球墨鑄鐵鑄件凝固收縮的研究

球墨鑄鐵鑄件凝固收縮的研究

1縮孔縮松工藝措施的提出及實施針對pee-mg銅件的工藝措施，應(yīng)解決或防止收縮孔的收縮。目前的共識是，鑄造的類型應(yīng)具有足夠的剛性和強度，化學(xué)成分接近普通成分，應(yīng)加強研磨和育種處理，以產(chǎn)生足夠的石墨化。但具體工藝設(shè)計原則上還存在爭議:均衡凝固理論認(rèn)為球鐵的石墨化膨脹可以抵消凝固收縮,工藝上應(yīng)該采取措施,使單位時間的收縮和膨脹、收縮與補縮按比例進行,利用膨脹與動態(tài)收縮疊加,達(dá)到鑄件的補縮目的,使用冒口的理念是有限補縮,冒口不必晚于鑄件凝固,冷鐵的作用是平衡鑄件的壁厚差異,消除熱節(jié),并可以使一部分石墨化提前;但也有文獻對此表示異議,認(rèn)為球鐵的收縮大于膨脹,必須有外部補縮,冒口不能晚于鑄件凝固,冷鐵的作用是首先使鐵液的收縮提前和加快,更有利于更早的及時的補縮,對脹縮疊加并沒有影響。焦點在于是強調(diào)石墨化膨脹自補縮還是強調(diào)外部補縮。從一些典型鑄件的縮松缺陷分析以及解決措施的總結(jié),單純強調(diào)外部補縮或強調(diào)石墨化膨脹自補縮均無法穩(wěn)定的控制鑄件的縮孔縮松。如何有效地把石墨化膨脹和補縮利用起來,主要還是要取決于鑄件結(jié)構(gòu)、鐵液熔煉處理水平和鑄型條件。文獻中闡述的一個觀點認(rèn)為,在冷卻凝固過程鐵液內(nèi)部會發(fā)生壓力變化,當(dāng)內(nèi)部壓力小于一定程度或至負(fù)壓時,這個部分就容易產(chǎn)生收縮缺陷。鐵液內(nèi)部的壓力可表示為:P內(nèi)=H液+P石-P縮(1)式中P內(nèi)——表示鐵液某點的內(nèi)部凝固壓力;H液——鐵液的靜壓力;P石——石墨化膨脹產(chǎn)生的壓力;P縮——收縮產(chǎn)生的負(fù)壓力。(1)設(shè)置冒口和提高澆冒口高度、延遲冒口的凝固時間,均可認(rèn)為是有利于提高鐵液靜壓力的措施,對內(nèi)部壓力增加有益,能起到防止縮孔縮松的作用。(2)加強熔煉球化孕育處理,加大鑄型強度和剛度,可以提高石墨化膨脹壓力以及提高其利用率。(3)控制熔煉水平和鐵液處理工藝,控制澆注溫度和速度,可認(rèn)為是減少凝固收縮產(chǎn)生的負(fù)壓。因此可以認(rèn)為,所有有利于減少縮孔縮松的工藝措施,均是出于把上式中的壓力控制在有利的趨勢為目的。但關(guān)鍵的因素在于,鐵液內(nèi)部壓力大小是各種壓力在同一點時間的疊加,由于鑄鐵的結(jié)晶凝固特性,各種壓力影響不一定會同時起到作用。很多文獻顯示,球墨鑄鐵在共晶溫度以上,鐵液中有大量的石墨核心存在或石墨生長,石墨在共晶溫度以上附近析出速度最快,由于此時鐵液的流動性還存在,大量的石墨化膨脹產(chǎn)生的壓力將通過液體傳遞出去,鐵液內(nèi)部的壓力是以液體靜壓力為主,共晶凝固開始時也是這種情況占主導(dǎo);共晶凝固前期,石墨化膨脹部分可能會作用于鐵液內(nèi)部,但由于形成的凝固層強度不高,也會消耗部分膨脹壓力;到中后期,鑄件中鐵液流動性已經(jīng)喪失,鐵液的靜壓力已經(jīng)不起作用,需要靠石墨生長產(chǎn)生的膨脹壓力來抵消凝固收縮產(chǎn)生的負(fù)壓。