李富科

(甘肅酒鋼集團(tuán)西部重工股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100))

0 引 言

近年來(lái)，隨著球墨鑄鐵的生產(chǎn)的技術(shù)日臻完善，球墨鑄鐵以其優(yōu)良的性價(jià)比，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，球墨鑄鐵替代灰鑄鐵件、鑄鋼件已成為一種趨勢(shì)，但厚大斷面球墨鑄鐵鑄件在生產(chǎn)中，極易出現(xiàn)各種缺陷，國(guó)內(nèi)外專家已做過(guò)各種研究，如華中科技大學(xué)材料學(xué)院的段漢橋等撰寫(xiě)的《厚大斷面球鐵生產(chǎn)中的幾個(gè)主要問(wèn)題》[1]、孫潤(rùn)超等研究的《厚大斷面球墨鑄鐵件常見(jiàn)缺陷的防止》[2]等等，均做過(guò)深入的研究。結(jié)合公司生產(chǎn)的一種厚大斷面球墨鑄鐵件(電石鍋)出現(xiàn)常見(jiàn)的鑄造缺陷，進(jìn)行了逐一初步的分析。依據(jù)各類缺陷各自特點(diǎn)，采取了相應(yīng)的措施，通過(guò)不斷改進(jìn)，基本消除了各類鑄造缺陷，為今后生產(chǎn)此類鑄件提供了解決問(wèn)題的一些思路和方法。

1 概 述

我公司為某公司生產(chǎn)的電石鍋，材質(zhì)要求鐵素體球墨鑄鐵，按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A536-2009 ，滿足等級(jí) 60-42-10 ，對(duì)應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)QT415-10,單個(gè)批次718件，共兩個(gè)批次1 436件。此鑄件單重3215 kg,總重4 616.74 t。其厚度平均在76 mm左右，具體尺寸見(jiàn)圖1、2。其化學(xué)成分要求極其嚴(yán)格，具體如表1。

圖1 電石鍋鑄件照片 圖2 電石鍋斷面剖視圖

CSiSPMnCrMoNi+CuMgCE3.35～3.62.3～2.5<0.015<0.04<0.4<0.05<0.05<0.250.03～0.064.15～4.3

球墨鑄鐵鑄件應(yīng)滿足以下微觀結(jié)構(gòu)及其他要求：

(1) 球化率的最小額定值應(yīng)為 80%。

(2) 球化數(shù)的最小值應(yīng)為 50/mm2。

(3) 碳化物成分不應(yīng)大于 2%。

(4) 硬度值應(yīng)規(guī)定在 148～183 BHN的范圍內(nèi)。

(5) 公差應(yīng)符合ISO 8062 的要求， 鑄件公差等級(jí)按照?qǐng)D紙中的說(shuō)明。

(6) 電石鍋鑄件驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)依據(jù)EN 12680-3:2003 最低按嚴(yán)重級(jí)別(品質(zhì)等級(jí))2 級(jí)進(jìn)行。

(7) 材質(zhì)要求鐵素體球墨鑄鐵，電石鍋鑄件應(yīng)根據(jù)ASTM A536-2009 進(jìn)行生產(chǎn)，以滿足等級(jí) 60-42-10 的最低拉伸要求。生產(chǎn)要求的機(jī)械試樣也應(yīng)遵守該材料標(biāo)準(zhǔn)。

用戶要求極其嚴(yán)格，在生產(chǎn)過(guò)程中，公司總計(jì)生產(chǎn)電石鍋1530，合格1438件，合格率94.0%，在出現(xiàn)的各種鑄造缺陷，統(tǒng)計(jì)表如表2所示。

表2 報(bào)廢電石鍋統(tǒng)計(jì)數(shù)量

對(duì)以上缺陷逐項(xiàng)分析解決，在生產(chǎn)過(guò)程中逐步改進(jìn)，從第86件以后，基本解決了出現(xiàn)的各類缺陷，成品率達(dá)到98.5%，為今后生產(chǎn)此類鑄件積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。主要針對(duì)探傷、金相和石墨漂浮三種缺陷進(jìn)行分析。圖3為電石鍋各個(gè)面的編號(hào)規(guī)定圖。

