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铸铁件生产过程铁水特性若干问题的探讨(1)
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文档介绍：
3×抗拉强度(磅/英寸)
布氏硬度值(HB)
1MP=145 磅/英寸 2; HR
100+0.44 бb(MPa)
试验表明:无论孕育或非孕育铸铁,当 S≤0.04%时,其布氏硬度随硫量的增加而迅速
提高;当 S&0.04%后,硬度的增加趋缓,含硫量在 0.006%时,基体中有 40%珠光体,而在
含硫 0.04%时,珠光体含量为 100%,无论对于孕育或非孕育灰铸铁,其抗拉强度在
S0.04-0.06%之间达到最大值,而且相对硬度达最低值。
同时,实验表明,当灰铁的含硫量低于 0.04%时,难以使含 Sr 的 Si-Fe 发挥孕育作用。
当灰铁的化学成份为:C 3.2% Si 1.9% Mn 0.6% P 0.1%,调整铸铁中的 S 量,其
对共晶团的影响为:
铸铁中的 S% 0.005 0.013 0.020 0.03 0.046
共晶团数个/cm2 20 92 92 132 450
对于薄壁的冰箱压缩抗铸件,虽然其化学成分规定 C3.3-3.7%,Si1.8-2.7%,
Mn0.3-0.7%,而 P.S≤0.1%;由于是用合成铸铁,其 P.S 可以非常低。但是,观察到一批
铸件比另一批铸件的加工性优越,对两者进行分析表明:加工性能好的铸件,其 S.P 都比
较高,显然是在炉料中加入磷铁和硫化铁。
两者对比如下:
化学成份机械性能
C Si Mn P S Sb Sn бbMPa HB
好加工 3.27 2.15 0.43 0.065 0.083 0.002 0.035 250 187~215
不好加工 3.31 2.7 0.66 0.03 0.014 0.004 0.035 250 207~241
两者的共晶团与树枝晶的对比如下图:加工性能好的铸件,共晶团比较粗,树枝晶间
距也较宽,而加工性能欠缺的铸件,则树枝晶很细,共晶团也很密。虽然都是用含 Sr 硅铁
孕育,但 S 低于 0.04%时,孕育作用受到限制。
共晶团树枝晶
加工性能欠缺的铸件的共晶团与树枝晶
共晶团树枝晶
加工性能良好的铸件的共晶团与树枝晶
2、磷对灰铸铁的影响
(1)对于通用的灰铸铁件,如各类发动机、水泵、风力发电机等件。磷是一个受限
制的元素,一般要求 P≤0.15%,最好 P≤0.12%。因为磷在灰铸铁中形成二元或三元磷共
晶,而这些共晶体熔点比基体低,故容易引起铸件产生缩松冷裂等缺陷。但是,磷并不是
越低越好,而是应控制在一定的范围内。磷可以减弱灰铸铁件的机械粘砂和化学粘砂,从
而可使铸件表面光洁。生产实践表明,当磷含量在 0.02-0.04$时,铸件出现粘砂,而将含
磷量增加至 0.09-0.12%时,铸件粘砂就消失,并且铸件清砂时间可以减少 35%。
磷为什么有减少铸件粘砂的作用?铸件粘砂主要产生在热节处,尤其是内腔的热节
处,而不是发生在铁水静压力最大的位置即铸件的下部。粘砂是发生在铸件的凝固过程,
它是由铸铁共晶转变产生石墨化膨胀引起的。
对于铁水中磷含量与铁水渗入深度的测量表明:含磷量越高,铁水渗入砂粒之间的深
度越小。另外,铸件粘砂严惩必导致强化抛丸,进一步造成铸件表面硬化,恶化加工性能。
铸铁含 P 量% 0.068 0.102 0.172 0.191 0.26
渗入深度 mm 12 8 4 1 无
由于粘砂导致强化清丸,造成铸件表面硬化,对此层进行扫描电镜观察,可观察到表
面形成一些六角形的组织如下图,从而恶化了铸件的抗加工性能。
铸件表面硬化层的扫描电镜观察
(2)磷用于改善铸件的耐磨性和流动性
对于要求耐磨性较高的铸件如机床导轨、活塞环、缸套等,往往采用含磷的合金铸铁,
