由中国机械工业联合会、山东省工业和信息化研究院、山东省铸造协会联合主办,山东新丞华展览有限公司承办的“2023第五届山东国际铸造工业展览会”(简称:山东铸造展)将于2023年8月18日-20日在青岛世界博览城(青岛市西海岸新区三沙路)举办。本届“山东铸造展”将继续以“铸造产业转型升级、高质量发展”为主题,结合当下 铸造产业形式,展会与“山东铸造转型升级齐鲁行”活动相呼应,举全行业之力以区域 带动为基础,技术、工艺装备、材料引进为方法,发挥山东装备制造业强省优势,搭建 共创、共享、共赢新氛围为平台,力促铸造企业创新与高质量发展为目标。展会期间将举办系列论坛活动,通过主题演讲、生态展示、高端对话等多种方式, 结合我省铸造行业的发展现状,引导企业少走弯路,实现铸造行业可持续高质量发展。,今天山东铸造展组委会小编就带大家来了解一下关于“山东铸造展-超高纯生铁在优质铸件生产中的应用”方面的信息,希望能帮到您。
探讨了超高纯生铁在优质铸铁生产中的应用,包括优质球墨铸铁、蠕墨铸铁和等温淬火球墨铸铁(ADI)铸件生产。高质量的球墨铸铁需要影响组织Cr、V、Mo、As其他化学成分非常低,以减少珠光体和不良碳化物的形成。超高纯生铁生产的优质球墨铸铁在普通显微镜下不能观察到明显的晶片石墨和珠光体组织,以确保材料在低温下具有良好的机械性能。超高纯生铁生产的优质蠕墨铸铁可以大大提高蠕墨铸铁的疲劳强度和加工性能。超高纯生铁生产的高质量ADI产品能保证材料疲劳强度高。

球墨铸铁的发明大大提高了铸铁的性能,开启了球墨铸铁的工业生产时代。在球墨铸铁的生产中,人们了解了原铁液体的重要性,并进行了大量的深入研究。稀土可以消除有害元素的干扰,提高球化率和球墨铸铁的性能。这些研究工作主要分为两个方面,一是如何通过添加稀土和其他元素来消除微干扰元素的破坏,二是如何通过提高原铁液体的纯度将这些微干扰元素的含量降低到极低,以避免微干扰元素的破坏。本文讨论了原铁液体纯度的重要性,指出超高纯生铁是生产 大截面高质量球墨铸铁、蠕变铸铁和ADI重要前提。

高高纯生铁在生产优质球墨铸铁中起着重要作用

1.对球墨铸铁性能的影响

球墨铸铁的生产包括原材料的选择和化学成分的控制、球化处理、育种处理和浇注。在这些过程中,原材料的选择和化学成分的控制至关重要。高质量的球墨铸铁含有Fe、C、Si、Mn、P和S要求等主要元素P含量≤0.012%、S含量≤0.015%是影响其球化处理的元素Ti、As、Sn、Sb、Pb、Bi、Al对原料生铁中促进珠光体形成的元素提出了更低的要求Cr、V、Mo、As、Cu、Sn、Pb、Bi、Sb对微量元素的要求较低。Morrogh认识到一些元素对球墨铸铁石墨的反球化作用,并提出稀土可以减少反球化元素的影响,提高球化率和球墨铸铁的性能,但当影响球化作用时Ti、As、Sn、Sb、Pb、Bi、Al当元素达到一定含量时,添加稀土元素不能消除反球化元素对球墨铸铁的球化影响,因此必须使用超高纯生铁生产高质量的球墨铸铁零件。

此外,德国Thielemann反球化指数结合大量试验数据总结K经验公式[1]:

K1=4.4(%Ti) 2.0(%As) 2.3(%Sn) 5.0(%Sb) 290(%Pb) 370(%Bi) 1.6(%Al) (1)

当反球化指数K1≤1.0可生产80%以上的球化率,无明显片状石墨,达到欧洲和ASTM球化标准要求的球墨铸铁。但当反球化指数K1>1.如果反球化指数为0,就会出现球化不良现象,需要添加稀土来增强球化效果K1>2.在0点,添加稀土元素不能消除不良的球化现象,并产生片状石墨。

同时,为了保证铸件的组织性能,有必要减少珠光体组织的产生,特别是珠光体元素的形成Sn、Pb和Bi风电、核电、高铁球墨铸铁等元素的含量必须降低Cr、V、Mo、Ti和B等易和C形成碳化物的元素可以减少碳化物组织对铸件低温冲击和抗疲劳的影响。