圖3 電石鍋各個(gè)面的編號(hào)規(guī)定

2 缺陷及分析

2.1 探傷2 級(jí)未達(dá)標(biāo)

從報(bào)廢電石鍋數(shù)量來(lái)看，探傷不合格為最主要缺陷，占整個(gè)報(bào)廢產(chǎn)品的53.3%，主要缺陷是5#區(qū)域位置出現(xiàn)UT探傷缺陷超標(biāo)。分析其原因，原因是底面補(bǔ)縮不足造成。資料顯示球鐵件的補(bǔ)縮方法主要有順序凝固冒口補(bǔ)縮和均衡凝固有限補(bǔ)縮兩種。前者屬于傳統(tǒng)的補(bǔ)縮理論，是經(jīng)過(guò)了S.I.Karsay等學(xué)者的實(shí)踐和總結(jié)的[3]；后者是西安理工大學(xué)魏兵教授于20世紀(jì)80年代提出的凝固補(bǔ)縮理論[4]。一些鑄造企業(yè)在選擇和設(shè)計(jì)球墨鑄鐵補(bǔ)縮方法時(shí)，大多遵循順序凝固的原則，往往遵照前人的設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)補(bǔ)縮冒口進(jìn)行一定比例的縮放且偏向于采取大冒口及大冒口頸，特別是冒口頸根部縮孔問(wèn)題成為眾多鑄造企業(yè)最難解決的問(wèn)題[5]。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，我公司探傷不合格多數(shù)為冒口根部縮松造成的。

一汽錫柴周亙高工在前人的計(jì)算方法和結(jié)果上修正了一些計(jì)算因數(shù)，綜合考慮了球墨鑄鐵凝固過(guò)程中的各個(gè)階段，提出了新的計(jì)算方法，比較準(zhǔn)確地得出了凝固過(guò)程中的體積變化。對(duì)于球鐵件，若(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)3.5%C、2.5%Si，溫度取平衡相圖數(shù)值作為計(jì)算值，澆注溫度一般為1 400 ℃，共晶溫度為1 150 ℃，去除澆注系統(tǒng)內(nèi)降溫50 ℃，過(guò)熱度為200 ℃，液態(tài)收縮為3.2%，基體金屬凝固收縮為3%，總收縮量為6.2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石墨化膨脹量3.895%。且不同時(shí)間的收縮和膨脹是不能相抵自補(bǔ)的，石墨化膨脹不可能全部被利用，因此認(rèn)為只要鑄型剛度足夠，球鐵就不會(huì)產(chǎn)生收縮的觀點(diǎn)是不對(duì)的。因此，不管采用何種工藝，球鐵件總是需要補(bǔ)縮的[3]。

2.2 金相不合格

圖4為公司生產(chǎn)鑄件，編號(hào)為XZ-08/13-0044，從圖中可以明顯看出，金相不合格主要為球化率不足、碳化物超標(biāo)，在不合格產(chǎn)品中占比17.4%，檢測(cè)結(jié)果，測(cè)試區(qū)域3的球化率：60% ，球化數(shù)：53/mm2，結(jié) 論不合格。

分析造成以上的原因，筆者認(rèn)為主要為兩點(diǎn)：一是鑄件壁厚較厚，鑄件在冷卻過(guò)程中緩慢冷卻的部位形成的碎狀石墨共晶團(tuán)，這些進(jìn)一步長(zhǎng)大的共晶團(tuán)在鐵液熱對(duì)流的沖蝕作用下，會(huì)使共晶團(tuán)邊界的石墨形成游離的碎塊，較大的碎塊在對(duì)流的作用下分裂成更小的碎塊。同時(shí)由于緩慢凝固。造成析出的石墨長(zhǎng)的比較大，當(dāng)超過(guò)某一尺寸時(shí)，石墨的內(nèi)壓力不斷增加，超過(guò)一定值時(shí)，使石墨開(kāi)始破裂形成碎塊[6]。其次是我公司生產(chǎn)電砂鍋時(shí)，前期策劃球化劑加入量較高，球化劑覆蓋嚴(yán)實(shí)，造成期初殘余稀土鎂含量較高(此鑄件殘余鎂為0.065%，一般在0.050%-0.071%)，殘余鎂含量過(guò)高造成石墨形態(tài)惡化，出現(xiàn)石墨畸變、不圓整現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)制的加拿大Dick先生對(duì)殘余鎂含量≥0.065%電石鍋拒收。

