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大型球墨鑄鐵件特有問題的解決途徑
| 大型球墨鑄鐵件特有問題的解決途徑 |
| 大型球墨鑄鐵件的類型比較多，如：大型柴油機(jī)缸體、大型輪轂、大球磨機(jī)端蓋、高爐冷卻壁、大型軋鋼機(jī)機(jī)架、大型注塑機(jī)模板、大型汽輪機(jī)軸承座、風(fēng)電設(shè)備中的輪轂及底座以及核電設(shè)備中的廢渣罐等。這些部件除必須滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的力學(xué)性能外，還有一些特殊性能要求，如風(fēng)電鑄件要求低溫沖擊韌度，核渣罐有許多附加的特殊驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等等。因此，生產(chǎn)這些鑄件，事先必須做周密的考慮。 1）首先要考慮的是如何獲得健全、致密、尺寸合格的鑄件 生產(chǎn)大型球墨鑄鐵件的技術(shù)流程與灰鑄鐵件基本相同，只要結(jié)合球墨鑄鐵的特點(diǎn)在縮尺的選定、砂箱設(shè)計(jì)等方面稍作修正即可。 2）其次要針對(duì)大型球墨鑄鐵件的共同特點(diǎn)做相應(yīng)工作 大型球墨鑄鐵件的共同特點(diǎn)是特別厚重，大多數(shù)要求鐵素體基體，力學(xué)性能必須滿足標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，有時(shí)外加低溫沖擊性能要求等。 1 大型球墨鑄鐵件生產(chǎn)的特有問題 由于大型球鐵件冷卻速度緩慢，導(dǎo)致共晶凝固期長達(dá)數(shù)小時(shí)，而在此期間要形成球鐵的主要組織，因而就出現(xiàn)了大斷面球鐵或大型球鐵件所特有的一系列問題：球墨數(shù)量少、球墨直徑大、球墨畸變、石墨漂浮、化學(xué)成分偏析、晶間碳化物以及碎塊狀石墨（Chunky Graphite）等。這些問題早已受到關(guān)注，雖形成機(jī)理尚不統(tǒng)一，但對(duì)具體問題已有了初步的解決措施。 還有一個(gè)重要問題是如何滿足和解決低溫沖擊韌度的要求？問題的巧合在于解決這兩大難題的方向及措施大致相同。 2 解決大型球墨鑄鐵件特有問題的途徑 1）強(qiáng)化冷卻以加速凝固 關(guān)于碎塊狀石墨的成因普遍較易接受的說法有二：一是球狀石墨破碎而引起；二是由于熱流或某些合金元素特別是Ce 和La 的偏析造成奧氏體外殼的穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致球墨的生長模式改變而形成。不管哪種理論或說法，可以肯定的是，共晶階段凝固時(shí)間太長（即緩慢冷卻）是形成碎塊狀石墨的直接和客觀因素。因此不管采取什么方法，只要能縮短凝固階段的時(shí)間，都可有效地阻止碎塊狀石墨的出現(xiàn)。 也有文獻(xiàn)指出，球墨畸變有一個(gè)臨界冷卻速度（0.8 ℃/min）[1]。石墨畸變有時(shí)是一個(gè)突變過程，因此加速冷卻，縮短凝固時(shí)間，特別是縮短共晶階段的凝固時(shí)間，想方設(shè)法使共晶凝固階段縮短至2 h 以內(nèi)是有顯著效果的。圍繞這個(gè)原則有不少措施：強(qiáng)制冷卻；金屬型掛砂；使用冷鐵等等。 冷鐵的導(dǎo)熱率大，特別是蓄熱能力強(qiáng)，是被廣泛認(rèn)為可以應(yīng)用的有力措施。石墨的導(dǎo)熱率高于掛砂冷鐵（分別為45W/m•℃及17 W/m•℃），但它的蓄熱能力比冷鐵小，假如有強(qiáng)制冷卻的條件，則用石墨是比較合適的。