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鑄鐵件中干擾元素的影響及控制措施

發布日期:2023-08-11 11:20:28 作者:admin 點擊:1391

鑄鐵件中干擾元素的影響及控制措施

碳能新材 石嘴山市碳能新材料科技有限公司 2023-08-11 11:18 發表于寧夏

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一、鑄鐵件中的干擾元素

這里所說的“干擾元素”,是對灰鑄鐵和球墨鑄鐵的性能有負面影響而言的,不一定都是通常所謂的有害元素,其中有的在鋼材中是重要的合金元素,有的對于某些合金鑄鐵也是必不可少的。

干擾元素的來源有三個方面:

廢鋼、生鐵中通常都含有的有害元素,如硫、磷(一些耐磨鑄鐵中有時故意加入少量的磷)、鉛(易切削鋼中有時加入少量的鉛)等;

是為改善鋼材的性能而特意加入的合金元素,如錳、鉻、鉬、鈦、釩、鈮、硼等;

則是混雜在爐料中的砂子、油漬、銹蝕、油漆等污染物。

1、生鐵中的干擾元素

制造高質量鑄鐵件時,原料生鐵中有害元素和干擾元素的含量必須嚴格控制。造用生鐵,尤其是高質量鑄件使用的高純生鐵As、Pb、Sn、Sb、Zn、Cr、Ni、Cu、V、Ti、Mo等元素的允許含量都作了具體的規定。

2、廢鋼中的合金元素

目前,各類常用鋼材中含合金元素的大致情況見表1。

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在沖天爐熔煉過程易于脫除的低沸點元素如:Pb(1755℃)、Sb(1640℃)、Bi(1481℃)、Te(989.8℃)、As(615℃升華)、Cd(767℃)、Zn(419.5℃)等,用感應電爐熔煉時就較難以脫除,從而易于顯現其負面影響。

由于鑄造對廢鋼的需求量大增,其來源涉及到各行各業,混入一些污染元素,如鉛、鋁、鋅等,也在所難免。

3、反球化指數K1

1970年德國蒂勒曼(Thielemann) 提出了一個計算K1,以來評估原材料(生鐵,回爐料,廢鋼) 中干擾元素對球化的影響,干擾元素包括Pb、Bi、Al、Sb、Sn、As、Ti。

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

這個計算式也往往被世界各地的鑄造廠,稱為球化指數K1,并且用于最終化學成分,即如果控制在K1<1,可以生產出符合基本要求的球墨鑄鐵球化率在85%、有的認為80%以上的球墨鑄鐵。

K1值越低,球化率越高,球化質量越好。

K1<0.6是生產高純鑄件要求。

K1>1.2時就必須要加入稀土來消除干擾元素的有害作用理論上,對于鎂處理的球鐵,稀土可以在K1值達到2時,即K1<2時消除干擾元素對石墨球的有害作用,超過2則消除不了。當K1<1.2時,加入稀土有好的作用,提高石墨球數,提高球鐵性能。

4、微量元素總和∑T

還有一種控制反球化元素的方法,就是控制有害微量的反球化元素總和要盡量低,即∑T=Ti+Cr+V+Mo+Sn+Sb+Pb+Bi+Te+As+B+Al

12個微量元素總和∑T<0.1%、其中鈦<0.045%。∑T與球化率的關系見下圖

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看的出來,要得到球化率≥80%,∑T要小于0.1%,而要求球化率≥90%,則∑T必須降到0.06%以下。

∑T<0.06%是生產高純鑄件要求,球化率才能好。

高純生鐵就是嚴格控制微量元素的含量。

有的高純生鐵標準規定11個微量元素∑T<0.05%,則是不含鈦Ti。

二.干擾元素對鑄鐵性能的影響

1.形成碳化物

鋼材中的合金元素,如Mn、Cr、V、Mo、Ti、B等,都是很強的碳化物形成元素,而且易偏析于鑄件最后凝固的部位,在晶界處濃度很高。

對于灰鑄鐵,由于其組織中存在大量片狀石墨,強度本來就不高,延性和韌性很差,晶界處碳化物的影響并不那么明顯。

對于球墨鑄鐵,尤其是鐵素體球墨鑄鐵件、等溫淬火球墨鑄鐵件和優質厚截面球墨鑄鐵件,晶界處碳化物的影響往往是至關重要的。圖1和圖2都是厚壁球墨鑄鐵件晶界處的碳化物。這類碳化物對材質的力學性能影響很大,而且出現這類碳化物時鑄件內部往往隨之產生小的縮孔或疏松。

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2中列出了這類元素的來源、對鑄鐵性能的影響及建議的含量控制值(特殊情況下作為合金元素加入時例外)。

