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高強度易切削灰鑄鐵 熔制寶典不外傳

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發表時間:2023-11-28 15:04

高強度易切削灰鑄鐵 熔制寶典不外傳

一、技術要求及生產條件

 ?。?/span>1)技術要求   液壓件主要包括液壓泵、增壓器、氣動和流體控制等零部件,出口量較大。材質牌號以HT300為主,還有HT250和HT200。鑄件重量不大,但結構較為復雜,壁厚在18~35mm。力學性能要求用同包鐵液澆注的單鑄試棒(φ27mm)來表征,抗拉強度在275~335MPa,硬度在185~236HBW,鑄件本體硬度差小于35HBW。金相組織由體積分數≥95%的細片狀珠光體,少量滲碳體和<1%的磷共晶組成。石墨形態以A型為主,石墨長度為4~6級,允許存在少量的B型、C型石墨,且分布均勻。鑄件外觀要求表面粗糙度值低,不允許有夾渣、夾砂和微裂紋等缺陷。鑄件機械加工后,全部鑄件都做滲漏試驗。

 ?。?/span>2)生產條件   使用國產自動造型線和半自動翻轉澆注機進行批量生產,單件或小批量生產采用手工造型。有兩臺1t中頻感應電爐熔煉鐵液。爐前采用QL-BS4000型智能分析儀快速檢測鐵液中的碳、硅、硫元素含量,用快速熱電偶測溫槍在線檢測鐵液溫度。原鐵液經1520℃過熱后出爐,出爐溫度為1480~1500℃。采用隨流孕育和包內孕育相結合的復合式孕育方式。用FeSi75和SiBa3合金進行爐前孕育劑處理。澆注前用濕砂型三角試樣檢查白口深度。用10t萬能試驗機檢測灰鑄鐵的抗拉強度,用布氏硬度計測試灰鐵的硬度,用光學顯微鏡進行微觀組織分析。

 ?。?/span>3)熔煉工藝及參數   熔煉用原材料包括低碳優質廢鋼、鑄造生鐵及回爐鐵(澆冒口和同類產品機加工的鐵屑)。廢鋼是優質螺紋切頭和鋼板裁剪后邊角料,無銹蝕,無油污;生鐵為Z15鑄造用生鐵;回爐鐵的澆冒口經滾筒清理,表面無粘砂,還有同類產品機加工后的鐵屑。隨流孕育用FeSi75,化學成分見表1,SiBa10孕育劑的化學成分見表2。其他中間合金有FeMn、FeMo65和純銅等。

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  二、影響灰鑄鐵機械加工性能因素

  石墨形態及分布是決定灰鑄鐵強度和切削性能的關鍵。在化學成分和金相組織相同的條件下,進口件比國產件材質性能要高出1~2個牌號;進口件硬度高于國產件,而切削加工性能反而優于國產件。究其原因,主要與進口件碳當量高、石墨析出量多且分布均勻、組織均勻性好和夾雜物含量少及材質純凈度高有關。另外,組織中游離碳化物較少,通常小于1%。因此,在感應電爐熔煉條件下獲取高碳當量、高冶金質量的鐵液是保障灰鑄鐵綜合性能的關鍵所在。

  影響灰鑄鐵加工性能的因素主要包括爐料配比、化學成分、熔煉及孕育處理工藝、微觀組織控制以及冷卻速率等方面。消除內應力也能使切削性能得到改善。另外,實踐證明,經過時效處理過的鑄件具有良好的切削性能,尤其是經過長期存放的鑄件,在內應力消除后,晶界的斷屑效果明顯改善,切削能效顯著提高。當今機械加工的切削追求高速化,切削速度越來越快,而高速切削對斷屑效果特別敏感。除石墨斷屑作用外,晶界狀態對高速切削也非常敏感,即晶界處的應力及微小顆粒數量都會影響到刀具的使用壽命。由此可知,在提高灰鐵強度指標的前提下,合理地控制灰鑄鐵的微觀組織是改善材質加工性能的關鍵所在。

  三、影響鐵液冶金質量的因素

1.碳當量   

  決定灰鑄鐵力學性能的主要因素為石墨形態和基體類型。當碳當量較高時,石墨析出數量增加,鐵素體化傾向較大,會大大降低灰鑄鐵的力學性能。為了改善高碳當量灰鑄鐵的強度,必須進行低合金化處理,這在一定程度上又會惡化材質的機械加工性能。因此,在材質控制方面,確定適宜的碳當量有利于提高和改善材質強度和加工性能。

