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消失模管件自生锈斑的成因分析和防止措施

一段时间以来,消失模管件表面出现自生锈斑,成为困扰技术人员的一项难题。为搞清楚锈斑的成因,先后排查了炉料组成和熔炼工艺,核对EPS、消失模涂料、型砂等原辅材料的品质性能,仔细观察分析锈斑在管件上表现出的特点和分布规律,解析锈斑物质构成,最终找到了锈斑的成因,提出了防治措施,生产取得良好效果。


一、自生锈斑在管件表面呈现的特点和分布规律

所谓管件自生锈斑,是指管件经落砂、抛丸清理后放置在干净、干燥的环境下,经过较短的时间由管件内部自身长出来的锈斑。

取名自生锈斑以区别于因外界环境因素造成的管件表面锈蚀,如:洒水、淋雨或其他液体造成的管件表面生锈。

自生锈斑主要突出表现在消失模管件,而煤粉砂湿型、呋喃树脂砂等砂型铸造的管件没有发现这种锈斑。

通过细致观察,消失模管件自生锈斑具有如下几个特点:


1.1 生长速度快

管件经过抛丸清理后表面洁净,经过3-5小时管身局部长出细小锈点,随后锈点数量增多,由小变大,且边缘逐渐模糊成为锈斑。经过反复跟踪观察,确认锈斑是从管件表面生长出来的,生长速度比潮湿环境的锈蚀要快得多。
刚抛丸后管件照片见图1;长出锈斑后的管件照片见图2。


1.2 呈红褐色点状不连续分布

球墨铸铁件表面洒水后引起的锈点颜色为浅黄色,管件在潮湿环境长期存放生锈也为浅黄色,之后变为深黄色,这种长时间的外界氧化锈蚀会连续地布满整个管身。

自生锈斑的颜色为红褐色,呈点状不连续分布,直径一般在2-5mm,与外界氧化引起的锈蚀还是有明显区别。


1.3 位于内浇口周围

球铁管件管身面积大壁薄,法兰承口部位厚实,存在明显的壁厚不均。芜湖新兴铸管消失模生产管件,通常采用从管身一侧引入内浇口工艺。管身是管件的薄壁处,这种浇注系统符合均衡凝固理论。

在现场追踪管件自生锈斑规律时发现,内浇口周围500mm范围内锈斑数量最多,距内浇口越远锈斑越少,内浇口对面没有锈斑。


1.4 易出现在薄壁处

同一管件自生锈斑多出现在管身薄壁处,管件厚大部位锈斑不明显,如法兰盘、承口很少出现锈斑现象(图,3,盘插法兰未见锈斑)。

自生锈斑主要出现在内浇口周围,即使内浇口开在厚壁处,其产生锈斑不如薄壁处开浇口的情况突出。

另外不同壁厚管件对比可知:薄壁管件易出现锈斑,厚壁管件出现锈斑几率小,例如壁厚较大的盲板表面很少看到锈斑,同样,管件的浇注系统表面很少发现锈斑。


1.5 浅表性

自生锈斑的浅表性是指锈斑出现在管件表层,深层并没有锈斑。为了验证这个判断,对废品管件压开看断口,断口上不会长出锈斑;另外,内浇口周围容易出现锈斑,将内浇口片打断之后,打磨光滑放置几天,打磨面上没有发现锈斑点。

两个实验说明,自生锈斑具有浅表性。带有锈斑的管件再次抛丸后锈斑清除,见图4。


二、锈斑的组成物检测和形成原因分析


为了弄清楚管件自生锈斑的成因,委托河北机电职业技术学院、安徽工程大学等高等院校和科研机构,对自生锈斑的微观形态、成分组成进行了检测,管件锈斑部位和正常部位分别进行能谱分析。

