怎么防止處理球墨鑄鐵球化不良原因？

球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，降低了石墨對基體的割裂作用，有效地提高了鑄鐵的力學性能，獲得了較高的塑性、韌性及強度。球墨鑄鐵是20世紀50年代發展起來的一種高強度鑄鐵材料，其綜合性能接近于鋼，正是基于其優異的性能，已成功應用于一些受力復雜，強度、韌性、耐磨性要求較高的零件。球墨鑄鐵已迅速發展為僅次于灰鑄鐵的、應用十分廣泛的鑄鐵材料。人們對球墨鑄鐵性能的要求越來越高。在球墨鑄鐵生產中可以應用多種球化處理方法，這些球化處理方法各有利弊，需要企業工程師根據實際生產條件合理選擇應用。

壓力加鎂法


由于鎂的沸點(1107℃)較低且難溶于鐵液，而球化處理時鐵液溫度可達1500℃，這樣一來鎂容易在鐵液中發生劇烈的反應，導致其較低的吸收率。而當鎂周圍介質的壓力增加時，鎂的沸騰溫度相應提高，鎂的燒損減少，鎂的吸收率提高?；诖嗽?，開發出壓力加鎂法。根據建壓方式的不同，可分為外加壓式和自建壓力式兩種壓力加鎂法。早期使用的外壓式是將盛滿鐵液的處理包放在密閉的壓力罐內，通過壓縮空氣或氮氣來建立所需的壓力。另一種是利用鎂蒸氣在鐵液包內自建壓力，后者是把純鎂加入密封的鐵液包內，鎂在鐵液包內迅速產生大量鎂蒸氣，此蒸氣通過鐵液時一部分被鐵液吸收，另一部分逸出并迅速在包內空間建立起與鐵液溫度相應的飽和蒸氣壓，這時鎂就不再沸騰汽化而損失了。壓力加鎂法的優點是，使用純鎂進行球化處理，鎂的吸收率高，可達70%～80%，且處理過程中無煙塵，勞動環境好。缺點是處理設備要求及費用較高;操作復雜、嚴格;處理時間長，鐵液降溫較多;球化處理過程中壓力大，容易發生工傷事故。


沖入法


沖入法是目前在國內外應用最廣泛的球化處理方法。所使用的處理包通常是堤壩式球化處理包。為了降低鐵液和鎂之間反應的激烈程度以及鎂蒸氣的揮發速率，沖入法通常使用含鎂量較低的合金球化劑。球化處理時，首先將球化劑裝入堤壩一側，上面覆蓋硅鐵合金，稍加緊實，然后再覆蓋無銹鐵屑、鋼板或其他覆蓋劑。球化處理時，應盡可能地將鐵液一次沖入鐵液包的另一側。沖入法鎂的吸收率一般為30%～50%。為了提高球化效果，可提高處理包高度與直徑的比值;采用低鎂合金球化劑;合理的鐵液溫度和覆蓋劑量。沖入法的優點是處理方式和設備簡單，容易操作，在生產中有較大的靈活性，所需的技術含量也較低，但不足之處是球化處理過程中鎂光、煙塵污染較嚴重;鎂的吸收率較低。


轉包法


轉包法是GeorgeFischer公司開發并申請專利的一種球化處理方法。該方法用純鎂作球化劑，適用于處理含硫量高的鐵液，能使鎂的硫化物、硅酸鎂等雜質與鐵液較好地分離，鎂與鐵液反應不很劇烈，鐵液降溫較少，使用安全，鎂的吸收率可達60%～80%。具體工藝流程是球化處理前，先將轉包橫臥，注入定量鐵液，然后將球化劑加入反應室，鎖緊密閉裝置，并蓋上包蓋。隨即轉動鐵液包將其立放，這時鐵液通過反應室上的小孔進入反應室，其流速與小孔的面積和鐵液包內的靜壓力有關。鎂受熱汽化，在反應室內形成鎂蒸氣壓，當壓力超過包內鐵液靜壓時，鐵液暫停進入，鎂的汽化潛熱使反應室內溫度下降;蒸氣壓力也隨之下降，鐵液再次進入反應室，這種自動調節作用能使鎂比較平穩地與鐵液反應。轉包法球化處理過程中也產生較大鎂光和煙塵，并且轉包內反應室的小孔易被鐵液或熔渣堵塞，清理和保持小孔的尺寸比較麻煩，該球化處理方法難于連續處理鐵液。