如 P-Cu-Ti 铸铁,含 P 量也在 0.35-0.65%;加磷的目的在于利用磷共晶的耐磨性达到减磨
的目的。对于一些薄壁铸件和艺术铸件,为了使铸件轮廓清晰,表面光洁,通常都会加入
适量的磷,如缝纫机铸件含 P 为 0.3%,暖气片含 P 为 0.4-0.5%,一些艺术铸件含 P 量甚至
(三)三角试片如何炉前检测铁水质量
三角试片常用于炉前铁水质量的检测。铸铁是一种含有一定量的 Mn、Si、P、S 的铁
碳合金,铁碳合金液——因转变时,会出现两种形态的高碳相——石墨和渗碳体;前者以
灰口形式出现,后者以白口形式出现。当冷却速度一定时,随着 Fe-C 合金的碳当量越低,
三角试片的白口宽度越宽,而当碳当量一定时,随冷却速度越大,白口宽度也越宽。所以
能够建立起碳当量-白口宽度的关系。由于孕育处理也可改变其白口的宽度值,故也可用来
评估孕育效果。
碳硅总量—碳当量—白口宽度的关系:
(C+Si)%总量 5.87 5.06 4.79 4.81 4.59
碳当量 CE% 4.40 4.02 3.82 3.59 3.35
白口宽度 mm 无~2 4~5 ~6 ~8
各种牌号灰铸铁,其适宜的白口宽度为:
牌号 HT 100 150 200 250 300
白口宽度 mm 0~2 2.5~4 3.5~6 4.5~7 6~8
对于铸件而言,根据主要壁厚和要求,选择适当的白口宽度,设 f 为白口宽度与铸件
壁厚之比,则:
要求最好的切削性能 f=15~20%
要求最佳的强度 f=25%
要求最宜的热处理性能 f=33%
要求最高的耐磨性 f=40~50%
但是,要兼顾铸件的最薄壁处不要出现白口。
使用三角试片时,操作方法要正确,不然会产生误判,造成不应有的损失。
三角试片炉前检测铁水质量应注意事项:
A、三角试片尺寸的选择:根据所留测量的白口密度可以选取下列四种型号:
Amm 6 12 20 32
B Bmm 25 32 38 50
长度 126mm
B、三角试片最好用铝合金制造,尖角有Φ0.8mm 圆角。
C、在一个铸型上浇注几个三角试片时,为了防止三角试片在冷却过程传热的相互干
扰,三角试片铸型的距离至少是三角试片铸型宽度的 2.5 倍以上。
D、三角试片需冷却至墨紫色后取出,然后浸水冷却,先将三角试片平直底部着水冷
却。试片冷却到从水中取水时不沾水为宜。
应避免因操作不当产生的误码判:
A、浸水过早,在三角试片红热状态浸水,这样会导致白口宽度增大。而且,有时还
会出现反白口,即试片中心处白口。
B、未经充分水冷的三角试片就过早打断,可能出现试片断口表面氧化,造成白口宽
度测量引起误差。
C、应从三角试片的二分之一长度处打断,注意不要将试片的端部打断,以免无法检
测白口宽度。
D、规范白口宽度的测量位置:一种是以白口区域出现第一个灰点处,另
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留言内容：灰铸铁件表面缩松缺陷的防止
灰铸铁件表面缩松缺陷的防止
摘要: 采用控制碳当量，提高硅碳比，并与成形冷铁技术相配合。实践表明，这些措施有效地防止了灰铸铁件的表面缩松缺陷 关键词： Si/C；成型冷铁；缩松 文献标识码： A　　文章编号： 99)03-0022-02
The Prevention of Dispersed Shrinkage Defect on the Surface of Gray Iron Castings
摘要: 采用控制碳当量，提高硅碳比，并与成形冷铁技术相配合。实践表明，这些措施有效地防止了灰铸铁件的表面缩松缺陷 关键词： Si/C；成型冷铁；缩松 文献标识码： A　　文章编号： 99)03-0022-02
The Prevention of Dispersed Shrinkage Defect on the Surface of Gray Iron Castings
WU Yong-an (Rizhao Pump Factory, Rizhao 276800, China)