  在碳當量較低的情況下,隨著Si/C比的增大,灰鑄鐵強度呈現出先增大后減小的趨勢,強度峰值對應的Si/C比在0.7~0.9;當Si/C比一定時,隨著CE的增大,灰鐵強度指標隨之下降。在較高碳當量下,上述規律的實用性較弱。對高牌號灰鑄鐵而言,適宜的CE為3.75%~3.85%,Si/C比值為0.57~0.67。

2.爐料   

  爐料優劣是影響鐵液質量的重要因素。生鐵中的雜質和微量元素含量和組織缺陷都具有遺傳性。例如,低硅生鐵熔化后碳化物原子及其伴生的白口、縮松、裂紋等缺陷會遺傳,因此灰鑄鐵爐料**選用Z18以上牌號的鑄造生鐵。生鐵中的微量元素構成遺傳性的載體,高爐低氮生鐵會產生粗大石墨,因此電爐熔煉時要注意使用增碳劑的含氮量。據相關資料顯示,微量的氮可以提高鑄鐵力學性能,但是過量的氮會產生氣孔和微裂紋等缺陷。增加廢鋼加入量能降低鐵液的含碳量,提高力學性能。只用廢鋼和回爐料,用增碳的方法調節碳量,稱為合成鑄鐵。相同的化學成分,合成鑄鐵力學性能更好。要求使用的廢鋼應該嚴格挑選,因廢鋼成分很雜,易切削鋼含鉛元素,低碳鎮靜鋼含鋁元素,合金鋼含合金元素,這些元素也會嚴重影響和惡化鐵液的冶金質量。

3.低合金化處理   

合金化是強化基體,提高強度和剛度的有效方法。生產中通常加入Cu、Mo、Cr、Sn、Mn等元素,加入量一般在0.1%~1.0%,見表3。合金元素的使用效果與加入方式、加入量以及所用的孕育劑種類有關。直接將Cr加入到原鐵液中,加入量**為0.35%,否則就會產生碳化物,而且使鐵液流動性變差。合金元素復合添加的作用要比單獨使用效果好,有許多合金的配合使用是特別有效的,合金配合使用還能減少合金元素的加入總量,從而降低鑄件的生產成本。

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4.孕育處理

 ?。?/span>1)孕育劑的作用   促進石墨化,降低白口傾向;降低斷面敏感性;消除過冷石墨;增加共晶團數;改善力學性能。對于灰鑄鐵件,已有多種的孕育處理方法。選用合適的孕育處理方法非常重要,往往是決定產品質量的重要因素。企業應根據自身條件,通過試驗選定最適合本企業特點的方法。處理方法一經確定,就應嚴格控制工藝過程以保證鑄件質量的穩定。

 ?。?/span>2)孕育劑種類及孕育工藝的選擇   孕育劑種類眾多,比較常用的有:75SiFe、RESiFe、BaCaSi/SrSi等微合金化孕育劑等。因此,應根據生產實際合理選擇。在孕育工藝方面,高強度灰鑄鐵盡量采用隨流孕育工藝,但要嚴格控制加入量。

 ?。?/span>3)孕育劑用量的確定   傳統生產方式認為,嚴格控制原鐵液的Si含量,通過大孕育來獲得高強度灰鑄鐵。實踐證明,在孕育處理上,加大孕育劑用量,一方面會使鑄鐵收縮傾向增大,同時增大夾渣傾向,因此宜將孕育劑用量控制在0.25%~0.4%。

FeSi75是最常采用的孕育劑,其中的鋁、鈣含量對孕育效果有一定的作用,不含鋁、鈣的硅鐵對灰鑄件的孕育作用小。一般認為在鐵液中鋁和鈣會與氧、氮反應形成高熔點的化合物,成為石墨結晶的核心。加入孕育劑后鐵液中可形成局部的富硅微區有利于石墨析出。所以,采購孕育用硅鐵時要考慮其中鋁和鈣的含量,鐵液中的含鋁量不能高,0.01%的鋁就可能導致鑄件產生皮下針狀氣孔。

  出鐵時用FeSi75進行孕育處理,孕育效果會很快地隨時間的推移而衰退,孕育后5-7min,作用的衰退可在50%以上,約15min后,孕育作用將大部或全部消失。為確保鑄件質量通常都要在孕育后10min內澆注完成,**在鐵液自澆包注入鑄型時進行再次孕育。

