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鑄鐵件生產中值得關注的一項新工藝
發布時間:2017-01-6
鑄鐵是曆史悠久的鑄造合金。人類掌握灰鑄鐵件的生產技術,就是文明發展過程中“鐵器時代”的開始,迄今已將近三千年了。正是由於灰鑄鐵件生產技術的應用和發展,才出現了蒸汽機和多種產業機械,從而推動了產業革命。特別應該提到的是:世界上最早掌握鑄鐵技術的是我們中國人,西方進入鐵器時代大約比我們晚兩千年左右,是在元代進軍歐洲時,由我國的隨軍工匠傳授給他們的。
  球墨鑄鐵於上世紀四十年代問世,由於其具有多種優良的性能,近幾十年來生產技術和應用範圍都發展很快。
  上世紀五十年代後期,蠕墨鑄鐵問世,其性能介於灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間,特別適用於一些經受熱循環載荷的鑄件,如內燃機排氣管、柴油機缸體、缸蓋、鋼錠模和玻璃模具等。近年來,其應用日益受到廣泛的關注。
  當前,隨著科學技術的迅猛發展,各種高性能的鑄造合金不斷開發和推廣應用,尤其是各種輕合金鑄件的應用發展很快,但是,由於組織中含石墨的鑄鐵具有多種優越的性能,在當前的技術條件下,仍然是用量最大、最重要的鑄造合金。
  就每年公布鑄件產量的各國而言,每年世界鑄件總產量中,灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件的產量都占鑄件總產量的70%以上。按2013年的統計,各主要工業國和鑄件生產大國中,俄羅斯、德國、法國、印度、日本和中國,灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件的產量都占鑄件總產量的70%以上,隻有美國(65.4%)和英國(64.1%)略低於70%。
  這裏所談到的、與控製冷卻工藝相關的,都是組織中含遊離石墨的各種鑄鐵,包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵,不涉及組織中不含遊離石墨的其他多種鑄鐵。為方便起見,這裏簡稱為“石墨鑄鐵”,其含義就是組織中含遊離石墨的鑄鐵
  石墨鑄鐵的曆史悠久、應用的範圍寬廣、用量又非常之大,這當然要歸功於各國鑄造業界長期以來持續不斷地進行了大量研究工作,但是,盡管經曆了近三千年的應用和發展,迄今為止,我們對它的認識仍然是非常淺薄的,其潛在的功能遠沒有充分發揮,研究、開發的空間仍然非常廣闊。
  石墨鑄鐵件凝固以後的冷卻條件,對材質的性能和鑄件的質量都有重要的影響,但是,在這方麵,此前是很難控製的。
  近年來,檢測方法、模擬技術和監控手段等方麵發展迅猛,其應用日益廣泛,在此基礎上,一些工業國家開始意識到,對於石墨鑄鐵,如果:先按按其成分和對材質要求繪出相應的冷卻曲線,連續冷卻變態曲線(CCT曲線)或等溫變態曲線(TTT曲線);再根據鑄件凝固後的冷卻條件,實際測定冷卻過程中各部位溫度的變化;然後,采用可控的冷卻方式,使鑄件各部位按設定的冷卻速率冷卻。處理得當,就可以得到以下一些令人矚目的效果:
◇ 可以使鑄件冷卻過程中各部位的溫差很小,這樣,結構複雜、壁厚差別較大的鑄件也不需要消除內應力的退火;