Abstract： The technology measures of the high Si/C ratio cast iron manufactured by controling moderately carbon equivalent and raising Si/C ratio, together with the technology of the ring shaped chilling iron, are very effective to the elimination of surface despersed shrinkage defect of gray iron castings. Key Words: Si/C;CDispersed shrinkage
　　我厂是碾米机定点生产企业，出口法兰是碾米机中的重要铸件，该件共有5种规格，材质均为HT200，质量8～20 kg，由于该件结构特殊，在多年生产中一直产生表面缩松缺陷，因而使表面电镀品质差，严重影响碾米机的整体外观，直到1996年成形冷铁和高Si/C铸铁技术的应用，缩松缺陷最终得到了解决，本文现以N300出口法兰件生产工艺为例进行分析。
1　原铸造工艺3个方案
　　(1) 化学成分： 　　3.3%～3.5% C; 1.8%～2.0% Si; 0.8% Mn; ＜0.15% P; ＜0.12% S。CE=3.9%～4.16%。 　　(2) 采用从?J60 mm侧冒口直接浇注铁液，内浇口一个(30/40 mm×8 mm)，见图1(a)。 　　(3) 采用2个内浇口(16/20 mm×8 mm)，中间放?J50 mm浇冒口棒，在芯子中形成，如图1(b)。 　　(4) 采用腰圆形明冒口(100 mm×40 mm×100 mm)，设计冒口尺寸为81mm×40 mm×51 mm，如图1(c)。
2　缩松产生位置
　　第1方案　图1(a)所示A区，在铸件壁厚相交点处缩松，沿圆周靠近热冒口分布于铸件下表面，共2处，面积约2 cm×2 cm。 　　第2方案　图1(b)所示B区，在铸件壁厚相交点处缩松，沿圆周靠近浇口分布在铸件上表面，面积约2 cm×2 cm共3处，且操作不方便。 　　第3方案　图1(c)所示C区，相似于A区，其位置远离冒口，缩松区面积0.8 cm×0.8 cm共2～3处，且操作不方便，冒口根部易掉砂。
图1　原铸造工艺　Fig.1　Original casting processing
3　缩松缺陷分析
　　铸件加工后发现缩松均在热节圆圆周外表面上，缩松所在处的热节圆圆周，是一个难于补缩的弧立热节，热节部位散热面积小、散热条件差、冷却速度慢，当补缩不到时易产生缩松。图1(b)中所示工艺把冒口放在热节圆上，形成接触热节［1］，增加了冒口对热节补缩的干扰，从而更加重了该处的缩松，缩松区化学成分为：3.25% C; 1.72% Si; 0.83% Mn; 0.10% P; 0.09% S。而正常区化 分为：3.4% C; 1.9% Si; 0.8% Mn; 0.10% P; 0.09% S。 　　缩松区C、Si含量稍低于正常区，但不很明显。根据均衡凝固理论分析，碳当量低，石墨化能力差，不利于铸件自补缩，热节处易产生缩松。按照上述几种工艺生产的铸件，废品率几乎是100%。
4　缺陷的防止 4.1　采用成形冷铁技术 　　由于冷铁有以下几个作用［1］ 　　(1) 降低激冷部位模数，提高冷却速度，易实现均衡凝固；
图2　成型冷铁 Fig.2　Shaped chiling iron
