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                企業新聞

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            灰鑄鐵件加工面孔洞缺陷的原因分析及對策

            發布日期:2024-02-02 11:27:54 作者:admin 點擊:337

            灰鑄鐵件加工面孔洞缺陷的原因分析及對策

            碳能新材 石嘴山市碳能新材料科技有限公司 2024-02-02 11:27

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             【薦讀】灰鑄鐵件加工面孔洞缺陷的原因分析及對策


            摘 要

                  采用金相方法對HT250灰鑄鐵鑄件加工面孔洞缺陷的微觀、宏觀的形貌特征和產生原因進行了比對分析,認為:灰鑄鐵切削加工后形成的孔洞缺陷實際是灰鑄鐵中的石墨剝落而形成的,石墨剝落時可能有部分附著基體跟隨被剝落,結合實際熔化、加工等控制工藝要求,提出了預防和改善孔洞缺陷的具體措施。

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            灰鑄鐵的金相組織由金屬基體和片狀石墨組成,兩者共同決定了灰鑄鐵的性能?;诣T鐵中石墨具有的二重性,有使力學性能降低的一面,又能賦予灰鑄鐵良好的減震性、較低的缺口敏感性、良好的減磨性,因其獨特的性能特點廣泛地應用于汽車零部件、工程機械、機床鑄件。


            灰鑄鐵機床導軌鑄件經過機械粗加工、精加工后,其加工面會經常出現眾多的非常小的不規則、凹陷的孔洞缺陷,肉眼觀察較大的孔洞缺陷明顯有凹坑、黑點,有的孤立存在,有的聚集在一起,這種孔洞缺陷在機械加工中都被“公認”為是灰鑄鐵件材質“縮松、疏松”缺陷,特別影響外觀,嚴重時無法通過精加工達到相應的加工精度要求從而導致鑄件報廢。同時有文獻稱上述缺陷為麻點缺陷,認為是厚大部分石墨緩冷、石墨集結形成。因此,對于鑄造工作者來說,很有必要對機床導軌經過機械加工后表面的這種孔洞缺陷的形成原因進行探究及找尋對策,解決或者降低此類缺陷,保證灰鑄鐵件加工面的質量,提升鑄件加工面外觀質量。


            1 試驗方法


            1.1 試驗材料及成分范圍要求

            本文所用原料為Z18生鐵、廢鋼、FeSi75鐵硅合金、FeMn65鐵錳合金,銅、錫為純合金。經20t中頻感應電爐熔煉,1460℃出鐵,采用0.3%硅鋇孕育,孕育后的鐵液成分范圍按照表1范圍進行控制,1360~1380℃澆注階梯試塊后面分別簡稱第1組、第2組、第3組試塊,第1組與第2、3組不是同一爐次鐵液。


            1.2 試驗過程和方法

            試塊采用呋喃樹脂砂造型,型腔刷鋯英粉涂料,試驗試塊采用階梯試塊,各階梯壁厚分別為40mm、80mm、100mm、150mm、200mm,且各個階梯試塊長度均為300mm,寬度均為150mm。階梯試塊形狀、尺寸及造型工藝如圖1a所示,并對各組階梯試塊進行本體切割取樣,取樣位置示意圖如圖1b所示,所有試樣均來自試塊芯部(圖1b方框中的第2根,由左向右數),后面統一簡稱試樣。對每一組每一階梯試樣(圖1b中第2根)試樣進行鋸削、車削、磨削等不同形式的加工,觀察不同加工形式下灰鑄鐵孔洞缺陷的宏觀斷面、微觀形貌特征;對不同組試樣進行同一加工,觀察同一加工形式下灰鑄鐵孔洞缺陷的微觀形貌特征,探究加工方式對孔洞缺陷的影響及孔洞缺陷的成因。

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            圖1 階梯試塊形狀、尺寸及造型工藝


            2 試驗結果及分析討論


            2.1 同一試樣不同加工方式下孔洞缺陷的宏觀、微觀形貌特征

            通過對第2組同1根試樣的3個面分別進行鋸削、車削、磨削等不同方式的加工后,加工面的微觀形貌如圖2所示,宏觀形貌如圖3所示。

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            圖2 同一試樣的鋸削、車削、磨削加工后微觀形貌