◇ 生產灰鑄鐵件,不必加入Cu、Sn之類的合金元素,即可使基體組織全部為珠光體,並提高其強度;
◇ 生產球墨鑄鐵件,無須采用後續熱處理即可使其基體組織符合要求;
◇ 生產ADI鑄件,不必進行等溫淬火就可得到奧鐵體(ausferrite)基體組織。
  實施這項工藝,涉及的問題很多,過程也相當複雜,但卻有節能、減排、省資源和提高工效等多方麵的優點,因此,提出後不久就受到了廣泛的關注,目前,我們暫稱之為“控製冷卻(engineered cooling)工藝”。
  上世紀八十年代,美國Janowak, J. F. 和Gundlach, R. B. 就對ADI鑄件的熱處理進行了有創意的研究,探討在鑄造廠用控製冷卻的方法替代等溫淬火的可行性。當時還沒有“engineered cooling”這一新詞,他們用的是“Controlled Cooling”。
  幾年前,日本洋馬鑄造技術公司(ャンマ-キャステクノ株式會社)將這項工藝用於生產灰鑄鐵大型柴油機缸體鑄件[1],取得了縮短生產周期、提高材質強度和免除鑄件消除內應力的退火等多方麵的效益,獲得了日本專利(專利號5416515)。
  不久後,美國鑄造協會(AFS)與Missouri科技大學合作開展了一項研究工作,課題是“采用控製冷卻工藝生產高強度鑄鐵件(High Strength Cast Iron Castings Produced by Engineered Colling)”。這項研究工作由美國鑄造協會、Missouri科技大學、Elkem公司、kohler公司、Dotson鑄鐵公司、Selee公司等單位提供資金支持。研究工作的第一階段是用控製冷卻工藝替代等溫淬火,在鑄態下製得基體組織為奧鐵體(ausferrite)的球墨鑄鐵。目前,研究工作的第一階段已經完成,雖然仍然存在一些問題,實際用於生產的工藝仍有待進一步完善,但已確認了這項工藝的可行性[2],球墨鑄鐵鑄態下的抗拉強度從原來的550~600MPa,提高到1,000~1,050MPa。
  最近,在美國Ohio州立大學和Alabama大學任職的Stefanescu D. M.與西班牙鑄造行業的幾位同仁合作,也進行了有關鑄態奧鐵體球墨鑄鐵方麵的研究工作[3]。為了更好地應對鑄件壁厚對冷卻條件的影響,提出了按鑄件的模數調整落砂溫度和等溫保溫溫度的計算式。
一、鑄鐵組織的一些特點
  鑄鐵是以鐵碳合金為基礎的多元合金。在考量鑄鐵件的組織時,為簡便起見,通常都是參照鐵-碳合金二元相圖,必要時,再在此基礎上考慮某些主要合金元素的影響。
  鐵-碳合金二元相圖有二重性,即:包含有穩定係和亞穩定係兩種。
  如果按穩定係凝固、冷卻,鑄鐵的組織中隻含有石墨和鐵素體;如果按亞穩定係凝固、冷卻,則組織中隻含有滲碳體(Fe3C)和鐵素體,以及由滲碳體和鐵素體構成的其他多種組織。
  實際生產中,隻有生產完全鐵素體球墨鑄鐵件時,其凝固、冷卻的全過程是按穩定係進行的。大多數石墨鑄鐵中,都是穩定係組織和亞穩定係組織共存的。
  石墨鑄鐵鑄態組織的形成可分為兩個階段:第一階段,鑄鐵共晶轉變前析出初生相,再加以共晶轉變形成的相,構成鑄鐵的初始組織;第二階段,鑄鐵凝固後冷卻的過程中,共晶奧氏體中溶解的碳量隨溫度的下降而降低,脫溶的碳,向附近的石墨擴散,繼之以隨後的共析轉變,形成最終組織。
1、初始組織
