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灰铸铁的孕育处理

时间: 2011-07-06 02:33 来源: 作者: 中国铸造协会 李传栻点击:
灰铸铁基本上是由铁、碳和硅组成的共晶型合金,其中,碳主要以石墨的形态存在。生产优质铸件,控制铸铁凝固时形成的石墨的形态和基体金属组织是至关重要的。孕育处理是生产工艺中最重要的环节之一。良好的孕育处理可使灰铸铁具有符合要求的显微组织,从而保证铸件的力学性能和加工性能。

在液态铸铁中加入孕育剂,可以形成大量亚显微核心,促使共晶团在液相中生成。接近共晶凝固温度时,生核处首先形成细小的石墨片,并由此成长为共晶团。每一个共晶团的形成,都会向周围的液相释放少量的热,形成的共晶团越多,铸铁的凝固速率就越低。凝固速率的降低,就有助于按铁-石墨稳定系统凝固,而且能得到A型石墨组织。

一.孕育处理的作用

灰铸铁的力学性能在很大程度上取决于其显微组织。未经孕育处理的灰铸铁,显微组织不稳定、力学性能低下、铸件的薄壁处易出现白口。为保证铸件品质的一致性,孕育处理是必不可少的。

铸铁孕育处理所用的孕育剂,加入量很少,对铸铁的化学成分影响甚小,对其显微组织的影响却很大,因而能改善灰铸铁的力学性能,对其物理性能也有明显的影响。良好的孕育处理有以下作用:

◆ 消除或减轻白口倾向;
◆ 避免出现过冷组织;
◆ 减轻铸铁件的壁厚敏感性,使铸件薄、厚截面处显微组织的差别小,硬度差别也小;
◆ 有利于共晶团生核,使共晶团数增多;
◆ 使铸铁中石墨的形态主要是细小而且均匀分布的A型石墨,从而改善铸铁的力学性能。

孕育良好的铸铁流动性较好,铸件的收缩减少、加工性能改善、残留应力减少。

二.灰铸铁的显微组织

灰铸铁的力学性能决定于其基体组织和片状石墨的分布状况。

灰铸铁的力学性能主要取决于其基体组织,为了得到高强度,希望基体组织以珠光体为主、尽量减少铁素体含量。如果铁素体量过多,不仅导致铸铁的强度低,而且加工时会使刀具过热,显著降低刀具的寿命。与球墨铸铁不同,对灰铸铁不可能有延性和韧性的要求,只要求其强度,所以一般都以珠光体含量高为好。

灰铸铁中的石墨片,有切割金属基体、破坏其连续性、使其强度降低的作用。从强度考虑,应避免产生长而薄的石墨片和粗大的石墨片,具明显方向性的石墨片影响尤大。控制石墨片的分布状况,是保证灰铸铁性能的关键。

A型石墨是在铸铁的石墨生核能力较强、冷却速率较低、在过冷度很小的条件下发生共晶转变时形成的。在光学显微镜下观察时,石墨呈均匀分布的弯曲片状,无方向性,其长度则因铸铁的生核条件和冷却速率而不同。高品质的结构铸件,都希望其具有中等长度的A型石墨。

B型石墨在光学显微镜下呈菊花状,共晶团中心部位石墨片比较细小,外围的石墨片较粗大。实际上,中心部位是D型石墨,外围是A型石墨。B型石墨的生核条件比A型石墨差,共晶转变时的过冷度也比形成A型石墨时大,结晶时先在共晶团中心部位产生过冷石墨(D型),释放的结晶潜热使周边的过冷度降低、形成A型石墨。如B型石墨为量不多,对铸铁的性能影响不大,一般情况下可允许其存在。

C型石墨主要出现于碳当量很高(过共晶)、冷却缓慢的铸铁中,有粗大片状初生石墨,也有小片状石墨,有时部分石墨片上有带尖角的块状。过共晶铁液冷却时,通过液相线后,在一定的过冷度下析出初生石墨,并在液相中逐渐长大。由于结晶温度较高,成长时间较长,形成分枝较少的粗大片状。温度降低到共晶温度时,发生正常的共晶转变,这时产生的石墨是正常的共晶石墨(A型石墨),最终的结果是在粗大的石墨片之间分布有正常的共晶石墨。因此,C型石墨是由粗大、块状石墨和A型石墨构成的。C型石墨可使铸铁的热导率提高,改善其抗热冲击的能力,但对铸铁的力学性能影响较大,一般的结构铸件不应有这种石墨。

