球墨铸铁件常见缺陷的分析与对策

铸造

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生产技术

球墨铸铁件常见缺陷的分析与对策

徐建林,苏义祥,路　阳,王智平

(甘肃工业大学材料科学与工程学院,甘肃兰州730050)

摘要:本文对球墨铸铁件生产中常出现的缩孔、缩松、夹渣、石墨漂浮、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,并根据生产的实际情况提出了一些有效的防止措施。

关键词:球墨铸铁件;缺陷;分析;对策

中图分类号:TG25016　文献标识码:B　文章编号:100124977(2001)0420225204

AnalysisandCountermeasureofCommonDefectsofthe

DuctileIronCastings

XUJian2lin,SUYi2xiang,LUYang,WANGZhi2ping

(CollegeofMaterialsScience&Engineering,GansuUniversityofTechnology,Lanzhou730050,Gansu,China)

　　球铁是近40年来我国发展起来的重要铸造金属材料。由于球状石墨造成的应力集中小,对基体的割裂作用也较小,故球铁的抗拉强度,塑性和韧性均高于其他铸铁。与相应组织的钢相比,塑性低于钢,疲劳强度接近一般中碳钢,屈强比可达017～018,几乎是一般碳钢的2倍,而成本比钢低,因此其应用日趋广泛。

当然,球铁也不是十全十美的,它除了会产生一般的铸造缺陷外,还会产生一些特有的缺陷,如缩松、夹渣、皮下气孔、球化不良及衰退等。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。

铸件外壳变弱,因此有增大缩孔、缩松产生的倾向。一般工厂控制含磷量小于0108%。(3)稀土和镁:稀土残余量过高会恶化石墨

形状,降低球化率,因此稀土含

图1　碳与硅对缩松形成的影响

量不宜太高。而

镁又是一个强烈稳定碳化物的元素,阻碍石墨化。由此可见,残余镁量及残余稀土量会增加球铁的白口倾向,使石墨膨胀减小,故当它们的含量较高时,亦会增加缩孔、缩松倾向。

(4)壁厚:当铸件表面形成硬壳以后,内部的金属液温度越高,液态收缩就越大,则缩孔、缩松的容积不仅绝对值增加,其相对值也增加。另外,若壁厚变化太突然,孤立的厚断面得不到补缩,使产生缩孔缩松倾向增大。

(5)温度:浇注温度高,有利于补缩,但太高会增加液态收缩量,对消除缩孔、缩松不利,所以应根据具体情况合理选择浇注温度,一般以1300～

2〕

1350℃为宜〔。

(6)砂型的紧实度:若砂型的紧实度太低或不均

1　缩孔缩松

111　影响因素

(1)碳当量:提高碳量,增大了石墨化膨胀,可

减少缩孔缩松。此外,提高碳当量还可提高球铁的流动性,有利于补缩。图1表明获得健全、无缩孔和缩松铸件的碳、硅量范围,其经验公式为C%+1/7

〔1〕

Si%>319%。但提高碳当量时,不应使铸件产生石墨漂浮等其他缺陷。

(2)磷:铁液中含磷量偏高,使凝固范围扩大,同时低熔点磷共晶在最后凝固时得不到补给,以及使

匀,以致浇注后在金属静压力或膨胀力的作用下,产生型腔扩大的现象,致使原来的金属不够补缩而导致铸件产生缩孔缩松。

收稿日期:2000210209收到初稿,2000212201收到修订稿。

作者简介:徐建林(1970-),男,陕西岐山县人,讲师,硕士,从事铸造过程控制及微机应用研究。

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(7)浇冒口及冷铁:若浇注系统、冒口和冷铁设

置不当,不能保证金属液顺序凝固;另外,冒口的数量、大小以及与铸件的连接当否,将影响冒口的补缩效果。112　防止措施

(1)控制铁液成分:保持较高的碳当量(>319%);尽量降低磷含量(<0108%);降低残留镁量(<0107%),采用稀土镁合金来处理,稀土氧化物残余量控制在0102%～0104%。

(2)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。

(3)必要时采用冷铁与补贴来改变铸件的温度分布,以利于顺序凝固。

(4)浇注温度应在1300～1350℃,一包铁液的浇注时间不应超过25min,以免产生球化衰退。

(5)提高砂型的紧实度,一般不低于90;撞砂均匀,含水率不宜过高,保证铸型有足够的刚度。

关系〔3〕。

(5)浇注系统:浇注系统设计应合理,具有挡渣功能,使金属液能平稳地充填铸型,力求避免飞溅及紊流。

(6)型砂:若型砂表面粘附

有多余的砂子或

涂料,它们可与图3　熔渣形成温度与碳、硅含量的关系金属液中的氧化物合成熔渣,导致夹渣产生;砂型的紧实度不均匀,紧实度低的型壁表面容易被金属液侵蚀和形成低熔点的化合物,导致铸件产生夹渣。212　防止措施

