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蠕墨鑄鐵中頻感應熔煉控制 關鍵工藝因素

【摘要】:
蠕墨鑄鐵兼有灰鑄鐵和球墨鑄鐵的優良性能,其抗拉強度和屈服強度高于優質灰鑄鐵而低于球墨鑄鐵,熱傳導性、耐熱疲勞性、可加工性及減振性又接近一般灰鑄鐵,疲勞極限和沖擊韌度雖低于球墨鑄鐵,但明顯優于灰鑄鐵。目前蠕墨鑄鐵已廣泛應用于液壓件、缸蓋、排氣管、機床床身及鋼錠模等。蠕墨鑄鐵的生產工藝與球墨鑄鐵相似,但工藝控制要求更為嚴格,易出現過處理和處理不足的情況,為確保生產穩定,應合理選擇蠕化劑及蠕化處理工藝。

作者:桑偉,李兆軍,楊承雁,賈志明

單位:淄博柴油機總公司

來源:《金屬加工》(熱加工)雜志

 

蠕墨鑄鐵兼有灰鑄鐵和球墨鑄鐵的優良性能,其抗拉強度和屈服強度高于優質灰鑄鐵而低于球墨鑄鐵,熱傳導性、耐熱疲勞性、可加工性及減振性又接近一般灰鑄鐵,疲勞極限和沖擊韌度雖低于球墨鑄鐵,但明顯優于灰鑄鐵。目前蠕墨鑄鐵已廣泛應用于液壓件、缸蓋、排氣管、機床床身及鋼錠模等。蠕墨鑄鐵的生產工藝與球墨鑄鐵相似,但工藝控制要求更為嚴格,易出現過處理和處理不足的情況,為確保生產穩定,應合理選擇蠕化劑及蠕化處理工藝,并嚴格控制各工藝因素的穩定。

 

        1. 熔煉配料和化學成分控制

        (1)配料  我公司中頻感應熔煉蠕墨鑄鐵氣缸蓋采用配料比例如表1所示,為嚴格控制干擾元素含量,生鐵采用濟南Z14#優質生鐵和本溪Q10優質生鐵

 

        (2)原鐵液化學成分要求  蠕墨鑄鐵對原鐵液化學成分的要求和球墨鑄鐵相似,關鍵在高碳、低硫。

 

        碳、硅:碳當量要求要高,一般應大于4.0%,接近共晶成分,但最好不要超過共晶成分,終碳量一般為3.5%~3.7%(質量分數),原鐵也含碳量一般為3.7%~3.9%,硅對基體影響十分顯著,可促進鐵素體機體的形成,隨著含硅量的增加,蠕墨鑄鐵中鐵素體量也增加,甚至可獲得完全鐵素體機體的蠕墨鑄鐵,為獲得珠光體基體的蠕墨鑄鐵,僅靠降低硅量仍不足以防止在蠕墨四周析出鐵素體,而且硅量過低,會產生白口,蠕墨鑄鐵終硅量一般為2.2%~2.8%,考慮到蠕化處理過程帶入的硅,原鐵液應選擇較低的含硅量,我公司控制在1.6%~1.7%。

 

        錳、磷:錳和磷在常規含量內對石墨蠕化無顯著影響,一般wMn在0.3%~0.8%,wP<0.08%。高牌號珠光體基體型蠕鐵錳含量偏上限,低牌號鐵素體基體型蠕鐵錳含量偏下限,我公司生產RuT300牌號選取wP在0.3%。

 

        硫:硫是蠕墨鑄鐵中的有害元素,含硫越多,消耗的蠕化劑的量就越多,形成的硫化夾渣也越多,既不經濟,又危害材質,并加速蠕化衰退,原鐵液wS最好<0.03%。需要指出的是,蠕墨鑄鐵生產中最重要的是控制原鐵液的含硫量低且保持相對穩定,以保證穩定地獲得蠕墨鑄鐵。

 

