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    5毫米以下薄壁球鐵件怎樣做?

    發布日期:2022-10-18 16:37:50 作者:admin 點擊:49

    5毫米以下薄壁球鐵件怎樣做?

    碳能新材 石嘴山市碳能新材料科技有限公司  發表于寧夏

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    研發和生產薄壁球墨鑄鐵件首先由汽車工業開始。汽車零件中約有13%~14%是鑄鐵件。其中球墨鑄鐵件占有較大比重。例如每臺9t卡車中就有約1000kg球墨鑄鐵件。其中發動機汽缸頭、橋殼、排氣歧管、渦輪增壓器等零件都是球墨鑄鐵件。汽車企業投入資金研究薄壁球墨鑄鐵件的生產工藝,一方面是為了減輕汽車重量、降低汽車制造成本;減少燃料消耗和二氧化碳排放量。更重要的是汽車發動機中有些薄壁鑄件在高溫下工作,經受熱循環,要求盡快散去零件工作時內部產生的熱量,提高零件壽命。

           當前,國內生產壁厚5~6mm球墨鑄鐵件的技術已很成熟。例如已成批生產最小壁厚只有5mm的硅鉬球墨鑄鐵或高鎳奧氏體球墨鑄鐵汽車排氣歧管。近些年已有些汽車發動機公司把鑄件最小厚度縮減到2.5~3mm。

          鑄造2.5~3mm薄壁球墨鑄鐵件需要解決的主要技術問題有:避免薄壁組織中存在碳化物,鑄件出現白口;薄壁鑄型對狹窄空間中鐵水流動阻力增加,鐵水溫度快速下降,較難充滿鑄型,因此要避免鑄件產生冷隔、缺肉等缺陷;避免薄壁部分出現厚度誤差;防止球墨鑄鐵的力學性能發生變化。

          避免薄壁球墨鑄鐵件出現白口的措施是選用合適的化學成分和提高鐵水孕育效果。其中選擇好鑄件碳當量是最主要的。提高碳當量能增強鐵水的碳活度,減少鐵水共晶轉變過冷度,促進石墨形核。薄壁鑄件的碳當量應高于一般球墨鑄鐵。根據科研試驗數據和現場生產試驗結果,為了避免出現碳化物,壁厚2.5~3mm球墨鑄鐵件的碳當量不宜低于4.6%。

          判斷碳當量是否合適除了進行化驗外,還可以觀察澆注薄壁件的鐵水凝固后產生的石墨球數來判斷碳當量是否合適。這是一項非常實用和有效的方法。薄壁球墨鑄鐵件碳化物的生成與該鑄件石墨球數之間存在著一定關系。增加球數可以減少碳化物生成。球狀石墨數量不但能判斷鑄件碳當量是否合適,而且是鐵水孕育處理效果、鑄件冷卻速度、鐵水過熱程度和澆注溫度等諸多因素的綜合反映。

          除碳、硅含量外,鐵水中存在碳化物形成元素(錳、鉻、鉬、釩等也促進薄壁產生白口。試驗表明:薄壁球墨鑄鐵件是否出現晶間碳化物與鐵水內碳化物形成元素的質量分數有關。錳促使碳化物生成,磷會形成磷共晶。必須嚴格限制這兩種元素的含量。如果沒有降低含硅量的特殊要求,薄壁球鐵件的含錳量不應超過0.2%。一般在0.1%~0.2%之間。含磷量也應盡可能低。含磷量超過0.06%,即可在金相組織中看到磷共晶的存在。鑄態使用的薄壁球墨鑄鐵件中,磷的質量分數不宜超過0.03%。鉻、鉬、釩、鈦等碳化物形成元素大多數來源于爐料。生鐵或回爐料中可能含有這些元素。因此,熔煉前應檢查爐料中這些元素的總量,一般不要超過0.25%。

