球墨铸铁球化不良和衰退的仿真研究

材料研究文章编号:100321545(2003)0420001204球墨铸铁球化不良和衰退的仿真研究徐建林(甘肃工业大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州　730050)摘　要:在球铁件缺陷诊断的神经网络模型基础上,借助于MA TLAB环境中的N EURAL N ETWOR K TOOLBOX工具箱,对球铁件球化不良与球化衰退和一些主要影响因素间关系进行了仿真研究,并对得到的仿真趋势图进行了详细的分析。

仿真表明,严格控制各化学成分及浇注温度可有效地消除球化不良和衰退,对提高球铁件质量及控制球铁生产工艺参数具有积极作用。

该方法大大方便了球铁缺陷的分析,可有效地应用于实际生产中。

关键词:球铁;球化不良;球化衰退;影响因素;仿真图中图分类号:TG250.6,TG255 文献标识码:AThe Simulation Analysis of Abnormal Nodularizingand Decaying in Nodular C ast IronX u Jianli n(State K ey Lab of G ansu New Non2ferrous Metal Materials,G ansu University of Technology,Lanzhou730050,China) Abstract:Based on the neural network model for diagnosing defects of ductile iron castings,an investigation in influ2 ence factors of abnormal nodularizing and decaying defects in nodular iron casting is conducted by MA TLAB N EU2 RAL N ETWOR K TOOLBOX.The simulation results show that the abnormal nodularizin g and decaying defects canbe eliminated effectively by controlling chemical composition and pouring temperature.The method proves itself anaid to improving the quality of the castings and controlling the process of ductile cast iron production,making it easyto analyze the cause producing defects of ductile iron casting in practical production.K eyw ords:Ductile cast iron;Abnormal nodularizing;Decaying;Influence factors;Simulation figure 球铁是在灰铸铁的基础上发展起来的一种有价值的结构材料。

球铁由于石墨呈球状分布,大大降低了对基体的割裂作用,其力学性能比灰铸铁有显著的提高。

具体表现在具有较高的强度和刚度,有相当的塑性和动载性能,还具有良好的耐磨性、耐蚀性和耐热性。

因此,球铁一出现,立即得到了广泛应用,它是20世纪材料科学最重大的技术进展之一[1]。

球化不良和球化衰退是球墨铸铁独有的缺陷。

原铁水经球化处理后,先浇注的铸件球化良基金项目:甘肃省自然科学基金项目(ZS9812A2220242G)收稿日期:2003201222好,后浇注的铸件球化不良,或者是铁水放置一定时间后,球化效果下降,这种现象称为球化衰退。

球化不良的特征表现在铸件断面上有大块黑斑或明显的小黑点,越接近中心越密。

上述缺陷使球铁铸件达不到所规定的力学性能而报废。

球铁件球化不良和衰退缺陷的预测及消除一直是球铁研究中的一个重要问题,但直到目前仍未获得圆满的解决,因此有必要对球化不良和球化衰退缺陷的影响因素进行进一步的研究,以便防止该缺陷的产生。

1　试验方法第18卷第4期 材　料　开　发　与　应　用 2003年8月1.1　试验条件试验条件为实际生产过程,采用3t Πh 热风冲天炉熔炼铁水,出炉铁水温度为1460～1480℃,采用冲入法在1t 堤坝式吊包中进行球化处理,制成常用的阶梯试样,如图1所示。

图1　阶梯试样1.2　分析方法将各种生产条件下球铁影响因素的参数指标输入到“球墨铸铁件缺陷诊断的神经网络模型”中[2],对该网络进行学习训练。

在训练中,球化不良和球化衰退出现用“1”表示,不出现用“0”表示,浇注试样经清砂处理后,将试样横向沿中心线剖开,观察其球化不良和球化衰退的产生情况。

然后,利用MA TLAB 软件中的N EU RAL N ET 2WOR K TOOLBOX 工具箱对训练好的网络进行仿真,得出各种影响因素对球化不良和球化衰退的仿真曲线。

在做仿真曲线时,化学成分(w )及工艺参数为:碳3.8%,硅2.6%,锰0.6%,硫0.04%,磷0.07%,稀土残留量0.03%,镁残留量0.035%,铝0.02%;壁厚30mm ,浇注温度1350℃,型砂含水率3%,型砂透气性100,型砂紧实度100。

