灰铸铁缺陷产生的原因分析及预防措施.docx

热裂是灰铁铸件形成期间在高温下出现的裂纹缺陷，在灰铁铸件表面上可以观察到的裂纹称为外裂，隐藏在铸件内部的裂纹称为内裂。热裂是铸铁件，特别是灰铁铸件，可铸铁件和某些轻合金铸件常见的铸造缺陷之一，那么是什么原因会造成热裂呢？1、热裂纹沿晶界展开，外形曲折而不规则。2、外裂断口表面呈氧化色。灰铁铸件外裂断口进似黑色，铝合金裂口呈暗灰色，说明裂口在高温下形成并被氧化。内裂纹由于发生于铸件内部，氧化不明显，常有枝状晶。3、外裂纹的另一特征是表面宽而内部窄。裂口从铸件表面开始延伸到内部，有时裂口贯穿于整个断面，形成穿透性裂纹；而内裂的形状则是铸件中心宽，越靠近铸件外表越窄。4、热裂问的位置多发生在凝固缓慢的热解部分。外裂常发生在灰铁铸件拐角处，截面厚度有突变处，壁于壁的十字交接处，冒口根部，两块外冷铁之间以及可产生应力集中的肥厚部位；内裂产生在铸件内部后凝固的中心附近。在需补修的灰铁铸件的废品件总数中，热裂件占20%，由于灰铁铸件是一种结构复杂、壁厚差别大的合金铸件，热裂率还要较高，因此应重视热裂的发生和防止。一、影响灰铸铁力学性能的主要因素：      工艺、冶金因素：主要有冷却速度，铁液的过热处理、孕育处理、炉料特性等 （1）关于冷却速度的影响   铸铁是一种对冷却速度敏感性很大的材料，同一铸件的厚壁和薄壁部分，内部和外表都可能获得相差悬殊的组织，俗称为组织的不均匀性。因为石墨化过程在很大程度上取决于冷却速度。影响铸件冷却速度的因素较多：铸件壁厚和重量、铸型材料的种类、浇冒口和重量等等。由于铸件的壁厚、重量和结构取决于工作条件，不能随意改变，故在选择化学成分时应考虑到它们对组织的影响。 （2）关于铁液孕育处理的影响  孕育处理就是在铁液进入铸件型腔前，把孕育剂附加到铁液中以改变铁液的冶金状态，从而可改善铸铁的显微组织和性能。对灰铸铁而言，进行孕育处理是为了获得A型石墨、珠光体基体、细小共晶团的组织，以及减少铸件薄壁或边角处的白口倾向和对铸件壁厚的敏感性；对可锻铸铁而言，是为了缩短短退火周期，增大铸件的允许壁厚和改善组织的结构；对球墨铸铁而言，是为了减少铸件白口倾向，提高球化率和改善石墨的圆整性。 （3）关于铁液过热处理的影响。提高铁液过热温度可以：增加化合碳含量和相应减少石墨碳含量细化石墨，并使枝晶石墨的形成消除铸铁的“遗传性”提高铸件断面上组织的均匀性有利于铸件的补缩。同样，铁液保温也有铁液过热的类似作用。（4）关于炉料特性的影响  实际生产中往往发现改变金属炉料（例如采用不同产地的生铁或改变炉料的配比等)而化学成分似乎无变化的情况下铸铁具有不同的组织和性能，这说明原材料的性质直接影响着用它熔炼出来的铸铁的性质，称为铸铁的：“遗传性”为此，采用提高铁液温度和使用多种铁料配料可消除这种“遗传性”，并改善铸铁的组织和性能。      综上所述，铸铁的工艺因素和冶金因素对铸铁的力学性能有着很大的影响，因此，不应忽视对这些影响因素的控制。  二、灰铸铁不可用热处理的方法来达到牌号要求        一般说来，热处理能在很大程度上改善铸造合金的组织和性能，但在灰铸铁条件下，热处理所能发挥的作用相对较小。在灰铸铁中，石墨对铸铁性能的影响很大，而任何的热处理方法都不能改变石墨的形态和分布，故不可通过热处理来有效地提高灰铸铁的性能使之达到牌号要求。    但是，提高灰铸铁力学性能的方法很多，如合理选配化学成分、改变炉料组成、过热处理铁液、孕育处理、微量或低合金化等，都可取得很好效果。  三、生产高牌号灰铸铁（孕育铸铁）的注意事项     生产产高牌号灰铸铁(一般指HT200以上)时，为了获得高的力学性能，必须尽可能地减少石墨的数量、减小石墨的长度。传统的方法就是降低铁液的碳、硅含量、提高铁液的冷凝速度，但幅度稍大时就会出现D型过冷石墨及白口，反而降低灰铸铁的力学性能。      在炉前或在浇注前往铁液中添加适量的、以硅铁为主的铁合金碎粒被称作孕育处理。孕育处理在铁液中提供大量的、石墨借以生核的生核质点。