熱處理之球墨鑄鐵
2023-05-31 來自: 撫順弘銘機械有限公司 瀏覽次數(shù):83
對灰鑄鐵而言,經(jīng)熔煉過程制得的鐵液中含有適量硫和氧,是此后進行有效孕育處理的重要條件,是不可缺少的。
目前,對鑄鐵孕育作用的機制尚未完全認識,仍存在多種說法。其中,非金屬夾雜物成核說已得到廣泛的認同。通常用于鑄鐵的孕育劑,以硅為主要成分,還含有少量鋁、鈣、鋯、鋇等元素。澆注前向鐵液中加入孕育劑后,其中的活性元素與鐵液中含有的硫、氧作用,生成大量微細的氧化物、硫化物和硫氧復(fù)合化合物,彌散于鐵液中。在灰鑄鐵鐵液的共晶凝固過程中,這些夾雜物能作為石墨的外來晶核,促進石墨生核、使共晶團細化。
因此,灰鑄鐵孕育處理前的原鐵液中,硫含量不宜低于0.06%,保持在0.06%~0.08%之間。原鐵液中硫含量很低時,還有必要故意加入‘硫化亞鐵’使其增硫;氧含量,一般在20×14-4%~30×10-4%之間。
對沈陽球墨鑄鐵而言,硫和氧都是有害元素。特別是硫,屬于作用很強的反球化元素,只在原鐵液中的含量降低到0.02%以下,才能保證石墨的球化良好,采用型內(nèi)球化工藝時,還應(yīng)使硫含量降低到0.01%。因此,降低原鐵液中的硫含量,是進行球化處理的前提。生產(chǎn)沈陽球墨鑄鐵件時,嚴(yán)格控制爐料,以確保鐵液中的硫含量低,必要時應(yīng)進行爐外脫硫作業(yè)。
在沈陽球墨鑄鐵原鐵液中加鎂進行球化處理時,鎂與鐵液中的硫和氧發(fā)生反應(yīng),生成MgS和MgO。有資料說,加鎂后可使鐵液中的硫含量降低80~90%,氧含量降低40~50%。可見,鐵液中的硫、氧含量高,將使球化劑中的鎂大量損失,導(dǎo)致球化作用難以控制,而且會造成大量熔渣。所以,生產(chǎn)沈陽球墨鑄鐵件時,對硫和氧都是避之尤恐不及的。
既然如此,在灰鑄鐵中有促進石墨生核作用的氧化物、硫化物和硫氧復(fù)合化合物,在沈陽球墨鑄鐵中可否起同樣地作用?如何才能利用這種作用?是大家所關(guān)心的問題。
氧化物、硫化物和硫氧復(fù)合化合物在沈陽球墨鑄鐵中的作用
根據(jù)一些研究工作的結(jié)果,氧化物、硫化物和硫氧復(fù)合化合物在沈陽球墨鑄鐵中同樣也能作為球狀石墨的外來晶核。如果運用得當(dāng),將含硫、氧的孕育劑用于沈陽球墨鑄鐵,可多方面地改善沈陽球墨鑄鐵的性能,如:
·石墨球的尺寸減小,數(shù)量增多、球化率提高;
·減輕鑄鐵的白口傾向,有利于制造薄壁沈陽球墨鑄鐵件;
·生產(chǎn)厚壁鑄件時,可減輕晶間偏析,提高鑄件質(zhì)量;
·生產(chǎn)厚壁鑄件時,可減輕或防止石墨漂??;
·使鑄鐵組織中鐵素體量增多;
·減少鑄固過程中的收縮,鑄件產(chǎn)生縮松、縮孔的傾向小。
在灰鑄鐵中可作為石墨外來晶核的氧化物、硫化物和硫氧復(fù)合化合物,在沈陽球墨鑄鐵中的情況就很不相同?;瘜W(xué)活性很強的鎂能使其中的大部分還原,生成MgS和MgO進入熔渣,因而,不足以為球狀石墨的形成提供有效的生核條件。
因此,對于沈陽球墨鑄鐵而言,能作為球狀石墨外來晶核的氧化物、硫化物和硫氧復(fù)合化合物,在熱力學(xué)上應(yīng)比鎂的氧化物和硫化物更為穩(wěn)定。
在鐵液溫度下,常用于處理鑄鐵的合金元素中,鈰、鈣與硫、氧的親和力大 于鎂。因而,使鈰、鈣與硫、氧結(jié)合不失為一種可取的方案。
鈰可與硫、氧結(jié)合,形成的化合物有CeS、Ce2O3、Ce2O2S等,這些化合物在1500℃左右是穩(wěn)定的,尺寸約為1~3μm,密度約為6.5 g/cm3,基本上呈球形,可以彌散分布于鐵液中、作為石墨的外來晶核,而且研究工作中已見到球狀石墨的心部有這類化合物。