就某一影响因素对球化不良和球化衰退的影响进行研究时,该参数发生连续变化,而其它参数保持不变。

2　影响因素2.1　稀土和镁稀土和镁均为球化元素,使石墨沿基面方向生长较快,从而使石墨生长呈现为球状。

此外,普通铸铁铁水中的氧和硫比较容易吸附到基面上,进一步促进石墨沿柱面生长。

当稀土和镁加入到铁水中,它们与氧、硫结合而脱氧、脱硫,使石墨沿基面方向生长速度加快。

其次,稀土和镁吸附到石墨晶格的柱面上,阻碍碳原子向柱面扩散,碳原子只好长到基面的上面,并优先在螺旋形位错台阶上堆砌、生长。

如果沿晶胞各方向的生长速度相同,石墨则长成球状,如图2所示。

由此可以看出,稀土和镁是促进石墨球化的重要元素。

图3a )、b )反映出随着稀土和镁残留量的降低,会造成球化不良和球化衰退缺陷。

图中表明,当稀土残留量小于0.025%时,开始产生该缺陷;而镁残留量小于0.03%时,明显出现球化不良的现象。

因此,铁水中应保证足够的稀土和镁。

但是,过量的稀土和镁也会带来负面影响。

过多的镁不仅会增加熔渣生成量和碳化物的数量,而且会出现爆裂状异态球形石墨;过量的稀土也会恶化石墨形状,降低球化率,力学性能有所下降。

因此,工业上镁残留量应控制在0.03%～0.08%,稀土残留量应控制在0.025%～0.05%。

图2　石墨生长模型2.2　硫随着硫含量的增加,产生缺陷的几率加大,如图3c )所示。

当铁液中的含硫量高时,镁和稀土很容易生成硫化物,即:Mg +S =MgS 2Re +3S =Re 2S 3由于它们的密度比较小而上浮到铁液表面,在高温下镁和稀土与氧的亲和力大于和硫的亲和力,故铁水表面的硫化镁和硫化稀土与空气中的氧发生反应:2MgS +O 2=2MgO ↑+2S 2Re 2S 3+3O 2=2Re 2O 3+6S烟状的氧化镁和氧化稀土在空气中逸损,而硫又回到铁水中,继续与镁和稀土作用,重复上述过程。

因此,硫的存在加剧了镁与稀土的损失,从而造成球化不良和球化衰退。

当铁液中的硫大于0.09%时,既使加入过多的球化剂,也不能使石墨完全球化。

为防止镁和稀土元素逃逸,可用草木・2・材　料　开　发　与　应　用 2003年8月灰将铁水表面盖严,隔绝空气,使镁和稀土元素的逃逸大大减弱。

2.3　碳当量在分析球化不良和衰退时,碳当量的影响很少被人注意到,但仿真中发现碳当量对该缺陷有一定的影响,如图3d )所示。

随着碳当量的加大,该缺陷出现的几率有减少的趋势。

碳元素含量的增加会提高它与氧的亲和力,减少铁水中的氧化物,减弱氧化物与稀土硫化物和镁硫化物的还原反应,使稀土与镁的损失减少,所以含碳量的提高有利于镁回收率的提高[3]。

再者,碳当量对铁水的流动性也有影响。

提高碳当量可以增加铁水的流动性,有利于浇注、补缩。

但碳当量继续增加,流动性反而下降,阻碍了硫作为运载工具把镁和稀土运到铁水表面后损失的循环过程,因此可防止球化不良与球化衰退现象。

但是,碳当量过高也会产生石墨飘浮等缺陷,因此,生产中碳当量的选取一般在4.35%～4.6%之间。

图3　球铁件球化不良与衰退缺陷与主要影响因素之间的仿真图2.4　球化处理温度球化处理时铁水温度对球化不良与球化衰退的影响如图3e )所示。

当铁水温度过高时,铁液表面氧化严重,由于镁和稀土很容易和氧化物产生还原反应,而使镁、稀土含量降低。

此外,镁还不断以微小气泡形式析出,跑到铁水表面,温度越高,镁的蒸汽压越高,而铁水粘度低,造成镁的逃逸越多,镁穿出铁水表面,遇到空气燃烧而损失,经常看到铁水表面冒出小火苗就是镁氧化燃烧的结果。

再者,温度越高,镁、稀土和氧的亲和力加大,导致回硫现象加重。

但是,铁水温度过低时,也会导致缺陷的产生。

此时,球化剂不能被熔化和被铁水吸收,它上浮到铁液表面燃烧或被氧化。

同时,镁和稀土在铁液表面上生成的氧化膜随温度下降而加厚,从而使稀土、镁损失加大。

由此可见,铁水温度应在一定的范围内,仿真表明铁水温度应在1380～1450℃之间,以1430℃左右为好。

2.5　铁水滞留时间铁水滞留时间是指铁水处理完毕到浇注结束之间的时间。

图3f )表明,随着滞留时间延长,球化不良和衰退现象越严重,其产生原因主要是滞留时间长,加剧了回硫现象,硫作为运载工具把镁和稀土送到铁水表面的循环次数加大,使稀土和镁的损失增大;此外,铁水停留过程中,镁不断蒸发形成气泡逸出铁水;再者,镁和稀土与氧发生氧化反应,也造成稀土和镁的损失。

经实际测定,镁的损耗速度为每分钟0.001%～0.004%,稀土的损耗速度为每分钟0.0006%～0.001%。

由此看出,铁水会不会产生球化衰退取决于球化剂的残留量,而其又与原铁水中的硫含量、氧化物含量、球化剂损耗速度以及滞留时间有关。

生产中,铁水滞留时间应小于20min 。

2.6　壁厚铸件壁厚越大,球化不良和衰退的现象越严重,如图3g )所示。

当铸件壁较厚时,铸件在型内处于液态的时间也越长。

由于镁的沸点较低,同时镁在铁水中的溶解度很低,使镁不断析出损失,而稀土相对来说损失较少。

此外,在共晶阶段,大・3・第18卷第4期 徐建林:球墨铸铁球化不良和衰退的仿真研究量的石墨在奥氏体壳内生成,由于结晶潜热的释放奥氏体壳升温,甚至熔化,使石墨突破奥氏体壳而长大,形成一些非球状石墨,也会造成球化不良的缺陷。