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高強度鑄態球墨鑄鐵整體橋殼材質及工藝的研究開發
來源:砂型鑄造  閱讀:次  時間:2017-07-15

針對樹脂砂鑄造工藝生產的QT600-5整體鑄造橋殼的材質及工藝進行研究攻關,通過改進、優化其化學成分、合金含量、球化處理及孕育處理工藝等,解決了球鐵橋殼強度和伸長率低以及碎塊狀石墨的質量問題;通過工藝優化,解決了橋殼的縮松問題,橋殼臺架疲勞強度試驗由40萬次斷裂,提高到150萬次不斷裂。

 

 

1.整體鑄造橋殼的材質要求

 

     材質要求為 QT600-5,要求有較高的抗拉強度及伸長率,金相組織及力學性能符合表1要求。

2.原生產工藝及橋殼質量    

 

原生產橋殼化學成分,見表2。合金化處理主要選擇Cu、Mn、Sn三種元素,考慮生產成本的影響,Cu含量比較低。

2010年,我廠生產的整體鑄造橋殼本體抗拉強度基本在600 MPa左右,有時本體抗拉強度達到500MPa,伸長率在3%~4%。臺架試驗要求達到80萬次以上,實際在底盤做臺架試驗,只做到40萬次即發生斷裂,斷裂后解剖本體進行檢測,發現本體試棒位置和斷口位置均存在不同程度的碎塊狀石墨,斷口位置球化率達到5級,見圖1-圖4。因此,如何提高球化率和本體抗拉強度及伸長率,就是亟待解決的問題。

 

3.進行試驗攻關,提高橋殼本體強度和性能  

3.1廢鋼代替生鐵

使用3t中頻爐熔煉,原先配料采用20%的生鐵,40%打包廢鋼,40%回爐料,生鐵中的P、S、Ti、V等微量元素容易形成磷共晶、磷錳化合物、硫化錳等夾雜物,影響橋殼本體的性能。隨著橋殼縮松問題的解決,為提高鐵液純凈度,減少微量元素的危害,取消了生鐵,改為廢鋼60%,回爐料40%。

3.2球化和孕育

鐵液球化處理是球鐵生產的重要環節,對于高強度球鐵橋殼來說,球化處理更是關鍵,球化處理工藝的好壞直接影響到橋殼的金相組織和力學性能。

采用 3 t 中頻爐熔化,爐料采用廢鋼加增碳劑,沖入法球化處理工藝,由于車間廠房環境限制,從球化到澆注時間比較長,大約12~15min,另外整體鑄造橋殼壁厚比較厚,整體厚度20mm,局部熱節處厚度達到50mm,樹脂砂工藝散熱條件也比較差,鑄件冷卻速度比較慢??悸欽廡┮蛩?,為防止球化衰退,球化劑采用適量的釔基重稀土球化劑和稀土鎂球化劑。球化處理時,要求球化包內無剩余鐵液,稱量準確,鐵液出爐溫度為1490~1510℃,出水量每包1.5t,球化反應后采用高效聚渣劑多次打渣。

孕育處理同樣是球鐵生產的關鍵工序,球墨鑄鐵原鐵液中添加球化劑后過冷傾向增大,在添加孕育劑后減小過冷,抑制滲碳體的析出,促進析出大量細小圓整的石墨球。孕育是保證凝固結晶過程中析出正常球狀石墨的重要條件之一。

目前,孕育處理工藝方法有很多種,如爐前孕育、倒包孕育、澆口杯孕育、隨流孕育、型內孕育,孕育絲法等。我廠樹脂砂車間采用球化處理包直接澆注,孕育采用二次孕育:淤爐前孕育既球化處理時的一次孕育,使用含Ba的高效復合孕育劑0.4%,另根據原鐵液Si量加0~0.4%的75SiFe孕育劑;于澆注時隨流孕育,既瞬時孕育,采用含Ba、Ca高效孕育劑,加入量0.1%~0.15%,粒度 0.2~0.7 mm。

3.3合金化處理

通常 Cu、Sn、Mn、Cr、Ni、Mo等合金元素都是球墨鑄鐵中提高珠光體含量的合金化元素,但對于高強度,又有高伸長率的整體鑄造橋殼來說,選擇哪些合金元素、含量多少既能保證強度和伸長率,又不大幅增加成本。根據生產實踐和理論分析,綜合考慮,選擇Cu,Mn、Sn做為合金化處理元素。

