影响大断面球铁件石墨形态的因素

而对于 Mg 球铁 , 当 RE < 0101 %时 , 即有中和有害 元素的作用〔13〕。C. R. Loper 认为 Ce残 在 01009 % ～01020 %范围内可使球数增加 , 并大大降低碳化物 形成倾向 , 而超过此范围时其结果刚好相反〔14〕。P. C. Liu 指出 , 在 01045 % Ti , 01002 %Bi , 010001 % Sb 和 01005～01010 %S 的条件 , Ce残 的理想范围为 01003 %～ 01019 %〔15〕。据 H. Morough 的报道 , 在 含 01011 % Pb , 01005 % Te 和 01015 % Ti 的情况下 , Ce 取 0102 %就能中和这些元素的副作用〔16〕。
21 孕育处理 普遍认为球化衰退与孕育衰退有关 , 大断面球铁 石墨变态的一个重要原因就是在长时间凝固过程中缺 乏足够数量稳定的结晶核心〔20〕; C. R. Loper 指出 大断面球铁石墨球数能达到 60～70 个/ mm2 以上时 , 将不会形成变态石墨 , 即随球数增加 , 石墨形态能明 显改善〔5〕。
31 稀土 几乎所有的文献都认为 , 当大断面球铁件中存在 哪怕是极少量的微量无素时 , 就必须在球化剂或孕育 剂中加入适量的稀土 。它有两方面的作用 , 其一是脱 硫去气 , 净化铁水 , 保护镁 , 即起到球化或间接球化 的作用〔8〕; 其二是与微量元素互相作用 , 消除有害 的一面 , 发挥有利的一面〔9〕。但是 , 这些文献同时 指出 , 过量的残余稀土将使大断面球铁件的石墨形态 恶化 , 尤其是易产生碎块状石墨 。因些 , 对大断面球 铁件的稀土含量应根据具体的条件如微量元素量 、硫
用于球铁的孕育剂种类很多 , 而且不同种类的球 化剂可能要求对应的孕育剂相配合才得到最佳的抗衰 退效果 , 因此要综合考虑各种因素 , 选择恰当的组元 和成分研制特定条件下大断面球铁用孕育剂就显得难 度较大 。
国内外生产大断面球铁件常用的孕育剂仍然是 75SiFe , 其孕育效果好 , 价格便宜 , 但易衰退 。
研究表明 , 用增加孕育硅总量的方法并不能改善 大断面球铁的石墨形态和性能 , 相反由此造成的终 Si 量增加反而易产生碎块状石墨〔9〕。因此 , 孕育硅总 量建议取 013 %～014 %Si 。
另外 , R. W. Recsman 还发现 , 尽量降低铁液 浇注温度 , 能缩短大断面球铁件凝固时间 , 从而改善 其石墨形态〔28〕。
影响大断面球铁件石墨形态的因素
扬州大学 (扬州 225009) 刘满平
【提要】综述国内外有关大断面球铁件石墨形态及其影响因素的有关报道 。介绍了 , 化学成分 、 工艺过程 、凝固过程等 。推荐 了 用 于 生 产 的 碳 当 量 CE = 412 ～ 413 , 210 %～ 212 % Si , 0104 %～ 0105 %Mg残 S < 01028 % , 浇注温度 = 1350～1360 ℃, 孕育总量为 012 %～013 %Si 。
二 、工艺过程的影响
11 球化处理 目前国内外生产大断面球铁件采用的球化剂有纯
镁 、钇基重稀土镁 、轻稀土镁等 。
《铸造》199812
沈阳铸造研究所的研究及 Loper 等人的试验表 明 , 重稀土镁比轻稀土镁脱 S 能力强 , 石墨球圆整 、 抗衰退能力强 , 当大断面球铁液中存在 01005 %～ 01027 %钇时 , 不仅不会产生碎块状石墨 , 而且可中 和有害元素 , 提高球化率〔22〕。
