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合成鑄造生產中各種輔材的作用

發布日期:2022-08-23 09:10:46 作者:admin 點擊:1670

合成鑄造生產中各種輔材的作用

碳能新材 石嘴山市碳能新材料科技有限公司 2022-08-23 09:07 發表于寧夏

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在有些公司生產的某品牌系列柴油機發動機缸體缸蓋鑄件案列中(不鑲缸套)有些鑄件要求重 50~250 kg,平均壁厚為5 mm,材質HT250。要求本體抗拉強度≥207 MPa,硬度179-241 HB,鑄件不允許有砂眼、渣眼、縮松、裂紋等缺陷。

采用10噸中頻感應電爐熔化鐵液,過熱溫度為 1 510~1 530 ℃。2012年前,配料時生鐵:廢鋼:回爐料為5:2:3,熔煉時在中頻爐底部1/3處隨爐料加入50kg未經過高溫煅燒的普通增碳劑,熔化過程中加入Si、Cu、Mn、Cr、Sn元素,出爐時加入硅鋇孕育劑進行孕育處理,澆注時加入硅鍶孕育劑隨流孕育,澆注時間為18~22分鐘。
原工藝生產的缸體缸蓋熔煉時生鐵及合金加入比例大,生產成本高,鑄件組織粗大,A型石墨大小通常在3級左右,鑄件本體強度及硬度散差大,鑄件精加工表面RZ>15,鑄件機械加工性能差,氣密性試驗時鑄件泄露率在2%以上,客戶抱怨大。因此,優化熔化工藝,改善鑄件力學性能,提高鑄件基體組織的致密性、改善鑄件加工性能、降低生產成本成為筆者公司近年來面臨的重點課題。

02
優化發動機缸體缸蓋熔化工藝的幾種措施



2.1 高溫石墨化增碳劑+廢鋼的合成鑄鐵熔煉工藝
生鐵中存在具有遺傳性的過共晶石墨,在熔化時,碳原子在原始石墨上生長造成石墨粗大且大小不均勻,石墨尖頭的應力集中效應,降低了鑄件的力學性能。因此以生鐵為主的配料工藝,即使加入較高的合金元素,鑄件本體強度偏低,硬度偏高。隨著合成鑄鐵技術在鑄造行業推廣應用,筆者公司自2012年起成功試驗推廣“廢鋼+高溫石墨化增碳劑+少量生鐵”的合成鑄鐵工藝,代替了“生鐵+普通增碳劑+廢鋼+合金”原生產工藝,生鐵:廢鋼:回爐料=0.5:6.5:3,選用經過高溫石墨化處理的晶體型增碳劑增碳,每爐分批加入150 kg。
采用合成鑄鐵工藝,消除了生鐵中粗大石墨的遺傳性,石墨大小為4~5級,石墨形態得到改善,使石墨分布更均勻,同時降低了鑄件的縮松傾向,改善了鑄件的加工性能。

2.2 鐵液的過熱靜置
在一定范圍內提高鐵液的過熱溫度,延長高溫靜置時間,能使石墨細化,基體組織細密,抗拉強度提高;若進一步提高過熱溫度,鐵液的形核能力下降,石墨形態變差,甚至出現自由滲碳體,使得強度性能范圍下降,因此存在一個“臨界溫度”。一般認為,普通灰鑄鐵的臨界溫度1500~1550 ℃左右[1]。筆者公司采用過熱溫度1510~1530 ℃生產發動機缸體缸蓋,高溫靜置5~10 min,石墨形態得到改善,本體強度及穩定性得到提高。由于高溫靜置和長時間鐵液保溫會造成碳的損失及形核核心的減少,在鐵液出爐時加入0.03%~0.06%增碳劑(粒度0.3~0.8 mm)進行預處理,增加鐵液的形核核心,并起到一定的孕育作用。

2.3 孕育處理及孕育劑的選用
對于灰鑄鐵,孕育的實質是借助孕育劑去影響鐵液的共晶反應,良好的孕育處理是灰鑄鐵獲得細小均勻的A型石墨、消除碳化物及過冷組織,減少斷面敏感性及硬度散差,改善鑄件力學性能及加工性能的基本保障。