因此,文獻認(rèn)為,總體上球鐵的收縮大于并提前于膨脹,膨脹和收縮無法疊加,必須有外部補縮,實踐上證明了這一點。但同時許多基于均衡凝固理論、靠石墨化膨脹補縮的工藝也獲得了成功,也證明了石墨化膨脹的壓力可以抵消收縮負(fù)壓。壓力和鐵液流動(補縮)對鐵液來說某一時刻是相通的,有壓力存在才有鐵液傳遞(補縮)的動力;但強調(diào)壓力的概念更能體現(xiàn)補縮的動態(tài)性、時效性和方向性。因此,為了預(yù)防球鐵鑄件縮孔縮松缺陷,不僅要在提高石墨化能力以及石墨化膨脹利用、提高鐵液靜壓力、減少冷卻凝固液態(tài)收縮方面采取措施,同時鑄造工藝上也要盡可能的保證這些增大壓力的措施同收縮產(chǎn)生的負(fù)壓相疊加,才能達(dá)到鐵液內(nèi)部凝固壓力隨時處于一定的水平,滿足鑄件不產(chǎn)生縮孔縮松的需求。2設(shè)計補縮工藝的原則2.1工藝設(shè)計原則(1)積重量小的鑄件或者元件均衡凝固理論也提出,小件需要外部的強補縮,實際上可擴展開來認(rèn)為:所謂小件是指體積重量小的鑄件或者大件中薄壁部位,包括厚大件的薄壁部位。這樣的薄小件因為其凝固速度快,由于球鐵的石墨化膨脹和凝固收縮時間上的差異無法利用壓力的疊加實現(xiàn)自補縮,需要外部提供液態(tài)靜壓力支持和液體補充。在薄小件鑄件工藝設(shè)計時,應(yīng)當(dāng)首先考慮補縮。(2)自補縮斷劑的應(yīng)用鑄件的厚大部位或厚大件,由于其石墨化量大,且容易實現(xiàn)石墨化膨脹和凝固收縮的相互疊加,所以自補縮能夠?qū)崿F(xiàn)。外部只需要提供在凝固初期產(chǎn)生大量收縮時的壓力支持,后期則可以完全靠自身膨脹產(chǎn)生的壓力實現(xiàn)自補縮。厚大件或厚壁處在工藝設(shè)計時,可以通過實現(xiàn)石墨化膨脹自補縮的方式來處理,而較少考慮采用外部補縮。(3)傳統(tǒng)的補縮觀念鑄件存在結(jié)構(gòu)差異,對薄壁處的補縮并不一定要靠外部設(shè)置冒口來實現(xiàn),臨近部位的厚大壁厚部位同樣可以為薄壁處補縮,用傳統(tǒng)的觀念講就是,建立和實現(xiàn)適當(dāng)?shù)臏囟忍荻?凝固次序),使液態(tài)靜壓力能保持在一定的水平,滿足較薄處凝固收縮時的補縮需要。在有薄厚差異結(jié)構(gòu)的鑄件的工藝設(shè)計時,可以考慮建立一定的凝固次序,兼顧上述兩點原則,即薄小部位靠厚大部位補縮,而厚大部位則考慮僅實現(xiàn)有限的補縮。(4)冷鐵的設(shè)置冷鐵的作用除了可以加快鑄件的凝固速度,改善凝固梯度外,對球墨鑄鐵來說還具有突出的改善鑄件石墨大小和形態(tài)、提高球化等級和防止球化衰退與石墨漂浮等作用,但冷鐵的使用同樣會對鑄件產(chǎn)生許多副作用。過去人們認(rèn)識冷鐵的缺點是容易產(chǎn)生白口、冷鐵氣孔等。