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            烟台鑫诺科铸造材料有限公司

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            球墨铸铁凝固特性与冒口设计特性的差异

            2022-01-13 09:12:00

              一般来说,球墨铸铁件的缩孔缩松倾向远大于灰铸铁件。防止收缩缺陷通常是工艺设计中的一个非常困难的问题。在这方面,从实际生产中总结出来的经验非常不一致,各有各的见解:有人认为应该遵循顺序凝固的原则,在Z后一个凝固部位放置一个大的冒口,以补充铸件在凝固过程中的体积收缩;有人认为球墨铸铁铸件只需要小冒口,有时候没有冒口也能生产出声音的铸件。

              为了在保证铸件质量的情况下极大限度地提高工艺成品率,仅仅依靠控制铸铁的化学成分是不够的。在了解球墨铸铁凝固特性的基础上,必须有效控制铸铁熔炼、球化处理、孕育处理和浇注操作的全过程,有效控制模具的刚性。

              一、球墨铸铁的凝固特性

              实践中使用的球墨铸铁大多接近共晶成分。厚壁铸件采用亚共晶成分,薄壁铸件采用过共晶成分,但距离共晶成分不远。

              在共晶和过共晶球墨铸铁中,小石墨球在共晶凝固过程中首先从液相中析出。即使是亚共晶球墨铸铁,由于球化处理和孕育处理后铁水过冷度的增加,在远高于平衡共晶转变温度的温度下,小石墨球也会先析出。第1批小石墨球是在1300或更高温度下形成的。

              在随后的凝固过程中,随着温度的降低,一些Z初的小石墨球长大,一些重新溶解到铁水中,新的石墨球析出。石墨的沉淀和生长是在很宽的温度范围内进行的。

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              当石墨球长大后,其周围铁水中碳含量降低,石墨球周围会形成一层包围石墨球的奥氏体壳。奥氏体壳的形成时间与铸件在模具中的冷却速度有关:冷却速度快时,铁水中碳不能均匀扩散,奥氏体壳形成较早;低冷却速率有利于碳在铁水中的均匀扩散,奥氏体壳形成较晚。

              在奥氏体壳形成之前,石墨球与含碳量高的铁水直接接触,铁水中的碳容易扩散到石墨球中,使石墨球长大。奥氏体壳形成后,阻止了铁水中碳向石墨球的扩散,石墨球的生长速度急剧下降。由于石墨从铁水中析出时释放的结晶潜热较大,约为3600 J/g,奥氏体从铁水中析出时释放的结晶潜热较小,约为200 J/g,石墨球周围奥氏体壳的形成和石墨球的生长受到阻碍,结晶潜热的释放将明显减缓。在这种情况下,共晶凝固依赖于进一步降低温度来产生新的晶核。因此,球墨铸铁的共晶转变应在相当大的温度范围内完成,其凝固温度范围是灰铸铁的两倍或更多,具有典型的糊状凝固特征。简单地说,球墨铸铁的凝固特性主要包括以下几个方面。

              1.凝固温度范围宽

              从铁碳合金的平衡图来看,共晶成分附近的凝固温度范围并不宽。事实上,经过球化和孕育后,铁水的凝固过程偏离平衡条件非常远。在共晶转变温度(1150)以上150左右,石墨球开始析出,共晶转变末期的温度可能比平衡共晶转变温度低50左右。

              凝固温度范围如此之宽的合金是通过膏剂凝固的,因此很难实现铸件的顺序凝固。因此,根据铸钢件的冒口设计原则,实现铸件的顺序凝固,在Z终凝固的热点设置一个大的冒口并不是很合适。

              由于石墨球在很高的温度下沉淀并发生共晶转变,液固相长期共存,铁水凝固过程中液体收缩和凝固收缩同时发生。因此,像铸钢件一样,不可能通过浇注系统和冒口充分补充液体收缩。

              2.共晶转变过程中石墨的沉淀导致体积膨胀。

              在共晶温度附近,奥氏体密度约为7.3g/cm3,石墨密度约为2.15g/cm3。在铸件凝固过程中,石墨的析出会导致体系体积膨胀,每1%(质量分数)的析出石墨体积膨胀约3.4%。

              铸铁中适当使用石墨化膨胀可以有效补偿凝固过程中的体积收缩,在一定条件下,可以生产出无冒口的铸件。

              需要强调的是,在共晶转变过程中,灰铸铁和球墨铸铁都会析出石墨并发生体积膨胀。然而,由于两种铸铁中石墨的形态和生长机理不同,石墨化膨胀对铸铁铸造性能的影响也大不相同。

              在灰铸铁的共晶团中,与铁水直接接触的片状石墨尖端首先生长,石墨生长引起的体积膨胀大部分作用在与石墨尖端接触的铁水上,有利于迫使其填充奥氏体枝晶之间的间隙,从而使铸件更加致密。

              球墨铸铁中的石墨是在被奥氏体壳包围的条件下长大的。石墨球生长的体积膨胀主要是由于奥氏体壳层作用于相邻的共晶团,可能被推出来扩大共晶团之间的间隙,也容易通过共晶团作用于模具壁,导致模具壁运动。

              3.在铸件凝固过程中,石墨化膨胀容易引起模壁运动。

              球墨铸铁通过糊状凝固而凝固。当铸件开始凝固时,铸件在模具-金属界面处的外表面层比灰铸铁薄得多,且生长缓慢。即使时间长了,表层仍然是一层薄壳,强度低,刚性差。当内部发生石墨化膨胀时,如果外壳不足以承受膨胀力,它可能会向外移动。如果模具刚性差,模具壁会移动,型腔会膨胀。这样不仅会影响铸件的尺寸精度,而且石墨化膨胀后的缩孔也不会得到补充,从而导致铸件出现缩孔、缩松等缺陷。4.共晶奥氏体中碳含量高于灰铸铁。

              根据美国R. W.Heine的研究报告,在球墨铸铁共晶凝固过程中,奥氏体中碳的含量高于灰铸铁。

              灰铸铁共晶凝固过程中,共晶团中的石墨片与奥氏体和高碳含量的铁水接触。铁水中碳除奥氏体外直接扩散到石墨薄片中,因此铁水与奥氏体界面奥氏体中碳含量低,约为1.55%。

              球墨铸铁共晶凝固过程中,共晶团中的石墨球只与奥氏体壳接触,不与铁水接触。当石墨球长大后,铁水中的碳通过奥氏体壳扩散到石墨球中。因此,在铁水和奥氏体的界面处,奥氏体中的碳含量很高,达到约2.15%。

              球墨铸铁共晶凝固过程中,奥氏体中碳含量可能较高。在碳含量和硅含量相同的条件下,如果保持相同的冷却速度,析出石墨的量会较少,因此共晶凝固时的体积收缩会略大于灰铸铁。这也是球墨铸铁铸件容易出现缩孔缩松缺陷的原因之一。在凝固过程中保持低冷却速率是有利于石墨充分沉淀的一个因素。

              在充分石墨化的条件下,共晶奥氏体中的碳含量(即碳在奥氏体中的大固溶度)与铸铁中的硅含量有关,一般可按下式计算。

              碳在奥氏体中的大固溶度ce为2.045-0.178si。

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