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箱体铸件的分析与研究[铸造][铸造厂][铸件][不锈钢][锈钢]

来源:未知 佚名 2018-05-10 浏览
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  1、化学成分的选择 根据铸铁牌号要求即机械性能的高低,应使铸件具有相应的金相组织。金相组织取决于石墨的结晶过程,而共晶和共析转变过程的石墨化又和铸铁的化学成分及冷却速度等工艺因素有关。灰铸铁中除C,Si,Mn,S,P五种常规元素外,还有随炉料或熔炼过程进入的微量元素和其它夹杂,为了获取“高强、薄壁"的铸件,生产厂家加入了一些合金元素如Ni,Cr,Cu,Sn,VMo等。所有这些元素对铸铁的结晶、组织及性能都有一定的影响和作用。

  (1)基本化学成分的选择

  ①碳含量与CE的选择: 采用高的碳当量,可减小白口倾向及铸件缩松、渗漏等缺陷,但同时会降低铸件的力学性能。而对于发动机箱体这样薄壁复杂的铸件,从铸造性能考虑,一般都选择较高的碳当量[13]。为使箱体具有良好的铸造性能与力学性能,一般选择C=3.15%~3.3%,CE=3.95%~4.05%。

  ②硅与Si/C值 国内对箱体生产中Si/C的控制问题争论较大。陆文华[9]认为在CE=4.O~4.2%,Si/C值由O.50增至O.90时,碳当量对%值影响变化不大。刘佑平[14]认为碳当量对灰铸铁抗拉强度的影响比Si/C值大得多,试验证明随着Si/C值由O.44增至0.79,在同一范围的碳当量下,06值变化不大。提高碳当量,气箱体的缩孔废品会明显减少;降低碳当量,使用铸造焦与增加废钢加入量,灰铁的抗拉强度会明显地提高。过高的Si/C比会导致石墨粗化,珠光体片间距增大,铁素体含量也增加。当Si/C>0.55,气箱体缩孔废品会增加,特别

  在低碳当量的情况下,缩孔废品增加得更多。对于采用较高碳当量铁液的箱体铸件,采用高Si/C并不能提高力学性能,而且还可能由于高CE和高的Si/C双重影响而使石墨粗大和珠光体量下降,从而使抗拉强度下降,其SI/C应以0.6"0.7较为合适[15]。

  锰对灰铸铁抗拉强度的影响 锰是可以稳定灰铸铁中渗碳体,促进珠光体化的元素,但它会与硫形成MnS,促使铸铁石墨化。对于CE为3.95%"--4.15%的灰铸铁,其叽值随锰量的增加而有所提高,因为碳当量高,铸铁自身的石墨数多且粗,珠光体数量少,增加锰含量,石墨形貌变化不大,此时锰促使灰铸铁珠光体化的作用表现较强,故吼有所提高。所以,范晓明[l6]等认为当灰铸铁CE>3.95%时,Mn含量应在0.6%--一0.8%为宜。

  磷含量的选择 铸铁件的含磷量一般小于O.20%。当P≤0.20%,随着磷含量的增加,在铸铁中可以与Fe形成心P,灰铸铁的抗拉强度变化不大,而硬度会明显提高而韧性显著降低。灰铸铁中磷含量过高,不仅铸件切削加工困难,而且易产生缩松与开裂缺陷[14]。

  含硫量及锰硫比对灰铸铁抗拉强度的影响 硫在铸铁中有双重作用,一方面它是强烈稳定铸铁渗碳体元素,另一方面S与Mn形成MnS,会促使铸铁石墨化。在不同CE的情况下,以值均随含硫量的增加而明显提高,但当含硫量超过某一临界值时强度开始降低。对于CE为3.95%的灰铸铁,其临界硫含量为0.14%。如采用电炉熔炼时,铁水中的含硫量一般较低,高温使大量石墨结晶核心烧损[17],为确保常用孕育剂的孕育效果,灰铸铁中含硫量一般为0.05%--一0.06%。根据上述情况,灰铸铁的硫含量可为0.06%'-'0.15%。由于锰与硫在铸铁中有相互制约的作用,所以在选择锰含量与硫含量时必须考虑Mn/S值。生产实践表明,当灰铸铁CE为3.96%,---,4.05%时,Mn/S=5~7,抗拉强度较佳。