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            圖3 同一試樣的鋸削、車削、磨削加工后宏觀形貌


            通過對圖2a、2d觀察發現,鋸削產生的孔洞直徑較大、較深且有明顯的異常剝落痕跡,孔洞之間可見連接紋路。通過對圖2b、2e觀察發現,車削產生的孔洞直徑較小、深度較淺且在1200光學顯微鏡倍下,孔洞凹坑內部明顯可見有黑色物附著,類似灰鑄鐵中片狀石墨“膜片”。通過對圖2c、2f觀察發現,磨削產生的孔洞直徑更小、更淺,在300倍光學顯微鏡下,孔洞之間更加明顯可見“連續印記”,這種孔洞凹坑更像是灰鑄鐵中的片狀石墨“紋路”,在1200倍光學顯微鏡下,較大孔洞尖角處明顯與片狀石墨連接。


            由圖2綜合觀察可以發現,其孔洞缺陷內部沒有明顯的枝晶特征,因此完全可以排除灰鑄鐵切削加工后形成的孔洞缺陷是灰鑄鐵件材質的縮松、疏松缺陷。


            結合圖3觀察不難發現,對于同一種材質,3種加工方式下孔洞缺陷是越來越少,說明這種孔洞剝落是灰鐵材質的“自然屬性”,是本體材質的一部分。


            同時再結合圖2、圖3觀察,不同加工方式下孔洞確實有不同的特征,鋸削肉眼可見較深的孔洞,車削后是比較孤立的孔洞現象,磨削后的孔洞明顯減少,與微觀反應的孔洞直徑、深度等結果一致,由此也說明改善加工方式或者精度可以改善宏觀灰鑄鐵加工面孔洞缺陷。


            2.2 不同組試樣同一加工形式下孔洞缺陷及金相的微觀形貌特征

            在低倍顯微鏡下,經過對3組階梯試塊進行切割后取得的共計15根試樣,進行金相磨制并觀察拍照,同時對15根試樣的兩個相同面分別進行車削、磨削加工,一面粗糙度要求Ra1.6(車削)、一面粗糙度要求Ra0.8(磨削),得到的低倍微觀下孔洞的形貌特征如圖4-6所示。

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            圖4 第1組(合金組)階梯試塊微觀形貌特征

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            圖5 第2組(合金+A組)階梯試塊微觀形貌特征

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            圖6 第3組(孕育組)階梯試塊微觀形貌特征


            對于同組不同壁厚的階梯試樣,隨著壁厚的增加,初生石墨(金相圖片中黑色的點)的數量、大塊聚集的石墨都在增加,車削、磨削的孔洞缺陷長度、寬度也明顯在增大,磨削加工面的孔洞缺陷點增大的更為明顯,初生石墨、大塊聚集的石墨增大趨勢與孔洞缺陷增大趨勢有明顯的“同步現象”。由此也可以說明同種灰鑄鐵材質隨著冷卻速度的降低,加工后的孔洞缺陷增加。


            不同組同壁厚情況下,就初生石墨、大塊聚集的石墨而言,孕育組最少,合金組次之,合金+A組最多;就孔洞缺陷而言,孕育組最小,合金組次之,合金+A組最大最多,初生石墨、大塊聚集的石墨與孔洞缺陷大小亦存在“同步現象”。同時觀察發現孕育組的孔洞缺陷分布的較其他2組更加均勻,強化孕育可以減少初生石墨的析出、讓石墨分布的更加均勻,因而其孔洞缺陷也將會分布的更加均勻,合金+A組情況下,石墨雖然短小但其有明顯聚集現象導致了加工后更多的石墨剝落而導致孔洞缺陷的增加。


            因此,綜合上述分析并可以推論:灰鑄鐵切削加工后形成的孔洞缺陷實際是灰鑄鐵中的石墨剝落而形成的,石墨剝落時可能有部分附著基體跟隨被剝落。


            2.3 石墨剝落導致形成孔洞缺陷的原因探討

            灰鑄鐵共晶轉變生長中石墨和奧氏體是共生晶體生長方式,其過程如圖7所示,石墨以形核基點并長大,同時基點會跟隨石墨的生長而生長,最終灰鑄鐵中形成的A型石墨的三維形態如圖8所示。

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            圖7 灰鑄鐵共晶轉變過程的示意圖

