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球墨鑄鐵凝固特性差異 冒口設計有特點(diǎn)

返回列表 來(lái)源:無(wú)錫市鑄造廠(chǎng) 瀏覽:- 發(fā)布日期:2019-03-07 09:19:00【
一般說(shuō)來(lái),球墨鑄鐵件產(chǎn)生縮孔、縮松的傾向比灰鑄鐵件大得多,防止收縮缺陷往往是工藝設計中十分棘手的問(wèn)題。在這方面,從實(shí)際生產(chǎn)中總結出來(lái)的經(jīng)驗很不一致,各有自己的見(jiàn)解:有人認為應該遵循順序凝固的原則,在最后凝固的部位放置大冒口,以補充鑄件在凝固過(guò)程中產(chǎn)生的體積收縮;有人認為球墨鑄鐵件只需要采用小冒口,有時(shí)不用冒口也能生產(chǎn)出健全的鑄件。

球墨鑄鐵

要在確保鑄件質(zhì)量的條件下最大限度地提高工藝出品率,僅僅依靠控制鑄鐵的化學(xué)成分是不夠的,必須在了解球墨鑄鐵凝固特性的基礎上,切實(shí)控制鑄鐵熔煉、球化處理、孕育處理和澆注作業(yè)的全過(guò)程,而且要有效地控制鑄型的剛度。

一、球墨鑄鐵的凝固特性

實(shí)際生產(chǎn)中采用的球墨鑄鐵,大多數都接近共晶成分。厚壁鑄件采用亞共晶成分,薄壁鑄件采用過(guò)共晶成分,但偏離共晶成分都不遠。

共晶成分、過(guò)共晶成分的球墨鑄鐵,共晶凝固時(shí)都是先自液相中析出小石墨球。即使是亞共晶成分的球墨鑄鐵,由于球化處理和孕育處理后鐵液的過(guò)冷度增大,也會(huì )在遠高于平衡共晶轉變溫度的溫度下先析出小石墨球。第一批小石墨球在1300℃甚至更高的溫度下就已形成。

在此后的凝固過(guò)程中,隨著(zhù)溫度的降低,首批小石墨球有的長(cháng)大,有的再次溶入鐵液,同時(shí)也會(huì )有新的石墨球析出。石墨球的析出和長(cháng)大是在一個(gè)很寬的溫度范圍內進(jìn)行的。

石墨球長(cháng)大時(shí),其周?chē)蔫F液中碳含量降低,就會(huì )在石墨球的周?chē)纬砂鼑虻膴W氏體外殼。奧氏體外殼形成的時(shí)間與鑄件在鑄型中的冷卻速率有關(guān):冷卻速率高,鐵液中的碳來(lái)不及擴散均勻,形成奧氏體外殼就較早;冷卻速率低,有利于鐵液中的碳擴散均勻,奧氏體外殼的形成就較晚。

奧氏體外殼形成以前,石墨球直接與碳含量高的鐵液直接接觸,鐵液中的碳易于向石墨球擴散,使石墨球長(cháng)大。奧氏體外殼形成后,鐵液中的碳向石墨球的擴散受阻,石墨球的長(cháng)大速度急劇下降。由于自鐵液中析出石墨時(shí)釋放的結晶潛熱多,約3600 J/g,自鐵液中析出奧氏體時(shí)釋放的結晶潛熱少,約200 J/g,在石墨球周?chē)纬蓨W氏體外殼、石墨球的長(cháng)大受阻,就會(huì )使結晶潛熱的釋放顯著(zhù)減緩。在這種條件下,共晶凝固的進(jìn)行要靠進(jìn)一步降低溫度以產(chǎn)生新的晶核。因此,球墨鑄鐵的共晶轉變要在頗大的溫度范圍內完成,其凝固的溫度范圍是灰鑄鐵的二倍或更多一些,具有典型的糊狀凝固特性。

簡(jiǎn)略說(shuō)來(lái),球墨鑄鐵的凝固特性主要有以下幾方面。

1、凝固溫度范圍寬

從鐵-碳合金的平衡圖看來(lái),在共晶成分附近,凝固的溫度范圍并不寬。實(shí)際上,鐵液經(jīng)球化處理和孕育處理后,其凝固過(guò)程偏離平衡條件很遠,在共晶轉變溫度(1150℃)以上150℃左右,即開(kāi)始析出石墨球,共晶轉變終了的溫度又可能比平衡共晶轉變溫度低50℃左右。

凝固溫度范圍這樣寬的合金,以糊狀凝固方式凝固,很難使鑄件實(shí)現順序凝固。因此,按鑄鋼件的冒口設計原則,使鑄件實(shí)現順序凝固,在最后凝固的熱節部位設置大冒口的工藝方案不是很合適的。