  国内部分厂家箱体基本化学成分的选择 胡家聪[15]推荐HT250气箱体化学成分为(%):C=3.15~3.35,Si=1.8~2.2,Mn=0.6"--0.8,P≤O.15,S=0.06%~0.15%与CE=3.95~4.05。北京吉普汽车有限公司[18]推荐选取C=3.15%~3.60%,Si=1.8%~2.4%,Mn=0.35~0.90%,S≤O.15%,P≤0.12%.。哈尔滨东安发动机制造公司[19]选择成分:C=3.O~3.5%,Si=1.8~2.5%,Mn=0.6%~0.9%,S<0.15%,P<0.15%。

  合金化元素 随着汽油机向高转速大功率方向发展,箱体的工作情况恶化,机械负荷加大,

  因此采用低合金灰铸铁制造,以提高箱体铸件的机械性能与热疲劳性能。常用的合金元素为促进灰铸铁珠光体化元素,这些合金元素对灰铸铁石墨化能力、抗拉强度和硬度的影响见图1.1,l一2所示。

  图1.1合金元素对灰铸铁石墨化的影响

  图1.2合金元素对灰铸铁硬度和%的影响 由图1.2知,当合金元素加入量在1.0%以下时,提高灰铸铁抗拉强度的能力,由弱至强的顺序排列:Ni,Cu,Cr,Mo,V。钒提高灰铸铁06的能力很大,但它能阻碍铸铁中C的石墨化,白口倾向很大,所以箱体用灰铸铁中一般不加入V。钼与镍的价格昂贵,考虑到成本,一般很少使用。一般用铜代替镍,普遍加入铬与铜生产灰铸铁箱体。锡、铜与铬是强烈稳定珠光体的元素,但对细化珠光体的作用很小。只有当铜含量大于0.5%时灰铸铁的抗拉强度才有明显的提高1141。加入0.2%"--0.3%铬后,铸铁强度提高幅度较大,有利于增加珠光体量和改善石墨形态。当含铬量大于0.35%时,会使铸件渗漏倾向明显增加;含铬量大于0.5%时,铸件中易出现初生碳化物,影响机加工性能,故加铬量以不超过0.35%为宜。实践表明,当铬含量大于0.35%时,气箱盖螺孔搭子处会产生缩松,产生漏气[l5]。两种以上合金元素配合使用的效果要比用一种合金元素的效果好,如Cu能中和Cr、Mo的白口倾向。 灰铸铁中加入Cr,Cu与Mo等少量合金元素,铸件的强度与热疲劳性能有所提高,铸件的壁厚敏感性有所减小,但铸件的缩孔与缩松倾向增大,因此应适当提高碳含量与碳当量。国内发动机箱体用灰铸铁的化学成分实例见表1-4。 表1-4国内发动机箱体用灰铸铁[14][17][19]

  (3)微量有害元素的控制 在熔炼时,回炉料和生铁中的废钢有时会含有Pb,Ti等元素,这些元素的存在会使铸件中石墨恶化及产生缩松渗漏缺陷。有资料称[20],含Pb量达0.0008%,即可造成缩松渗漏,须注意使用的炉料中是否镀有Pb材料,有须先行除去镀层。此外,少量的Pb可在灰铸铁中出现魏氏组织石墨,严重降低强度。潘亮星等[l8]在4100QB生产中发现微量元素WTi>0.0435时,出现缩松的箱盖占生产缩松箱盖总数的75%左右,由此判断Ti对缩松有较为直接的影响,并推荐使用WTi<0.08%的生铁。此外影响缩松渗漏的微量元素还有Al,v等,它们都会增加铁液的收缩倾向,要严格控制。

