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知识篇:关于高端球墨铸铁纯净度的探讨

目前我国生产高端球铁的企业日益增多,将球铁产品推向了高强、高塑、高韧、高疲劳的应用领域。这些高端球铁包括六大类:即等温淬火球铁ADI;低温铁素体球铁;硅固溶强化铁素体球铁;高强、高塑的QT800-5、QT900-5、QT1000-5球铁;大断面球铁及薄壁球墨铸铁。这些高端球铁的生产对推动各类机械设备的轻量化,节能、减排、提高寿命起着极大的作用。

高端铸件具有三个特点:

(1)铸件用于在国民经济中具有重要地位的设备上,其质量优劣对设备的安全、寿命有重大影响;

(2)性能要求高,制造难度大;

(3)要求性能与质量的高度稳定性。

企业在生产中认识到铸件除了具有高性能,还要具有稳定性。在保证高端球铁性能与稳定性的因素中,除了石墨与基体外,还有一个重要因素是铁液的纯净度。

1、高端球铁中纯净度问题的提出

长期以来,纯净度的概念一直存在于铸钢中,含义是钢中非金属夹杂物的数量、形态与分布,以S+P+O+H+N作为纯净度的指标。而铸铁中的石墨本身就是最大的夹杂,在存在大量石墨的情况下,讨论纯净度似乎没有意义。但随着铸铁技术的发展,尤其是球铁的发展,将石墨形状转变成球状,又在球状的基础上将其变得更圆、更小、更多,使其对基体的破坏作用减到最小,以至于在石墨形态、分布等极好的情况下球铁要进一步提高性能就需要依靠基体的改进。为了改进球铁基体,球铁从全铁素体、混合体、珠光体、索氏体、托氏体到奥铁体,使基体对塑性、韧性、强度的影响也几乎发挥到极致,因此,为获得了更高强、高塑、高韧的球铁,就需要减少晶间的杂质,也就是提高纯净度。

2、球铁的纯净度

影响球铁纯净度主要有三个方面:S、P、Mn、Ti的含量及微量元素;气体[O]、[H]、[N]的含量及非金属夹杂。

2.1 低含量的S、P、Mn、Ti及微量元素

2.1.1 低含量的S、P、Mn、Ti

高端球铁首先要控制生铁中S、P、Mn、Ti的含量,具体要求见表1。

表1 S、P、Mn、Ti含量的控制要求(质量分数,%)

S是高端球铁控制的重点,S含量低,可降低球化剂的加入量,降低Mg残,减少硫化渣,还可延长球化衰退。图1是不同S含量原铁液球化处理后Mg残随时间的变化。

图 1 球化处理后 Mg 残的变化

P、Mn对冲击性能及脆性转变温度都有较大的负面作用,每增加0.01%的P含量或0.1%的Mn含量,脆性转变温度分别增加4~4.5℃与10~12℃,因此含量应控制在P<0.03%、Mn<0.2%,铁素体球铁Mn<0.10%

Ti是严重的干扰球化元素,即使少量的Ti也会导致形成变态石墨,含量应控制在Ti<0.025%。

2.1.2 球铁中的微量元素

(1)铸铁中微量元素对球化稳定性的影响

高纯生铁微量元素中Ti、As、Sn、Sb、Pb、Bi为反球化的干扰元素,反球化作用的大小可用球化系数K1表示:

K1=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Pb+1.6Al

为使球铁不出现球化不良,K1<1.0。

表2是微量元素中反球化元素对球化的影响。

表2 反球化微量元素对球化的影响

(2)微量元素对基体的影响

低温铁素体球铁要求基体为100%铁素体,微量元素中Mn、Cu、Sn、Pb、Bi、As、Cr、Sb是促进珠光体元素,它们对珠光体的作用可用珠光体系数Px来表示:

Px=3.0Mn+2.65(Si-2.0)+7.75Cu+90Sn+357Pb+333Bi+20.1As+9.6Cr+71.7Sb

为保证100%铁素体,Px应<1。

表3是微量元素对铸铁晶间夹渣与偏析的影响,表4是微量元素对球铁夹渣的影响。

表3 微量元素对晶间夹渣与偏析的影响

表4 微量元素对夹渣的影响

以上分析可知:在高端球铁的球状石墨与基体较完善的条件下,提高球铁的纯净度是提高球铁性能,尤其是冲击性能、疲劳性能与稳定性的一个重要因素。而从影响纯净度的三个方面来看,其中S、O、P及微量元素的控制最为重要。