球鐵鑄件加工面變色原因分析

張 錦, 楊金龍, 馬榮華(共享裝備股份有限公司 檢測(cè)中心, 銀川 750021)

球鐵鑄件加工面變色原因分析

張 錦, 楊金龍, 馬榮華
(共享裝備股份有限公司 檢測(cè)中心, 銀川 750021)

某些球鐵鑄件產(chǎn)品加工后，發(fā)現(xiàn)冒口下方變色。對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測(cè)試、化學(xué)成分分析等，以確定球鐵鑄件變色原因。結(jié)果表明：球鐵鑄件冒口下方發(fā)生變色，主要有球化不良、絮狀石墨和石墨球聚集、成串分布的形態(tài)；球化不良、絮狀石墨主要是由球化元素少或已被消耗、石墨球數(shù)量少等造成，而石墨球聚集、成串分布是由碳當(dāng)量偏高造成的石墨漂浮現(xiàn)象。

球鐵鑄件；變色；球化元素；碳當(dāng)量

在球鐵鑄件產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，要求加工面光澤一致，沒(méi)有色差。這一要求在生產(chǎn)檢測(cè)規(guī)范中被嚴(yán)格執(zhí)行，一旦發(fā)生變色，根據(jù)變色程度的要求，鑄件有可能報(bào)廢，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

某些球鐵鑄件加工面冒口下方出現(xiàn)變色現(xiàn)象，主要有球化不良、絮狀石墨和石墨球聚集、成串分布的形態(tài)。筆者通過(guò)金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測(cè)試、化學(xué)成分分析等方法，分析其變色原因，以改進(jìn)球鐵鑄件的質(zhì)量，減少經(jīng)濟(jì)損失。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 加工面變色件

1.1.1 金相檢驗(yàn)

觀察鑄件冒口下方變色部位，發(fā)現(xiàn)變色部位有灰墨色斑點(diǎn)，見(jiàn)圖1。從變色部位取樣，使用圖像分析儀對(duì)變色部位進(jìn)行檢測(cè)拍照，發(fā)現(xiàn)有球化不良及少量絮狀石墨，見(jiàn)圖2～3。圖4為某鑄件冒口下方加工后嚴(yán)重變色部位的宏觀形貌，從變色部位取樣，經(jīng)金相檢驗(yàn)顯示該處石墨呈絮狀，見(jiàn)圖5[1]。

圖1 冒口下方灰墨色斑點(diǎn)形貌Fig.1 Morphology of the grey ink spots under the riser

圖2 球化不良形貌Fig.2 Morphology of the poor spheroidization

圖3 少量絮狀石墨形貌Fig.3 Morphology of a small amount of flocculent graphite

圖4 冒口下方變色形貌Fig.4 Discoloration morphology under the riser

圖5 大量絮狀石墨形貌Fig.5 Morphology of a large amount of flocculent graphite

圖6所示為球鐵冒口加工面變色部位的灰黑斑形貌，對(duì)表面進(jìn)行金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石墨含量較高，石墨密集區(qū)石墨聚集變形、成串分布，見(jiàn)圖7～8。

圖6 冒口下方灰黑斑形貌Fig.6 Morphology of the grey black spots under the riser

圖7 石墨球聚集形貌Fig.7 Morphology of the aggregated nodular graphite

圖8 石墨成串形貌Fig.8 Morphology of bunching graphite

1.1.2 力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)鑄件表面拋磨后，使用便攜式金相顯微鏡進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有因球化不良、絮狀石墨造成的變色件。對(duì)兩個(gè)變色報(bào)廢件及其附鑄試塊取樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表1所示，可見(jiàn)變色件的力學(xué)性能偏低，尤其是斷后伸長(zhǎng)率明顯下降，而附鑄試塊沒(méi)有變色，力學(xué)性能合格。

石墨聚集、成串分布的變色件，在保證產(chǎn)品尺寸加工余量?jī)?nèi)往下加工，之后進(jìn)行金相檢驗(yàn)，變色現(xiàn)象均有好轉(zhuǎn)而沒(méi)有廢件，因此沒(méi)有鉆取試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

表1 附鑄試件及變色試件的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of the attaching specimens and allochroic specimens

