球铁典型铸造缺陷极其防止.doc

球铁典型铸造缺陷极其防止1、球化不良与球化衰退（1）球化不良：球化不良是指球化处理没有达到预期的球化效果。球化不良的金相组织为：集中分布的厚片状石墨和少量球状、团状石墨；有时还有水草状石墨。随着球化不良的程度的加剧，集中分布的厚片状石墨的数量逐渐增多、面积增大，球化不良将使球墨铸铁的力学性能达不到响应牌号要求的指标。关于球化不良产生的原因极其防止措施分述如下：1、原铁液含硫高 硫是主要反球化元素，含硫高会严重影响球化，一般原铁液的硫的质量分数要小于等于0.06%。为保证球化，当原铁液含硫量偏高时，必须响应地提高球化剂的加入量，含硫量越高，则球化剂的消耗量也越多。2、球化元素残留量低 为使石墨球化良好，球铁中必须含有一定量的残余镁和稀土，在我国现今生产条件下，残余镁量的质量分数不得小于0.03%，残余稀土量的质量分数不得小于0.02%。3、铁液氧化 原材料中铁锈、污染以及铁液在熔化与过热中的氧化，导致铁液中的FeO含量增多，因而在球化过程中要消耗更多的镁，致使残余镁量过低。4、炉料含有反球化元素 当反球化元素超出允许范围时，就会影响球化效果，要注意废钢中可能含有钛，还要注意电镀材料、铝销、铅系涂料进入冲天炉。稀土有中和反球化元素的能力，根据我国原生铁中含有较多的反球化元素的情况，我国球铁中的残余稀土量比国外的要多。5、 孕育效果差 由于孕育效果差，或者孕育衰退，均会造成石墨球数量少，使得石墨球不圆整。6、型砂水分高、含硫量高 由于界面反应，铁液中的镁与铸型表面中的氧、硫发生作用，致使铸件表面的残余镁量不足，形成一薄层的片状石墨。解决的措施就是提高残余镁量，减少型砂含水量，型砂硫的质量分数应小于0.1%，或采用能获得还原性气氛的涂料。在使用含硫硬化剂的树脂砂铸型中，可采用含有MgO、CaO的涂料。2、球化衰退球化衰退的特点时：炉前球化良好，在铸件上球化不好；或者同一浇包的铁液，先浇注的铸件球化良好，后浇注的铸件球化不好。球化衰退的原因是镁量和稀土量随着铁液停止时间的延长而发生衰退。镁、稀土与氧的亲和力大于与硫的亲和力，所以孚在铁液表面的Mgs、Ce2S3夹杂物与空气中的氧要发生下列反应：2MgS+O2=2MgO+2S 2Ce2S3+3O2=2Ce2O3+6S 此时，所产生的硫又进入铁液中，与镁、稀土发生作用：Mg+S=MgS2Ce+3S=Ce2S3 这样，随铁液停置时间的延长，硫不断和镁与稀土发生作用，不断生成MgS、Ce2S3，它们又不断的被空气中的氧所氧化，循环进行。结果，消耗了铁液中的镁和稀土，硫又重新从浮渣进入铁液中，出现“回硫现象”。稀土铈、钇的沸点比镁高，在一般的铁液温度下它们不会发生汽化逸出。此外，稀土铈、钇的硫化物、氧化物的熔点高、密度大，上浮速度慢。所以，稀土铈、钇的减缓速度比镁要小，在13501400，镁的质量分数的衰减率是（0.0010.004）%/Min；轻稀土铈的质量分数的衰减速率是（0.00060.002）%/min；重稀土钇的质量的衰减率是0.0008%/min。各种球化元素的衰减速率与铁液中的含硫量有密切关系，含硫量越高，则衰减速率就越快。减少球化衰退的措施列举如下：（1）缩短铁液的停置时间：从球化处理完成到浇注完毕，应在15min以内结束。（2）降低原铁液含硫量：原铁液含硫高，则需要消耗更多的球化元素，另外，原铁液含硫量高，也是渣中的硫化物含量增大，促使“回硫现象”加剧，加速球化衰退。