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鐵水孕育處理對薄壁球墨鑄件影響

增加鐵水內(nèi)有效石墨晶核數(shù)量是增加石墨球數(shù)的重要途徑。在快速冷卻凝固的薄壁球墨鑄鐵中增加石墨球數(shù)必須進(jìn)行強(qiáng)效孕育處理,這種處理應(yīng)能產(chǎn)生足夠的有效石墨晶核,而且晶核穩(wěn)定,易于接受碳原子在其上結(jié)晶,進(jìn)行瞬時孕育。

在有些資料中介紹,在硅鐵孕育劑中加入少量鉍和稀土元素可使孕育后的球狀石墨數(shù)量成倍增加。近些年來已有一些文獻(xiàn)報道含鉍和稀土孕育劑對澆注薄壁球墨鑄鐵件的鐵水進(jìn)行孕育處理的效果。生產(chǎn)上所用孕育劑的主要成分:

硅等于70%---72%

鋁等于0.2%--0.5%

鈣等于0.5%---0.6%

稀土等于0.4%---0.45%

使用這種孕育劑進(jìn)行瞬時孕育處理后,澆注一個形狀復(fù)雜、化學(xué)成分碳等于3.7%---4%,硅等于2.3%---2.9,錳等于0.05%的薄壁球墨鑄鐵件,澆注溫度為1420攝氏度。在鑄件的3毫米斷面處,石墨球數(shù)接每立方毫米2000個。

另有報道指出,成分為碳當(dāng)量等于4.68%---4.88%,硅等于2.73%---2.9%的球墨鑄鐵水采用多種孕育及不同加入方法進(jìn)行試驗(yàn),其中以75++稀土進(jìn)行復(fù)合孕育(孕育劑加入總量1%),所產(chǎn)生的石墨球數(shù)遠(yuǎn)超過一般硅鐵孕育后產(chǎn)生的石墨球數(shù)。當(dāng)鈰和鉍的殘存量均為0.008%時,增加石墨球數(shù)的效果最好。

采用上述方法生產(chǎn)的3毫米厚鑄件,金相組織中消除了碳化物。

在孕育處理工藝方面,生產(chǎn)超薄壁球墨鑄鐵件應(yīng)采用瞬時孕育。第一次孕育時把孕育劑加在鐵槽上,隨流加入鐵水或覆蓋在置于處理包底的球化劑上面。孕育劑的加入量約為0.7%---1%。第二次采用瞬時孕育,孕育劑放置于鑄件的澆注系統(tǒng)內(nèi),鐵水流經(jīng)澆注系統(tǒng)時,使孕育熔化,并隨即進(jìn)入鑄件型腔。

由于孕育劑熔入鐵水的時間短,鐵水凝固時正處于孕育劑發(fā)揮作用的高峰時段,因此這種孕育方法效率很高。型內(nèi)孕育所需的孕育劑量一般是澆入鑄型鐵水總量0.02%---0.05%。

使用含鉍孕育時,即便同時加稀土元素,也需要嚴(yán)格控制鉍在鐵水中的積累含量。因?yàn)楫?dāng)鉍在球墨鑄鐵中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.008%時,將會使球狀石墨形態(tài)惡化。積累含量越多,它的干擾作用越明顯。

對于重量較輕的小鑄件,鐵水流經(jīng)瞬時孕育劑的時間短,有可能在澆注完畢后,澆注系統(tǒng)中仍留有海量孕育劑。為此可在孕育劑中增加4%---4.5%錳,降低孕育熔點(diǎn),提高熔化速率。

在下面這張圖上,

微信圖片_20190321103950.jpg

碳等于3.7%---4%

硅等于2.3%---2.9%

鎂等于0.035%

錳等于0.05%

硫等于0.01%

磷等于0.02%的鐵水,采用含鉍和稀土硅鐵復(fù)合孕育進(jìn)行孕育,在1420攝氏度澆注的3毫米厚鑄件中含硅量對球數(shù)的影響。顯示在含硅量范圍內(nèi),球數(shù)已達(dá)到每平方毫米2000個?梢詽M足3毫米厚鑄件避免生成碳化物所需的石墨球數(shù)。

