Technologie de fusion de fonte grise à haute résistance

Heure de publication: 06 / 20 2021 Auteur: Site Editor Visite: 11772

Cet article présente comment obtenir une technologie de fusion de fonte grise à haute résistance dans des conditions d'équivalent carbone plus élevé et de meilleures exigences de performances d'usinage dans le processus de fusion au four électrique, et comment contrôler les oligo-éléments du matériau.

Mots clés: fonte grise, équivalent carbone, propriétés mécaniques, propriétés de traitement, oligo-éléments

La direction de contrôle de la fonte grise traditionnelle est la fonte à haute résistance à faible teneur en carbone (C : 2.7~3.0, Si : 2.0~2.3, Mn : 0.9~1.3). Bien que ces matériaux puissent répondre aux exigences des propriétés mécaniques des matériaux, leurs performances de coulée et de traitement Les performances sont médiocres. Avec le développement et l'expansion du marché de l'entreprise, de plus en plus de produits de coulée avec une grande difficulté et des exigences de qualité technique élevées sont inclus dans la séquence de production MINGHE, en particulier lorsque MINGHE utilise le processus de fusion au four électrique à fréquence industrielle pour remplacer le processus de fusion au cubilot.

L'obtention d'une fonte à haute résistance équivalente à haute teneur en carbone dans des conditions de fusion au four électrique pour répondre aux exigences des commandes des clients était un sujet de recherche à l'époque. Cet article décrit la technologie de production de fonte grise à haute résistance dans des conditions de fusion au four électrique.

Les facteurs affectant la performance des matériaux

1.1 L'effet de l'équivalent carbone sur les propriétés des matériaux

Les principaux facteurs qui déterminent les propriétés de la fonte grise sont la morphologie du graphite et les propriétés de la matrice métallique. Lorsque l'équivalent carbone (CE=C+1/3Si) est élevé, la quantité de graphite augmente, et la forme du graphite se dégrade lorsque les conditions d'incubation ne sont pas bonnes ou qu'il y a des traces d'éléments nocifs. Un tel graphite réduit la surface effective de la matrice métallique pouvant supporter la charge et provoque une concentration de contraintes lors du support de la charge, de sorte que la résistance de la matrice métallique ne peut pas être utilisée normalement, réduisant ainsi la résistance de la fonte. Parmi les matériaux, la perlite a une bonne résistance et dureté, tandis que la ferrite a une base plus douce et une résistance inférieure. À mesure que la quantité de C et de Si augmente, la quantité de perlite diminuera et la quantité de ferrite augmentera. Par conséquent, l'augmentation de l'équivalent carbone affectera la résistance à la traction des pièces moulées en fonte et la dureté de l'entité de coulée à la fois dans la forme du graphite et dans la structure de la matrice. Dans le contrôle du processus de fusion, le contrôle de l'équivalent carbone est un facteur très important pour résoudre les performances du matériau.

1.2 L'influence des éléments d'alliage sur les propriétés des matériaux

Les éléments d'alliage de la fonte grise font principalement référence au Mn, Cr, Cu, Sn, Mo et à d'autres éléments qui favorisent la formation de perlite. Le contenu de ces éléments affectera directement le contenu de la perlite. Dans le même temps, en raison de l'ajout d'éléments d'alliage, il est affiné dans une certaine mesure. L'ajout de graphite réduit ou même disparaît la quantité de ferrite dans la matrice, tandis que la perlite est raffinée dans une certaine mesure, et la ferrite qu'elle contient est renforcée par une solution solide en raison d'une certaine quantité d'éléments d'alliage, de sorte que la fonte a toujours un plus élevé La performance de résistance. Dans le contrôle du processus de fusion, le contrôle de l'alliage est également un moyen important.