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            圖8 灰鑄鐵A型石墨三維形態


            從圖中觀察后不難發現,筆者認為灰鑄鐵最終形成的石墨有支撐的“心部”(由基點長大而來,金相中二維顯示個人認為是粗點、或者初生石墨)和“葉片”(接觸鐵液的前端部位,金相中二維顯示個人認為是片狀石墨的長度、寬窄)組成,“心部”、“葉片”的粗細決定了石墨的大小、長度以及基體對其包裹的松緊程度。當加工切削刀面剛好經過的是片狀石墨的“心部”時剝落的石墨就會形成較大的孔洞缺陷,并且“心部”越粗其孔洞缺陷也就更大;當加工切削刀面剛好經過的是片狀石墨的“葉片”時剝落的石墨就會形成較小的長條、寬窄的孔洞缺陷,并且“葉片”越長、越寬其孔洞缺陷也就越長、越寬。如果石墨“心部”、“葉片”剝落后基體組織形成“孤島”,那么這部分基體也將會在后續的加工過程中被剝落而形成更大的孔洞。


            灰鑄鐵片狀石墨的“心部”和“葉片”大小、生長等情況由成分、溫度、凝固、速率、形核核心等相關因素決定。但是對于同種條件下隨著凝固時間的推移凝固速度降低,石墨“心部”和“葉片”必然是會逐漸增大的,其帶來的結果也就是加工后孔洞缺陷的增加。


            結合同組階梯試塊不同的斷面厚度,壁厚增加帶來的結果就是實際凝固時間的增長,“心部”和“葉片”逐步長大后,亦即石墨大小、長度隨著壁厚的增加而增大,由此車削、磨削同種加工面后石墨剝落也是逐漸增大的,宏觀表現為孔洞缺陷的增加。同時,鋸削、車削屬于擠拉撕扯加工,因此會有較多的片狀石墨的“心部”和其周邊附著的基體組織被“連根拔起”,形成更大的孔洞缺陷,所以微觀中顯示的是坑洞;磨削屬于擠壓加工,撕扯力小,石墨的“心部”和“葉片”在這種情況不易剝落,因此孔洞缺陷也較小,所以微觀中顯示的是石墨的“紋路”。


            2.4 鑄件強化孕育試驗驗證

            在同一種HT250的機床床身鑄件上,采取不同孕育的對比試驗,設置對比試驗組為:其他工藝相同,A組床身鑄件采用包底孕育,B組床身鑄件采用包底孕育+二次孕育(孕育量0.1%,強化孕育)。經過上述方案實際生產的床身鑄件經過加工后的導軌面的質量情況如圖9-10所示。

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            圖9 XK2625床身精加工后油槽導軌面(壁厚50 mm)情況

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            圖10 XK2625床身精加工后正導軌面(壁厚120 mm)情況


            強化孕育處理是有效改善并提升鐵液石墨形核能力能細化灰鑄鐵中的片狀石墨(“葉片”減?。?,減少初大石墨析出、石墨聚集(初生石墨減少、石墨細化即石墨“心部”會變細),那么A、B組經過同樣的加工方式加工后,在宏觀情況下,B組的孔洞會少于A組。


            結合上圖可以看出,采用強化的二次孕育組,床身鑄件導軌本體無論是油槽處還是正導軌處,其加工后的孔洞缺陷都少于不進行二次孕育組,事實情況下也確實是B組的孔洞會少于A組,由此證實上述灰鑄鐵切削加工后形成的孔洞缺陷實際是灰鑄鐵中的石墨剝落的推論是正確的。


            3 鑄件加工面孔洞缺陷(石墨剝落)的預防措施


            綜合以上分析可知,灰鑄鐵中加工面孔洞剝落就是加工過程中石墨的剝落,那么灰鑄鐵中細化石墨、減少初生石墨并防止石墨大規模聚集、制定合理加工工藝、改變加工方式等措施是解決上述問題的主要預防措施。結合實際熔化、加工等控制工藝要求,下面給出幾種預防措施,可能需要幾種同時一起使用,才能達到消除孔洞缺陷(石墨剝落)。


