很大。各家的观点主要集中在三个方面：(1)球墨铸铁糊状凝固特性；(2)石墨化膨胀量和膨胀力；(3)型腔扩大。 分歧较大是在石墨化膨胀的评价上，一者认为石墨析出引起膨胀和体积胀大，有利于消除缩松；一者认为球铁比灰铁大得多的石墨化膨胀力使共晶团之间的间隙扩大，数目增加，使缩松增加。 近年来，人们借助电子显微技术对球铁缩松进行微观观察及分析对缩松的产生和防止有了更进步的认识。资料认为：石墨化膨胀是控制缩孔、减少缩松的因素，根据铸型刚性条件和铸件结构特点。只存在一个石墨化膨胀利用程度问题。认为“石墨化大大增加缩孔体积，增加共晶团间隙数目和容积”的说法缺少证据。而球铁的热后缩松是早期收缩阶段产生的。资料认为：缩孔、缩松内有大量氧化镁、硅酸镁夹杂物，这些夹杂物的存在，促进了缩孔、缩松的形成。 随着对球铁铸件缩孔缩松认识的不断深人，研究人员开始尝试研究利用缩孔判据预测球铁件的缩孔缩松。 1986年新山英辅发表了应用G/R法预测球铁件缩孔缩松的论文，首次开展了对球铁铸件缩孔、缩松的预测研究。随后，日本、美国英国、中国等国的铸造研究者从不同的角度对球铁缩孔缩松预测讲行了研究。哈尔滨理工大学的吴士平在他的博士论文中详细地回顾了球铁缩孔缩松预测研究的历史，并在随后的研究中运用“动态临界补缩固相率”和“广度关联法”预测了厚大断面球铁乏燃料贮运容器铸件的缩孔缩松，模拟结果与实际结果相一致。清华大学机械工程系教授熊守美提出并开发了动态膨胀收缩累积法来预测球墨铸铁缩孔缺陷，在实际球铁件上进行了缩孔形成的模拟和工艺改进。 上述研究表明，球铁缩孔缩松的认识已经比较清楚，用计算预测也成为可能。 二、石墨漂浮 石墨漂浮是球铁特有的缺陷之一。一般认为：碳当量高是导致这种缺陷的主要原因。但至今关于石墨漂浮问题的进一步研究不是很多，尤其对其形成机理的认识尚不够深入。 1983年，美国Wisconsin—Madison大学的G.X.Sum和C.R.Loper,利用扫描电子显微镜和传统的光学显微镜对紧密石墨铸铁和过共晶球铁中的石墨漂浮进行了研究。通过观察分析认为：紧密石墨与塑性过共晶球铁中的石墨漂浮区的石墨都是以相似的方式形成爆炸石墨的，文中绘出了各种爆炸石墨的形成照片，说明各种爆炸石墨的影响因素和生成条件。 1986年，英国伯明翰的BCIRA公司承担了AFS韧性球铁性能控制委员会的计划项目，A.G.Fuller and T.N.Blackman按项目要求对化学成分及铸造工艺因素，对过共晶球铁石墨漂浮的影响进行了研究。他们首先测定了碳硅变化、铸件浇注温度和截面尺寸变化对石墨漂浮的影响程度。进而又考察了其他的工艺因索：包括Bi的加入、孕育和残余镁量、随流孕育和浇注系统中的陶瓷过滤网等对石墨漂浮的影响。研究结果认为：当碳当量超过4.3％时就会在铸件上表面形成一个石墨漂浮带，漂浮带的深度将随碳当量(尤其是碳量的增加、铸件厚度和浇注温度的增加而增大。其他工艺因素对石墨漂浮的深度影响不大。在此基础上，T.B.Blckman又讲究了石墨漂浮对韧性球铁铸件抗拉及冲击性能的影响。指出：石墨漂浮导致球铁韧性及冲击性能大幅度降低，但对残余屈服强度和硬度影响不大。在试样内部即使是很小范围内的石墨漂浮也会对面积大得多的横截面造成影响，要想获得适宜性能的铸件，必须防止石墨漂浮。 