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球墨铸铁件怎样提高球化率?球墨铸铁发展应满足哪些方面的需要?

2023-11-21

铸造工程,铸造工业网


球墨铸铁由于石墨呈球状、对金属基体的割裂小,故而性能优异,加之成本较低、重量比钢轻等优点,在轻量化时代得以快速发展、应用范围不断扩大。对球墨铸铁最基本的要求就是球化效果一定要好,从球墨铸铁诞生至今,人们对球化机理、球化剂及球化处理工艺等进行了大量的研究并取得了丰硕的成绩,但为了适应新的形势带来的新变化,对如何提高球化效果、球化剂和球化处理工艺等提出了新的要求。

球墨铸铁由于石墨呈球状、对金属基体的割裂小,故而性能优异,加之成本较低、重量比钢轻等优点,在轻量化时代得以快速发展、应用范围不断扩大。对球墨铸铁最基本的要求就是球化效果一定要好,从球墨铸铁诞生至今,人们对球化机理、球化剂及球化处理工艺等进行了大量的研究并取得了丰硕的成绩,但为了适应新的形势带来的新变化,对如何提高球化效果、球化剂和球化处理工艺等提出了新的要求。

 

 

球墨铸铁件怎样提高球化率?球墨铸铁发展应满足哪些方面的需要?

球墨铸铁发展应满足哪些方面的需要

国民经济快速发展的需要

世界球墨铸铁的发展:1948年球墨铸铁开始工业化生产;1966年产量超过了铝合金;1969年产量(345万吨)超过了可锻铸铁(275万吨);1986年超过了铸钢,成为继灰口铸铁之后的第二大铸造材料(第三是铝合金,第四是铸钢,第五是可锻铸铁),这个格局一直延续到今天。球墨铸铁和灰口铸铁产量的差距正在逐步缩小,部分工业发达国家球墨铸铁的产量已经超过了灰口铸铁。2018年全球球墨铸铁产量达到创纪录的2813 万吨,占铸件总产量的25%。

我国球墨铸铁的生产虽然起步较晚,但发展的速度更快,2018年,我国的球墨铸铁产量为1 415 万吨,比1998年增加了10倍,占铸件总产量的比例增加了一倍。2018年,我国球墨铸铁产量占铸件总产量的28.7%,占世界球墨铸铁产量的50%。我国球墨铸铁20年来的产量变化见表2。

重要部件广泛应用的需要

球墨铸铁已广泛应用于我国国民经济的各个领域,除在传统的汽车、工程机械及铸管等应用外,近年来又在大型结构件、轨道交通件及液压件等方面有了较大发展,专业生产厂不断涌现、质量逐年提高,对企业效益的影响也在日益提高,部分重要的球墨铸铁铸件如图2所示。

新型材料发展的需要

新型球墨材料,如等温淬火球墨铸铁、硅强化高强度铁素体球墨铸铁、高强度高冲击韧性低温球墨铸铁、铸态高强度高韧性球墨铸铁和耐热耐腐蚀高镍奥氏体球墨铸铁等的研究取得了较大的进展,并已开始在生产中应用。

环境保护、降低成本的需要

环境保护是我国的基本国策,如何减少并有效控制球化处理时镁和烟尘是我们责无旁贷的任务。铸造是利润率较低的行业,如何在保证球化效果的前提下,提高镁的吸收率、减少球化剂的加入量是企业的需求。
自动化、智能化的需要

智能化不仅能够降低工人的劳动强度,还可以减少人为因素对球化效果的影响,使球化效果处于可控的状态。

当前国内球墨铸铁质量现状的需要

国内目前普遍存在球化效果稳定性、一致性差的问题,如球墨铸铁质量指标有时可以达到,有时却达不到,质量指标虽然达标但多在下限等问题。为保证球化效果,不得不多加球化剂,其结果是不仅增加成本还引起其他的质量问题。由于球墨铸铁的质量不稳定,即便是国外一些铸钢、锻钢件已经改用了球墨铸铁,但国内也不敢使用,不少球墨铸铁的新材料、新产品在推广过程中由于质量不稳定而失败,又被迫改用铸钢或锻钢。这些教训在相当程度上影响了我国球墨铸铁的发展和应用。

 

 

球墨铸铁件怎样提高球化率?球墨铸铁发展应满足哪些方面的需要?