41 微量元素 S. I. Karsovy 指出 , 影响大断面球铁件石墨形 状的所有元素可分为两组 , 一组是 Sb 、Pb 、Sn 、As 等微量元素 , 其促进晶间片状石墨但抑制碎块状石 墨 ; 另一组是 Ce 、Ca 、Si 、Sr 、Ni 等则促进碎块状 石墨但有利于消除晶间片状石墨〔17〕。因此 , 对大断 面球铁件的微量元素应辩证看待 , 如果能把微量元素 与铈等元素合理搭配 , 就可能互相中和各自的有害作 用 , 发挥有益影响 。 文献报道中对锑在大断面球铁件的作用比较一 致 。B. C. Liu 和 E. Campomanes 等人都认为 , 在 大断面球铁中加入一定量的 Sb 并辅以适量的稀土 , 可有效地消除碎块状石墨 , 改善石墨形态并提高力学 性能〔18 ,19〕。B. C. Liu 等用俄歇电子显微分析探讨 了 Sb 的作用机理 , 认为 Sb 能消除吸附在石墨/ 铁液 界面上对石墨后期长大起恶化作用的氧 ; 并能代替氧 吸附在该界面上降低其界面能 , 从而提高新相的形核 率和长大速度 ; 同时还能与铁水中的 La 等无素形成 稳定复杂化合物而成为异质核心〔20〕。Likewise 则认 为加入微量锑可消除由于过量铈而造成的石墨形态恶 化〔21〕, 而过量锑引起的石墨变态则应加适量铈消除 。 关于锑的加入量也应由具体条件确定 , B. C. Liu〔18〕 的推荐值为 01005 %～01070 %Sb , 0101 %～0104 % RE。 铋 、碲和钛通常被认为是有害的 , 铈能中和这些 元素 , 镁可提高碲的允许含量〔16〕。但沈定钊等人最 近的研究发现 , 铋具有与锑类似的降低界面能以及与 La 、Sc 、Al 等 元 素 形 成 稳 定 长 效 异 质 核 心 的 作 用〔20〕, 可 用 为 孕 育 元 素 加 入 , 通 常 取 0103 % ～ 01005 %Bi , 01027～01042 %RE。 关于锡 , S. Karsay 发现 , 当大断面球铁件硅量 小于 215 %时 , 加入 0105 %Sn , 可稳定奥氏体外壳 , 从而避免产生碎块状石墨〔4〕。
为获得较低的浇注温度而又不至于加长铁液保持 时间引起孕育衰退 , 可采用倒包等措施使铁快速降 温 。C. R. Lopr 推荐大断面球铁 浇 注 温 度 最 好 在 1340 ℃以下 。
三 、凝固特性的影响
现将其主要内容综述如下 , 并以此为依据 , 提出 可用于指导大断面球铁件生产的几点建议和结论 , 并 同时阐明为改善大断面球铁件石墨形态需要进一步研 究的领域和必须解决的问题 。
一 、化学成分
11 碳当量和硅 碳和硅是影响大断面球铁件石墨形态的基本成 分 。H. Mayer 和 S. I. Karsay 等指出 , 在一定的冷 却速度和孕育条件下 , 提高碳当量 (CE) , 可提高石 墨球数 , 改善石墨球形状 , 并可增加自补缩能力 , 减 少碳化物〔1〕。S. I. Karsay 又发现 , 当 CE 大于 413 时 , 石墨飘浮倾向增加〔2〕。不少研究者认为 , 大断 面球 铁 件 过 高 的 硅 量 易 产 生 碎 块 状 石 墨 , E. Campomanes 等同时指出 , 当 Si < 2 %时 , 碎块状石 墨会明显减少〔3〕。因此 , 为使大断面球铁件有足够 的球化能力 , 又不致于产生碎块状石墨和石墨飘浮 , 建议取 , 碳当量 CE 取 412～413 , 硅 210 %～212 %。 21 镁 大断面球铁件残余 Mg 量的控制对获得完全球化 的组织很重要 。曾有不少人认为 , 随球铁件断面尺寸 的增大应相应地加大 Mg残 , 以加强球化因素 , 抵偿
可用于大断面球铁孕育剂中的添加元素有 Ba 、 Sr 、Zr 、Ca 、Al 、Bi 、Sb 等 , 即与普通球铁基本相 同 。R. C. Helmink 和 S. Karsay 分别把 Ba 、Sr 、Zr 用到大断面球铁孕育剂中 , 发现这些元素的作用不 大〔9 ,3〕。最近有文献报道 , 用 Mg - Ca - Si 系列球化 孕育剂生产大断面球铁钢锭模取得了成功的经验〔25〕。 有人用球铁屑做二次孕育剂生产合金球铁轧辊 , 据认 为这种二次孕育剂可形成与非溶解石墨弥散相类似的 钝化石墨核心 , 从而增加石墨球数 、缩小其球径〔26〕。