  石墨鑄鐵凝固後形成的初始組織包括:石墨的形態、數量、尺寸和分布狀況,初生奧氏體、共晶奧氏體的數量和形態,共晶團的數量,以及晶界處的最終凝固相。
  石墨鑄鐵是曆史悠久的鑄造合金,長期以來,鑄造行業的前輩們一直都非常關注其冶金技術的創新和發展,各工業國家在這方麵探索、研究工作從來就沒有間斷過。正是因為如此,才使我們對石墨鑄鐵的認知能夠不斷深化;作為最重要的鑄造合金,才能夠與時俱進、曆久彌新。目前,對於其初始組織,我們已經掌握很多有效的控製的工藝,主要如:
◇ 優化碳、矽含量和碳當量,控製初始組織中奧氏體和石墨的含量;
◇ 在研究高溫過熱和高溫靜置對石墨化影響的基礎上,逐步實現對熔煉溫度、靜置時間和澆注溫度的優化;
◇ 采用並逐步優化預處理、孕育處理、和控製硫/錳含量等工藝,促進石墨的生核;
◇ 開發了多種控製石墨形態的工藝技術,如球化工藝、蠕化工藝和形成珊瑚狀石墨的技術;
◇ 近年來,注意到灰鑄鐵中奧氏體枝晶對鑄鐵性能的影響,研究了多種促進奧氏體生核的工藝,由增加奧氏體枝晶的含量提高灰鑄鐵的強度;
◇ 通過對最終凝固相的深入研究,進一步優化鑄鐵成分的控製;
◇ 采用過濾技術,提高鐵液的清潔度;
◇ 優化澆注係統的設計,力求使鐵液以平流的方式充型,避免因澆注過程中卷入折疊的氧化膜(bi-films)而造成各種鑄造缺陷。
2、共晶轉變後冷卻過程中和共析轉變形成的最終組織
  石墨鑄鐵中碳、矽含量都相當高,而且工藝方麵又采取了多種促進石墨化的措施,共晶轉變都是按穩定係進行的,轉變過程中不析出滲碳體。但是,在共晶轉變以後的冷卻過程和共析轉變的過程中,組織變化的情況卻是非常複雜的。
  石墨鑄鐵中的碳含量很高,因而,共晶轉變析出的奧氏體中碳含量很高,在此後的冷卻過程中碳在奧氏體中的溶解度逐步降低。共析轉變以前,鑄鐵的溫度還比較高,原子的擴散比較方便,而且,脫溶的碳量也不多,在組織中隻有石墨、沒有滲碳體的條件下,脫溶的碳不可能重新形核、析出,隻能向附近的石墨擴散。影響最終組織主要是共析轉變。
  石墨鑄鐵共析轉變時的溫度已相當低,原子的擴散緩慢,轉變速度遠低於共晶轉變,轉變時的過冷度很大。在這種條件下,脫溶碳的擴散受到製約,來不及轉移到共晶轉變析出的石墨上,就隻能按亞穩定係轉變、形成滲碳體了。因此,除完全鐵素體組織的球墨鑄鐵外,各種石墨鑄鐵的最終組織中,實際上都是穩定係和亞穩定係並存的,既有石墨和鐵素體,也有滲碳體。組織中鐵素體、滲碳體的份量,以及二者混配的狀態是決定鑄鐵力學性能的主要因素。此外,在特殊的冷卻條件下,還可以形成奧鐵體組織。
  石墨鑄鐵最終組織中鐵素體、滲碳體的份量,及其混配狀態,取決於鑄鐵的化學成分和鑄件各部位的實際冷卻速率,因為這兩項因素都對碳在奧氏體中的擴散速度有很大的影響。
  此前,由於檢測手段和控製技術方麵的製約,我們既難以切實了解鑄件冷卻過程中各部位溫度變化的情形和各部位的冷卻速率,更沒有辦法控製鑄件各部位的冷卻速率、從而使鑄件本體材質符合預期的要求。因此,關於鑄件凝固後冷卻條件對其性能的影響,我們實際上無能為力,隻能聽其自然。對鑄鐵最終組織的控製,隻能借助於加入各種合金元素、控製其化學成分。
  但是,隻靠加入合金元素、調整成分控製鑄鐵的最終組織有一些重大的局限性,實屬無奈之舉。
  首先是提高生產成本,耗用珍貴的資源;
