球墨铸铁件常见缺陷和工艺措施方案.doc

本科毕业设计文献综述文献综述：球墨铸铁件常见缺陷及工艺措施摘要：本文对球墨铸铁件生产中常见的缩孔、缩松、夹渣、皮下气孔、球化衰退与球化不良缺陷及影响因素进行了详细分析, 并根据实际情况提出了一些有效的工艺措施措施。关键词：球墨铸铁 缺陷 工艺措施球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料.具有良好的强度和韧性, 其机械性能与铸钢件相当, 在耐热性、耐蚀性及耐磨性上优于传统的片状石墨铸铁, 而且在经济上球墨铸铁件生产成本低于铸钢件,因此高强度球墨铸铁件在结构件上有取代铸钢的趋势。当然.球墨铸铁因其自身特性常产生一些常见缺陷外的特有缺陷。这些缺陷影响铸件性能, 使铸件废品率增高。为了防止这些缺陷的发生, 有必要对其进行分析, 总结出各种影响因素, 提出防止措施, 才能有效降低缺陷的产生, 提高铸件的力学性能及生产效益。本文将讨论球铁件的主要常见缺陷: 缩孔、缩松、夹渣、皮下气孔、石墨漂浮、球化不良及球化衰退。1 缩孔缩松1.1 产生原因缩孔的形状不规则.孔壁粗糙。防止缩孔产生的条件是合金在恒温或很小的温度范围内结晶。铸件壁逐层凝固的方式进行凝固。液态合金填满铸型后。因铸型吸热.靠近型腔表面的金属很快就降到凝固温度.凝固成一层外壳.温度下降.合金逐层凝固.凝固层加厚.内部的剩余液体.由于 液体收缩和补充凝固层的凝固收缩.体积缩减.液面下降.铸件内部出现空隙.直到内部完全凝固.在铸件上部形成缩孔。已经形成缩孔的铸件的铸件继续冷却到室温时.因固态收缩.铸件的外形轮廓尺寸略有缩小,如缩孔的形成过程分为4个阶段见图1. 缩松为当合金结晶温度范围较宽时.在铸件表面结壳后.内部有一个较宽的液、固两相共存的凝固区域。继续凝固.固相不断增多。凝固后期.先生成的树枝晶相互接触.将合金液分割成许多小的封闭区域.当封闭区域内合金液凝固收缩得不到补充时.就形成了缩松。缩松可以看成为许多分散的小缩孔.合金的结晶温度范围愈宽.愈易形成缩松。缩松一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近.也常分布在集中缩孔的下方.见宏观缩送形成图1.。图1.1 球铁缩孔形成示意图图1.2球铁缩松形成示意图1.2 影响因素1.2.1 碳当量文献指出碳当量过高会推迟冒口中补缩金属的传输.结果使得冒口颈凝固过早.补缩通道受到限制.在铸件中形成缩孔、缩松缺陷.而且高的碳当量还会促进铸件胀大.增加补缩液量的要求.无缩孔、缩松铸件的碳硅含量范围为c%+si%/7>3.；橘堂等人的研究表明CE在4.5%到4.6%之间时获得无缩孔及缩松铸件.CE在大于4.6%时易获得缩孔及缩松缺陷。1.2.2 残留镁元素残留镁元素含量高导致缩孔、缩松倾向大.大致有三种影响机制：残留镁含量高阻碍补缩.增大队冒口的要；残留镁留亮过高阻碍石墨；增加镁含量膨胀增加.因而加大对补缩的要。1.2.3 稀土元素 在一定范围内的稀土元素能减少铸件的缩孔和缩松倾向.过量则增加白口倾向.薄壁件可通过稀土铈来增加石墨球数来增加补缩。1.2.4 铸型强度的影响 由于球墨铸铁特有的糊状凝固特点.凝固过程中有石墨化膨胀阶段.其膨胀量大约是灰铸铁的5倍.若铸型强度不够则会出现"胀型"或错箱缺陷.引起铸型内型腔的变化.导致缩松倾向加。1.2.5 孕育的影响表面增大孕育量,加大铸件的收缩体型.