船用球墨鑄鐵軸承體黑斑缺陷的消除

高 博，史明建，史國慶，陳園社

（1.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室，陜西興平 713100；2.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713100）

船用球墨鑄鐵軸承體黑斑缺陷的消除

高 博1，史明建2，史國慶2，陳園社2

（1.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室，陜西興平 713100；2.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713100）

分析了低溫型材質(zhì)QT350-22AL船用軸承體黑斑缺陷產(chǎn)生的原因，通過減少冷鐵數(shù)量、調(diào)整碳當(dāng)量，加強鐵液孕育處理等措施，消除了船用軸承體的黑斑缺陷。

黑斑；軸承體；碳當(dāng)量；孕育處理；冷鐵

黑斑是球墨鑄鐵特有的組織異常缺陷，特別是厚大球墨鑄鐵則更為嚴(yán)重。黑斑多出現(xiàn)在鑄件厚大部位的表面，如暴露在加工面上，則呈現(xiàn)一片黑的氧化色。當(dāng)產(chǎn)生黑斑缺陷時，可使鑄件的力學(xué)性能，特別是沖擊韌度和伸長率均降低，嚴(yán)重時會使鑄件報廢。筆者公司生產(chǎn)的材質(zhì)為QT350-22AL的球墨鑄鐵軸承體是某型船用柴油機(jī)的重要零部件，加工面不允許有任何缺陷。原工藝生產(chǎn)的鑄件因黑斑缺陷，鑄件的廢品率高達(dá)50%左右。通過對QT350-22AL的船用軸承體的熔煉工藝及鑄造工藝進(jìn)行分析、改進(jìn)、使軸承體的鑄件廢品率降低到10%以下。

1 船用軸承體簡介

某型船用軸承體材質(zhì)為QT350-22AL，零件外型尺寸（長×寬×高）為635×390×128（mm）。整個零件輪廓尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡單，但壁厚相差懸殊，最厚128 mm，最小60 mm。鑄件毛坯質(zhì)量：200 kg。軸承體零件見圖1。

2 軸承體驗收技術(shù)文件

2.1 性能及金相技術(shù)要求

船用軸承體鑄件壁厚為60 mm＜t≤200 mm，材質(zhì)為QT350-22AL，根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組球墨鑄鐵件》（GB/T25390—2010）,船用軸承體性能見表1。

圖1 軸承體零件

表1 軸承體性能

2.2 無損檢測技術(shù)要求

一般均要根據(jù)探傷標(biāo)準(zhǔn)EN16680-3和EN1369分別進(jìn)行超聲波（UT）和磁粉（MT）檢測，高應(yīng)力區(qū)達(dá)到2級，其它區(qū)域達(dá)到3級。

3 鑄件加工后的黑斑缺陷

鑄件軸瓦面加工完后，發(fā)現(xiàn)軸瓦面分布著幾處團(tuán)狀的黑斑缺陷，缺陷面積大約φ50～φ60 mm左右，肉眼可見。缺陷位置與形狀如圖2所示。

圖2 黑斑缺陷位置與形狀

4 缺陷分析

4.1 缺陷實驗室分析

在黑斑部位提取金相樣，分別對黑斑端面和縱剖面進(jìn)行了分析，金相照片見圖3,過冷石墨片的金相組織見圖4。

圖3 黑斑缺陷金相

圖4 過冷石墨片金相組織（D型石墨）

結(jié)合過冷石墨片的金相組織對黑斑端面和縱剖面的金相組織分析，球化率：70%（球粒部分占70%），球徑：5級，磷共晶、碳化物＜1%，金相照片中的異常組織中（圖3中的箭頭所指部位）有細(xì)小卷曲的片狀石墨在枝晶間呈無方向性分布即D型石墨（過冷石墨片）。

