灰鑄鐵常見的冶金缺陷.doc

灰鑄鐵中常見的冶金缺陷引言 雖然冶金缺陷只占多鑄造廠產(chǎn)品缺陷的很小一部分，但要分析其原因和采取正確的措施卻是及其費時和昂貴的。在本文中將根據(jù)艾肯研發(fā)中心的案例研究來描述一些最普通的冶金缺陷。在任何缺陷的檢查過程中，必須擁有良好的設(shè)備以便為正確的分析缺陷形成原因提供足夠的信息來避免錯誤，特別是當(dāng)認為是主要原因的時候。其它的缺陷，像魏氏體石墨，就需要高放大倍數(shù)的顯微鏡。1.氫引起的針孔 氫氣孔可能是代價最為高昂的一種缺陷，因為一般它們在機加工后才顯露出來，在灰鐵和球體都會出現(xiàn)，常以圓球狀出現(xiàn)在鑄件表皮之下。由于氣孔的內(nèi)壁被石墨所覆蓋，因此檢查的時候氣孔內(nèi)壁是黑色和發(fā)亮的。這種氣孔內(nèi)壁石墨的析出導(dǎo)致了氣孔外壁產(chǎn)生了石墨的耗盡的區(qū)域，這些圖片顯示在圖1當(dāng)中。有幾種因素能夠引起單個的氫或成片的氫氣針孔，最主要的原因就是鐵液中的Al或鈦與來自型砂、潮濕的工具，或潮濕的耐火材料中的水汽發(fā)生反應(yīng)。水汽的其它來源可能是濕的空氣或者被有污染的爐料、鐵銹，型砂中積聚的死粘土也會使型砂的水分升高. 機加工暴露出的氫氣孔 具有內(nèi)壁石墨膜的特寫氫氣孔圖1 氫氣針孔 通過將鐵液中H的含量限制在200ppm以下和最大程度的減小Ti含量和防止氫氣孔的出現(xiàn)和減少其發(fā)生的幾率。對廢鋼的仔細控制、避免使用蠕墨鑄鐵的回爐料（如果用Ti生產(chǎn)）和去除帶釉的廢鋼有助于減少氫氣孔的的產(chǎn)生。一些生鐵也含有較多的Ti。應(yīng)該采取措施來使所用的耐火泥和涂工刷涂料具干燥，并向砂處理系統(tǒng)中加入足夠的新砂來阻止死粘土在型砂中的累積。型砂中的水分最好低于3%，在澆注之前，芯子和涂料必須完全干燥和熟化。現(xiàn)在已經(jīng)注意到提高澆注溫度和提高碳當(dāng)量能夠減少這種特殊缺陷的發(fā)生幾率。2.氮氣孔氮氣孔缺陷可能在鑄件表面或皮下出現(xiàn)，圖2是經(jīng)過昂貴的機加工后處理后在鑄件皮下發(fā)現(xiàn)的氮氣孔，氮氣孔更容易在中等壁厚的鑄件和靠近使用樹脂粘結(jié)劑的芯子和造型材料。氮氣孔和裂隙狀氮氣孔一般形狀不規(guī)則（與圓的的氫氣孔相比較），垂直于鑄件表面，可深入鑄件表面以下幾個mm。氮氣孔內(nèi)部都有連續(xù)的或者不連續(xù)的石墨析出膜，與這種析出膜相連的就是周圍已經(jīng)脫碳的基體組織，圖2清楚的顯示了這一情況，這這幅圖片中還能看到伸進N氣孔壁內(nèi)部的樹枝狀凸起。有時石墨會變得短而厚，這是氮含量高的典型信號。 系統(tǒng)中氮含量高是造成裂隙狀氮氣孔的主要原因，在沖天爐熔煉鑄鐵中，高的氮含量來自于爐料中高比列的廢鋼，熔化這些廢鋼需要較多的焦炭；在電爐熔煉當(dāng)中，則是使用了質(zhì)量差的氮含量高的增碳劑；在制芯和造型中使用樹脂粘結(jié)劑也可能導(dǎo)致但在鑄件的局部累積，特別是在潛在的熱節(jié)處?；诣T鐵經(jīng)過機加工后出現(xiàn)的氮氣孔 氮氣孔周圍石墨耗盡區(qū)域的特寫 圖2：氮氣孔 一般情況下應(yīng)把薄壁鑄件中N的含量限制在120ppm以內(nèi)，中厚壁的含量限制在80ppm以內(nèi)，在沒有芯子的鑄件截面附近一般不會出現(xiàn)N氣孔，此外，對認真的選擇原材料也能減少N氣孔的出現(xiàn)。