增大缩松倾向；明高强度铸型强度下.提高孕育量会减少缩松倾。1.3 防止措施1.3.1 控制铁液成分: 保持较高的碳当量>3.9%;尽量降低磷含量<0.08%;降低残留镁量<0.07%,采用稀土镁合金来处理,稀土氧化物残余量控制在0.02%-0.04。1.3.2 确保顺序凝固工艺设计要确保铸件在凝固中能从冒口不断地补充高温金属液,冒口的尺寸和数量要适当,力求做到顺序凝固.必要时采用冷铁与补贴来改变铸件的温分布, 以利于顺序凝固。1.3.3 控制浇注温度浇铸温度应在1300-1350,一包铁液的浇注时间不应超过25min,以免产生球化衰退。1.3.4 提高砂型的紧实度, 紧实度一般不低于90.撞砂均匀,含水率不宜过高,保证铸型有足够的强度。2 夹渣缺陷2.1产生原因当用镁处理铁水生产球铁时, 由于镁易与氧化合, 形成氧化镁, 镁也易与硫化合生成硫化镁。在球化处理过程中形成的氧化镁及硫化镁上浮到铁水表面而成为渣滓。并且在铁水处理后, 在保持和浇注过程中镁还会继续氧化。一旦这种硫化物和氧化物流人型腔, 就会使铸件中出现非金属夹杂物, 造成夹渣缺陷。2.2影响因素2.1.1 浇注温度浇注温度太低时,金属液内的金属氧化物等,因金属液的粘度太高,不易上浮至表面而残留在金属液内;温度太高时,金属液表面的熔渣变得太稀薄,不易自液体表面去除,往往随金属液流入型内。而实际生产中,浇注温度太低是引起夹渣的浇铸温度与熔渣的关系主要原因之一。图反映了实际浇注温度与熔渣之间的关系。 图1.3 浇注温度与时间的关系2.1.2 稀土含量球化剂中加入稀土比不加入稀土的球化剂使铸件产生夹渣缺陷的数量明显减少,但稀土含量过低时,往往产生球化不良或球化衰退现象.过高时,往往产生残余稀土与其他元素氧化导致夹渣现象.所以稀土含量一定要适宜.通常球化剂中稀土含量5%-6最合宜。2.1.3 硫含量铁液中的硫化物是球铁件形成夹渣缺陷的主要原因之一。硫化物的熔点比铁液熔点低,在铁液凝固过程中,硫化物将从铁液中析出,增大了铁液的粘度,使铁液中的熔渣或金属氧化物等不易上浮。因而铁液中硫含量太高时,铸件易产生夹渣。球墨铸铁原铁液含硫量应控制在0.06%以下,当它在0.09%-0.135%时, 铸铁夹渣缺陷会急剧增加。2.3 防止措施2.3.1 铁水熔炼要求对铁水熔炼的要求:通过控制熔炼的操作,选择合适的原材料,来降低原铁水含硫量,这样可避免加入大量的镁合金,从而防止形成大量熔法。避免铁水碳当量太高,因为它会产生石墨漂浮,在铸件凝固时偏析至铸件上表面形成夹渣。2.3.2 球化处理及孕育处理对球化处理及孕育处理的要求:应在保证球化的前提下,量降低镁的加人量和残余镁量, 这就要求有比较合理的处理方法,较精确地控制铁水重量及铁合金重量。保证铁水中含有足够的残余稀土量,它能降低铁水表面氧化膜形成的温度, 减少夹渣缺陷。2.3.3 造型材料对造型材料的要求:要保证型砂中含有足够数量的碳质材料,使铸型和金属之间呈最弱氧化性或呈还原性气氛,不用高硫煤。2.3.4 浇注系统对浇注系统设计的要求:浇口杯、浇注通道的各部分要具有分离熔渣及阻挡熔渣的作用。浇道的各部分间的比例要合适,位置要恰当,避免铁水在流人型内时形成涡流,卷人熔渣及气体。浇注温度应高一些,浇注温度超过1300C可基本上消除夹渣缺陷,注意修包及搪包材料的选择,以避免在铁水包内形成熔渣,采取措施,使浇注时能够挡渣,控制浇注速度,避免在浇注系统中形成祸。