陳佳輝
[摘 要]文章主要針對(duì)廢鋼增碳、增硅生產(chǎn)QT400-18球墨鑄鐵工藝的應(yīng)用展開了探討,詳細(xì)闡述了化學(xué)元素的影響及選擇,并對(duì)球墨鑄鐵的生產(chǎn)工藝作了系統(tǒng)的分析研究。
[關(guān)鍵詞]鑄態(tài)球墨鑄鐵;生產(chǎn)工藝;化學(xué)元素
[DOI]10. 13939/j. cnki. zgsc. 2016. 06. 060
所謂的球墨鑄鐵,是指通過球化和孕育處理得到球狀石墨,其可以有效地提高鑄鐵的機(jī)械性能,特別是提高塑性和韌性,從而得到比碳鋼還高的強(qiáng)度。它在如今的工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。因此,我們需要保證球墨鑄鐵的生產(chǎn)質(zhì)量,以為相關(guān)的工業(yè)生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?;诖?,文章就廢鋼增碳、增硅生產(chǎn)球墨鑄鐵工藝的應(yīng)用進(jìn)行了探討。
1 化學(xué)元素的影響及選擇
化學(xué)成分對(duì)球墨鑄鐵的性能有較大影響。合理的化學(xué)成分是鑄件力學(xué)性能和金相組織合格的前提。對(duì)高韌性球墨鑄鐵來(lái)說(shuō),在高碳當(dāng)量的前提下,應(yīng)滿足高碳、低錳、低磷、低硫的原則。
1. 1 碳
碳是強(qiáng)石墨形成元素,促進(jìn)石墨化。一般來(lái)說(shuō)含碳量高,易保證球化,獲得球形石墨,且增加石墨數(shù)量。若石墨球形態(tài)好,數(shù)量多,直徑小,則對(duì)基體的斷裂就越小,力學(xué)性能也就越高。因此,應(yīng)選擇較高的碳量,碳含量不夠的話可以采用增碳的方法實(shí)現(xiàn)。但含碳量也不能過高,否則容易產(chǎn)生石墨漂浮、石墨破碎等缺陷。一般碳的含量為:3. 5%~3. 8%。
1. 2 硅
硅是強(qiáng)促進(jìn)石墨化元素,硅若以孕育方式加入其作用更顯著。硅含量不夠的話可以采用增硅的方法實(shí)現(xiàn)。含硅量增加,白口傾向減少,細(xì)化石墨,提高石墨球的圓整度。但硅量過高,會(huì)提高韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度,引發(fā)鑄件脆性。含硅量控制在2. 3%~2. 8%。
1. 3 錳
錳是阻礙石墨化元素,具有穩(wěn)定滲碳體,提高強(qiáng)度,降低塑性和韌性,所以盡量降低錳含量,控制在0. 5%以下,尤其是高韌性球墨鑄鐵。
1. 4 磷
磷是有害元素,極易偏析,含量較高會(huì)形成硬而脆的磷共晶,降低塑性和韌性。應(yīng)盡可能降低磷元素的含量,控制在0. 04%以下。
1. 5 硫
硫也是有害元素,硫與稀土的親和力很強(qiáng),消耗球化劑,對(duì)球化效果和韌性、沖擊性能影響較大,因此將硫控制在0. 02%以下。
1. 6 鎳
鎳是一種面心方晶體結(jié)構(gòu)石墨化元素,富于韌性、滑穩(wěn)面多、易于發(fā)生滑移變型的方面多,對(duì)塑性、韌性的貢獻(xiàn)較大。在低溫高韌性球墨鑄鐵中加入適量的鎳可以強(qiáng)化鐵素體基體,含量控制在0. 3%以下。
1. 7 殘留鎂和稀土