  其次是無助於消除鑄件冷卻過程中產生的內應力;
  最重要的是,加入合金元素提高鑄鐵鑄態下的強度是有限的,欲使其具有更高的強度,往往還需要增加後續的熱處理工序,不僅耗能、費力,提高生產成本,而且延長生產周期。
  “控製冷卻”的概念,就是針對這種實際問題逐步推出的。
二、日本洋馬公司的用例
  日本洋馬公司鬆江事業部的主要產品是大型柴油機的缸體、缸蓋,包括鑄造和機械加工全過程,鑄件材質為灰鑄鐵,主要產品缸體的單件重3~8t不等。
  按原來的生產工藝,從澆注後到脫箱(使砂型自砂箱中脫出),大約需要冷卻40~85h。
  由於裝缸套部位與曲軸箱殼部位的壁厚差別較大,而且,薄壁的曲軸箱殼部位又接近於鑄型的外表,冷卻快,因此,冷卻過程中,兩部位之間的溫度差大,落砂後的鑄件中存在較大的內應力,必須進行消除內應力的退火處理。
  完成這兩項工序所需的時間,約占產品生產周期的40%。
  生產周期長還導致在製品數量大、備用砂箱的數量多、占用的生產麵積大等諸多問題。
  為了縮短生產周期、減少在製品數量和降低生產成本,公司決定,以縮短自澆注到脫箱的時間、免去消除內應力的退火處理為目標,開展一項工藝試驗研究工作。
1、工藝改進的方案
  為了縮短自澆注到脫箱的時間,必須在鑄件凝固後加強冷卻,提高其總體冷卻速率。
  為了免去消除內應力的退火處理,必須在鑄件凝固後冷卻過程中保持各部位的溫度均勻。
  通常,鑄件在鑄型內冷卻,都是由表及裏的。鑄型外表部位的溫度低、鑄型內部的溫度高,這是大家所熟知的,但是,差別究竟有多大?由於影響的因素太多,就誰也說不準了。要對其有切實的了解,必須就目標鑄件和實際工藝條件進行測定。
  洋馬公司就重7t的缸體所作的測定表明:澆注後60h,接近鑄型外表的曲軸箱殼部位溫度已降到70℃;處於鑄型中部的、裝缸套部位下端的厚壁部位,溫度仍保持在440℃左右。其間的溫差相當大。
很明顯,自鑄型的外表加強冷卻是不可行的。首先,采用這種方式會導致鑄件內、外部的溫差增大,不但不能消除內應力,而且會使情況進一步惡化;再就是鑄型外表的溫度低,自外表加強冷卻的效率很低。因此,加強冷卻隻能從內部著手。
  在冷卻介質的選擇方麵,也有一番考慮。往芯子內部吹冷空氣,雖然很安全,但冷卻效率低,需要吹入大量冷空氣。
  水的蒸發潛熱很大,為2260 kJ/kg。利用水的蒸發降溫,效果很好,往芯子內部注入少量的水,就可以吸收大量的熱量,獲得很好的降溫效果。
  基於上述考慮,確定了自芯子內部注水、加強冷卻的方案。為了確保生產安全,必須在鑄件完全凝固以後注水。
2、冷卻方法
  大型柴油機缸體的內腔,由多個芯子組合形成。每一缸筒部位都有一個裝缸套部位與曲軸箱殼部位聯成一體的芯子。每個芯子中都裝有管壁鑽有很多小孔的φ100鋼管,聯通到鑄型的外麵,兼有芯骨和排氣通道的作用。
  最終采用的冷卻方法是:在每一芯子的排氣鋼管中裝入軟管。鑄件凝固後,通過軟管向芯子的各部位注水。蒸發的水蒸汽也由φ100鋼管排出。
  根據各部位的溫度,實時調定每一軟管注水的流量,以確保鑄件各部位的溫度均勻。每一軟管管路中都裝有流量計和控製閥,由可編程序控製器自動控製。
3、效果
  洋馬公司實施初步的控製冷卻工藝後,取得了很好的效果,如:
◇ 鑄件凝固後的平均冷卻速率,從原來的5.7℃/h提高到16℃/h;