有效的孕育将促进石墨的析出，从而消除白口、细化片状石墨并使过冷石墨转变为无方向性均布石墨(A型石墨)，不但可大幅度地提高综合力学性能，同时还提高铸态组织的均一性，减小铸件由于壁厚不均、边角与心部的冷速不同而造成的力学性能差别，因此对铁液进行孕育处理是一项生产高牌号灰铸铁(孕育铸铁)必不可少的技术。      为使孕育有效，需满足孕育对原铁液的要求，即，原铁液应具有较低的碳、硅含量，或原铁液应具有较低的碳当量，碳当量愈低，孕育效果愈好，灰铸铁件强度愈高；相反，碳当量高，孕育效果差。由于硅可以用加入孕育剂的方法来调整，故考虑原铁液碳当量时总是把碳维持在2.8%3.2%左右，把硅维持在稍低于能显著促进石墨化的临界值，然后加入孕育剂使硅量超过临界值，获得孕育处理的效果。此外，铸件壁厚及冷却速度也同样影响到孕育铸铁件的组织，在选择化学成分时也要加以考虑，一般厚件的碳、硅量取下限，薄件则取上限。 锰在高牌号灰铸铁(孕育铸铁)中的作用，除中和硫的影响外，尚有一个特殊的要求，即借助于它使灰铸铁能得到珠光体组织，故高牌号灰铸铁(孕育铸铁)的锰含量一般较高。硫能削弱孕育剂的石墨化作用，因此常将硫限制在0.12%以下。近几年来，也有人认为为了得到好的孕育效果，原铁液的硫量不能太低。因此，在以后铁液中的硫含量逐渐降低的情况下，对于孕育铸铁中的硫量究竟应如何确定，看来是一个值得注意的问题。 磷含量一般从力学性能的要求出发，常限制在0.15%以下，但有些机床灰铸铁件(常由孕育铸铁制造)需要耐磨，磷含量则可提高至0.3%0.5%左右或更高。 四、用孕育剂进行灰铸铁孕育处理时禁止的四则灰铸铁用的孕育剂可以按功能、主要元素、形状等进行分类，在使用孕育剂进行灰铸铁孕育处理时应禁忌四则：    一则，孕育剂在使用前必须烘干。 二则，禁止使用纯硅或纯硅铁作孕育剂   三则，孕育剂不可草率加入，要讲究方法。 四则，孕育剂的粒度   五、灰铸铁件可能出现的缺陷 在灰铸铁件生产中，常见的铸件缺陷有：气孔、成分与性能不合格、热裂与冷裂、缩孔与缩松、渣眼与铁豆、冷隔与浇不足、砂眼与夹砂、多肉与错辐、变形等。通常，产生这些缺陷的原因不单是造型制芯问题，有时还有熔炼浇注、配砂质量、落砂清理等许多生产工序的问题，因此必须具体分析，以便采取相应的合理措施加以解决。     在灰铸铁件生产中，常见的铸件缺陷有：气孔、成分与性能不合适、热裂与冷裂、缩孔与缩松、渣眼与铁豆、冷隔与浇不足、砂眼与夹砂、多肉与错箱、变形等。通常，产生这些缺陷的原因不单是造型制芯问题，有时还有熔炼浇注、配砂质量、落砂清理等许多生产工序的问题。因此必须具体分析，以便采取相应的合理措施加以解决。         灰铸铁件由于熔炼浇注造成的主要缺陷及其原因分析与防治防范分析如下：（1）气孔特征及发现方法:筛状气孔：比较均匀地分布于铸件的整个或大部分断面上。皮下气孔:离铸件表面13mm处，出现密布的细小气孔。 用外观检查，机械加工，抛丸清理或磁力探伤可发现。原因分析:    当铁液中，气含量较多，并且浇注温度过低，析出的气体来不及上浮和溢     出铸件时产生。       1.炉料本身气含量高，或锈蚀严重，表面油脂物多。       2.皮下针孔主要是由氢气造成。硅可减少氧在铸铁中的含量，却可增加氢的含量，故高硅铸铁易出现氢气孔。炉料可含有铝或氧化铝时，也易产生针孔。       3.铁液包不干。       4.孕育剂不干。    防止方法:       1.炉料应进行妥善管理。对锈蚀严重或表面油脂物多的炉料，要经过清理或处理后，方可使用。       2.对本身气含量高的炉料，应经重熔再生后，方可使用。       3.炉前可加入适量的稀土，以便去气。       4.控制合适的铁液出炉温度及浇注温度。       5.炉缸、前炉和铁液包均需烘干。       6.浇注时，要避免断流。       7.孕育剂应充分预热。    8.浇注时，必须点火引气。（2）成分、组织及性能不合格特征及发现方法:材质太硬或太软。铸件断面的宏观组织和微观组织不符合标准或技术条件。