對(duì)于大型或特大型球墨鑄鐵件，進(jìn)行強(qiáng)制冷卻仍不失為一種有力的措施。一般可采用風(fēng)冷、霧冷或水冷裝置，甚至可采用液氮冷卻方式加速鑄件的凝固速度。有數(shù)據(jù)表明，20 t 級(jí)球墨鑄鐵乏料容器鑄件凝固時(shí)，其傳熱效果為：金屬型吸熱占58%、石墨及砂型（型芯部分）吸熱占3.5%、砂型及其它裝置部分吸熱占3.5%、水冷導(dǎo)熱占3.5%。由此可見，金屬型可使鑄件50%以上的熱量傳導(dǎo)出去，而型芯部分傳熱很少，顯然強(qiáng)制冷卻是必要的。 2）改進(jìn)工藝技術(shù) （1）精心選擇原材料 為了生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)大型球墨鑄鐵件，無論怎樣精選爐料都是值得的。原料的干擾元素應(yīng)盡可能低，特別要注意的是生鐵來源、廢鋼品種、增碳劑的選用。 （2）化學(xué)成分設(shè)計(jì) CE 不能過高（4.2%～4.3%），如w（C）選3.6%～ 3.7% ，w（Si）則必須低至1.8% ～2.0% ；另外，w（Mn）＜0.3%，w（P）、w（S）也要嚴(yán)格限制。除殊殊情況外，一般不用合金，因而必須嚴(yán)格挑選廢鋼。 w（Si）低是必須做到的，否則易出現(xiàn)碎塊狀石墨，低溫性能也會(huì)達(dá)不到要求，問題就出在又要w（Si）低，又要不出現(xiàn)因w（Si）低而產(chǎn)生的弊病。日本百噸級(jí)乏燃料容器成分為：w（C） 3.6%，w（Si） 2.01%，w（Mn） 0.27%，w（P） 0.025%，w（S） 0.004%，w（Ni） 0.78%，w（Mg） 0.065%。 （3）選擇雙聯(lián)熔煉 雙聯(lián)熔煉能充分發(fā)揮沖天爐鐵液成核能力強(qiáng)、電爐熱效率高的特點(diǎn)。鐵液必須高溫出爐，有條件時(shí)可脫S，在電爐內(nèi)的時(shí)間不要太長。根據(jù)情況決定球化溫度，不能太高亦不能太低。 筆者主張大型件球化處理不要用沖入法，因?yàn)闀r(shí)間太長。至少用蓋包法，最好用特色法或喂絲法，在固定地方喂絲，甚至可連同喂孕育絲。球化劑千萬不要用常用的，最好重稀土球化劑和輕稀土球化劑混合使用。如采用沖入法，球化劑中w（Mg） 6%，w（RE） 1.0%～ 1.5%就可以了；如生鐵較純，w（RE） 0.5％～1.0％亦可。如采用喂絲法，可用高w（Mg）量的球化劑，但w（RE）要低，稍含些Ca 即可。 澆注溫度要合適（1300～1350 ℃），不要太高，否則液態(tài)收縮太大；宜采用分散內(nèi)澆道中速澆注，盡可能用高剛度鑄型以充分利用石墨化膨脹進(jìn)行球墨鑄鐵的自補(bǔ)縮，減輕冒口負(fù)擔(dān)，確保鑄件內(nèi)部致密。 （4）注意孕育問題 孕育是最主要的工藝技術(shù)措施之一，只有解決好這個(gè)問題，才有可能既保證低w（Si）量又不出現(xiàn)問題，也才能保證低溫性能過關(guān)。而孕育問題無非是孕育劑及孕育處理方法的選擇。可以選擇孕育作用時(shí)間長的孕育劑，如含Ba 劑（含Sr 劑對(duì)灰鑄鐵更有效，而且Ca 要低）、含石墨的孕育劑或在孕育劑中適當(dāng)?shù)鼗煨㏑ESiFe。 目前，有不少企業(yè)都有自制孕育劑，我猜想遵循的都是這個(gè)原則。總之，孕育"要滯后，要瞬時(shí)"，不但效果好，而且劑量可大大減少。那種老的方法如處理時(shí)覆蓋，效果很差，但w（Si）倒是降低了。現(xiàn)在的問題是，要w（Si）低，又要效果好，出路只有改變方法。