3 皮下气孔3.1 产生原因在文献中看到的关于球墨铸铁形成皮下气孔机理的各种假殷可归为四种不同的观点,观点认为球墨铸铁产生皮下气孔的原因是因为在铸件外层疑固之后, 金属与造型材料固发生相互作用而放出氢气的桔果；观点认为液态铸铁与镁的系统是不平衡的,镁会不断从铁水中逸出,井在铸件表面与铸型中的水份接触后发生作用,分解了水放出氢气,氢便渗入尚未凝固的铸件表面,增加了偏铁的含气量。另一方面, 球墨铸铁中含有较高的硅含量,硅虽然降低铸铁对氢气的绝对溶解度,但由于当铁水疑固时,硅会使氢的溶解度急剧降低,因而造成皮下气孔；观点认为当跷铸铁中的硫化镁与靠近铸铁件的型砂层中蒸发出来的水蒸气接触后就发生以下反应: Mg.S+H2O= MgO+H.S由于反应结果而造成的气态H.S及烟状物MgO便形成气泡,当铸件表面很快凝固时,气泡来不及浮出而位于铸件表面,因而造成皮下气孔,观点认为还认为MgS和H2O气之周还能发生下列反应:MgS + 2H2O=Mg<OH>2+H.S反应结果亦将使球墨铸铁形成皮下气。3.2 影响因素3.2.1 化学成分Mg:在球化工艺、造型方法、浇注温度等基本一致的条件下分别进行了不同含Mg量对同一铸件产生皮下气孔影响的试验。每次浇注铸件20到30件,产生皮下气孔铸件的数量及其机率如表1.表1.1 含Mg量对皮下气孔的影响S:含S量对球墨铸铁件产生皮下气孔影响的试验表1.。结果表明,球化剂加入量相同时,原铁水含S量越高,铸件中含S 量也越高,产生皮下气孔的机率也增大。 表1.2 含S量对皮下气孔的影响由表1.1与表1.22可见,随着球墨铸铁中残余的Mg或s的含量的提高,铸件皮下气孔机率增大。当Mg>0055%时,皮下气孔剧增多。同时,在球化剂加入量相同的情况下,原铁水中含S量高,球墨铸铁中含S量也高。随着Mg与S含量增加,球墨铸铁中MgS 含量也增加,由于MgS与湿砂型<芯>中水分作用,生成硫化氢气体,从而构成皮下气孔:MgS+H2OMgO<烟气>+H2S 个另外,从球墨铸铁中析出的Mg蒸汽也可直接与型芯中水分作用,生成MgO烟气与氢气,也导致皮下气孔的产生：Mg<蒸汽>+H2OM gO<烟气>+2H。Al与Ti：由表1.看出,球墨铸铁中含A I量在0.03%以下,一般不会产生皮下气孔。如果AI、T i并存,则皮下气孔数会迅速增加。这可能由于一方而A ITi含量提高后加剧了铁水与砂型的界面反应放出H :2Al+3H2OAl203+6H; Ti+2H2OTi2O+4H从而导致铁水吸氢后造成析出性气孔;另一方面AlTi 都是强烈的脱氧元素,促使铁与水汽反应,不仅产生氢,而且其反应产物FeO被铁水中C还原成CO,后者分解生成C和CO,都易造成皮下气孔产生。表1.3 含Al、Ti亮对皮下气孔影响3.2.2 浇注温度提高浇注温度能延缓氧化膜的生成.防止熔渣进入型腔.同时对砂型烘烤时间加长.有利于砂型表面的水分向外迁移。而靠近铸件砂型表层水分少了。尽管铁水在铸型内冷却时也产生一些MgS , 但与铸型界而作用产生H多与H的机率下降, 故高温浇注使皮下气孔减少。3.2.3 砂型紧实度与透气性型砂的透气性太低.导致型壁所产生的气体不能排出型外.而向金属侵入. 致使铸件产生气孔；随着紧实度的增加.产生皮下气孔的倾向也加大。但当紧实度相当高时.产生皮下气孔的倾向又减少.这可能是由于表层型砂紧实度的增加. 增大了水分向铸件方向的迁移阻力。3.2.4 空气湿度雨季生产的铸件皮下气孔废品远较旱季为高。显然,这是由于空气中湿度大了加剧了铁水与砂型界面反应致。