为了保证球墨铸铁的含量,减少珠光体组织的出现,有必要严格限制生铁中的促进珠光体元素。促进珠光体元素是Mn、Cu、Cr、V、Mo、As、Sn、Pb、Bi、Sb等,可用Thielemann珠光系数提出PX表示[2]:PX=3.0(%Mn)-2.65(%Si-2.0) 7.75(%Cu) 90(%Sn) 357(%Pb) 333(%Bi) 20.1(%As) 9.60(%Cr) 71.7(%Sb) (2)

因此,为了消除晶片石墨、珠光体和碳化物对高质量球墨铸铁的不利影响,原料生铁需要Ti、Cr、V、Mo、As、Sn、Sb、Pb、B、Al等元素尽可能低。

1.高质量球墨铸铁生产中纯铁液的实践

随着温度的降低,球墨铸铁韧性也明显降低,在超低温(-60~-40℃)在环境中,不仅机械性能应保持抗拉强度≥400MPa,伸长率≥更重要的是,18%的低温冲击功率≥12J,以高纯生铁、超高纯生铁为主要原料,严格限制P、S、Mn其他有害元素和反球微量元素的含量[3],严格控制促进珠光体和碳化物的微量元素,消除晶体混合和异常石墨,满足纯化零混合球墨铸铁的生产要求,满足铸件对冲击性能的影响。

2007年开始开发少量高纯生铁,2010年河北龙凤山铸造有限公司采用三精高炉直接恢复大规模生产高纯生铁,通过铁罐精炼深净化工艺成功开发生产铸造超高纯生铁,满足优质纯零混合球墨铸铁对原材料的需求。

常州华德采用龙凤山高纯生铁生产球墨铸铁,球墨铸铁反球化指数K1<0.珠光系数PX<0.球墨铸铁铸件中12个微量元素之和ΣT≤0.如图1所示,09%的铸件完全消除了共晶团边界的片状石墨和珠光体。球墨铸铁的力学性能如表1所示。试验表明,这些球墨铸铁的性能符合国际标准的要求。

表1 QT400-18AL力学性能和

-60 ℃)







图1 高速列车转向架轴箱(-60 ℃)QT400-18AL典型的铁素体球墨铸铁石墨和基体组织

1.大截面球墨铸铁纯铁液的实践

碎石墨是厚截面球墨铸铁的严重缺陷,降低了抗拉强度和伸长率,特别是材料在低温下的机械性能,包括关键的低温冲击功率。因此,大量和持续的研究一直在进行中。研究发现,加入Bi、Pb、Sb而稀土元素可以减少厚段球墨铸铁中的碎石墨,但Bi、Pb和Sb其他元素是强大的珠光体稳定元素。添加这些元素可能会导致珠光体的形成,并考虑球墨铸铁中的球墨铸铁Bi、Pb和Sb等元素的积累。

2017年,河北龙凤山铸造有限公司开发了超高纯铸造生铁,为高品质大截面球墨铸铁的开发奠定了基础。超高纯生铁已用于实验研究。Bi、Pb和Sb当强珠光体形成元素时,试验以龙凤山生产的超高纯生铁为原料,含稀土元素的硅镁合金经过5次球化处理~6h凝固,浇注成Φ800mm×1000mm,重4.3 t球墨铸铁核累燃料储运容器试块。

试验取样及结果见图2。试块中心石墨球数为20~40个/mm2.石墨具有良好的球形石墨,机械性能好。见表2,满足了核电行业的严格需求。目前,超高纯生铁已用于生产大型断面核疲劳燃料储罐。



典型的墨铸铁核燃料容器







石墨形状



超高纯生铁在生产优质蠕铸铁中的作用

蠕墨铸铁作为一种新型铸铁材料,与普通灰铸铁和铝合金相比,具有至少75%的抗拉强度、45%的弹性模量和几乎两倍的疲劳强度。蠕墨铸铁已广泛应用于各工业部门,质量为2kg到17t,包括排气歧管和涡轮增压器外壳、大型固定和工业动力发动机缸盖、底座、支架和联轴器、锭模、汽车缸体、底座、支架和联轴器、卡车制动鼓、泵壳和液压元件。

蠕墨铸铁原铁液像球墨铸铁一样要求低硫含量(0.005%~0.含磷量(020%).04%)。然而,与球墨铸铁对微量元素的限制不同,蠕墨铸铁允许甚至添加有利于蠕虫石墨形成的元素,但需要限制钛和铬等碳化物形成的元素。

已证明,如图3所示,钛在铸铁中形成碳氮化钛夹杂物有助于裂纹膨胀,降低15%的弯曲强度和[8]的疲劳性能。立方钛碳氮化物夹杂物比碳化钨更硬,显著增加了工具的磨损,大大降低了工具的使用寿命。如图4所示,钛含量为0.01%到0.02%的小幅增加会使加工蠕墨铸铁(Compacted grahite iron,简称CGI)刀具的使用寿命降低了约50%。对于气缸体、气缸盖等需要大量加工的零件,钛含量必须尽可能低,一般要求小于0.02%至少小于0.04%,否则会严重影响大规模生产的加工。