1990年，美国的EdwardF.Ryntz新给石墨漂浮下了定义，并且指出漂浮带中的石墨外形有的有规则，有的相当无规则，如菜花形、爆炸形、块形、链队形等。随后介绍了石墨漂浮的两种估计方法。一是金相显微检测：把铸件表层的微观结构同铸件其他位置的微观结构相比较。二是超声波检测：铸件中石墨漂浮严重的地方超声波通过时强度明显减弱。后来，他复论述了石墨漂浮对机械性能的影响和防止措施，认为：石墨漂浮主要减小延伸率和韧性，但对收缩率和硬度影响不大；最简单并有效的防止石墨漂浮的方法是控制球铁的碳当量小于4.5％。 1993年，美国通用汽车公司又研究了石墨飘浮对球墨铸铁的影响。考察了三种确定石墨漂浮的方法，一是测量带：用肉跟观察断口表面漂浮带的情况；二是碳分析：测定铸件断面碳含量分布曲线；三是金相显微镜检测：观察铸件漂浮区与非漂浮区中的石墨形态比较。试验结果认为：如果铸件中产生石墨漂浮，用肉眼观察断口表面是确定漂浮最简单的方法但单靠眼观察不能作质量控制；碳分析是测定石墨漂浮比肉眼观察更灵敏的方法，但由于在准备试验模样和说明测量数据方面的困难，也不能用于质量控制；金相显徽检测是确定铸件中存在有害的石墨漂浮的最好方法，可用于质量控制。研究中发现：石墨漂浮有一临界转变点CE=4.65％，CE值大干4.65％时铸件中出现石墨漂浮；铸件中石墨漂浮深度随浇注温度的升高而减小，与前人的研究结果相反。 1995年，石原守央在总结缩孔与化学成分的关系时得出了CE与缩孔、石墨漂浮的对应关系，指出：当CE小于3.9%时球铁件易形成缩孔，而当CE大于4.5％时则出现石墨漂浮。 我国铸造工作者在石墨漂浮的形成及防止上也做了大量的工作。1987年，石庆生等人对高碳球铁铁水的石墨漂浮进行了研究，目的在于解决石墨漂浮问题以便直接利用高炉铁水直接生产球铁件。1989年，徐家庆和石庆生对此又做了进一步的研究，指出：对于高碳当量铁水尤其是直接球化处理的高炉铁水来说，可在铸件凝固过程中上部加熟保温达到最后凝固，可使上浮石墨飘逸出铁水面，通过表面加工而除去。采用加人微量易熔合金元素可减轻石墨漂浮产生的倾向。 江西九江动力机厂的郭之春等人注意到炉前快速金相中的石墨球数很大程度上反映了铁水的熔炼情况、成分、球化与孕育效果，通过研究分析认为：可根据炉前快速金相中石墨球数来判断球化效果、白口倾向、石墨漂浮和铁水收缩性。 上述研究表明：石墨漂浮的出现又一个临界碳当量值，但不同的研究者得到的临界值不同。金相显微分析是鉴别石墨漂浮的最好方法，断口观察和加工表面观察鉴别石墨漂浮是不可靠的。石墨漂浮除与碳当量有关外，还与铸件厚度、浇注温度和微量元素Bi的加入有关，但不同的研究者得到的结论也不同。 在球铁生产中，借助于快速金相分析判断铁水的球化状况已众所周知．但采用快速金相分析判断石墨漂浮，并及时采取措施予以控制的检测方法，却研究较少，哈尔滨理工大学的郭二军教授采用金相观察法研究了球墨铸铁炉前快速金相球墨大小不均与石墨漂浮的关系。结果表明：当炉前快速金相中不出现石墨大小不均时，铸件上不出现石墨漂浮；当炉前快速金相中出现球墨大小不均时，铸件上是否出现石墨漂浮还与球墨大小不均程度和铸件壁厚有关。铸件中出现石墨漂浮时，炉前快速金相中一定出现石墨大小不均，且石墨漂浮越严重，球墨大小不均程度也越严重。 三、皮下气孔 皮下气孔是稀土镁球墨铸铁件常见的缺陷。