1.3 L'influence du taux de charge sur les matériaux

Dans le passé, nous avons toujours insisté sur le fait que tant que la composition chimique répond aux exigences de la spécification, nous devrions être en mesure d'obtenir une vue qui répond aux propriétés mécaniques standard du matériau, mais en fait cette vue ne voit que le produit chimique conventionnel. composition, et ignore certains éléments d'alliage et éléments nocifs qu'il contient. Le rôle de. Par exemple, la fonte brute est la principale source de Ti, de sorte que la quantité de fonte brute utilisée affectera directement la teneur en Ti du matériau et aura un impact important sur les propriétés mécaniques du matériau. De même, la ferraille d'acier est la source de nombreux éléments d'alliage, de sorte que la quantité de ferraille a un effet très direct sur les propriétés mécaniques de la fonte. Au début de la mise en service du four électrique, nous utilisions toujours le rapport de charge du cubilot (fonte brute : 25~35%, ferraille : 30~35%). En conséquence, les propriétés mécaniques (résistance à la traction) du matériau étaient très faibles. Lorsque la quantité d'acier utilisé a un impact sur les performances de la fonte, après avoir ajusté la quantité de ferraille dans le temps, le problème est rapidement résolu. Par conséquent, la ferraille est un paramètre de contrôle très important dans le processus de contrôle de la fusion. Par conséquent, le rapport de charge a un impact direct sur les propriétés mécaniques des matériaux en fonte et est au centre du contrôle de la fusion.

1.4 L'influence des oligo-éléments sur les propriétés des matériaux

Dans le passé, nous ne prêtions attention qu'à l'influence des cinq éléments majeurs conventionnels sur la qualité de la fonte pendant le processus de fusion, tandis que l'effet des autres oligo-éléments n'était qu'une compréhension qualitative, mais ils étaient rarement analysés et discutés quantitativement. Ces dernières années, en raison de l'impact des progrès de la technologie de coulée, les équipements de fusion sont constamment mis à jour et les cubilots ont été progressivement remplacés par des fours électriques. Bien que la fusion au four électrique ait ses avantages incomparables dans la fusion au cubilot, la fusion au four électrique perd également certains des avantages de la fusion au cubilot, de sorte que l'influence de certains oligo-éléments sur la fonte se reflète également. Parce que la réaction métallurgique dans la coupole est très forte, la charge est dans une atmosphère oxydante forte, la majeure partie est oxydée et déchargée avec le laitier, seule une petite partie restera dans le fer en fusion, donc certains ont un effet néfaste sur la coulée Grâce au procédé métallurgique de la coupole, les oligo-éléments n'ont généralement pas d'effet néfaste sur la fonte. Pendant le processus de fusion du cubilot, une partie de l'azote du coke et de l'azote (N2) de l'air se dissolvent dans le fer fondu sous forme d'atomes à haute température, ce qui rend la teneur en azote du fer fondu relativement élevée.

Selon les statistiques, depuis la mise en service du four électrique, les déchets dus à une forte teneur en plomb et à la ferraille en fusion mise au rebut parce que la teneur en plomb était trop élevée pour être ajustée n'étaient pas inférieurs à 100 tonnes, et le nombre de produits non qualifiés dus à une teneur en azote insuffisante était également assez élevée, causant à l'entreprise une grande perte économique.

Sur la base de nos nombreuses années d'expérience et de théorie dans la fusion au four électrique, je pense que les oligo-éléments clés dans le processus de fusion au four électrique sont principalement le N, le Pb et le Ti. Les effets de ces éléments sur la fonte grise sont principalement les suivants :

Plomb

Lorsque la teneur en plomb dans la fonte en fusion est élevée (>20PPm), en particulier lors de l'interaction avec la teneur en hydrogène plus élevée, il est facile de former du graphite Widmanstatten dans des pièces moulées à sections épaisses. En effet, le sable de résine a de bonnes propriétés d'isolation thermique et la fonte en fusion Le refroidissement est plus lent dans le moule (cette tendance est plus évidente pour les sections épaisses), la fonte en fusion reste plus longtemps à l'état liquide, et la solidification de le fer en fusion est plus proche de la condition de solidification à l'état d'équilibre du fait de l'action du plomb et de l'hydrogène. Lorsque ce type de coulée se solidifie et continue de se refroidir, le carbone de l'austénite va précipiter et devenir du graphite secondaire à l'état solide. Dans des circonstances normales, le graphite secondaire ne fait qu'épaissir les paillettes de graphite eutectique, ce qui n'aura pas un grand impact sur les propriétés mécaniques. Cependant, lorsque la teneur en azote et en hydrogène est élevée, l'énergie de surface du graphite sur le même plan cristallin fixe d'austénite sera réduite et le graphite secondaire se développera le long d'un certain plan cristallin d'austénite et s'étendra dans la matrice métallique. Observez au microscope. De nombreux petits flocons de graphite ressemblant à des bavures poussent sur le côté des flocons de graphite en flocons, communément appelés poils de graphite, ce qui est la raison de la formation du graphite de Widman. L'aluminium contenu dans la fonte peut favoriser l'absorption d'hydrogène par la fonte liquide et augmenter sa teneur en hydrogène. Par conséquent, l'aluminium a également un effet indirect sur la formation du graphite de Widmanstatten.