錳使球墨鑄鐵的白口傾向增加,對于厚大斷面的鑄件來說,錳又是偏析傾向特別顯著的元素,錳是在殘余鐵液中富集的元素。錳被不斷長大著的共晶團所排擠,以致富集在共晶團邊界上,因此便在共晶團的邊界上形成富錳的組織成分,最后則以碳化物形式凝固,如果形成的碳化物呈網狀分布在共晶團邊界上,則對力學性能非常有害。錳對穩定珠光體的作用也很明顯,在生產珠光體球墨鑄鐵時,可以利用錳的穩定珠光體的作用,消除鐵素體組織,特別是消除石墨球周圍的牛眼狀鐵素體組織,但是,錳促進珠光體的作用畢竟是有限的,適當的錳量可以提高球鐵的強度、硬度和耐磨性,但錳量過高則降低韌性、塑性甚至降低強度。錳還是一種阻礙石墨化的元素,隨著錳量的增加,石墨球的數量明顯減少。因此,即使是對于珠光體基體的球墨鑄鐵來說,錳也不應該超過 0.6%。因此我們將錳量由原來的0.6%~0.8%調整為0.4%~0.6%。

錫是生產高牌號球墨鑄鐵常用的合金,強烈穩定珠光體元素,并使石墨細化,分布均勻,不會促進生成滲碳體。但根據生產實踐證明,錫促進珠光體的作用太過強烈,我們把錫由原來的 0.03%~0.045% 降到0.02%~0.035%后,伸長率基本能達到5%,為進一步提高伸長率,徹底取消了錫的加入,而改為了銅。

銅促進珠光體形成的作用十分強烈,一般認為銅單獨加入1.0%就可以使得球墨鑄鐵在鑄態下得到全部珠光體基體。銅對球墨鑄鐵基體組織的影響主要為:在共晶轉變時,促進石墨化,可減少或消除游離滲碳體的形成;在共析轉變時,促進珠光體的形成,可減少或完全抑制鐵素體的形成;改善鑄件斷面組織與性能的均勻性;對基體固溶強化;對基體沉淀硬化;不形成游離滲碳體,不與碳形成碳化物; 成負偏析,銅元素富集在共晶團內部。同時,銅的熔點低,加入方便,且在熔化過程不燒損,因此,銅成為球鐵和灰鐵生產中最理想的合金化元素。在取消錫的基礎上,將銅提高到0.6%~1.0%。

3.4化學成分

碳含量高,則析出的石墨數量大,石墨球數多,球徑尺寸小,圓整度增加,并且可以減少縮松、縮孔的面積,但有一體化橋殼的壁厚比較大,并且樹脂砂工藝散熱條件差,碳高容易產生石墨漂浮。因此,在保證不產生縮孔、縮松的條件下,碳控制在3.6%~3.80%。

硅是促進石墨化元素,同時具有強鐵素體化的作用,硅提高球墨鑄鐵的抗拉強度和硬度,同時也使塑性指標降低,另外硅高還會促使碎塊狀石墨的形成;硅低則容易形成白口、縮松等缺陷。實際生產中將硅控制在2.1%~2.4%。表3 為生產中最終的化學成分。

3.5結構調整

為了進一步提高強度,對橋殼結構進行了更改,分別采用兩種方案。第一種,在橋殼重要受拉應力面增加3道加強筋,筋寬8mm,高度5mm,間距30mm(圖 5、圖6);第二種,將橋殼橋腿處下部重要受力面內部和外部由圓弧面改為平面,平面寬度30mm,更改后不減小橋殼壁厚,受最大拉應力由圓弧面的一點改為整個平面,降低其對應力集中的敏感性(圖7、圖8)。此兩種方案在底盤各做臺架試驗2件,均達到了150萬次不斷。

 

4.改進工藝,解決橋殼本體碎塊裝石墨金相組織

 

4.1形成機理

碎塊狀石墨是厚大斷面球墨鑄鐵中或是熱節部位經常出現的畸變石墨,在宏觀斷口上,可看到1~mm大小的黑色斑點在逐漸緩慢冷卻的中心區域,出現碎塊狀石墨的部位,質地疏松,惡化力學性能,特別是塑性指標明顯下降。

關于碎塊狀石墨形成的機制,至今尚不完全清楚。由掃描電子顯微鏡觀察表明,鐵液對碎塊狀石墨有沖蝕作用。首先生成的是碎塊狀石墨共晶團,由于凝固過程進行十分緩慢,形成的共晶團尺寸粗大。這種碎塊狀石墨分枝頻繁和細小,因而在其端部的聯系松散,在鐵液熱對流的作用下,有可能使靠近共晶團邊界的石墨,被沖蝕而形成游離的碎塊。另外,較大尺寸的碎塊狀石墨在熱對流作用下,分裂成尺寸更小的碎塊狀石墨,從共晶團游離出來,漂浮在共晶團邊界處。

