1、灰鑄鐵中常見(jiàn)的冶金缺陷力于為鍛造、鑄造、軋鋼行業(yè)人員提供網(wǎng)上在線技術(shù)交流的溫馨家園,以鍛造、鑄造、煉鋼、軋鋼、焊接、熱處理、理化灰鑄鐵中常見(jiàn)的冶金缺陷原因及對(duì)策艾肯鑄造產(chǎn)品部客戶(hù)服務(wù)經(jīng)理C.Hartung艾肯鑄造產(chǎn)品部研發(fā)經(jīng)理有時(shí)候很多鑄造能夠分辨出灰鑄鐵中的冶金缺陷,但相應(yīng)的產(chǎn)生原因和對(duì)策卻不是很清楚。位于挪威的艾肯研究中心在檢查報(bào)廢的鑄件時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些鑄造缺陷,本文將認(rèn)真討論和研究這些缺陷。氣孔類(lèi)的鑄造缺陷是最難分類(lèi)的,主要的關(guān)注應(yīng)該集中在氫氣孔、氮?dú)饪住⒑鸵谎趸細(xì)饪住Ｆ渌懻摰娜毕莅ㄊ湛s、短片狀石墨、和常見(jiàn)的鐵素體邊緣。引言雖然冶金缺陷只占多鑄造廠產(chǎn)品缺陷的很小一部分,但要分析其原因

2、和采取正確的措施卻是及其費(fèi)時(shí)和昂貴的。在本文中將根據(jù)艾肯研發(fā)中心的案例研究來(lái)描述一些最普通的冶金缺陷。在任何缺陷的檢查過(guò)程中,必須擁有良好的設(shè)備以便為正確的分析缺陷形成原因提供足夠的信息來(lái)避免錯(cuò)誤,特別是當(dāng)認(rèn)為是主要原因的時(shí)候。其它的缺陷,像魏氏體石墨,就需要高放大倍數(shù)的顯微鏡。氫引起的針孔氫氣孔可能是代價(jià)最為高昂的一種缺陷,因?yàn)橐话闼鼈冊(cè)跈C(jī)加工后才顯露出來(lái),在灰鐵和球體都會(huì)出現(xiàn),常以圓球狀出現(xiàn)在鑄件表皮之下。由于氣孔的內(nèi)壁被石墨所覆蓋,因此檢查的時(shí)候氣孔內(nèi)壁是黑色和發(fā)亮的。這種氣孔內(nèi)壁石墨的析出導(dǎo)致了氣孔外壁產(chǎn)生了石墨的耗盡的區(qū)域,這些圖片顯示在圖1當(dāng)中。有幾種因素能夠引起單個(gè)的氫或成片的氫

3、氣針孔,最主要的原因就是鐵液中的Al或鈦與來(lái)自型砂、潮濕的工具,或潮濕的耐火材料中的水汽發(fā)生反應(yīng)。水汽的其它來(lái)源可能是濕的空氣或者被有污染的爐料、鐵銹,型砂中積聚的死粘土也會(huì)使型砂的水分升高、也可能使用舊的芯子,因?yàn)檫@些芯子會(huì)從潮濕的大氣中吸收水分。 機(jī)加工暴露出的氫氣孔顯示了具有內(nèi)壁石墨膜的特寫(xiě)氫氣孔圖1 氫氣針孔通過(guò)將鐵液中Al的含量限制在200ppm一下和最大程度的減小Ti含量和防止氫氣孔的出現(xiàn)和減少其發(fā)生的幾率。對(duì)廢鋼的仔細(xì)控制、避免使用蠕墨鑄鐵的回爐料(如果用Ti生產(chǎn)和去除帶釉的廢鋼有助于減少氫氣孔的的產(chǎn)生。一些生鐵也含有較多的Ti。應(yīng)該采取措施來(lái)使所用的耐火泥和涂工刷涂料具干燥,并