(1)控制铁液成分:尽量降低铁液中的含硫量(<0106%),适量加入稀土合金(011%～012%)以

2　夹渣

211　影响因素

(1)硅:硅的氧化物也是夹渣的主要组成部分,

净化铁液,尽可能降低含硅量和残镁量。

(2)熔炼工艺:要尽量提高金属液的出炉温度,适宜的镇静,以利于非金属夹杂物的上浮、聚集。扒干净铁液表面的渣子,铁液表面应放覆盖剂(珍珠岩、草木灰等),防止铁液氧化。选择合适的浇注温度,最好不低于1350℃。

(3)浇注系统要使铁液流动平稳,应设有集渣包和挡渣装置(如滤渣网等),避免直浇道冲砂。

(4)铸型紧实度应均匀,强度足够;合箱时应吹净铸型中的砂子。

因此尽可能降低含硅量。

(2)硫: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0106%以下,当它在0109%～01135%时,铸铁夹渣缺陷会急剧增加。

(3)稀土和镁:近年来研究认为夹渣主要是由于镁、稀土等元素氧化而致,因此残余镁和稀土不应太高。

(4)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主要原因之一。图2反映了实际浇注温度与熔渣之间的关系〔3〕。此外,浇注温度的选取还应考虑碳、硅含量的关系。图3则反映出熔渣形成温度与碳、硅含量的

图2　浇注温度与熔渣的关系

3　石墨漂浮

311　影响因素

(1)碳当量:碳当量过高,以致铁液在高温时就

析出大量石墨。由于石墨的密度比铁液小,在镁蒸汽的带动下,使石墨漂浮到铸件上部。碳当量越高,石墨漂浮现象越严重。应当指出,碳当量太高是产生石墨漂浮的主要原因,但不是唯一原因,铸件大小、壁厚也是影响石墨漂浮的重要因素。图4表明碳当量、铸件壁厚和石墨漂浮三者的关系〔1〕。

(2)硅:在碳当量不变的条件下,适当降低含硅量,有助于降低产生石墨漂

图4　碳当量,铸件壁厚和石墨漂浮关系

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徐建林等:球墨铸铁件常见缺陷的分析与对策・227・

浮的倾向。

(3)稀土:稀土含量过少时,碳在铁液中的溶解度会降低,铁液将析出大量石墨,加重石墨漂浮。

(4)球化温度与孕育温度:为了提高镁及稀土元素的吸收率,国内试验研究表明,球化处理时最适当的铁液温度是1380～1450℃。在此温度区间,随着温度升高,镁和稀土的吸收率增加。

(5)浇注温度:一般情况下,浇注温度越高,出现石墨漂浮的倾向越大,这是因为铸件长时间处于液态有利于石墨的析出。A1P1Druschitz与W1W1Chaput研究发现,若缩短凝固时间,随着浇注温度升高,石墨漂浮倾向降低〔4〕。

(6)滞留时间:孕育处理后至浇注完毕之间的停留时间太长,为石墨的析出提供了条件,一般这段时间应控制在10min以内。312　防止措施

(1)控制铁液成分:严格控制碳当量,不得大于416%;铁液的含碳量不得大于410%,可用废钢来调整铁液的含碳量;采用低硅(<112%)生铁;改进孕育处理,增强孕育效果,这样可降低孕育硅铁量。

(2)控制稀土的加入量:在保证球化的前提下,加入量要少。

(3)改进铸件的结构,使壁厚尽量均匀,且小于60mm;若壁厚相差很大、热节很大,可在厚壁或者热节处加放冷铁;若是热节或厚壁位置在铸件顶部,可在此处加冒口。(4)严格控制温度:通常要求在1380～1450℃进行球化处理,1360～1400℃进行浇注。同时,尽量缩短铁液出炉到浇注之间的滞留时间。

(5)必要情况下,可以加入钼等反石墨化元素,提高碳在铁液中的溶解度,从而减少石墨析出。

(4)镁:过高的镁将会加剧铁液的吸氢倾向,大

量的镁气泡和氧化物进入型腔,增加气泡的外来核心;此外镁蒸汽直接与砂型中的水分作用,产生MgO烟气及氢气,也会产生皮下气孔。试验表明,残镁量大于0105%后便易出现皮下气孔,残镁越高越严重〔1〕。因此在保证球化基础上,尽量降低残留镁量。

(5)铝:铁液中的铝是铸件产生氢气孔的主要原因。据报道,当湿型铸造球墨铸铁的残留铝量为

2〕

01030%～01050%时,将产生皮下气孔〔。3〕E1R1Kaczmarek等人研究认为〔,铁液与铸型中的

水反应生成FeO与H2,由于铝的脱氧作用,又生成Al2O3,其即为气泡生成的核心而又能吸附一定的气体,增加了球铁产生皮下气孔的倾向。但是在减少渣中的FeO成分时,镁的存在使得铝显得多余,故铝的敏感含量是有一定范围的。

