复相球墨铸铁磨球典型铸造缺陷及防止措施

一、概述

    复相球墨铸铁磨球是我厂于2000年开发的新产品，用于原低合金磨球的升级换代。我厂年产该类磨球量近万吨，在实际生产中，由于不同种类缺陷的存在，使磨球在实际工况条件下常出现不耐磨、失圆等影响磨球使用寿命的不利因素，为此有必要对各类缺陷进行分析，并制定相应的防止方法，用于指导生产实践。

    二、常见缺陷及特征

    1．球化不良和球化衰退

    二者缺陷特征相同。

    (1)宏观特征  铸件断口为银灰色上分布芝麻状黑色斑点，其数量多、直径大，表明程度严重。若全部呈暗灰色粗晶粒，表明球化不完全。

    (2)金相组织  集中分布大量厚片状石墨，其数量越多、面积越大，表明程度越严重，球化不完全时呈片状石墨。

    (3)产生原因  原铁液含硫高，以及严重氧化的炉料中含有过量反球化元素；处理后铁液残留镁和稀土量过低。铁液中溶解氧量偏高是球化不良的重要原因。

    选用低硫焦炭和金属炉料，必要时进行脱硫处理。另外，应进行废钢除锈，以及增加球化剂中稀土元素用量，严格控制球化工艺。

    2．缩孔和缩松

    特征和产生原因：缩孔产生于铁液温度下降发生一次收缩阶段。如大气压把表面凝固薄层压陷，则呈现表面凹陷及局部热节凹陷，否则铁液中气体析出至顶部壳中聚集成含气孔的内壁光滑的暗缩孔，有时也与外界相通形成明缩孔，则内表面虽也光滑，但已被氧化。球墨铸铁共晶凝固时间比灰铸铁长，呈粥状凝固，凝固外壳较薄弱，二次膨胀时在石墨化膨胀力作用下使外壳膨胀，松弛了内部压力。因此在二次收缩过程中，最后凝固的热节部位内部压力低于大气压，被树枝晶分隔的小熔池处成为真空区，完全凝固后成为孔壁粗糙且排满树枝晶的疏松孔，即缩松缺陷。宏观缩松产生于热节区残余铁液开始大量凝固的早期，包括了残余铁液的一次收缩和二次收缩，因而尺寸略大且内壁排满枝晶，呈灰暗疏松孔或蝇脚痕状黑点；微观缩松产生于二次收缩末期，共晶团或其集团间的铁液在负压下得不到补缩凝固收缩而成，常见于厚断面处。

    3．皮下气孔

    (1)形貌特征  铸件表皮下2～3mm处均匀或蜂窝状分布的球形、椭圆状或针孔状内壁光滑孔洞，直径0.5～3mm，可在热处理和抛丸清理后暴露或机加工时发现，小件中较多。

    (2)形成原因  含镁铁液表面张力大，易形成氧化膜，阻碍析出气体和侵入气体排出，滞留于皮下而形成。形膜温度随残留镁量增加而提高，加剧其阻碍作用。薄壁件冷却快，形膜早，易形成此缺陷。

    气体来源主要是降温过程中铁液析出的镁蒸汽，在充型过程中铁液翻滚促其上浮。铁液中的镁与型砂水分反应，以及水和镁、碳化物反应产生乙炔分解均可能产生氢气。此外潮湿、锈蚀的炉料、潮湿的硅铁和中间合金，以及冲天炉高温鼓风都可带入氢气，微量Al可显著增加皮下气孔，某些砂芯树脂粘结剂含氮较多，上述各因素均可促进此缺陷形成。另外，球墨铸铁糊状凝固特点使气体通道较早被堵塞，也会促进皮下气孔的形成。

    4．应力变形和裂纹

(1) 形成原因和形貌特征  铸件冷却过程中收缩应力、热应力、相变应力的代数和即铸造应力超过该断面金属抗断裂能力则形成裂纹。在高温下(1000～1150℃)形成热裂，呈暗褐色不平整断口；在600qC以下弹性范围内出现冷裂，呈浅褐色光滑平直断口；在600℃以上铸造应力超过屈服极限时可产生塑性变形。当球墨铸铁成分正常时不易产生热裂。

    (2)影响因素  增大白口倾向的因素，如碳硅含量低、碳化物形成元素增加、孕育不足及冷却过快等都可增加铸造应力和冷裂倾向。磷使冷裂倾向增加，Wp>0.25％还能引起热裂。另外，铸件壁厚差大、形状复杂，易产生变形和裂纹。