1.1.3 化學(xué)成分分析

從1號(hào)變色報(bào)廢件球化不良、絮狀石墨變色部位鉆取試件，進(jìn)行化學(xué)成分分析并與附鑄試件的化學(xué)成分進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2。表2中所列的為試件的主要元素成分，其他元素如硫、磷、鈦等也進(jìn)行了成分分析，因變色試件與附鑄試件的差異較小沒(méi)有列入表中。由表2可見(jiàn)，變色部位球化元素鎂含量明顯低于附鑄試件的鎂含量，說(shuō)明變色部位球化元素鎂消耗較大。

表2 附鑄試件及變色試件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of the attaching specimens and allochroic specimens (mass) %

1.2 附鑄試件

對(duì)以上加工面呈現(xiàn)球化不良、絮狀石墨和石墨聚集、成串分布的冒口，分別測(cè)試主要化學(xué)成分、附鑄試件力學(xué)性能和顯微組織中的石墨數(shù)量，并將其與某段時(shí)間所有鑄件的平均值進(jìn)行對(duì)比。

1.2.1 化學(xué)成分分析

表3為各類石墨形態(tài)附鑄鑄塊的主要化學(xué)成分對(duì)比，由結(jié)果可見(jiàn)，球化不良附鑄試塊的主要成分與平均值差異不大，硅碳含量比稍低于平均值，球化聚集件的碳、硅含量偏高，硅碳含量比較高，碳當(dāng)量比平均值高。

表3 各類石墨形態(tài)鑄件的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.3 Major chemical components of various types of graphite castings (mass)

1.2.2 力學(xué)性能測(cè)試和石墨數(shù)量測(cè)定

表4為各類石墨形態(tài)鑄件附鑄試件的主要力學(xué)性能及顯微組織中的石墨數(shù)量，結(jié)果表明附鑄試件的力學(xué)性能差異不大，但球化不良件的石墨數(shù)量低于平均值，石墨聚集件的石墨數(shù)量則較高。

表4 附鑄試件的力學(xué)性能及石墨數(shù)量Tab.4 Mechanical properties and the graphite number of the attaching specimens

2 分析與討論

2.1 理化檢驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上結(jié)果可以看出，因球化不良、絮狀石墨造成的變色件的力學(xué)性能均發(fā)生惡化，特別是斷后伸長(zhǎng)率明顯下降，材料塑性明顯降低。從化學(xué)成分分析結(jié)果來(lái)看，變色部位的球化元素鎂含量偏低，硅與碳的含量比低于均值；球化聚集、成串分布造成變色的主要原因是，碳當(dāng)量偏高，石墨數(shù)量較多，但因其沒(méi)有報(bào)廢件，未對(duì)變色部位進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試等。

2.2 加工面變色原因分析

經(jīng)查閱資料，可能導(dǎo)致冒口下方加工面球化不良、產(chǎn)生絮狀石墨并且變色的主要因素有以下幾點(diǎn)[2-4]。

(1) 孕育劑顆粒不均勻、加入方式不當(dāng)?shù)仍斐晒韬坎痪鶆?，?dǎo)致其偏低或偏高。

(2) 鐵液處理溫度過(guò)高或過(guò)低，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致球化劑作用激烈，氧化、球化元素?zé)龘p而消耗；溫度過(guò)低，則球化劑易在包底凍結(jié)。

(3) 鐵液中有阻礙球化、惡化石墨形態(tài)的元素，如鈦、鈰等。鐵液中硫含量過(guò)低，球化劑加入量較少，球狀石墨結(jié)晶核心少，球化衰退快。但從化學(xué)成分分析結(jié)果來(lái)看，這些元素均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常。

(4) 球化處理是使鐵液凝固時(shí)產(chǎn)生過(guò)冷，以形成足夠的石墨核心，形成球狀石墨；孕育處理也是為了造成液體局部碳過(guò)飽和，并起到脫氧和增加外來(lái)結(jié)晶核心的作用。如果鐵液冷卻速率過(guò)低，會(huì)造成石墨晶核熔解，鐵液再度氧化，使石墨生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)遭到破壞。鐵液凝固時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)加劇元素偏析，由于石墨密度小，石墨晶核上浮，石墨球易遭受磨損破壞；另一方面石墨球內(nèi)應(yīng)力達(dá)到突破奧氏體邊界束縛力時(shí)，石墨容易開裂，石墨晶核在鐵液中時(shí)有時(shí)無(wú)，不斷重熔與開裂，使石墨畸變。