(6)壁厚:皮下气孔还有“壁厚效应”特征,即气孔的产生在一定壁厚范围内,实际上这与铸件的凝固速度有关。铸件壁厚大时,其凝固结皮时间推迟,有利于气泡逸出。因此,一般来说壁厚小于6mm或

5〕

大于25mm时不易产生皮下气孔〔。

(7)浇注温度:浇注温度类似于壁厚效应,也有一个温度范围,在1285～1304℃时,皮下气孔相当严重。笔者进一步研究认为,不同的壁厚其危险温度也不相同,因此应根据铸件壁厚共同确定浇注温度。当然,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使水分向外迁移。

(8)型砂含水率:铸型产生皮下气孔的倾向按下列顺序依次减小:湿型、干型、水玻璃型、壳型。司

6〕

乃潮的研究〔也证明了这一点,即随着型砂水分的提高,球铁产生皮下气孔的倾向增大,而当型砂水分小于418%时,皮下气孔率接近于零。

(9)型砂紧实度与透气性: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;随着型砂紧实度的增加,皮下气孔的倾向也加大,但当紧实度相当高时,倾向又减小,这可能是由于表层砂紧实度高,增大了水分向铸件方向的迁移阻力,但若型砂水分也高,将使水蒸气爆炸的可能性增加。

(10)浇冒口:合理设计浇冒口,使铁液平稳浇注,并具有较强的挡渣功能;同时,适当增加直浇道和冒口的高度,以增加金属液的静压力。412　防止措施

(1)严格控制铁液化学成分,使碳当量稍大于共晶点成分,含硫量不大于01094%;残余稀土小于01043%;残留镁含量不大于0105%;铝含量在0103%～0105%范围以外。

4　皮下气孔

411　影响因素

(1)碳当量:适当增加含硅量有助于皮下气孔的

减少。同时,在硅量保持不变的情况下,随着含碳量的增加,球铁中皮下气孔的个数呈现出单峰曲线,且峰值点总保持在共晶点左右,因此,最好将碳硅含量

5〕

选择得高一些,以使球铁的碳当量稍大于共晶点〔。

(2)硫:硫高会引起皮下气孔等缺陷,这是因为产生H2S气体而形成。当含硫量超过01094%时就会产生皮下气孔,含硫量越高,情况越严重〔2〕。

(3)稀土:铁液中加入稀土元素能脱氧、脱硫,提高铁液表面张力,因此有利于防止产生皮下气孔。但稀土含量太高,会增加铁液中氧化物的含量,使气泡外来核心增加,皮下气孔率增加。残余稀土量应控制在01043%以下〔6〕。

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(2)合理设计铸件结构,使壁厚不小于25mm;

根据壁厚确定浇注温度,薄壁小件不得小于1320℃;中件不得小于1300℃;大件不得小于1280℃。

(3)金属炉料、孕育剂和所用工具应干燥,表面无锈蚀和油污。同时型砂水分不宜过高,尽量小于418%,煤粉、重油等发气物质的含量要适当控制,

时间太长、铁液飞溅以及卷入空气,使镁、稀土氧化严重。

减少粘土含量,并可附加一些增加透气性的物质,如木屑等。

(4)合理设计浇注系统,使之为开放式,可在型腔的最高处设置出气孔,同时应保证浇冒口高度,以提高液态金属的静压力。

5　球化衰退及球化不良

511　影响因素

(1)碳当量: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

图5　滞留时间与残镁量的关系

512　防止措施

(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0108%(其中生铁含硫不得大

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615～76mm时,碳当量为4135%～417%;当壁厚>76mm,碳当量为413%～7〕

4135%〔。

(2)硫: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011%时,即使加入多量的球化剂,也不能使石墨完全球化。

(3)稀土与镁:稀土与镁含量过低时,往往产生球化不良或球化衰退现象。一般工厂要求球化剂的加入量为118%～212%。

(4)壁厚: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,形成非球状石墨。

(5)温度: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。

(6)滞留时间: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。图5反映了滞留时间与残镁

1〕

量的关系〔,一般情况下,滞留时间不超过20min。

(7)浇冒口:浇冒口若设计不合理,会产生浇注

于0103%,焦碳含硫不得大于0108%),可采用小苏打进行脱硫。

(2)加入足够的球化剂,一般为118%～212%;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镁的残留量不应过低,Mg残>0102%,RE残>0102%。

(3)合理设计铸件结构,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。

(4)注意处理温度。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>3mm);铁液扒渣后应用草木灰等盖好;当铁液温度>1350℃出现球化不良及衰退时,可补加球化剂;而当<1350℃时就不能补加球化剂,也不得浇注球铁件,只能补加其它铁液浇注不重要的灰铸铁件或芯骨等。

(5)铁液出炉后应及时浇注,滞留时间不得超过20min。

(6)合理设计浇冒口,采用型内和型上球化处

理,加强孕育。

参考文献:

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(编辑:张允华)

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