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      厚截面球墨鑄鐵件中產生碎塊狀石墨的原因分析

      發布日期:2024-03-16 11:44:26 作者:admin 點擊:51

      厚截面球墨鑄鐵件中產生碎塊狀石墨的原因分析

      碳能新材 石嘴山市碳能新材料科技有限公司 2024-03-16 11:44 寧夏

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      截面球墨鑄鐵件中易于產生碎塊狀石墨,這種缺陷大多出現在鑄件的熱節部位,生產現場用超聲探傷等無損檢測方法難以察覺,往往發現于機械加工之后,這種缺陷會導致鑄件本體的力學性能惡化,抗拉強度、屈服強度、伸長率和沖擊性能等全面下降。

      碎塊狀石墨的形態,粗看起來有點類似于灰鑄鐵中的D型、E型石墨,但是,形成的機制和晶粒的結構都與之不同。在光學顯微鏡下觀察,碎塊狀石墨的形態見圖;將其與金屬基體分離后,置掃描電子顯微鏡下觀察,形態如圖所示。


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                   碎塊狀石墨在光學顯微鏡下形態

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                                       碎塊狀石墨在掃描電鏡下的形態

      無論是亞共晶或過共晶球墨鑄鐵,球狀石墨都在共晶溫度以上生核,且在共晶溫度以上有一快速生長的過程,然后逐漸減緩,到1090℃左右共晶凝固終止。球墨鑄鐵中,石墨的成長過程不同于灰鑄鐵,石墨球是在被奧氏體殼完全包覆的條件下長大的,在其長大的過程中,奧氏體殼逐漸增厚,碳通過奧氏體殼向石墨球擴散。

      碎塊狀石墨,不是由石墨球破碎而形成的,其生成的機制大致與球狀石墨相同,但長大的過程受到他種因素的影響,未能成為球狀,而類似有分枝相連的蜂窩狀。

      關于碎塊狀石墨的形成機制,我國、美國、加拿大、英國、德國、日本以及印度等國家,都有人從不同的方面進行研究,發表過大量的研究論文,但是,迄今為止,對其具體的形成原因和影響因素,都尚未建立確切的認識。在這里,我想提一下加拿大R. K. Buhr的觀點,供大家參考。

      Buhr認為:厚截面球墨鑄鐵件中出現碎塊狀石墨,是由于石墨球長大過程中,在其外表包覆的奧氏體殼還很薄時,因受熱對流作用而發生多處破裂,破裂處石墨在與鐵液接觸的條件下長大,形成圖2所示的形狀。

      上世紀80年代,美國鑄造師學會(AFS)的熔融金屬處理委員會,曾對此前已發表的相關文獻進行研究、評述。從凝固特性、石墨球數、碳當量和硅含量、稀土元素含量、干擾元素含量、合金元素含量、孕育處理以及澆注溫度等方面進行了分析。

      最近,日本東北大學的系藤春喜,又對1950~2010年間各國發表的相關文獻共92篇進行了分析和評述,就文獻中論及的碎塊狀石墨產生原因和提出的防止措施,歸納、區分為以下7個方面,并計算了各種影響因素在文獻中所占的比重:

          稀土元素含量的影響               占24.1 %;

          鑄件壁厚和凝固過程中溫度梯度的影響    占22.4%;

          碳當量和硅含量的影響              占19.1 %;

          球化處理和孕育處理的影響          占18.2 %;

          鐵液的純度和硅鐵帶入的Al、Ca的影響   占 8.3 %;

          鑄型的影響                  占 5.3 %;

          鐵液過熱的影響            占 2.6 %。

          以下,就幾個主要的方面,對影響碎塊狀石墨形成的因素和防止措施作簡要的評述,供參考。

          1、Ce和稀土元素的含量

      制造球墨鑄鐵件時,如果原鐵液中含有少量B、Ti、Pb、As、Te、Sb等干擾元素,對于薄壁鑄件或壁不太厚的鑄件,由于石墨球數量較多,凝固較快,其對石墨球化的影響并不很明顯;隨著鑄件壁厚的增加,干擾元素的偏析加劇,以致某些部位的濃度相當高,就將導致球狀石墨畸變,惡化球墨鑄鐵件的性能。

      1952年,Henton Morrogh提出,在以Mg為主要球化元素的條件下,在球化劑中適當配加少量稀土元素,可以有效地抑制干擾元素的負面作用,改善石墨形態,與主球化劑Mg有很好的互補作用。如:在原鐵液中加入0.02%的Ce,就可以抵消其中含有0.11%的Pb、0.05%的Te和0.015%的Ti的負面影響。此后,各國都廣泛采用含Mg和稀土的復合球化劑。

      但是,稀土元素在石墨球狀化方面的作用是一把雙刃劍,如果稀土元素的加入量過多,超過了抵消干擾元素負面作用所需的量,則剩余的稀土元素反倒是導致石墨球形狀畸變的重要因素。按照系藤春喜對大量文獻所作的統計、分析,過量的稀土元素是促使析出碎塊狀石墨的主要原因,相關的文獻報告為量最多,占24.1%。

      因此,對于厚截面球墨鑄鐵件,如果需要加入稀土元素,就必須根據所用爐料中干擾元素的實際含量,嚴格控制其加入量。處理后殘留稀土元素的含量應低于殘留鎂量,一般不得高于0.03%。

