鑄造合金動態線收縮實驗裝置的研制與應用

3　實驗應用及分析

3.1　實驗條件與應用

分別對灰口鑄鐵和球墨鑄鐵進行了測試,兩種材料均在60kg電爐中熔煉。

灰口鑄鐵成分控制范圍是:C=2.4%~2.9%,Si=1.6%~1.8%,Mn=0.5%~0.8%,S0.12%,P0.2%,爐前采用75FeSi孕育處理,澆鑄溫度1430°C,測試結束溫度300°C。

球墨鑄鐵成分控制范圍是:C=3.5%~3.8%,Si=2.5%~2.8%,Mn=0.4%~0.6%,S0.02%,P0.05%,爐前采用稀土鎂球化劑球化處理,75FeSi孕育處理,稀土殘余量為Re=0.0025%,鎂殘余量為Mg=0.0025%,澆注溫度1420°C,測試結束溫度300°C。動態曲線圖形記錄如圖4和圖5所示。

3.2　應用效果分析

根據圖4、圖5動態曲線的特點,按5個(A、B、C、D、E)階段進行分析。

(1)初期收縮(A)。亞共晶鑄鐵在凝固時,奧氏體初晶形成晶粒骨架直到共晶轉變開始為止,隨著溫度的下降而產生的固態線收縮[6]。這個階段因為收縮量很小,且時間短,靈敏度低的測試系統很難測出。本試驗的灰口鑄鐵成分屬于亞共晶成分,奧氏體初晶形成晶粒骨架的作用,初期收縮明顯,圖4所示,收縮率0.028%;球墨鑄鐵屬于共晶或過共晶成分,沒有初期收縮。

　　(2)縮前膨脹(B)?？s前膨脹階段是同冷卻曲線上第一個水平段———共晶轉變階段相對應的,表明縮前膨脹是在鑄鐵共晶轉變階段產生。從圖4和圖5可以明顯看出,因碳硅含量的不同,球墨鑄鐵(線膨脹率約0.6%)比灰口鑄鐵(線膨脹率0.2%左右)的膨脹量大2~3倍。

共晶石墨的析出,對于鑄鐵的收縮性具有重要的影響。它即減少了鑄鐵凝固時期的體收縮,又使鑄鐵具有縮前膨脹—線膨脹之特點。

(3)共析前收縮(C)。從冷卻曲線上看出,發生在共晶轉變結束到共析轉變開始這一階段溫度范圍內。對灰口鑄鐵和球墨鑄鐵來說,奧氏體在冷卻過程中析出二次石墨,減少了這個階段的線收縮率,約0.5%。

(4)共析轉變時的相變膨脹(D)。冷卻曲線上溫度降到725°C左右進行共析轉變,有結晶潛熱的析出,使冷卻曲線上出現第二個水平段。如此相應的,在固態線收縮率曲線上出現下降,即產生了線膨脹。此即共析轉變時的相變膨脹。共析轉變時,由于γFe→αFe和析出共析石墨而產生相變膨脹。共析轉變后的αFe和共析石墨量越高,則共析相變膨脹量越大。圖4和圖5顯示,球墨鑄鐵約0.06%,灰口鑄鐵約0.18%。

(5)共析后的收縮(E)。鑄鐵共析轉變后,石墨的析出量極其微弱,其影響可略而不計,故灰口鑄鐵和球墨鑄鐵的共析后的固態線收縮基本相同,約1%左右。鑄鐵總的固態線收縮率εZ應是上述五個階段的線收縮率之和,即:

εZ=ε1(初期)+ε1(縮前)+ε1(析前)-ε1(共析)+ε1(析后)

灰口鑄鐵和球墨鑄鐵的各階段的線性收縮率、線膨脹率及其總的固態線收縮率測試結果見表1所示。

　　從以上測試結果可見,球墨鑄鐵和灰口鑄鐵收縮過程是相似的,區別在于(亞共晶灰鑄鐵有一個小的初晶收縮)球墨鑄鐵的收縮前膨脹比灰鑄鐵大得多,所以總得線收縮率要比灰口鑄鐵小。從總線收縮率上看兩種材料的生產工藝似乎差別不大,但實際生產中卻大不相同。球墨鑄鐵容易產生縮孔、縮松等缺陷,生產時需要比灰口鑄鐵大的多的補縮冒口來避免產生縮孔、縮松等缺陷[7]。問題的關鍵在于球墨鑄鐵的收縮前膨脹,比灰口鑄鐵大3倍左右,因此而產生的膨脹力也大的多,巨大的共晶膨脹力使鑄型外擴,通過尚未堅實的外殼向外擴大,造成鑄件后凝固部位因合金液體不足而產生縮孔、縮松。分析以為,如果采用鋼性良好的鑄型,可有效地阻止凝固時鑄件外型的脹大,有效利用球墨鑄鐵的收縮前膨脹(可以抵消液態和凝固時期的收縮量),即可減少或完全消除縮孔、縮松缺點。

4　結　論

(1)動態線收縮率測試技術與裝置,能全面準確描述鑄造合金從液態—固態—室溫的收縮變化過程和溫度變化過程。通過對各變化過程的精確分析,把握合金鑄造性能,優化生產工藝,避免缺陷產生。

(2)位移傳感器的核心部件—差動變壓器的高靈敏度是動態和精確測試的關鍵。亞共晶成分的灰口鑄鐵的初晶收縮一般很難測出,本試驗能夠精確測出,說明設計的傳感器具有很高的靈敏度。

(3)測試結果能合理地解釋球墨鑄鐵的總線收縮率比灰口鑄鐵收縮率低,但又容易產生縮孔、縮松等缺陷的原因。并提出了采用鋼性良好的鑄型,可以有效地阻止凝固時鑄件外型的脹大,利用球墨鑄鐵的收縮前膨脹(可以抵消液態和凝固時期的收縮量),即可減少或完全消除縮孔、縮松缺陷。

參考文獻:

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[5]　王家.金屬的凝固及其控制[M].北京:機械工業出版社.1983.102-105.

[6]　沈陽鑄造研究所,等.球墨鑄鐵[M].北京:機械工業出版社.1982.48-50.

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