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鐵水孕育處理對薄壁球墨鑄件影響

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,而且晶核穩定,易于接受碳原子在其上結晶,進行瞬時孕育。

在有些資料中介紹,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成倍增加。近些年來已有一些文獻報道含鉍和稀土孕育劑對澆注薄壁球墨鑄鐵件的鐵水進行孕育處理的效果。生產上所用孕育劑的主要成分:

硅等于70%---72%

鋁等于0.2%--0.5%

鈣等于0.5%---0.6%

稀土等于0.4%---0.45%

使用這種孕育劑進行瞬時孕育處理后,澆注一個形狀復雜、化學成分碳等于3.7%---4%,硅等于2.3%---2.9,錳等于0.05%的薄壁球墨鑄鐵件,澆注溫度為1420攝氏度。在鑄件的3毫米斷面處,石墨球數接每立方毫米2000個。

另有報道指出,成分為碳當量等于4.68%---4.88%,硅等于2.73%---2.9%的球墨鑄鐵水采用多種孕育及不同加入方法進行試驗,其中以75++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3毫米厚鑄件,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%。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,使孕育熔化,并隨即進入鑄件型腔。

由于孕育劑熔入鐵水的時間短,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0.02%---0.05%

使用含鉍孕育時,即便同時加稀土元素,也需要嚴格控制鉍在鐵水中的積累含量。因為當鉍在球墨鑄鐵中的質量分數超過0.008%時,將會使球狀石墨形態惡化。積累含量越多,它的干擾作用越明顯。

對于重量較輕的小鑄件,鐵水流經瞬時孕育劑的時間短,有可能在澆注完畢后,澆注系統中仍留有海量孕育劑。為此可在孕育劑中增加4%---4.5%錳,降低孕育熔點,提高熔化速率。

在下面這張圖上,

微信圖片_20190321103950.jpg

碳等于3.7%---4%

硅等于2.3%---2.9%

鎂等于0.035%

錳等于0.05%

硫等于0.01%

磷等于0.02%的鐵水,采用含鉍和稀土硅鐵復合孕育進行孕育,在1420攝氏度澆注的3毫米厚鑄件中含硅量對球數的影響。顯示在含硅量范圍內,球數已達到每平方毫米2000個。可以滿足3毫米厚鑄件避免生成碳化物所需的石墨球數。

在澆注薄壁鑄件的鐵水中加入碳微粒進行孕育,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析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,碳原子在石墨微粒上形核比在其他物質上形核要容易很多。

上述理論向鑄造研究者提出一種設想,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碳化硅可以達以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碳化硅,確有顯著增加石墨球數,消除白口組織的作用。

碳化硅是由金屬硅與石墨晶體復合后加制成。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)。碳化硅中含碳量約為40%---45%,含硅約為38%---42%。還含 有鈣、鋁、鋇、鋯等元素。國外已有碳化硅孕育劑專利產品。

碳化硅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微區,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的薄壁件鐵水。這種孕育劑能使灰鑄鐵中產生非常細小均勻的A形石墨。在球墨鑄鐵件生產中可以使石墨球數顯著增加。

利用碳化硅對鐵水進行預處理也能獲得很好的孕育效果。預處理工藝過程是:鐵水過熱到預定溫度,出鐵前加0.2%硅碳比為7:370%+30%碳)的預處理合金。也有的試驗在是出鐵前加入0.1%碳化硅和0.1%硫化鐵。此時檢查三角試片,發現白口深度急劇減少。碳化硅和硫化鐵復合處理的鐵水效果更明顯。經地鎂鐵硅合金球化處理及75硅鐵處理的厚度為3毫米的球墨鑄鐵(未進行碳化硅預處理)件,石墨球數約為每平方毫米1000---1200個同樣成分鐵水經預處理后石墨球數將增加到每平方毫米1500---2000個,鑄件中沒有共晶碳化物。

另外,碳化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碳化硅有相近的效果,值得進一步研究應用。


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