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2022-25 铸造工艺:铸铁的孕育
时间 : 2022-01-25 09:18 浏览量 : 37

这是一篇来自台湾的论文。其中的一些用词与我们有细微差别,不影响学习!   

    液态石墨化铸铁(片状,缩状或球墨化)是指碳原子溶入铁水的液态溶液。依据铁碳平衡图,不添加任何合金时,铁水冷却速率非常慢,碳会以石墨形态析出.然而,铸件的凝固现象却与此规则脱节。产业界实际上之作业是综合了原材料质量、熔解、铁水处理与添加合金等因素,形成复杂的凝固现象,产生“铁–雪明碳铁–石墨”的复杂合组织。

铸铁的孕育

    冷却速率快,如薄壁铸件,有利于碳与铁水反应形成共晶雪明碳铁(碳化物)。铁水中来自原料(废钢,某些生铁…)的一些元素如Cr、Mn等,会促进此反应。这些Cr、Mn及其它如V、Mo、Nb等元素在晶界间偏析,会形成碳化物。另外,球墨铸铁的Mg球化处理,会促成为亚稳“铁–雪明碳铁”的凝固过程,增加形成碳化物的风险。(球墨铸铁发明者之一Keith Mills刻意将Mg加入铸铁中,籍以制造碳化物组织之“镍硬”(Ni–Hard)铸铁,值得参考)

铸铁的孕育

     球墨铸铁凝固现象非内化而成的过程,即从成核处开始为“核”(Nuclei)。这些核中碳原子以六角形成石墨结晶析出。成长初期直接与铁水接触.然后在凝固过程中,沃斯田铁壳(Shell)结晶在石墨球体上,形成坚实的晶胞(Cell)。晶胞成长并常与其它晶胞结合成固态岛(lsland),浮在铁水上。此一过程中,液态铁水的晶界富含某些特定元素(如Cr、P、Mn、V、Mo...)而其它如C、Si的含量则降低。初始核数目(及随后之晶胞数),决定有害元素增加之幅度,这些有害元素导致复合碳化物及其它有害的相组织如史蒂田铁(Steadite).降低晶界残留元素含量的方法,是增加坚实的晶胞,减少铁水晶胞间的体积。而要达到此目的,大多采用有害元素低的原料。QlT生铁Sorelmetal纯度特别高,可满足此一要求。


    众所周知,球墨铸铁的球墨数少,会形成大且形状差的球墨,不利于机械性能。并且球墨数愈低,形成波来铁、碳化物与微缩孔的倾向愈高。因此,具有形成核与坚实晶胞相乘效果的接种作用,是生产高质量球墨铸铁的关键步骤。增加球墨数,有助于产生肥粒铁,减少晶界碳化物与微缩孔。又接种剂富含硅,依据铁碳平衡图,对凝固现象有帮助。
    接种作业与时机
    高质量原料与健全且控制良好之熔解过程,是决定接种效果的关键。成核倾向低的原料,如废钢需较多的接种剂。同样的,非最佳化熔解过程(例如熔解时间/保持时间过长,熔解温度过高,保持温度超过1450℃),“杀了”铁水,需强力接种。为了使球墨铸铁的接种更有效果,建议添加相当比例的QIT球墨生铁Sorelmetal,并快速熔解,同时铁水之保持温度愈低愈好。
    在接种前须先评估铁水成核性。热分析是经证实用以评估成核性的技术,以过冷与再辉等参数做为指标。

    冷激楔形与平板楔形试验亦可用于检测铁水成核性。楔形间之差异与铸件间之差异须有对应性。成核性稳定的球墨铁水,即可得到均匀球墨数的铸件。球墨铁水的成核程度高,达到生产无碳化物组织之机会亦高,并可免于昂贵的热处理补救措施。
    接种作业
    第一阶段:预处理(Preconditionning)
    预处理是球化处理前,在洁净及除过渣之铁水表面添加特别的接种剂。其目的是使铁水的成核性正常化。该接种剂可以是高纯度石墨,接种用的硅铁或粒状碳化硅。无论是何种接种剂,颗粒大小必须能快速熔解。尤其是碳化硅,它是溶解而非熔化。一般而言,1MT铁水添加0.1%或1kg,即足以促进成核性。
    第二阶段:预接种(Pre–lnoculation)
    此一阶段接种剂可在铁水倒入球化盆时添加,或附于球化剂中放置在球化盆内。在三明治法或覆盖式球化盆中,接种剂可为覆盖剂之一部分。球化剂与接种剂结合,有抑制镁促进碳化物的效果,并修正因铸件厚度所需的硅含量值。与其它各阶段接剂增加成核性的主要功能相同,均在促进石墨颗粒成长,抑制碳化物的形成。
    第三阶段:盆内接种(Ladle Inoculation)
    盆内接种又称为后期接种,是接种量重要的一环.由于球化时Mg的剧烈反应,使在第一与第二阶段所产生的相当部分的核陷入铁水表面熔渣中。球化处量后的铁水亦有过冷倾向,因此必须回复铁水的成核性。在球化盆转入浇注盆之间,添加0.1~0.3%(0.4%尚可接受)强力接种剂,应足以重建铁水的成核心性,抵消Mg促进碳化物的效应.若铁水经由浇注炉注入模穴,接种剂的选择添加量,须先经实验,以避免堆积在浇注炉中。
    第四阶段:二次接种(Late Inoculation)
    此一阶段是接种步骤中最昂贵的.理由如下:此阶段使用之接种剂有特别设计的化学成份,通常添加量0.08~0.15%。若以铁水流接种,接种剂颗粒要细,比较昂贵,且因颗粒细,易喷溅在浇池周围,使其利用率较低。亦可能汗染模砂,以致下一批生产发生缺陷。
    若在浇道系统使用成形烧结或铸造成形的崁入式接种块,成形本身是合金之外另一成本。

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  所有接种步骤中,二次接种是最有效率的步骤。众所周知,球化处理与添加接种剂后的效果随着时间而退化.尽可能将接种作业延后至浇注作业时,可减低退化的影响。少量之二次接种剂,通常可取代先前较多量的接种步骤。且,并非所有情况都需要二次接种。此一步骤.与其说是绝对必要,不如说是安全措施。在一些案例,二次接种是在原料组合,熔解制程及球化处理等呈现不佳状况下的补救措施。例如,虽然二次接种无法完全补救有害元素,如Cr、V、Mo、Sb、Ti…等所造成的影响,但会因球墨数增加及偏析减少伤害.QIT高纯度生铁Sorelmetal已证实能提升接种效果。另外,使用QIT球墨生铁Sorelmetal因熔解速度较快,减少晶界间产生碳化物,可减少接种剂的使用量。
    虽然二次接种在生产高质量球墨铸铁中,并非一直都受到重视,但在生产薄壁铸件(厚度等于或小于3mm)或是厚铸件(100-200mm),为了达到高球墨数,降低危害机械性能的晶界间缺陷,二次接种却是最重要的一环,.不论铸件之厚薄,铸造厂均可添加高比例的QIT球墨生铁Sorelmetal,使二次接种更有效果。
    总而言之,铸造人员必须了解球墨铸铁接种的目的、确实作业时机与程序,亦须在最低成本指标下,实行最优化制程,以得到高质量的组织。


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