4.2 正常部位的金相分析

在正常部位提取金相樣，分別對端面和縱剖面進(jìn)行了分析，金相照片見圖5。

通過對正常部位端面和縱剖面的金相組織分析，球化率：85%（球粒部分占85%），石墨大小6級，磷共晶、碳化物＜1%。該金相符合技術(shù)要求。

圖5 正常部位金相

4.3 黑斑缺陷形成過程機(jī)理

工藝?yán)滂F有較大的蓄熱系數(shù)，足以在一定范圍內(nèi)造成鐵液過冷，生核速度增加，但又因為球鐵共晶凝固溫度范圍寬，結(jié)晶幾乎在整個體積內(nèi)同時進(jìn)行，已經(jīng)生成的石墨-奧氏體共晶釋放出結(jié)晶潛熱，使局部微區(qū)產(chǎn)生溫度回升，這就使球鐵的的共晶結(jié)晶時間持續(xù)的很長，并使整個共晶溫度范圍內(nèi)的結(jié)晶系統(tǒng)處于熱紊流狀態(tài)，鐵液中石墨晶核形成能力又變差，共晶結(jié)晶則需要在更大的過冷度下進(jìn)行，如果鐵液是過共晶的成分，則在更大的過冷度情況下卻進(jìn)入亞共晶范圍，導(dǎo)致過共晶球墨鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變初期析出粗大的共晶奧氏體枝晶，同時造成共晶奧氏體枝晶間的共晶體結(jié)晶"過冷"，在晶間的石墨形核率雖然增加,但沒有條件使石墨正常的長大，使石墨畸變，形成“D”型過冷石墨片。

5 原生產(chǎn)工藝

原鑄造工藝采用樹脂砂造型，一箱8件；軸瓦面放置冷鐵分兩層放置，共8塊，冷鐵尺寸（長×寬×厚）為65×60×40（mm），鑄件采用中間分型、中間注入的開放式澆注系統(tǒng)。原鑄造工藝簡圖見圖6。

圖6 原鑄造工藝簡圖

原熔煉工藝。孕育劑加入量共0.85%，其中覆蓋選用75SiFe孕育劑,加入量0.2%；沖入孕育劑和瞬時孕育劑選用選用江蘇亞峰合金材料有限公司生產(chǎn)的YFY-150和YFY-380，加入量分別為0.5%和0.15%。熔煉爐采用3噸感應(yīng)中頻爐，每爐澆注軸承體15件。原熔煉工藝見表2。

根據(jù)該鑄造工藝及熔煉工藝，澆注3爐共45件，軸瓦面因黑斑缺陷報廢23件,廢品率達(dá)51%。

表2 原熔煉工藝

6 消除黑斑缺陷的工藝試驗方案

為徹底消除黑斑缺陷，對原來的鑄造工藝?yán)滂F進(jìn)行了調(diào)整。一是將軸瓦面上放置的冷鐵尺寸減小到（長×寬×厚）60×60×30（mm），使球墨鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變時鐵液的過冷度減?。欢窃诒ＷC球化的前提下，加強鐵液的孕育，孕育劑由0.7%提高到0.8%，防止鐵液出現(xiàn)過冷傾向；三是根據(jù)鑄件壁厚，調(diào)整碳當(dāng)量，將原來的碳當(dāng)量4.4調(diào)整為4.6，提高鐵液的石墨晶核形成能力。

具體方案如下：

（1）分析原工藝出現(xiàn)黑斑的原因，曾認(rèn)為軸瓦面上的冷鐵較厚大，因而將現(xiàn)有的軸瓦面上的冷鐵尺寸由（長×寬×厚）65×60×40（mm）改變?yōu)?0×60×30（mm），數(shù)量不變，黑斑缺陷未能消除。

（2）分析原工藝出現(xiàn)黑斑的原因，曾認(rèn)為是孕育不充分，因而將孕育劑由0.85%提高到1.0%，黑斑缺陷未能消除。

（3）分析原工藝出現(xiàn)黑斑的原因，曾認(rèn)為是該材質(zhì)的碳當(dāng)量偏低，將碳當(dāng)量由4.4調(diào)整為4.6，黑斑缺陷未能消除。