        2.蠕化及孕育處理

        (1)蠕化劑、孕育劑  為獲得合格的蠕墨鑄鐵件,必須根據生產條件和鑄件特征來選定蠕化劑。蠕化劑按化學成分不同,分為鎂系、稀土系和鈣系蠕化劑。為解決純鎂做蠕化劑時蠕化范圍較窄的問題,鎂系球化劑中都加入鈦和微量稀土,使其成為處理范圍較寬、白口傾向較小并在鐵液中能夠自沸騰無需攪拌的蠕化劑。稀土系蠕化劑以稀土為主,有較強的蠕化能力,其中再添加適量鎂蠕化時起爆,即可成為有攪拌作用且白口傾向較小、蠕化效果穩定的蠕化劑。鈣系蠕化劑蠕化能力較弱,且不能自沸騰,國內應用較少。

 

        蠕化處理后的鐵液,仍需進行孕育處理,其目的是為了減小稀土鎂引起的白口傾向,改善石墨形態和抑制鑄件中形成萊氏體或自由滲碳體組織。為了改善組織,增加共晶團數,延緩蠕化衰退,還可以加入0.1%~0.2%的硅鈣。我公司生產蠕鐵缸蓋使用的蠕化劑型號為WCV-5,(wRE約10%、wMg約5%),粒度15~30mm。孕育劑為0.6%的硅鐵(FeSi75-B)和0.2%的硅鈣(Ca24Si60或Ca28Si60),粒度均為8~15mm。

 

        (2)蠕化劑的加入量  稀土和鎂加入到鐵液后,首先起脫硫凈化作用,用于脫硫所消耗的稀土量為:w輕稀土硫=3(wS原-wS殘)

脫硫消耗的鎂量為:wMg硫=0.76(wS原-wS殘)

        根據相關資料,稀土和鎂處理后穩定蠕墨區的成分為:wMg殘=0.013%~0.022%,wRE殘=0.021%~0.045%。

        據此可以計算出稀土和鎂的臨界加入量:

        wRE臨=k(wRE硫+wRE殘)

         wMg臨=k(wMg硫+ wMg殘)

        其中,k為稀土、鎂加入量的增大系數,其值視稀土、鎂的燒損,粒度、吸收程度等不同來取值,通常選取1.3~1.5。根據wRE臨、wMg臨和蠕化劑中稀土鎂的含量可以計算出需加入的蠕化劑的量,我公司生產車間使用WCV-5型蠕化劑,加入量為0.5%。

 

        (3)蠕化、孕育處理方法  蠕墨鑄鐵生產工藝與球墨鑄鐵相似,但工藝控制要求更為嚴格,蠕化劑加入量過多,則蠕化過度,易出現過多球狀石墨;若蠕化劑加入量過少,則蠕化不夠,易產生片狀石墨。對于采用有自沸騰能力的蠕化劑,一般采用堤壩式包底沖入法。把蠕化劑倒入堤壩后,用工具將蠕化劑弄平整,在其表面覆蓋0.2%的硅鐵小顆粒(粒度約5mm),適當搗實。原鐵液倒包時,溫度應在1430~1480℃,鐵液要沖擊不放蠕化劑的一側包底,倒包速度要快,使原鐵液迅速覆蓋蠕化劑,但決不能沖擊蠕化劑。當倒包鐵液流出約4/5時,一邊將孕育劑撒入蠕化處理包內蠕化反應的一側,一邊將剩下的1/5鐵液繼續倒包。倒包后,迅速將蠕化包吊入前爐坑,充分攪拌表面的孕育劑,然后撒入除渣覆蓋劑,迅速扒凈鐵液表面的渣子,最后覆蓋草木灰或鐵液覆蓋劑進行澆注。

 

        3. 爐前檢驗

        鐵液蠕化處理后經充分攪拌,在表面200mm以下取樣,澆注砂型三角試片和光譜儀試塊,待試片冷卻至約600℃呈暗紅色時,從砂型內取出進行水淬,冷卻敲斷以備觀察試樣狀況。

 