Ti和Zr能夠中和N的有害作用，但是使用Ti是要小心，因為如前面討論的那樣，在較高的Al含量和水的含量下，Ti的存在易使鑄件產(chǎn)生氫氣孔。提高澆注溫度和增加碳當(dāng)量有助于減少氮氣孔缺陷的發(fā)生幾率。 一般情況下，很難區(qū)分出氫氣孔和氮氣孔，分析缺陷試樣有助于顯示控制元素的是否在合理的范圍之內(nèi)，然而有時也會出現(xiàn)具有氫氣孔和氮氣孔特征的，在這種情況下，這些元素對形成氫氣孔和氮氣孔起了共同的作用，因此必須采取嚴(yán)密的控制措施來檢查缺陷的發(fā)生原因。3.一氧化碳氣孔 CO氣孔是灰鑄鐵中第三種常見的氣孔缺陷，圖3顯示了典型的CO氣孔缺陷的例子，這種缺陷經(jīng)常能夠在鑄件皮下看見。像這兒描述的CO氣孔直徑有幾個mm，在的鑄件中，大的CO氣孔可以塞進一只拳頭，其內(nèi)部常有渣或者硫化錳渣，在其內(nèi)部也能發(fā)現(xiàn)伸進內(nèi)壁的突出物?；诣T鐵中的表面渣孔 聚集的渣的特寫圖3 一氧化碳氣孔 造成這種缺陷最普通的原因就是鐵水包和出鐵口內(nèi)的鐵液沒有清理干凈，這將導(dǎo)致較低的澆注溫度和MnS渣或者氧化物渣在下一包中鐵水的聚集。最終這些渣多到一定量就會發(fā)生下面的反應(yīng)：MeO + C = Me = CO通過完全清理澆包和出鐵口，使用干凈的澆包和阻止渣在鐵液中的累積，增加澆注溫度也會對減少CO氣孔會有所幫助。4.收縮缺陷圖4 顯示的例子是典型的收縮缺陷，縮孔的內(nèi)壁表面有點型的樹枝張枝晶，但是內(nèi)壁沒有石墨膜，石墨膜的出現(xiàn)一般與鑄件的氣孔缺陷有關(guān)。如圖描述的收縮缺陷出現(xiàn)在鑄件熱節(jié)的中心，該處鑄件較小的圓角和不良的澆注系統(tǒng)設(shè)計促使形成了此缺陷，此外熱節(jié)周圍松軟的砂型對此缺陷的形成也起了一定的作用。 實際上，在鑄件上發(fā)現(xiàn)的大部分的收縮缺陷的原因都歸因于松軟的砂型，除此之外，還有幾種收縮形成的原因：A.厚壁處的鑄件補縮不良或內(nèi)澆口不夠B.低或者碳當(dāng)量低，從而造成在凝固過程中沒有足夠的較低密度的石墨析出來抵消凝固過程中的收縮。C.鑄型沒有夾緊或者壓鐵重量不夠造成抬箱D.孕育不足和過量孕育也能導(dǎo)致收縮缺陷。前一種情況導(dǎo)致了沒有足夠的石墨析出，而后一種情況導(dǎo)致了過多的共晶團，太多的共晶團也能導(dǎo)致共晶團之間的縮松。E.含硫量超過0.1%也能促進縮松縮孔的形成，較高的澆注溫度也一樣。圖4：熱節(jié)收縮缺陷5. 晶間碳化物現(xiàn)在的鑄造產(chǎn)業(yè)必須面臨所使用的廢鋼質(zhì)量下降的問題?，F(xiàn)在鑄造廠所使用的廢鋼的微量元素含量比以前更高了，這就導(dǎo)致了出現(xiàn)晶間碳化物發(fā)生幾率的增加。在厚壁鑄件中應(yīng)特別注意這種情況，厚壁處較長的凝固時間使有害元素如Mo、V、Ti、Cr、Mn在晶界上析出和聚集。在某種情況下，增加孕育劑使用量和使用強效孕育劑可以沖淡碳化物成元素，從而避免碳化物的形成，但是應(yīng)注意到碳化物元素形成碳化物的效果是累加的。