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        船用球墨鑄鐵軸承體黑斑缺陷的消除

        2017-02-27 01:05:00史明建史國(guó)慶陳園社
        關(guān)鍵詞:工藝

        高 博,史明建,史國(guó)慶,陳園社

        (1.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室,陜西興平 713100;2.陜西柴油機(jī)重工有限公司,陜西興平 713100)

        船用球墨鑄鐵軸承體黑斑缺陷的消除

        高 博1,史明建2,史國(guó)慶2,陳園社2

        (1.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室,陜西興平 713100;2.陜西柴油機(jī)重工有限公司,陜西興平 713100)

        分析了低溫型材質(zhì)QT350-22AL船用軸承體黑斑缺陷產(chǎn)生的原因,通過(guò)減少冷鐵數(shù)量、調(diào)整碳當(dāng)量,加強(qiáng)鐵液孕育處理等措施,消除了船用軸承體的黑斑缺陷。

        黑斑;軸承體;碳當(dāng)量;孕育處理;冷鐵

        黑斑是球墨鑄鐵特有的組織異常缺陷,特別是厚大球墨鑄鐵則更為嚴(yán)重。黑斑多出現(xiàn)在鑄件厚大部位的表面,如暴露在加工面上,則呈現(xiàn)一片黑的氧化色。當(dāng)產(chǎn)生黑斑缺陷時(shí),可使鑄件的力學(xué)性能,特別是沖擊韌度和伸長(zhǎng)率均降低,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使鑄件報(bào)廢。筆者公司生產(chǎn)的材質(zhì)為QT350-22AL的球墨鑄鐵軸承體是某型船用柴油機(jī)的重要零部件,加工面不允許有任何缺陷。原工藝生產(chǎn)的鑄件因黑斑缺陷,鑄件的廢品率高達(dá)50%左右。通過(guò)對(duì)QT350-22AL的船用軸承體的熔煉工藝及鑄造工藝進(jìn)行分析、改進(jìn)、使軸承體的鑄件廢品率降低到10%以下。

        1 船用軸承體簡(jiǎn)介

        某型船用軸承體材質(zhì)為QT350-22AL,零件外型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為635×390×128(mm)。整個(gè)零件輪廓尺寸較小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但壁厚相差懸殊,最厚128 mm,最小60 mm。鑄件毛坯質(zhì)量:200 kg。軸承體零件見(jiàn)圖1。

        2 軸承體驗(yàn)收技術(shù)文件

        2.1 性能及金相技術(shù)要求

        船用軸承體鑄件壁厚為60 mm<t≤200 mm,材質(zhì)為QT350-22AL,根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組球墨鑄鐵件》(GB/T25390—2010),船用軸承體性能見(jiàn)表1。

        圖1 軸承體零件

        表1 軸承體性能

        2.2 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)要求

        一般均要根據(jù)探傷標(biāo)準(zhǔn)EN16680-3和EN1369分別進(jìn)行超聲波(UT)和磁粉(MT)檢測(cè),高應(yīng)力區(qū)達(dá)到2級(jí),其它區(qū)域達(dá)到3級(jí)。

        3 鑄件加工后的黑斑缺陷

        鑄件軸瓦面加工完后,發(fā)現(xiàn)軸瓦面分布著幾處團(tuán)狀的黑斑缺陷,缺陷面積大約φ50~φ60 mm左右,肉眼可見(jiàn)。缺陷位置與形狀如圖2所示。

        圖2 黑斑缺陷位置與形狀

        4 缺陷分析

        4.1 缺陷實(shí)驗(yàn)室分析

        在黑斑部位提取金相樣,分別對(duì)黑斑端面和縱剖面進(jìn)行了分析,金相照片見(jiàn)圖3,過(guò)冷石墨片的金相組織見(jiàn)圖4。

        圖3 黑斑缺陷金相

        圖4 過(guò)冷石墨片金相組織(D型石墨)

        結(jié)合過(guò)冷石墨片的金相組織對(duì)黑斑端面和縱剖面的金相組織分析,球化率:70%(球粒部分占70%),球徑:5級(jí),磷共晶、碳化物<1%,金相照片中的異常組織中(圖3中的箭頭所指部位)有細(xì)小卷曲的片狀石墨在枝晶間呈無(wú)方向性分布即D型石墨(過(guò)冷石墨片)。

        4.2 正常部位的金相分析

        在正常部位提取金相樣,分別對(duì)端面和縱剖面進(jìn)行了分析,金相照片見(jiàn)圖5。

        通過(guò)對(duì)正常部位端面和縱剖面的金相組織分析,球化率:85%(球粒部分占85%),石墨大小6級(jí),磷共晶、碳化物<1%。該金相符合技術(shù)要求。

