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1、過濾技術在減少鑄鋼件夾雜物中的作用2011-11-14 12:44:17 作者:鄭丹 來源:美國西利公司武漢分公司 瀏覽次數(shù):42 鄭 丹美國西利公司武漢分公司(博韋爾西利工程材料有限公司)武漢解放大道21號漢正街都市工業(yè)區(qū)a100 430034摘要:宏觀氧化物夾雜的存在是鑄鋼件生產(chǎn)中最為麻煩的問題之一。這些夾雜物大大地增加鑄鋼件生產(chǎn)的工作量,在有些情況下還導致鑄件的報廢。本文討論了鑄鋼件中這些宏觀夾雜物的形成機制。由于過濾器能有效地捕獲和保留非金屬夾雜物,且夾雜物在通過過濾器時相對較短的傳輸距離,因此對液態(tài)金屬過濾是一種有效的分離固態(tài)和液態(tài)夾雜物的實用技術。對用過的西利過濾器的掃描電鏡和能譜

2、分析表明:由于鋼液再氧化而產(chǎn)生的液態(tài)宏觀氧化物夾雜潤濕且粘附于氧化鋯泡沫過濾器上;由于過濾器對澆注系統(tǒng)流動的調(diào)整作用降低了紊流,也有助于減少鋼液的氧化。本文提出了過濾器尺寸選定應遵循的原則,討論了一些過濾應用中出現(xiàn)的常見問題,如堵塞和充型減慢等問題。最后,以用于大輸送量水閘機構的大加工量的 活塞和氣缸鑄鋼件為例,說明了過濾對提高鑄鋼件質(zhì)量的效果:使用過濾前,全部24件合格的鑄件在加工被報廢;使用過濾后,共生產(chǎn)200件活塞和氣缸鑄件,加工后沒有一件因夾雜而報廢。關鍵詞:過濾;過濾器;夾雜物;鑄鋼件;澆注系統(tǒng)1前言 在今天的全球市場上要保持竟爭力,經(jīng)濟地生產(chǎn)潔凈的鑄鋼件已變得越來越重要。表面或皮下

3、的宏觀氧化物夾雜的存在會大大地降低砂型鑄造的鋼鋼件的加工性能和力學性能。宏觀氧化夾雜物現(xiàn)在仍然是鑄鋼件中最為麻煩的非金屬夾雜物。 本文將論述宏觀氧化物夾雜的形成機制,使用過濾器分離夾雜物的原理,過濾器尺寸的確定和安放的原則。還討論了一些與過濾應用相關的常見問題。此外,還列舉了一個應用西利過濾器而提高鑄件質(zhì)量的例子。2宏觀氧化物夾雜的來源 在商品鑄鋼件中觀察到的宏觀氧化物夾雜的尺寸范圍從直徑3mm到大于50mm,在鑄件表面形成一個深達6mm或更深的坑。由于上浮作用,宏觀氧化物夾雜幾乎總是位于鑄件上箱表面或皮下(圖1)。過去35年來,眾多的研究者研究了氧化物夾雜的形成問題1-6。由美國鑄鋼協(xié)會(s

4、fsa)和聯(lián)合碳化物公司的研究者的研究結果是這一問題的權威總結3,5,6。早在上世紀60年代初期的battelle memorial學院,由美國鑄鋼協(xié)會贊助的研究工作得出宏觀氧化物夾雜主要來源于鋼水澆注期間的再氧化和熔融的澆包耐火材料的結論3。來自于商品鑄件和實驗鑄件的宏觀氧化夾雜物的組成描給在sio2-al2o3-mno+feo偽三元系相圖中(圖2)。這些宏觀氧化夾雜物的化學成分受到鋼水成分(主要是mn/si比)和加入的強脫氧劑(al,ti,zr)的強烈影響。研究者的結論是宏觀氧化物夾雜形成于型腔外及澆注期間存在于澆注系統(tǒng)中的硅砂的卷入。一但進入型腔,夾雜物上浮至上箱鑄件表面導致嵌入的表面缺

