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合成鑄鐵氮氣孔的形成與防止

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發表時間:2022-09-03 08:37

合成鑄鐵氮氣孔的形成與防止

王文中

山東省鑄造協會

前言:

近幾年,由于國家對環保排污標準不斷提高,大多數沖天爐被中頻感應電爐取代。中頻電爐具有設備操作簡便,鐵液供應柔性等特點被廣泛應用。又由于現代工業的發展產生大量的廢鋼,利用廢鋼代替生鐵,可提高鑄件性能及降低成本,又使中頻感應電爐應用錦上添花。但中頻感應電爐無顯著的冶金反應,而是幾種材料混合重熔的方式,金屬液性能不穩定。過多的使用廢鋼,加入增碳劑進行增碳,又帶來一些弊端。本文主要對鑄鐵氮氣孔產生的原因和解決的措施進行總結。

1.合成鑄鐵與傳統生產的區別

合成鑄鐵技術,就是改變了過去長期以來,在中頻感應電爐內,一商用生鐵作為主要爐料成分加入少量廢鋼進行調碳的配料方法,而是不用生鐵或少用生鐵,主要采用廢鋼加回爐料,配以增碳劑來達到指定的化學成分。原生鐵中許多粗大的過晶石墨,這種石墨具有遺傳

性,熔煉時溫度低;不加入其它合金,粗大石墨很難消除。粗大石墨從液態遺傳到固態鑄件組織中,降低了材質性能。另一方面使凝固過程中本來應該產生石墨化析出膨脹作用削弱了,使凝固過程收縮傾向增大,鑄件產生縮松、疏松、硬度下降。

2.多使用廢鋼加增碳劑有以下四個優點:

2.1鐵液增碳;電爐在熔煉時,可增加外來石墨晶心,降低鐵液的過冷度(也可稱為預孕育處理),球鐵增加石墨球,灰鐵石墨細、短,并以A型為主,提高了力學性能和加工性。

舉例:某工廠因大量長期使用生鐵,其遺傳作用越來越突出,性能和組織也出現一定惡化,通過采用全廢鋼加回爐料;其金相組織改善,消除了粗大石墨的遺傳影響,提高產品的切削性能和力學性能。表1為兩種配料性能對比。


兩種方案配料一致,化學成分相同,其全廢鋼工藝抗拉提高l 5—30Mpa,硬度提高10HB:而且本體硬度均勻。合理的采用增碳劑,提高了鐵液石墨化能力強,使鐵液的收縮性變小,減小了鑄件產生縮松的傾向。另外利用硫阻礙石墨長成粗大片狀的作用,達到細化石墨,增加石墨球數。硫又是阻礙石墨元素,過量會增加白口,因此灰鑄鐵控制在0.06-0.15%,球鐵小于0.03%。從金相分析結果可以看出,采用全廢鋼石墨基本都是A型并且短小。


2.2廢鋼中的氮及增碳劑中的氮促進了珠光體形成和改變了石墨形態,提高了鑄件性能。

2.3采用純凈的廢鋼和優質相匹配的增碳劑,可獲得高強度的灰鑄鐵,甚至不加合金也能生產出HT300鑄件。

2.4市場廢鋼價格低廉,大量使用廢鋼,降低了冶金成本,從綜合成本計算:使用廢鋼熔化略有爐襯壽命降低、電耗高、多使用增碳劑,一噸鑄件比使用生鐵可節省200—500元, 這還不計產品質量,性能的提高。 (近期廢鋼與生鐵差價700—800元)

3.使用廢鋼注意事項

3.1廢鋼盡量銹蝕少,FeO進入金屬液產生夾渣物和氣體,建議除銹處理。

3.2廢鋼無油污,特別是沖壓打包料,內有大量油污。CO進入金屬液,有所增碳和產生了氣體。

3.3回爐料要去除表面粘砂,因為在熔化時澆口外的砂熔點高,需先熔化后再熔內部,延長了爐內熔化時間,浪費了能源,也使鐵液硅酸鹽夾雜物增加。

3.4鐵屑無銹、油、水,有油水可放入爐底,加熱時揮發。

3.5球墨鑄鐵用廢鋼要求高碳、高硅、低錳、低磷、低硫和極低的干擾元素:AI、As、B、Bi、Cr、Pb、Sb、Se、Sn、Te、Ti?;诣T鐵根據材質的要求,可以含有少量合金元素。