包芯線喂絲法


包芯線喂絲法起初應用于煉鋼工業，隨后該技術推廣應用于鑄造行業。目前，工業發達國家在球墨鑄鐵件生產中普遍應用喂絲技術，而國內將該技術應用于球墨鑄鐵的生產起步較晚，在球墨鑄鐵件生產中尚未普及應用，處于推廣階段。應用喂絲法生產球墨鑄鐵件，簡單來說就是將包有鎂及其他合金元素的包芯線直接插入到鐵液中對其進行球化處理從而進行球墨鑄鐵生產，整個球化處理過程可以完全自動化。常用包芯線直徑一般為9mm、13mm，內置粉料合金一般含鎂量在25%～30%。有特殊需要時還加入一定數量的RE、Ca、Ba等，來改善鑄件的性能。喂絲機可以設置喂絲速度、喂絲長度、喂絲模式等參數，處理過程中，喂絲機通過傳動機構將包芯線按照設置好的參數配置連續不斷地插入到加蓋包的處理包鐵液中，由于鐵液高度所產生的壓力作用、包蓋隔絕空氣的有效流動及包芯線按照一定速度連續插入鐵液，這樣既可避免鎂蒸氣的瞬間大量爆發，保證鎂合金的安全加入，又可避免鎂的大量逸出和燒損，提高鎂在鐵液中的吸收率。一般來說，合金包芯線的性能和質量，以及喂絲速度和喂絲量是保證喂絲球化處理成功的關鍵因素。處理包形狀、鐵液溫度、原液水含硫量，以及包蓋的密封性等也是影響球化處理效果的重要因素。包芯線喂絲法球化處理的優點是：脫硫脫氧效果好，降溫少，放寬了對原鐵液的要求;鎂的吸收率高并且比較穩定，殘留鎂含量波動范圍較小;球化處理過程中的煙塵和鎂光較少;可以實現合金加入量精確和自動化控制。


蓋包法


蓋包法是由英國鑄鐵研究協會發明的，在國外球墨鑄鐵生產中的應用比較廣泛。蓋包法球化處理時，合金的加入與沖入法相同，然后將包蓋安放在處理包上并使其周邊密封好，將鐵液注入包蓋，鐵液會通過包蓋一側的鐵液注入孔(鐵液不得直接對準合金堆放處)流入包內。這樣，可使外界的氣體與包內完全隔離，減少鎂的氧化、燒損，提高鎂的吸收率(一般在60%～65%或以上)，改善勞動環境。球化反應結束后，去除包蓋。蓋包法球化效果與蓋包鐵液注入孔直徑選擇正確與否有著密切關系。正確的鐵液注入孔直徑可以保證蓋包中保持有一定的鐵液高度;鐵液全部流入蓋包的時間與球化反應時間相同。采用蓋包法既保留了沖入法設備簡單、容易操作的優點，又克服了沖入法中鎂氧化燒損嚴重、吸收率低、球化劑消耗量大、勞動環境差等缺點。多年來鑄造工作者一直在利用蓋包法的優點來進行球墨鑄鐵生產，同時也在不斷地努力克服該球化處理方法在使用中的不足之處：包蓋起吊困難，操作難度較大;在使用沖天爐連續出鐵時，鐵液重量難以精確量化。經過不斷完善，目前該球化處理工藝得到了廣泛的推廣應用。


型內法


將球化劑放在澆注系統中專門設計的反應室內，澆注過程中鐵液流經反應室時與球化劑發生反應，進行球化處理。為保證球化處理穩定，減少燒損，要嚴格計算反應室及澆注系統尺寸。一般情況下，反應室設置于直澆道下的橫澆道中。型內法鎂吸收率高，可達70%～80%，無鎂光，無煙塵，無球化衰退，適合于機械化造型的流水線生產。其不足之處是對鐵液溫度、含硫量、球化劑成分、球化劑塊度、反應室尺寸及澆注系統設計都有嚴格要求，以上這些因素的細微變化都可能引起球化效果的變化。此外，這種方法還容易產生夾渣。


球墨鑄鐵球化不良17大原因及控制


在20世紀六七十年代，生產球墨鑄鐵主要是使用沖天爐，由于焦炭質量差（塊度大、密度低、固定碳含量低、含硫量）；鐵液溫度低；使用的球化劑制備的方式不完善；生鐵的含硫、磷量高等，所以生產出的球墨鑄鐵的質量較差，球化質量不穩定?，F在生產球墨鑄鐵大都是用電爐熔煉，爐溫的高低容易控制；生鐵等原材料的質量好；球化劑的種類多且質量好，因此球墨鑄鐵的質量也比較容易控制。但是球化不良仍是球墨鑄鐵生產中的主要缺陷之一。


