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      球墨鑄鐵五大元素對鑄件的影響

      來(lái)源: 發(fā)布時(shí)間:2020-03-20

        球墨鑄鐵化學(xué)成分主要包括碳、硅、錳、硫、磷五大常見(jiàn)元素。對于一些對組織及性能有特殊要求的鑄件,還包括少量的合金元素。同普通灰鑄鐵不同的是,為保證石墨球化,球墨鑄鐵中還須含有微量的殘留球化元素。

        1、碳及碳當量的選擇原則: 碳是球墨鑄鐵的基本元素,碳高有助于石墨化。由于石墨呈球狀后石墨對機械性能的影響已減小到低程度,球墨鑄鐵的含碳量一般較高,在3.5~3.9%之間,碳當量在4.1~4.7%之間。鑄件壁薄、球化元素殘留量大或孕育不充分時(shí)取上限;反之,取下限。將碳當量選擇在共晶點(diǎn)附近不僅可以改善鐵液的流動(dòng)性,對于球墨鑄鐵而言,碳當量的提高還會(huì )由于提高了鑄鐵凝固時(shí)的石墨化膨脹提高鐵液的自補縮能力。但是,碳含量過(guò)高,會(huì )引起石墨漂浮。因此,球墨鑄鐵中碳當量的上限以不出現石墨漂浮為原則。

        2、硅的選擇原則: 硅是強石墨化元素。在球墨鑄鐵中,硅不僅可以有效地減小白口傾向,增加鐵素體量,而且具有細化共晶團,提高石墨球圓整度的作用。但是,硅提高鑄鐵的韌脆性轉變溫度(圖1),降低沖擊韌性,因此硅含量不宜過(guò)高,尤其是當鑄鐵中錳和磷含量較高時(shí),更需要嚴格控制硅的含量。球墨鑄鐵中終硅量一般在1.4—3.0%。選定碳當量后,一般采取高碳低硅強化孕育的原則。硅的下限以不出現自由滲碳體為原則。

      球墨鑄鐵五大元素對鑄件的影響

        球墨鑄鐵中碳硅含量確定以后,可用圖2進(jìn)行檢驗。如果碳硅含量在圖中的陰影區,則成分設計基本合適。如果高于區域,則容易出現石墨漂浮現象。如果低于區域,則容易出現縮松缺陷和自由碳化物。

      球墨鑄鐵五大元素對鑄件的影響

        3、錳的選擇原則: 由于球墨鑄鐵中硫的含量已經(jīng)很低,不需要過(guò)多的錳來(lái)中和硫,球墨鑄鐵中錳的作用就主要表現在增加珠光體的穩定性,促進(jìn)形成(Fe、Mn)3C。這些碳化物偏析于晶界,對球墨鑄鐵的韌性影響很大。錳也會(huì )提高鐵素體球墨鑄鐵的韌脆性轉變溫度,錳含量每增加0.1%,脆性轉變溫度提高10~12℃。因此,球墨鑄鐵中錳含量一般是愈低愈好,即使珠光體球墨鑄鐵,錳含量也不宜超過(guò)0.4~0.6%。只有以提高耐磨性為目的的中錳球鐵和貝氏體球鐵例外。

        4、磷的選擇原則: 磷是一種有害元素。它在鑄鐵中溶解度極低,當其含量小于0.05%時(shí),固溶于基體中,對力學(xué)性能幾乎沒(méi)有影響。當含量大于0.05%時(shí),磷極易偏析于共晶團邊界,形成二元、三元或復合磷共晶,降低鑄鐵的韌性。磷提高鑄鐵的韌脆性轉變溫度,含磷量每增加0.01%,韌脆性轉變溫度提高4~4.5℃。因此,球墨鑄鐵中磷的含量愈低愈好,一般情況下應低于0.08%。對于比較重要的鑄件,磷含量應低于0.05%。

        5、硫的選擇原則: 硫是一種反球化元素,它與鎂、稀土等球化元素有很強的親合力,硫的存在會(huì )大量消耗鐵液中的球化元素,形成鎂和稀土的硫化物,引起夾渣、氣孔等鑄造缺陷。球墨鑄鐵中硫的含量一般要求小于0.06%。

        6、球化元素的選擇原則: 目前在工業(yè)上使用的球化元素主要是鎂和稀土。鎂和稀土元素可以中和硫等反球化元素的作用,使石墨按球狀生長(cháng)。鎂和稀土的殘留量應根據鐵液中硫等反球化元素的含量確定。在保證球化合格的前提下,鎂和稀土的殘留量應盡量低。鎂和稀土殘留量過(guò)高,會(huì )增加鐵液的白口傾向,并會(huì )由于它們在晶界上偏析而影響鑄件的機械性能。