（3）加强覆盖与扒渣：球化处理后加稀渣剂（例如珍珠岩）覆盖，并采取多次扒渣措施，可减少“回硫现象”。（4）适当增加球化剂用量 根据铁液中的含硫量，采取响应的增加球化剂用量的措施，是可行的，也是有效的，但不是最佳的。治本的措施是力求把铁液中的含硫量降至最低。另外，过多地加入球化剂，不仅增加成本，而且还会导致石墨球化程度的恶化。3、缩孔和缩松特点：缩孔和缩松在球铁中要比在普通灰铁中更为普遍。要防止它们，就必须给予更多的注意和控制。能够明显看出的、尺寸较大而又集中的孔洞叫缩孔，不宜看清的、细小分散的孔洞叫缩松。大多在铸件热节的上部产生缩孔。在铸件热节处、在缩孔的下方往往有比较分散的缩松。但是，对于一些壁厚均匀的中心，或者是在厚壁的中心部位，也可出现缩松。有些缩松的体积很小，只有在显微镜下才能被发现。这种缩松呈多角形，有时连续、有时断续，分布在共晶团边界。这种缩松叫显微缩松。奥氏体枝晶凝固后，残余的铁液则在枝晶间最后凝固，因得不到补缩而形成显微缩松。球墨铸铁的缩孔与缩松体积比普通灰铸铁、白口铸铁和碳钢都要大。（从铸铁成分一文中有表及数据说明），但是，在生产中，也可采用无冒口工艺得到健全的球铁铸件。球墨铸铁缩孔和缩松增大的原因1、球状石墨在铁液中析出 经过球化处理后，球状石墨会立即在铁液中析出，并且，随着温度的逐步降低，铁液中的石墨球逐渐长大。石墨析出和长大的过程，伴随着液态金属的膨胀。2、离异共晶转变 球墨铸铁以离异共晶的方式进行共晶转变。其凝固方式是内外几乎是同时进行的粥样凝固，因而容易形成显微缩松。3、共晶膨胀量大 由于呈粥样凝固，铸件在共晶转变期间要持续很长时间，球墨铸铁的共晶时间可比普通灰铸铁延长一倍还要多，由此，导致共晶转变的石墨化膨胀量大。4、型壁移动 在共晶凝固期间，由于粥样凝固，决定了铸件表面的凝固层很薄，以至不能建立其足够强度的凝固外壳，以抑制共晶凝固期间产生的石墨化膨胀，致使铸型内壁向外移动。在铸型刚度不够的情况下，使型腔尺寸增大，由此导致缩孔缩松体积进一步增大。5、球化处理使铁液的过冷度加大 铁液经过球化处理后，原有的氢、氧、氮和CO气体含量减少，铁液得到了净化，致使外来核心减少。并且，铁液的过热温度越高，净化程度也越高，由此导致的过冷倾向也更加剧。此外，球化元素镁和稀土均能与碳形成炭化物，由此减少了石墨化程度，加大了收缩倾向。4、防止产生缩松和缩孔的措施1、铁液成分 碳、硅、锰、稀土、镁的含量必须适当。含碳量高，可使缩孔和缩松的倾向减小，但含碳量过高，会产生石墨漂浮。对于薄壁铸件来说，碳硅含量低时，易产生游离炭化物。对于厚壁铸件，可采用较低碳量，并适当增加硅量。锰易形成炭化物，容易促使形成缩孔缩松，为此，应当力求降低含锰量，尤其对于铸态铁素体球墨铸铁，更是如此。在保证球化的前提下，不使镁和稀土残余量过高。2、铁液状态 缩孔与缩松倾向小的铁液所具有的冷却曲线的斜率应较小，过冷度要小。共晶凝固时的膨胀要小，二次收缩也小。要是曲线C转变成A，要满足的条件是：（1）冷却速度慢（2）碳当量高，析出石墨的倾向大。（3）铁液中有效石墨核心数量多。（4）良好的孕育效果。3、铸型刚度 对于湿砂型来说，铸型硬度要在90（B型硬度计）以上，希望能达到40MPa的抗拉强度。此外，砂箱的紧固也非常重要。对于金属型覆砂（覆砂厚度8mm左右）以及用自硬砂制作大型铸件时，可以实现无冒口铸造。此时要满足的条件是：G1+2+式中G由碳的石墨化而引起的铁液膨胀量；1铁液的液态收缩2凝固收缩铸型膨胀量。