鈣的化合物對球狀石墨的生核也有十分重要的作用。
孕育劑
用于沈陽球墨鑄鐵的原鐵液中硫含量都很低,而且往往要進行爐外脫硫作業(yè),很難穩(wěn)定地將硫含量控制在很窄的范圍內(nèi)。原鐵液中的氧含量也難以準(zhǔn)確地控制。 因此,生產(chǎn)沈陽球墨鑄鐵件時,要利用硫化物和氧化物作為球狀石墨的外來晶核,可行的方法之一是將硫、氧和鈰、鈣都配合于孕育劑中。
適用于沈陽球墨鑄鐵的、含鈰、鈣、硫、氧等多種元素的孕育劑,歐洲早已有商品供應(yīng),且有多種規(guī)格的產(chǎn)品以適應(yīng)不同的生產(chǎn)條件。這類孕育劑,主要成分仍是硅,但配有細微而分散的氧化物和硫化物,因而外觀多呈黑色顆粒狀。表1中列出了其中一種的化學(xué)成分,由此可見這類孕育劑的大致情況。
這種孕育劑加入鐵液以后,鈰、鈣與孕育劑本身所含的硫和氧反應(yīng),也與鐵液中殘留的硫和氧反應(yīng),產(chǎn)生硫化物、氧化物和硫氧復(fù)合化合物。這些化合物同樣可作為球狀石墨的外來晶核,對石墨的生核有重要的作用。鈰還可以與其他微量元素作用,形成穩(wěn)定的金屬間化合物,抑制其有害的影響。采用這類孕育劑,如果處理、控制得當(dāng),就可以得到前節(jié)所列的效果。
由于這類孕育劑中含有鈰和鈣,產(chǎn)生的硫化物、氧化物和硫氧復(fù)合化合物的穩(wěn)定性好,用于沈陽球墨鑄鐵時,可在加鎂處理之前作為預(yù)處理劑加入,加入鎂后絕大部分仍能保持,不致被鎂所還原。
由于這類孕育劑中含有硫和氧,即使在加鎂處理之后、鐵液中硫、氧含量很低時加入,也能形成硫化物、氧化物和硫氧復(fù)合化合物,作為石墨的外來晶核。因此,也可在球化處理后用于澆注過程中的瞬時孕育。
含硫、氧。鈰、鈣的孕育劑的應(yīng)用
化學(xué)成分如表1的含硫、氧、鈰、鈣等元素的孕育劑(以下簡稱新型孕育劑),既可用于球化處理前的預(yù)處理,也可用于澆注過程中的瞬時孕育。
1.用于預(yù)處理
為使新型孕育劑的應(yīng)用得到的效果,采用與其特點相適應(yīng)的處理方法。目前看來,采用三步處理法(即預(yù)處理、球化處理和孕育處理)效果較好。
在加鎂進行球化處理之前,用新型孕育劑對鐵液進行預(yù)處理,引入的鈰、鈣不僅與孕育劑本身中的硫、氧結(jié)合,形成化合物,而且與鐵液中的硫、氧反應(yīng),使鐵液進一步脫氧、脫硫。這兩項條件對于石墨的球化都是非常有利的。
預(yù)處理所用孕育劑的加入量,按需要加入的鈰計算。從理論上說,如不考慮溫度、壓力等外部條件,鈰的加入量主要決定于兩種因素:
·與硫和氧生成穩(wěn)定化合物所需的量;
·與鈦、鉛、鉍等有害元素化合或形成金屬間化合物所需的量。
實際生產(chǎn)中,很難準(zhǔn)確掌握上述兩方面的信息,而且,有害元素的含量往往變化無常,其在鐵液中的狀態(tài)也無從得知。但是,在生產(chǎn)條件下進行的試驗表明,一般情況下,以新型孕育劑為載體,鈰的加入量為0.002~0.006%即可。
鉍在沈陽球墨鑄鐵中有使石墨形狀退化的作用,通常都認為是有害元素。但是,在孕育劑中含鈰的條件下,鈰與鉍結(jié)合可形成大量晶核,使石墨球細小。對于要求低溫沖擊韌度的鐵素體沈陽球墨鑄鐵(如QT 400-18L),在加入含鈰孕育劑的同時,加入少量的鉍是十分有益的。如果有必要加鉍,可采用含鉍的稀土硅鐵合金,合金用量按加鉍0.001~0.002%計算。