Lorsque le graphite Widmanstatten apparaît dans la fonte, ses propriétés mécaniques sont fortement affectées, en particulier la résistance et la dureté, qui peuvent être réduites d'environ 50 % dans les cas graves.

Le graphite de Widman a les caractéristiques métallographiques suivantes :

1) Sur la photomicrographie 100 fois, il y a de nombreux petits flocons de graphite ressemblant à des épines attachés au flocon de graphite grossier, qui est du graphite de Widmanstatten.
2) La relation du graphite cristallin commun est connectée l'une à l'autre.
3) Lorsque le réseau de graphite de Widmanstatten s'étend dans la matrice à température ambiante, il devient la surface fragile de la matrice, ce qui réduira considérablement les propriétés mécaniques de la fonte grise. Mais d'après la vue en coupe, les fissures de fracture s'étendent toujours le long du graphite en forme de co-puce.

Azote

Une quantité appropriée d'azote peut favoriser la nucléation du graphite, stabiliser la perlite, améliorer la structure de la fonte grise et améliorer les performances de la fonte grise.

L'azote a deux influences principales sur la fonte grise. L'une est l'influence sur la forme du graphite, et l'autre est l'influence sur la structure de la matrice. L'effet de l'azote sur la morphologie du graphite est un processus très compliqué. Se manifeste principalement par : l'influence de la couche d'adsorption sur la surface du graphite et l'influence de la taille du groupe eutectique. Étant donné que l'azote est presque insoluble dans le graphite, l'azote est continuellement adsorbé sur le front de croissance du graphite et des deux côtés du graphite pendant le processus de solidification eutectique, ce qui entraîne une augmentation de la concentration environnante de graphite pendant le processus de précipitation, en particulier lorsque le graphite s'étend dans fer fondu. A la pointe, il affecte la croissance du graphite à l'interface liquide-solide. Au cours du processus de croissance eutectique, il existe une différence significative dans la distribution de la concentration d'azote à la pointe et des deux côtés de la feuille de graphite. La couche d'adsorption d'atomes d'azote à la surface du graphite peut entraver la diffusion des atomes de carbone à la surface du graphite. Lorsque la concentration en azote du front de graphite est supérieure à celle des deux côtés, la vitesse de croissance du graphite dans le sens longitudinal est réduite. En revanche, la croissance latérale devient plus facile et, par conséquent, le graphite devient plus court et plus épais. En même temps, comme il y a toujours des défauts dans le processus de croissance du graphite, une partie des atomes d'azote sont adsorbés à la position du défaut et ne peuvent pas diffuser, et le joint de grain sera asymétriquement incliné à l'avant de la croissance du graphite, et le le reste grandira toujours dans la direction d'origine. Le graphite produit des branches, et l'augmentation des branches de graphite est une autre raison pour laquelle le graphite devient plus court. De cette manière, du fait de l'affinement de la structure graphite, l'effet de clivage sur la structure matricielle est réduit, ce qui favorise l'amélioration des performances de la fonte.

L'effet de l'azote sur la structure de la matrice est qu'il s'agit d'un élément stabilisant la perlite. L'augmentation de la teneur en azote réduit la température de transformation eutectoïde de la fonte. Par conséquent, lorsqu'une certaine quantité d'azote est contenue dans la fonte grise, le degré de surfusion de la transformation eutectoïde peut être augmenté, affinant ainsi la perlite. D'autre part, parce que le rayon atomique de l'azote est plus petit que celui du carbone et du fer, il peut être utilisé comme atomes interstitiels pour se dissoudre dans la ferrite et la cémentite, provoquant la distorsion de son réseau cristallin. Pour les deux raisons ci-dessus, l'azote peut avoir un effet de renforcement sur la matrice.

Bien que l'azote puisse améliorer les performances de la fonte grise, lorsqu'il dépasse une certaine quantité, des pores et des microfissures d'azote seront générés comme le montre la figure 2, de sorte que le contrôle de l'azote doit être contrôlé dans une certaine plage. Généralement 70-120PPm, lorsqu'il dépasse 180PPm, les performances de la fonte chuteront fortement.