亚共晶铸铁中,偶尔也能见到这种石墨。如:用感应电炉熔炼而炉料中生铁块用量过多时,由于原生铁遗传的影响,就可能出现带尖角的块状石墨;孕育剂加入量过大,造成局部硅元素富集,也会产生这种石墨。

D型石墨是铸铁的碳当量较低、冷却速率较高,在过冷度较大、初生奥氏体枝状晶发达的条件下在奥氏体枝晶间形成的,石墨片细小而无方向性。D型石墨常见于碳当量较低的薄壁灰铸铁件中,也称为‘过冷石墨’或‘枝晶间石墨’。在不加合金元素时,D型石墨往往伴随有铁索体。如基体组织为珠光体,则铸铁的耐磨性较好,且机械加工后能得到较细的表面粗糙度。

E型石墨是在碳当量较低、冷却速率也较低的条件下形成的。由于初生奥氏体枝状晶较多、发生共晶转变时过冷度不大、石墨核心不太多、共晶团较大,形成的石墨片大于D型石墨。由于冷却比较缓慢,奥氏体枝状晶发达,发生共晶转变时液相主要在初生奥氏体枝状晶之间,形成的石墨片沿枝状晶方向生长,具有一定的方向性,对铸铁力学性能的影响较大,要力求避免其产生。

可能出现E型石墨的铸铁,如冷却速率较高,也会形成D型石墨。因此,在高强度薄壁铸铁件中往往会同时见到D型石墨和E型石墨。

生产优质灰铸铁件,应使其基体组织全部为珠光体,石墨为A型,而且石墨片要均匀分布于金属基体中,珠光体也应细小而均匀。要尽可能的地使组织中的B型石墨和D型石墨减至最少,不应该有C型石墨和E型石墨。为此,必须进行有效的孕育处理并控制铸件的冷却速率。

三.孕育剂

目前,用于处理灰铸铁的孕育剂品种繁多,但广泛应用的还是75硅铁。近年来,对薄壁铸件的需求日益增多,对孕育处理的要求也更为严格,在铸铁碳当量较低的情况下,采用含锶、钡、铋、锆或某种稀土元素的孕育剂,能较好地控制薄壁处的白口倾向。还有报道说,采用含钡、铋和稀土元素的孕育剂,可减缓孕育的衰退。此外,碳质孕育剂的应用近来也日渐增多。关于孕育剂的选用,虽然已进行了大量的研究工作,但还不足以形成普遍适用的准则,铸造厂需考虑自己产品的特点、参考其他单位的经验进行试验,并考核供应厂商产品的质量,再根据试验结果作出最适合本企业条件的选择。

1.75硅铁

75 硅铁是最常采用的孕育剂,其中的铝、钙含量对孕育效果有重要的作用,有报道说,不含铝、钙的硅铁对灰铸铁的孕育作用很小,甚至没有作用。一般认为:在铁液中,铝和钙会与氧、氮反应,形成高熔点的化合物,成为石墨结晶的核心。而且,加入孕育剂后,铁液中可形成局部的富硅微区,有利于石墨析出。采购孕育用硅铁时,不能不考虑其中铝和钙的含量。

对于作孕育剂的75 硅铁,美国相关标准规定含铝量为0.75~1.75%,含钙量为0.5~1.5% 。我国标准GB/T 2272-1987中有不同铝含量的75硅铁牌号,铝含量的上限值分别为0.5%、1.0%、1.5%和2.0%,含钙量的上限值则为1.0%。
但是,铁液中的铝含量不能太高,加入0.01%的铝,就可能导致铸件产生皮下气孔。选择孕育剂品种和确定孕育剂用量时,对此也应有所考虑。

2.含锶硅铁

含锶硅铁消除白口的能力很强,特别有利于改善薄壁铸件中石墨的形态和分布状况,使不同厚度处组织的差别更小,过冷组织只见于铸件的表层。

目前,我国已有含锶硅铁供应,其中锶含量有0.6~1.0%和1.0~2.0%两种。一般可选用含锶0.6~1.0%的品种,锶含量过高则不能充分发挥其作用。

含锶硅铁的加入量约为75硅铁的一半。

3.含钡硅铁

含钡硅铁也具有很强的促进石墨化的能力,可改善薄壁铸件中石墨的形态和分布状况,而且还有减缓孕育衰退的作用,处理时的用量也少于75硅铁。有报道说,加入过多的钡会使基体组织中铁素体含量增多,导致铸铁的强度降低。

