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  • 增碳剂对球墨铸铁的孕育作用
  • 本站编辑:浙江省机电设计研究院有限公司发布日期:2016-06-15 16:38 浏览次数:
在传统观念中,增碳剂只是一种在感应电炉熔炼铸铁时用来增加铁水含碳量的非金属辅助炉料,在生产中一般没人把它作为一种石墨类孕育剂进行研究和应
用。
实际在球铁熔炼和球化—孕育处理过程中,合理使用增碳剂会对球铁产生很好的孕育效果,特别对球墨的孕育作用是其它种类的孕育剂不可比拟的。对增碳剂孕育作用的崭新认识,为球铁的生产工艺技术发展翻开了一个新的篇章。
    1 背景
在大型风力发电机低温高韧性铁素体(F)球墨铸铁铸件的生产中,采用的铸造工艺基本都是先进的无冒口浇注工艺,完全依靠球铁凝固的石墨化膨胀特性进行工艺补缩,铸件工艺出品率很高。但时有铸件局部出现缩松缺陷,使超声波无损探伤检验结果超标只能做报废处理。三年前,为解决这一问题,根据对铸件结构与工艺特征分析:外形轮廓尺寸大,壁厚100~250MM,浇注重量约12~15T,认为采用的无冒口工艺完全补缩要点是,凝固过程的石墨化膨胀压力的提高与保持。所以首先从增加树脂砂铸型的刚性强度着手,采取提高树脂砂型工作面200~300毫米厚度的热溃砂区紧实度的工艺方法,对消除缩松缺陷的出现取得了一定的效果但不理想。因此考虑再从提高铁水的含碳量来增加石墨数量,进一步加大凝固过程的石墨化膨胀压力方面突破,从而解决铸件局部结构出现缩松缺陷面积超标的工艺技术问题。
2 解决缩松的工艺优化方案与生产实际效果及疑问
大型风力发电机铸件采用的低温高韧性F球铁,化学成分一般要求是:ω(C) =3.6~3.9%,ω(Si)≤2.4,ω(Mn)<0.3%,ω(P)≤0.05%ω(S) <0.02%,ω(Mg)=0.03~0.05%。在生产中参照相关球铁标准做力学性能检验发现,增加硅量会明显降低球铁的塑性和冲击韧性,使脆性转变温度区升高而降低低温冲击功检验值,因此生产中对硅量的实际控制值是ω(Si)≤2.1%,即欧标的EN– GJS– 350– 22U– LT(或国标的QT350– 22AL)为ω(Si)=1.7~1.9%和欧标的EN– GJS– 400– 18 U– LT(或国标的QT400–18AL)为ω(Si)=1.9~2.1%;对碳量的实际控制是尽量取中上线值ω(Si)=3.8~3.9%,其碳当量CE=4.4~4.6%。球铁中C和Si是强烈促进石墨化增加铁素体的元素,碳当量(CE= C+Si/3)表示C、Si含量对促进石墨化程度的能力指标,C提高球铁石墨化程度能力是Si的三倍。球铁C含量高结晶析出的石墨数量和球数就多,球径小圆整度好;Si可使共晶温度升高和共晶含C量降低。但过高的C含量或CE会引起石墨漂浮。
经查阅相关资料发现,球铁碳量ω(C)≈4.0~4.3%、碳当量CE=4,8~5.0%时缩松倾向最小、流动性比较好;对于防止石墨漂浮的有效措施有:提高孕育处理与形核程度;增加铸型的冷却能力;原铁水含碳量ω(C)≤4.0%;球铁含硅量ω(Si)≤2.2%和炉料中增加一定的废钢使用量等⑴⑵⑶。
根据上述分析和研究后,我们大胆提出了新的工艺观点:生产中应采用超高的终碳量ω(C) =4.0~4.2%(甚至更高)和碳当量CE=4,7~4.9%,以增加共晶石墨量而提高凝固的石墨化膨胀力,达到消除或减小局部缩松的目的,原则是只要不出现石墨漂浮就行。重新修正了铸造工艺设计和技术要求,砂型方面:采用有效地人工紧实方法,提高并保证树脂砂铸型工作面200~300毫米厚度的热溃砂区紧实度;‚在需要加强冷却的型腔热节圆部位合理使用冷铁,使铸件尽量趋于同时凝固。熔炼方面:炉料中增加废钢使用量;‚原铁水的碳量实际控制值ω(C)=3.8~4.0%。球化处理碳含量会有0.3~0.5%的降低,要用增碳剂在球化处理后及时补上来;③含锰量ω(Mn)=0.15~0.25%;④将终硅量控制在ω(Si)=1.7~1.9%和ω(Si)=1.9~2.1%,为了保证强度尽量取上限。浇注方面:保持原有工艺,浇注温度136510℃,130.5T铁水浇注时间5~6分钟,在铁水球化处理后25分钟内要采用高温慢浇工艺完成浇注。
