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知识篇:纯净“零夹杂”球墨铸铁的生产

根据近年来国内外高强度、高韧性、高疲劳强度,低温下要求高冲击韧性球墨铸铁经验,借鉴洁净钢/零夹杂钢的概念,河北龙凤山铸业有限公司提出纯净“零夹杂”球墨铸铁。高质量纯净“零夹杂”球墨铸铁是未来球墨铸铁发展趋势。

纯净“零夹杂”球墨铸铁主要特征:

微观组织中只含有形状良好的球状石墨和所希望的最佳金属基体组织;

不含各种非球状石墨,如各种片状石墨、蠕虫状和碎块状石墨、形状不规则的各种石墨等;

不含浮渣,不含碳化物,不含各种晶间碳化物,不含各种非金属夹杂物的球墨铸铁。

01、基本定义

纯净“零夹杂”球墨铸铁并非球墨铸铁中不含夹杂物,它也是一个相对的概念,确切定义也是随球墨铸铁技术发展而变动,在当前对纯净“零夹杂”球墨铸铁的定义为:

      (1)球化质量:球化率 ≥ 90 % ;

      (2)石墨球数多(具体数量因壁厚不同而不同,但相对于普通球铁多),分布均匀;

      (3)不含渗碳体、磷共晶 ;

      (4)铸件表面光洁、内部组织致密,无缩松、缩孔、夹杂等缺陷;

      (5)铸件的质量一致性、稳定性好。

02、性  能

根据国内外大量生产实践和实验结果,可以确认纯净“零夹杂”球墨铸铁将显著提高球墨铸铁的冲击性能,尤其是低温冲击性能;提高球墨铸铁的抗疲劳性能,尤其是抗高循环条件下的疲劳抗力;提高球墨铸铁的高温性能;显著改善机加工性能;提高大断面球墨铸铁的性能等。所有这些不仅可以大大提高了球墨铸铁件在使用中的可靠性,还为球墨铸铁件的轻量化,为提高机械设备的性能,为节能减排和可持续发展奠定了基础。

03、生  产

当今世界和我国的科学技术和球墨铸铁的生产技术以及所需的原材料等已经取得很大进步,这为生产纯净“零夹杂”球墨铸铁提供了基础。生产纯净“零夹杂”球墨铸铁件包括以下5个环节。

3.1 要获得优质合格的原铁液

优质合格的原铁液是指不含夹杂物,化学成分合格的原铁液。化学成分合格包括根据铸件壁厚合理选择的碳和硅,影响球状石墨形态和促进生成碳化物和其他夹杂物的有害元素,硫(S)、磷(P)、铝(Al)砷(As)硼(B)、铬(Cr)、钼(Mo)、锑(Sb)、鉍(Bi)、铅(Pb)、氮(N)、锡(Sn)、钛(Ti)钒(V)镉(Cd),硒 (Se)碲(Te)等含量和总量都要求非常低。反球化因子K1 和质量系数(珠光体影响因子)PX是评价铁液质量的主要指标:

 

 

建议

对于要求低温冲击韧性的铁素体球墨铸铁

原铁液S<0.02%,Mn<0.1%,P<0.025%,反球化因子K1 < 0.6,质量系数(珠光体影响因子)Px < 0.9,包括珠光体促进元素和碳化物稳定元素在内12个微量有害元素ΣT≤0.09%。

对于大断面球墨铸铁

原铁液S<0.02%,P<0.02%,Mn<0.1%,K1≤0.09,珠光体影响因子Px≤0.5,12个微量元素之和为ΣT≤0.025%。

为此要获得优质合格的原铁液需要选用优质原材料,如纯净的铸造生铁、优质废钢、优质硅铁合金和增碳剂。

生铁是球墨铸铁最主要的原材料,我国于2017年采用“三精法+精炼深度提纯”工艺成功研制生产了铸造用超高纯生铁,这为生产高质量纯净“零夹杂”球墨铸铁提供了原材料基础。