球化不良表現在鑄件斷口上（一般多觀察澆冒口斷口），有大塊黑斑或明顯可見的小黑點；敲擊鑄件發出的聲音不清脆；金相顯微組織上有較多的厚片狀石墨，有少量球狀、團狀石墨，或枝晶石墨（有時球化不良在金相上還有一個特征，即在厚片狀石墨叢中，個別球狀石墨反而還很圓整）。


產生球化不良的原因，總的來講皆由以下三大類因素所影響：殘留鎂量或稀土量過低（但稀土含量過高時，則石墨圓整度變差，鑄件易產生白口及縮松）；孕育作用不強或衰退；干擾元素過高。


但在實際生產過程中，產生球化不良的因素很多，有技術上的問題、有操作上的問題、也有管理上的問題。


1.球化劑質量差


球化劑中Mg、RE含量經化驗雖達到質量要求，但因熔煉技術不佳，含MgO較高（球化劑中含MgO＞1％，對球化質量就可能有影響），MgO對提高球化質量幾乎沒有作用，反而使球墨鑄鐵易產生夾渣缺陷；球化劑里含Ca等元素少，球化處理時反應激烈，Mg燒損較多。

防止措施：不使用質量差的球化劑（要對供應商、生產廠家進行考察，先少量購進，試用后再批量購買）。球化劑放置時間過長，易受潮氧化。


2.爐前球化處理操作不當


球化劑倒入鐵液包堤壩挖坑里后，未攤平拍實；表面覆蓋物少，或覆蓋層薄，或未填滿球化劑塊縫隙，沖入鐵液后，不僅外露球化劑馬上熔化反應，同時鐵液大量進入球化劑塊縫隙里，直接熔化球化劑或把球化劑沖起漂浮鐵液表面，反應過早過快，Mg燒損較多。


防止措施：把倒入包底凹坑里的球化劑攤平、適當舂實，再把上面覆蓋的孕育硅鐵攤平并適當舂實，表面覆蓋適當量的球墨鑄鐵屑（舂實）或一定厚度的球墨鑄鐵板。這樣不僅把合金的縫隙填滿，且有一定厚度覆蓋層。


3.原鐵液含硫量高


硫是主要反球化元素，含硫量高會嚴重影響球化質量，當原鐵液中的wS＞0.06％時，即便是加入較多的球化劑，也很難得到合格的球墨鑄鐵質量。在球化處理過程中，球化劑中的Mg，首先與鐵液中的S起化學反應，生成MgS的熔渣，剩余的Mg才起到球化作用，RE同樣如此。由于球化元素少，所以影響了球化質量。鐵液含硫量高，即便加入大量的球化劑，如果澆注時間過長，扒渣不凈，還會發生“返硫”現象，影響澆注到后期的鑄件質量。原鐵液中硫的主要來源是：使用了含硫量高的焦炭或新生鐵。


防止措施：使用含硫量低的生鐵及回爐料和焦炭；掌握好球化劑加入量與原鐵液含硫量的關系；爐前及球化處理過程中采取脫硫措施（往焦炭上噴灑石灰水、電爐脫硫較為容易、球化包內加入堿面或燒堿）。


隨爐料代入的球化干擾元素過高，如Ti、Sb、As、Pb、Al、Sn等。稀土元素雖有一定的消弱或抵消反球化干擾元素的能力，但鐵液中含干擾元素太多，仍會惡化石墨球形狀（畸形石墨）；即便球化，球墨鑄鐵材質的物理性能也會趨向很脆。因此，在生產QT400—18以及抗低溫球墨鑄鐵時，要選用高純生鐵。


4.接鐵液澆包放置不當


出鐵時鐵液直接沖到壓在凹坑里的球化劑上，不僅把覆蓋物沖跑，而且使合金塊直接受到高溫鐵液的沖擊，或過早熔化激烈反應，或迅速漂浮至鐵液表面，在鐵液表面熔化燒損被空氣吸收，減低了鐵液對Mg的吸收率。