在新工艺试验过程中,严格执行各项工艺要求,重点控制好熔炼和浇注工艺参数。炉料废钢加入量做了一定的提高,熔炼和球化各阶段的增碳采用增碳剂完成,铁水的终碳量逐步由ω(C) =4.0%提高到ω(C) =4.25%(试验后确定为ω(C) =3.95~4.25%,一般取中上线)。试生产的铸件经检验局部缩松面积符合验收要求达标,部分铸件探伤检验没有发现缩松缺陷的存在,达到消除或减小局部缩松的目的。全部试制的铸件在机械加工过程中都未发现有石墨漂浮缺陷的存在。在后续的正常生产中铸件质量情况都是如此,而且很稳定。但在相关的金相检验中,我们发现球铁的球化金相等级也有了很大的改善,石墨球化级别由原来的2~3级、少量4~5级提高到了1~2级、少量3级;石墨大小分级由原来的6~7级、少量5级提高到了7~8级、个别6级;球墨数量也成倍的增多;F量普遍≥90~95%。孕育效果表现很好,有时浇注时间超时也未出现孕育衰退或效果降低的情况,具有长效孕育效果。球铁金相等级的这些改善情况引起了极大的关注。后来由于生产资金问题原材料新生铁断供,只能使用同牌号球铁回炉料加废钢料、再用增碳剂增碳来生产低温高韧性F球铁风电铸件。废钢的加入量比较多时达到了80%,但铸件质量检验情况依然完全合格,特别是检验球化金相等级仍保持在高等级水平,突显孕育效果良好。该球铁的化学成分控制及金相检验结果如下所示。
化学成分的控制范围(经验数据):
⑴球铁原铁水,①EN– GJS– 350– 22U– LT(GB–QT350– 22 AL):ω(C) =3.90~4.05%、ω(Si) =0.45~0.65%、ω(Mn) ≤0.15%、ω(P) <0.035%、ω(S) <0.020%;②EN– GJS– 400– 18U– LT(GB-QT400 – 18AL):ω(C) =3.85~4.00%、ω(Si) =0.55~0.75%、ω(Mn) ≤0.20%、ω(P) <0.035%、ω(S) <0.020%。
⑵球铁铸件,①EN– GJS– 350– 22U– LT(GB–QT350– 22 AL):ω(C)=3.95~4.15%、ω(Si) =1.70~1.85%、ω(Mn) =0.15~0.20%、ω(P) <0.03%、ω(S) <0.015%;②EN– GJS– 400– 18U– LT(GB-QT400 – 18AL):ω(C) =3.90~4.10%、ω(Si) =1.85~2.10%、ω(Mn) =0.20~0.25%、ω(P) <0.03%、ω(S) <0.015%。
      疑问:球化处理与孕育处理工艺方法和以前都是一样的,球化剂、孕育剂一家公司的,但是处理效果却提高很多,而且孕育效果还表现为长效的。球化率、石墨大小和石墨数量以及基体F量都有提高且稳定,长时间的冷却凝固也未见衰退恶化的现象发生。单从碳量增加方面考虑也不会有这样的表现,令人费解;‚以前生产风电低温高韧性F球铁对炉料要求很高,特别对新生铁要求是高C,低Si、Mn、P、S的。当完全不用新生铁,只使用同种类球铁回炉料+废钢+增碳剂就能熔炼出高品质的合格铁水,是什么在起决定作用是个疑团。
随后的两年里,针对疑问专门研究了球铁的熔炼、球化和孕育以及凝固的相关理论,设计实施试验方案和目标,分析讨论检验数据和结果,大致找到了合理的答案:在球铁的熔炼、球化和孕育处理过程中,使用的增碳剂可在铁水中形成碳素显微团粒,对球墨的形成与长大具有良好的孕育作用;特别是球化处理后加入的增碳剂应该具有长效孕育的效果。