球墨鑄鐵的石墨球數(shù)隨著殘留鎂的增加而增加,但殘留鎂量超過一定數(shù)值后石墨球數(shù)會(huì)不增反減。較高的殘留鎂量還會(huì)影響到石墨的圓整度,增加縮松、縮孔等。在確保石墨球化的前提下,把殘留鎂量控制在越低越好,因此,殘留鎂量應(yīng)控制在0. 025~0. 05。
2 高韌性球墨鑄鐵的熔煉工藝
2. 1 原、輔材料選擇
熔煉高韌性球墨鑄鐵的主要材料是廢鋼(低碳鋼)、增碳劑、硅鐵、回爐料、球化劑、孕育劑等。原材料應(yīng)無(wú)油、無(wú)銹、低錳、低硫、成分明確。
2. 2 配料
高韌性球墨鑄鐵的熔煉配料單見表1。
表1 QT400-18球墨鐵配料單單位:%
材料[]廢鋼[]回爐料[]增碳劑[]硅鐵[]球化劑[]孕育劑
比例[]≤85[]≥15[]3. 5~6. 0[]1. 5~2. 5[]1. 1~1. 5[]0. 8~1. 0[BG)F][HT]
2. 3 熔煉操作
按比例稱料,然后按順序向中頻電爐內(nèi)加料,加料順序?yàn)椋夯貭t料→廢鋼→增碳劑→硅鐵→回爐料→廢鋼。送電開始熔煉。全部爐料添加完畢,升溫至1480℃~1500℃,化碳時(shí)間5~10分鐘,扒渣取樣進(jìn)行光譜分析。若成分符合原鐵液成分要求,調(diào)至1430℃~1470℃的工藝溫度,開始出鐵球化孕育處理。若成分不滿足要求,按比例調(diào)整成分,取樣化驗(yàn),直至滿足要求為止,升溫至工藝要求的球化孕育溫度出鐵。
2. 4 球化、孕育工藝
球化處理是生產(chǎn)合格球墨鑄鐵的關(guān)鍵,只有球化良好,孕育方法得當(dāng),才能得到石墨球圓整、均勻、晶粒細(xì)小、致密的球墨鑄鐵。所以生產(chǎn)球墨鑄鐵球化、孕育處理是關(guān)鍵。球化采用的鋼包為球鐵包,修筑能盛放所需球化劑、覆蓋孕育劑的堤壩。球化方式采用沖入法球化。具體操作為:①球鐵包烘烤至暗紅色。②將鐵液量1. 4%~1. 5%、粒度為10~25mm、預(yù)熱溫度100℃~150℃的球化劑顆粒放至堤壩包的一側(cè),沖實(shí),上面均勻覆蓋鐵液量0. 2%~0. 3%、粒度15~20mm的75SiFe孕育劑,鋪平、沖實(shí),表面用珍珠巖覆蓋,最后在孕育硅鐵上加蓋和包壩一側(cè)形狀類似的球鐵板,主要作用是放緩前期球化劑反應(yīng)速度,減少球化劑燒損,達(dá)到良好球化的目的。③出鐵1/3左右時(shí)開始采用隨流孕育,操作方法是制作工裝,采用滑槽的形式從爐臺(tái)上隨著鐵水均勻的將孕育劑添加至球化包,鐵水出完,孕育劑也同時(shí)添加完畢。孕育劑采用3~5mm的硅鐵顆粒,使用量鐵液量0. 4%~0. 6%。④反應(yīng)完結(jié)束,待鋼包中鐵液平靜后反復(fù)扒渣,扒去所有浮渣,鑄件澆注前加入鐵液量0. 1%~0. 15%粒度再小一些的75SiFe孕育劑,放至液面上,反復(fù)攪拌,進(jìn)行瞬時(shí)孕育。本孕育工藝采用3次孕育:第一次為覆蓋在球化劑上的孕育劑,第二次是隨流孕育,第三次是澆注前的瞬時(shí)孕育。以上的球化和孕育工藝是我們企業(yè)生產(chǎn)高韌性球墨鑄鐵的關(guān)鍵操作過程。
3 檢 驗(yàn)
檢驗(yàn)包括化學(xué)成分檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、機(jī)械性能檢驗(yàn)、沖擊性能檢驗(yàn),通過檢驗(yàn)驗(yàn)證配料的合理性、工藝的可行性,得出材料是否滿足技術(shù)要求的結(jié)論。
3. 1 成分檢驗(yàn)