4、浇铸温度 为了防止产生缩孔和缩松，就要使液态收缩量减小，浇注温度低是有利的。但是，对于薄壁（10mm）铸件来说，容易出现炭化物。此时，采用冒口补缩却难以发挥作用。因此，适宜的浇注温度还取决于铸件的结构与铸件壁厚。5、浇注系统 采取顺序凝固方式，对于铸件、冒口、冒口颈、内浇道和横浇道的设计和安放以及外冷铁的设置和在必要时使用金属型等，均是行之有效的防止缩孔与缩松地有效措施。5、皮下气孔现象在球墨铸铁生产中最常见的缺陷之一就是皮下气孔。在湿铸型、特别是比表面积大的小型铸件中最容易发生皮下气孔。皮下气孔往往位于铸件表面以下0、51mm处，孔径多为0、52mm的针孔，内壁光滑（内表面有时附有石墨膜），呈均匀分布在铸件上表面或远离内浇到的部位，但在铸件则面和底部也偶而寸在。在铸态时，皮下气孔不宜被发现；但是,铸件经热处理后,或是经机加工后则显露.皮下气孔影响铸件的表面质量,并且在出现皮下气孔的部位,往往伴随着片状石墨,因而恶化了该部位的力学性能。产生的原因在把铸件表层去掉后，就会发现有许多小针孔，其中充满了硫化氢气体。由此，可以推断发生的化学反应是：当铁液中的硫化镁与铸型中的水相遇时，则产生硫化氢。MgSH2OMgON2S 结果是：形成的N2S气体在铸件快速凝固时，来不及上浮，就停留在靠近铸件表面上。因此，这些气泡不仅呈球形，有的还成雨滴状，这些雨滴的尖端伸向铸件内部。皮下气孔也可能是由产生的氢气造成的。在经球化处理后的铁液中，会发生如下反应：（Fe、Mg）CN2O（铸型中）（Fe、Mg）OC2H2C2H22C（石墨膜）H2（气泡）MgN2O（铸型中）MgOH2（气泡）此外，在皮下气孔内，有时会发现渣状夹杂物，这些渣中Si、Al、Ng、Ca含量较高。由此，形成的Al2O3、CaO、MgO、SiO2、MnO等可为气泡的异质形核提供结晶衬垫。在温度大于1530时，会发生反应：SiO22CSi2CO在温度大于1400时，会发生反应：MnOCMn2CO 在温度大于720时，会发生反应：FeOCFeCO上述的三个反应均会形成CO气体，导致铁液中CO气体过饱和程度，产生过大的析出压力，因而加剧了皮下气孔的形成。皮下气孔的防止可采取如下措施：（1）采用湿型铸造时，必须严格控制型砂中的水分，其最高质量分数不得超过5、5%。（2）提高浇注温度，特别是对于薄壁铸件，浇注温度不得低于1300。（3）球化处理后扒渣，浇注前挡渣，以防止更多的MgS随铁液进入铸型。 （4）球化处理后，令铁液静置片刻，这对MgS颗粒上浮，进入渣中排除有利。（5）提高铸型的透气性，有助于减轻皮下气孔。（6）采用冰晶石粉可有效减轻皮下气孔，冰晶石粉与水发生如下反应：NaAlF62H2ONaAlO22HaF4NF 由于冰晶石与水的作用，就避免了水与铁液中MgS的作用。（7）避免铁铁中含有铝，因为它易于水蒸气反应，而产生氢气孔：3H2O2AlAl2O3H2 为此，硅铁中铝的质量分数限制在0、5%1、0%范围内。如果铝的质量分数大于2%，则易生成氢气孔。（8）在型砂中附加还原性的碳质添加物，可防止皮下气孔的产生。（9）改进浇注系统设计。6、夹渣加渣中有三种类型：第一型粗大渣是2MgSiO2MgS或FeS；第2型条状渣是MgO，第3型细小渣是MgOMgS，它们是单独或是符合析出的。另外，1型粗大渣中还混有Al2O3。因此，要采取的预防措施是：在保证球化的前提下，尽量减少残余镁量；原铁液中的氧，硫含量必须降至最低；在球化剂中含有钙和稀土，可减少加镁量和残余镁量。