量等因素严格控制 。 根据大断面球铁碎块状石墨形成机理〔10 ,11〕, 稀
土促进碎块状石墨形成的原因有以下三点 : (1) 稀土 使共晶温度范围和共晶凝固时间加大 , 增加了碎块状 石墨在残余共晶铁液中形成的可能 (2) 铈等轻稀 土熔点较低 , 对奥氏体 —石墨球共晶团之间的狭窄铁 水通道有稳定作用 , 而碎块状石墨最易在该通道中形 成 (3) 稀土易积累在正在生长的碎块状石墨的 (0001) 面上 , 产生新的螺旋形位错 , 促进富碳铁液 在此处长出新的分枝 , 如此反复 , 促进碎块状石墨不 断分枝呈扇形生长 。
关键词 : 大断面球铁 石墨形态
大断面球墨铸铁由于冷却速度缓慢 , 凝固时间 长 , 使得铸件中尤其是厚壁中心或热节处出现石墨畸 变 、球数减少 、球径加大 、成分偏析 、晶间碳化物增 多及石墨飘浮等问题 , 结果降低了其力学性能特别是 塑韧性 。为防止大断面球铁件的球化衰退 , 改善其石 墨形态和力学性能 , 国内外铸造工作者在理论和生产 技术方面作了大量工作 , 取得了满意的结果 。但是由 于影响大断面球铁件石墨形态的因素较多 , 各因素间 互相关联和影响 , 因此还有很多问题尚需进一步探 讨。
杨学厚等报道 , 以铈等元素组成的轻稀土镁球化 剂 , 如果控制得好 (例如与微量元素配合使用) , 也 能较好地用于大断面球铁件的球化处理 , 认为重稀土 镁球化剂目前成本较高〔6 ,4〕。
国内目前的稀土镁硅铁合金球化剂与国外相比 , 存在一些明显的不足 , 硅 、稀土和镁量都偏高 , 成分 波动 范 围 大 , 且 品 种 少 、标 准 化 、系 列 化 工 作 不 够〔23〕。
最近 , 笔者试制了一种低镁稀土硅的混合球化 剂 , 其以镁团块为主 , 轻稀土镁为辅 , 成分稳定可 调 , 能适应于不同条件下大断面球铁球化处理 , 对解 决上述问题作了有益的尝试 。
关于球化工艺对大断面球铁石墨形态的影响报道 不多 , 但对型内球化法 、盖包法 、密流法 、GF 转包 法等球化工艺的选择也很重要 。据认为目前国内外应 用最多的冲入法比 GF 转包法处理大断面球铁铁液质 量更好〔24〕。
关于大断面球铁件中的最佳残余稀土量 , 如前所 述应根据具体情况确定 , 不同的生产或试验条件可能 会得出不同的结果 。汪百夫等认为 , 在用稀土镁处理 的大断面球铁件 , 最佳 RE/ S (残) = 115～210〔12〕。
·40 ·
《铸造》199812
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
最近对球化之前的原铁液进行前期处理受到 Loper 等人的重视〔27〕。笔者研制了一种适用于大断面
·41 ·
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
球铁的 PST - 1 前期处理剂 , 它能在铁液中持续扩散 和溶解 , 与后期孕育互为强化 , 产生长时间的浓度起 伏 , 迫使碳在长时间的共晶凝固过程中不断形核析 出 , 同时能作为碳析出长大的有效基底 , 从而大大增 加有效形核率 , 增加球数 。
1997 年 5 月 19 日收到初稿 , 1997 年 12 月 2 日收到修改稿 。
源自文库
石墨化因素 , 提高球数〔4〕。而 P. K. Basut kar 等则 认为 , 当 Mg残 < 01045 %时 , 增加 Mg残 量可增加球 数和球化率 , 过高的 Mg残 即大于 01045 %时 , 会产 生变态石墨〔5〕; 杨学厚等也认为 , 在用轻稀土镁球 化处理的大断面球铁件 , 当硫量达到一定的低限且没 有回硫现象时 , 球化元素最佳残留量与断面尺寸无 关〔6〕。因此建议取 Mg残 为 01040 %～01050 %〔7〕。