另外對于有些碳化物形成的碳化物，如Cr和Mo，是不能通過隨后的熱處理來消除這些碳化物的。通過控制原材料特別是廢鋼以及優(yōu)化孕育劑的加入方法可以避免晶間碳化物的產(chǎn)生。增加碳當(dāng)量也有助于稀釋有害的微量元素。圖5：晶界附近的碳化物6. 魏氏體石墨 圖6顯示了經(jīng)典的魏氏體石墨組織。這種組織-有時也被稱作短棒狀石墨-當(dāng)微量元素如pb、Bi、Sb的含量高時易在鑄鐵組織中發(fā)現(xiàn)。 特別是鑄件的壁厚比較大時，在有氫的存在條件下，Sb促進魏氏體石墨的形成。Bi和Sb的作用一樣。產(chǎn)生這種石墨的普通原因就是Pb，當(dāng)鉛的含量為0.0005%時就有可能促進魏氏體石墨的形成。 一般情況下鉛來自于廢鋼種的易切鋼，被油污染的廢料、帶有搪瓷的廢鋼，鍍鋅鐵板、或被軸承合金污染的廢鋼，使用廢棄的含鉛汽油發(fā)動機作為回爐料也是鉛的一個來源。 魏氏體石墨對灰鑄鐵的力學(xué)性能有著災(zāi)難性的影響，石墨上的尖釘起著裂紋的作用，極大的降低了灰鑄鐵的抗拉強度。用電爐熔煉時鉛的含量會上升，而用沖天爐熔煉時則很少出現(xiàn)這種狀況，因為鉛在加入的批料中鑄件消失了。一般鉛在灰鑄鐵中的含量超標(biāo)以后，很少有有效的措施來減少鉛的含量，除非使用含有稀土的孕育劑或者是預(yù)處理劑來將鉛從灰鑄鐵中清除出來。魏氏體石墨組織圖 魏氏體石墨的特寫圖6：魏氏體石墨的組織照片7. 斯氏體 斯氏體-一般叫做磷共晶-實際上是一種磷化鐵的析出物。除非鑄鐵中含有過量的磷共晶或者在晶界上磷共晶被發(fā)現(xiàn)，一般情況下，這不被被認為是一種鑄造缺陷。 當(dāng)鑄鐵中的磷在合適的范圍之內(nèi)，磷能夠提高鐵液的流動性和鑄件的耐磨性，少于的0.04%的可能導(dǎo)致鑄件滲漏，大于0.04的磷會使在晶界上析出連續(xù)的斯氏體，這會使鑄鐵產(chǎn)生收縮缺陷和使鑄鐵變脆。 除了降低原材料中磷的含量之外，還可以通過加大孕育量和冷卻速率來減少鑄鐵中斯氏體的含量。應(yīng)該仔細檢查廢鋼和原材料避免家庭供暖用鑄件作為爐料，還應(yīng)該對生鐵的磷含量作分析，因為有些品牌的生鐵磷含量比較高。圖7：灰鑄鐵中的磷共晶8. 夾渣 夾渣也有可能像在這兒描述的一樣在鑄件表面被發(fā)現(xiàn)，也有可能在鑄件內(nèi)部發(fā)現(xiàn)夾渣。砂粒周圍沒有脫碳層并且夾渣是多相共存的，可以通過這種特征來識別夾渣。在熔煉和澆注過程中扒渣不充分或者由于渣在在澆包和出鐵口的累積是造成夾渣的主要原因-這一部分已經(jīng)CO氣孔那一部分介紹過。在澆注系統(tǒng)中設(shè)置集渣包或過濾器有助于除渣，但卻對解決夾渣的跟沒原因沒有幫助，因為這是不能代替良好的除渣行為的。當(dāng)鐵水的壓頭過大或者澆注系統(tǒng)中存在著紊流就有可能導(dǎo)致渣的產(chǎn)生?；ㄙM時間來仔細檢查澆注系統(tǒng)的設(shè)計和熔煉的除渣措施對消除渣的產(chǎn)生是值得的。 灰鑄鐵中的夾渣 多相的夾渣特寫 圖8 夾渣缺陷9. 夾砂 夾砂一般是在型腔中產(chǎn)生的，當(dāng)鐵液以較高的高度落到直澆口底部時，就會引起周圍松軟砂子的沖蝕。尖銳的圓角也是引起沖砂的一個普遍原因。合箱之前應(yīng)該仔細清理掉型腔內(nèi)和分型面上的松砂和仔細檢查造型機