采用茶壶式前炉和铁液包，使所产生的熔渣完全分离开。浇注温度低，产生MgO和SiO2，它们相结合而形成镁橄榄石，与Al2O3也能结合，由此形成加渣，在1350以下时会急剧产生镁橄榄石。另外，铁液紊流易氧化，促进了这些反应，因此，必须在浇注系统、浇注方法上注意铁液避免发生紊流。球化处理时，在球化剂表面添加质量分数为00201%的冰晶石粉和氟碳酸钠粉，能减少加渣的形成。在直浇道底部或在横浇道连接部位设置过滤网，或者在浇注系统中设置阻流挡渣。浇注时的压头必须尽可能降低。必要时，把横浇道分成上、下型，以减少压力。也可在横浇道中设置集渣冒口，使铁液旋转渣子上浮。在型内孕育时，要使FeSi反应充分，以防未溶解的FeSi上浮至表面而形成异常的组织，造成机械加工性能恶化。还可以在横浇道的顶端延伸一段用做剂渣段，但在此处不得开设内浇道。7、石墨飘浮石墨漂浮是指是在铸件的上表面，有大量的石墨球聚集，并且，此时的石墨形态，既有原来的致密球形转变成开花形。由此，恶化了铸件的表面质量和力学性能。产生石墨漂浮与铁液的碳当量有关，也和铸件的几何形状和冷却速度有关，另外，它还可能与铁液的形核程度有关。其中冷却速度的影响要明显的多。对一般球墨铸件，大多数采用的碳当量的质量分数为4347%，这对于中小件是适用的，但是，对于厚大断面的球铁铸件，则要把碳当量的质量分数范围降至4344%，否则，就会出现石墨漂浮现象。对于厚大断面的球铁，如果采用金属型加以冷却，则把碳当量提高到4647%，也不会出现石墨漂浮。石墨漂浮现象的出现，还与浇注温度有关，随着浇注温度的提高，出现石墨漂浮的可能性增大。石墨漂浮现象的出现，与铸件壁厚、铁液成分（以液相共晶成分CEL表示，CEL（质量分数，%）=C+1/4Si+1/2P）和浇注温度的关系，（如常用铸铁的性能及化学成分一文中列表所示），随着铸件壁厚的增加以及浇注温度的提高，临界最大液相共晶成分降低，也就是允许的碳当量降低。7、反白口反白口现象在铸铁件的断面上，出现与正常的断面相反的现象。在铸件的中心部位或是在缓慢冷却（热节）的部位，本来是出现灰口组织，但却出现的是白口组织或是麻口组织；但是，在铸件的外表层或是在冷却较快的部位，本来是出现白口组织或是麻口组织；但是，在铸件的外表层或是在冷却较快的部位，本来应该是出现白口组织或是麻口组织，但却出现的是灰口组织。广义来说，灰铸铁和球铁件都会出现反白口现象。不过，灰铸铁，一般是在生产过共晶成分的活塞环时出现。球墨铸铁，特别是我国在生产球墨铸铁件时，往往是加入了更多的稀土和硅，因而，经常是在缓慢冷却的大断面球铁件和热节部位出现反白口现象。在铸件出现反白口现象使机械加工困难、加剧刀具磨损。另外，在生产反白口现象的部位，往往出现缩松，基体组织中含有较多的炭化物，因而导致该部位的力学性能降低，特别是使塑性降低。 产生的原因近代对球铁的微区成分分析表明，成分偏析的确存在，尤其是慢冷的大断面球铁件，其偏析更为严重。用电子探针对球铁中石墨球周围极其共晶团边界分布所进行的分析结果如图所示。由图可以看出，在共晶团边界常富有的锰、铬、钼、钒、钛、稀土等形成炭化物的元素以及磷、硫、锡、锑、铋、砷等低熔点元素，这些元素富集在共晶团边界称做正偏析；而在共晶团内部、沿石墨球周围，则富集硅、铜、镍、铝等促进石墨化的元素，这种富集称做负偏析，例如，式样的平均成分为C=40%、Si=2.52%. Mn=0.71%. P=0.041%. S=0.051%. Cr=0.086%. Mg=0.113%., 经测定,在呈正偏析的区域里,C=5.09% Si=0.09% Mn=1.72% Cr=0.44% Mg=0.069% .