◇ 鑄件冷卻到500℃所需的時間,由原來的46h縮短到18h;
◇ 由於鑄件冷卻過程中各部位的溫差小,鑄件內的殘留應力很小,可免去消除內應力的退火處理。采用控製冷卻工藝後,鑄態鑄件各部位殘留應力測定值的平均值,還略低於原來經消除內應力退火的鑄件
◇ 鑄態鑄件各部位的本體強度均高於原來經消除內應力退火的鑄件,各部位抗拉強度的平均值大約提高15MPa;
◇ 在顯微組織方麵,石墨的形態、數量和尺寸都與原來經消除內應力退火的鑄件相同,但基體組織中鐵素體的含量更少,因而,強度和硬度都較高。
三、美國鑄造協會(AFS)與Missouri科技大學合作進行的研究工作
  關於這項研究課題的建立,前麵已經作了簡短的說明,這裏,扼要介紹一下這項研究工作第一階段的一些情況。
  這項研究工作,是針對各種石墨鑄鐵而建立的,可是,其實施的順序卻不因襲先易後難、循序漸進的傳統慣例,第一階段工作的目標就是攻堅克難,針對等溫淬火球墨鑄鐵(ADI),研究用‘控製冷卻’替代‘等溫淬火’的可行性。
  大家都知道,等溫淬火球墨鑄鐵具有多種優異的性能,而製約其廣泛應用的主要因素就是‘等溫淬火’的工藝過程複雜、熱處理設備價格昂貴、能耗大。如果能免除‘等溫淬火’,則其對鑄造行業的影響將是不可忽視的。
  順便要說明的是:如果免除了‘等溫淬火’,就不能再用“等溫淬火球墨鑄鐵(ADI)”這一名詞了,因此,在這裏,都按其基體組織稱之為“奧鐵體球墨鑄鐵(ausferritic ductile iron)。”
1、用控製冷卻的方式進行試驗性的模擬
  為了模擬各種控製冷卻方式的作用,研製了一套熱模擬裝置。可以將試樣加熱到要求的溫度,隨之使其按要求的冷卻速率冷卻。然後,根據試樣的顯微組織,就可以求得該材質的連續冷卻曲線(CCT曲線)和等溫轉變曲線(TTT曲線)。
  加熱設施  用計算機控製的高功率直流電源加熱,同時,用焊在熱區的熱電偶和高精度紅外線光學高溫計測定溫度。
  冷卻設施  用比例電磁閥控製、吹射壓縮空氣。
  試樣  用化學成分與目標材質相近的、實際生產中的球墨鑄鐵(C 3.77%,Si 2.33%,Mn 0.47%,Cu 0.39%)製造,先鑄造150×200×25㎜的板狀鑄件,再用以截取、加工成50×6.2×3.5㎜的試樣。
  由於試樣的熱慣性小,用上述加熱、冷卻設施,可以做到:以80 ℃/s以下的任何加熱速率加熱;以80 ℃/s以下的任何冷卻速率冷卻。
  連續冷卻的工藝是,將試樣加熱到920℃,再以不同的冷卻速率冷卻到室溫,在此條件下:
  冷卻速率在2 ℃/s以下,提高冷卻速率會導致珠光體的數量增多、硬度增高;
  冷卻速率在2~10 ℃/s之間,提高冷卻速率,就會因形成馬氏體而致硬度顯著提高。試驗的結果表明,太高的冷卻速率會導致不希望其產生的馬氏體轉變。
  等溫處理工藝是,將試樣加熱到920℃,再以不同的冷卻速率冷卻到380℃,在此溫度保溫10~30min,然後快速冷卻到室溫。在380℃保溫25min,形成奧鐵體的過程就可以完成。自920℃冷卻時的情況是:
  隻要冷卻速率在2 ℃/s以上,就會在枝晶間形成部分奧鐵體;冷卻速率為5 ℃/s,形成奧鐵體和細小珠光體的混合組織;
  冷卻速率為10 ℃/s,基體組織為奧鐵體,但石墨球周圍有局部珠光體小團。
