大型注塑機(jī)模板球化不良和球化衰退缺陷研究

吳 煒 煌

(浙江泰瑞重型機(jī)械有限公司 技術(shù)部， 浙江 德清 313200)

大型注塑機(jī)模板球化不良和球化衰退缺陷研究

吳 煒 煌

(浙江泰瑞重型機(jī)械有限公司 技術(shù)部， 浙江 德清 313200)

大型注塑機(jī)模板不僅尺寸大而且壁厚，在鑄造時(shí)熱容量大、凝固緩慢，極易造成球化與孕育衰退以致球化不良，從而引起鑄件力學(xué)性能下降，特別是伸長(zhǎng)率和低溫性能的降低，使鑄件不合格。研究表明：通過(guò)對(duì)原材料配比的控制及熔煉工藝的優(yōu)化，能有效地降低球墨鑄件球化不良和球化衰退缺陷的發(fā)生概率，使鑄件成品率得到提高，質(zhì)量得到保障。

大型注塑機(jī)模板； 球墨鑄鐵； 原材料配比； 熔煉工藝

QT500-7材質(zhì)的球墨鑄鐵，其晶粒屬于鐵素體和珠光體的混合體。這種鑄鐵在強(qiáng)度和韌性上具有很高的綜合性能，切削性、減震性、耐熱性、耐腐蝕性和耐磨性等都非常好，甚至比一般鋼材的使用性能都好，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械及冶金設(shè)備的各種部件中。球墨鑄鐵鑄件的結(jié)構(gòu)形式有大斷面球墨鑄鐵、鑄態(tài)球墨鑄鐵、薄壁球墨鑄鐵、高強(qiáng)度高韌性球墨鑄鐵等很多種。由于大斷面球墨鑄件尺寸大、壁厚，鑄造時(shí)的熱容量大，凝固緩慢，極易造成球化衰退與孕育衰退，導(dǎo)致球化不良，從而引起鑄件力學(xué)性能下降，特別是伸長(zhǎng)率及低溫性能明顯降低，使不合格率上升，造成資源浪費(fèi)，生產(chǎn)成本升高[1]267。對(duì)出現(xiàn)這種問(wèn)題的部件做力學(xué)及成分分析后發(fā)現(xiàn)：其金相組織集中分布著厚片狀石墨和少量球狀石墨，有時(shí)還有水草狀石墨，隨著球化衰退程度的加劇，厚片狀石墨和枝條狀石墨及不規(guī)則石墨逐漸增多，面積增大，球化不良現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要在于球化孕育處理難以不受人為因素的干擾，重稀土元素會(huì)因鐵水的高含硫量而被大量消耗，從而背離主要用其進(jìn)行抗衰退的初衷。球化劑用量增加會(huì)造成更多資源浪費(fèi)，球化和孕育衰退嚴(yán)重且難以控制，鑄件質(zhì)量就難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。針對(duì)大斷面球墨鑄件容易產(chǎn)生球化不良和球化衰退這一難題，筆者在生產(chǎn)實(shí)踐中，通過(guò)對(duì)原材料配料成分及熔煉工藝進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有鐵水配比的反球化總和和球化指數(shù)指標(biāo)都超標(biāo)。

一、實(shí)驗(yàn)分析

(一)原材料成分分析

原有配料成分及牌號(hào)要求達(dá)到QT500-7材質(zhì)。由于QT500-7材質(zhì)鑄件要求球化率必須超過(guò)90%，鐵素體體積分?jǐn)?shù)需達(dá)到90%左右。因此，要求生鐵中反球化總和值K1<0.05，珠光體指數(shù)Px<0.5%。上述要求對(duì)原材料成分必須嚴(yán)格控制，尤其是對(duì)Mn、P、S和Ti的控制，要求：w(P)≤0.02%，w(Mn)≤0.15%，w(S)≤0.02%，w(Ti)≤0.002%，總和不超過(guò)0.06%。