4.氮氣孔產生的原因與對策

在鑄鐵生產過程中,大量使用廢鋼和增碳劑,一旦控制不當,就會產生N2氣孔,造成鑄件報廢。這是當前使用廢鋼最突出的缺陷。N氣孔的形狀見圖4。


這是一種典型的析出性氣孔,表面不光滑,附著一層碳,裂隙狀。N氣孔產生是:N以 原子狀態溶解于金屬液,成為溶質。在一定溫度和壓力條件下,N元素在金屬中處于平衡狀 態時,稱飽和濃度,也稱溶解度,也就是達到**溶解能力。當大量的氣體進入超出溶解能力,在金屬凝固時,將以分子態氣體析出,富集一方,形成內部不規則的裂隙狀氣孔,當氣孔中滲有H、o時,即呈現較大的內光潔氣孔。相關文獻表明:灰鑄鐵薄壁件10~15mm,N含量超130ppm,厚鑄件40~80mm,N超出80PPm時,鑄件就會產生氣孔。

4.1.N氣的來源和措施:

4.1.1.廢鋼的含N比生鐵多,一般在100ppm,大量的N是從增碳劑中產生。表2為幾種增碳劑技術數據。


注:①復合增碳劑為碎碳粉、石墨加粘結劑壓制。

②石墨化增碳劑是將石油焦溶至2800,--3200"C。球墨鑄鐵盡量采用石墨化增碳劑,它高溫處理,碳原子才能從原來的無序排列變成片狀排列,片狀石墨才能形成石墨形核的**核心,可促進石墨化。石墨化增碳劑經高溫處理,硫被分解,S02氣體逸出,硫分小于0.05%。當鐵液比較純潔時,內含各種氣體少,也可選用N在小于1500ppm煅燒石油焦。對于灰鑄件對增碳劑含N要求;要視鑄件不產生N氣孔的原則調整:①純凈的金屬液可使用含N較高的增碳劑。②廢鋼中含銹蝕、油及水的金屬液要使用含N低的增碳劑。

4.1.2.呋喃樹脂在加工過程中加尿素進行催化,N殘留在樹脂中;金屬液接觸砂型N氣即進入。呋喃樹脂最高含N 7~9%,要采用低于2%樹脂。另外樹脂砂的酌減和加入量也要低,減少氣體侵入。

4.1.3.金屬液中的氣體己超出臨界含氣量將產生析出氣孔,一般都以N氣為主。這些氣體元素主要取決于所用原材料、熔煉操作,以下為注意事項:

a.爐料、合金、溶劑等入爐的材料,要嚴格無水、油、鐵銹等雜物,要求干凈和干燥,特別是爐中有金屬液再加入的合金,以免這些物質反應生成氣體和夾雜物。

b.熔爐爐氣和空氣濕度;金屬從固體熔化到液態至澆注型腔內開始冷卻,這一過程都是金屬液在吸氣的過程。所以要求金屬液在熔化過程中和澆注容器內要覆蓋,減少液面與空氣接觸??諝獾臐穸纫泊偈菇饘僖何鼩庠黾?。某單位座落在海邊,產品為汽車剎車盤,材質為HT250,濕型生產,型芯為覆膜砂,每年7、8月雨季時N氣孔廢品率在10%左右,配料為廢鋼50%,增碳劑為石油焦?,F改為石墨化增碳劑,改變廢鋼含油熔煉操作方法和熔化過程防止吸氣,即消除了N氣孔。以上說明N氣的來源;增碳劑、樹脂、熔化操作,在雨季氣壓低,濕度大,特別是海邊潮濕,促使金屬液吸氣嚴重。

4.1.4其他除N氣的措施

a.金屬液進行吹氬脫氣;將多孔塞安置在爐底或包底吹氣,氬是惰性氣體,上浮時帶走金屬液中的氣體,一般吹15~25分鐘。

b.包中加入0.25--0.35 1#稀土,或熔煉時加入0.5%~0.7%SIC預處理及過熱處理和金屬液鎮靜,都能起到很好的脫氣作用。

c.使用含N高的增碳劑時,要使用高碳廢鋼,減少增碳劑用量及降低廢鋼使用量和增加生鐵。

d.金屬在熔煉和加入的合金時部分N被分解溢出,如:球墨鑄鐵加球化劑。采用固N 的方法消除N2氣孔。固N的方法:通常加入少量的FeTi和Si—Zr孕育劑,利用Ti、Zr元素與N形成氮化物進行固N,其次是B、A1,加入量Zr、B、Tidx于0.05%,A1為0.1%(殘留0.015~0.02%)。加入N穩定劑,生成穩定的氮化物,從而降低了溶解N的濃度,即減少了含N量,也起到脫N的作用。低碳高強度鑄鐵產生N氣孔比較突出,加入Ti和Al可有效消除N氣孔