迄今为止，人们对球铁件长生皮下气孔的机理及防止措施尚来形成统一的认识。 目前，比较公认的解释是铁液中的残留镁与型沙中的水分进行反映而释放出氢气。 Mg+H2O=MgO+H2S 也有一种论点认为是铁液中夹带的墨渣MgS与水蒸气反应而释放出硫化氢气体 MgS+H2O=MgO+H2S 孙浪清在总结了前人所作的工作后认为球铁的皮下气孔问题主要是一个氧化问题，或者是外来元素，如Mg、Al及 Mn的氧化，或者是溶于铁水中的碳的氧化。这些释放出来的气体侵入铸件内，即形成气孔。 皮下气孔形成机理的解释也各不相同，有表面张力说、氧化说、气流说等。不同的学说对影响皮下气孔因素的影响也不同。总之，皮下气孔的形成是一个多变量函数，在某种情况下，一种因素起主导作用，改变该因素就能明显促进或抑制皮下气孔的产生。但在另一种情况下该种因素也许变得不那么重要了，而且有些因素的影响具有两重性，因此要解决球铁的皮下气孔就要针对具体情况，逐一分斩各种可能的影响因素，才能找到比较明显的解决途径。因此，各研究者提供的消除皮下气孔的方涪也各不相同。概括起来有几大类方法： A、严格控制铁液化学成分，尤其是含硫量以及型沙的水分。 B、增大金属液的表面张力。如在铸型表面加萤石粉、冰晶石粉、氪化钠等。 c、金属炉料，孕育剂和所有工具要干燥，表面无锈蚀和油污。同时煤粉、重油等发气物质的含量要适当控制，减少粘土含量，并可附加一些增加透气性的物质，如木屑等。 虽然对皮下气孔的机理及防止措施尚未形成统一的认识，但各生产厂家都根据生产情况有一套消除皮下气孔的方法。 四、球化衰退及球化不良 球化不良和球化衰退是球墨铸铁独有的缺陷。原铁水经球化处理后，先浇注的铸件球化良好，后浇注韵铸件球化不良，或者是铁水放置一定时间后，球化效果下降，这种现象称为球化衰退。球化不良的特征表现在铸件断面上有大块黑斑或明显的小黑点，越接近中心越密。球铁件球化不良和衰退缺陷的预测及消除一直是球铁研究中的一个重要问题，但直到目前仍未获得圆满的解决。 张云新等针对球铁生产中出现的球化不良或球化不成现象，分析了产生的原因，借鉴日本铸造学者张博、明智清等在《球墨铸铁》中的防止球化衰退的“二次球化”，经过生产实践，摸索出了用“补充球化”法来挽救球化不良或球化不成的铁水，取得了较好的效果。他们指出球化剂的吸收有一个由量变到质变的过程。当球化不良时，再适当补加一点球化剂，能改善其球化效果；当球化不成时，不能否认原加球化剂的作用，只是没有达到足够的“量”，以导致石墨形态改变的“质”。“补充球化”以增量之手段，达石墨形态改变的“质”之目的。 徐建林在球铁件缺陷诊断的神经网路模型基础上，借助于MATLAB环境中的NEURAL NETWORK TOOL BOX工具箱，对球铁件球化不良与球化衰退和些主要影响因素间关系进行了仿真研究，并对得到的仿真趋势图进行了详细的分析。仿真表明，严格控制各化学成分及浇注温度可有效地消除球化不良和衰退，对提高球铁件质量及控制球铁生产工艺参数具有积极作用。该方法大大方便了球铁缺陷的分析，可有效地应用于实际生产中。 关于夹渣，国内外已经研究很多，这里不再做进一步的介绍，而且各生产厂家根据各自的情况都有自己的一套防治方法。(end)

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