3 关于增碳剂所产生孕育效果的讨论
(1)以石墨为主体的石墨系孕育剂对铸铁的共晶团没有孕育作用,只能有效促进石墨化程度,减少白口深度,这观点早有资料作过阐述⑷。因此可以明确增碳剂是一种石墨系孕育剂,形成的石墨和碳显微团粒的晶体结构与球墨一致,而与奥氏体(A)完全不同,所以在球铁中的孕育作用是对球墨的生成和长大完全有效的,但对金属基体共晶团的效果可能有限。
(2)孕育剂的主要作用是促进外来晶核的形成与激发自生晶核的产生。形成球铁石墨外来晶核的条件是:晶核稳定,不熔化或分解;‚晶核与球墨晶体是共格关系。在铁水熔炼过程和球化处理前后加入的增碳剂,具备孕育作用的生成物有:石墨显微团粒,其与球铁的球墨晶体结构和晶格常数完全一致,且不会熔化分解,是比较理想形成球墨的同质外来晶核。‚碳显微团粒,会引起铁水的微观温度起伏促使碳的析出,就地形成同质自生晶核。如果铁水的含碳量高自生形核就更容易了。所以增碳剂孕育所产生的石墨晶核数量要比其它孕育剂的多。
   (3)在铁水熔炼过程形成的石墨或碳显微团粒,会随温度升高和时间延长会发生分解或溶化;在球化处理前后增碳形成的会因温度的降低呈稳定长大状态,而且初始直径要大于其它孕育化合物的异质外来晶核。因此这种孕育晶核是很稳定的,有着对的长效孕育性质和促进球化的效应,可防止发生明显的孕育和球化衰退现象。
(4)从球墨生长的角度说,孕育生成的石墨晶核数量越多,碳迁移到晶核上的距离就越近,石墨长大的速度越快,铁水或A相的碳浓度[ω(C)<2.11%]就越低。球化的铁水凝固后有两种金相构成:球状石墨和碳钢基体。球墨是由碳组成,石墨化程度由铁水含碳量和孕育效果决定;基体是由含碳量不同的铁碳合金组成,其铁素体(F)与珠光体(P)的构成比例由A含碳量决定。即当充分球化和孕育后,铁水含碳量和孕育效果决定球墨数量和等级(球化率和直径);A基体的含碳量决定共析转变的金相组织构成:亚共析F%>P%;共析F%=P%;过共析F%<P%。当然凝固的冷却速度也是关键的影响因素。总之,球墨铸铁就是内部有均匀分布着显微球状石墨的铸钢,其铁水发生共晶转变、A相发生共析转变会根据含碳量依照铸钢的结晶转变规律产生金相组织的。
(5)对防止石墨漂浮缺陷的产生最好的方法,是比较大限度地做好石墨的孕育处理生成更多的石墨晶核。铸铁的奥氏体理论共晶碳量是2.11%,说明铁水在液态下直接形成晶核和生长在石墨上的碳量约是理论共晶点含碳量4.3%的一半。球铁孕育越充分产生的有效石墨晶核数量越多,有限的碳量分配到增量的石墨晶核(球墨)上,其能长大的平均直径也会是有限的,也就是说球化后形成地有效石墨晶核越多,长大后的球墨平均直径越小。直径小的石墨球浮力也小,不易发生上浮运动,可以有效降低球墨汇聚合并的几率,防止石墨漂浮缺陷的产生。同理,只要球化处理充分,数量足够多的球墨长不大就不会发生开花或片状畸变,金相的石墨球形就会好,球化率也高。对灰斑(碎块形石墨)缺陷也会因石墨球多又长不大而有同样的预防效应。
(6)对球化铁水有孕育作用的碳硅元素,是作为孕育剂加入的硅铁和作为增碳剂加入的能形成碳素显微团粒的碳;经高温熔化和熔炼的原铁水所含的碳硅原子是没有孕育功效的,只有促进石墨化的作用。要控制好球铁的终Si量就要先把握好原铁水的Si量,F球铁一般控制的较低ω(Si)=0.55~0.75%,以保证孕育增Si量的必要空间,并随孕育处理工艺的变动进行适时调整。根据生产检验记录统计,铁水经球化处理后含碳量有0.2~0.4%的降低,所以原铁水含碳量一般控制在比终碳量减少0.05~0.15%的范围较为合适。在球化处理后要使用增碳剂加孕育剂做增碳孕育处理,及时补碳并加强孕育效果,对促进球墨晶核的大量生成与快速长大有着关键的作用。
