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1、过滤技术在减少铸钢件夹杂物中的作用2011-11-14 12:44:17 作者：郑丹 来源：美国西利公司武汉分公司 浏览次数：42 郑 丹美国西利公司武汉分公司（博韦尔西利工程材料有限公司）武汉解放大道21号汉正街都市工业区A100 430034摘要：宏观氧化物夹杂的存在是铸钢件生产中最为麻烦的问题之一。这些夹杂物大大地增加铸钢件生产的工作量，在有些情况下还导致铸件的报废。本文讨论了铸钢件中这些宏观夹杂物的形成机制。由于过滤器能有效地捕获和保留非金属夹杂物，且夹杂物在通过过滤器时相对较短的传输距离，因此对液态金属过滤是一种有效的分离固态和液态夹杂物的实用技术。对用过的西利过滤器的扫描电镜和能谱
2、分析表明：由于钢液再氧化而产生的液态宏观氧化物夹杂润湿且粘附于氧化锆泡沫过滤器上；由于过滤器对浇注系统流动的调整作用降低了紊流，也有助于减少钢液的氧化。本文提出了过滤器尺寸选定应遵循的原则，讨论了一些过滤应用中出现的常见问题，如堵塞和充型减慢等问题。最后，以用于大输送量水闸机构的大加工量的 活塞和气缸铸钢件为例，说明了过滤对提高铸钢件质量的效果：使用过滤前，全部24件合格的铸件在加工被报废；使用过滤后，共生产200件活塞和气缸铸件，加工后没有一件因夹杂而报废。关键词：过滤；过滤器；夹杂物；铸钢件；浇注系统1前言 在今天的全球市场上要保持竟争力，经济地生产洁净的铸钢件已变得越来越重要。表面或皮下
3、的宏观氧化物夹杂的存在会大大地降低砂型铸造的钢钢件的加工性能和力学性能。宏观氧化夹杂物现在仍然是铸钢件中最为麻烦的非金属夹杂物。 本文将论述宏观氧化物夹杂的形成机制，使用过滤器分离夹杂物的原理，过滤器尺寸的确定和安放的原则。还讨论了一些与过滤应用相关的常见问题。此外，还列举了一个应用西利过滤器而提高铸件质量的例子。2宏观氧化物夹杂的来源 在商品铸钢件中观察到的宏观氧化物夹杂的尺寸范围从直径3mm到大于50mm，在铸件表面形成一个深达6mm或更深的坑。由于上浮作用，宏观氧化物夹杂几乎总是位于铸件上箱表面或皮下（图1）。过去35年来，众多的研究者研究了氧化物夹杂的形成问题1-6。由美国铸钢协会（S
4、FSA）和联合碳化物公司的研究者的研究结果是这一问题的权威总结3，5，6。早在上世纪60年代初期的Battelle Memorial学院，由美国铸钢协会赞助的研究工作得出宏观氧化物夹杂主要来源于钢水浇注期间的再氧化和熔融的浇包耐火材料的结论3。来自于商品铸件和实验铸件的宏观氧化夹杂物的组成描给在SiO2-Al2O3-MnO+FeO伪三元系相图中（图2）。这些宏观氧化夹杂物的化学成分受到钢水成分（主要是Mn/Si比）和加入的强脱氧剂（Al,Ti,Zr）的强烈影响。研究者的结论是宏观氧化物夹杂形成于型腔外及浇注期间存在于浇注系统中的硅砂的卷入。一但进入型腔，夹杂物上浮至上箱铸件表面导致嵌入的表面缺
5、陷。基于成分的不同，这些夹杂物大致在1149-1260C之间凝固。早期的研究得到两个重要的结论：1)宏观氧化夹杂物只要存在氧的情况下，不管是空气中的氧还是与钢液有接触的耐火材料，就会产生； 2) 问题的解决需在在钢液进入型腔前的浇注系统中将宏观氧化夹杂物去除。 联合碳化物公司的Farrel, Bilek和Hilty研究了脱氧夹杂物和再氧化夹杂物的形成机制5。他们的结论是大尺寸的氧化物夹杂是浇注期间再氧化的结果。Farrel等人认为再氧化产物要明显大于脱氧产物，并且在硅锰等较弱脱氧剂的情况下数量较多。在铝脱氧钢中最初生成的再氧化夹杂物是串状或丛状的氧化铝。随着再氧化的进行，夹杂物中氧化铝所占的百
6、分比不断下降，而硅、锰所占的百分比不断上升。Farrel等人提出的再氧化夹杂物和脱氧夹杂物的形成机制示于图3中。得于的结论之一是问题的解决将更多的是一个机械的而非化学的问题。改变脱氧工艺将使再氧化产生的夹杂物的成分发生改变，但不能阻止其产生。 另外的研究也得出再氧化是铸钢中宏观氧化物夹杂的主要原因的结论6。在由美国铸钢协会赞助的工业调查中，收集了395个在生产厂浇注的商品铸件和试验铸件。这项研究的结果是再氧化夹杂占宏观氧化物夹杂的83%。这项研究的夹杂物的各种来源分布如图4。所有上述的研究都指出再氧化是铸钢件中夹杂物产生的主要原因。只要钢液在含氧的大气中浇注，或与含氧的耐火材料（特别是那些氧化
