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【热加工论坛专家谈经验】球铁石墨漂浮的成因、辨识、解决方案及思路

      对于球铁的石墨漂浮

      球墨铸铁件纵断面上密集的石墨黑斑,与正常的银白色断面组织之间有清晰的分界线。通常发生在铸件顶部、铸件死角处及位于砂芯下面的铸件部位。金相组织特征为石墨球破裂、畸变,并含有大量富镁氧化物和硫化物。铸件力学性能降低。石墨漂浮使铸件力学性能严重恶化,常导致铸件因力学性能不合格而报废。


      鉴别方法        


      断口检查,必要时应对缺陷区进行金相检验。对于生产厚截面球墨铸铁件,可以水平浇注圆柱形试样,通过检查试样断口来判断铸件是否会产生石墨漂浮缺陷。


      形成原因


      1、就铸件壁厚而言,球墨铸铁的碳当量过高,初生的球状石墨从高温铁液中析出、上浮、集聚;


      2、球化处理和孕育处理温度过低;


      3、金属液处理后至浇注前停留时间过长;


      4、铸件壁太厚,型内冷却速度太慢,浇注温度过高,残余镁量过低,残余稀土量过高。


      防止方法


      1.根据铸件壁厚规定铸铁碳当量:壁厚为10mm时,CE<4.5%;壁厚为30mm时,CE<4.3%。采用低硅原铁液进行球化处理;


      2、提高铁液的出炉温度、球化和孕育处理温度,降低浇注温度,加强孕育。球化和孕育处理温度以1480~ 1510℃为宜,浇注温度以1400~1360℃为宜;


      3、加快铁液在型内的冷却和凝固速度,适当减薄厚大铸件的壁厚,在铸件厚大部位设置冷铁,浇注时往铁液中随流加入微冷铁;


      4.净化铁液,降低原铁液的含硫量和氧化程度;在保证球化前提下,控制镁和稀土加入量,降低球化后铁液中的镁和稀土残留量;


      5、往铁液中加入适量反石墨化元素,如锰、硼、铬等;


      6、改进浇冒口系统设计,避免铸件局部过热,将漂浮石墨和夹杂物引入冒口;


      7.改变浇注位置,使厚大铸件的大平面或重要表面不位于顶部。


      补救措施


      如铸件技术条件允许,可切除铸件中的缺陷区域,然后进行焊补或铸补。否则应报废。

      大家对C、Si、Mg、RE、浇注温度、增碳工艺、原生铁,原铁水、孕育操作等各个方面有很多见识,这里我发表一下个人观点,不当之处请指正。

      关于缺陷根源的分析思路及建议:


      首先,很多铸造厂存在忽视铸件尺寸形状变化,不考虑充型过程铸件差别的前提下照搬成功铸件的工艺,有些铸件由于与定型产品存在很大差异而问题频出,无法解决。


      其次,检查对比相同材质,相同工艺,相同原终成分下其他铸件的情况,是否也存在有类似石墨漂浮。若也有,是熔炼浇注工艺,成分的影响在起主导作用;若没有,请考虑更改浇冒口系统的设计解决此问题,石墨漂浮的解决办法一个是防,一个是排,若其他材料工艺条件制约,短期内无法有效解决此问题而又需要赶制铸件时,可以考虑牺牲工艺出品率的办法设置冒口排出这部分铁液。

      关于CE、RE、Mg的影响与控制,我的意见:


      对于CE的影响和C、Si含量的降低:CE高的铸件石墨漂浮的倾向大些,这在厚大铸件里倾向会很明显。降低碳当量对消除石墨漂浮在厚大件上会很显著。考虑原铁水与最终成分以及铸件尺寸,浇注系统设置对确定或排出CE的影响会有很大帮助,特别是C、Si、RE、Mg、Sb、Pb 不然只能乱开药方,鼻子眉毛一起抓。

      关于适当提高冷却速度?--- 在铸造工艺过程,设备,铸件形状的限制下,提高冷却速度的手段是有限的。


      关于Mg和稀土RE含量:


      由于国内原材料内普遍存在Sb、As、Pb等反球化元素,随地域不同,各元素含量也有差异。RE的加入可以抵消这些元素的反球化作用,并起到孕育变质剂的作用,但在RE的这些作用发挥到位后,多余的RE会对石墨的生长形态起到很大影响,所以RE在球铁内的含量必须监控,楼主的金相照片内开花聚集的石墨和过高的残余RE和Mg的作用有关系,您铸造厂不能检测,应该外委检测当前工艺条件下铸件内残余RE/Mg的含量。 超过0.04%的Re和0.05%的Mg会促进所述缺陷的产生。


      国外很多铸造厂使用纯镁球化剂做球铁,是因为他们的原材料杂质元素较少,坛友castengineer给大家提供了很多颇有价值的资料信息,但我的理解是这些数据有时候是在特定的原材料,工艺,设备的条件下总结出来的,很多时候很具有参考价值,但有时会和实践有出入,需要结合实际原材料、工艺,铸件、浇注系统、设备等综合分析考虑借鉴。


      Ce是RE里面的主要元素,RE(rare earths)稀土元素含量还包含其他元素,是总和。不过假设球化剂供应商的配比稳定的话,在通过大量数据的统计总结,得到比例关系后,可以通过检测Ce来推测从而监控RE的含量。

      所示的缺陷我在给铸件供应商提供技术支持时曾经成功解决过,虽然此供应商工艺过程不同,但可供参考,提供思路。


      他们的错误做法在于:


      1、过高的浇注温度:1450度;


      2、不当的浇冒口系统设置:充型时间长,铁液充型后有死角(即漂浮缺陷部位,受铸件尺寸形状和工艺设备条件限制,漂浮无法根除,只能减轻,漂浮缺陷无法顺利排出到冒口)


      3、高的残余稀土与镁含量:超过了0.05%,原因是球化剂的过量加入,照搬别的铸造厂工艺,不考虑实际工艺条件的差异。


      通过适当(工艺过程限制,为保证无表面冷隔缺陷和每包最后一件浇成,降低幅度不能太大)降低浇注温度,改进浇注系统设计,调整监控残余稀土镁含量,强化孕育操作,在原材料、碳当量没有做调整的前提下解决了问题。关键是高的浇注温度和高的残余含量造成了缺陷。

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