熔模鑄件脆性斷裂缺陷控制

深圳市盈迅精密機(jī)械有限責(zé)任公司 （廣東 518055） 潘玉洪

脆性斷裂是熔模鑄件常見(jiàn)缺陷之一。尤其是選用感應(yīng)電爐（中頻感應(yīng)爐、工頻感應(yīng)爐）酸性爐襯進(jìn)行熔煉，使用鋁進(jìn)行脫氧時(shí)，澆注的鑄鋼件更容易發(fā)生脆性斷裂。

一、概述

發(fā)生脆性斷裂時(shí)的熔模鑄件如圖1所示。脆性斷裂鑄件的宏觀斷口晶粒粗大，呈冰糖狀，如圖2所示。脆性斷裂鑄件的微觀斷口組織如圖3所示。

二、產(chǎn)生原因

（1）鑄件中殘留鋁量過(guò)高 熔煉工藝不合理或操作不當(dāng)，使鑄件中殘留鋁過(guò)高，在晶界上形成鋁的化合物（如氮化鋁），從而引起鑄件脆性斷裂。

（2）鑄件中硼的殘留量高 在鑄件的晶界上有碳硼化合物[M23（C·B）6]沿著奧氏體晶界析出。碳硼化合物引起鑄件的脆斷。①熔煉時(shí)爐襯材料中的硼酸在高溫下分解，進(jìn)入金屬液中。②爐料中的含硼量高。

（3）清理鑄件方法或使用不當(dāng) 鑄件在殘留應(yīng)力和外力的疊加作用下，超過(guò)此時(shí)該鑄件的強(qiáng)度極限，發(fā)生脆斷。

三、防止措施

（1）嚴(yán)格控制鑄件中的殘留鋁量。①采用Si-Ca和Al聯(lián)合脫氧法，代替單一的鋁脫氧。②控制鋁的加入量，包括鎮(zhèn)靜用鋁和終脫氧用鋁控制在金屬液的0.8%～1.2%（鋁的加入量與爐料情況關(guān)系甚大，當(dāng)爐料銹嚴(yán)重時(shí)，加入量取上限，反之取下限）；鑄件的殘留鋁含量以0.03%～0.07%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為宜。

（2）控制金屬液中的含硼量，使鑄件中的wB＜0.005%。①改進(jìn)筑爐工藝，補(bǔ)爐時(shí)嚴(yán)格控制硼酸的加入量。②嚴(yán)格控制爐料中的含硼量。

（3）改進(jìn)清理鑄件或使用鑄件的方式，避免外力突然沖擊。

四、實(shí)例

1. 問(wèn)題的提出

近一時(shí)期，用戶反映鑄件在使用過(guò)程中出現(xiàn)多次脆斷現(xiàn)象。

通過(guò)分析脆性斷裂鑄件的化學(xué)成分，鑄件中殘留鋁太多是造成鑄件脆斷的主要原因。

眾所周知，鋁被廣泛地用作鎮(zhèn)靜劑和終脫氧劑。金屬液中鋁加入量太少，脫氧不足，使鑄件產(chǎn)生氣孔；加入量過(guò)多，鑄件中殘留鋁過(guò)多，鑄件力學(xué)性能下降，尤其會(huì)產(chǎn)生脆斷。那么，熔模鑄鋼件中殘留鋁含量的最佳值是多少？

有資料認(rèn)為：鑄件中殘留鋁的較佳含量應(yīng)在0.014%～0.030%；有人認(rèn)為鋁的殘留量為0.03%～0.05%。為此，筆者做了試驗(yàn)。

2. 鑄件中鋁的較佳殘留量

（1）制備試樣 在500kg無(wú)芯工頻感應(yīng)爐中（酸性爐襯）進(jìn)行熔煉，精煉期加入鎮(zhèn)靜用鋁200g，當(dāng)金屬液升溫至1580～1600℃（光學(xué)高溫計(jì)，未校正）時(shí)，用鋁進(jìn)行終脫氧（加入量為500g），停電靜置2min，扒渣、出鋼。在澆包中預(yù)先放入不同重量的補(bǔ)充脫氧用鋁，從而制取不同殘留鋁含量的5種單根成形試樣。