2.3.1 出爐孕育
合成鑄鐵因使用大量的廢鋼及增碳劑,鐵液中氮含量急劇升高,氮元素在鐵液中可成為碳化物的穩定劑,促進碳化物的形成,它對石墨生長過程有影響,并能促進珠光體形成[2]。另外氮可使石墨片長度縮短,彎曲程度增加,端部鈍化,共晶團細化和珠光體數量增多,從而提高其力學性能[3]。但是當鐵液中氮含量達到120~150 ppm時,鑄件將產生枝晶間裂隙狀氮氣孔,氮氣孔缺陷常常與縮松缺陷相混淆,不少鑄造廠將其作為縮松缺陷開展技術攻關,因判斷錯誤致使措施無效[4]。
鋯在鐵液中能生成ZrC、Al3Zr、ZrN,降低鐵液中的溶解氮,基本消除鑄件的氮氣孔缺陷,同時增加析出和細化奧氏體枝晶,增加石墨結晶核心促進鐵液石墨化,提高鑄鐵的強度,筆者公司采用合成鑄鐵工藝生產時,出爐孕育選用硅鋇鋯孕育劑,加入量0.25%~0.3%。

2.3.2 隨流孕育
孕育衰退是孕育處理過程不容忽視的問題,相比出爐孕育,隨流孕育鐵液溫度較低且孕育時間延后,從而明顯減少孕育衰退現象,提高孕育效果。對致密性要求高的發動機缸體缸蓋灰鑄鐵件,一般選擇0.05%~0.1%的硅鍶孕育劑。硅鍶孕育劑能夠有效促進共晶石墨化、減少鐵液的白口,但不顯著增加共晶團數,不增加鐵液的縮松傾向,對降低鑄件滲漏具有顯著的作用。

表1  兩種孕育劑加入量與缸體性能的比較數據
零件
試驗方案
試驗部位
抗拉強度/MPa
硬度
發動機缸體
0.25%硅鋇
軸承座上/下
225/210
186/179
0.25%硅鋇鋯
232/220
185/188
0.3%硅鋇
230/206
189/182
0.3%硅鋇鋯
248/230
187/184
0.35%硅鋇
219/214
192/183
0.35%硅鋇鋯
249/232
188/186

筆者公司2008年以前采用出爐孕育加倒包孕育兩種孕育方式,孕育劑均為硅鋇,生產的康明斯4B缸蓋,滲漏廢品率高達10%左右,后采用硅鍶隨流孕育后,滲漏廢品率降至3.52%,對比數據見表2。
表2  倒包孕育與隨流孕育滲漏對比表
孕育劑
倒包硅鋇孕育劑孕育(平均)
硅鍶孕育劑隨流孕育(平均)
滲漏率
9.83%
3.52%

2.4 SiC在爐料中的應用
碳化硅是一種硅基生核劑,熔點達2 700 ℃,在鐵液中不熔化,按SiC+Fe=FeSi+C(非平衡石墨)熔融于鐵液,式中SiC里的Si與Fe結合,余下的C即非平衡石墨,作為石墨析出的核心[5]。并且碳化硅還是很好的脫氧劑,灰鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵都是通過SiC+FeO=Si+Fe+CO這個反應,用SiC來降低渣中FeO和MnO的含量[6],從而凈化鐵液,減少爐壁氧化,延長爐壁壽命,而且碳化硅可以達到增硅、增碳的目的。
碳化硅是一種具有“富足核心”美稱的物質,它作為鑄鐵合金的添加劑,減少了鑄件白口傾向,增強石墨形核能力和增加石墨形核中心,得到數量適中的共晶團數,形成符合要求的石墨形狀和分布,應用了合成鑄鐵熔化工藝后,爐料中廢鋼比例過高引起鐵液核心數過少時,碳化硅的成核效應可起到關鍵的作用[7]。筆者通過不加碳化硅和加入1%碳化硅兩種熔化工藝對鑄件金相組織(缸體缸筒部位)進行比較,見圖1。由圖1可以看出,熔煉時加入一定量的碳化硅對提高冶金質量、改善石墨形態有明顯的效果。

