避免收缩缺陷的7种方法 3


可以控制球墨铸铁熔炼和浇注过程中的几个因素,以最大限度地提高工艺出品率和减少收缩缺陷。无论是处理有问题的部件或需要提高目前的工艺出品率,这些方法可能有助于减少收缩缺陷,从而获得比较稳定的铸件质量。

1.使析出石墨产生膨胀的作用最大而不产生石墨漂浮

要避免球墨铸铁产生收缩缺陷,首先要在熔炼时选定合适的碳当量(CE),避免石墨漂浮导致的收缩缺陷。按图1的图表,总碳含量加三分之一硅含量之和不宜超过4.55。对于壁厚0.5英寸到1.5英寸之间的铸件,该图表可作为通用的规则。对于薄壁铸件,例如歧管铸件,CE可以比较对于壁较厚的铸件,它必须较低,以避免石墨漂浮增加收缩缺陷的风险。在凝固过程中,碳自铁液中析出产生膨胀效应。当铁液在共晶模式下凝固,碳含量刚好低于初生析出石墨,石墨球发生漂浮的条件下,碳含量越高,收缩倾向越小。作为为美国铸造学会进行的研究项目的一部分,美国铸铁研究协会制作了一个表格,就不同的硅含量给出了最大碳含量,以避免不同形状、不同壁面厚度的个件体发生石墨球漂浮(表1)。

2.掌握石墨析出膨胀的时间

一般来说,如果凝固过程中析出石墨与包在奥氏体壳内的石墨生长同时发生,收缩缺陷随着碳含量的增加而减少。如果碳含量过高,由初生石墨启动凝固过程,石墨化膨胀的效果在凝固的早期就消耗了。石墨的快速析出而漂浮在金属液中,因此可能会导致凝固后期。与石墨分离了的铁液最终凝固时石墨膨胀效应不足。

图2表示了就方棒、平板和不同模数的铸件,给出了最大碳当量数据,图中所示的三条线代表三种不同的硅含量。标线一直延伸到共晶碳当量4.3。这就说明,所有更厚的件的碳当量都必须等于或低于4.3%,以避免初生石墨析出、石墨球漂浮和较大的收缩。

凝固初期,碳元素应以石墨球形式析出,以确保碳元素不在铸件边缘激冷的条件下形成渗碳体。应避免凝固过程中早期析出过多的石墨,否则,在凝固末期浇注系统和冒口不能提供更多的铁液以补偿收缩时析出的石墨就太少。
高的硅含量直接导致较多的石墨球数、较多的铁素体和石墨早期析出。为了尽量减少收缩,碳含量应该合适,而且碳含量尽可能高些,硅含量尽可能低些。应有足够的硅含量,以避免碳化物,强化铁素体,从而满足性能要求,但不能过量。太多的硅可导致过度的初期膨胀作用而在铸铁凝固后期石墨膨胀太少。在组织中大多数尺寸相同的条件下,石墨球数过多,就会导致收缩,因为所有的石墨球形成都在凝固初期形成(图3)。
加入量太多孕育剂或采用铋增加石墨球数都能导致尺寸均匀的大量石墨球。石墨球数多对减少收缩是有益的,但只有在石墨球粒度分布广时才有效。这意味着从凝固开始到终了石墨析出的步调比较一致,而且在凝固初期不能太快。
镁的含量也应加以控制。应有一定的镁含量以产生良好的石墨球,但镁含量过高会导致夹渣缺陷或形成开花状石墨,还有增加收缩倾向。

3.保持初始的硫含量稳定一致

初始硫含量变化大,如铸铁的初始硫含量对石墨球的数量和粒度分布有很大的影响。由于薄壁铸件容易产生渗碳体,一些铸造厂会有意提高铁液中的初始硫含量。如果石墨球数量太多并且粒度相近,特别是厚大铸件,就可能会导致收缩缺陷。为保持石墨球数量稳定,那样每次处理的铁液的初始硫含量必须一致。在灰铸铁和球墨铸铁之间进行转换时,就可能会引起石墨球数量、粒度分布和收缩倾向的变化。

4.避免长时间保温

随着原铁液保温时间延长,碳元素烧损,成核情况也发生变化。铁液在出炉温度下保温30分钟之后,随后进行球化和孕育处理的续液,发生收缩的倾向稍有增强,而产生碳化物的倾向大为增强。包内孕育和随流孕育可能无法消除碳化物。在一家采用中频炉的铸造厂,另外一台炉子向一台炉子熔炼盖包处理供给供液。转换到下一炉之前,要经6次盖包处理才能使炉内的供液完全用完,需1小时以上。因此,前三包处理得到符合要求的结果,后三包处理尽管使用高效的孕育剂连续随流孕育,组织中仍然有碳化物产生。