          除了常存元素和合金元素外,還應注意殘余鎂量。球化處理時加入球化劑過多或鎂的收率超過預期都能導致鑄件殘余鎂量過多,而使薄壁球墨鑄鐵件產生白口。采用稀土鎂球化劑時,殘余鎂量為0.04%即可使2.5~3.0mm斷面中出現碳化物。鑄造壁厚≤3mm薄壁球墨鑄鐵件一般應采用過共晶成分鐵水,建議在下列范圍內選擇。

          (CE)=4.60%~4.85%

          (Si)=2.40%~2.70%

          (Mn)=0.10%~0.20%

          (P)≤0.03%

          增加鐵水內有效石墨晶核數量是增加石墨球數的重要途徑。在快速冷卻凝固的薄壁球墨鑄鐵件中增加石墨球數必須進行強效孕育處理,這種處理應能產生足夠的有效石墨晶核,而且成核穩定,易于接受碳原子在其上結晶,形成球狀石墨。

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    實踐證明,生產薄壁(2.5~3m)球墨鑄鐵件通常需要采用含有鉍和稀土元素的硅系孕育劑或采用碳硅(SiC)孕育劑,進行瞬時孕育。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量顯著增加。

          有報道指出,成分為CE=4.68%~4.88%,(Si)=2.73%~2.95%的球墨鑄鐵水采用多種孕育劑及不同加入方法進行試驗,其中以75硅鐵+鉍+稀土進行復合孕育(孕育劑加入總量1%),所產生的石墨球數遠超過一般硅鐵孕育后產生的石墨球數。當鈰和鉍的殘存量均為0.008%時,增加石墨球數的效果最好采用上述方法生產的3mm厚鑄件,金相組織中消除了碳化物。

          在孕育處理工藝方面,生產超薄壁球墨鑄鐵件應采用瞬時孕育。第一次孕育時把孕育劑加在出鐵槽上,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%~1.0%。第二次采用瞬時孕育,孕育劑放置于鑄件的澆注系統內,鐵水流經澆注系統時,使孕育劑熔化,并隨即進入鑄件型腔。由于孕育劑熔入鐵水中的時間短,鐵水凝固時正處于孕育劑發揮作用的高峰時段,因此這種孕育方法的效率很高。型內孕育所需的孕育劑量一般是澆入鑄型鐵水總量的0.02%~0.05%。使用含鉍孕育劑時,即使同時加入稀土元素,也需要嚴格控制鉍在鐵水中的積累含量。因為鉍在球墨鑄鐵中會干擾球化作用。積累含量越多,它的干擾作用越明顯。

          在澆注薄壁鑄件的鐵水中加入碳微粒進行孕育處理,對于促進石墨形核、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石墨形核,抑制白口生成。這個理論認為鐵水中存在大量超微尺寸碳微粒。當鐵水到達凝固溫度時,這些微粒和已經發生偏聚的碳原子集團便成為石墨形核基質,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,晶體結構相同,碳原子在石墨粒上形核比在其他物質上形核要容易得多。

          上述理論向人們提出一種設想,如果在鐵水中直接投入一些能夠直接形成碳微粒區或碳原子集團的物質,應當可以增加石墨晶核數量。這方面的研究發現:在適當溫度下,向鐵水中添加具有良好晶體結構的SiC可以達到顯著增加石墨體積分數的目的。曾進行的生產試驗也表明,澆注薄壁球墨鑄鐵件時在鐵水中加入晶態SiC,確有顯著增加石墨球數,消除白口組織的作用。

          SiC是由金屬硅與石墨晶體復合后加工制成。所用石墨必須具有完整的石墨晶體結構(工業生產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用)。SiC中含碳量約為40%~45%,含硅約38%~42%。還含有鈣、鋁、鋇等元素。國外已有碳硅(SiC)孕育劑專利產品。

          SiC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區,形核過程進行很快,形核效率高。因此,特別適用于澆注凝固過程短暫的薄壁件鐵水。這一種孕育劑能使灰鑄鐵中產生非常細小均勻的A型石墨。在球墨鑄鐵件生產中可使石墨球數顯著增加。

          利用SiC對鐵水進行預處理也能獲得很好的孕育效果。碳硅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SiC有相近的效果,值得進一步研究應用。

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