有了优质原料,还须选用先进可靠的熔炼设备(高质量炉

衬材料和先进的熔炼技术),快速地一次将原料熔化,避免反复调整化学成分,尽可能避免铁液氧化和混入的炉衬材料造成夹杂。采用先进的检测技术,包括光谱仪、化学分析仪和热分析仪等,确认原铁液化学成分合格。

3.2 采用先进可靠的球化处理和孕育处理技术

选用优质可靠的球化剂,球化剂中氧化镁含量要求低于0.5%。选用高效孕育剂和优化孕育方法,球化剂和孕育剂的粒度和成分要适宜和稳定。采用先进可靠的球化处理方法,盖包法或喂线法,保证称量准确。从而保证合理精确的加入量,避免球化剂加入量不足造成球化不良,避免球化剂加入量过多造成浮渣。处理反应后要严格按照工艺要求,彻底清除所有浮渣。

3.3  尽快浇注 

处理好的球墨铸铁铁液中的镁会逸出铁液,减少有效镁的含量,孕育作用也会随时间衰退,所以要加包盖,尽快,最好在8min之内完成浇注,避免球化和孕育衰退。

3.4  优化工艺设计,合理滤渣

处理好的球墨铸铁铁液在浇注过程中仍然会接触透过砂子而来的空气,仍然可能接触氧气产生氧化夹杂。需要根据球墨铸铁凝固理论或者采用凝固模拟计算机软件,优化浇冒口设计,减少紊流,平稳充型,减少卷入的夹杂和气体。合理设置过滤器,过滤铁液中可能存在的非金属夹杂物。

3.5 严格检验球化和铸件质量

铸造生产过程不仅工序多,而且非常复杂。即使严格控制了每一道工序,铸件质量检验(金相、性能、尺寸等)也必须严格控制。要严格执行检验程序,保证每一个铸件都满足尺寸形状要求,表面和内在质量完全合格。

 

不同于早期的球墨铸铁生产,当今世界和我国的科学技术和球墨铸铁的生产技术已经取得很大进步。早期不是每个铸造厂都有光谱仪,不可能每一炉铁液在处理前都能检测化学成分,如今光谱仪已在铸造企业普及,热分析仪等快速检测仪器几乎每一家铸造企业都有,可以保证每一炉铁液在处理前准确检测化学成分。

早期,我国没有含硫磷和其他有害元素很低纯净的铸造用生铁,现在已经有了不同品牌的高纯生铁;我国的超高纯生铁,其中可能形成碳化物和干扰石墨球化的微量有害元素极低,主要技术指标优于国外水平,整体技术水平达到国际领先水平。

早期,熔炼设备多采用简单的冲天炉,现在都是中频感应电炉或先进的外热风冲天炉,完全可以获得稳定、合格的球墨铸铁原铁液。

 

现在也有了高质量球化剂和高效孕育剂,先进可靠的处理设备和技术,以及计算机凝固模拟技术。可靠地、大批量生产纯净“零夹杂”球墨铸铁件已完全具备条件。图1~2为生产的低温高冲击韧性球墨铸铁和大断面球墨铸铁的金相组织,表1~2为其性能。这些球铁没有片状石墨和碎块状石墨,在光学显微镜下观察不到夹杂物,是纯净“零夹杂”球墨铸铁件的典型实例。

 

 

 

(a)石墨组织

(b)基体组织

图1 高速列车转向架轴箱(-60 ℃)QT400-18AL铁素体球墨铸铁的典型石墨和基体组织

表1  QT400-18AL(-60 ℃)的力学性能与低温冲击吸收功 

 

注:原铁液K1 < 0.6;PX < 0.9,12个微量有害元素之和ΣT≤0.09%。

 

 

(a)石墨组织

(b)基体组织

图2 超大断面(壁厚800 mm)球墨铸铁的典型石墨和基体组织

表2  超大断面(壁厚800 mm)球墨铸铁的力学性能与低温冲击吸收功

注:1. 原铁液K1≤0.09,PX≤0.50, 12个微量元素之和<0.025%;2. 要求值达到EN-GJS-400-18U-LT标准中本体试样的要求值。