在澆注薄壁鑄件的鐵水中加入碳微粒進(jìn)行孕育,對于促進(jìn)石墨形核、提高孕育效果非常有效。很早就有人提出碳微粒形核理論。提出在鐵水中加入碳微粒能促進(jìn)石墨形核,抑制白口生成。這個理論認(rèn)為鐵水中存在大量超微尺寸碳微粒。當(dāng)鐵水到達(dá)凝固溫度時,這些微粒和已經(jīng)發(fā)生偏析的碳原子集團(tuán)便成為石墨形核基質(zhì),使碳原子方便地在其上沉積,形成石墨晶核。由于碳微粒和石墨晶核的原子尺寸相近,晶體結(jié)構(gòu)相同,碳原子在石墨微粒上形核比在其他物質(zhì)上形核要容易很多。

上述理論向鑄造研究者提出一種設(shè)想,如果在鐵水中直接投入一些能夠直接形成碳微粒區(qū)或碳原子集團(tuán)的物質(zhì),應(yīng)當(dāng)可以增加石墨晶核數(shù)量。這方面的研究發(fā)現(xiàn):在適當(dāng)溫度下,向鐵水中添加具有良好晶體結(jié)構(gòu)的碳化硅可以達(dá)以顯著增加石墨體積分?jǐn)?shù)的目的。曾進(jìn)行的生產(chǎn)試驗(yàn)也表明,澆注薄壁球墨鑄鐵件時在鐵水中加入晶態(tài)碳化硅,確有顯著增加石墨球數(shù),消除白口組織的作用。

碳化硅是由金屬硅與石墨晶體復(fù)合后加制成。所用石墨必須具有完整的石墨晶體結(jié)構(gòu)(工業(yè)生產(chǎn)所用的電極石墨或作為鑄鐵件涂料用的粉狀石墨均不能應(yīng)用)。碳化硅中含碳量約為40%---45%,含硅約為38%---42%。還含 有鈣、鋁、鋇、鋯等元素。國外已有碳化硅孕育劑專利產(chǎn)品。

碳化硅在鐵水中的作用與一般孕育劑相似。但是由于它在鐵水中直接形成碳活度很高的微區(qū),形核過程進(jìn)行很快,形核效率高。因此特別適用于澆注凝固過程短的薄壁件鐵水。這種孕育劑能使灰鑄鐵中產(chǎn)生非常細(xì)小均勻的A形石墨。在球墨鑄鐵件生產(chǎn)中可以使石墨球數(shù)顯著增加。

利用碳化硅對鐵水進(jìn)行預(yù)處理也能獲得很好的孕育效果。預(yù)處理工藝過程是:鐵水過熱到預(yù)定溫度,出鐵前加0.2%硅碳比為7:370%+30%碳)的預(yù)處理合金。也有的試驗(yàn)在是出鐵前加入0.1%碳化硅和0.1%硫化鐵。此時檢查三角試片,發(fā)現(xiàn)白口深度急劇減少。碳化硅和硫化鐵復(fù)合處理的鐵水效果更明顯。經(jīng)地鎂鐵硅合金球化處理及75硅鐵處理的厚度為3毫米的球墨鑄鐵(未進(jìn)行碳化硅預(yù)處理)件,石墨球數(shù)約為每平方毫米1000---1200個同樣成分鐵水經(jīng)預(yù)處理后石墨球數(shù)將增加到每平方毫米1500---2000個,鑄件中沒有共晶碳化物。

另外,碳化鈣合金也能利用碳元素增加石墨晶核、避免碳化物生成。這種由石墨晶體與硅鐵、硅鈣合金混勻后壓塊而制成的孕育劑,在抑制碳化物生成方面與碳化硅有相近的效果,值得進(jìn)一步研究應(yīng)用。


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