  孕育处理 在高碳当量铁液条件下,为提高灰铸铁的性能,控制铁液质量,进行合理的孕育处理是必要的措施之一。有资料表明[21],在高碳当量条件下,尤其是生产薄壁高强灰铸铁件,使用复合型孕育剂是十分重要的。复合孕育剂含有相应的石墨化元素如Re,A1,Ca,Ti等,以改善石墨形态、消除白口,增加并细化奥氏体枝晶。经试验表明,在复合添加Cr等合金元素的同时添加RE(稀土类元素),既能获得相当于蠕墨铸铁的抗拉强度,又能抑制激冷的发生,且也适合批量生产 [2] 。孕育也有副作用[23]。细化共晶团的结果常常导致缩松的增加,由于孕育剂中含有铝,孕育量过高也会目铁水中含铝量增加而产生针孔缺陷。孕育提高铸铁的成核程度,增加共晶团的数目,导致凝固过程中作用在铸型上的膨胀力增大,其结果可能使铸件产生缩孔和缩松,因此在箱体生产中特别要注意控制孕育量。吴志忠等[24]试验比较了75SiFe,SiCa和SiCaBa系孕育剂对灰铸铁显微组织均匀性的影响。结果发现,改善断面敏感性主要在于解决薄断面(如壁厚5ram)的石墨化问题。含Ca,Ba的孕育剂有良好石墨化能力,可改善断面敏感性和显微组织的均匀性。范晓明等[25]试验得经稀土复合孕育剂RCC处理的铁液(CE=4.00"-'-4.20%,Si/C≈0.75,Cr=0.4%和Mo=O.4%),可稳定获得HT250以上牌号的灰铸铁,且断面均匀性好,白口倾向低。姜金文[26]以60%75SiFe+40%ReCaBa复合孕育、低合金化、CE=3.9--..4.1%的试验铸铁,获得了良好的显微组织。万仁芳认为对于CE=4.0~4.2%的高碳当量铁水,Cr,Mo复合低合金化加入,用75FeSi孕育,可以获得HT250铸铁,若用复合孕育剂孕育,可使铁水稳定获得HT250牌号,且断面均匀性好,热冲击、热疲劳性能相应提高;采用CE=4.1~4.2%的铁水,以Mn代替部分Cr,Mo合金化,并用复合孕育剂孕育,同样可以获得HT250牌号铸铁。在实际应用中,北京农业工程大学和北京内燃机总厂采用Re.Ba.Ca孕育处理,第一汽车制造厂和沈阳铸造所采用cr.Sr.Si.Fe复合孕育处理,均取得良好效果。

  优质铁液的获得 保证高强度灰铸铁材质性能的前提条件是获得高温优质铁液[27]。建议使用冲天炉和工频电炉双联熔炼,以获得理想的铁液质量[28]。我国冲天炉很少有厂家采取高温热风、富氧送风等措施,对焦炭质量不够重视,灰分大,强度低,很少使用铸造焦炭,只注重节焦,忽略熔炼温度,较好的冲天炉铁水出炉温度只有1450℃左右,铁水成分波动范围大。由于熔炼温度低,很难消除生铁中粗大石墨的遗传性[29]。当熔炼温度在1450"-"1500℃时,Si02+2C斗Si+2CO个反应才能进行。可促使铁水中非金属夹杂物排出,铁水得到净化,含氧量降低,使孕育剂中的活性元素钙、铝等充分发挥成核作用。同时高温浇注虽然能够延缓铸件凝固,促进石墨化,并使型腔中的气体和杂质在凝固前上浮,但高温促使石墨长粗,粗大石墨加剧对基体切割作用而使性能降低。此外铁水收缩增加,促使铸件内部产生缩孔与缩松。因此出炉温度应在1480℃以上。BCIRA[23J认为,对大多数箱体来说,最适宜的浇注温度为1390"-"1420℃。 此外炉料配比对铁水的冶金特性也具有一定的影响。对合成铸铁的研究表明,合成铸铁由于提高了废钢的加入量,铁水的冶金特性改善,从而能更好地发挥孕育处理的效果[30]。但是,文献[3l]则认为,提高炉料中生铁的加入量,可以显著地降低材料的硬度和收缩,从而避免缩孔等缺陷,改善切削加工性能。认为炉料配比没影响的观点也有。如有报导[32]认为,在电炉保温条件下,废钢加入量

  对抗拉强度的影响不明显,抗拉强度仅取决于CE的变化,而且炉料配比对灰铸铁的组织也没有什么影响。

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