7、硅材料）接触，钢液在进入型腔前形成再氧化夹杂物就是不可避免的。改变脱氧工艺不能阻止再氧化产物的形成而只能改变再氧化产物的成分。因此，使用过滤器在浇注系统中去除宏观氧化夹杂物是解决这个总是的有吸引力的方法。3夹杂物的去除通过对取自生产的商品铸件的浇注系统中用过的过滤器断面的金相分析，研究了网状泡沫陶瓷过滤器对氧化夹杂物的滤出能力。使用光学显微镜和电子显微镜研究了过滤器滤出的夹杂物的类型和尺寸。特别有用的是对用过的过滤器在扫描电镜上联合使用背反射电子像（BEI）和能谱（EDS）微区分析。联合使用背反射电子像和能谱微区分析，通过成分和金相就可以实际确定过滤器滤出的夹杂物的类型和来源。由过滤器滤出的固
8、态的、液态的和复杂的多相固-液复合的氧化物夹杂显示于图5-图11中。关于合金种类，脱氧工艺，浇铸温度，夹杂物成分，夹杂物类型，夹杂物近似的熔点和可能的夹杂物来源总结在表1中。表1. 示于图5-11中的夹杂物的试样历史，夹杂物成分, 夹杂物的辩别和来源在过滤器滤出的夹杂物中观查到下列夹杂物:1. 再氧化产物包裹侵蚀的氧化硅造型材料或丛状和串状的脱氧产物组成的复合团: 大的玻璃质团块内或是含有氧化硅造型砂粒或是丛状和串状的氧化铝，它们能随着过滤器的结构变形，润湿并粘附于过滤器内壁。这些夹杂物相对尺寸较大，主要是锰硅酸盐(MnSiO3 或2MnO.SiO2)或锰铝硅酸盐玻璃体。其成分类似于图2中所示
9、的典型的宏观氧化夹杂物。基于成分和尺寸分析，这些夹杂物与铸钢件中发现的典型的宏观氧化夹杂物相对应。2. 脱氧产物: 当使用铝作为终脱氧剂的时候，发现有丛状或串状的氧化铝夹杂物粘附于过滤器上，如图5。这类夹夹物是内生的，尺寸相对较小（ 500 磅)生产中有时碰到过滤器断裂的情况。过滤器断裂的两个主要的原因是：1）过滤器尺寸选择不当 如果过滤器被夹杂物（特别是固态的脱氧颗粒）超载，过滤器有可能断裂。对用过的过滤器截面的金相试样的分析以搞清滤出的夹杂物的含量和种类是非常重要的。 2） 过滤器支撑不当 过滤器四周四分之一或四分之三英寸宽度的支撑座是提供对过滤器的机械支撑所必须的。图16. 图14和15
10、中显示的过滤器截面的横切面，可以看到宏观氧化物夹杂粘附于过滤器上。7. 应用实例 为显示过滤在减少宏观氧化物夹杂方面的效果，引用了源自为大输送量水闸机构配套的活塞和气缸铸件为例子14。 两个铸件都是大加工量的（(95%)。最初没有使用过滤生产了各24件样品，通过了目检和B级X光检验。加工后铸件被再次检验，所有铸件都由于小的，随机分散分布的宏观氧化物夹杂而认定不合格。 调整为带过滤器的4130活塞的浇注系统如图14和15（440气缸的浇注系统也是同样的）。除直浇道座两侧两个垂直的过滤器座外，浇注系统与使用过滤器前是相同的。生产参数的详细确定如表3。使用过滤器后，生产了200对活塞和气缸铸件，没有
11、一件因为夹杂物而被认定为不合格。通过两个过滤器的横切面如图16，可见滤出的宏观氧化夹杂物。对宏观氧化物夹杂的能谱分析表明，丛串状的脱氧氧化铝夹杂物被包裹在玻璃态的Al2O3-TiO2-Cr2O3-MnO 夹杂物基体中。强脱氧剂产物(Al2O3, TiO2)与Cr2O3和MnO同时出现，表明玻璃相的形成是由于浇注期间再氧化的结果。表3. 生产活塞和气缸铸件时的铸造工艺参数*Grainol: 79 20% Ti, 3% Zr, 12% Al, 7% Mn, 3% Si*Hypercal: 10% ca, 10% Ba, 20% Al, 40% Si*Graphidox: 5% Ca, 50% Si
12、, 10% Ti8. 总结（1）宏观氧化物夹杂的存在是高质量铸钢件生产中的主要问题。文献综述指出宏观氧化物夹杂是由被包裹的侵蚀的氧化硅型砂和形成于浇注期间的玻璃态的熔渣基体所组成的复合体。要解决这个问题，宏观氧化物夹杂必须在金属液流进入型腔前将其去除。（2）对在生产商品铸钢件中使用过的过滤器的截面的扫描电镜和能谱分析表明固态和液态的夹杂物都能滤出。观察到滤出的包裹有硅砂颗粒和丛串状氧化铝的液态宏氧化物夹杂，它们在物理上润湿过滤器壁并粘附于部分稳定化的氧化锆泡沫陶瓷过滤器壁上。宏观氧化物夹杂的液态或玻璃态部分的成分随钢液成分和脱氧工艺而变化，表明浇注期间的再氧化是宏观氧化物夹杂的主要来源。过滤去除固态夹杂物的例子是侵蚀的硅砂颗粒和内生的氧化铝脱氧产物。在用铝和钙脱氧的情况下，过滤器滤出的是液态的铝酸钙。（3）西利PRZ（部分稳定化氧化锆）陶瓷材料具的最佳的高温性能组合（高温强度、抗开裂性能、抗热冲击、抗化学侵蚀）。（4）用于大输送量水闸机构配套的大加工量的活塞和气缸铸件的应用实例说明过滤改善了铸件的质量。最初生产的24件铸件样品经机加工后全部由于小的随机分散分布的夹杂物缺陷而认定为不合格。加装过滤器后生产的各200件活塞和气缸铸件在加工后没有一件因为夹杂物而报废。对用过的过滤器的扫描电镜和能谱分析表明浇注期间的再氧化是夹杂物的主要来源。