4、向砂處理系統(tǒng)中加入足夠的新砂來(lái)阻止死粘土在型砂中的累積。型砂中的水分最好低于3%,在澆注之前,芯子和涂料必須完全干燥和熟化。現(xiàn)在已經(jīng)注意到提高澆注溫度和提高碳當(dāng)量能夠減少這種特殊缺陷的發(fā)生幾率。氮?dú)饪?灰鑄鐵經(jīng)過(guò)機(jī)加工后出現(xiàn)的氮?dú)饪椎獨(dú)饪字車(chē)谋M區(qū)域的特寫(xiě)圖2:氮?dú)饪椎獨(dú)饪兹毕菘赡茉阼T件表面或皮下出現(xiàn),圖2是經(jīng)過(guò)昂貴的機(jī)加工后處理后在鑄件皮下發(fā)現(xiàn)的氮?dú)饪?氮?dú)饪赘菀自谥械缺诤竦蔫T件和靠近使用樹(shù)脂粘結(jié)劑的芯子和造型材料。氮?dú)饪缀土严稜畹獨(dú)饪滓话阈螤畈灰?guī)則(與圓的的氫氣孔相比較,垂直于鑄件表面,可深入鑄件表面以下幾個(gè)mm。氮?dú)饪變?nèi)部都有連續(xù)的或者不連續(xù)的石墨析出膜,與這種析出膜相連的就是周?chē)?/p>

5、已經(jīng)脫碳的基體組織,圖2清楚的顯示了這一情況,這這幅圖片中還能看到伸進(jìn)N 氣孔壁內(nèi)部的樹(shù)枝狀凸起。有時(shí)石墨會(huì)變得短而厚,這是氮含量高的典型信號(hào)。系統(tǒng)中氮含量高是造成裂隙狀氮?dú)饪椎闹饕?在沖天爐熔煉鑄鐵中,高的氮含量來(lái)自于爐料中高比列的廢鋼,熔化這些廢鋼需要較多的焦炭;在電爐熔煉當(dāng)中,則是使用了質(zhì)量差的氮含量高的增碳劑;在制芯和造型中使用樹(shù)脂粘結(jié)劑也可能導(dǎo)致但在鑄件的局部累積,特別是在潛在的熱節(jié)處。一般情況下應(yīng)把薄壁鑄件中N的含量限制在120ppm以?xún)?nèi),中厚壁的含量限制在80ppm 以?xún)?nèi),在沒(méi)有芯子的鑄件截面附近一般不會(huì)出現(xiàn)N氣孔,此外,對(duì)認(rèn)真的選擇原材料也能減少N氣孔的出現(xiàn)。Ti和Zr能夠

6、中和N的有害作用,但是使用Ti是要小心,因?yàn)槿缜懊嬗懻摰哪菢?在較高的Al含量和水的含量下,Ti的存在易使鑄件產(chǎn)生氫氣孔。提高澆注溫度和增加碳當(dāng)量有助于減少氮?dú)饪兹毕莸陌l(fā)生幾率。一般情況下,很難區(qū)分出氫氣孔和氮?dú)饪?分析缺陷試樣有助于顯示控制元素的是否在合理的范圍之內(nèi),然而有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)具有氫氣孔和氮?dú)饪滋卣鞯?在這種情況下,這些元素對(duì)形成氫氣孔和氮?dú)饪灼鹆斯餐淖饔?因此必須采取嚴(yán)密的控制措施來(lái)檢查缺陷的發(fā)生原因。一氧化碳?xì)饪證O氣孔是灰鑄鐵中第三種常見(jiàn)的氣孔缺陷,圖3顯示了典型的CO氣孔缺陷的例子,這種缺陷經(jīng)常能夠在鑄件皮下看見(jiàn)。像這兒描述的CO氣孔直徑有幾個(gè)mm,在的鑄件中,大的CO氣孔可

7、以塞進(jìn)一只拳頭,其內(nèi)部常有渣或者硫化錳渣,在其內(nèi)部也能發(fā)現(xiàn)伸進(jìn)內(nèi)壁的突出物。 灰鑄鐵中的表面渣孔聚集的渣的特寫(xiě)圖3 一氧化碳?xì)饪自斐蛇@種缺陷最普通的原因就是鐵水包和出鐵口內(nèi)的鐵液沒(méi)有清理干凈,這將導(dǎo)致較低的澆注溫度和MnS渣或者氧化物渣在下一包中鐵水的聚集。最終這些渣多到一定量就會(huì)發(fā)生下面的反應(yīng):MeO + C = Me = CO這種缺陷歸因于鐵液中過(guò)量的Mn和S,Mn和S的關(guān)系應(yīng)根據(jù)下式來(lái)計(jì)算%Mn = %S + 0.3通過(guò)完全清理澆包和出鐵口,使用干凈的澆包和阻止渣在鐵液中的累積,增加澆注溫度也會(huì)對(duì)減少CO氣孔會(huì)有所幫助。收縮缺陷 缺陷的簡(jiǎn)圖顯示了金屬表面和內(nèi)部枝晶的縮孔特寫(xiě)圖4:熱節(jié)收縮