而在负偏析的区域里,则:C=0.93%. Si=2.55% Mn=0.65% Cr=0.08% Mg=0.058% .另外,在没有合金元素的情况下,也会在球墨铸铁中发现硅呈负偏析和锰呈正偏析的情况.例如,在大型球墨铸铁轧辊中,冒口部位锰的质量分数是2.015%,而在冷却速度较快的辊身部位,其锰的质量分数则只有0.6%.球墨铸铁中的含硅量越多,则硅的偏析也就越严重。根据FeCSi相图分析，在接近平衡的条件下,先结晶凝固的则是高硅相,因而容易出现灰口组织.后结晶凝固的则是低硅相,因而易形成白口组织.因此,在快速冷却的部位可以出现灰口组织,而缓慢冷却的部位,则反而会出现白口组织(或是麻口组织)在出现硅呈负偏析的同时，还会出现炭化物形成元素在共晶团边界的正偏析，特别是，由于球化剂中的稀土元素，它们易形成炭化物，因而在铸件缓慢冷却的部位出现稀土元素的富集，并形成炭化物，导致白口倾向加大，使反白口现象加剧。此外，在缓冷的中心部位，也会出现孕育衰退现象，这也导致了反白口的程度的加剧。反白口现象的防止（1）控制球铁中的硅量不得过高，即使是铁素体的球铁，其硅的最高质量分数不得超过2.8%;对于铸光体基体的球铁，其硅的最高质量分数不得超过2.4%。（2）控制球铁中含锰量。即使是铸光体球铁，其锰的最高质量分数也不得超过0.8%;对于铁素体基体的球铁,其锰的最高质量分数不得超过0.3%.(3)控制球铁中残余稀土量.使用含稀土较低的球化剂,使稀土的质量分数控制在0.03%以下为宜。（4）改善孕育技术，提高孕育效果，采取迟后孕育，使球铁在一次结晶时，出现尽可能多的石墨球。（5）在铸造工艺设计时，尽量消除铸件各部位冷却速度的差别过大，厚大部位采用冷铁工艺。（6）在熔炼工艺方面，要防止底焦过低和送风量过大，由此会导致元素烧损严重和铁液中FeO含量过高。（7）采取高温退火工艺，可局部消除反白口现象。但是，要完全消除硅、锰、稀土以及各种合金元素的微区偏析，采取高温均匀化退火是不可能完成的。碎快状石墨现象碎快状石墨是大端面（壁厚100mm）球铁中或是在热节部位经常出现的畸形石墨。在宏观断口上，可看到13mm大小的黑色斑点密布在铸件缓慢冷却的中心区域。出现碎块状石墨的部位，质地疏松，恶化力学性能，特别是塑性指标明显降低。把试样进行深腐蚀并在扫描电镜下观察发现，碎块状石墨有其自己的共晶团。在一个共晶团内部，碎块状石墨是相互联系在一起的，并且，由于它是在缓慢凝固时形成的，因而共晶团得以发展长大，所以它比球状石墨共晶团要大的多，其几何形状也大体上呈球形。由于这些石墨很细小而切分枝频繁，所以碎块状石墨共晶团内，往往伴随的金属基体是铁素体。产生的原因关于碎块状石墨形成的机制，至今尚不完全清楚。由扫描电镜观察表明，铁液对碎块状石墨有冲蚀作用。首先生成的是碎块状石墨共晶团。后来，由于凝固过程十分缓慢，形成的共晶团尺寸粗大，又由于这种碎块状石墨分枝频繁和细小，因而在其端部的联系松散，在铁液热对流的作用下，有可能使靠近共晶团边界的石墨，被冲蚀形成游离的碎块。另外，较大尺寸的碎块装石墨在热对流作用下，分裂成尺寸更小的碎块状石墨，因而，从共晶团内游离出来，漂浮在共晶团边界处。其次，由于凝固缓慢，析出的石墨球比一般的初生石墨球要大的多。