(2) 安放冷铁部位使石墨化膨胀提前，增强自补缩能力； (3) 平衡铸件壁厚差，消除局部热节。 　　法兰铸件采用成形冷铁技术的工艺设计，如图2所示。 　　图中的δ=0.6T，δ为冷铁厚度，T为铸件热节圆直径。 　　由于法兰件需求量大，每天需要50多个冷铁，使用中要废掉8～9个，最初设计出置于图1所示的缩松部位环形冷铁，加工后检测其缩松彻底消除了，只是冷铁难以清理下来。重新设计冷铁置于图2所示的部位，加工成3个冷铁，2次试验缩松同样消除了，优点是冷铁很容易清理下来。在设计环形冷铁模时，圆弧面配合间隙很重要，如果冷铁尺寸过小，打箱时冷铁带不上来，过大圆弧面处肥大，毛剌厚，不利于清理和加工，经过3次实践，间隙确定在1～1.5 mm最好，每2个星期生产冷铁100多个，在砂轮上逐步磨出圆弧面0.2～0.3 mm，刷0.3 mm厚的涂料层，烘干，这种冷铁结构很容易带在上箱上不须放冒口，容易造型。 　　选HT200冷铁材质制作 　　(1) 冷铁弧面3天刷涂料一次，涂层小于0.3 mm，个别冷铁弧面因多次涂刷后涂层过厚，须铲掉旧涂层后再刷，并烤干。 　　(2) 冷铁弧面保持清洁，油污和潮湿的冷铁应涂刷、烘干后使用，以免产生气孔、冷隔缺陷。 　　(3) 冷铁使用次数小于15次，有裂纹的冷铁不得使用。 　　(4) 定期进行型砂检验，其水分不大于6%，透气性不小于80。 　　按照上述工艺生产的法兰铸件表面缩松彻底消除了，只是与冷铁配合的弧面处有个别热裂纹，占废品率3%～6%。 4.2　高Si/C铸铁技术 　　这种裂纹不同于收缩受阻产生的热裂，是一种在厚壁处、热节处石墨膨胀产生的裂纹，资料介绍高Si/C铸铁具有高强度，低应力特点，1995年将此项技术在法兰件上进行了试验，并同环形冷铁技术相配合，效果很好。 　　(1) 化学成分选取： 　　3.1%～3.3% C; 2.15%～2.3% Si; 0.8% Mn; ＜0.15% P; ＜0.12% S。CE=3.82%～4.07%,Si/C=0.65%～0.75% 　　(2) 炉前控制： 　　5 t/h冲天炉熔炼铸铁，出铁温度控制在1 420～1 450 ℃，75FeSi出铁槽随流孕育，孕育量0.2%～0.4%。 　　为了准确检测铸铁性能，在炉前连续6天做12只拉力试棒，6只硬度试块，6只三角试块，理化测试结果，见表1(其σb为2试棒平均值)。
表1　CE、Si/C及孕育处理对灰铸铁性能的影响 Tab.1　Effect of CE, Si/C and inoculation on the properties of gray iron
性　　　　　　　　能
白口宽 度/mm
　　根据实测结果，σb＞200 MPa，HB≥170,性能符合HT200要求，白口宽度不超过2.5 mm，省去了热处理工序，容易机械加工。 　　(3) 金相组织为细片状珠光体80%+铁素体+A、B型石墨。 　　(4) 机理分析 　　该铸铁有如此好的机械性能，是严格控制了CE和Si/C比值范围，促使基体中珠光体数量增加，减少铁素体，消除了自由渗碳体，同时加强孕育处理后，细化了基体组织，使得大量析出的片状石墨细化成细小片状无方向性而均匀分布的A、B型石墨，减轻了对基体组织的割裂，另外，高Si/C比加上孕育处理，使材质的塑弹性转变温度T2降低［2］，从而降低残余应力，其值较未孕育铸铁减少3～7 MPa。还有，在限定CE的范围时降低了C量，结果是降低了共晶膨胀力。由于内应力的减少和膨胀力降低的叠加，因而避免了胀裂的产生。 　　该技术同冷铁技术配合后，生产的法兰铸件不但缩松完全消除了，而且冷铁圆弧面处无一件出现裂纹，铸件合格率稳定。 　　2种技术配合同样适用于N70，N120，N150，N200米机出口法兰铸件生产，而且都生产出优质铸件。
5　应用效果
　　(1) 热节部位经加工后检测，缩松缺陷完全消除，且激冷部位无裂纹，表面电镀品质极佳，成品率100%。 　　(2) 采用高Si/C铸铁技术和成形冷铁技术相配合，是生产法兰铸件最有效的方法。
摘要: 采用控制碳当量，提高硅碳比，并与成形冷铁技术相配合。实践表明，这些措施有效地防止了灰铸铁件的表面缩松缺陷 关键词： Si/C；成型冷铁；缩松 文献标识码： A　　文章编号： 99)03-0022-02