實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備及儀器：ZY-C4型碳硫分析儀，721型可見(jiàn)光分光光度儀；原材料實(shí)驗(yàn)樣品制備：廢鋼為鋼管和鋼板的工業(yè)下腳料。生鐵為Q10，用電鉆鉆取0.5～1 g的鐵屑；對(duì)樣品是否合格的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：測(cè)試評(píng)判以GB/T699(優(yōu)質(zhì)碳鋼)、GB/T4223(廢鋼檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn))和GB/T1412(球墨鑄鐵用生鐵)為依據(jù)[2]；實(shí)驗(yàn)操作方法：將樣品去除脫氧層、涂層及鍍層后車(chē)成鐵屑狀，稱(chēng)樣量的讀入誤差在±0.15 g內(nèi)，準(zhǔn)備滴定管使硫讀數(shù)為零，裝載機(jī)器試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表(參見(jiàn)表1、表2、表3)。

表1 原材料硫化分析實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù) (單位：%)

表2 爐前材料配比 (單位：kg)

表3 球化劑測(cè)試數(shù)據(jù) (單位：kg)

注：表中括號(hào)內(nèi)的要求值是指重稀土球化劑。

(二)熔化后原鐵水所測(cè)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所用儀器設(shè)備：Wew-300B微型屏顯液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，直讀式光譜儀，4XC型金相顯微鏡；檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：Q/YS1.659和GB/T 5678鑄造合金光譜分析取樣方法[3]；原鐵水成分測(cè)試：用金相標(biāo)準(zhǔn)取樣量杯取樣，樣品冷卻后打磨，在直讀光譜儀上分析測(cè)試試樣成分，所得測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表(參見(jiàn)表4)。

表4 光譜儀測(cè)試所得數(shù)據(jù) (單位：%)

將表4的光譜數(shù)據(jù)和表1-3的原材料硫化數(shù)據(jù)分別代入球化指數(shù)K1和珠光體指數(shù)Px計(jì)算公式：

K1=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al =0.062>0.05

Px=3.0Mn-2.65(Si-2.0)+7.75Cu+96Sn+3.57Pb+333Bi+20.1As+9.6Cr+71.7Sb=2.38%>0.5%

可得結(jié)論：(1)材料不合格，Al、Sb、Pb等反球化元素成分偏高，廢鋼成分太雜亂；(2)加工工藝合格。出鐵水前倒包次數(shù)少、耙渣速度慢、鐵水球化時(shí)間長(zhǎng)、整個(gè)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)。

二、缺陷形成原因分析及改善對(duì)策措施

(一)缺陷形成原因分析

經(jīng)過(guò)以上對(duì)原材料的成分分析可知：Al、Sb、Pb等反球化元素成分都偏高，說(shuō)明原材料成分不均衡，廢鋼成分太雜亂。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程的排查，結(jié)合原材料進(jìn)貨抽檢數(shù)據(jù)分析(參見(jiàn)表1、表2、表3)，發(fā)現(xiàn)原材料主要存在以下3個(gè)問(wèn)題：(1)原材料高廢鋼庫(kù)區(qū)內(nèi)存在相當(dāng)大比例的低廢鋼及混雜廢鋼，且低廢鋼表面存在油漆和鐵銹，還混有少部分不銹鋼和有焊縫廢鋼。查資料分析后發(fā)現(xiàn)，這樣的問(wèn)題廢鋼熔化后鐵水中會(huì)存在大量影響球化的微量元素。如：焊縫金屬內(nèi)存在O、H、S、P、Sn、Pb等元素。試驗(yàn)分析5噸原鐵水中O、H、S、P、Sn、Pb等微量元素的68%來(lái)至于焊縫廢鋼。鐵銹主要成分為FeO，其中的O元素在球化過(guò)程中會(huì)大量消耗球化劑中的Mg元素，嚴(yán)重影響球化反應(yīng)能力及水平。油漆中的Pb占總微量元素的64%，Cr占總微量元素16%。而Pb和Cr都是主要的反球化元素，也是引起球化不良的重要因素。(2)報(bào)廢鑄件和金加工鐵屑廢料本身存在可遺傳性和記憶性，它會(huì)把缺陷帶入到回爐鐵水中，引起球化衰退和球化不良。(3)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析和以往工藝對(duì)比，發(fā)現(xiàn)由于微量元素過(guò)多，引起出爐溫度偏低，出鐵水前倒包、耙砂等，整個(gè)過(guò)程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也間接的引起C、Si、Mn、S、P及Cr選擇與成分控制范圍都明顯偏低。綜上所述，鐵水反球化元素多是導(dǎo)致球化過(guò)程中重球化劑反應(yīng)不良，引起Mg殘留不平衡，也會(huì)引起球化衰退和球化不良。