钛氮化物扫描三




铁液钛含量与刀具切削长度的关系



铬能提高铸铁的高温强度,稳定珠光体,但能更强地促进碳化物的形成。铬可以形成(Fe,Cr)3C当铬含量超过0时,等非常稳定的碳化物.10%时,碳化物在退火过程中甚至难以消除,严重影响加工性能。因此,铬不需要作为蠕墨铸铁中的珠光体稳定剂,铬含量应尽可能低,一般要求低于0.08%。

为了获得蠕化率超过80%的蠕墨铸铁,国外通常采用优质原铁液生产的生铁,以保证所需的性能。中国重汽集团济南动力有限公司、亚新科国际铸造(山西)有限公司、四川共享铸造有限公司、河南奥兰船舶柴油机有限公司等一些生产蠕墨铸铁的企业,采用龙凤山高纯生铁,生产国内外汽车、船舶、动力设备等优质蠕墨铸件。

生产优质超高纯生铁ADI生产中的作用

ADI它是一种新型的铸造材料,由球墨铸铁通过等温淬火获得,具有高强度和良好的韧性。由于其独特的微组织和性能,近年来发展迅速,广泛应用于安全性能要求高的零件。特别是风力涡轮机有许多部件ADI铸件。铸铁件的几何形状相当复杂,有些尺寸相当大,服务条件恶劣,一旦安装,直到风力发电机完成服务。风力涡轮机铸件比其他行业更严格、更具挑战性。在过去的十年里,风力涡轮机齿轮箱的尺寸越来越小。随着尺寸的减小,齿轮箱的扭矩密度增加,对材料提出了更高的要求。ADI由于其组织中石墨的比例约为10%,相同体积的零件比锻钢轻约10%。芬兰是世界著名的风电齿轮箱制造商Moventas公司,认为在开发下一代风电齿轮箱时,最可行的解决方案是采用ADI铸件[10]。事实上,欧洲多年前一直在开发风力 涡轮机ADI为此,专门开发了行星齿轮ADI一些北欧国家正在考虑建造更大的热处理炉。ADI处理更大的专用热处理炉ADI为满足风力涡轮机的需要,零件。

一般来说,材料强度越高,夹杂物和晶界碳化物对其性能的影响就越严重,尤其是疲劳强度。由于夹杂物和晶界碳化物本身相当于裂纹,这是导致裂纹进一步扩展和疲劳失效的主要原因。夹杂物尺寸越大,疲劳强度越低,极大地影响了材料在使用过程中的安全性和可靠性。因此,选择高纯原铁液是生产高质量的原铁液ADI铸件的重要保证。由于对疲劳性能的严格要求,国内外一些ADI除常规组织性能检测设备外,铸件开发厂家还配备了疲劳试验机等检测设备。

国外在生产ADI铸件采用高纯原铁液,以保证高质量的球墨化。目前,一些国内生产ADI铸件企业采用龙凤山定制的超高纯生铁生产ADI汽车安全,因为原铁液很纯,K1值和11种微量元素的总和都很低(高纯生铁K1≤0.26,PX≤0.63.11种微量元素的总含量≤0.05%;超高纯生铁K1≤0.10,PX≤0.28,11种微量元素含量总和≤0.03%)生产的铸件组织如图5、6所示,均符合高质量ADI铸件的要求。




超纯生铁ADI石墨组织形组织形式




超纯生铁ADI铸件的基体组织

4 结论

(1)高端铸造件采用超高纯生铁作为铸造原料,可防止碎石墨的出现,从而提高其机械性能,特别是低温冲击。

(2)纯原铁液可大大提高蠕墨铸铁的疲劳强度和加工性能。

(3)采用纯净原铁液在生产ADI铸件,特别是需要高疲劳强度的铸件ADI铸件是一个非常重要的环节。近年来,对可再生能源的需求不断增加,促进了风力涡轮发电机,特别是大功率涡轮发动机的快速增长,这是一种高要求的大截面球墨铸铁ADI铸件带来了发展


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      发挥山东装备制造业强省会优势,搭建共创、共享、共赢新氛围平台,力促铸造企业创新与高质量发展。展会与“山东铸造转型升级齐鲁行”活动相呼应,力求打造协会牵头、全员参与、以全行业发展促进为目标、开拓共进发展新方向的交流平台,发挥山东装备制造业强省会优势,搭建共创、共享、共赢新氛围平台,力促铸造企业创新与高质量发展。

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