        球墨鑄鐵鑄造生產(chǎn)中經(jīng)常遇到縮松方面的質(zhì)量問(wèn)題,于是就學(xué)習,就在實(shí)際工作中去想辦法解決。很多時(shí)候,通過(guò)學(xué)習解決了一些問(wèn)題,也有難以解決的縮松現象。近看見(jiàn)了周啟明老師的文章和陳子華的報告,結合之前實(shí)際工作,匯總以下。

        影響球鐵縮松的一般規律

        球墨鑄鐵鑄件的模數。鑄件模數大于2.5,容易實(shí)現無(wú)冒口鑄造,但有專(zhuān)家對此規定限制值,有疑問(wèn)。一般來(lái)講,比較厚大鑄件,由于石墨化膨脹,容易鑄造無(wú)縮松鑄件。此時(shí),碳當量控制不要大于4.5%,避免石墨漂浮。而熱節分散的薄小鑄件,容易產(chǎn)生縮松,通過(guò)冷鐵,鉻礦砂或局部?jì)让翱谠O置解決。特別要注意澆冒口系統的補縮,一般來(lái)講,冒口盡可能使用熱冒口,避免冷冒口使用。

        要充分注意砂箱的剛度和砂型的硬度。在砂箱剛度和砂型緊實(shí)度方面,設置再充分都不為過(guò)。

        澆冒口工藝設計的合理性。盡可能使用熱冒口加冷鐵,冷冒口補縮效果很差。

        鑄型的冷卻速度。

        澆注溫度和澆注速度的合理選擇。一些比較厚的鑄件,可以考慮適當調高澆注溫度,同時(shí)延長(cháng)澆注速度來(lái)解決縮松。同時(shí)利于二次氧化渣浮出鑄件內部,增加探傷檢測的合格。

        化學(xué)成分的合理選擇和適當的殘余鎂,稀土含量。

        在砂型冷卻條件下,爭取較多的石墨球數對減少縮松有利,對提高力學(xué)性能有利。

        比較好的原材料和好的鐵水冶金質(zhì)量,要特別注意鐵水不要在出爐前高溫下保持時(shí)間過(guò)久,同時(shí)出爐前做好增加鐵水石墨結晶核心的預處理,這樣可以提高石墨球數,減少縮松。

        新的減少縮松的觀(guān)點(diǎn)

        ?详愖尤A總監近報告指出:球墨鑄鐵因為鐵水含有鎂,促使狀態(tài)圖上共晶點(diǎn)右移,鎂含量在0.035-0.045%時(shí),其實(shí)際共晶點(diǎn) 大約在4.4-4.5%。

        球鐵成分選擇在共晶點(diǎn)附近,鐵水流動(dòng)性好,則凝固時(shí)鐵水容易補充收縮。

        球鐵球化前后的硫含量不要變化太大。即原鐵水硫含量不要太高。硫含量高,石墨容易析出過(guò)早。容易產(chǎn)生縮松。

        錫柴周啟明老師今年文章“防止球墨鑄鐵縮松縮孔方法的新進(jìn)展”中指出:在不發(fā)生石墨漂浮和沒(méi)有初生石墨析出前提下,盡量提高碳含量。我對這句話(huà)的理解:一般來(lái)講,過(guò)共晶越大,則液態(tài)下產(chǎn)生初生石墨就越多,對減少縮松不利。

        球鐵凝固期間,控制石墨膨脹的時(shí)間,使石墨化膨脹延遲。在碳當量選擇確定情況下,高碳低硅。合適的殘余鎂量,正確的孕育和注重后的隨流孕育。

        鐵水注意快速熔煉,避免在出鐵溫度下,爐內保存時(shí)間過(guò)長(cháng),避免超過(guò)1550度過(guò)高的熔煉保溫溫度,損失大量碳和結晶核心。一般超過(guò)10-20左右分鐘就要重新做處理。這種鐵水即便經(jīng)過(guò)各種孕育處理,也要產(chǎn)生碳化物和縮松,很難消除。

        鐵水球化之后,要馬上澆注,嚴禁等待時(shí)間過(guò)長(cháng),使球化孕育衰退。

        使用含鑭稀土的球化劑,則凝固初期的石墨結晶較少,避免個(gè)別較大石墨球出現。石墨球數比較多,大小比較均勻,說(shuō)明凝固中石墨球析出時(shí)間比較一致,凝固后期膨脹較大。這種球化劑使用工藝,在近鑄協(xié)武漢華中科技大學(xué)的會(huì )議上,江陰吉鑫的工程師們提出,對厚大斷面的風(fēng)電球鐵,沒(méi)有效果,不適用。