提高球化效果的途径

对一个健全、合格的球墨铸铁铸件的要求:

(1)组织致密,没有非金属夹渣、碳化物、缩孔、缩松和气孔等缺陷,缩孔、缩松(含显微缩松)、气孔等缺陷之和小于1%,碳化物+非金属夹渣小于0.5%;

(2)球化效果良好,石墨球细小、数量多,球化率≥85%(GB/T9441-2008 标准中的1~2级),石墨球数≥100 个/㎜2;

(3)铸件(本体)力学性能达到产品图纸规定的要求;

(4)铸件各部位(厚薄、内外、上下等)的力学性能、金相组织及化学成分等一致性要好。

1主要元素对球化率的影响

C、Si: C能促进石墨化,减少白口倾向,但ω(C)量高会使CE过高而容易产生石墨漂浮,一般控制在3.7%~3.9%。Si能加强石墨化能力,消除渗碳体。Si以孕育剂的方式加入时,可大大降低铁液的过冷能力。为了提高孕育效果,原铁液的ω(Si)量从原来的1.3% ~1.5%降到0.8%~1.2% ,ω(Si终)量控制在2.60%~3.00% 。

Mn:在结晶过程中,Mn增加铸铁的过冷倾向,促进形成碳化物(FeMn) 3C。在共析转变过程中,Mn降低共析转变温度,稳定并细化珠光体。Mn对球化率没有太大的影响。因受原材料的影响,一般控制ω(Mn)<0.30%。

P:当ω(P)<0.05%时固溶于Fe,难以形成磷共晶,对球铁的球化率影响不是很大。

S:S是反球化元素,S在球化反应时消耗球化剂中的Mg和RE,阻碍石墨化,降低球化率。硫化物夹渣还会在铁液凝固之前回硫,再次消耗球化元素,加快球化衰退,进一步影响球化率。为了达到高的球化率,应该使原铁液的ω(S)量降低到0.02%以下。

2脱硫处理

当炉料熔清后,取样分析化学成分,当ω(S)量高于0.02%时要进行脱硫处理。

纯碱脱硫的原理为:将一定量的纯碱置于浇包内,利用铁液流冲入而搅拌,纯碱在高温下分解,反应式为Na2CO3=Na2O+CO2↑:生成的Na2O又与铁液中硫化合生成Na2S,(Na2O)+[FeS]=(Na2S) +(FeO)。Na2CO3分解析出CO2引起铁液剧烈搅动,促进脱硫过程进行。纯碱渣极易流动、很快上浮,脱硫反应时间很短,脱硫后应及时扒渣,否则会回硫。
3预脱氧处理、球化处理及孕育处理

福士科390预处理剂在包内起到预脱氧处理的作用,同时增加石墨形核核心、增加单位面积石墨球数,还可以提高Mg的吸收率,大幅度提高抗衰退能力,提高球化率。福士科孕育剂含ω(Si) =60%~70%、ω(Ca)=0.4%~2.0%、ω(Ba)=7%~11%,其中Ba可以延长有效孕育时间。

选用福士科球化剂牌号为NODALLOY7RE,其ω(Si)=40%~50%、ω(Mg)=7.0% ~ 8.0%、ω(RE)=0.3%~1.0%、ω(Ca)=1.5%~2.5%、ω(Al)<1.0%。由于铁液经过了脱硫和预脱氧处理,铁液中消耗球化剂的元素大量减少,因此选用了ω(RE)量低的球化剂,以减少RE对球状石墨形态的恶化;起球化作用的元素主要是Mg;Ca和Al可以起到加强孕育的作用。

采用碳化硅和硅铁联合孕育处理,碳化硅的熔点在1600℃左右,并在凝固时增加石墨结晶晶核,采用大剂量的硅铁孕育,可以防止球化衰退。

结语

(1)在降低原铁液的S、O含量方面,推荐将原铁液中的硫含量控制在0.008%~0.015%,尽量降低铁液的含氧量。

(2)在降低干扰球化元素的含量方面,一般球墨铸铁要求K1<1%,有低温冲击或其他高端球墨铸铁要求K1<0.6%。一般球墨铸铁要求ΣT<0.1%,高端球墨铸铁要求ΣT<0.06%。

(3)在保证球化效果的基础上降低残余镁、稀土的含量方面,推荐将球墨铸铁的残留镁含量控制在0.030%~0.045%,推荐将球墨铸铁残留稀土的含量控制在0.010%~0.015%。

(4)在增强孕育效果、提高铸型冷却速度方面,尽可能增强孕育效果和提高铸型的冷却速度。

(5)在提高镁的吸收率方面,尽可能提高镁的吸收率,而镁的吸收率与原铁液硫含量、残余镁量及球化剂加入量有关。

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