提高船用球墨鑄鐵軸承蓋磁粉探傷合格率研究

高 博，史明建，賈玉珍

(1.海軍駐興平地區軍事代表室，陜西興平 713105；2.陜西柴油機重工有限公司，陜西興平 713105）

提高船用球墨鑄鐵軸承蓋磁粉探傷合格率研究

高 博1，史明建2，賈玉珍2

(1.海軍駐興平地區軍事代表室，陜西興平 713105；2.陜西柴油機重工有限公司，陜西興平 713105）

分析了材質QT400-18A的某型船用軸承蓋磁粉探傷不合格的原因，最后通過采用鐵液經1 500℃～1 530 ℃高溫靜置5～10分鐘；降低球化劑加入量；提高鐵液的澆注溫度,消除了鐵液產生的二次氧化夾渣缺陷。

軸承蓋；磁粉探傷合格率；高溫靜置；澆注溫度；二次氧化夾渣

二次氧化夾渣也稱黑渣，是球墨鑄鐵的特有缺陷之一，特別是鎂球墨鑄鐵則更為嚴重。夾渣多出現在鑄件上表面，如暴露在加工面上，則呈現光澤較差的暗灰色斑紋或者云片狀斑紋。當產生夾渣缺陷時，可使鑄件的力學性能，特別是沖擊韌度和伸長率、耐水壓、耐磨和耐蝕性能均降低，嚴重時會使鑄件報廢。筆者公司生產的某型船用球墨鑄鐵軸承蓋，需要進行100%的磁粉檢測。原工藝生產的鑄件因二次氧化夾渣缺陷，鑄件磁粉探傷合格率僅為50%左右。通過對軸承蓋的熔煉工藝進行分析、改進、使軸承蓋的磁粉探傷合格率達到了90%以上。

1 簡介

1.1 軸承蓋結構簡介

某型船用柴油機軸承蓋，其零件外型尺寸（長×寬×高）＝445×305×112（mm）。整個鑄件輪廓尺寸較小，內外結構簡單，最大壁厚112 mm,,最小壁厚25 mm,壁厚相差懸殊。毛坯質量為55 kg。軸承蓋零件如圖1所示。

1.2 軸承蓋磁粉檢測技術文件

軸承蓋磁粉檢測依據文件編號為SA0600GH01《非合金球墨鑄鐵軸承蓋無損檢測要求》,磁粉檢測區域如圖2所示。

圖1 軸承蓋零件

圖2 軸承蓋磁粉檢測區域分布

技術文件要求：磁粉檢測在成品零件上進行，對非加工表面檢測前需進行局部打磨。磁粉檢測要求如表1所示。

表1 磁粉檢測要求

切向磁場最小可為2 400 A/m(30奧斯特)。檢查后要進行退磁處理，殘余磁場不應大于200 A/m。

1.3 磁粉檢測到的缺陷

磁粉探傷選用濕法，在紫外線下觀察，在鑄件的整個Ⅲ區發現磁粉痕跡呈細小的斑紋或者云片狀聚集磁痕，有的單個線狀顯示超過7 mm，抹去磁痕后，肉眼看不見。后通過打磨缺陷還是無法消除，造成軸承蓋報廢。缺陷位置與形狀如圖3所示。

圖3 缺陷位置與形狀

2 缺陷分析

2.1 缺陷實驗室分析

對缺陷進行電鏡（SEM）分析，可以看出心部組織比較均勻，致密，邊沿部位組織表面存在大量的黑色組織且比較薄，斷口表面有一定程度的氧化跡象,且與鑄件結合不牢固，存在脫落現象。電鏡SEM如圖4所示。

圖4 缺陷SEM

為進一步判斷缺陷的組織成分，對圖4中a和b分別進行了能譜（EDS）分析，從EDS的結果可以看出邊沿部位Mg、Re、Al、O、Ca等易形成氧化夾雜的元素含量高于心部。能譜EDS如表2、3所示。