5、陷?;诔煞值牟煌@些夾雜物大致在1149-1260c之間凝固。早期的研究得到兩個重要的結論:1)宏觀氧化夾雜物只要存在氧的情況下,不管是空氣中的氧還是與鋼液有接觸的耐火材料,就會產(chǎn)生; 2) 問題的解決需在在鋼液進入型腔前的澆注系統(tǒng)中將宏觀氧化夾雜物去除。 聯(lián)合碳化物公司的farrel, bilek和hilty研究了脫氧夾雜物和再氧化夾雜物的形成機制5。他們的結論是大尺寸的氧化物夾雜是澆注期間再氧化的結果。farrel等人認為再氧化產(chǎn)物要明顯大于脫氧產(chǎn)物,并且在硅錳等較弱脫氧劑的情況下數(shù)量較多。在鋁脫氧鋼中最初生成的再氧化夾雜物是串狀或叢狀的氧化鋁。隨著再氧化的進行,夾雜物中氧化鋁所占的百

6、分比不斷下降,而硅、錳所占的百分比不斷上升。farrel等人提出的再氧化夾雜物和脫氧夾雜物的形成機制示于圖3中。得于的結論之一是問題的解決將更多的是一個機械的而非化學的問題。改變脫氧工藝將使再氧化產(chǎn)生的夾雜物的成分發(fā)生改變,但不能阻止其產(chǎn)生。 另外的研究也得出再氧化是鑄鋼中宏觀氧化物夾雜的主要原因的結論6。在由美國鑄鋼協(xié)會贊助的工業(yè)調(diào)查中,收集了395個在生產(chǎn)廠澆注的商品鑄件和試驗鑄件。這項研究的結果是再氧化夾雜占宏觀氧化物夾雜的83%。這項研究的夾雜物的各種來源分布如圖4。所有上述的研究都指出再氧化是鑄鋼件中夾雜物產(chǎn)生的主要原因。只要鋼液在含氧的大氣中澆注,或與含氧的耐火材料(特別是那些氧化

7、硅材料)接觸,鋼液在進入型腔前形成再氧化夾雜物就是不可避免的。改變脫氧工藝不能阻止再氧化產(chǎn)物的形成而只能改變再氧化產(chǎn)物的成分。因此,使用過濾器在澆注系統(tǒng)中去除宏觀氧化夾雜物是解決這個總是的有吸引力的方法。3夾雜物的去除通過對取自生產(chǎn)的商品鑄件的澆注系統(tǒng)中用過的過濾器斷面的金相分析,研究了網(wǎng)狀泡沫陶瓷過濾器對氧化夾雜物的濾出能力。使用光學顯微鏡和電子顯微鏡研究了過濾器濾出的夾雜物的類型和尺寸。特別有用的是對用過的過濾器在掃描電鏡上聯(lián)合使用背反射電子像(bei)和能譜(eds)微區(qū)分析。聯(lián)合使用背反射電子像和能譜微區(qū)分析,通過成分和金相就可以實際確定過濾器濾出的夾雜物的類型和來源。由過濾器濾出的固

8、態(tài)的、液態(tài)的和復雜的多相固-液復合的氧化物夾雜顯示于圖5-圖11中。關于合金種類,脫氧工藝,澆鑄溫度,夾雜物成分,夾雜物類型,夾雜物近似的熔點和可能的夾雜物來源總結在表1中。表1. 示于圖5-11中的夾雜物的試樣歷史,夾雜物成分, 夾雜物的辯別和來源在過濾器濾出的夾雜物中觀查到下列夾雜物:1. 再氧化產(chǎn)物包裹侵蝕的氧化硅造型材料或叢狀和串狀的脫氧產(chǎn)物組成的復合團: 大的玻璃質(zhì)團塊內(nèi)或是含有氧化硅造型砂?;蚴菂矤詈痛疇畹难趸X,它們能隨著過濾器的結構變形,潤濕并粘附于過濾器內(nèi)壁。這些夾雜物相對尺寸較大,主要是錳硅酸鹽(mnsio3 或2mno.sio2)或錳鋁硅酸鹽玻璃體。其成分類似于圖2中所示