(二)改善對(duì)策措施

首先，對(duì)原材料進(jìn)行合理控制，以減少雜質(zhì)元素晶界偏析程度，消弱反球化元素對(duì)石墨球化的影響，從而減少碳化物，降低球化劑的損耗，增加Mg的吸收率，有效控制最終的Re殘量和Mg殘量，以獲得性能良好、韌性?xún)?yōu)異的鑄件。其次，爐料中的廢鋼采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼。嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素防止反球化元素及偏析元素過(guò)量帶入鐵水。第三，Ce的選擇既要保證充分的石墨化要求，又要考慮到石墨漂浮的風(fēng)險(xiǎn)，以獲得良好的補(bǔ)縮性能和健全的鑄件[4]25。第四，一般選擇共晶點(diǎn)的成分。對(duì)于大斷面復(fù)雜件，Si提高0.1%脆性轉(zhuǎn)變溫度就提高5～6 ℃，宜選擇C含量3.71%、Si含量1%。第五，Mn、P、S對(duì)球墨件而言都應(yīng)加以控制。Mn即使在珠光體中也具有嚴(yán)重的偏析傾向，它會(huì)富集于晶界處，促使晶界碳化物形成而降低韌性，Mn提高0.1%，球鐵低溫轉(zhuǎn)變溫度就提高12～15℃，所以，必須將其控制在0.02%以下，越低越好；P應(yīng)控制在0.02%以下；S過(guò)高會(huì)消耗更多球化劑，使球化衰退，因此，S含量要控制在0.008%以下。第六，因?yàn)镽e具有脫S能力，是一種綜合反球化元素，能提高鐵水抗衰退能力，還有很大的過(guò)冷傾向，但會(huì)產(chǎn)生黑斑及夾雜物缺陷，對(duì)于大型鑄件更加明顯，所以應(yīng)控制在0.01%左右。第七，應(yīng)加入少量Sn、Sb或Bi等微量元素進(jìn)行微合金化處理，以提高鐵水的抗衰退能力，從而提高鑄件的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)證明加入Sb/Ce的比值控制1.6左右較有效。第八，大鑄件為避免因Mg的損失而導(dǎo)致的球化衰退，結(jié)合實(shí)際情況，多包鐵水同時(shí)球化處理，同時(shí)選擇低Re球化劑是有效措施。第九，孕育是最主要的工藝措施之一，合理的孕育處理是增加球墨球數(shù)的有效途徑，為了強(qiáng)化孕育，可采用多次孕育的方式，包括出鐵孕育，保內(nèi)孕育，隨包孕育等。采取這些措施后能有效提高大型球墨鑄鐵件的成品率和成品質(zhì)量。

(三)采取改進(jìn)措施后的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

1.成分測(cè)試 采用相同的儀器設(shè)備和試驗(yàn)方法，依據(jù)相同的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，所測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表(參見(jiàn)表5)：

表5 改進(jìn)后的光譜測(cè)試數(shù)據(jù) (單位：%)