事實(shí)證明，w（Si）量2.0%是可以做到的，成功的標(biāo)識(shí)是石墨要小，要多。小了就多，小了球化率就高，小了就不出滲碳體，小了偏析程度就輕。大件如能做到石墨球在200 個(gè)/mm2 或以上，大小5～6 級(jí)，球化率、鐵素體量自然不出問題。總之一句話，去和石墨斗爭(zhēng)，為爭(zhēng)取小而多的石墨努力，主要手段就是通過孕育處理。w（Si）低了，而且又沒有自由滲碳體，塑性及常溫、低溫沖擊韌度就很容易過關(guān)。對(duì)于大型鑄件來說，在澆杯中進(jìn)行大塊孕育處理，以及澆道內(nèi)放一塊孕育塊是輕而易舉的事，問題是必須有正確的理念。 （5）合金及微量元素的利用 在特大型球墨鑄鐵件中能考慮利用的合金元素只有Ni，因有其獨(dú)特的作用。從技術(shù)角度看，w（Ni）＜1%是有好處的，但用還是不用要根據(jù)具體情況、從經(jīng)濟(jì)角度考慮決定。 微量元素在大件中有成熟使用經(jīng)驗(yàn)的是Bi 和Sb，認(rèn)為加w（Bi） 0.008%～0.010%，使w（RE）/w （Bi）=1.4～1.5 的比例，對(duì)增加球數(shù)、降低出現(xiàn)碎塊狀石墨的危險(xiǎn)性有利。Sb 亦可在厚大件中應(yīng)用，有人認(rèn)為會(huì)增加珠光體量，但有人卻在鐵素體球鐵中應(yīng)用，可能是量的問題在作怪，用50 ppm 的量應(yīng)該是沒有問題的。周繼揚(yáng)教授曾指出，用w（Sb） 0.005%～0.007%還可抑制鐵液中有過量Ti 及RE 時(shí)的有害作用[2]。 雖然業(yè)界對(duì)于加入Bi和Sb的作用與機(jī)理意見還不統(tǒng)一，但對(duì)于Ni的加入已經(jīng)形成共識(shí)。 （6）預(yù)處理作用很關(guān)鍵 對(duì)球鐵原液在球化前用石墨性預(yù)處理劑進(jìn)行預(yù)處理有提升和穩(wěn)定鑄件質(zhì)量的積極效果[3]。方法如下： 調(diào)整成分后［預(yù)處理會(huì)使w（C）增加0.2%］→脫S→倒回電爐→1/4 量時(shí)加入0.2%～0.25%的預(yù)處理劑→全部倒回電爐后略升溫至1 470～1 480 ℃→球化處理→孕育處理（可用Ultraseed）→澆注。 （7）抗縮孔劑QKS 的使用 發(fā)明者認(rèn)為，球墨中心存在1 μm 的外來夾雜，成雙層核心；其內(nèi)層為MgS、CaS（0.5 μm），外層為MgO、SiO 及硅酸鹽。因而發(fā)明者在孕育劑中加入一定量的O 及S，使之能與孕育劑中的金屬元素結(jié)合，產(chǎn)生更多的硫化物及氧化物，從而形成更多的石墨核心，這就產(chǎn)生了含Ca、Ce 及S、O 的硅鐵孕育劑。這種孕育劑能顯著增加石墨球數(shù)，而且在結(jié)晶后期析出，后期的石墨化膨脹能有效地抵消凝固后期的縮松。特別是對(duì)局部熱節(jié)部位的縮松更有效[4]。實(shí)驗(yàn)指出：對(duì)于5～40 mm 的階梯試塊，用SrSiFe 時(shí)石墨球從300 個(gè)/mm2 減少到150 個(gè)/mm2；而用Ca-Ce-O-S 劑時(shí)，石墨球數(shù)量不受壁厚的影響。與BaSiFe和75SiFe 相比都是如此。在十字試塊熱節(jié)上的收縮缺陷表明，用含Ba、含Sr 孕育劑，斷面熱節(jié)處皆有縮孔，而用Ca-Ce-O-S 劑則沒有。 |
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