Le Ti est un élément nocif de la fonte. La raison en est que le titane a une forte affinité avec l'azote. Lorsque la teneur en titane de la fonte grise est élevée, elle n'est pas favorable à l'effet renforçateur de l'azote. Premièrement, il forme un composé TiN avec l'azote, ce qui réduit En fait, c'est précisément parce que cet azote libre a un effet fortifiant en solution solide sur la fonte grise. Par conséquent, le niveau de teneur en titane affecte indirectement les performances de la fonte grise.

Technologie de contrôle de fusion

2.1 Sélection de la composition chimique du matériau

Grâce à l'analyse ci-dessus, le contrôle de la composition chimique est très important dans la technologie de la fusion, et c'est la base du contrôle de la fusion. Par conséquent, une composition chimique raisonnable est la base pour assurer la performance du matériau. Habituellement, le contrôle de la composition de la fonte à haute résistance (résistance à la traction ≥300N/mm2) comprend principalement etc. C, Si, Mn, P, S, Cu, Cr, Pb, N

2.3 Technologie de contrôle des oligo-éléments

Dans le contrôle de processus réel, basé sur l'analyse de la charge, il est confirmé que la source de plomb est principalement la ferraille. Par conséquent, le contrôle du plomb dans la matière première consiste principalement à contrôler les inclusions de plomb dans la ferraille, et la teneur en plomb est généralement contrôlée en dessous de 15 ppm. Si la teneur en plomb du fer brut en fusion est > 20 ppm, un traitement spécial de détérioration doit être effectué pendant le traitement d'incubation.

Étant donné que le Ti est principalement dérivé de la fonte brute, le contrôle du Ti consiste principalement à contrôler la fonte brute. D'une part, il est nécessaire de proposer des exigences strictes sur la teneur en Ti de la fonte lors de l'achat. Habituellement, la teneur en titane de la fonte brute doit être : Ti < 0.8 %, et l'autre aspect consiste à ajuster la quantité d'utilisation dans le temps en fonction de la teneur en titane de la fonte brute.

Provient principalement des matériaux de recarburation et de la ferraille, de sorte que le contrôle de N consiste principalement à contrôler les matériaux de recarburation et la ferraille. Cependant, comme mentionné ci-dessus, trop bas et trop haut ont un côté négatif sur les performances de la fonte grise, donc la teneur en N La plage de contrôle est généralement : 70 ~ 120 ppm, mais la teneur en N doit correspondre raisonnablement à la teneur en Ti. Généralement, la relation entre N et Ti est : N:Ti=1:3.42, c'est-à-dire que 0.01 % de Ti peut absorber 30PPm d'azote. La quantité générale d'azote recommandée pendant la production est : N=0.006~0.01+Ti/3.42.

2.4 Technologie de contrôle du processus de fusion

1) Technologie d'inoculation

Le but du traitement d'inoculation est de favoriser la graphitisation, de réduire la tendance à la bouche blanche et de réduire la sensibilité de la surface d'extrémité ; contrôler la morphologie du graphite et éliminer le graphite sous-refroidi ; augmenter de manière appropriée le nombre de grappes eutectiques et favoriser la formation de perlite en flocons, afin d'améliorer les performances de résistance de la fonte et d'autres objectifs de performance.

L'influence de la température du fer fondu sur l'inoculation et le contrôle de la température du fer fondu ont une influence significative sur l'inoculation. L'augmentation de la température de surchauffe de la fonte fondue dans une certaine plage et son maintien pendant une certaine période de temps peuvent faire en sorte que les particules de graphite non dissoutes restent dans la fonte fondue, qui peuvent être complètement dissoutes dans la fonte fondue pour éliminer l'influence génétique de la fonte et jouer pleinement à l'effet d'inoculation de l'inoculant, améliorer la capacité de fertilité du fer fondu. Dans le contrôle du processus, la température de surchauffe est augmentée à 1500~1520℃, et la température d'inoculation est contrôlée à 1420~1450℃.