当超过某一尺寸时，这些石墨球中的铁包含物增多。随着这些石墨球在铁液中的进一步长大，因尺寸变化会形成内应力。由于在张大过程中所引起的内应力的不断增加，超过一定值时，致使石墨球开始破裂形成碎块。在凝固过程中，铁液对流可使这些碎块变的更小，并且，它们被铁液的热紊流作用冲入树枝晶间，形成碎块状石墨的结晶核心。防止（1）化学成分 在化学成分中碳当量的影响是最大的。在厚大断面球铁中，再不产生石墨漂浮的前提下，应尽量提高碳当量。用镁处理的研究表明，碳当量的变化会明显影响石墨形状，随着碳当量的增加，石墨球数增加，非球状石墨减少。因此，对于亚共晶成分的球铁，冷却速度缓慢使球状石墨畸变；对于共晶成分的球铁，即使冷却速度缓慢，石墨球仍然保持球状；对于过共晶成分的球铁，则石墨不仅圆整，而且细小，但是，在球化剂含有稀土的情况下，则容易形成碎块状石墨。为此，建议碳当量质量分数在4.24.4%之间。另外,碎块状石墨与含硅量有密切关系。增加含硅量将促使碎块状石墨的形成。为此，在厚大断面球铁中，尽量采取较低的含硅，量，例如，对于铸光体球铁，其最高硅的质量分数不超过2.4%。过量的稀土将导致碎块状石墨的增多。生产实践表明，如果稀土残余量超过镁残余量，在厚大断面球铁中，必然会出现碎块状石墨。为此，残余稀土的质量分数不得超过0.03%。此外，在厚大断面球铁中，由于凝固过程缓慢，导致镁的蒸发损失，为此，要把残余镁量控制在更高的水平，残余镁的质量分数不得小于0.05%。对于镍的质量分数超过20%的奥氏体球铁，也会经常出现碎块状石墨。对此，可采取加锑，其质量分数为0.002%-0.008%,以克服碎块状石墨的出现。（2）孕育：对于厚大断面球铁，当每1mm2面积上的石墨球数达60个以上时可不出现碎块状石墨。采取迟后孕育，对于厚大断面球铁的石墨球数也同样是有效的。采用型内孕育，可使石墨球数增加2倍。采用长效、高效孕育剂，例如采用含钡和锆的孕育剂，可使凝固时间长达3h的厚大断面球铁中保持有细小、均匀的球状石墨。采用钡的质量分数为1%2%的75SiFe，可具有长效孕育的作用。对于厚大断面球铁，采用粗颗粒的（例如35mm）或是团块状的孕育剂进行孕育处理，对克服碎块状石墨是有利的。但是，孕育过量也将导致碎块状石墨，为此，迟后孕育用的孕育剂加入量，其质量分数不得超过0.1%。（3）微量元素 在厚大断面球铁中，与铈一起加入适量的锑、铋等微量元素（锑和铋本来是干扰球化微量元素），这时不但不会干扰石墨球化，反而能消除碎块状石墨。在没有铈和其它元素的情况下，加入质量分数为0.002%的锑,可使200mm断面球铁的中心部位的石墨非常圆整。锑的回收率为8085%，而且回炉料中的锑也可以大部分回收。在用回炉料和未知成分炉料时，易使锑的质量分数超过0.005%。因此，在加锑的同时，要加入质量分数为0.01-0.05%的铈,以抵消锑和其他元素的破坏作用。（4）工艺措施 最有效的工艺措施是采用金属型或冷铁。实践表明，采用金属型可显著缩短凝固时间，因而减少碎块状石墨出现的几率。对于300mm的圆柱形铸件，在砂型中的凝固时间是120min；而在金属型中的凝固时间可缩短为60min；对于200mm的圆柱形铸件，在砂型中的凝固时间为60min；而在金属型中的凝固时间为30min。此时，就不会有碎块状石墨的出现。（完）（范文素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）