以上三種方案的試驗結(jié)果如表1所示，黑斑缺陷均未消除。三種方案試驗結(jié)果見表3。

表3 三種方案試驗結(jié)果

7 最終采用的工藝方案

(1)在保證球化的前提下，加強鐵液的孕育，孕育劑由1.0%提高到1.1%，防止鐵液出現(xiàn)過冷傾向；

(2)軸瓦面的冷鐵尺寸（長×寬×厚）60×60 ×30（mm），分兩層放置，共5塊，上模具放置2塊，下模具上放置3塊，主要降低鐵液的冷卻速度，防止共晶奧氏體枝晶間的共晶體結(jié)晶"過冷"而使石墨發(fā)生畸變；最終鑄造工藝圖見圖7。

(3)將該材質(zhì)的碳當(dāng)量由4.4調(diào)整為4.5，提高石墨的形核能力。

8 試驗結(jié)果

根據(jù)最終工藝，連續(xù)投產(chǎn)3爐共45件，加工完后鑄件合格數(shù)為42件，合格率達(dá)到93.3%，最終方案結(jié)果見表4。

表4 最終方案結(jié)果

我們分析認(rèn)為上表中1件夾砂、2件機(jī)械碰傷報廢是由于操作工的不當(dāng)操作所造成。

9 結(jié)果分析

(1)在保證了球化的前提下，加強鐵液的孕育處理，孕育劑加入量增加到1.1%，即覆蓋用的孕育劑為75FeSi，加入量0.3%，沖入孕育劑YFY-150，加入量調(diào)整為0.6%；瞬時孕育劑YFY-380，加入量0.2%。提高孕育劑的加入量，防止鐵液出現(xiàn)過冷傾向，這也是保證得到優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵的一個重要環(huán)節(jié)。

(2)軸瓦面冷鐵尺寸及數(shù)量減小，可使得鐵液的冷卻速度減小，防止鐵液結(jié)晶過程中出現(xiàn)較高的過冷度。冷鐵材質(zhì)選用普通灰鑄鐵冷鐵，可提高激冷效果，并且導(dǎo)熱系數(shù)高于球墨鑄鐵，縮減鑄件的凝固時間，提高石墨球化率。但球墨鑄鐵冷鐵的抗氧化性能優(yōu)于灰鑄鐵冷鐵，石墨氧化速度小，這可以通過限制灰鑄鐵冷鐵的使用次數(shù)加以調(diào)整。

(3)將該材質(zhì)的碳當(dāng)量由4.4調(diào)整為4.5，以保證石墨化，以防止石墨漂浮及改善鑄造性能。

10 結(jié)論

生產(chǎn)低溫型 QT350-22AL船用軸承體，要求無缺陷的鑄件，可以采取以下措施：

(1)在保證球化的前提下，適當(dāng)提高孕育劑加入量，孕育劑加入量調(diào)整為1.1%。

(2)軸瓦面冷鐵數(shù)量及尺寸適當(dāng)減小，冷鐵尺寸調(diào)整為60×60×30（mm），數(shù)量4塊。

(3)調(diào)整鑄件的碳當(dāng)量，將原來的4.4調(diào)整為4.5，促使鐵液在共晶轉(zhuǎn)變時出現(xiàn)更多的石墨形核。

[1] 姜希尚.鑄造手冊-鑄造工藝(第5卷)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994：11-22.

[2] 王小江.鑄造合金及其熔煉[M].北京：北方工業(yè)出版社，1999：29-35.

Eliminating marine nodular cast iron bearing’s shading defects

GAO Bo1，SHI MingJian2，SHI GuoQing2，CHEN YuanShe2
(1.The navy's XingPing regional military agent's room, XingPing 713105,Shaanxi,China; 2. Shaanxi diesel engine heavy industry Co., Ltd., XingPing 713105,Shaanxi ,China)

Analyzing the reason of marine nodular cast iron bearing’s shading defects,The material of bearing is QT350-22AL;According to reducing the number of cold iron, Adjusting the carbon equivalent, Strengthening the liquid iron inoculation treatment, etc. Have eliminated marine nodular cast iron bearing’s shading defects.

shading defects; bearing; carbon equivalent; inoculation treatment; cold iron

TG255；

A；

1006-9658（2017）01-0042-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.013

圖7 最終鑄造工藝圖

2016-07-29

稿件編號:1607-1447

高博（1981—），男，工程師，主要從事艦船柴油機(jī)品質(zhì)監(jiān)督及檢驗驗收工作.