        圖5 正常部位金相

        4.3 黑斑缺陷形成過(guò)程機(jī)理

        工藝?yán)滂F有較大的蓄熱系數(shù),足以在一定范圍內(nèi)造成鐵液過(guò)冷,生核速度增加,但又因?yàn)榍蜩F共晶凝固溫度范圍寬,結(jié)晶幾乎在整個(gè)體積內(nèi)同時(shí)進(jìn)行,已經(jīng)生成的石墨-奧氏體共晶釋放出結(jié)晶潛熱,使局部微區(qū)產(chǎn)生溫度回升,這就使球鐵的的共晶結(jié)晶時(shí)間持續(xù)的很長(zhǎng),并使整個(gè)共晶溫度范圍內(nèi)的結(jié)晶系統(tǒng)處于熱紊流狀態(tài),鐵液中石墨晶核形成能力又變差,共晶結(jié)晶則需要在更大的過(guò)冷度下進(jìn)行,如果鐵液是過(guò)共晶的成分,則在更大的過(guò)冷度情況下卻進(jìn)入亞共晶范圍,導(dǎo)致過(guò)共晶球墨鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變初期析出粗大的共晶奧氏體枝晶,同時(shí)造成共晶奧氏體枝晶間的共晶體結(jié)晶"過(guò)冷",在晶間的石墨形核率雖然增加,但沒(méi)有條件使石墨正常的長(zhǎng)大,使石墨畸變,形成“D”型過(guò)冷石墨片。

        5 原生產(chǎn)工藝

        原鑄造工藝采用樹(shù)脂砂造型,一箱8件;軸瓦面放置冷鐵分兩層放置,共8塊,冷鐵尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為65×60×40(mm),鑄件采用中間分型、中間注入的開(kāi)放式澆注系統(tǒng)。原鑄造工藝簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖6。

        圖6 原鑄造工藝簡(jiǎn)圖

        原熔煉工藝。孕育劑加入量共0.85%,其中覆蓋選用75SiFe孕育劑,加入量0.2%;沖入孕育劑和瞬時(shí)孕育劑選用選用江蘇亞峰合金材料有限公司生產(chǎn)的YFY-150和YFY-380,加入量分別為0.5%和0.15%。熔煉爐采用3噸感應(yīng)中頻爐,每爐澆注軸承體15件。原熔煉工藝見(jiàn)表2。

        根據(jù)該鑄造工藝及熔煉工藝,澆注3爐共45件,軸瓦面因黑斑缺陷報(bào)廢23件,廢品率達(dá)51%。

        表2 原熔煉工藝

        6 消除黑斑缺陷的工藝試驗(yàn)方案

        為徹底消除黑斑缺陷,對(duì)原來(lái)的鑄造工藝?yán)滂F進(jìn)行了調(diào)整。一是將軸瓦面上放置的冷鐵尺寸減小到(長(zhǎng)×寬×厚)60×60×30(mm),使球墨鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變時(shí)鐵液的過(guò)冷度減??;二是在保證球化的前提下,加強(qiáng)鐵液的孕育,孕育劑由0.7%提高到0.8%,防止鐵液出現(xiàn)過(guò)冷傾向;三是根據(jù)鑄件壁厚,調(diào)整碳當(dāng)量,將原來(lái)的碳當(dāng)量4.4調(diào)整為4.6,提高鐵液的石墨晶核形成能力。

        具體方案如下:

        (1)分析原工藝出現(xiàn)黑斑的原因,曾認(rèn)為軸瓦面上的冷鐵較厚大,因而將現(xiàn)有的軸瓦面上的冷鐵尺寸由(長(zhǎng)×寬×厚)65×60×40(mm)改變?yōu)?0×60×30(mm),數(shù)量不變,黑斑缺陷未能消除。

        (2)分析原工藝出現(xiàn)黑斑的原因,曾認(rèn)為是孕育不充分,因而將孕育劑由0.85%提高到1.0%,黑斑缺陷未能消除。

        (3)分析原工藝出現(xiàn)黑斑的原因,曾認(rèn)為是該材質(zhì)的碳當(dāng)量偏低,將碳當(dāng)量由4.4調(diào)整為4.6,黑斑缺陷未能消除。

        以上三種方案的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,黑斑缺陷均未消除。三種方案試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