The Prevention of Dispersed Shrinkage Defect on the Surface of Gray Iron Castings
WU Yong-an (Rizhao Pump Factory, Rizhao 276800, China)
Abstract： The technology measures of the high Si/C ratio cast iron manufactured by controling moderately carbon equivalent and raising Si/C ratio, together with the technology of the ring shaped chilling iron, are very effective to the elimination of surface despersed shrinkage defect of gray iron castings. Key Words: Si/C;CDispersed shrinkage
　　我厂是碾米机定点生产企业，出口法兰是碾米机中的重要铸件，该件共有5种规格，材质均为HT200，质量8～20 kg，由于该件结构特殊，在多年生产中一直产生表面缩松缺陷，因而使表面电镀品质差，严重影响碾米机的整体外观，直到1996年成形冷铁和高Si/C铸铁技术的应用，缩松缺陷最终得到了解决，本文现以N300出口法兰件生产工艺为例进行分析。
1　原铸造工艺3个方案
　　(1) 化学成分： 　　3.3%～3.5% C; 1.8%～2.0% Si; 0.8% Mn; ＜0.15% P; ＜0.12% S。CE=3.9%～4.16%。 　　(2) 采用从?J60 mm侧冒口直接浇注铁液，内浇口一个(30/40 mm×8 mm)，见图1(a)。 　　(3) 采用2个内浇口(16/20 mm×8 mm)，中间放?J50 mm浇冒口棒，在芯子中形成，如图1(b)。 　　(4) 采用腰圆形明冒口(100 mm×40 mm×100 mm)，设计冒口尺寸为81mm×40 mm×51 mm，如图1(c)。
2　缩松产生位置
　　第1方案　图1(a)所示A区，在铸件壁厚相交点处缩松，沿圆周靠近热冒口分布于铸件下表面，共2处，面积约2 cm×2 cm。 　　第2方案　图1(b)所示B区，在铸件壁厚相交点处缩松，沿圆周靠近浇口分布在铸件上表面，面积约2 cm×2 cm共3处，且操作不方便。 　　第3方案　图1(c)所示C区，相似于A区，其位置远离冒口，缩松区面积0.8 cm×0.8 cm共2～3处，且操作不方便，冒口根部易掉砂。
图1　原铸造工艺　Fig.1　Original casting processing
3　缩松缺陷分析
　　铸件加工后发现缩松均在热节圆圆周外表面上，缩松所在处的热节圆圆周，是一个难于补缩的弧立热节，热节部位散热面积小、散热条件差、冷却速度慢，当补缩不到时易产生缩松。图1(b)中所示工艺把冒口放在热节圆上，形成接触热节［1］，增加了冒口对热节补缩的干扰，从而更加重了该处的缩松，缩松区化学成分为：3.25% C; 1.72% Si; 0.83% Mn; 0.10% P; 0.09% S。而正常区化 分为：3.4% C; 1.9% Si; 0.8% Mn; 0.10% P; 0.09% S。 　　缩松区C、Si含量稍低于正常区，但不很明显。根据均衡凝固理论分析，碳当量低，石墨化能力差，不利于铸件自补缩，热节处易产生缩松。按照上述几种工艺生产的铸件，废品率几乎是100%。
4　缺陷的防止 4.1　采用成形冷铁技术 　　由于冷铁有以下几个作用［1］ 　　(1) 降低激冷部位模数，提高冷却速度，易实现均衡凝固；
图2　成型冷铁 Fig.2　Shaped chiling iron