        (1)斷口呈銀白色,有均勻分布的小黑點,試樣兩側輕微凹陷,懸空敲擊試樣,聲音清脆,則合格。

        (2)聲音清脆,斷口白亮,兩側有中等程度縮凹,則為孕育不足,應補加孕育劑。

        (3)試塊聲音悶啞,斷口呈暗灰色,兩側無縮凹,則蠕化不夠,應補加蠕化劑。

        (4)試塊聲音清脆,斷口銀灰色,兩側縮凹嚴重,則為蠕化過度,應補加鐵液。

 

        4.澆注

        蠕化處理后的鐵液應及時進行澆注,否則易出現蠕化衰退現象。澆注時間超過8min時應取三角試片復檢,若發現衰退,如鐵液較多、溫度較高,可補加少量蠕化劑和孕育劑;如鐵液較少、溫度較低,則須停止澆注。

 

        5.工藝控制要點

        (1)選擇適當的原材料  為穩定生產蠕墨鑄鐵,應對各類原材料制訂出相應的標準,按標準選用,嚴格按照配料單配料。原材料選用和配料的原則主要是遵循高碳、低硅、低磷、低硫。當要求鑄態鐵素體基體時,應選用含錳量及其他穩定珠光體的元素盡量低的原材料。回爐料盡量采用同類蠕墨鑄鐵或者低牌號不含其他合金元素的球墨鑄鐵件,以防止帶入其他危害干擾元素。特別需要注意的是,回爐料必須經過滾筒清理才能使用,否則過多粘砂可能導致原鐵液硫含量超標。

 

        (2)準確測定原鐵液重量及化學成分  定好蠕化劑的加入量之后,原鐵液的重量就對蠕化效果起重要影響了,過多或過少都會影響處理效果,易導致蠕化不夠或蠕化過度。確定原鐵液化學成分特別是含硫量,是蠕化處理的關鍵影響因素之一,關系到蠕化劑的加入量,當含硫量超過控制標準時,應適當增加蠕化劑的加入量。

        (3)蠕化劑、孕育劑準確稱量  蠕化劑、孕育劑的粒度需符合要求,且準確稱量。

        (4)嚴格控制蠕化處理溫度  溫度控制是蠕化處理的另一關鍵因素,原鐵液出爐溫度一般控制在1500~1530℃,處理溫度控制在1460~1490℃,避免溫度過低引起夾渣、不能蠕化,或溫度過高使稀土鎂燒損過多,均會導致蠕化效果差,甚至成為灰鑄鐵。

        (5)嚴格執行爐前檢驗  不合格的鐵液必須及時采取措施,或補加蠕化劑和孕育劑,或補加鐵液,補加后必須進行充分攪拌、扒渣,再重新取樣檢驗,直至合格。

 

        6.生產情況

        我公司在實際生產中,用2t/h中頻感應電爐熔煉,嚴格按照表1中第Ⅱ組配料進行入爐熔煉,原鐵液爐內升溫至1520~1530℃時澆注光譜儀試塊,測定化學成分,使用1.5t包底帶堤壩球化包,包底埋入0.5%的WCV-5型蠕化劑,采用包底沖入法,蠕化處理溫度控制在1470~1480℃,孕育劑按0.6%的硅鐵和0.2%的硅鈣加入,進行爐前三角試片檢驗,檢驗合格后在8min內澆注完畢4件缸蓋,并澆注檢驗用Y型試塊。鑄件化學成分穩定,隨機連續5爐取樣化驗,原鐵液化學成分如表2所示,蠕化處理后化學成分如表3所示。用金相顯微鏡檢測鑄件組織,Y型試塊加工φ14mm試樣檢驗力學性能,結果如表4所示。

 

 

       

         表3  蠕化處理后化學成分(質量分數)          (%)

 

        7. 結語

        實踐證明,蠕墨鑄鐵的生產工藝控制要求比球墨鑄鐵嚴格,穩定控制原鐵液化學成分,特別是wS不要超過0.03%,合理選擇蠕化劑及蠕化處理工藝,精確控制蠕化處理溫度,并控制各工藝因素的穩定,進行必要的爐前檢驗,就能穩定地生產蠕墨鑄鐵件。

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