  還要指出的是,如果延長在920℃下保溫的時間,會使奧氏體中的碳含量飽和,而且分布均勻,就有提高過冷奧氏體穩定性的作用,可以使鑄鐵組織中奧鐵體的含量增多。
2、控製冷卻方案的設定
  通過試驗,並采用流體動態模擬方法,設定鑄件控製冷卻的方案。
  這一階段的試驗中,不用小型試樣,而用接近實際鑄件的150×200×25㎜的板狀鑄件。試驗中要考慮3種變數:一是冷卻速率;二是鑄件壁中的溫度梯度;三是表麵溫度。
  根據前一階段試驗的結果,目標冷卻速率定在2 ℃/s以上。
  為了使鑄件各部位的組織一致,且避免因溫差而導致的熱應力,應盡可能地使鑄件中的溫度梯度減至最小。
  為避免產生馬氏體組織,冷卻過程中,鑄件表麵的溫度應保持在馬氏體開始轉變溫度(Ms)以上。
  試驗中,不同冷卻方法對150×200×25㎜板狀鑄件各部位溫度狀況的影響,用流體動態模擬(FLUENT軟件)進行預測。預測的部位包括:鑄件的心部,鑄件大表麵的中部,以及板狀鑄件的邊角部。
  試驗的結果表明:對25㎜厚的鑄件而言,在空氣中冷卻、吹空氣冷卻,都不能達到使鑄件具有奧鐵體組織的冷卻速率;大量噴水冷卻可以有很高的冷卻速率,但鑄件內的溫度梯度很大,而且鑄件表麵溫度很快就降到Ms溫度以下。
  為了使冷卻條件符合要求,設計了一種計算機輔助的控製冷卻方法。采用既可以噴射空氣、也可以噴水的廣角噴霧器,其冷卻強度是可控的。模擬中,由表麵溫度的反饋控製冷卻。用這種模擬方法,可得到要求的冷卻速率,鑄件內的溫度梯度很小,而且表麵溫度可以不低於要求的值。
3、控製冷卻方案的確認
  確認工作也是在試驗室進行的。用感應電爐熔煉鑄鐵100磅,經球化和孕育處理後,主要成分是:C 3.65%,Si 2.36%,Mn 0.55%,Cu 0.55%。
  試驗所用的樣件,仍然是150×200×25㎜板狀鑄件,立澆,上方置頂冒口。用自硬砂造型,每型1件,共澆注4件。澆注時,直接自頂冒口注入鐵液。
  其中2件,澆注後按常規作業方式冷卻,供參照用。
  另外2件,鑄件凝固後及早落砂(按:落砂溫度的上限是固相線以下50℃,下限是共析轉變溫度以上50℃),然後立即將其置冷卻裝置中按控製冷卻工藝冷卻。
  按常規方式冷卻的鑄件,基體組織以層片狀珠光體為主,有10%~15%的鐵素體,抗拉強度550~600MPa,伸長率8%。
  控製冷卻的鑄件,基體組織為奧鐵體和細小的珠光體,抗拉強度1000~1050MPa,伸長率4%。
4、小結
  這項研究課題第一階段工作的目的,就是要確認控製冷卻這一概念的可行性。從初步的試驗結果看來,采用控製冷卻工藝,可以製得鑄態下基體組織為奧鐵體的球墨鑄鐵件,雖然組織中仍存在少量珠光體,一些問題還有待進一步深入研究、探討,但總體而言,這一工藝的效果是很好的。
  研究工作的第二階段,還將針對各種低合金石墨鑄鐵、不加合金的石墨鑄鐵,研究控製冷卻工藝對不同壁厚鑄件組織的影響。
  當然,將這一工藝用於實際生產,還有很多難題有待解決,包括就每一特定的生產條件設計適用的的設備。如果我們通過實踐逐步增強對這一工藝的認知,存在的問題逐一得到妥善的解決,工藝也就會隨之不斷優化,這樣,當然會有助於鑄造行業實現可持續發展。 
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