2.2 缺陷形成過程機理

根據上述分析，當鐵液中的鎂、稀土、鈣、鋁、氧含量較高時鐵液氧化加劇，夾雜物數量增加，當鐵液溫度較低時，自由能小，夾雜物更容易形成并聚集長大。在球化孕育處理時會形成較高熔點的夾雜物（如Fe3O4、Fe2O3、Al2O3、MnO、MgO），也會形成某些低熔點夾雜物（如MnO·SiO2、CaO·Fe2O3、FeO·SiO2、FeS）,高熔點夾雜物從鐵液析出后會不斷碰撞、聚合、長大形成氧化膜。鐵液經過轉運進入型腔溫度已經降低很多，更促使一些低熔點夾雜物也大量析出，使氧化膜變厚。鐵液充型時，紊流加劇導致形成的氧化膜不斷被破壞卷入鐵液中。當形成的氧化膜及其所附夾雜物數量較大，而澆注溫度較低時，大量的夾雜物最終進入鑄件內形成二次氧化夾渣。

表2 a部位EDS

表3 b部位EDS

3 原生產工藝

原鑄造工藝：樹脂砂造型、制芯，一箱一件，每箱放置冷鐵18塊。軸承蓋與曲軸接觸面加工余量為8 mm，側面為5 mm、基準面為3 mm。鐵液采用100×100（mm）陶瓷過濾片進行過濾。鑄造工藝簡圖如圖5所示。

圖5 鑄造工藝簡圖

原熔煉工藝：熔煉設備采用3 t中頻爐；QT400-18A原鐵液化學成分為w(C)3.75%～3.85%、w(Si)1.4%～1.5%、w(Mn)0.15%～0.25%、w(P)≤0.05%、w(S) ≤0.02%、w(Cu)＜0.05%、w(Cr)＜0.05%、w(Ni)＜0.05%、w(Mo)＜0.05%、w(Ti)＜0.05%。

配料比例：生鐵60%、廢鋼10%、回爐料30%、球化處理所用球化劑為1.5%的句容6A；孕育處理所用沖入孕育劑為0.5%的YFY-150、覆蓋孕育劑為0.4%的75SiFe。取樣過程：鐵液升溫到1 420℃～1 450 ℃取樣，球化、孕育處理采用兩次沖入法：先出鐵2/3，進行球化處理，待球化反應結束后，然后均勻加入隨流孕育劑, 出爐溫度：1 490 ℃±10℃。澆注溫度1 360 ℃～1 380 ℃。

根據該鑄造工藝及熔煉工藝，澆注5爐共48件，因磁粉探傷報廢24件，磁粉探傷合格率為50%。

4 提高磁粉探傷合格率的工藝試驗方案

4.1 工藝試驗方案一

為提高磁粉探傷合格率，對原來的鑄造工藝、球化劑加入量及澆注溫度進行了調整。主要措施是：一是在Ⅲ區增加加工余量5 mm，可通過機械加工去除鑄件表面的二次氧化夾渣；二是在保證了球化的前提下，球化劑加入量調整到1.4%，控制鐵液中的殘留鎂量和稀土量；三是澆注溫度范圍調整為1 370 ℃～1 380 ℃。具體方案如下：

（1）分析原工藝磁粉探傷率偏低的原因，曾認為鐵液中的殘留鎂量和稀土量過高，因而將現有的球化劑加入量1.5%，降到1.4%，磁粉探傷廢品率為45%，未達90%的合格率。

（2）磁粉探傷合格率偏低，曾認為是由于軸承蓋放置冷鐵較多，進入型腔內的澆注溫度偏低引起的，因而澆注溫度范圍調整為1 370 ℃～1 380 ℃，磁粉探傷廢品率50%，未達90%的合格率。

（3）分析原工藝磁粉探傷率偏低的原因，曾認為是Ⅲ區毛坯加工余量較少，原工藝加工余量為3 mm,故將加工余量增加了5 mm，磁粉探傷廢品率50%，未達90%的合格率。

以上三種方案的試驗結果如表1所示，磁粉探傷合格率均未達到要求。三種方案試驗結果如表4所示。

表4 三種方案的試驗結果

4.2 最終采用的工藝方案

在保證球化的前提下，球化劑加入量調整為1.3%：控制鐵液中的殘留鎂量和稀土量，消除鎂及稀土等元素產生的夾渣缺陷。

鐵液高溫靜置：鐵液出爐前進行高溫靜置，溫度1 500 ℃～1 530 ℃，時間5～10 min，降低鐵液中的溶氧量，防止鐵液中的一次氧化夾渣的形成，同時讓鐵液中混熔的一次氧化渣滓充分上浮。