(a)不加碳化硅  100×
(b)加入1%碳化硅  100×

圖1  缸體鑄件的金相組織

2.5 合金元素的選擇及加入量
灰鑄鐵的金屬爐料一般由生鐵、廢鋼、回爐料和合金元素組成,眾所周知,合金元素有促進珠光體,強化基體組織,提高鑄件力學性能和使用性能的作用。一般認為,鑄鐵中除碳和鐵外,有意加入的金屬元素均作為合金元素。筆者公司生產發動機缸體缸蓋加入的合金元素有Si、Cu、Mn、Cr、Sn,合金元素加入量超過一定范圍后對鐵液質量及鑄件強度會產生負面影響,并且隨著合金元素加入量的增加,生產成本相應提高。所以在采用了合成鑄鐵技術、應用了碳化硅和硅鋇鋯孕育劑基礎上,適當降低合金的比例是節省材料、降低生產成本的重要途徑,也是降低鐵液收縮傾向、改善鑄件加工性能的關鍵因素。

2.5.1 硅
鑄鐵中的硅由原鐵液硅和孕育增硅組成。資料指出,生產灰鑄鐵時,孕育劑帶進鐵液中硅的質量分數不大于0.3%[8]。一定條件下,每種孕育劑都有其最佳加入量。過多的使用孕育劑不會帶來更大的孕育效果,反而浪費孕育劑、降低鐵液溫度、增加鑄件的收縮及氣孔和夾渣等缺陷。孕育不足,鐵液中有效的形核核心過少,鐵液過冷傾向及過冷石墨增加。
硅是強烈促進石墨化的元素,是鑄鐵中的主要組元,硅強烈削弱Fe-C結合鍵,明顯擴大TEG~TEM區間以及顯著提高TEG三個方面影響石墨的析出,故硅比碳有更強的石墨化能力。文獻指出,當w(Si)<1.2%,即使將碳量升高至w(C)>3.5%也難獲得完全的灰口凝固[9]。因此,孕育前原鐵液必須要有一定的硅含量,其可來自生鐵、熔煉過程中隨爐料加入的硅鐵或碳化硅。原鐵液中硅含量取決于鑄件大小及結構,一般認為,冷卻速度相對較快的汽油機缸體缸蓋鑄件,原鐵液中硅含量要求相對較高,而冷卻速度相對較慢的柴油機缸體缸蓋原鐵液中硅相對要低。通過試驗對比,在相同孕育量(0.3%硅鋇鋯出爐孕育和0.05%硅鍶隨流孕育)、相同碳化硅用量及相同合金含量條件下,w(C)=3.2%~3.35%之間時,原鐵液中硅從1.4%增加到2.0%,碳化物及鐵素體減少,石墨長度變長,滲漏傾向增加。如表3所示。
表3 不同比例原鐵液硅石墨形態、級別、碳化物、鐵素體的對比數據
序號
原鐵液Si,%
石墨等級
碳化物,%
鐵素體,%
1
1.4
5
3~5
0
2
1.5
5
1~3
0
3
1.6
4-5
0~1
1
4
1.7
4-5
0~1
1
5
1.8
3-4
0~1
2
6
1.9
3-4
0~1
3
7
2.0
3
0
5

由此可知,在同等孕育條件下,原鐵液中硅對灰鑄鐵石墨等級具有一定的影響,筆者公司生產的康明斯柴油機缸體缸蓋鑄件,原鐵液硅控制在1.6%~1.7%。

2.5.2 錳
錳是阻礙石墨化、促進碳化物形成的元素,在鑄鐵生產中Mn和S同時存在,Mn、S對灰鑄鐵組織和性能的影響取決于是否發生化學反應生成MnS,MnS在鐵液中是形成石墨的核心,間接起到促進石墨化的作用,因此錳對石墨化的影響是不強烈的。錳與硫化合所起的作用是以“錳硫比”來決定的,Mn=1.7S+0.3或者Mn=3.3S,灰鑄鐵鐵液中w(S)的適宜范圍是0.08%~0.12%,硫含量為0.02%與硫含量為0.1%的石墨形態相比,隨著硫含量增加,石墨長度變短,端部鈍化、形態彎曲[10]。筆者公司現在S的比例是0.1%~0.12%,由公式可得出,Mn的比例范圍應該保持在0.47%~0.504%;另外由Mn-S溶度積曲線[11]看出,碳當量為4.0%,S為0.1%~0.12%時,Mn為0.45%~0.5%。
因此,根據以上兩點論證以錳在0.5%左右的比例進行試驗驗證。試驗結果如表4。

表4 錳含量與缸體性能的數據
方案
序號
試樣編號
強度
硬度
金相組織
石墨組成
石墨長度
鐵素體
珠光體
碳化物
錳0.48%
1
14#上
232
190
A
3
0
100
1
14#下
220
188
A
3
0
100
1
2
18#上
235
187
A
3
0
100
1
18#下
222
189
A
3
0
100
1
平均