(5) 變色件附鑄試塊力學(xué)性能合格，說(shuō)明附鑄塊體積小，冷卻快，球化元素消耗少，不易發(fā)生變色。

球墨聚集、成串造成的變色應(yīng)屬于石墨漂浮，實(shí)際檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象多出現(xiàn)在冒口下方。結(jié)合檢驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)查閱資料，發(fā)現(xiàn)石墨漂浮多出現(xiàn)在鑄件上表面、澆道或熱節(jié)部位，變色部位的石墨數(shù)量比其他部位的多3～7倍，因此造成石墨漂浮的主要原因是碳當(dāng)量偏高[5]。

過(guò)共晶的鐵液冷卻到液相線以下時(shí)，開始在液相中析出小石墨球。隨著溫度的下降，石墨球逐漸長(zhǎng)大，在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)已經(jīng)具有相當(dāng)大的尺寸，這時(shí)石墨球周圍還沒(méi)有奧氏體圈產(chǎn)生。由于石墨的比重小，加上鎂蒸汽泡上浮時(shí)的帶動(dòng)作用，使部分石墨球上浮至鑄件上表面聚集，隨后在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)迅速長(zhǎng)大，因此形成石墨漂浮現(xiàn)象。

3 結(jié)論及建議

(1) 某球鐵鑄件加工后冒口下方發(fā)生變色，經(jīng)金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其形貌表現(xiàn)為球化不良、絮狀石墨和石墨聚集、成串分布兩種形式。

(2) 球化不良、絮狀石墨的變色鑄件中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他阻礙石墨球化的元素，如鈦、鈰、硫、磷等。產(chǎn)生球化不良、絮狀石墨的主要原因是球化元素加入較少或消耗、損失較多，造成球化衰退，如球化元素鎂含量低等。也有可能是因?yàn)闈茶T溫度偏高，熱節(jié)部位冷卻速率慢，造成球化元素鎂消耗過(guò)多，或孕育處理中結(jié)晶核心偏少。

(3) 石墨聚集、成串分布造成冒口下方加工后變色的主要原因是碳當(dāng)量偏高。

(4) 建議確保鐵液的主要化學(xué)成分穩(wěn)定控制，特別是球化元素鎂含量必須控制在0.04%～0.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)；嚴(yán)格按工藝控制鐵液澆鑄溫度和澆鑄時(shí)間，確保球化元素消耗少、球化效果良好；穩(wěn)定球化處理及孕育處理工藝，確保石墨球個(gè)數(shù)大于120個(gè)/mm2，避免產(chǎn)生球化不良、絮狀石墨變色件；嚴(yán)格控制鐵液碳當(dāng)量小于4.5%，避免產(chǎn)生石墨聚集、成串分布造成的變色。

[1] 楊周斌.球墨鑄鐵金相缺陷分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2006,42(11):588-589.

[2] 徐建林.球墨鑄鐵球化不良和衰退的仿真研究[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2003,18(4):1-4.

[3] 趙書城.對(duì)球鐵石墨畸變的認(rèn)識(shí)[J].現(xiàn)代鑄鐵,2004,24(1):20-23.

[4] 魏家鵬,潘宏歌.球墨鑄件球化衰退的分析與處理[J].金屬鑄鍛焊技術(shù),2009(10):152-153.

[5] 熊英,周友松.球墨鑄鐵石墨開花問(wèn)題的分析與防止[J].金屬加工(熱加工),2007(3):65-67.

Analysis on Discoloration Reasons of Processing Surface of Ductile Iron Castings

ZHANG Jin, YANG Jin-long, MA Rong-hua
(Test Center, Shared Equipment Co., Ltd., Yinchuan 750021, China)

The discoloration was found below the risers of the ductile iron castings after the processing of the products. The discoloration reasons of ductile iron castings were searched through metallographic examination, mechanical property testing, chemical composition analysis and so on. The results show that: the color below the risers of ductile iron castings changed, and it had the morphology of poor spheroidization, flocculent graphite, aggregation and cluster distribution of graphite nodules; the poor spheroidization and flocculent graphite were produced mainly because of less or exhausted spheroidal elements and less graphite nodules; while the aggregation and cluster distribution of graphite nodules were the graphite floating phenomenon due to the high carbon equivalent.

ductile iron casting; discoloration; spheroidized element; carbon equivalent

2016-04-15

張 錦(1965-)，女，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事理化檢驗(yàn)分析工作，zhangjin2007@yeah.net。

10.11973/lhjy-wl201703017

TG142.1

B

1001-4012(2017)03-0217-04