成分檢驗(yàn)就是采用直讀光譜儀對(duì)澆注的爐前和球化后的光譜檢驗(yàn)試塊進(jìn)行成分檢驗(yàn),本試驗(yàn)材料的化學(xué)成分見表2。
3. 2 金相檢驗(yàn)
本試驗(yàn)通過對(duì)鑄態(tài)金相照片分析,得出球化等級(jí)2級(jí),石墨大小6級(jí),晶粒細(xì)小,鐵素體含量大于95%,滿足QT400-18高韌性球墨鑄鐵對(duì)組織的要求。
3. 3 機(jī)械性能檢驗(yàn)
機(jī)械性能檢驗(yàn)是通過機(jī)械拉伸隨爐澆注的Y型單鑄試塊加工的試棒來(lái)確定材料的機(jī)械性能。本試驗(yàn)采用該工藝熔煉了2爐,試棒編號(hào)1#機(jī)械性能:強(qiáng)度/MPa438、延伸率23. 2%;試棒編號(hào)2#機(jī)械性能:強(qiáng)度/MPa442、延伸率21. 8%??估瓘?qiáng)度和延伸率是球墨鑄鐵檢驗(yàn)的最終指標(biāo),通過對(duì)隨爐澆注的Y型單鑄試塊試棒的拉力試驗(yàn),達(dá)到QT400-18高韌性球墨鑄鐵對(duì)機(jī)械性能的要求。
3. 4 低溫抗沖擊性能檢驗(yàn)
低溫沖擊性能主要是指材料在低溫工作、有沖擊載荷存在情況下的抗沖擊性能。
①試驗(yàn)設(shè)備:CSL-B沖擊試樣缺口電動(dòng)拉床、DWC-60A沖擊試驗(yàn)低溫槽、JB-30B沖擊試驗(yàn)機(jī);②沖擊試樣制備:沖擊試樣從拉伸試棒的端頭加工,沖擊試樣按GBZ106-80《金屬夏比(V型缺口)沖擊試驗(yàn)方法》的標(biāo)準(zhǔn)加工;③試驗(yàn)方法:將加工好的夏比沖擊試塊放入DWC-60A沖擊試驗(yàn)低溫槽中冷卻→-20℃保溫20min→快速取出并在JB-30B沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊→記下數(shù)據(jù),每試樣做3個(gè)沖擊試塊,取平均值作為該方案的結(jié)果;④試驗(yàn)結(jié)果:1#試樣-20℃沖擊值16. 5J/mm2;2#試樣-20℃沖擊值15. 0J/mm2。沖擊值超過12J/mm2的要求數(shù)值,滿足材料對(duì)低溫抗沖擊的要求;⑤結(jié)果分析:從斷口可以看出,斷口表面凸凹不平,部分石墨球在沖擊過程中脫落,斷口上留下一些空洞,部分石墨球仍留在斷面上,形成凸出的石墨圓球。石墨球及石墨球剝落后留下的凹坑周圍,由于鐵素體基體的塑性變形,形成網(wǎng)狀連接的“撕裂楞”,在“撕裂楞”上出現(xiàn)韌窩,由于韌窩大而深,說(shuō)明試樣在斷裂之前,基體發(fā)生了很大的塑性變形,直至在石墨球周圍的基體上形成主裂紋,才發(fā)生斷裂,該斷口屬于韌性斷裂在斷。
4 結(jié) 論
綜上所述,低溫高韌性球墨鑄鐵憑借自身?yè)碛械莫?dú)特優(yōu)點(diǎn),在礦工設(shè)備、風(fēng)電設(shè)備中的一些關(guān)鍵零部件,如輪轂、底座、齒輪箱體、支鉅支撐等眾多方面得到廣泛的應(yīng)用。因此,為了工業(yè)的生產(chǎn),我們必須保障球墨鑄鐵的生產(chǎn)質(zhì)量,采取先進(jìn)有效的生產(chǎn)工藝,確保球墨鑄鐵的產(chǎn)出能有質(zhì)的保證。
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