9、的典型的宏觀氧化夾雜物?;诔煞趾统叽绶治觯@些夾雜物與鑄鋼件中發(fā)現(xiàn)的典型的宏觀氧化夾雜物相對應。2. 脫氧產(chǎn)物: 當使用鋁作為終脫氧劑的時候,發(fā)現(xiàn)有叢狀或串狀的氧化鋁夾雜物粘附于過濾器上,如圖5。這類夾夾物是內(nèi)生的,尺寸相對較小( 500 磅)生產(chǎn)中有時碰到過濾器斷裂的情況。過濾器斷裂的兩個主要的原因是:1)過濾器尺寸選擇不當 如果過濾器被夾雜物(特別是固態(tài)的脫氧顆粒)超載,過濾器有可能斷裂。對用過的過濾器截面的金相試樣的分析以搞清濾出的夾雜物的含量和種類是非常重要的。 2) 過濾器支撐不當 過濾器四周四分之一或四分之三英寸寬度的支撐座是提供對過濾器的機械支撐所必須的。圖16. 圖14和15

10、中顯示的過濾器截面的橫切面,可以看到宏觀氧化物夾雜粘附于過濾器上。7. 應用實例 為顯示過濾在減少宏觀氧化物夾雜方面的效果,引用了源自為大輸送量水閘機構配套的活塞和氣缸鑄件為例子14。 兩個鑄件都是大加工量的((95%)。最初沒有使用過濾生產(chǎn)了各24件樣品,通過了目檢和b級x光檢驗。加工后鑄件被再次檢驗,所有鑄件都由于小的,隨機分散分布的宏觀氧化物夾雜而認定不合格。 調(diào)整為帶過濾器的4130活塞的澆注系統(tǒng)如圖14和15(440氣缸的澆注系統(tǒng)也是同樣的)。除直澆道座兩側兩個垂直的過濾器座外,澆注系統(tǒng)與使用過濾器前是相同的。生產(chǎn)參數(shù)的詳細確定如表3。使用過濾器后,生產(chǎn)了200對活塞和氣缸鑄件,沒有

11、一件因為夾雜物而被認定為不合格。通過兩個過濾器的橫切面如圖16,可見濾出的宏觀氧化夾雜物。對宏觀氧化物夾雜的能譜分析表明,叢串狀的脫氧氧化鋁夾雜物被包裹在玻璃態(tài)的al2o3-tio2-cr2o3-mno 夾雜物基體中。強脫氧劑產(chǎn)物(al2o3, tio2)與cr2o3和mno同時出現(xiàn),表明玻璃相的形成是由于澆注期間再氧化的結果。表3. 生產(chǎn)活塞和氣缸鑄件時的鑄造工藝參數(shù)*grainol: 79 20% ti, 3% zr, 12% al, 7% mn, 3% si*hypercal: 10% ca, 10% ba, 20% al, 40% si*graphidox: 5% ca, 50% si

12、, 10% ti8. 總結(1)宏觀氧化物夾雜的存在是高質(zhì)量鑄鋼件生產(chǎn)中的主要問題。文獻綜述指出宏觀氧化物夾雜是由被包裹的侵蝕的氧化硅型砂和形成于澆注期間的玻璃態(tài)的熔渣基體所組成的復合體。要解決這個問題,宏觀氧化物夾雜必須在金屬液流進入型腔前將其去除。(2)對在生產(chǎn)商品鑄鋼件中使用過的過濾器的截面的掃描電鏡和能譜分析表明固態(tài)和液態(tài)的夾雜物都能濾出。觀察到濾出的包裹有硅砂顆粒和叢串狀氧化鋁的液態(tài)宏氧化物夾雜,它們在物理上潤濕過濾器壁并粘附于部分穩(wěn)定化的氧化鋯泡沫陶瓷過濾器壁上。宏觀氧化物夾雜的液態(tài)或玻璃態(tài)部分的成分隨鋼液成分和脫氧工藝而變化,表明澆注期間的再氧化是宏觀氧化物夾雜的主要來源。過濾去除固態(tài)夾雜物的例子是侵蝕的硅砂顆粒和內(nèi)生的氧化鋁脫氧產(chǎn)物。在用鋁和鈣脫氧的情況下,過濾器濾出的是液態(tài)的鋁酸鈣。(3)西利prz(部分穩(wěn)定化氧化鋯)陶瓷材料具的最佳的高

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