关注我们请点后面 铸造工业网 1月16日
上世纪50年代初(甚至更早)，铸造界就发现铸铁件由石墨析出产生的体积膨胀可对铸件起到自补缩作用，然而，至今仍然有不少铸造工艺人员不会很好地利用这种自补缩作用。一般认为:ω（C），ω（Si）量越高，孕育作用越强，越有利于石墨化；石墨化膨胀量越大，自补缩作用就越好。他们不知道石墨膨胀发生时间对补缩作用会有影响，甚至有人主张要采取工艺措施，使石墨化膨胀提前，使膨胀与凝固初期的收缩均衡，达到减少外部补缩量，从而减小冒口尺寸的目的，其结果反而导致外部补缩与石墨化膨胀相互抵触，使铸件更容易产生缩孔、缩松缺陷。随着生产技术的发展，铸造界对此问题的认识已逐步深化。早在21年前，RW Heine就发现：先共晶石墨析出使石墨化膨胀提前，不但使膨胀不能用于补缩，反而会使铁液倒流，进人冒口导致铸件产生缩孔、缩松缺陷。近年来，国外已经开展了如何利用石墨化膨胀自补缩作用的试验研究，并且加强对到如何控制石墨析出时间，使石墨化膨胀高峰期推迟的方法。现摘要介绍如下石墨析出时间的控制。最初只是通过控制ω（C），ω（Si）量和孕育强度，以防止初生石墨析出引起膨胀过早;目前，已发展到研制特殊球化剂和特殊孕育剂，使石墨析出高峰从铸件凝固初期推迟到凝固后期，也就是使大部分石墨化膨胀推迟到型腔进出口已凝固封闭、外部补缩已停止、只能依靠石墨化膨胀进行自补缩的凝固后期，从而使膨胀更有效地起到消除缩孔、缩松的作用。2011年，埃肯公司(Elkem Metals.Inc.)技术服务部经理Doug White在“防止缩孔、缩松缺陷，提高球铁件工艺出品率”的论文中列述了防止球墨铸铁件缩孔、缩松缺陷的各项措施，其中几项主要措施都涉及。1、在不发生石墨漂浮、没有初生石墨析出的前提下尽量提高ω（C）量 图1是按照壁厚为13~38mm的铸件制作出来的。为防止石墨漂浮，铸件的碳当量(CE=C+1/3Si)不能超过4.55%；对于更薄的铸件，CE可以适当提高。此外，上世纪80年代中期，英国铸铁研究学会(BCIRA)曾受美国铸造学会委托，系统研究了各种工艺因素对球墨铸铁石墨漂浮的影响。表1为试样的情况，表2是不同Si量、不同壁厚的方形试棒防止石墨漂浮的最高ω(C)量(浇注温度为1400℃)，即减少缩孔、缩松倾向的最高ω(G)量。共晶凝固包括奥氏体和石墨同时析出以及石墨在奥氏体外壳包围下长大。如果按照共晶凝固方式进行凝固，缩孔、缩松倾向将随ω(C)量增加而减小。但ω(C)量过高，凝固过程将以析出初生石墨开始，大部分由石墨析出所产生的膨胀会在凝固初期被消耗掉，这是由于石墨在铁液中上浮时，析出速度过快造成的。在凝固后期，共晶团之间的孤立液池凝固时，由于石墨化膨胀量不足以补充体积收缩，故缩孔、缩松倾向较大。 如果石墨析出过早，在凝固后期浇、冒口不能提供补缩液体时，石墨化膨胀量将会过小，将会产生大量的缩孔、缩松缺陷。因此，从凝固开始到凝固结束，石墨析出应始终保持相同的速度，尤其是凝固初期石墨析出不宜过快。影响凝固各阶段石墨析出量的因素有:按表1和表2将CE控制在目标值的同时，应采取高C低Si的原则。因为C是使石墨膨胀的元素，Si是影响凝固初期膨胀量的元素，ω(Si)量较高，使石墨球数增加，出现较多的铁素体，并且会使石墨析出较早，进而导致凝固初期膨胀量过大，凝固后期残余铁液凝固时膨胀量不足。