目前,我国也有含钡硅铁供应,其中钡含量一般为4~6%。
国外有研究报告称,含铋的硅铁也具有与含钡硅铁类似的效果。

4.含锆硅铁

锆有脱氧作用,有利于提高铁液的流动性,能减轻铸铁的白口倾向,促成均匀、细小的A型石墨。而且还有减缓孕育衰退的作用。

我国也有含锆硅铁供应,但目前采用者还很少。

5.硅钡合金

用含钡20~30%的硅钡合金作孕育剂,能显著降低铸铁的白口倾向,并可使保持孕育效果的时间增至30min左右,特别适用于大型铸件。处理时,合金加入量约为0.1%。

6.硅钙合金

硅钙合金虽有很强的孕育作用,但是,除制成包芯线应用外,用粒状合金作铸铁的孕育剂并不太合适,其主要缺点是:

◆ 密度远低于铁液,易于飘浮而影响其与铁液的作用;
◆ 成渣倾向大;
◆ 孕育作用衰退快;
◆ 处理需用的加入量大,约为0.3~0.5%。

7.稀土孕育剂

稀土混合金属和稀土硅铁等含稀土金属的孕育剂,加入量适当时,孕育作用很强,其效果可以是75硅铁的若干倍,能有效地消除白口,并减缓孕育作用的衰退。如加入量过高,则可能使铸铁结晶时产生过冷,出现渗碳体组织。使用时必须严格控制用量。

8.碳质孕育剂

碳质孕育剂主要用于铁液孕育前的预处理,一般都是结晶态的碳质材料。有研究报告称:对于灰铸铁,以85~90%的冶金碳化硅效果最好,晶态石墨也有效。预处理时的加入量一般为0.75~1.0% ,应根据试验结果求得最佳值。

四.孕育处理方法

近年来,孕育处理工艺发展很快,有多种有效的孕育方法。对于生产灰铸铁件,选用合适的孕育处理方法非常重要,往往是决定产品质量的关键因素。每一种孕育处理方法都有其优点,同时也有一定的局限,迄今还没有一种能适应各种生产条件的处理方法。铸造企业都应该根据自己的具体条件,通过试验,选定最适合企业特点的方法。处理方法一经确定,就应严格控制工艺过程,以保证铸件质量稳定。

广泛采用的孕育处理方法主要有:出铁时孕育、浇注时孕育、型内孕育和孕育前的预处理

1.出铁时孕育

出铁时孕育也称为浇包孕育(Ladle Inoculation),是在铁液自熔炉或保温炉流向浇包时进行的孕育处理。这种处理方法既简单又方便,目前是应用最广的工艺,但采用时必须注意遵从作业要点。

不可在浇注前将孕育剂加在空浇包的底部。这样操作,会有部分孕育剂在与铁液作用前被氧化,而且孕育剂易于裹入炉渣,导致其利用率降低。最好在出铁后、自浇包中铁液量约为出铁量的1/4时起开始孕育处理,通过定量漏斗将粒状孕育剂均匀而分散地撒向液流,到浇包中铁液量约为出铁量的4/5时处理结束。这种作业方法,可利用液流的搅拌作用使孕育剂完全溶于高温铁液,提高其利用率。采用喂线法进行孕育处理效果更为稳定,但目前用于出铁时孕育的还比较少。

孕育剂的粒度因处理的铁液量而略有不同:铁液量不到500kg时,粒度宜为2~5mm;铁液量在500kg时,粒度宜为5~8mm。加入量一般为处理铁液量的0.2~0.4%,可视孕育剂的品种和铸件壁厚调整,并通过试验确定。加入量过多,不仅无益,还会因不能完全溶于铁液而产生一些负面作用,如浇包积渣、铸件产生夹渣缺陷、堵塞浇注系统中的过滤器件以及因铁液过孕育而造成铸件缺陷等。孕育剂粒度太大,也会因不能完全溶于铁液而影响孕育效果,并造成铸造缺陷。

出铁时用75硅铁进行孕育处理,孕育效果会很快地随时间的推移而衰退,孕育后5~7min,作用的衰退可在50%以上,大约经15min后,孕育作用将大部或全部消失。为确保铸件质量,通常都要在孕育后10min内浇注完毕,最好在铁液自浇包注入铸型时进行再次孕育。

2.浇注时孕育

浇注时孕育也称为后孕育(Post Inoculation)或瞬时孕育,是在铁液自浇包注入铸型时进行的孕育处理。可将细粒孕育剂加入液流,也可用喂线法孕育。

(1)细粒孕育剂孕育

浇注时孕育不存在孕育衰退的问题,一般都用75硅铁作孕育剂,有特殊要求时也可用含其他合金元素的孕育剂。为使孕育剂能迅速溶于铁液并能均匀地分布于铁液中,应采用细粒,一般为0.3~0.7mm 。加入量大致为铁液的0.15~0.2%。