防止措施：放置好鐵液包的位置，避免鐵液直接沖擊到合金上，讓鐵液平穩、快速的淹沒合金并瞬時達到一定的深度，延長合金上浮的路程，便于合金充分被鐵液吸收。


5.開始出鐵液慢


如果開始出鐵液過于緩慢，液面在包內上升的速度慢，當鐵液淹沒合金后，表層部分合金就開始熔化反應，并接著上浮，由于合金表面與鐵液表面距離短，合金沒來得及熔化就大量的漂浮于鐵液表面，Mg在鐵液表面熔化燒損被空氣吸收而損耗掉，降低了鐵液對Mg的吸收率。


防止措施：對于沖天爐來講前爐缸內要存有充分的鐵液，出鐵前首先把堵塞出鐵口周圍的泥巴鏟凈，出鐵時快速打開出鐵口，讓鐵液很快達到鐵液包容量深度的2／3（即一定深度），此時的球化反應，由于合金表面距離液面距離大，合金在鐵液里上浮時，經過的路程長，合金邊上浮、邊熔化、邊被鐵液充分吸收，球化劑中的球化元素Mg的吸收率高，球墨鑄鐵質量好。電爐出鐵更為方便，開始快速出爐，當反應劇烈時慢速出鐵或停止出鐵，在反應平穩時繼續出鐵至要求量，如果反應平穩，盡可能先快后慢（中間不停）的一次出完。


6.裝加球化劑過早或堤壩凹坑內鐵液未倒凈


澆注后，紅熱的澆包底部，溫度高于900℃。如果馬上裝球化劑，Mg、RE在高溫的烘烤下損耗一部分（有冒煙現象）；若堤壩凹坑內鐵液未倒凈，Mg的損耗更多；另外過熱的預熱溫度也會促使球化劑的過早熔化。


防止措施：讓澆包冷卻降溫一段時間，在出鐵液之前裝球化劑，同時，澆注后及時把澆包內剩余的鐵液倒干凈，并把包內的熔渣扒干凈。


7.球化鐵液溫度過低


球化鐵液溫度低于1390℃時，合金不易熔化，球化反應不完全，球化級別難以達到要求。球化劑在上浮過程中，由于鐵液溫度低，不能迅速地把球化劑熔化吸收，致使球化劑上浮到鐵液液面熔化燃燒。


8.球化鐵液溫度過高


球化鐵液溫度過高，覆蓋劑以及球化劑熔化速度過快，由于純Mg的密度為1.74g／㎝3，熔點651℃，沸點1105℃，即便是由于Mg與Si化合提高了合金的熔點，但也低于1400℃，更何況球化溫度常在1490~1520℃，有的可能會更高一些。根據鑄件的大小和鑄件壁的厚薄，確實需要提高球化溫度時，也要采取相對“低溫處理高溫澆注”的措施。另外，鐵液溫度過高，鐵液往往氧化嚴重，由于Mg和RE易與氧化物產生化合反應，高溫使得Mg、RE的大量損耗和蒸發，降低了吸收率。


9.球化劑塊度小、碎末多


當球化劑塊度碎小、碎末多時，雖然球化處理方法一樣，但由于合金塊之間沒有空隙，熔化反應只能是剝皮式地緩慢逐層進行，若按同樣的步驟去澆注，可能會出現前幾箱球化不良，后幾箱球化尚好的現象。


防止措施：根據鐵液包的大小即球化處理鐵液的多少，而選擇球化劑塊度的大小。碎末過多時需要過篩處理；如果球化反應過慢，可用鋼釬穿過鐵液搗幾下所裝的合金，讓鐵液鉆入合金里，以便加快球化反應。


10.球化劑塊度過大


球化劑塊度過大，在邊上浮邊熔化過程中，沒有及時的被鐵液吸收，而是漂浮到鐵液表面熔化燃燒，散發到空氣中而浪費掉。


球化劑塊度的選擇，是根據鐵液包的大小即球化鐵液的多少而確定的。

11.球化劑加入量少


球化劑加入量的多少與材質的要求、鐵液的含硫量、鐵液質量、球化處理溫度、鑄件大小等因素有關。球化劑加入量少有兩個原因：一是設計要求加入量本身就少；二是出鐵液量沒有控制好，出的鐵液量超過要求。


12.鐵液氧化


鐵液氧化后含氧量高，由于O和Mg的親和能力很強，球化劑中的有效球化元素Mg，首先與O化合生產MgO熔渣，剩余的Mg才起到石墨的球化作用，由于氧損耗了大量的Mg，剩余的Mg不足于保證石墨呈球狀的量，所以球化級別低，球化質量差。


