铁素体球墨铸铁的生产应用实践

【工程技术研究与

应用】

主持:李艳铁素体球墨铸铁的生产应用实践

徐俊洪①

(东方汽轮机厂,四川德阳618201)

[摘　要]　对影响铁素体球墨铸铁的化学成份、球化、孕育处理等因素进行分析。合理选择熔炼工艺,

调整铁水化学成分,严格控制球化处理和孕育处理过程,使QT400-18AL 材料铸件的力学性能达到了

标准要求。[关键词]　铁素体球墨铸铁;大断面球铁;QT400-18AL 中图分类号:TG143.5 文献标识码:B 文章编号:CK N 字07-005(2008)03-0066-03

随着风电市场的迅速发展,风电用球墨铸铁件需量增

加。由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处,受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击,常年经受酷暑严寒和极端温差的影响,故对风机铸件的可靠性和使用寿命比一般铸件要求高许多。除了常规状态下机械性能外,还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性,铸件须满足

G B /T1348-1998标准中QT400-18AL 材料性能要求。我

公司于05年未对风机齿轮箱、扭力臂等铸件进行了试制研究工作,发现此类铸件断面尺寸均较大,冷却缓慢,易导致石墨形状变坏、球数减少,各种元素偏析严重,铸件性能不易达到QT400-18AL 材料要求,特别是-20℃冲击韧度极低,虽可通过热处理方式降低一定的脆性转变温度,但延长了铸件生产周期。经多次试验,在铁素体球墨铸铁的生产工艺上取得很大进步,为今后批量化生产类似的球墨铸铁件奠定了基础。

1　铸件质量要求及生产难点

1.1　质量要求

风机铸件不允许焊补修理,性能必须由附铸试块测得:

抗拉强度σb ≥370N /mm 2、屈服强度σ0.2≥240N /mm 2、断后伸长率δ5≥12%;-20±

2℃条件下的最小冲击值akv (三个试样平均值)≥10J /c m 2,个别值akv ≥7J /c m 2;

1.2　生产难点

铸件平均壁厚>70mm,属厚大断面型铸件。铸件冷却缓慢,金属液体凝固时间长,易产生缩松,铸件致密性较差,影响铸件机械性能。通过对化学成分的调整、瞬时孕育等工艺措施,使铸态下获得较理想的低温冲击韧度的同时有较高的强度和延伸率。生产这种材料的难点主要是:解决铁水增碳难问题、如何达到铸件的低温冲击韧度、控制适量

的镁和稀土含量、球化孕育衰退的防止措施等。

2　生产条件

采用1t 、12t 中频感应炉熔炼,炉前采用直读光谱仪分

析调整铁水化学成分。

3　化学成份的选择

3.1　碳当量、碳、硅

碳当量应选择在共晶成分附近,此时铁液的流动性能最好,铸件组织的致密度高。根据铸件壁厚情况,碳当量选择4.1～4.4%。当促进碳化物形成元素(Mn 、Cr 等)较高或孕育量小时碳当量取上限,若采用纯净的低锰炉料时碳当量取下限。根据选定的碳当量按高碳低硅强化孕育的原则确定碳、硅含量。若含碳量较低则易产生游离渗碳体,理应保证C ≥3.5%,以改善铸造性能,增加铸件致密性。根据所选炉料的差异,控制碳在3.5～3.9%较为合理;硅含量主要是通过孕育措施加入的,其直接影响基体组织中的铁素体数量,但硅提高脆性转变温度。

虽可通过热处理方

图1　硅对抗冲击韧性的影响

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62008年第3期

四川工程职业技术学院学报JOURNAL OF SI CHUAN E NGI N EER I N G TECHN I CAL COLLEGE

2008年5月

May 2008①[收稿时间]2007-10-08

[作者简介]徐俊洪(1981-),男,东方汽轮机厂助理工程师;研究方向:铸造合金熔炼工艺设计。

式消除其影响,但增加生产工序,因此在保证有足够的孕育硅量的同时降低铸件中硅含量。如资料图1所示硅量最佳选择值为1.8%左右。

3.2　锰

锰是形成碳化物能力比较强的元素,在厚大铸件中其偏析严重,降低韧性和塑性。同时锰显著提高脆性转变温度,据资料,铁素体球墨铸铁中锰增加0.1%,脆性转变温度大约提高10～12℃[3]。因此,球墨铸铁都希望锰越低越好。结合原材料情况,锰控制在0.30%以下。[1][2]

3.3　磷

磷对石墨化的影响不大,当P>0.05%时易偏析于共晶团边界形成磷共晶,因此加剧白口化的因素都会加剧磷的有害作用;磷强烈降低低温韧性,磷量每增加0.01%,脆性转变温度上升4～4.5℃[3],同时较高的磷使铸铁的缩孔、缩松以及开裂倾向增加。故将磷控制在0.040%以下。

3.4　硫

硫极为有害,控制硫是稳定球化,提高质量的关健。硫低时减缓球化衰退且减少镁渣,一般铁液中硫的残留量低于0.025%,球化处理后铁液中硫一般低于0.01%。但当原铁水中的S<0.01%时进行球化处理,反而使球墨数变少。实际生产过程中原铁液硫控制在0.020%以下。