由于在很高的溫度下即有石墨球析出,并發(fā)生共晶轉變,液-固兩相共存的時(shí)間很長(cháng),鐵液凝固過(guò)程中同時(shí)發(fā)生液態(tài)收縮和凝固收縮。因此,要像鑄鋼件那樣,通過(guò)澆注系統和冒口比較充分地補充液態(tài)收縮也是不太可能的。

2、共晶轉變過(guò)程中石墨的析出導致體積膨脹

在共晶溫度附近,奧氏體的密度約為7.3g/cm3,石墨的密度約為2.15g/cm3。鑄件凝固過(guò)程中,石墨的析出會(huì )導致系統的體積膨脹,大約每析出1%(質(zhì)量分數)的石墨可產(chǎn)生3.4%的體積膨脹。

妥善地利用鑄鐵中的石墨化膨脹,可以有效地補償凝固過(guò)程中的體積收縮,在一定的條件下,可以不用冒口生產(chǎn)健全的鑄件。

應該著(zhù)重提出的是:灰鑄鐵和球墨鑄鐵都在共晶轉變過(guò)程中析出石墨、發(fā)生體積膨脹,但是,由于兩種鑄鐵中石墨形態(tài)和長(cháng)大的機制不同,石墨化膨脹對鑄鐵鑄造性能的影響也很不一樣。

灰鑄鐵共晶團中的片狀石墨,與鐵液直接接觸的尖端優(yōu)先長(cháng)大,石墨長(cháng)大所發(fā)生的體積膨脹大部分作用于石墨尖端接觸的鐵液,有利于迫使其填充奧氏體枝間的空隙,從而使鑄件更為致密。

球墨鑄鐵中的石墨,是在奧氏體外殼包圍的條件下長(cháng)大的,石墨球長(cháng)大所發(fā)生的體積膨脹主要是通過(guò)奧氏體外殼作用在相鄰的共晶團上,有可能將其擠開(kāi),使共晶團之間的空隙擴大,也易于通過(guò)共晶團作用在鑄型的型壁上,導致型壁運動(dòng)。

3、鑄件凝固過(guò)程中石墨化膨脹易使鑄型發(fā)生型壁運動(dòng)

球墨鑄鐵以糊狀凝固方式凝固,鑄件開(kāi)始凝固時(shí),鑄型-金屬界面處的鑄件外表面層就比灰鑄鐵薄得多,而且增長(cháng)很慢,即使經(jīng)過(guò)了較長(cháng)的時(shí)間,表層仍然是強度低、剛度差的薄殼。內部發(fā)生石墨化膨脹時(shí),這種外殼不足以耐受膨脹力的作用下,就可能向外移動(dòng)。如果鑄型的剛度差,就會(huì )發(fā)生型壁運動(dòng)而使型腔脹大。結果,不僅影響鑄件的尺寸精度,而且石墨化膨脹以后的收縮得不到補充,就會(huì )在鑄件內部產(chǎn)生縮孔、縮松之類(lèi)的缺陷。

4、共晶奧氏體中的碳含量高于灰鑄鐵

據美國R. W.Heine的研究報告,球墨鑄鐵共晶凝固過(guò)程中,奧氏體中的碳含量高于灰鑄鐵中奧氏體的碳含量

灰鑄鐵共晶凝固時(shí),共晶團中的石墨片既與奧氏體接觸,也與碳含量高的鐵液直接接觸,鐵液中的碳,除通過(guò)奧氏體向石墨擴散外,也直接向石墨片擴散,因而鐵液-奧氏體界面處奧氏體中的碳含量較低,約為1.55%左右。

球墨鑄鐵共晶凝固時(shí),共晶團中的石墨球只與奧氏體殼接觸,不與鐵液接觸,石墨球長(cháng)大時(shí),鐵液中的碳都通過(guò)奧氏體殼向石墨球擴散,因而,鐵液-奧氏體界面處奧氏體中的碳含量較高,可達到2.15%左右。

球墨鑄鐵共晶凝固時(shí),奧氏體中的碳含量可能較高,在碳含量、硅含量相同的條件下,如保持同樣的冷卻速率,則析出的石墨量較少,因而,共晶凝固時(shí)的體積收縮會(huì )略大于灰鑄鐵。這也是球墨鑄鐵件較易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷的原因之一。凝固過(guò)程中保持較低的冷卻速率,是有利于石墨充分析出的因素。

在能使石墨化充分的條件下,共晶奧氏體中的碳含量(即碳在奧氏體中的最大固溶度)與鑄鐵中的硅含量有關(guān),一般可按下式計算。

碳在奧氏體中的最大固溶度CE=2.045-0.178 Si

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