我们发现,这类皮下气孔大部分发生在远离冒口的下箱表面上,孔径大小不等、分布不均。如果提高出炉与浇注温度,加速浇注, 对减少皮下气孔颇有裨益。3.3 防止措施3.3.1 控制硫化镁夹杂物含量为防止产生皮下气孔要求原铁水的含硫量愈低愈好；为此可采用低硫生铁. 配料时应考虑使原铁水的含硫量不大于0.094%.或在球化处理时适当加入小苏打进行脱硫。在球化处理后.要多次扒渣和静置片刻.以使MgS 渣上浮。控制铁液中残余稀土含量小于0.043%；残余镁含量不大于0.05%；铝含量在0.03%到0.05%范围以外。3.3.2 合理的浇注温度根据铸件结构和铸件的壁厚确定合理的浇注温度.一般情况下.薄壁件浇注温度不得小于1320；中等壁厚铸件不得小于1300；对于导盘这类厚壁件也不得小于1280。3.3.3 严格控制型砂水分严格控制型砂水分.减少铁液与铸型界面所产生的气体量。对于导盘这类大型铸件.采用的是干型铸造.通常要求砂型必须烘干.造型时摆放一些草绳以增加砂型的透气性并使型壁所产生的气体能顺利排出型外。3.3.4 加入过渡层采用涂料、覆料.将铸型与铁液隔开.避免在界面上发生产生气体的反应。如在湿型型砂中加入煤粉或在砂型表面喷涂一层稀润滑油、石墨涂料.浇注时都能产生还原性气膜.减少铸型与铁液的作用.可减少皮下气孔。也有在砂型表面喷涂一层含有Fe2O3细粉的煤油悬浊液。据分析.喷涂在砂型表面的Fe2O3在铁液浇入后形成玻璃状物质.将铸型与铁液隔开。4 球化不良及球化衰退4.1 形成原因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, 后浇注的铸件球化不良, 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。4.2 影响因素4.2.1 碳含量碳当量影响铁液的碳当量太高时尤其是硅含量也高时.将使石墨球化受到影响。试验表明.对于厚壁铸件.当碳当量超过共晶成分时.就有可能产生开花状石墨。但是提高铁液的含碳量有利于镁回收率的提高.因此生产中大多采用高碳低硅的原则.通常含硅量控制在2%左右。此外.碳当量的选取还与铸件壁厚有关：当壁厚为6.576mm 时.碳当量为4.35%4.7%；当壁厚大于76mm时.碳当量为4.3%4.3。4.2.2 硫含量当铁液中的含硫量太高时.硫与镁和稀土生成硫化物.因其密度小而上浮到铁液表面.而这些硫化物与空气中的氧发生反应生成硫.硫又回到铁液.又重复上述过程.从而降低了镁与稀土含量。当铁液中的硫大于0.1%时.即使加入多量的球化剂.也不能使石墨完全球化。4.2.3 壁厚的影响铸件壁太厚也容易产生球化不良及衰退缺陷.主要是因为铁液在铸型中长时间处于液态.镁蒸汽上浮.造成镁含量降低；共晶时大量石墨生成而释放出的结晶潜热使奥氏体壳重新熔化.石墨伸出壳外而畸形长大.形成非球状石。4.2.4 稀土和镁的影响稀土和镁均为球化元素,使石墨沿基面方向生长较快,从而使石墨生长呈现为球状。此外,普通铸铁铁水中的氧和硫比较容易吸附到基面上,进一步促进石墨沿柱面生长。当稀土和镁加入到铁水中,它们与氧、硫结合而脱氧、脱硫,使石墨沿基面方向生长速度加快。因此,工业上镁残留量应控制在0.03%0.08%,稀土残留量应控制在0.025%0.05。4.2.5 铁液温度影响若铁液温度过高.铁液氧化严重.由于镁与稀土易与氧化物产生还原反应.而使得镁、稀土含量降低.