其實,冷鐵使用同樣對鑄件的收縮補縮產(chǎn)生不好的影響,如果冷鐵改變了與上述幾個原則有利的凝固順序和溫度梯度,鑄件反而會產(chǎn)生收縮缺陷;另外,在相對均勻的厚大部位設(shè)置多個冷鐵時,冷鐵間隙過大,間隙間(或冷鐵激冷區(qū)域外)可能會形成新的熱節(jié)而產(chǎn)生收縮缺陷因此冷鐵設(shè)置時,除了要滿足改善鑄件局部的冷卻條件外,還要防止冷鐵改變固有的平衡狀態(tài),或造成新的熱節(jié),或阻斷液態(tài)靜壓力傳遞通道(補縮通道),造成鑄造收縮缺陷;多個冷鐵并行放置時,應(yīng)當(dāng)避免過大的冷鐵間隙,可以采用增加有效激冷面積的方式提高冷鐵激冷效果,而不是一味的增加冷鐵厚度。2.2補充工藝方案:冷鐵關(guān)閉,補縮通道,關(guān)閉冷鐵以下是幾個球鐵鑄件失敗與成功的工藝方案實例。例1,軌條類鑄件,(圖1)鑄件長度1000～3000mm,鑄件壁厚15～30mm,重量100～200kg,材質(zhì)為QT450-10。盡管長度比較長,但在樹脂砂生產(chǎn)中屬于薄小鑄件,按圖示方案分型澆注,最終采用橫澆道和內(nèi)澆道補縮,內(nèi)澆道為補縮效率較高的梯形截面,取得合格鑄件;其他工藝方式生產(chǎn)的鑄件不同程度都有縮孔縮松缺陷導(dǎo)致鑄件報廢。例2是一個風(fēng)電鑄件支撐盤,(圖2)材質(zhì)為QT400-18AL,重量2000kg,兩種方案在厚大的法蘭邊緣均沒有收縮缺陷,而原來的工藝方案在薄壁處存在縮孔縮松,取消法蘭處冷鐵,缺陷消失。說明該處冷鐵阻斷了液態(tài)靜壓力通道,使鑄件補縮通道斷開,當(dāng)取消冷鐵,開通補縮通道(液態(tài)靜壓力通道),鑄件缺陷消失,該實例可同時適用于上述4個原則。例3是常見的一些球鐵鑄件結(jié)構(gòu),(圖3)經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),當(dāng)初為了保證厚大重要面的質(zhì)量,而把較厚的面放置在澆注位置下方,但探傷時經(jīng)常發(fā)現(xiàn)厚薄交接處出現(xiàn)收縮缺陷,個別時候甚至表面出現(xiàn)縮陷;但把厚大的面放在澆注位置上方時,卻很少發(fā)現(xiàn)有缺陷產(chǎn)生。這是個典型的“薄補厚與厚補薄”的實例。薄補厚時,薄壁凝固速度快,當(dāng)交接處凝固收縮產(chǎn)生負(fù)壓時,薄處無法提供有效地靜壓力支持,因此容易出現(xiàn)收縮缺陷;厚補薄時,由于薄壁及交接處凝固靠前,收縮產(chǎn)生的負(fù)壓有凝固靠后的厚壁處提供靜壓力支持,因此反倒不容易產(chǎn)生缺陷。例2和例3中厚壁處并未采取強制冷卻或強補縮措施,也沒有太多的缺陷,可以認(rèn)為是厚壁處的石墨化膨脹壓力和收縮壓力有條件實現(xiàn)疊加,不會在凝固過程形成負(fù)壓,所以產(chǎn)生收縮缺陷的幾率不大。例4為一核電鑄件接盤,(圖4)材質(zhì)為QT450-10A,鑄件重量980kg,壁厚為90～110mm,屬于厚大的中小件,該鑄件的成功的工藝方案是,采用冷鐵和澆注系統(tǒng)在鑄件的整體結(jié)構(gòu)上,建立了有序的液態(tài)靜壓力傳遞梯度,但最后凝固的部位并沒有采取比較強的外部補縮。