采用倾转式浇包人工浇注时,比较简便办法是采用吊挂在包嘴上的定量漏斗,浇注时开启下料口,孕育剂由重力作用落入液流。对于生产线上位置固定的倾转包,则以采用带料斗的微型螺旋给料器为好。

生产线上由保温炉经虹吸式浇嘴浇注的条件下,国外多采用干燥空气吹送方式。开始浇注时,由传感器控制开启气阀,将孕育剂加入液流中,如图1所示。


图1 空气吹送方式加料装置示意图

采用这种加料方式的缺点是:难免有些粉状孕育剂被空气吹散,不能进入液流。采用机械给料方式,也有容易堵塞而影响准确定量的问题。

(2)喂线孕育

喂线孕育也是一种常用的方法,所用的包芯线直径一般在5~10mm之间,线芯材料为75硅铁。孕育剂加入量约在0.05~0.1%之间。

用保温炉经虹吸式浇嘴浇注的条件下,在浇嘴的塞杆附近喂入包芯线,如图2所示。喂线装置由计算机控制,在提起塞杆进行浇注的同时喂入包芯线,浇注完毕放下塞杆时停止喂线。


图2 加压经虹吸式浇嘴浇注时喂线孕育示意图

3.型内孕育

型内孕育是将孕育剂直接安放在浇注系统内,使其在浇注过程中与铁液作用,孕育剂溶入铁液的速率是工艺方案设计时应予以考虑的重点。

所用的孕育剂可以是细粒状料、由粉料加粘结剂制成的块料或预制块。

按照铸件的工艺特点,孕育剂可安放在浇口盆内、浇注系统内或特制的过滤器件中。

(1)浇口盆内孕育

浇口盆内孕育可以有两种方式,见图3 。


图3 浇口盆内孕育
(a)孕育块固定;(b)孕育块飘浮

一种是将块状孕育剂固定于浇口盆底部,见图3(a) ,浇注时逐渐溶入铁液。浇注的铁液量较大时,可采用塞杆,这就更有利于孕育剂溶入铁液并均匀分布于铁液中。

另一种是将块状孕育剂放在浇口盆内,浇注时浮在铁液上,见图3(b),也可说是浮硅孕育,只不过不在浇包中孕育。采用此种方式时,应保证孕育块部分溶入铁液后尺寸仍大于直浇口的直径。

无论采用何种方式,浇口盆内都应有挡渣板。

(2)浇注系统内孕育

浇注系统内孕育液也有两种方式,见图4。


图4 浇注系统内孕育
(a)孕育块固定于浇口窝内;(b)横浇道中设孕育槽

可将块状孕育剂固定在直浇口下的浇口窝内,如图4(a)所示。采用此种方式时,一定要用预制成块状的孕育剂,浇注过程中逐渐溶入铁液,实现有效的孕育。

也可将孕育剂安放在横浇道中专设的孕育槽内,如图4(b)所示。采用此种方式时,可用粒度为0.3~0.7mm的孕育剂,用量一般为铸型中铁液量的0.05~0.1%。浇注时,铁液从孕育剂的上方流过。为避免孕育剂颗粒进入铸件,铁液流经孕育槽后必须通过有效的过滤片。

(3)通过过滤片时孕育

这是一种比较新的型内孕育方法,将孕育剂安放在特制的滤片内,浇注时铁液流经滤片得到孕育处理,同时又可以防止残渣进入铸件型腔。

采用发泡滤片时,在两滤片间的空腔内装细粒孕育剂,如图5(a)所示。

如采用通孔陶瓷滤片,则将预制成片状的孕育块置于两滤片间的空腔内,如图5(b)所示。


图5 孕育剂置于两滤片间的空腔内
(a)发泡陶瓷滤片;(b)通孔陶瓷滤片

4.孕育前的预处理

一些重要的薄壁灰铸铁件,如内燃机的缸体、缸盖等,需求量不断增长,冶金要求也日益提高,因而,灰铸铁孕育前的预处理逐渐受到了广泛的关注。

生产薄壁灰铸铁件时,在孕育处理前进行预处理,不仅可避免组织中出现碳化物,而且可使过冷石墨(B型、D型和E型)减至最少。

研究结果表明,效果最好的预处理剂是结晶态的碳质材料,灰铸铁宜用85~90%的冶金碳化硅,也可用晶态石墨。加入量一般为0.75~1.0%,应用时需通过试验求得最佳用量。预处理剂加入铁液后,需要一定的时间使其溶于铁液,而且需要搅拌,所以,最好是在出铁前加入感应电炉进行处理。也有报道说,加入浇包中处理,只要操作得当,也可得到很好的效果。(end)

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