(2) 安放冷铁部位使石墨化膨胀提前，增强自补缩能力； (3) 平衡铸件壁厚差，消除局部热节。 　　法兰铸件采用成形冷铁技术的工艺设计，如图2所示。 　　图中的δ=0.6T，δ为冷铁厚度，T为铸件热节圆直径。 　　由于法兰件需求量大，每天需要50多个冷铁，使用中要废掉8～9个，最初设计出置于图1所示的缩松部位环形冷铁，加工后检测其缩松彻底消除了，只是冷铁难以清理下来。重新设计冷铁置于图2所示的部位，加工成3个冷铁，2次试验缩松同样消除了，优点是冷铁很容易清理下来。在设计环形冷铁模时，圆弧面配合间隙很重要，如果冷铁尺寸过小，打箱时冷铁带不上来，过大圆弧面处肥大，毛剌厚，不利于清理和加工，经过3次实践，间隙确定在1～1.5 mm最好，每2个星期生产冷铁100多个，在砂轮上逐步磨出圆弧面0.2～0.3 mm，刷0.3 mm厚的涂料层，烘干，这种冷铁结构很容易带在上箱上不须放冒口，容易造型。 　　选HT200冷铁材质制作 　　(1) 冷铁弧面3天刷涂料一次，涂层小于0.3 mm，个别冷铁弧面因多次涂刷后涂层过厚，须铲掉旧涂层后再刷，并烤干。 　　(2) 冷铁弧面保持清洁，油污和潮湿的冷铁应涂刷、烘干后使用，以免产生气孔、冷隔缺陷。 　　(3) 冷铁使用次数小于15次，有裂纹的冷铁不得使用。 　　(4) 定期进行型砂检验，其水分不大于6%，透气性不小于80。 　　按照上述工艺生产的法兰铸件表面缩松彻底消除了，只是与冷铁配合的弧面处有个别热裂纹，占废品率3%～6%。 4.2　高Si/C铸铁技术 　　这种裂纹不同于收缩受阻产生的热裂，是一种在厚壁处、热节处石墨膨胀产生的裂纹，资料介绍高Si/C铸铁具有高强度，低应力特点，1995年将此项技术在法兰件上进行了试验，并同环形冷铁技术相配合，效果很好。 　　(1) 化学成分选取： 　　3.1%～3.3% C; 2.15%～2.3% Si; 0.8% Mn; ＜0.15% P; ＜0.12% S。CE=3.82%～4.07%,Si/C=0.65%～0.75% 　　(2) 炉前控制： 　　5 t/h冲天炉熔炼铸铁，出铁温度控制在1 420～1 450 ℃，75FeSi出铁槽随流孕育，孕育量0.2%～0.4%。 　　为了准确检测铸铁性能，在炉前连续6天做12只拉力试棒，6只硬度试块，6只三角试块，理化测试结果，见表1(其σb为2试棒平均值)。
表1　CE、Si/C及孕育处理对灰铸铁性能的影响 Tab.1　Effect of CE, Si/C and inoculation on the properties of gray iron
性　　　　　　　　能
白口宽 度/mm
　　根据实测结果，σb＞200 MPa，HB≥170,性能符合HT200要求，白口宽度不超过2.5 mm，省去了热处理工序，容易机械加工。 　　(3) 金相组织为细片状珠光体80%+铁素体+A、B型石墨。 　　(4) 机理分析 　　该铸铁有如此好的机械性能，是严格控制了CE和Si/C比值范围，促使基体中珠光体数量增加，减少铁素体，消除了自由渗碳体，同时加强孕育处理后，细化了基体组织，使得大量析出的片状石墨细化成细小片状无方向性而均匀分布的A、B型石墨，减轻了对基体组织的割裂，另外，高Si/C比加上孕育处理，使材质的塑弹性转变温度T2降低［2］，从而降低残余应力，其值较未孕育铸铁减少3～7 MPa。还有，在限定CE的范围时降低了C量，结果是降低了共晶膨胀力。由于内应力的减少和膨胀力降低的叠加，因而避免了胀裂的产生。 　　该技术同冷铁技术配合后，生产的法兰铸件不但缩松完全消除了，而且冷铁圆弧面处无一件出现裂纹，铸件合格率稳定。 　　2种技术配合同样适用于N70，N120，N150，N200米机出口法兰铸件生产，而且都生产出优质铸件。
5　应用效果
　　(1) 热节部位经加工后检测，缩松缺陷完全消除，且激冷部位无裂纹，表面电镀品质极佳，成品率100%。 　　(2) 采用高Si/C铸铁技术和成形冷铁技术相配合，是生产法兰铸件最有效的方法。
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