3.5　镁和稀土

镁的球化能力最强,获得的石墨球圆整,是主要的球化元素,但其抗干扰能力较差,易衰退,对铁水纯净度要求较高,因此常利用稀土的净化作用提高球铁的抗衰退能力并强化其机械性能。同时,镁和稀土都有白口化倾向,稀土影响更大,使铸态球铁韧性下降,脆性转变温度提高,在保证球化的前提下尽量降低镁和稀土的含量。基于镁和稀土在铁素体球铁中所起的作用,镁含量应超过稀土含量,根据铸件壁厚情况,控制镁0.04～0.06%,稀土0.02～0.04%。

4　生产过程控制

4.1　原材料的选择

大量的研究资料表明,用含M n、P、S及其它杂质元素都较低的纯净生铁在相同条件下生产的铸态球墨铸铁有较高的综合机械性能,因此,严格控制炉料的纯净度是获得优质铸件的必要条件,经多方了解,选定某厂Q10生铁,并对Mn、P、S含量提出了更高的要求,在用含稀土的球化剂处理时,钛低于0.16%时反球化作用影响较小,不予考虑。为减缓球化孕育衰退以及避免铁液在铸型的厚大断面处石墨形状变坏,选用含适量Mn的长效孕育剂,利用Mn阻碍石墨化的特点,抑制石墨球长大,从而推迟了孕育衰退时间,同时Mn降低孕育剂的熔点更有利于瞬时孕育的进行。

4.2　炉料配比

炉料的适宜配比是保证铁水化学成分合乎要求的首要环节。根据铁水化学成分及铸件机械性能的要求,并考虑在熔炼过程中元素的变化和炉料的实际情况,确定金属炉料的配比。

4.3　熔炼过程控制

温度、化学成分、纯净度是铁液质量的主要指标,在一定温度范围内提高铁液温度有利于力学性能的改善,但是铁水温度过高或在高温下保温时间过长时,容易产生反白口或内部缩松;在炉内采用特有的工艺方法进行增碳试验,取得了良好的增碳效果。根据原铁水情况、球化处理温度、铁水处理量等因素控制出炉温度在1440～1480℃之间。

4.4　球化处理

4.4.1　球化处理方法:采用覆盖球化剂冲入法。

4.4.2　球化剂加入量:应根据铁液成分、铸件壁厚、球化剂成分和球化元素的吸收率等因素确定,若球化剂放置时间较长,则应适量多加。

4.4.3　球化处理温度:球化反应控制的关健是镁的吸收率。温度高,反应激烈,时间短,镁烧损多,球化效果差;温度低,反应平稳,时间长,镁吸收率高,球化效果好。因此,在保证足够浇注温度的前提下,不宜过分提高球化处理温度,过高的温度会加剧球化衰退,一般控制在1440～1480℃。

4.4.4　减缓球化衰退的措施:球化衰退是因球化元素M g和RE的逃逸引起的,减少球化元素逃逸的措施都有助于减缓球化衰退。如选用较深的球化处理包、适当的铁水温度、缩短铁液球化后的停留时间、铁液的覆盖情况等。

4.5　孕育处理

孕育处理是球墨铸铁生产过程中的关健环节。它不仅促进石墨化,防止自由渗碳体和白口出现,而且决定了石墨球大小、石墨球数和石墨球的圆整度,增强厚大铸件断面组织、性能的一致性。

4.5.1　孕育剂粒度:孕育剂粒度对孕育效果也有一定的影响,小颗粒的孕育剂能迅速溶解在铁液中并发生孕育作用,但其作用也会很快消失,而大颗粒孕育剂则能在铁液中维持较长时间的孕育作用,根据铁液对孕育剂的熔化能力(铁液温度、铁液量)选择孕育剂粒度5～25mm,瞬时孕育时粒度0.5～3mm。

4.5.2　孕育方法:采用多次孕育处理方法,但主要在球化反应基本平息后,孕育剂从铁水槽缓慢加入的方式进行。

4.5.3　减缓孕育衰退的措施:并非孕育过程中形成的所有晶核都能长成石墨,只有大于临界尺寸的石墨晶核才是稳定的。温度越高,过冷度越小,临界晶核尺寸越大,小于临界尺寸的晶核会重新熔入铁水而消失,溶解的晶核也越多,因此包内加入孕育剂再兑入高温铁水将大大削弱孕育作用。孕育处理后的铁液尽快浇注、采用长效孕育剂以及多次孕育等措施才能减缓孕育衰退。

4.6　球化效果炉前检验

炉前检验孕育、球化效果好坏,采用三角试样。浇注的三角试样,冷至暗红色,淬水冷却,砸断后观察断口。断口银白色,尖端白口,中心有疏松,两侧凹缩,同时砸断时有电石气味,敲击声和钢相似,则球化良好,否则球化不良。

5　结论

5.1　通过对影响铁素体球墨铸铁的各个因素进行分析,并对其过程进行控制,铸件力学性能符合要求。图2为附铸试块的金相图。

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