5.氮在鐵液中的作用

生產高牌號灰鑄鐵要充分調整含N量,起到合金化的機會。廢鋼中的N及增碳劑中的N促進了珠光體和改變了石墨形態,不能以降低碳當量的方式增加錳、銅、鉻、鉬、錫等合金提高強度,勢必造成鑄件收縮大,而是要充分利用N,有意識的將它作為一個有益的合金元素。在合適的區間內N含量在80.130PPM,鑄件性能**。N在灰鑄鐵中的作用如下:

5.1 N使鐵的共析轉變溫度降低,轉變溫度區間增大,當然與碳含量有關,含碳越高,N的影響也顯著。

5.2 N對石墨的形態、數量和分布都有影響,在合適范圍內;長度變短,彎曲增大,端部變鈍,長、寬比減少。

5.3 N使初生奧氏體一次軸變短,二次臂間距減少,使共晶團細化,珠光體數量增加,提高了硬度。

5.4測試共晶轉變后,石墨表面N的濃度明顯高于基體,因此阻礙了石墨的長大,從而細化了共晶團組織。

6.增碳劑的選用和加入方法

使金屬液增碳的材料有:焦炭、煅燒煤、煅燒石墨、煅燒石油焦、電極、石墨化、半石墨化、木炭、瀝青、生鐵等。要求:干燥、低硫、低磷、高碳、低揮發等有害雜質。

增碳劑的選用不能只注意碳含量、低灰分,而忽視其中的N含量會造成氣孔。也忽視N在鑄鐵件中起到有利作用。生產增碳劑的廠家不做N含量的分析,鑄造上也未從技術上進行檢查。因此在使用上實際出現一個失控狀態,略有不注意就出現氣孔。合理的選用增碳劑,控制好N、S含量,采用價格低的煅燒煤、石油焦,充分利用S,S低將產生孕育不良,孕育后衰退快。生產上伴隨而來的發展了增S劑。要求鐵液中的硫穩定在0.06—0.15%合理范圍。所以我們增碳劑中的S控制在0.5%左右是在合理的。石墨化增碳劑加入2%。鐵液中S只增加0.01%。

增碳劑的吸收與鐵液平衡溫度有關,而不是鐵液溫度越高吸收越快,溫度越高,碳燒損越大,吸收率也低。鐵液溫度低;碳的飽和溶解度低,碳的溶解廣散速度下降,吸收率低。鐵液是Fe.C.Si.O合成液,其化學反應平衡溫度;球墨鑄鐵為1450℃,灰鑄鐵1400℃。

所以在此溫度下增碳**。增碳劑的粒度要求:lOt以上電爐6—10mm,小于lOt爐0.5.6mm。粉狀不可用,因易揮發。顆粒過大,漂浮在金屬液上面,吸收慢并燒損。增碳劑的加入方法:

6.1隨廢鋼加入;因增碳劑是增廢鋼中的碳不足,隨廢鋼熔化吸收也快。生鐵或回爐料碳高,吸收慢。一般分三批加入,吸收率為95%。電爐熔化時,先加少量鐵屑和回爐料或生鐵,壓實鐵屑,隨后加廢鋼,廢鋼隨熔化隨增碳,有利保護爐襯,減輕硅燒損。S、Mn會阻礙碳的吸收,應在后期加入。

6.2如果后期調整成分,碳不足;可在加入其它合金前加入,在電磁攪拌下,吸收率90%。此時鐵液已超出感應圈,無電磁攪拌下,吸收率低于80%。(建議此時加生鐵增碳)。

6.3包內沖入法:將100.200目碳粉加入包中或隨流沖入,出鐵后攪拌,吸收率小于50%。

總結:

1.感應電爐使用廢鋼是物料廢舊利用,是社會的要求。大量使用廢鋼可提高鑄件性能,

降低生產成本。

2.廢鋼的使用:要根據鑄造材質選取。要求廢鋼表面污染物要少,如:銹蝕、油、水、油漆、鋅等。

3.大量使用廢鋼造成N氣孔;是選取的增碳劑不合理、熔化操作失控、爐料不潔凈和樹脂中產生的N氣造成。

4.合理選用增碳劑,充分利用增碳劑中的N、S穩定提高產品質量,降低生產成本。

5.增碳劑的加入方法;要隨廢鋼分三批加入,有利于碳的吸收和硅的燒損并保護爐襯。


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