8、缺陷圖4 顯示的例子是典型的收縮缺陷,縮孔的內(nèi)壁表面有點(diǎn)型的樹(shù)枝張枝晶,但是內(nèi)壁沒(méi)有石墨膜,石墨膜的出現(xiàn)一般與鑄件的氣孔缺陷有關(guān)。如圖描述的收縮缺陷出現(xiàn)在鑄件熱節(jié)的中心,該處鑄件較小的圓角和不良的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)促使形成了此缺陷,此外熱節(jié)周?chē)绍浀纳靶蛯?duì)此缺陷的形成也起了一定的作用。實(shí)際上,在鑄件上發(fā)現(xiàn)的大部分的收縮缺陷的原因都?xì)w因于松軟的砂型,除此之外,還有幾種收縮形成的原因: ; % 9 ; ' z厚壁處的鑄件補(bǔ)縮不良或內(nèi)澆口不夠C低或者碳當(dāng)量低,從而造成在凝固過(guò)程中沒(méi)有足夠的較低密度的石墨析出來(lái)抵消凝固過(guò)程中的收縮。鍛造 鑄造 軋鋼 煉鋼 焊接 熱處理 鑄造論壇 O. O 1 - 0

9、 鑄型沒(méi)有夾緊或者壓鐵重量不夠造成抬箱孕育不足和過(guò)量孕育也能導(dǎo)致收縮缺陷。前一種情況導(dǎo)致了沒(méi)有足夠的石墨析出,而后一種情況導(dǎo)致了過(guò)多的共晶團(tuán),太多的共晶團(tuán)也能導(dǎo)致共晶團(tuán)之間的縮松。含硫量超過(guò)0.1%也能促進(jìn)縮松縮孔的形成,較高的澆注溫度也一樣。晶間碳化物 圖5:晶界附近的碳化物現(xiàn)在的鑄造產(chǎn)業(yè)必須面臨所使用的廢鋼質(zhì)量下降的問(wèn)題。現(xiàn)在鑄造廠所使用的廢鋼的微量元素含量比以前更高了,這就導(dǎo)致了出現(xiàn)晶間碳化物發(fā)生幾率的增加。在厚壁鑄件中應(yīng)特別注意這種情況,厚壁處較長(zhǎng)的凝固時(shí)間使有害元素如Mo、V、Ti、Cr、Mn在晶界上析出和聚集。在某種情況下,增加孕育劑使用量和使用強(qiáng)效孕育劑可以沖淡碳化物成元素,從而

10、避免碳化物的形成,但是應(yīng)注意到碳化物元素形成碳化物的效果是累加的。另外對(duì)于有些碳化物形成的碳化物,如Cr和Mo,是不能通過(guò)隨后的熱處理來(lái)消除這些碳化物的。通過(guò)控制原材料特別是廢鋼以及優(yōu)化孕育劑的加入方法可以避免晶間碳化物的產(chǎn)生。增加碳當(dāng)量也有助于稀釋有害的微量元素。魏氏體石墨:圖6顯示了經(jīng)典的魏氏體石墨組織。這種組織-有時(shí)也被稱(chēng)作短棒狀石墨-當(dāng)微量元素如pb、Bi、Sb的含量高時(shí)易在鑄鐵組織中發(fā)現(xiàn)。特別是鑄件的壁厚比較大時(shí),在有氫的存在條件下,Sb促進(jìn)魏氏體石墨的形成。Bi和Sb的作用一樣。產(chǎn)生這種石墨的普通原因就是Pb,當(dāng)鉛的含量為0.0005%時(shí)就有可能促進(jìn)魏氏體石墨的形成。 魏氏體石墨組