由于凝固緩慢,析出的石墨球比一般的初生石墨球要大得多,當超過某一尺寸時,這些石墨球中的鐵包含物增多。隨著這些石墨球在鐵液中的進一步長大,因尺寸變化會形成內應力。由于在長大過程中所引起的內應力不斷增加,當超過一定值時,致使石墨球開始破裂形成碎塊。在凝固過程中,鐵液對流可使這些碎塊變得更小,并且它們被鐵液的熱紊流作用沖入枝晶間,形成碎塊狀石墨的結晶核心。

4.2試驗解決方案

方案一:降低C含量,由3.8%~3.9%降到3.6%~3.8%,隨流孕育量由 0.1%~0.15% 降到0.06%,降低重稀土球化劑。據資料介紹適當降低碳當量可消除碎塊狀石墨,孕育過量將導致碎塊狀石墨的形成,另外過量的稀土將導致碎塊狀石墨的加劇,建議殘余稀土量不得超過 0.03%。實際我們檢測的稀土含量為 0.042%。試驗結果如圖9、10、圖11所示,碎塊狀石墨沒有解決。

 

方案二:原來配料使用50%的回爐料,球化劑使用重稀土球化劑0.8%,考慮到回爐料中遺傳重稀土的影響,試驗了一爐取消回爐料,配料為生鐵30%,廢鋼70%,球化劑加入量不變,檢測稀土含量0.038%,比原先略有下降。結果如圖11、圖12所示,碎塊狀石墨沒有解決。

 

方案三:為進一步確認重稀土對碎塊狀石墨的影響,又試驗了一爐取消重稀土球化劑,輕稀土球化劑用量改為1.7%。試驗結果如圖13、圖14所示,碎塊狀石墨依然存在。

 

方案四:另據有關資料介紹,碳當量對碎塊狀石墨的影響最大,在不產生石墨漂浮的前提下,應盡量提高碳當量,含硅量的增加則促使碎塊狀石墨的形成。又試驗了一爐,提高碳量,降低硅量,3.93% C、2.2% Si,試驗結果如圖15、圖16所示,碎塊狀石墨依然存在。

 

方案五:采用釔基重稀土球化劑時加入適量的微量元素X可消除碎塊狀石墨,又試驗了一爐加適量微量元素X,試驗效果比較理想,如圖17、圖18所示,碎塊狀石墨基本解決并且細化了石墨。經過五輪的工藝試驗,最終通過加X的工藝方法,解決了本體各部位包括冷卻緩慢的工藝熱節處存在的碎塊狀石墨。

 

5.優化工藝,解決橋殼內部縮松問題    

5.1產品介紹

一體化橋殼輪廓尺寸為2218 mm×440mm×268mm要求內部縮孔縮松不超過 3 級。由于產品結構原因,鑄件各個部位壁厚差別較大,壁厚在 15~48 mm,熱節分布在橋殼不同的部位(圖19)且鐵液的牌號較高。因此鑄件產生縮孔、縮松傾向較大,要達到產品技術要求難度相當大。

 19 一體化鑄造橋殼熱節分布圖

5.2原工藝介紹

砂箱輪廓尺寸為2500 mm×1500 mm×280 mm,一箱兩件,砂芯4個,其中橋肚芯 2個,采用樹脂砂手工制芯;兩個端頭橋退芯2個,用874殼芯機制芯。使用冷鐵36塊,補縮邊冒口4個(φ130 mm×200 mm)每件2個冒口,冒口封腰40 mm×25mm,通氣針5個分布在橋殼的最高點及橋殼的端頭處(圖20)。澆注溫度1380~1420℃,澆注時間控制在35~50s。現工藝的主要問題為冒口封腰處縮松,縮松廢品率高達25%。

圖 20  型板布置圖及通氣針分布

  5.3解決縮松試驗方案

針對生產過程中產生的縮松問題,進行了一系列試驗方案,分別從配料、澆注溫度、冒口工藝等幾方面驗證了對縮松問題的影響。具體方案和結論見表4。經過幾輪工藝方案試驗,方案6基本解決了縮松問題。

6.結論    

(1)重稀土球化劑可以防止澆注時間長和鑄件壁厚大、冷卻緩慢造成球化衰退問題。

(2)減少Sn的含量,適當提高Cu含量,可以有效地提高球墨鑄鐵的強度和伸長率。

(3)加入適量的微量元素X,可以有效解決厚大類鑄件易產生的碎塊狀石墨。

(4)球墨鑄鐵中如果冒口工藝有問題,依靠調整配料和澆注溫度不可能完全解決縮松問題。

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