例5是一個冷鐵設(shè)置的案例,鑄件為風(fēng)電增速箱內(nèi)的行星架,(圖5)材質(zhì)為QT700-2A,重量為3t,厚壁處約120mm。最初軸身的冷鐵比較厚,冷鐵間隙大,冷鐵的有效激冷面積僅占鑄件須激冷面積的30%,鑄件質(zhì)量很不穩(wěn)定,經(jīng)常在軸身根部和冷鐵間隙之間探傷發(fā)現(xiàn)收縮缺陷;后將冷鐵減薄,同時增加激冷面積,由于冷鐵壁厚減小,又有條件地適當(dāng)減小冷鐵間隙,最終得到成功并穩(wěn)定的工藝方案。2.3鑄造工藝的設(shè)計從上述實例看,由于結(jié)構(gòu)因素,球墨鑄鐵鑄件的收縮缺陷主要產(chǎn)生于中小件、或大件的薄小壁厚及厚薄交接處,而很少在厚大處的熱節(jié)中心。球鐵的凝固方式為糊狀凝固,共晶凝固時間長,薄壁處的散熱條件較好,整個斷面處于共晶階段的時期趨于一致,所以收縮產(chǎn)生負(fù)壓及石墨化膨脹產(chǎn)生的壓力無法有效地疊加,容易產(chǎn)生收縮缺陷。工藝設(shè)置上的解決辦法是建立合適的溫度梯度,為薄壁處的凝固收縮提供適當(dāng)?shù)撵o壓力支持,預(yù)防縮孔縮松缺陷產(chǎn)生。而厚大部位外部和中心部位的凝固次序差異大,共晶階段差別較大,容易實現(xiàn)脹縮疊加,因此出現(xiàn)收縮缺陷的幾率不大,鑄型的強度和剛性足夠時,就能夠不用外部強補縮而獲得健全的鑄件。當(dāng)厚大部位與薄壁存在交接時,一方面是由于接觸熱節(jié)導(dǎo)致了厚面上的結(jié)構(gòu)不平衡,打破了中心到外殼這樣的凝固次序;另一方面可能是由于這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致需要的外殼強度達(dá)不到要求。冷鐵過厚,冷鐵間隙過大,同樣也可以認(rèn)為是打破了這樣的一種凝固次序的平衡,因此冷鐵間隙容易發(fā)生缺陷。另外,冷鐵設(shè)置不當(dāng),也可能會改變凝固梯度,阻斷靜壓力傳遞通道,使需要補縮的部位產(chǎn)生收縮缺陷。3石墨化膨脹和凝固過程的壓力和速度設(shè)計球墨鑄鐵由于碳含量和碳當(dāng)量比較高,具有較大的石墨化膨脹;但另一方面,由于球鐵的凝固方式為糊狀凝固,共晶時間長,共晶前期表現(xiàn)的石墨化膨脹量大,而后期因石墨在奧氏體包裹下長大,表現(xiàn)出來的膨脹量小。所以對某個具體部位來說表現(xiàn)為鑄件的凝固收縮和膨脹分離。單純強調(diào)收縮和膨脹分離,需要外部補縮,實際上并不一定能解決問題;但過分強調(diào)石墨化膨脹自補縮,也不一定能起到作用。必須考慮鑄件的結(jié)構(gòu)特性,綜合考慮,這其實是發(fā)展的看均衡凝固理論。實際上用壓力的理論來解釋鑄件的收縮可能比較全面和有效,所有有利于防止鑄件產(chǎn)生收縮缺陷的工藝措施,都可以認(rèn)為是提高了鑄件局部在凝固過程中的綜合壓力,要么是降低或減少產(chǎn)生負(fù)壓,要么是提高正壓力或其利用率。降低收縮產(chǎn)生負(fù)壓、提高石墨化及其利用程度的工藝措施,對幾乎所有球鐵鑄