(7)球铁炉料中的新生铁,主要用来调整和控制五大元素化学成分配比的。传统熔炼工艺不能大量使用废钢,主要原因是怕增碳使用增碳剂过多会造成球墨畸变或漂浮缺陷。低温高韧性F球铁要求高碳,低硅、锰、硫和磷,硅是直接影响韧脆性转变温度区的元素,要保证低温冲击功达标一般控制在ω(Si)=1.7~1.9%和ω(Si)=1.9~2.1%。孕育处理的充分性对球化处理效果有着至关重要的作用,所以在原铁水中要把硅含量控制的较低。只使用合适配比的回炉料和废钢熔炼球铁水,硅量完全能达到低硅工艺要求;采用增碳剂来提高含碳量也可以达到高碳的要求;锰、硫和磷含量选用合适的废钢料就可得到控制(如硫高还可以采取脱硫处理降低)。所以不用价格较高的高碳,低硅、锰、硫和磷的新生铁,完全使用价格低廉的回炉料和废钢熔炼球铁水是可行的,生产成本能有效降低。熔炼过程使用增碳剂增碳还能在铁水中产生一定量的碳显微团粒,球化处理后可促进石墨晶核的生成和长大,提高球化效果。
4 结论与说明
   (1)增碳剂可以作为一种石墨系孕育剂在球铁中使用,主要产生石墨和碳显微团粒,孕育效果具有长效性,主要针对球状石墨系,对金属基体效果有限。所以球铁正常孕育处理使用的含硅系孕育剂数量仍必须保证与加强。
   (2)球墨铸铁只要孕育处理充分,特别是针对石墨的孕育效果良好,其含碳量和碳当量越高形成的石墨晶核就越多,球墨长大的就越快且球径相比越小,铁液和结晶的A含碳量则趋于越低。铁素体球铁的含碳量一般为ω(C) =3.5~4.3%,碳当量CE=4.5~4.9%。一般取值原则是:与铸件壁厚成正比关系,与基体的珠光体数量成反比关系(都要综合考虑含硅量的取值影响)。
   (3)对采用无冒口铸造工艺的低温高韧性F球铁厚壁铸件,使用高碳ω(C) =3.95~4.2%,高碳当量CE=4.7~4.9%,只要铸型刚度高、球化和孕育处理得当且充分,生成的石墨数量就多,凝固时产生的石墨化膨胀量也大;也会因石墨晶核增多碳量有限而球墨长不大就不易漂移,所以在铸件内消除局部缩松与石墨漂浮缺陷是完全可能的。
   (4)球铁液体的结晶—凝固过程,比较先生成的是球状石墨晶核并长大,铁液的含碳量也随之降低,当球墨周边局部铁液ω(C)<2.11%时就会按碳钢的结晶方式生成奥氏体A。石墨晶核越多长大的就越快,铁液中的碳量减少的则越多,生成的A含碳量就越低。到共析转变时,若A的含碳量ω(C)≤0.0218%则得到F球铁;若ω(C)≈0.77%则得到P球铁;若0.0218%<ω(C)<0.77%则得到F+P球铁。即球墨铸铁就是内部均布着显微球状石墨的碳素铸钢,其基体组织基本依照铸钢的结晶转变规律发生,与白口铸铁凝固的结晶转变规律完全不同。
   (5)常规的球铁熔炼主要炉料是,按一定比例加入的新生铁、回炉料和废钢。因为在球化处理后合理使用增碳剂对球墨的孕育作用,现可只采用同类材料牌号球铁的回炉料和废钢料加增碳剂熔炼铁水生产球铁了。这项新工艺首先对厚大断面、铸态高韧性和高性能球铁铸件的技术进步有着实际意义,减少了对高碳,低硅、锰、硫和磷新生铁的依赖,是合理改良球铁技术,有效减低生产成本。其次,对各材料牌号球铁的生产熔炼工艺改进发展拓开了一个新思路,金属炉料的准备方式与熔炼工艺更加简捷灵活了。
   (6)有资料说明,使用感应电炉熔炼铁水含氮量较高,加入废钢,特别是钢屑越多含氮量增加倾向越明显.当铁水含氮量约大于100ppm就有产生氮引起的气孔缺陷的可能性。加入增碳剂增碳更会使铁水的含氮量升高很多,但只要将铁水做静置保温氮含量会逐渐降低到原水平。所以,在使用增碳剂增碳(孕育)处理后,不要马上浇注,而是保温十分钟后再浇注就会避免或减少氮气孔缺陷的产生。尽量使用含氮量低的电极石墨增碳剂而不使用沥青焦炭增碳剂,也是预防氮气孔缺陷的有效措施。