防止措施：注意沖天爐低焦（炭）高度，防止鐵液氧化；電爐熔化，不要使用過于氧化的爐料，防止鐵液溫度過高或高溫長時間的保溫，特別是10t大爐熔化鐵液，每次球化處理1t，當球化處理后幾包時，由于鐵液在爐內的停留時間長，不但鐵液缺少“晶核”，且易氧化。在球化處理后幾包時，先在爐內進行“預處理”，添加適量的碳化硅、脫氧劑、增碳劑、硅鐵等進行脫氧處理，并適當多加一些球化劑。


13.包的深徑比及包坑


（1）球化包的深度H與直接D的比例為：H／D＝1.5~2。如果用球化包處理半包，則違背高經比的初衷。


（2）球化包的包坑深度，在裝入球化劑和覆蓋劑后應尚余20~30mm，鐵液進入包坑與覆蓋劑熔融成半固態物質，延緩球化劑過早爆發，可以提高Mg的收得率。


（3）包底凹坑的寬度，以包底直徑的1／4~1／3為好，投影面積小的凹坑增加了深度，有利于延緩爆發。


（4）澆注完畢后及時清理包內的熔渣，使每包球化劑裝入凹坑的情況相同。


14.因澆注時間過長等原因而產生的球化衰退


球化衰退的特征是：爐前球化良好，在鑄件上球化不好；或者同一包鐵液，先澆注的鑄件球化良好，后澆注的鑄件球化情況不好。澆注時間過長產生的球化衰退往往還和孕育衰退并存。保證石墨呈球狀化Mg殘量的多少，決定了鐵液的球化質量。Mg與O以及S的親和能力很強，Mg與O結合生成MgO而燃燒掉。特別是S，當S與Mg結合生成MgS的熔渣后漂浮到液面，漂浮到液面后MgS熔渣中的Mg，又與空氣中的O結合生成MgO而燃燒掉，而分離出的S又返回鐵液，又與Mg結合，鐵液中的S像小船一樣，不停的把鐵液中Mg帶到空氣中燃燒掉，這就叫做“返硫現象”。隨著澆注時間的延長，鐵液中Mg的殘留量越來越少。有資料介紹，隨著澆注時間的延長，每延長1min，鐵液中Mg的燒損為0.004%。


解決措施：如果因故延長澆注時間，可以覆蓋適當厚度的保溫劑，減少鐵液與空氣接觸，減少鐵液中Mg的燒損量。另外還應采取適當的隨流孕育措施，把已經長大并呈畸形（長長后為片狀石墨）的石墨分解或截斷，使其形狀趨于團球狀。


15.孕育衰退


通過金相分析可以看到，孕育衰退的金相照片里，石墨球數量少，球徑大，密度稀，球化級別低，通常鐵素體含量少，珠光體含量增高，并且有碳化物的存在。孕育衰退產生的原因是：孕育劑加入量少，或孕育工藝不完善。由于鎂的存在是球化的必要條件，而孕育中的元素，是參與石墨化的充分條件，因此只講球化處理而不重視孕育處理，是做不成高質量的球墨鑄鐵的。


防止措施：提高孕育劑的加入量；使用含鋇、鈣的長效孕育劑；采取二次孕育、浮硅孕育、隨流孕育的復合孕育措施。


16.球化包或澆注包潮濕


球化處理沖入鐵液時，水經氣化分解產生出氫氣和氧氣，O會中和掉球化劑中的部分Mg，變成了MgO熔渣，不僅降低了鐵液中的含鎂量，還容易使鑄件產生渣孔及氣孔缺陷。


17.現場管理


球化劑的管理和堆放不規范，可能會混入硅鐵等；稱球化劑的重量不準，或沒有除皮、或看錯稱等。例如，某廠球墨鑄鐵的生產質量一直很穩定，突然有一天夜班前兩爐出現球化不良，化驗分析含硅量超標，經過研究分析，可能是白天打掃衛生時，把散落到地上的硅鐵，整理到球化劑槽中了。另外，球化劑存放時間過長且保管不好，球化劑氧化，都會消弱球化作用，影響球化質量。


以上就是關于球墨鑄鐵球化處理方法及球化不良原因的知識匯總，球墨鑄鐵球化處理方法各有其優缺點，希望各球墨鑄鐵件生產企業能夠根據自身生產條件及狀況，綜合評價每種球化處理方法，揚長避短，選擇適于自己的球化處理方法，保證球墨鑄造鑄鐵件質量。

來源：賢集網

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