    5．夹渣

    (1)形貌特征分布于铸件浇注位置上表面、型芯的下面及铸件死角处，断面上显现暗黑色无光泽、深浅不一的夹杂物且呈断续分布。金相观察可见条状、块状夹杂物，邻近的石墨可呈片状或球状。磁粉探伤时磁痕呈条状分布，条纹多且粗，堆积密度表明夹渣严重。电子探针分析表明夹渣含Mg、Si、O、S、C、Al等，是由硅酸镁、氧硫化合物、镁尖晶石等组成。

    (2)形成过程球化处理时Mg、RE与铁液中O、S反应形成渣。当铁液温度低、稀渣剂效果不佳、渣上浮不充分或扒渣不净而残留于铁液中，此为一次渣；铁液在运输、倒包、浇注，充型翻滚时氧化膜破碎并被卷入铸型，在型内上浮过程中吸附硫化物并聚集于上表面或死角处，此为二次渣。一般以二次渣为主。

    三、防止措施

    1．球化衰退原因及防止措施

    高硫、低温且氧化严重的铁液经球化处理后形成的硫化物、氧化物夹渣未充分上浮，扒渣不充分，铁液覆盖不好，以及空气中的氧通过渣层或直接进入铁液，使有效的球化元素氧化，并使活性氧增加是球化衰退的主要原因。渣中的硫也可重新进入铁液而消耗其中的球化元素，铁液在运输、搅拌、倒包过程中镁聚集上浮逸出被氧化，因此使有效残留球化元素减少，造成球化衰退。此外孕育衰退也使石墨球数减少而导致石墨形态恶化，上述造成球化不良的因素也会加快球化衰退。

    为防止球化衰退，应尽量降低原铁液硫、氧含量，适当控制温度。可添加稀渣剂使渣充分上浮并及时扒渣，扒净渣后加草灰、冰晶石粉、石墨粉或其他覆盖剂以隔离空气；加包盖或采用密封式浇注包，采用氮气或氩气保护可有效地防止球化衰退；应加快浇注速度，尽量减少倒包、运输及停留时间；另外，采用钇基重稀土镁球化剂，其衰退时间可延长1.5～2倍。轻稀土镁球化剂衰退时间也略长于镁球化剂，且必要时也可适当增加球化剂添加量。由于孕育衰退引起的石墨形态恶化，补充孕育后可得到改善。

    2．缩孔、缩松影响因素及预防措施

    碳当量低会增加缩孔、缩松倾向；此外磷共晶会削弱凝固外壳强度，三元磷共晶减少石墨化膨胀，因此含磷量高可显著增大缩松倾向；钼增加碳化物稳定性，尤其在高磷条件下易形成碳化物—磷共晶复合物，更增加缩松、缩孔倾向；残留镁量过高，增大缩松、缩孔倾向，而适量残留稀土量可减少缩松。因此应提高铁液碳当量，降低磷含量，在保证球化条件下尽可能降低稀土镁残留量，并合理使用钼。另外，提高铸型刚度，提高铁液碳当量，适当降低浇注温度，采用薄而宽的内浇道使其在二次膨胀前凝固封闭，以及利用石墨化膨胀补偿铁液液态收缩和凝固收缩，可以消除缩孔、缩松。

    3．皮下气孔的预防措施

    浇注温度不得低于1300℃。残留镁量高时，应相应提高浇注温度；在保证球化条件下尽量降低残留镁量，适当使用稀土；采用开放式多流道浇注系统，使铁液平稳流人型腔，避免在型腔内翻动；控制型砂水分≤4.5％，配入煤粉8％～15％可燃烧生成CO抑制水气与镁反应形成H2(铸型表面喷涂锭子油也可起同样作用)；铸型表面撤冰晶石粉，高温下与水气反应形成HF气体保护铁液。另外，还应控制铁液含铝量低，炉料干燥少锈，冲天炉除湿送风，减少铁液中气体，以及采用少氮或无氮树脂砂等。

    4．应力变形和裂纹防止措施

    适当提高碳当量，降低含磷量，加强孕育，以及采取必要的铸型工艺措施。

    5．夹渣的影响因素及预防措施

    形成一次夹渣的重要原因是原铁液硫量高，氧化严重。预防措施是降低原铁液硫、氧含量，提高浇注温度。

    生成二次渣的主要原因是残留镁量过高，提高了氧化膜形成温度。主要措施是在保证球化条件下尽量降低残留镁量(中小件WMg不超过0.055％)，加入适量稀土可降低形膜温度；球化处理时加0.16％冰晶石，处理后表面再撒入0.3％冰晶石用以稀渣，并生成AlF3气体和MgF2膜以减少二次氧化。这种方法主要用于防止大件的夹渣，浇注温度不得低于1300℃，使浇注温度高于形膜温度，可防止二次渣形成。另外，浇注系统设计应保证充型平稳，在易出现夹砂的部位设置排渣冒口，此外设置过滤网可阻止一次渣进入型腔。