2.3 石墨漂浮

圖5為表面形成石墨漂浮圖片。

圖4 金相不合格的鑄件金相組織 圖5 表面形成石墨漂浮圖

圖5可以看出，電石鍋外表面熱節(jié)和拐角處出現(xiàn)石墨漂浮，其特征是鑄件的上表面聚集了大量石墨，宏觀斷口呈均勻黑斑狀，產(chǎn)生的原因筆者認(rèn)為主要有四點(diǎn)：一是厚大球墨鑄鐵件，因冷卻緩慢，石墨在鐵液中可充分上浮到鑄件上表面和拐角處，石墨在上浮過(guò)程中相互聚集長(zhǎng)大，最終到達(dá)表面形成石墨漂浮。其次是碳當(dāng)量過(guò)高，(期初含量控制在CE:4.4%～4.6%)為石墨漂浮的產(chǎn)生具備了必要條件。三是澆鑄溫度過(guò)高，鑄件凝固時(shí)間加長(zhǎng)，有利于石墨的析出，增加石墨漂浮的傾向。四是期初生產(chǎn)時(shí)，扒渣不徹底，澆鑄時(shí)擋渣效果差，鐵液中存在過(guò)多的氧化物浮渣和硫化物浮渣，他們的存在加劇了石墨漂浮產(chǎn)生。

3 采取措施

圖6是針對(duì)鑄件探傷不合格情形，根據(jù)上節(jié)中的分析，筆者認(rèn)為，電石鍋5#區(qū)域出現(xiàn)縮松的原因是鐵液的補(bǔ)縮不夠造成的。為此，我公司利用華鑄CAD，模擬鑄件卻溫度場(chǎng)，根據(jù)模擬結(jié)果，最后選擇在鑄件的上表面增加直徑為φ280 mm高度260 mm四個(gè)冒口，同時(shí)在上表面增加四個(gè)扁口形出氣、集渣冒口。同時(shí)為解決冒口切割問(wèn)題，采取了易割冒口，冒口根部采用φ30直徑冒口頸，高度25 mm,澆鑄結(jié)束后，在冒口頂部立即覆蓋保溫棉或覆蓋劑，有效的解決了鑄件縮松問(wèn)題。

圖6 實(shí)際生產(chǎn)的鑄件冒口設(shè)置照片 圖7 改進(jìn)工藝后的金相圖片

采取的措施在電砂鍋生產(chǎn)的上平面，增加隔砂冷鐵，加快鑄件的冷卻速度；球化劑加入量從1.6%降至1.4%，減小了殘余稀土鎂含量。圖7是鑄件編號(hào)XZ-08/13-0155檢測(cè)結(jié)果，測(cè)試區(qū)域3:球化率95% ，球化數(shù)130/mm2，結(jié)論：合格。

解決方案是在熔煉鐵水時(shí)，采用干凈無(wú)氧化的生鐵和廢鋼，降低鐵水中的含氧量和含硫量；把廢鋼加入量從原來(lái)的12%調(diào)整到16%，降低原鐵水碳當(dāng)量，使最終的碳當(dāng)量4.2～4.4之間，杜絕了石墨漂浮的必要條件；其次是降低鐵水的澆注溫度，從原來(lái)的1350 ℃降低為1320 ℃，基本消除了石墨漂浮缺陷。

4 結(jié) 論

(1) 球墨鑄鐵的收縮量大于石墨化膨脹量，為消除球墨鑄鐵厚大件的內(nèi)部縮松，設(shè)置必要的冒口是解決問(wèn)題的一種方法。

(2) 通過(guò)增加隔砂冷鐵，降低殘余稀土鎂含量，可以減少厚大件球墨鑄鐵件發(fā)生石墨碎片。

(3) 通過(guò)降低鐵水澆注溫度、降低原始鐵水碳當(dāng)量、含氧量、含硫量可有效消除厚大球墨鑄鐵的石墨漂浮出現(xiàn)。