因此，ω(Si)量只要能够防止碳化物形成、强化铁素体达到力学性能要求即可，不宜过高。孕育剂的加入量过多或采用含Bi的孕育剂将导致石墨球数增多，耐石墨球的尺寸均匀，进而使缩孔、缩松倾向增大。随着ω(Mg)量的增加，缩孔、缩松倾向也随之增大，因此，应严格控制ω( Mg)量。由于石墨球数随ω(S)量的增加而增多，所以，在生产壁厚较薄、白口倾向较大的铸件时，采用ω(S)量较高的原铁液是防止碳化物形成的有效措施。但原铁液的ω(S)量过高，会使石墨析出过早、石墨球较多且尺寸均匀，导致缩孔、缩松倾向增大，这种现象多出现在厚断面铸件。原铁液ω(S)量变化较大将导致石墨球数及尺寸均发生较大的变化，为此，在铸造生产中各包次原铁液的ω(S)量应尽量保持一致。由于在原铁液停留期间，其形核能力会发生衰减，而且会损失大量的C，所以，在进行球化处理和孕育处理前应避免原铁液停留时间过长。如果在出铁温度下停留约30 min后才进行球化处理和孕育处理，很容易形成碳化物和产生缩孔、缩松缺陷，而且这种碳化物即使采用包内孕育和随流孕育的方法也很难消除。若此时加入晶体石墨(例如石墨电极切屑)则可以恢复部分形核能力，补偿停留引起的ω(C)量损失。球化处理后的铁液在自动浇注包内停留25~30 min，会使铁液的形核能力降低，缩孔、缩松倾向增大，这种情况下，利用热分析方法可有助于将铁液恢复到缩孔、缩松倾向较低的状态。向自动浇注包补加新鲜处理的铁液，并加人0.1%用含S化合物和含O化合物包覆的孕育剂，可使这种已经衰退的“死铁液”恢复形核能力。传统的MgFeSi球化剂一般加入混合RE(mischmetal)，目的是抵消反球化元素、防止浇注温度低时铸件边缘产生碳化物和优化石墨球数。专用球化剂中不加混合RE，而是加入纯度较高的La，利用此类球化剂生产的铸件不仅石墨球数多，而且石墨球的尺寸大小不一，凝固初期形成的石墨球数也略有减少，中、小尺寸的石墨球数明显增多，说明凝固过程中石墨析出量自始至终比较一致，因此，在凝固后期有较大的膨胀表3为A、B两种型内球化剂的成分对比。表3中两种球化剂的La加入量相同，只是A种球化剂中除La外还有其他稀土元素，且量较多，B种球化利中则不含其它稀土元素；铁液均来自同一自动浇注包，两种球化剂分别放入两个铸型，二者浇注时问间隔仅有数秒钟，因此，对比条件基本上是相同的。图2是使用这两种球化剂所生产铸件的金相组织，图3为两种球化剂得到的球墨尺寸分布对比。使用A种球化剂得到的大尺寸球墨相对较多，而使用B种球化剂得到的大尺寸石墨球较少，且以中、小石墨球为主，尺寸分布偏向于较细小的石墨球，即缩孔、缩松倾向较小。石墨球的尺寸与其析出和开始长大的时间有关。从图3可以看出，采川A种球化剂处理时，凝固初期析出石墨(尺寸较大的石墨)数量相对较多，凝固后期析出的石墨(尺寸较小的石墨)相对较少；而采用B种球化剂处理时，凝固末期(冒口已不能提供补缩铁液)析出的石墨相对较多，囚而可以预测到它的缩孔、缩松倾向较小。图4为A 、B两种球化剂生产的铸件缩孔、缩松情况对比，从图4可以看出，让部分石墨保留到凝固后期析出和膨胀，可有效减小缩孔、缩松倾向；球墨尺寸分散、并且多为小尺寸石墨(多数为后期析出)，有利于减小缩孔、缩松倾向。采用含S化合物和含O化合物包覆的专利孕育剂也可使球墨尺寸分布向小尺寸偏移。图5为普通孕育剂与专利孕育剂的球墨数量和尺寸分布对比。