11、織圖魏氏體石墨的特寫(xiě)圖6:魏氏體石墨的組織照片一般情況下鉛來(lái)自于廢鋼種的易切鋼,被油污染的廢料、帶有搪瓷的廢鋼,鍍鋅鐵板、或被軸承合金污染的廢鋼,使用廢棄的含鉛汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為回爐料也是鉛的一個(gè)來(lái)源。魏氏體石墨對(duì)灰鑄鐵的力學(xué)性能有著災(zāi)難性的影響,石墨上的尖釘起著裂紋的作用,極大的降低了灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度。用電爐熔煉時(shí)鉛的含量會(huì)上升,而用沖天爐熔煉時(shí)則很少出現(xiàn)這種狀況,因?yàn)殂U在加入的批料中鑄件消失了。一般鉛在灰鑄鐵中的含量超標(biāo)以后,很少有有效的措施來(lái)減少鉛的含量,除非使用含有稀土的孕育劑或者是預(yù)處理劑來(lái)將鉛從灰鑄鐵中清除出來(lái)。斯氏體 厚壁件中的斯氏體薄壁件中的斯氏體圖7:灰鑄鐵中的磷共晶斯氏體-一般

12、叫做磷共晶-實(shí)際上是一種磷化鐵的析出物。除非鑄鐵中含有過(guò)量的磷共晶或者在晶界上磷共晶被發(fā)現(xiàn),一般情況下,這不被被認(rèn)為是一種鑄造缺陷。當(dāng)鑄鐵中的磷在合適的范圍之內(nèi),磷能夠提高鐵液的流動(dòng)性和鑄件的耐磨性,少于的0.04%的可能導(dǎo)致鑄件滲漏,大于0.04的磷會(huì)使在晶界上析出連續(xù)的斯氏體,這會(huì)使鑄鐵產(chǎn)生收縮缺陷和使鑄鐵變脆。除了降低原材料中磷的含量之外,還可以通過(guò)加大孕育量和冷卻速率來(lái)減少鑄鐵中斯氏體的含量。應(yīng)該仔細(xì)檢查廢鋼和原材料避免家庭供暖用鑄件作為爐料,還應(yīng)該對(duì)生鐵的磷含量作分析,因?yàn)橛行┢放频纳F磷含量比較高。渣 灰鑄鐵中的夾渣顯示了多相的夾渣特寫(xiě)圖8 夾渣缺陷夾渣也有可能像在這兒描述的一樣在

13、鑄件表面被發(fā)現(xiàn),也有可能在鑄件內(nèi)部發(fā)現(xiàn)夾渣。砂粒周?chē)鷽](méi)有脫碳層并且?jiàn)A渣是多相共存的,可以通過(guò)這種特征來(lái)識(shí)別夾渣。在熔煉和澆注過(guò)程中扒渣不充分或者由于渣在在澆包和出鐵口的累積是造成夾渣的主要原因-這一部分已經(jīng)CO氣孔那一部分介紹過(guò)。在澆注系統(tǒng)中設(shè)置集渣包或過(guò)濾器有助于除渣,但卻對(duì)解決夾渣的跟沒(méi)原因沒(méi)有幫助,因?yàn)檫@是不能代替良好的除渣行為的。當(dāng)鐵水的壓頭過(guò)大或者澆注系統(tǒng)中存在著紊流就有可能導(dǎo)致渣的產(chǎn)生。花費(fèi)時(shí)間來(lái)仔細(xì)檢查澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和熔煉的除渣措施對(duì)消除渣的產(chǎn)生是值得的。夾砂本為討論的最后一個(gè)缺陷是與砂子有關(guān)的。如圖9所示那樣,夾砂很容易的能和夾渣區(qū)分開(kāi)來(lái),因?yàn)閵A砂區(qū)域只有一個(gè)相且砂粒的形狀比較規(guī)則。 圖9:夾砂缺陷夾砂一般是在型腔中產(chǎn)生的,當(dāng)鐵液以較高的高度落到直澆口底部時(shí),就會(huì)引起周?chē)绍浬白拥臎_蝕。尖銳的圓角也是引起沖砂的一個(gè)