2 鑄鐵中常見的碳化物形成元素

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2.對石墨球化的影響

鑄鐵中加入Mg和以Ce為代表的稀土元素后,可以使石墨球化。如果金屬爐料中含有阻礙石墨球化的元素,就會影響石墨的球化。阻礙石墨球化的作用大致可分為兩個方面:

1)與Mg或稀土元素反應,產生氧化物、硫化物和氮化物,消耗球化元素。

起這種作用的主要是氧、硫和氮。此外,碲(Te)和硒(Se)也是消耗球化劑的元素。

2)球狀石墨生成后,提高鑄鐵中的液相的穩定性,使石墨長大過程中,在各個方向成長不均勻,從而導致石墨球畸變。

起這種作用的主要是磷、鋁、錫、銅、硼、銻、鈦、鈮等元素。這類元素偏析的傾向強,可以使鐵中的液相穩定,促進石墨成長的異向性,從而影響石墨的形態。

硼、錫、銻、銅對石墨形態的影響見圖3。

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還有一些元素,如鉛、鉍等,兼有上述兩種作用。

各種影響石墨球化的元素及其作用,簡略歸納于表3

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但是,鐵液中含鈦量增多時,各種元素的允許含量還應進一步降低。在不同的鈦含量下,砷、錫、鉍、鉛、銻等元素的球墨鑄鐵中石墨形態的影響見圖4。

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因此,生產優質球墨鑄鐵件時,應特別留意鑄鐵中的鈦含量。

制造高強度球墨鑄鐵件時,常常加入較多的銅。在這種條件下,應盡可能地將鑄鐵中的鋁含量控制得低一些。

3.產生縮孔的傾向增大

縮孔的特征有表面縮孔和內部的縮孔、縮松。鈦、鋁的含量增高,鐵液的流動性惡化,產生表面縮孔的傾向增大。磷、錳、鉻、釩、鉬等元素易偏析于最后凝固的部位,形成復合碳化物,導致產生內部縮孔、縮松的傾向增大。日本的研究工作表明:灰鑄鐵中含有鋁、鈦、釩、鉻、磷等元素,產生縮孔的傾向增大;球墨鑄鐵中,鋁含量自0.02%增加到0.04%,產生縮孔的傾向增大。

4.灰鑄鐵的強度降低

灰鑄鐵組織中石墨的形態,對其力學性能有重要的影響,難以由硬度預測其強度?;诣T鐵中鉛含量在0.005%以上,就可能產生魏氏體型石墨,導致強度顯著降低。如果鑄鐵中還含有鋁、氫、鈣等元素,鉛含量在0.005%以下,就可能出現魏氏體型石墨。

一種厚壁灰鑄鐵件(厚度100~150㎜)在使用過程中破斷,作失效分析時發現,雖然基體組織基本上是珠光體,由于石墨為魏氏體型,硬度為148 HB,分析結果表明鉛含量很高,為0.025%,破斷處的顯微組織見圖5。

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灰鑄鐵中常加入銻或錫,以穩定珠光體,提高其硬度。但是,如加入量太多,雖然硬度提高了,強度卻反而會降低。碳當量較高的灰鑄鐵中,錫的加入量對灰鑄鐵硬度和強度的影響見圖6?;诣T鐵中添加銻,也有同樣的影響,而且易于使石墨的形態變異。

灰鑄鐵強度低下時,有必要注意鈦的有害作用。鈦含量增多時,加以鐵液中含有的硫的作用,會促使D型石墨形成。部分石墨成為D型后,基體組織中的鐵素體增多,會使鑄鐵的強度降低。干擾元素鈦不僅來自廢鋼,我國生產的高硅鑄造生鐵中也往往含有鈦,選用時應加注意。

5.鑄鐵的硬度低

對于生產中經常發生珠光體球墨鑄鐵的硬度低于常的情況,其原因經過研究是硼的影響。

鑄鐵中硼含量超過0.002%,就可以抑制銅穩定珠光體的作用,使鑄鐵的硬度降低。因此,生產中不僅要注意廢鋼和其他爐料中所含的硼,采用感應電爐熔煉時,還應注意筑爐材料中加入的硼酸所造成的污染。

6.感應電爐爐襯的壽命低

近年來,用于熔煉鑄鐵的感應電爐日益增多,爐襯壽命不高的情況也十分多見,當然,耐火材料品質不高、筑爐工藝掌握不好是出現這類問題的主要原因,但是,也不能忽視爐料帶來的問題。

如果采用鍍鋅鋼板作爐料,鋅受熱后蒸發,侵入爐襯內,就會使爐料壽命降低。新筑的爐襯燒結期間,鋅蒸汽的影響尤為嚴重。

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