从图5可以看出：对一于壁厚为5mm的薄件，两种孕育剂生产的铸件石墨形态几无差别；而对于厚断面铸件，两种孕育剂生产的铸件石墨形态则差别较大。用普通孕育剂处理时，随着铸件断面厚度的增加，5mm厚的铸件石墨球数从297个/mm2 减少至40 mm厚铸件的155个/mm2，由于尺寸较大的石墨球析出时间较早，长大时间较长，所以石墨球尺寸会变得更大；而用专利孕育剂处理时，石墨球数几乎没有发生变化，甚至略有增多，5 mm厚的铸件石墨球数从297个/mm2增至312个/mm2，40 mm厚的铸件石墨球数从155个/mm2增至340个/mm2，而且大尺寸的石墨球很少，中、小尺寸的石墨球占多数。图6为采用不同孕育剂处理的十字形试样的缩孔、缩松情况对比，从图6可以看出，缩孔、缩松倾向的大小与球墨尺寸分布有关。图7为采用传统孕育剂与采用S、O包覆的专利孕育剂处理的球墨铸铁的热分析曲线对比。从图7可以看出，用传统孕育剂处理的球墨铸铁件，其冷却曲线后半段呈大圆弧形；用S、O包覆的专利孕育剂处理的球墨铸铁件，由于在整个凝固过程中C和奥氏体的析出速度始终较为均匀，其冷却曲线比较平坦，并且其过冷度和再辉度均较小。高的再辉度表明凝固初期C和奥氏体析出较迅速，平坦的曲线说明缩孔、缩松倾向较小。为进一步显示图7两条热分析曲线的差别，对两条曲线进行了一阶微分处理，结果如图8所示。使用专利孕育剂时，曲线在凝固终点处的转角较小、较尖，说明凝固后期热分析曲线斜度变化较大，是缩孔、缩松倾向较小的标志。研究表明，如果孕育目的仅是使尺寸相同的石墨球数增加，那么孕育过度必然会导致缩孔、缩松缺陷产生。图9是石墨球数量、尺寸分布与缩孔、缩松的关系，从图9可以看出，石墨球数从175个/mm2增至225个/mm2，缩孔、缩松也随之增加；但随着石墨球数增加，石墨球尺寸分布以小尺寸的石墨球随之增多，缩孔、缩松倾向则可以大大减小。对于大型铸件，往往希望有较多的石墨球数和较高的球化率，采用激冷技术不但可以防止缩孔、缩松缺陷的产生，还有利于增加石墨球的数量和提高球化率；而使用冒口不但降低工艺出品率，还会延长凝固时间而使组织变差。对铸件容易产生缩孔、缩松的部位采用激冷技术的方法有多种，除了常用外冷铁和内冷铁之外，还可以在铸件容易产生缩孔、缩松的部位设置一些散热针或散热片，使铸件热量向型砂的传递速度加快，从而防止该部位产生缩孔、缩松。这些散热针或者散热片可以直接在模具和芯盒上做出，也可以在砂芯(或砂型)上钻孔做出。如果铸型刚度足够高，球铁件可以采用无冒口工艺生产为尽可能提高湿型粘上砂的刚度，防止其型壁移动而产生缩孔、缩松缺陷，要注意确保型砂性能和加强造型机维护保养，模具上的深凹部位，要注意排气通畅。总之，防止球铁件缩孔、缩松缺陷的措施有很多，其中如何合理利用石墨化膨胀的自补缩作用很重要。利用膨胀进行补缩不是通过简单地提高ω(C)及ω(Si)量、强化孕育和增大石墨化膨胀量，还必须重视对石墨析出时间的控制，要尽量避免石墨析出过早，防止凝固初期由于膨胀过早、过大而使来自浇、冒口的外部液态补缩受阻；要选择恰当的ω(C)及ω(Si)量、控制原铁液质量、改进球化剂和孕育剂，使石墨析出高峰期(也就是膨胀高峰)推迟，确保铸件在其型腔进出口已凝固封闭、外部补缩已停止、只能依靠石墨化膨胀进行自补缩的铸件在凝固后期有足够的石墨化膨胀进行补缩。