227
189
A
3
0
100
1
錳0.85%
1
23#上
198
189
A
3
0
100
1
23#下
198
179
A
3
0
100
1
2
45#上
222
185
A
3
0
100
1
45#下
197
179
A
3
0
100
1
平均


204
183
A
3
0
100
1

原工藝硫含量為0.10%~0.12%,錳含量為0.7%~0.9%,將錳含量降至0.5%左右時,試驗表明,鑄件的本體強度并沒有降低,反而有升高的趨勢,所以控制錳的含量在0.46%~0.55%之間。如果加入的錳量過高,一方面,隨著錳量增加,與Mn結合的S就多,使鐵液中自由w(S)量降低。S被大量消耗后,石墨會變得平順,長度變長,端部的鈍化效果變差;另一方面過量的錳會形成MnS夾雜物,大量MnS夾雜物,一部分會成為石墨的晶核,另一部分則發生聚集,形成局部密集的MnS排列,Mn強化基體的合金化作用被MnS的不利影響壓制,降低了灰鑄鐵性能。但是錳含量也不是越低越好,錳含量太低,會使鐵液氧化傾向增大,流動性變差,收縮傾向增加[10]。

2.5.3 鉻
鉻鐵是高熔點的正偏析元素,具有很強的形成碳化物的能力,加入到原鐵液中,w(Cr)量上限不要超過0.35%[10]。當鉻含量偏高時,易促進晶界碳化物形成,灰鑄鐵中的碳化物除分布在共晶團間外,有時還分布在共晶團內的蜂窩結構中。因為蜂窩內存在有殘余液體,凝固較晚,如果碳化物形成元素被推移到鑄件中心,將在鑄件斷面中心部生成大量萊氏體,并分布于初生奧氏體枝晶中。此時,鑄件內部會形成白口凝固,出現反白口現象[12]。相對于銅和錫,鉻鐵價格低,且顯著促進珠光體,使珠光體內的滲碳體片層變為合金滲碳體(Fe,Cr)3C,提高鑄件的強韌性和耐磨性,為了提高力學性能、減少鑄件滲漏風險,筆者公司生產的缸體缸蓋加入鉻鐵比例控制在0.16%~0.23%。

2.5.4 銅
銅加入鐵液中主要產生兩方面作用。一方面,銅是一種促進珠光體形成的反偏析元素,銅的加入可起到增加和穩定基體中珠光體組織的作用;另一方面,銅又是一種微弱促進石墨化的元素,可部分抵消鉻元素增大白口傾向的不利影響,有利于保證鐵液的鑄造工藝性能。
銅對灰鑄鐵的抗拉強度、屈服強度、應力彈性模量的影響基本一致。當加入0.5%銅時,會增加抗拉強度、屈服強度,使彈性模量上升;銅含量為0.8%時,強度最高;超過0.8%時,隨著含銅量的增加,鑄鐵的強度和沖擊韌性都降低[13](圖3)。

圖3 銅對灰鑄鐵抗拉強度、抗彎強度和沖擊韌性的影響
從圖3可以看出,銅含量為0.5%~0.8%時,強度和沖擊韌性變化微小,故選擇銅含量為0.5%左右進行試驗驗證。經多次試驗驗證,發動機缸體缸蓋銅的比例控制在0.45%~0.56%,符合鑄件的力學性能。

2.5.5 錫
錫是低熔點的反偏析元素,鑄鐵中加入錫元素可以增加珠光體含量,細化共晶團及珠光體,促進厚壁處的珠光體數量,但不會使薄壁處出現白口,降低斷面的敏感性?;诣T鐵中加入0.03%~0.12%錫時,可獲得鑄態珠光體組織,但珠光體數量很多的鑄鐵,加入Sn元素,效果不明顯[14]。一般的w(Sn)加入量在0.02%~0.04%,過高,有可能會使材料變脆[10]。筆者公司以錫在0.03%~0.05%進行試驗驗證,試驗效果見表5。

表5 錫含量與缸體性能的數據
零件
方案
強度
硬度
金相組織
石墨組成
石墨大小
珠光體
滲碳體
6B缸體
錫0.075%
215
190
A
3
100
1
220
193
A
3
100
1
平均
218
192
A
3
100
1
錫0.042%
220
191
A
3
100
1
218
191
A
3
100
1
平均
219
191
A
3
100
1
錫0.035%
215
190
A
3
100
1
219
188
A
3
100
1
平均
217
189
A
3
100
1