注：此表只說(shuō)明經(jīng)過(guò)改進(jìn)后微量元素有變化，如表5內(nèi)的其他元素高C低Si是爐前配料首要考慮的條件。

2.產(chǎn)品單鑄試塊金相分析及力學(xué)性能試驗(yàn) 按GBT5678鑄造合金光譜分析取樣方法，制作單鑄試塊，取250×50 mm腐蝕做金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用GBT9441球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)[5]。鑄態(tài)條件下單鑄試塊金相分析如下圖所示(參見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 改進(jìn)后石墨狀態(tài)(未腐蝕) 圖2 改進(jìn)后基體組織(腐蝕后)

鑄態(tài)單鑄件的力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T1348[6]，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)下表(參見(jiàn)表6)。

表6 鑄態(tài)單鑄件力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)

說(shuō)明：表6球化等級(jí)和球化率是通過(guò)如上圖一、圖二金相分析試驗(yàn)所得。圖一、圖二只是樣件1～7里面的一個(gè)件，由于檢測(cè)數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定就不一一列舉出來(lái)。由表6可知：抗拉強(qiáng)度、延伸率、球化等級(jí)和球化率等均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明球化不良和球化衰退經(jīng)過(guò)調(diào)整后得到明顯的改善。

三、結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多方觀察與研究，特別是對(duì)原材料成分配比的取樣分析，大型件球化不良和球化衰退是一個(gè)非常復(fù)雜且難以控制的問(wèn)題，以往在一些專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)的論壇里，有人提出球化劑的運(yùn)用上反球化總量要小于0.5%，可很多技術(shù)人員都認(rèn)為大于0.5%也能做出質(zhì)量很高的鑄件。經(jīng)過(guò)研究與實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，理論上反球化總和數(shù)據(jù)本身也會(huì)存在一定的誤差，在實(shí)際生產(chǎn)中當(dāng)成品率低時(shí)，發(fā)現(xiàn)反球化總和確實(shí)略高一些，但也能做出合格件，這只是一個(gè)生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性問(wèn)題。因此，要理論與實(shí)踐相結(jié)合，分析清楚原材料的成分最重要，有針對(duì)性地采用合理的工藝，才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

[1] 鄧宏運(yùn),孔令清,馬廣華.厚大斷面球墨鑄鐵生產(chǎn)質(zhì)量控制技術(shù)[A].2012中國(guó)鑄造活動(dòng)周論文集,2012.

[2] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).球墨鑄鐵用生鐵(GBT 1412-2005)[S/OL].(2011-03-08)[2017-07-02].http://max.book118.com/html/2017/0528/

109944595.shtm.

[3] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).鑄造合金光譜分析取樣方法(GB/T 5678)[S/OL].(2014-03-01)[2017-07-02].http://www.csres.com/detail/240924.html.

[4] 王 星,閆興義,陳玉芳,等.大斷面風(fēng)電球墨鑄鐵鑄件的技術(shù)控制[J].現(xiàn)代鑄鐵,2015(1).

[5] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)GB/T9441[S/OL].(2010-04-01)[2017-07-02].http://www.doc88.com/p-9418116660425.html.

[6] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).球墨鑄鐵件GB/T1348[S/OL].(2009-09-01)[2017-07-02].http://www.doc88.com/p-7764456901691.html.

ResearchontheDefectsofPoorBallingandSpheroidizationDeteriorationofLargeInjectionMoldingMachine

WU Wei-huang

(Technical Department, Zhejiang Teri Heavy Machinery Co., LTD, Deqing 313200, China )

The large injection molding machine platens are not only large sizes but also big wall thickness, so the heat capacity is large and solidification is slow. This characteristic is easy to cause the spheroidization, inoculation fading and nodularizing, then the mechanical properties will be variation, especially the elongation and low temperature performance will be down. By controlling the ratio of raw materials and optimizing the melting process, the probability of spheroidization and spheroidization defects of spheroidal graphite castings was effectively reduced, and the yield of castings was doubled.

large injection molding machine platens; nodular cast iron; raw material ratio; smelting process optimization

2017-07-04

吳煒煌(1984-)，男，浙江德清人，助理工程師，主要從事鑄造技術(shù)研究。

TG255

A

1672-2388(2017)03-0081-04