分析结果显示,管件无锈斑的正常位置主要成分有Fe、C、Si、Mn,锈斑处除了含有正常的Fe、C、Mn外,Si、O含量明显大于正常组织。

能谱分析表明,锈斑处含有大量的铁的氧化物,锈斑核心检测出大量的Ba元素。


根据自生锈斑的颜色为红褐色,能谱分析锈斑处含有大量的Fe和O元素,分析认为锈斑的主要组成物为Fe2O3。

斑点状的锈蚀通常是由于铸铁内部不同组织或相之间存在较大的电位差,从而形成了微电池和电化学腐蚀,电化学腐蚀是管件表面自生锈斑产生的根本原因。

锈斑中心部位检测出Ba元素,可能是由于随流孕育时,Si-Ba复合孕育剂没有完全熔解于铁液中,形成了点状的孕育剂富集。

消失模管件局部表面富集Si-Ba孕育剂微质点,构成了不同组织的浓度起伏,组织间存在较大的电位差是电化学腐蚀的基础。

Ba极易与空气中的水和氧作用生成Ba(OH)2,在一定区域内形成碱性环境,这会促使电化学腐蚀持续进行。


浇口周围是铁液最后填充的部位,该部位铁水充型时间和流程短,随流孕育剂熔解不充分的现象相对其他部位更明显,因而浇口周围自生锈斑相对明显。

距离内浇口远的部位,铁水携带孕育剂流程长,孕育剂溶解扩散均匀故锈斑少见;厚大铸件凝固时间长,孕育剂熔解扩散充分,不易产生自生锈斑。

对于自生锈斑具有浅表性,一是缘于消失模铁水充型的附壁效应,型壁更易富集孕育剂;二是型壁表面冷却快,孕育剂不易溶解充分。

消失模铸造铁水充型时具有显著的附壁效应,孕育剂的密度较小,在铁水中有上浮的倾向,这些因素促使未熔解的孕育剂向铸件表面汇集,因而相对于砂型铸造的管件,在相同的浇注条件下消失模铸造管件易产生自生锈斑。


三、防止消失模管件表面内生锈斑的措施

为了解决管件自生锈斑缺陷,多次调整生产工艺的某一单项参数进行试验,试验结果汇总如下

1)其他工艺不变,取消随流孕育,管件没有锈斑产生,但球化等级和性能不合格;


2)其他工艺不变,仅将Si-Ba孕育剂更换为75SiFe孕育剂,经跟踪查证管件没有锈斑产生,金相组织相对于复合孕育稍差些;


3) 原Si-Ba孕育剂粒度为0.8-1.5mm,加入量0.15-0.20%,锈斑较为突出。将粒度更换为0.2-0.6mm加入量不变,锈斑明显减少,管件组织性能变化不明显;


4)使用粒度0.2-0.6mm的Si-Ba孕育剂,加入量调整为0.1-0.15%,锈斑再次减少,管件薄壁处性能变化不明显,厚大部位石墨数量减少。


2017年下半年,大家结合对自生锈斑的认识,针对管件壁厚不均、品种多、尺寸跨度大等特点,通过调整随流孕育装置给料的均匀性,采用粒度0.2-0.6mm的Si-Ba孕育剂,加入量控制为0.1-0.15%,大件取上限小件取下限,连续几个月来,消失模管件自生锈斑得到有效控制。


四、结论
(1)Si-Ba瞬时随流孕育剂没有充分溶解,是球铁管件出现自生锈斑的主要原因,消失模附壁效应加剧了随流孕育剂在型壁富集和不均匀熔化。


(2)不同结构特点的铸件对随流孕育有不同的要求,薄壁管件与厚壁铸件相比,要求随流孕育剂粒度更为细些;薄壁铸件选用粒度小的75#硅铁孕育剂合适,厚大铸件防止球化衰退选用粒度稍大的Si-Ba长效瞬时孕育剂。


(3)消失模管件壁厚不均,可以选用Si-Ba孕育剂粒度0.2-1.0mm,加入量0.1-0.15%,可保证孕育效果并有效避免自生锈斑的产生。


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