同时高温也将增加镁的烧损和蒸发；铁液温度太低.球化剂不能熔化和被铁液吸收.而上浮至铁液表面燃烧或被氧化。4.2.6 滞留时间的影响铁液中镁的含量是随孕育处理后停留时间的增加而减少.其主要原因是因硫及镁、稀土的氧化与蒸发造成的。一般情况下.滞留时间不超过20mi。4.2.7 壁厚的影响铸件壁厚越大,球化不良和衰退的现象越严重。当铸件壁较厚时,铸件在型内处于液态的时间也越长。由于镁的沸点较低,同时镁在铁水中的溶解度很低,使镁不断析出损失,而稀土相对来说损失较少。此外,在共晶阶段,大量的石墨在奥氏体壳内生成,由于结晶潜热的释放奥氏体壳升温,甚至熔化,使石墨突破奥氏体壳而长大,形成一些非球状石墨,也会造成球化不良的缺陷。4.3 防止措施 4.3.1 严格控制铁液成分选择合适的碳当量；铁液中的含硫量应小于0.08%.否则可用小苏打脱硫。4.3.2 合理使用球化剂球化剂加入量一般为1.8%2.2%；此外应注意球化剂的质量.若球化剂破碎后使用.放置时间不得超过一周。处理后的球铁铁液中稀土和镁的残留量不应过低. 其中镁的残留量应大于0.02%.稀土的残留量应大于0.02。4.3.3 合理设计铸件结构和浇冒口铸件结构要避免壁厚过大.也可在壁厚处加冷铁以提高凝固速度.缩短液态时间.从而防止球化衰退及不良。浇冒口采用型内和型上球化处理加强孕育。4.3.4 注意出炉温度.控制铁液滞留时间出炉温度应低于1460.以防球化剂严重烧损；要防止高温下的氧化现象.盖好覆盖球化剂的铁板<厚度应大于3mm>；铁液扒渣后应用草木灰等盖好；当铁液温度大于1350出现球化不良及衰退时.可补加球化剂；而当铁液温度小于1350时就不能补加球化剂.也不得浇注球铁件。铁液出炉后应及时浇注.滞留时间不得超过20mi。参考文献 1 翟秋亚. 徐锦锋. 袁森. 等。球墨铸铁中奥氏体枝晶与缩松铸造. 20017：376- 380.2 魏兵.肖志杰.铸件均衡凝固与有限补缩J.铸造.1996,<8> :27-30.3 Reynolds C,Maitre J,Taylor H.Feed metal requirements for ductile iron castingJ.AFS Trans,1958,66:386-389.4 橘堂忠.藤田健治铸物J.1988.60<2>:79-84.5 Heine R W.Major aspects of processing cast ironJ.AFS T然而.1994,102:985-1042.6 Karsay S I,著.白天申.等译.球墨铸铁浇口和冒口M.清华大学出版社.1986,3:115-116.7 李庆春.铸铁形成理论基础M.机械工业出版社.1982:85-86.8 Wallace J F.Effects of minor elements on the structure of the ductile ironsJAFS Transactions,1975,83:363-378.9 Kaczmarek J R.Leit ermann R,H EINE R W.Pinhole and slag cas ting defects in ductile iron processing J.AFS T ransactings,1997:67-75.10 Dawaon J. 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