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铁水孕育处理对薄壁球墨铸件影响

增加铁水内有效石墨晶核数量是增加石墨球数的重要途径。在快速冷却凝固的薄壁球墨铸铁中增加石墨球数必须进行强效孕育处理,这种处理应能产生足够的有效石墨晶核,而且晶核稳定,易于接受碳原子在其上结晶,进行瞬时孕育。

在有些资料中介绍,在硅铁孕育剂中加入少量鉍和稀土元素可使孕育后的球状石墨数量成倍增加。近些年来已有一些文献报道含铋和稀土孕育剂对浇注薄壁球墨铸铁件的铁水进行孕育处理的效果。生产上所用孕育剂的主要成分:

硅等于70%---72%

铝等于0.2%--0.5%

钙等于0.5%---0.6%

稀土等于0.4%---0.45%

使用这种孕育剂进行瞬时孕育处理后,浇注一个形状复杂、化学成分碳等于3.7%---4%,硅等于2.3%---2.9,锰等于0.05%的薄壁球墨铸铁件,浇注温度为1420摄氏度。在铸件的3毫米断面处,石墨球数接每立方毫米2000个。

另有报道指出,成分为碳当量等于4.68%---4.88%,硅等于2.73%---2.9%的球墨铸铁水采用多种孕育及不同加入方法进行试验,其中以75++稀土进行复合孕育(孕育剂加入总量1%),所产生的石墨球数远超过一般硅铁孕育后产生的石墨球数。当铈和铋的残存量均为0.008%时,增加石墨球数的效果最好。

采用上述方法生产的3毫米厚铸件,金相组织中消除了碳化物。

在孕育处理工艺方面,生产超薄壁球墨铸铁件应采用瞬时孕育。第一次孕育时把孕育剂加在铁槽上,随流加入铁水或覆盖在置于处理包底的球化剂上面。孕育剂的加入量约为0.7%---1%。第二次采用瞬时孕育,孕育剂放置于铸件的浇注系统内,铁水流经浇注系统时,使孕育熔化,并随即进入铸件型腔。

由于孕育剂熔入铁水的时间短,铁水凝固时正处于孕育剂发挥作用的高峰时段,因此这种孕育方法效率很高。型内孕育所需的孕育剂量一般是浇入铸型铁水总量0.02%---0.05%

使用含铋孕育时,即便同时加稀土元素,也需要严格控制铋在铁水中的积累含量。因为当铋在球墨铸铁中的质量分数超过0.008%时,将会使球状石墨形态恶化。积累含量越多,它的干扰作用越明显。

对于重量较轻的小铸件,铁水流经瞬时孕育剂的时间短,有可能在浇注完毕后,浇注系统中仍留有海量孕育剂。为此可在孕育剂中增加4%---4.5%锰,降低孕育熔点,提高熔化速率。

在下面这张图上,

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碳等于3.7%---4%

硅等于2.3%---2.9%

镁等于0.035%

锰等于0.05%

硫等于0.01%

磷等于0.02%的铁水,采用含铋和稀土硅铁复合孕育进行孕育,在1420摄氏度浇注的3毫米厚铸件中含硅量对球数的影响。显示在含硅量范围内,球数已达到每平方毫米2000个。可以满足3毫米厚铸件避免生成碳化物所需的石墨球数。

在浇注薄壁铸件的铁水中加入碳微粒进行孕育,对于促进石墨形核、提高孕育效果非常有效。很早就有人提出碳微粒形核理论。提出在铁水中加入碳微粒能促进石墨形核,抑制白口生成。这个理论认为铁水中存在大量超微尺寸碳微粒。当铁水到达凝固温度时,这些微粒和已经发生偏析的碳原子集团便成为石墨形核基质,使碳原子方便地在其上沉积,形成石墨晶核。由于碳微粒和石墨晶核的原子尺寸相近,晶体结构相同,碳原子在石墨微粒上形核比在其他物质上形核要容易很多。

上述理论向铸造研究者提出一种设想,如果在铁水中直接投入一些能够直接形成碳微粒区或碳原子集团的物质,应当可以增加石墨晶核数量。这方面的研究发现:在适当温度下,向铁水中添加具有良好晶体结构的碳化硅可以达以显著增加石墨体积分数的目的。曾进行的生产试验也表明,浇注薄壁球墨铸铁件时在铁水中加入晶态碳化硅,确有显著增加石墨球数,消除白口组织的作用。

碳化硅是由金属硅与石墨晶体复合后加制成。所用石墨必须具有完整的石墨晶体结构(工业生产所用的电极石墨或作为铸铁件涂料用的粉状石墨均不能应用)。碳化硅中含碳量约为40%---45%,含硅约为38%---42%。还含 有钙、铝、钡、锆等元素。国外已有碳化硅孕育剂专利产品。

碳化硅在铁水中的作用与一般孕育剂相似。但是由于它在铁水中直接形成碳活度很高的微区,形核过程进行很快,形核效率高。因此特别适用于浇注凝固过程短的薄壁件铁水。这种孕育剂能使灰铸铁中产生非常细小均匀的A形石墨。在球墨铸铁件生产中可以使石墨球数显著增加。

利用碳化硅对铁水进行预处理也能获得很好的孕育效果。预处理工艺过程是:铁水过热到预定温度,出铁前加0.2%硅碳比为7:370%+30%碳)的预处理合金。也有的试验在是出铁前加入0.1%碳化硅和0.1%硫化铁。此时检查三角试片,发现白口深度急剧减少。碳化硅和硫化铁复合处理的铁水效果更明显。经地镁铁硅合金球化处理及75硅铁处理的厚度为3毫米的球墨铸铁(未进行碳化硅预处理)件,石墨球数约为每平方毫米1000---1200个同样成分铁水经预处理后石墨球数将增加到每平方毫米1500---2000个,铸件中没有共晶碳化物。

另外,碳化钙合金也能利用碳元素增加石墨晶核、避免碳化物生成。这种由石墨晶体与硅铁、硅钙合金混匀后压块而制成的孕育剂,在抑制碳化物生成方面与碳化硅有相近的效果,值得进一步研究应用。


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