（2）化學(xué)成分 5種單根成形試樣的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

（3）力學(xué)性能 單根成形試棒經(jīng)857～863℃×20min正火處理，拉伸試樣不經(jīng)任何加工，沖擊試樣經(jīng)過(guò)磨加工，其力學(xué)性能與殘留鋁的關(guān)系如圖4所示。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（4）試驗(yàn)分析 由圖4可以看出：當(dāng)殘留鋁在0.033%～0.067%時(shí)，隨著殘留鋁的增加，力學(xué)性能提高；當(dāng)殘留鋁＞0.067%時(shí)，力學(xué)性能下降，尤其是aK值顯著下降。這是因?yàn)檫^(guò)多的殘留鋁二次氧化導(dǎo)致金屬液被夾雜物沾污，加之氮化鋁在晶界析出，使其力學(xué)性能下降。試驗(yàn)結(jié)果表明，RZG310—570（或RZG40Cr）熔模鑄件中殘留鋁以0.03%～0.07%為宜。

3. 生產(chǎn)中如何控制鑄件的殘留鋁

（1）影響鑄件中殘留鋁的因素 為了排除其他影響因素，利用同一爐金屬液，在不同時(shí)期取樣，其過(guò)程和結(jié)果見(jiàn)表2、圖5。共試驗(yàn)5爐，結(jié)果相近，故以其中一爐為例。

（2）試驗(yàn)分析 ① 從01#、02#試樣可以看出，在爐料熔化過(guò)程中，爐料中的殘留鋁很快被氧化燒損（燒損率97.8%），這是由于鋁和氧的親合力很強(qiáng)的原因，因此在熔煉時(shí)，不考慮爐料中的殘留鋁。② 從03#試樣可看出，加入的鎮(zhèn)靜用鋁也幾乎被燒損（燒損率85.7%），因此在正常使用范圍內(nèi)，也可不予考慮。③ 從06#、08#、09#、11#、13#試樣可知，在澆包中加入鋁，燒損率很低，為3.4%～6.7%，這種補(bǔ)充脫氧的方法是確保鑄件中最佳殘留鋁的關(guān)鍵，因此生產(chǎn)中對(duì)補(bǔ)充脫氧用鋁量應(yīng)嚴(yán)加控制。④ 從圖5可知，加入終脫氧用鋁，靜置2min金屬液中鋁的燒損率較高，為50%～60%，此時(shí)金屬液溫度高，鋁的加入量較多，金屬液有明顯“沸騰”現(xiàn)象，與空氣接觸幾率多，燒損較高。隨著金屬液在爐中停留時(shí)間的延長(zhǎng)，金屬液溫度降低，并與空氣接觸面大大減少，燒損率顯著下降，因此，在熔煉工藝中應(yīng)嚴(yán)格規(guī)定終脫氧后的出鋼時(shí)間，對(duì)于熔煉鑄鋼使用的感應(yīng)電爐，一般不超過(guò)2min為宜。⑤ 金屬液在澆注過(guò)程中，由于殘留鋁的二次氧化，其燒損率在50%左右，為此要盡量提高澆注速度。以往的熔煉工藝只重視脫氧用鋁在爐內(nèi)的燒損而忽略了在澆注過(guò)程中殘留鋁二次氧化的燒損，至使殘留鋁太少，脫氧不足，而使鑄件因氣孔而報(bào)廢。

表2 不同時(shí)期的殘留鋁

五、結(jié)語(yǔ)

（1）熔模鑄件中殘留鋁量過(guò)高是熔模鑄件產(chǎn)生脆性斷裂的首要原因，其次是鑄件中硼的殘留量高，再次是清理鑄件方法或使用不當(dāng)。

（2）鑄件中的殘留鋁量以0.03%～0.07%為宜，生產(chǎn)中應(yīng)采用兩次加入，即第一次爐內(nèi)終脫氧加入量為0.10%～0.12%，第二次在澆包中加入補(bǔ)充脫氧用鋁0.02%～0.05%，是確保鑄件適量殘留鋁的關(guān)鍵，因此應(yīng)嚴(yán)格控制。