康明斯缸體缸蓋鑄件要求本體強度≥207 MPa,錫含量為0.03%~0.05%,鑄件力學性能完全滿足技術要求。通過試驗統計,當錫含量≥0.05%時,其對力學性能的改善效果不明顯。

2.5.6 分析討論
文獻指出,兩種以上合金元素的配合使用,用一種合金元素和另一種合金元素配合,防止另一種合金元素易產生白口傾向及生成碳化物的可能[15]。筆者公司生產缸體缸蓋加入的合金元素錳、鉻是正偏析元素,偏離石墨偏析于晶界,硅、銅、錫是反偏析元素,吸附于石墨[16],為了克服元素偏析的不利影響,熔煉時同時添加正、反偏析元素,利用其綜合性能,得到希望的珠光體組織和力學性能。
03
 經濟效益分析



3.1 合成鑄鐵的應用取得經濟效益
采用合成鑄鐵工藝,利用生鐵和廢鋼的價差,可降低主材成本。生鐵中含一定的碳(約4.3%)、硅(約1.2%),因此生產合成鑄鐵時需要補加一定量的增碳劑和硅鐵,每噸鐵液增加成本225元,當生鐵和廢鋼單噸采購成本價差為480元時,經測算每噸鑄件降低主材成本約200元,采用廢鋼代替生鐵的合成鑄鐵熔煉方式有明顯的經濟效益。

3.2 低合金化降低主材成本
通過采用合成鑄鐵工藝,合理設計合金元素的加入量,降低了發動機缸體缸蓋的主材成本,每噸降低成本200元左右(以缸體為例),數據見表6-表7,若一年生產25 000 t鑄件,直接經濟效益將近500萬元。

表6 B缸體低合金化后每噸降低的成本數據
項目
Si
Mn
Cu
Sn
下限
上限
下限
上限
下限
上限
下限
上限
原工藝/%
1.75
1.85
0.70
0.90
0.65
0.75
0.06
0.09
新工藝/%
1.60
1.70
0.46
0.55
0.45
0.53
0.04
0.05
原工藝/%
1.80
0.80
0.70
0.08
新工藝/%
1.65
0.51
0.49
0.04
減少量/%
0.15
0.30
0.21
0.04
合金單價(元/kg)
5.68
6.27
51.75
128.89
減少成本(元/t)
12.17
28.46
108.89
45.20
合計(元/t)
194.72

表7 D缸體低合金化后每噸降低的成本數據
項目
Si
Mn
Cu
Sn
下限
上限
下限
上限
下限
上限
下限
上限
原工藝/%
1.85
1.95
0.70
0.90
0.65
0.75
0.09
0.11
新工藝/%
1.60
1.70
0.46
0.55
0.48
0.56
0.05
0.06
原工藝/%
1.90
0.80
0.70
0.10
新工藝/%
1.65
0.51
0.52
0.06
減少量/%
0.25
0.30
0.18
0.05
合金單價(元/kg)
5.68
6.27
51.75
128.89
減少成本(元/t)
20.29
28.46
93.34
58.12
合計(元/t)
200.20

3.3 質量成本
通過優化熔化工藝、采取措施后,發動機缸體缸蓋的滲漏率從2%降低到1%以下,經過一段時間驗證,滲漏廢品率很穩定。若一年生產發動機15萬臺,一年就可以減少廢品將近1 500臺,降低質量成本200余萬元。

04
 結論



(1)采用合成鑄鐵技術生產灰鑄鐵的過程中,消除了石墨粗大帶來的遺傳效應,提高了鑄件硬度的均勻性,減少了縮松傾向,細化了石墨,改善了鑄件的切削加工性能。使用經過高溫石墨化的增碳劑是生產合成鑄鐵的關鍵所在。
(2)碳化硅的使用增加了石墨形核能力,減少了白口傾向,提高了鑄件的抗拉強度。
(3)廢鋼用量增大后,使用硅鋇鋯孕育劑,可抑制孕育衰退減少氮氣孔。
(4)合理設計合金元素的加入量,大幅度降低了生產成本及質量成本,降低客戶抱怨度,提高了企業的競爭力。

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