        表3 三種方案試驗(yàn)結(jié)果

        7 最終采用的工藝方案

        (1)在保證球化的前提下,加強(qiáng)鐵液的孕育,孕育劑由1.0%提高到1.1%,防止鐵液出現(xiàn)過(guò)冷傾向;

        (2)軸瓦面的冷鐵尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)60×60 ×30(mm),分兩層放置,共5塊,上模具放置2塊,下模具上放置3塊,主要降低鐵液的冷卻速度,防止共晶奧氏體枝晶間的共晶體結(jié)晶"過(guò)冷"而使石墨發(fā)生畸變;最終鑄造工藝圖見(jiàn)圖7。

        (3)將該材質(zhì)的碳當(dāng)量由4.4調(diào)整為4.5,提高石墨的形核能力。

        8 試驗(yàn)結(jié)果

        根據(jù)最終工藝,連續(xù)投產(chǎn)3爐共45件,加工完后鑄件合格數(shù)為42件,合格率達(dá)到93.3%,最終方案結(jié)果見(jiàn)表4。

        表4 最終方案結(jié)果

        我們分析認(rèn)為上表中1件夾砂、2件機(jī)械碰傷報(bào)廢是由于操作工的不當(dāng)操作所造成。

        9 結(jié)果分析

        (1)在保證了球化的前提下,加強(qiáng)鐵液的孕育處理,孕育劑加入量增加到1.1%,即覆蓋用的孕育劑為75FeSi,加入量0.3%,沖入孕育劑YFY-150,加入量調(diào)整為0.6%;瞬時(shí)孕育劑YFY-380,加入量0.2%。提高孕育劑的加入量,防止鐵液出現(xiàn)過(guò)冷傾向,這也是保證得到優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

        (2)軸瓦面冷鐵尺寸及數(shù)量減小,可使得鐵液的冷卻速度減小,防止鐵液結(jié)晶過(guò)程中出現(xiàn)較高的過(guò)冷度。冷鐵材質(zhì)選用普通灰鑄鐵冷鐵,可提高激冷效果,并且導(dǎo)熱系數(shù)高于球墨鑄鐵,縮減鑄件的凝固時(shí)間,提高石墨球化率。但球墨鑄鐵冷鐵的抗氧化性能優(yōu)于灰鑄鐵冷鐵,石墨氧化速度小,這可以通過(guò)限制灰鑄鐵冷鐵的使用次數(shù)加以調(diào)整。

        (3)將該材質(zhì)的碳當(dāng)量由4.4調(diào)整為4.5,以保證石墨化,以防止石墨漂浮及改善鑄造性能。

        10 結(jié)論

        生產(chǎn)低溫型 QT350-22AL船用軸承體,要求無(wú)缺陷的鑄件,可以采取以下措施:

        (1)在保證球化的前提下,適當(dāng)提高孕育劑加入量,孕育劑加入量調(diào)整為1.1%。

        (2)軸瓦面冷鐵數(shù)量及尺寸適當(dāng)減小,冷鐵尺寸調(diào)整為60×60×30(mm),數(shù)量4塊。

        (3)調(diào)整鑄件的碳當(dāng)量,將原來(lái)的4.4調(diào)整為4.5,促使鐵液在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)出現(xiàn)更多的石墨形核。

        [1] 姜希尚.鑄造手冊(cè)-鑄造工藝(第5卷)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994:11-22.

        [2] 王小江.鑄造合金及其熔煉[M].北京:北方工業(yè)出版社,1999:29-35.

        Eliminating marine nodular cast iron bearing’s shading defects

        GAO Bo1,SHI MingJian2,SHI GuoQing2,CHEN YuanShe2
        (1.The navy's XingPing regional military agent's room, XingPing 713105,Shaanxi,China; 2. Shaanxi diesel engine heavy industry Co., Ltd., XingPing 713105,Shaanxi ,China)

        Analyzing the reason of marine nodular cast iron bearing’s shading defects,The material of bearing is QT350-22AL;According to reducing the number of cold iron, Adjusting the carbon equivalent, Strengthening the liquid iron inoculation treatment, etc. Have eliminated marine nodular cast iron bearing’s shading defects.

        shading defects; bearing; carbon equivalent; inoculation treatment; cold iron

        TG255;

        A;

        1006-9658(2017)01-0042-04

        10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.013

        圖7 最終鑄造工藝圖

        2016-07-29

        稿件編號(hào):1607-1447

        高博(1981—),男,工程師,主要從事艦船柴油機(jī)品質(zhì)監(jiān)督及檢驗(yàn)驗(yàn)收工作.

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