提高澆注溫度：由于軸承蓋冷鐵較多，將澆口杯內澆注溫度控制在1 385 ℃～1 395 ℃，降低鐵液中的二次氧化夾渣的形成溫度。

4.3 試驗結果

根據最終工藝，連續投產3爐共45件，磁粉探傷合格數為42件，磁粉探傷合格率達到93.3%，具體結果如表5所示。

表5 最終方案的試驗結果

1件夾砂報廢是由于型腔內浮砂沒有清理干凈造成。1件氣孔報廢是由于坭芯修補后，沒有及時烘干造成氣體進入鑄件里面。1件機械損傷報廢是由于清理工割冒口時，將鑄件局部損傷。

5 結果分析

(1)球化劑加入量調整為1.3%：球化劑中的鎂和稀土都是球化元素，同時又是脫硫、脫氧、去氣十分強烈的反石墨化元素。因此，鐵液中鎂量和稀土量不能過低，也不能過高。若殘余量過低，會使球化不良，易產生衰退。過高雖能保證球化，但過高的殘余鎂，稀土與硫、氧等元素形成化合物，殘留在鑄件中形成夾渣。

(2)鐵液高溫靜置的作用：鐵液高溫靜置可以去除雜質，凈化鐵液，主要是降低鐵液中的溶氧量，當溫度＞1 500 ℃，發生碳氧反應，生產CO逸出，溶氧量下降，避免形成一次氧化夾渣的形成。高溫靜置還可以提高鐵液流動性，保證鑄件健全、減少廢品。

(3)澆注溫度過低，鎂稀土球化劑和鐵液中存有大量的硫、氧反應加劇，容易形成二次氧化渣滓的固態渣。澆注時，固態渣隨流入型，鐵液充型后就上浮，并且不斷摻雜入硫化物、漂浮石墨；這種固態渣是由鎂、稀土、硅、錳和鐵的氧化物組成的。提高澆注溫度到1 385 ℃～1 395 ℃，可發揮鐵液液面的鎂蒸汽的保護作用，降低鐵液進一步氧化，減少固態渣的形成。同時球化處理后的鐵液在輸送、倒包，澆注過程中力求做到平穩，充型過程中因有鐵液過濾系統，減少了鐵液在型內翻滾，飛濺而產生新的氧化。但在提高澆注溫度情況下，也應盡快澆注，防止鐵液降至甚至更低溫度而產生固態渣。

6 結論

生產船用球墨鑄鐵軸承蓋，要求磁粉探傷合格率達到90%以上，可以采取以下措施：

(1)在保證球化的前提下，球化劑加入量降低到1.3%，即節約成本，又消除殘余鎂量、殘余稀土量引起的夾渣缺陷。

(2)出爐前，鐵液需經1 500 ℃～1 530 ℃的高溫靜置，時間5～10分鐘，減少鐵液中溶氧量。

(3)澆注溫度控制在1 385 ℃～1 395 ℃，提高鐵液的流動性，便于渣滓上浮；降低二次氧化膜的形成溫度。

[1] 王曉江. 鑄造合金及其熔煉[M]. 北京: 機械工業出版社, 1999:29-35.

Improve marine magnetic inspection quality of nodular cast iron bearing cover

GAO Bo1,SHI MingJian2,JIA YuZhen2
(1.The navy's XingPing regional military sgent's room ,XingPing 713105,Shaanxi ,China; 2.ShaanXi diesel engine heavy industry Co., Ltd., XingPing 713105,Shaanxi ,China)

Analyses the cause of bearing cover’s Marine magnetic inspection consequence, According improving the temperature of liquid iron from 1500℃ to 1530℃ with fi ve ～ ten minutes, Reducing the amount of nodularizer, Improving the pouring temperature of liquid iron, to eliminating the secondary oxidation slag defects of the casting.

bearing cover;Marine magnetic inspection quality; keep liquid iron in high temperature; pouring temperature; secondary oxidation slag

TG115.28；

A；

1006-9658（2017）01-0016-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.005

2016-04-22

稿件編號:1604-1351

高博（1981—），男，工程師，主要從事艦船柴油機鑄件的質量驗收工作.