铸造合金动态线收缩实验装置的研制与应用

3　实验应用及分析

3.1　实验条件与应用

分别对灰口铸铁和球墨铸铁进行了测试,两种材料均在60kg电炉中熔炼。

灰口铸铁成分控制范围是:C=2.4%~2.9%,Si=1.6%~1.8%,Mn=0.5%~0.8%,S0.12%,P0.2%,炉前采用75FeSi孕育处理,浇铸温度1430°C,测试结束温度300°C。

球墨铸铁成分控制范围是:C=3.5%~3.8%,Si=2.5%~2.8%,Mn=0.4%~0.6%,S0.02%,P0.05%,炉前采用稀土镁球化剂球化处理,75FeSi孕育处理,稀土残余量为Re=0.0025%,镁残余量为Mg=0.0025%,浇注温度1420°C,测试结束温度300°C。动态曲线图形记录如图4和图5所示。

3.2　应用效果分析

根据图4、图5动态曲线的特点,按5个(A、B、C、D、E)阶段进行分析。

(1)初期收缩(A)。亚共晶铸铁在凝固时,奥氏体初晶形成晶粒骨架直到共晶转变开始为止,随着温度的下降而产生的固态线收缩[6]。这个阶段因为收缩量很小,且时间短,灵敏度低的测试系统很难测出。本试验的灰口铸铁成分属于亚共晶成分,奥氏体初晶形成晶粒骨架的作用,初期收缩明显,图4所示,收缩率0.028%;球墨铸铁属于共晶或过共晶成分,没有初期收缩。

(2)缩前膨胀(B)。缩前膨胀阶段是同冷却曲线上第一个水平段———共晶转变阶段相对应的,表明缩前膨胀是在铸铁共晶转变阶段产生。从图4和图5可以明显看出,因碳硅含量的不同,球墨铸铁(线膨胀率约0.6%)比灰口铸铁(线膨胀率0.2%左右)的膨胀量大2~3倍。

共晶石墨的析出,对于铸铁的收缩性具有重要的影响。它即减少了铸铁凝固时期的体收缩,又使铸铁具有缩前膨胀—线膨胀之特点。

(3)共析前收缩(C)。从冷却曲线上看出,发生在共晶转变结束到共析转变开始这一阶段温度范围内。对灰口铸铁和球墨铸铁来说,奥氏体在冷却过程中析出二次石墨,减少了这个阶段的线收缩率,约0.5%。

(4)共析转变时的相变膨胀(D)。冷却曲线上温度降到725°C左右进行共析转变,有结晶潜热的析出,使冷却曲线上出现第二个水平段。如此相应的,在固态线收缩率曲线上出现下降,即产生了线膨胀。此即共析转变时的相变膨胀。共析转变时,由于γFe→αFe和析出共析石墨而产生相变膨胀。共析转变后的αFe和共析石墨量越高,则共析相变膨胀量越大。图4和图5显示,球墨铸铁约0.06%,灰口铸铁约0.18%。

(5)共析后的收缩(E)。铸铁共析转变后,石墨的析出量极其微弱,其影响可略而不计,故灰口铸铁和球墨铸铁的共析后的固态线收缩基本相同,约1%左右。铸铁总的固态线收缩率εZ应是上述五个阶段的线收缩率之和,即:

εZ=ε1(初期)+ε1(缩前)+ε1(析前)-ε1(共析)+ε1(析后)

灰口铸铁和球墨铸铁的各阶段的线性收缩率、线膨胀率及其总的固态线收缩率测试结果见表1所示。

　　从以上测试结果可见,球墨铸铁和灰口铸铁收缩过程是相似的,区别在于(亚共晶灰铸铁有一个小的初晶收缩)球墨铸铁的收缩前膨胀比灰铸铁大得多,所以总得线收缩率要比灰口铸铁小。从总线收缩率上看两种材料的生产工艺似乎差别不大,但实际生产中却大不相同。球墨铸铁容易产生缩孔、缩松等缺陷,生产时需要比灰口铸铁大的多的补缩冒口来避免产生缩孔、缩松等缺陷[7]。问题的关键在于球墨铸铁的收缩前膨胀,比灰口铸铁大3倍左右,因此而产生的膨胀力也大的多,巨大的共晶膨胀力使铸型外扩,通过尚未坚实的外壳向外扩大,造成铸件后凝固部位因合金液体不足而产生缩孔、缩松。分析以为,如果采用钢性良好的铸型,可有效地阻止凝固时铸件外型的胀大,有效利用球墨铸铁的收缩前膨胀(可以抵消液态和凝固时期的收缩量),即可减少或完全消除缩孔、缩松缺点。

4　结　论

(1)动态线收缩率测试技术与装置,能全面准确描述铸造合金从液态—固态—室温的收缩变化过程和温度变化过程。通过对各变化过程的精确分析,把握合金铸造性能,优化生产工艺,避免缺陷产生。

(2)位移传感器的核心部件—差动变压器的高灵敏度是动态和精确测试的关键。亚共晶成分的灰口铸铁的初晶收缩一般很难测出,本试验能够精确测出,说明设计的传感器具有很高的灵敏度。

(3)测试结果能合理地解释球墨铸铁的总线收缩率比灰口铸铁收缩率低,但又容易产生缩孔、缩松等缺陷的原因。并提出了采用钢性良好的铸型,可以有效地阻止凝固时铸件外型的胀大,利用球墨铸铁的收缩前膨胀(可以抵消液态和凝固时期的收缩量),即可减少或完全消除缩孔、缩松缺陷。

参考文献:

[1]　赵健康.铸铁铸钢及其熔炼[M].北京:机械工业出版社,1991.42-43.

[2]　金长久.铸造技术[M].北京:铸造技术杂志出版社.2004.806-807.

[3]　陆文华.铸铁及其熔炼[M].北京:机械工业出版社.1981.85-86.

[4]　铸铁手册编写组.铸铁手册[M].北京:机械工业出版社.1976.202-203.

[5]　王家.金属的凝固及其控制[M].北京:机械工业出版社.1983.102-105.

[6]　沈阳铸造研究所,等.球墨铸铁[M].北京:机械工业出版社.1982.48-50.

[7]　陈国侦,等.铸件凝固理论[M].北京:机械工程师进修大学出版社,1989.185-186.