La taille des particules de l'inoculant est un indicateur important de l'état de l'inoculant et a une grande influence sur l'effet de l'inoculant. Si la taille des particules est trop fine, il est facile de se disperser ou de s'oxyder dans le laitier fondu et de perdre son effet. Si la taille des particules est trop grande, l'inoculant ne fondra pas ou ne se dissoudra pas complètement. Non seulement il ne peut pas exercer pleinement son effet d'inoculation, mais il provoquera une ségrégation, des points durs, du graphite surfondu et d'autres défauts. Par conséquent, la taille des particules de l'inoculant doit être contrôlée dans les 2 à 5 mm autant que possible. Assurer l'effet d'incubation.

Dans le contrôle du processus, le processus d'inoculation est principalement inoculé dans le réservoir d'incubation, de sorte que le versement d'un paquet de pièces moulées peut être terminé avant que l'incubation ne diminue. Mais pour les pièces relativement volumineuses et les pièces coulées en double poche, il ne peut pas répondre aux exigences. Par conséquent, la méthode d'ensemencement tardif est adoptée : c'est-à-dire que l'inoculation flottante du silicium est effectuée dans la poche avant que la coulée ne soit coulée (la quantité d'inoculation est de 0.1 %), ce qui réduit ou n'existe pas le déclin d'inoculation et améliore l'effet d'inoculation.

2) Traitement d'alliage

Le traitement d'alliage ajoute une petite quantité d'éléments d'alliage à la fonte ordinaire pour améliorer les propriétés mécaniques de la fonte grise. Dans le contrôle du processus de fusion, l'ajout d'alliages concerne principalement les pièces que les clients demandent à tremper et les pièces avec des rails de guidage relativement épais, les principaux éléments d'alliage ajoutés et la quantité d'ajout.

Ceci assure dans une certaine mesure la diminution des performances due à l'augmentation de la valeur CE, et pour les pièces trempées, la trempabilité lors de la trempe est améliorée. Assurer la profondeur de trempe.

Pendant le processus d'alimentation et de fusion, l'ordre d'alimentation de la commande principale à ce stade est d'alimenter la ferraille, la fonte mécanique et la fonte brute dans l'ordre de priorité. Afin de réduire la perte par combustion des éléments d'alliage, le ferroalliage doit être ajouté à la fin. Lorsque le matériau froid est complètement nettoyé, la température est portée à 1450℃. C'est le point A. Si elle est inférieure à 1450°C, il y a risque de dissolution incomplète du recarburateur ou du ferroalliage.

Dans les paragraphes AB, les traitements suivants doivent être effectués :

Mesure de température;
Déblaiement des scories ;
Échantillonnage et analyse de la composition chimique ;
Analyser les éléments conventionnels et les oligo-éléments avec un spectromètre thermique ;
Prenez l'éprouvette triangulaire pour mesurer la valeur CW ;
Après avoir ajusté le fer fondu en fonction de divers résultats de test, continuez à fournir de l'énergie pendant 10 minutes, puis rééchantillonnez et analysez. Après avoir vérifié que toutes les données sont normales, continuez à augmenter la température jusqu'à environ 1500°C, c'est-à-dire le point C. Dans la section CD, laissez le fer fondu reposer pendant 5 à 10 minutes, puis prenez une éprouvette triangulaire pour tester le valeur CW. Après avoir mesuré la température, préparez le fer pour le taraudage.

Contrôle de l'éprouvette triangulaire

Pour différentes qualités, déterminez la plage de contrôle de la bouche blanche (CW) de différents blocs d'essai triangulaires et déterminez la qualité du fer fondu en combinaison avec l'analyse de la composition devant le four.

Conclusion

La technologie de fusion de fonte grise mentionnée ci-dessus a été appliquée avec succès dans le CSMF pendant 8 ans, de 1996 à 2003. Le CE des pièces moulées est contrôlé selon le principe de 3.6 ~ 3.9, qu'il s'agisse de l'indice de résistance à la traction ou de l'indice de dureté physique ( La dureté du rail de guidage des pièces de machines-outils répond aux exigences, ce qui améliore considérablement les performances de coupe de la pièce moulée.Il a été prouvé que cette technologie est une technologie finalisée, et ses points de contrôle sont les suivants :

3.1 Contrôle de la composition chimique des matériaux
3.2 Détermination du ratio de charge
3.3 Technologie de contrôle des oligo-éléments
3.4 Contrôle du processus de traitement d'inoculation
3.5 Traitement d'alliage
3.6 Contrôle de la température du processus de fusion
3.7 Contrôle de l'éprouvette triangulaire

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