铸造厂知道,向铁液中添加晶态石墨,弥补保温时烧损的碳,可以部分恢复失去的生核作用,但是据报道只有百分之百的石墨电极屑,是最佳类型的碳元素替代材料,可以消除生成碳化物的倾向。

原铁液保温以致碳元素烧损和生核作用减退的速度有所不同。由于保温炉和保温温度不同。

经球化处理过的铁液保温可能引起收缩缺陷。铁液在自动浇注机中停留25至30分钟,没有再添加经过处理的铁液,生核发生了变化,易发生收缩缺陷。这种变化可以用热分析方法检测到。这种状况可由加入利用包覆了硫和氯的孕育剂解决。

5.采用特种球化剂避免收缩

从历史上看,早就有在MgFeSi合金中加入稀土金属的情况,其作用是中和杂质元素的影响,避免浇注温度低时铸件边缘白口倾向和优化石墨球数量。多年来的添加稀土金属最常用的类型是混合稀土合金。已经开发了使用纯镧而不是用混合稀土的特种合金。使用适量的镧合金,可获得大量不同的粒度分布的石墨球。大的、初生石墨球数量略有下降,中、小石墨球数量增加,这表明石墨在凝固过程中均衡地析出,凝固后期石墨膨胀的作用较大。

将加有传统混合稀土的MgFeSi合金与加入镧的MgFeSi合金加以比较,使用含镧合金的球墨铸铁件,组织中大石墨球数量较少,中小石墨球数量较多。图4显示了使用混合稀土处理的铸铁件中有大缩孔,而使用镧处理的铸铁件没有问题。用保留一些碳使其在凝固后期析出的方式,可保留膨胀作用,对铸件收缩缺陷有深远的影响。铸件收缩倾向的最小化在一定程度上与这样的组织相差,石墨球的粒度分布广,而且多侧重于细粒。这一目标也可以通过使用专利用的含硫氧复合物的孕育剂实现。

6.设置冒口不如提高凝固速度

可以用充型过程的模拟和凝固模拟软件来预测铸件上可能发生收缩缺陷 的部位。在这些部位,铸造者可以选择加冒口向可能出现收缩缺陷的位置补充更多的铁液,或加冷铁使铸件该部位更快速冷却。对于大型铸件,石墨球数多,石墨形态好的组织是不容易的。在这种情况下,采用加冷铁以避免收缩是有用的,因为用冷铁得到较好的组织。加冒口可能因延长凝固时间使组织变差,而且降低铸件的工艺出品率。

厚达、易发生收缩缺陷易的部位可以多种方式激冷。图5表示在砂芯上钻孔,然后在充型时铸成有冷却作用的销。这些铁销起到散热器的作用,使热量从铸件更快地传递到砂子,以避免这些部位产生收缩缺陷。在某些情况下,销子或散热片可以加在模样上。如果模样或芯盒本身不含销子或散热片,可以在模样上钻孔,销子清理时或之后将其除去。

在图6中,在铸件容易产生收缩缺陷的部位用一螺旋弹簧,使之快速凝固。弹簧有较大的表面积,与直金属丝或螺栓相比,能更快地使铸件冷却。在某些情况下,弹簧被置于中心区域的钻孔内,而在其他情况下,弹簧被完全放在外面。在这两种情况下,钻孔的表面必须没有任何收缩缺陷。

为了让铁液快速冷却,也可在制芯时,将冷铁也嵌入到砂芯中。金属冷铁不熔入铸件,但可以更快地从铸件易发生收缩缺陷的部位吸取热量。金属冷铁必须有清洁、干燥的表面,通常都涂有陶瓷涂料。

在图7和图8中,螺栓是预埋式插件,造型前装在到模样上,加速粘土湿砂型中铸件的凝固。

7.制造均强度一致、刚性好的铸型

如果铸型的强度足够,球墨铸铁件可以无冒口生产。这通常意味着采用自硬砂工艺比用粘土湿砂型好。粘土湿砂型铸型必须尽可能提高强度,以避免因型壁运动引起的收缩缺陷。这意味着必须注意型砂性能和造型机的维护。例如,冲击造型上的阀的磨损可导致砂型强度较差。当模样上有深的凹坑时, 应充分考虑维持砂型强度的方法,包括冲击坚实和时有足够的排气通道。   ■

本文根据2012年美国铸造协会( AFS)的诉讼文件“避免球墨铸铁的收缩缺陷、保证最大收益”完成。


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