      制造高鎳奧氏體球墨鑄鐵件時,其負面影響尤為顯著。

      近年來,高純生鐵的應用日益廣泛,在這種條件下,原鐵液中干擾元素的含量很低,加入稀土反而可能是有害無益,宜通過試驗采用不含稀土的球化劑。而且,各國在采用不含稀土的球化劑方面,也有20多年的經驗了。

      在這方面,特別應該提到的是:多年來我國一直是世界市場上稀土元素的主要供應國,供應量約占全世界需求量的97%,有的國家有資源也不開采。我國不僅珍貴的資源大量外流,而且,在一些主要稀土產區,由于開采過量而致嚴重破壞了生態環境。2011年起,我國遵循可持續發展的方針,部署了促進稀土行業健康發展的政策措施,控制產量和優化存量。在這種情況下,國際市場上稀土元素的價格快速上漲,一些國家還對我們頗有微詞。

      看來,生產球墨鑄鐵件時,力爭少用、或不用稀土,還有更深層次的意義。

      如果現場確認產生碎塊狀石墨的原因是稀土元素過量,則有效的對策是加入抑制稀土作用的元素,常用的是Sb,以含Sb的硅鐵,加入原鐵液中,或在球化處理時加入,加入的Sb的質量分數大致是0.005~0.010%。應該注意的是,采取這種措施時,回爐料中的Sb的富集,對后續生產有多種負面的影響。此外,加入Sb會使球墨鑄鐵中珠光體量增多,生產鐵素體球墨鑄鐵件時則不宜采用。

      2、石墨球數量

      從球墨鑄鐵的冷卻曲線和微觀組織的對比得知,石墨球的數量與冷卻速度成正比,與產生畸形石墨的概率成反比。

      厚壁球墨鑄鐵件的熱節部位,凝固緩慢,保持液態的時間較長,石墨球的數量也就較少。多年來,很多研究工作都表明,隨著石墨球數量的減少,出現碎塊狀石墨的概率增高。這種情況,可能與石墨球的面積增大、易于受熱對流作用的影響有關。

      D.H.Withey,C.R.Loper從對實驗研究數據的分析得知,厚大鑄件中,石墨球數量在60個/mm2以下,就可能生成碎塊狀石墨。

      正確地采用冷鐵,是使石墨球數量增多的有效措施。R. K. Buhr于上世紀60年代曾鑄造一個250×250×250㎜的立方體球墨鑄鐵試驗件,采用水冷銅質激冷器,造成方向性冷卻的條件,以減輕熱對流的作用,結果,鑄件中石墨為球狀,未見碎塊狀石墨。 

      3、碳當量

      很多研究工作表明,球墨鑄鐵中,碳當量對石墨球的數量和形態都有重要的影響。隨著碳當量的提高,石墨球的數量增加,畸形石墨減少。碳當量在4.3~4.5%之間,石墨球數量較多,形態圓整。

      但是,對于厚大鑄件,提高碳當量要受到石墨漂浮的制約,很多經驗表明,雖然碳當量高可使石墨球數量增多,但從防止碎塊狀石墨考慮,只能控制在4.2~4.3%之間,不宜太高。

      4、Si含量

      Si含量高,也是促成碎塊狀石墨的因素。據文獻報道,對于厚大球墨鑄鐵件而言,Si含量超過2.0%,就可能出現碎塊狀石墨,因而,必須嚴格控制鑄鐵中的Si含量。當客戶要求較高的Si含量時,可加入適量的Ni或Sn,以抑制其負面影響。 

      5、孕育處理

      球墨鑄鐵的孕育處理,可以改善球墨鑄鐵中石墨球的圓整度,增加石墨球的數量,并防止碳化物的生成。

      處理時,由于所用的孕育方法、孕育劑的品種以及鑄件截面尺寸不同,孕育劑的用量應該有所不同。鑄件的截面增厚,孕育劑的用量就要相應減少。對于防止碎塊狀石墨而言,涉及的都是厚大鑄件,孕育劑的用量本來就應該少一些,而且還受到Si含量不能很高的制約,因而,必須嚴格控制孕育劑的用量,避免孕育過量。

      孕育過量往往會導致碎塊狀石墨析出,一般說來,初始孕育時孕育劑加入量不宜超過0.4%,生產現場應該通過試驗優化孕育劑的用量。

      有報道說,采用含Sr、Zr的孕育劑也有使石墨球數量增加的效果。

      球墨鑄鐵孕育衰退的表現之一是:石墨球數量明顯減少、石墨球徑相應增大。對于厚大鑄件,孕育衰退當然易于導致碎塊狀石墨產生。因此,防止孕育衰退至關重要,初孕育終了之后,最好在8 min之內澆注,而且必須采取二次孕育工藝。

      后期的二次孕育,孕育劑用量不宜超過0.1%。

      有報道說,鑄造100×100×100㎜的立方體鑄件時,以0.06%的硅鐵進行型內處理,可使石墨球數量增加一倍。

      采用電爐熔煉時,球化、孕育處理之前,先在爐內予原鐵液以預處理(preconditioning),也是提高鑄鐵冶金質量、防治碎塊狀石墨的有效措施。預處理的要點是:熔煉后期在爐內加入碳化硅,加入量約為鐵液的0.5~1.0%,且應通過試驗求得最適當的數據。

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