用断面观察，化学分析，金相检验，硬度试验等可以发现。原因分析:       1.碳硅当量偏低时，使材质偏硬，碳硅当量高时，则偏软。       2.铁液过热不适当。    3.孕育处理不足。防止方法:       1.正确配料，并防止操作时窜料。       2.控制合适的过热温度。    3.遵守操作规程及正确处理炉前孕育。(3) 缩松特征及发现方法:在铸件内部有许多分散小缩孔，其表面粗糙，水压试验时渗水。用机械加工或磁力探伤可以发现。原因分析:磷含量偏高时，使凝固区间扩大；同时，低熔点磷共晶体在最后凝固时，得不到补足，造成显微缩孔。尤其对于高牌号铸铁（碳含量较低），体收缩率较大，更应注意。浇注速度太快，使需要补缩的部位来不及补充足够的铁液。防止方法:       1.Wp一般控制在0.15%以下，并控制铁液化学成分稳定。       2.浇注时，适当慢浇，以利充分补缩。(4) 缩孔特征及发现方法:在铸件热节处产生形状不规则，表面粗糙的集中孔洞。用外观检查，机械加工或磁力探伤可以发现。原因分析:       1.由于体收缩率较大，铁液化学成分不符合技术要求，尤其是高牌号低碳铸铁。    2.浇注温度过高，增加了液体收缩值。防止方法:       1.正确控制铁液的化学成分。尽量使Ws低，一般在0.12%以下。       2.控制适宜的浇注温度。       3.对于大件，可在冒口处补浇铁液。    4.适当增加孕育量。(5) 热裂特征及发现方法:裂纹处，带有暗色或几乎是黑色的氧化表面。用外观检查，透光法，磁力探伤，打压试验，煤油渗透等方法发现。原因分析:       1.铁液化学成分不合要求，使固体收缩值较大，如碳低，硫高。       2.铸件中含有低熔点夹渣物，降低了高温强度（因为热裂产生在凝固将近结束时，主要在铸件热节处收缩受机械阻碍而产生）。防止方法:       1.控制合理的化学成分，尽量使原铁液中硫含量低。    2.浇注时，避免熔渣进入型腔。(6) 冷裂特征及发现方法:裂纹处，较干净或略带暗红色轻微的氧化表面。发现方法与热裂相同。原因分析:       1.铁液化学成分不合要求，使固体收缩值较大    2.铁液中磷含量过高，增加了脆性，从而降低铸铁的抗拉强度（因为冷裂产生在铸件冷 却以后，主要在铸件厚、薄交界的应力集中处，由于热应力而产生）。防止方法:       1.控制合理的化学成分。    2.一般铁液中Wp应在0.15%以下。(7) 渣眼特征及发现方法:在铸件外部或内部的孔穴中有熔渣用外观检查，机械加工或磁力探伤可以发现原因分析:       1.铁液中熔渣多或铁液包中的渣未除净，浇注时，又未注意挡渣。    2.浇注时，由于断流而带入的熔渣。防止方法:       1.适当提高铁液温度，并在铁液包内加入少量干砂，以利聚渣撇除。以免硫重新转入铁液       2.预先除净铁液包中的残渣。    3.浇注时，注意挡渣，并不发生断流。(8) 铁豆特征及发现方法:气孔中有小铁珠。用铸件断面检查，机械加工可以发现。原因分析:由于铁液浇注温度过低，当铁液飞溅后产生的铁豆，不能再被铁液熔化，结果与外入气体一块包入铸件中；或者此铁豆由FeO+C   Fe+CO生成的CO与铁豆一块包入铸件中。防止方法:       1.适宜的浇注温度。    2.浇注时，不可断流。(9) 冷隔与浇不足特征及发现方法:铸件上有未完全融合的缝隙或局部缺肉，周围呈圆边。用外观检查可以发现。原因分析:1.铁液温度太低，降低了铁液的流动性。2.铁液中，碳、硅含量较低，硫含量较高时，同样也使铁液流动性降低。3.浇注时，发生断流或一次铁液量不足，进行二次补浇时，易产生冷隔。防止方法:1.适当提高铁液的浇注温度。2.控制合适的铁液化学成分，尽量降低硫含量。3.一次浇满，避免补浇。并且在浇注时，不可断流。(10) 过硬特征及发现方法:在铸件边缘和薄壁处出现白口铁组织。断面观察，硬度试验，机械加工可以发现。原因分析:1.碳硅当量偏低。2.孕育处理不足。防止方法:1.正确配料。2.适当增加孕育量。