        球鐵碳當量越大,其結晶凝固范圍越寬,固液共存區間越大,凝固過(guò)程中,液態(tài)鐵水流動(dòng)受初生枝晶影響,阻礙流動(dòng)補縮,容易形成縮松。同時(shí),鐵水硅含量高,容易過(guò)早促進(jìn)石墨形核,生長(cháng),此時(shí)的石墨化膨脹在固液共存期,對縮松減少不利。所以,通過(guò)上述一些工藝措施,使石墨化膨脹延遲一說(shuō),在現實(shí)鑄造技術(shù)工作中,去解決球鐵鑄件縮松現象,有很重要的指導意義。

        球鐵縮松的一些“異!爆F象

        高爐鐵水直接加入感應電爐的短流程鑄造,生產(chǎn)球墨鑄鐵鑄件時(shí),如果熔煉中沒(méi)有很好的高溫熔煉操作,容易出現鑄件縮松缺陷。分析原因,估計是原鐵水里面高爐鐵水內的厚片狀石墨,在熔煉中沒(méi)有消除,凝固過(guò)程中,液態(tài)下石墨過(guò)早析出,凝固后期石墨化膨脹不足引起。本溪地區某風(fēng)電鑄造工廠(chǎng),利用短流程生產(chǎn)風(fēng)電鑄件,都以探傷不合格報廢,幾乎沒(méi)有合格鑄件,損失慘重,就是例子。本溪地區高爐鐵水質(zhì)量較好,有害微量元素很低,鐵水直接進(jìn)入功率不高的保溫感應電爐,估計高溫冶煉,細化石墨不足。而江蘇吉鑫的短流程工藝,是高爐鐵水經(jīng)過(guò)30噸電弧爐氧化燒損了有害元素,熔煉過(guò)程經(jīng)過(guò)了高溫冶煉,同時(shí)燒損的碳,又經(jīng)過(guò)增碳劑處理增加了碳,和上面所說(shuō)本溪短流程在熔煉工藝上有很大的不同。

        筆者在山東和河南個(gè)別鑄造工廠(chǎng)遇到,生產(chǎn)壁厚不均勻中小球鐵鑄件時(shí),鑄件各處熱節分離,連接熱節部位的結構壁厚較薄,采取各種措施,如冷鐵或鉻礦砂加速熱節冷卻,控制澆注溫度,提高碳當量,變更澆冒口系統等等,都無(wú)法解決低于2級X射線(xiàn)探傷要求。當把碳當量從4.4-4.6%降低到4.25-4.30%之間后,縮松減輕,探傷合格。當然,同時(shí)也采取了一些其他輔助措施。采取這種做法的原因,是因為之前流水線(xiàn)造型,生產(chǎn)球鐵卡車(chē)輪轂,個(gè)別熱節分散的輪轂生產(chǎn)經(jīng)驗所得,與其他大部分球鐵輪轂成分控制較高碳當量不同。這種做法能夠減少縮松的原因,一直搞不清楚,是否與周啟明老師文章中說(shuō)得,延遲石墨化膨脹和凝固中減少初生石墨有關(guān)?這些球鐵鑄件碳當量選擇低于共晶點(diǎn)附近,早期凝固過(guò)程中,雖有石墨析出,但量較少,主要首先析出奧氏體枝晶,給后期共晶凝固留下了較多的石墨化膨脹量,因此較少了縮松缺陷。是否也屬于延遲石墨化膨脹的一種工藝方法?

        上述以較低碳當量控制球墨鑄鐵成分,解決縮松的做法,今年一月份,得到一位國內知名鑄造專(zhuān)家的認可。他說(shuō):在德國鑄造工廠(chǎng),都是如此選擇碳當量,而我國普遍以高碳當量選擇,打算寫(xiě)一篇文章討論此事。

        風(fēng)電大件澆注,1320-1340度澆注,加強后孕育,15-16噸左右鐵水澆注時(shí)間80-90秒,能夠生產(chǎn)UT探傷合格厚壁球鐵鑄件。但是澆注溫度提高至1360-1380度澆注,澆注時(shí)間為300秒以上,使用冷鐵和冒口較少,也可以生產(chǎn)合格風(fēng)電鑄件。這里就有對待球鐵縮松不同的工藝出發(fā)點(diǎn)。當然,這里沒(méi)有細說(shuō)各自的澆冒口和冷鐵工藝。其主要原因,是否可以與下條鑄造工藝有類(lèi)似關(guān)系?

        國內早期,機床附件行業(yè)在鑄造各種尺寸的大小卡盤(pán)體(盤(pán)體直徑從100毫米到1000毫米左右)時(shí),材質(zhì)灰鐵300,都沒(méi)有冒口,而以很小的內澆口,分散均勻進(jìn)入型腔,澆注速度較長(cháng),實(shí)現無(wú)缺陷高質(zhì)量鑄件生產(chǎn)。(當年多以沖天爐熔煉灰鐵300鐵水)。

        以上文字,因為筆者水平,能力有限,難免偏僻,僅供參考。


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