  二次孕育處理選用FeBa10Si55孕育劑,其具有很強的促進石墨化的能力,可改善薄壁鑄件中石墨的形態和分布狀況,增加共晶團,促成A型石墨形成,且有減緩孕育衰退的作用,處理時的用量僅為FeSi75的一半。含鋇硅鐵孕育劑是一種長效孕育劑,它更適于薄壁灰鐵件,可有效改善石墨形狀及分布,消除其過冷石墨和組織均勻性。例如,在生產牌號為HT250鉻鉬銅鑄鐵件時,用含鋇硅鐵孕育劑明顯減小鑄件的滲漏傾向。同樣,鋇硅鐵孕育劑對液壓件也非常適用,用0.1%的硅鋇合金作孕育劑,能顯著降低液壓件的白口傾向,擬制游離滲碳體的產生,顯著改善斷面敏感性,使孕育效果延長30min左右,特別適用于有特殊技術要求的鑄件。

 ?。?/span>4)澆注方式   采用人工傾轉式澆包澆注時,可在包嘴上用定量漏斗進行隨流孕育。生產線上可采用帶料斗的微型螺旋給料器進行隨流孕育。

  四、熔制過程的關鍵技術措施

 ?。?/span>1)原輔爐料的嚴格管理   “精料出精品”。為了確保原材料化學成分和組分的穩定性,原輔材料應定點采購,入廠檢驗合格后才能使用。同時如實做好原始記錄,有據可查,使質量問題有可追溯性。避免因原材料變化所導致的質量不穩定和質量下降。

 ?。?/span>2)化學成分的優化設計及微合金化   優化后的液壓件化學成分列入表4。

圖片4.png

 ?。?/span>3)爐料配比   經反復試驗、比較,確定的爐料比例為:廢鋼40%、新生鐵15%、回爐鐵45%(澆冒口加同類產品機加鐵屑:20%+25%)。

 ?。?)加料順序   投料順序為:廢鋼→新生鐵→回爐鐵→錳鐵→硅鐵→除渣增碳劑→合金料。     

(5)爐前控制   對每爐鐵液要做好爐前快速分析,根據實際情況快速調整原輔材料的投放量,以確保原鐵液化學成分的穩定性。

 ?。?)過熱溫度的控制   鐵液過熱溫度控制在1540~1520℃這個范圍。適當的過熱對消除原材料的“遺傳性”非常有作用,而且有利于組織成分的均勻性。我們控制的出爐溫度為1490~1520℃。

 ?。?/span>7)強化孕育處理   出爐時用FeSi75進行瞬時孕育。孕育處理完畢后除渣,加覆蓋劑,將澆包運送到鑄型處,依據三角試片白口深度,決定Ba10Si55孕育劑的數量,白口寬度控制在約3.5mm為宜。隨之準備澆注。澆注溫度控制在1450~1480℃。澆注前澆包須烘烤到750℃以上。

 ?。?/span>8)澆注工藝   澆注工的熟練程度對鑄件質量影響很大。做到一穩二快三收流好。澆注時鐵液流的忽大忽小、時快時慢都會影響鑄件的成形質量;斷流會使鑄件產生冷隔或澆不足。因此,過去就有“三分造型,七分澆注”一說,生產現場對澆注工藝的管控十分重要。

  結語

  按照以上措施投入生產后,除抗拉強度其余指標符合技術要求,送到機械加工車間的鑄件,先是經過小批量試加工,然后才批量生產;機械加工車間的工人普遍反映,雖然硬度稍高于過去的鑄件,但是車削起來反倒更好,現在的鑄件切削性能優于以前。

  在中頻感應電爐熔煉條件下,通過優化灰鑄鐵的化學成分和爐料配比,提高鐵液的冶金質量,選用合適的長效孕育劑并強化孕育效果,同時進行低合金化處理,可以獲得高強度易切削灰鑄鐵材質,滿足出口液壓鑄件的生產技術和質量要求。

作者簡介:袁東洲,陜西省內燃機配件廠。連煒,西安工業大學機電工程學院。陳金標,浙江臺州市仙居元眾液壓機械公司。徐錦鋒、魏兵,西安理工大學材料學院。

來源:《金屬加工(熱加工)》轉載請注明出處

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