鐵液經(jīng)預(yù)處理后,還應(yīng)進行球化處理和孕育處理。
經(jīng)預(yù)處理的鐵液,不僅因硫、氧含量降低可減少鎂的用量,而且還有另一個促進石墨球狀化的因素,那就是鐵液與石墨界面處的表面張力大為提高。鐵液的表面張力也是影響石墨球狀化的重要因素之一,要使石墨以球狀析出,鐵液與石墨界面處的表面張力很高。鐵液中溶有的硫和氧,都是使其界面處表面張力降低的重要因素。經(jīng)預(yù)處理后,孕育劑中的鈰、鈣可將鐵液中的硫和氧脫除到很低的程度,幾乎可使表面張力倍增。因此,球化處理時鎂的加入量可以減少,殘留鎂量在0.03%以下仍能保持球化正常。
鐵液經(jīng)預(yù)處理和加鎂處理后,仍有一定的氧含量,孕育處理是保證石墨球的數(shù)量多和圓整度好所必需的。這種條件下,孕育劑可用75硅鐵。
2.用于瞬時孕育
經(jīng)球化處理和孕育處理后的鐵液,如保持時間較長,其生核能力即大為削弱,導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)各種質(zhì)量問題。如果在澆注過程中采用新型孕育劑進行瞬時孕育,就會有很強的生核作用。而且,有試驗結(jié)果表明:采用這種孕育劑,可使石墨球的尺寸大、小兼?zhèn)?,呈雙峰分布,有助于減少收縮缺陷。
以下舉幾個國外應(yīng)用的實例,說明處理的效果。
(1)石墨球數(shù)量增多,厚截面鑄件效果尤為明顯
某鑄造廠制造不同厚度的板狀鑄件,用感應(yīng)電爐熔煉,澆注時隨流瞬時孕育。原先用含鍶(Sr)的孕育劑,后改用成分如表1所示的新型孕育劑,孕育劑改變前后,不同厚度鑄件上測定的石墨球數(shù)見表2。
由表2可見,無論鑄件的壁厚如何,用新型孕育劑時,鑄件組織中的石墨球數(shù)都比用含鍶孕育劑時多。
還有一點也很值得注意:用新型孕育劑時,40mm厚鑄件的石墨球數(shù)多于5mm厚的鑄件,說明在鑄件共晶凝固的過程中還有二次生核作用,這也是石墨球的尺寸呈雙峰分布的原因。
采用新型孕育劑后,孕育劑用量降低了很多,而鑄件產(chǎn)生收縮缺陷的情況減少。
(2)用于薄壁鑄件的效果
某鑄造廠用感應(yīng)電爐熔煉,原先用含硅、鋯、錳、鈣的孕育劑隨流瞬時孕育,經(jīng)常遇見的問題是:形狀復(fù)雜的沈陽球墨鑄鐵件薄壁處出現(xiàn)碳化物,而熱節(jié)部位則有因收縮而致的疏松。
改用新型孕育劑隨流孕育后,消除了薄壁處的碳化物,肥厚處的微觀疏松也大為減輕。也生產(chǎn)中的廢品率明顯降低,而孕育劑用量減少了25%。
(3)用于厚壁鑄件的效果
主要產(chǎn)品為厚截面沈陽球墨鑄鐵件的某鑄造廠,用感應(yīng)電爐熔煉,用蓋包法進行球化處理。鑄件質(zhì)量方面存在的問題主要是石墨漂浮、偏析、石墨畸形和收縮缺陷。后采用在澆包中沖入的方式進行瞬時孕育,并用含鋇的孕育劑和新型孕育劑作了對比。
用含鋇的孕育劑時,鑄件微觀組織中石墨球數(shù)為187個/mm2。
采用新型孕育劑時,石墨球數(shù)為357個/mm2,而且石墨球尺寸的變化范圍較寬,呈雙峰分布,球化率也提高了10%,鑄件的收縮缺陷明顯減少。
由于石墨球數(shù)增多,晶間偏析減少,鑄鐵的抗拉強度和沖擊韌度提高,同時加工性能也顯著改善,刀具壽命提高了50%。
(4)大模數(shù)鑄件收縮缺陷減少
某鑄造廠經(jīng)常生產(chǎn)模數(shù)較大的鑄件,關(guān)鍵截面處有縮孔一直是困擾工藝人員的問題。采用新型孕育劑進行瞬時孕育處理后,取得了很好的效果。