            3.1 強化孕育處理

            同等情況下,生產厚大、大型的灰鑄鐵件其工藝已經充分考慮冷卻的條件下,操作中2次及以上強化孕育或者選取不同的2種以上孕育劑(選擇長效、細化石墨)進行孕育處理是有效改善并提升鐵液石墨形核能力,減少初大石墨析出、石墨聚集,同時改善基體組織的均勻性以及對石墨的包裹均勻性,從而改善石墨形態,亦可以改善加工后的石墨剝落程度,降低孔洞缺陷的形成,是生產中最優且最經濟的使用方法,強化孕育最終還是需要以臨近澆注孕育最為有效。


            3.2 降低生鐵提升廢鋼

            同等情況下,采用降低生鐵使用量,建議生鐵使用量不超過30%,有條件的可降低至10%以下,可以有效減少生鐵中初生石墨的遺傳性,同時廢鋼配料比不低于50%甚至全廢鋼,由此提升廢鋼和提高外來增碳劑使用形成更多細小的異質石墨核心的合成鑄鐵工藝進行熔煉,從而改善石墨形態,亦可以改善加工后的石墨剝落程度,降低孔洞缺陷的形成。


            3.3 提升鐵液的過熱溫度

            鐵液過熱、靜置有利于消除生鐵中粗大石墨遺傳的影響,當溫度高于1500℃,可將初生石墨溶解到結晶臨界半徑以下,并使晶粒邊界上的氧化物夾雜減少,經過凈化的鐵液,石墨將會變小有利于改善石墨形態,亦可以改善加工后的石墨剝落程度,降低孔洞缺陷的形成。但過熱溫度提高,液態鐵液自然降溫時間將會延長,這不利于后期細小石墨的生長環境,因此需要結合生產現場進行必要的快速降溫以達到提升過熱溫度消除粗大石墨遺傳的同時防止液態鐵液停留過長而導致的初生石墨增加問題。


            3.4 增加合金

            同等情況下,加入阻礙石墨化的Mn、Cr等經濟合金元素,同時添加少量細化、促進、穩定珠光體的Sn、Sb等合金元素,有利于細小石墨的形成亦可以改善加工后的石墨剝落程度,降低孔洞缺陷的形成,但同時需要防止硬質點而導致切削難度增加及崩碎切屑而帶來更多的石墨連同基體的剝落,灰鑄鐵機床鑄件中Mn建議不超過1.2%,Cr建議不超過0.5%,Sn建議不超過0.1%,Sb建議不超過0.03%。


            3.5 加快冷卻速度

            同等情況下,加快冷卻速度可以設置更多、更厚的冷鐵和加快砂型傳熱及降低澆注溫度等具體措施,這都能有效的細化共晶團和有利于細小石墨的形成,亦可以改善加工后的石墨剝落程度,降低孔洞缺陷的形成。


            3.6 降低碳、硅含量

            降低碳、硅含量可以直接細化石墨,亦可以改善加工后的石墨剝落程度,降低孔洞缺陷的形成,但此種方式使用不當容易造成鑄件出現縮松缺陷、“孔洞缺陷”,建議優化并強化孕育、降低澆注溫度等措施聯合使用。


            3.7 合理的加工切削量及方式

            加工往往有粗加工、精加工,粗加工進給量越大,那么被擠壓撕扯的石墨形成的剝落孔洞也就更大更多,后一步工序必須考慮前序石墨剝落凹坑的深度制定精加工的切削深度,一方面減小前序石墨剝落坑洞的面積,另一方面減少新的石墨剝落,精加工的切削深度可以是粗加工的1/10,同時降低進給量,兩者有效結合方能改善因石墨剝落而形成的孔洞缺陷。增加、改變加工工序,精加工后改為磨削,石墨剝落明顯減少甚至消失,最終可以改善石墨剝落程度,降低孔洞缺陷的形成。


            4 結論


            灰鑄鐵切削加工后形成的孔洞缺陷不是灰鑄鐵件材質的縮松、疏松缺陷表現?;诣T鐵切削加工后形成的孔洞缺陷實際是灰鑄鐵中的石墨剝落。石墨剝落而形成的孔洞與石墨“心部”(初生石墨、大塊石墨聚集)密切相關,細化石墨減少初生石墨降低大塊石墨聚集可以降低石墨剝落程度,降低孔洞缺陷的形成。改善加工工藝或在精加工后增加磨削工序可以明顯降低石墨剝落程度,降低孔洞缺陷的形成。

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