高鉻鑄鐵

高鉻鑄鐵的砂模鑄造

砂模鑄造是一種靈活且廣泛使用的製造工藝,適用於製造金屬零件,尤其是具有卓越耐磨性的材料,如高鉻鑄鐵。高鉻鑄鐵(High Chromium Cast Iron,HCCI)是一種含有高鉻(1230%)和大量碳(23.6%)的合金。這些合金以其優異的硬度、耐腐蝕性以及在高磨損和高溫環境中的性能而著稱。


高鉻鑄鐵:特性與應用

高鉻鑄鐵因其堅硬的微觀結構被歸類為白口鑄鐵,其主要特性包括:

  • 高硬度: 來自於鉻碳化物(M7C3)的存在,這些碳化物極其堅硬且耐磨。
  • 耐腐蝕性: 由於鉻含量可形成鈍化氧化層。
  • 耐磨性: 對於處理磨損材料的應用至關重要。
  • 高溫穩定性: 可在高達600°C或更高的環境中使用。

高鉻鑄鐵的特性使其在多個行業中表現出色:

  • 採礦與礦物加工: 如破碎機襯板、研磨球和磨機襯板。
  • 水泥工業: 用於研磨介質和耐磨零件。
  • 發電廠: 例如處理灰渣系統和煤炭粉碎設備。
  • 泵與漿液系統: 用於處理暴露於磨損性漿液的零件。

砂模鑄造概述

砂模鑄造,也稱為砂型鑄造,是最古老且最靈活的金屬鑄造方法之一。該工藝通過用砂製造模具,並利用模具成型熔融金屬以實現所需形狀。

  • 靈活性: 適用於包括高鉻鑄鐵在內的多種金屬。
  • 規模化能力: 適合小批量生產和大規模製造。
  • 成本效益: 尤其適用於複雜幾何形狀。
  • 可重複利用: 砂通常可以回收再利用。

高鉻鑄鐵的砂模鑄造工藝

砂模是由砂、黏結劑(通常為黏土)和水的混合物製成的。對於高鉻鑄鐵,需額外考量其高澆注溫度和冶金特性。

  1. 製作模型:
    使用木材、塑料或金屬製作模型,以複製最終零件的形狀。    
    將模型放入模箱中,並用砂填充周圍以形成模腔。
  2. 芯的製作:
    對於複雜的內部結構,使用砂芯。    
    砂芯單獨製作並在澆注前放入模腔中。
  3. 模具塗層:模具表面塗覆耐火塗層,以保護模具免受高溫損害並確保平滑的表面效果。
  1. 選擇熔煉爐:
    通常使用感應爐或電弧爐熔煉高鉻鑄鐵,以便精確控制成分和溫度。
  2. 添加合金元素:
    添加鉻、碳以及其他元素(如鉬或鎳),以實現目標性能。
  3. 除氣與精煉:
    通過除氣處理去除雜質,防止鑄件中出現缺陷。

Molten HCCI is poured into the sand mold, taking care to minimize turbulence to avoid defects.
The high pouring temperature (typically 1200 °C ~1400°C) requires robust mold materials and careful temperature monitoring.

控制冷卻速度以確保均勻的微觀結構發展。

快速冷卻可能導致殘餘奧氏體,而慢速冷卻可能導致碳化物偏析。

凝固後,打破模具(落砂)以取出鑄件。 
去除多餘材料(如澆道和冒口),並清理鑄件表面的砂或其他殘留物。

進行如退火或回火的熱處理,以優化硬度、韌性和耐磨性。

高鉻鑄鐵鑄造的挑戰

高鉻鑄鐵由於其高碳含量在凝固過程中收縮傾向較高,可能導致:

  • 內部空洞
  • 鑄件開裂

需要合理設計和補縮系統以減少這些缺陷。

鉻碳化物分佈不均會導致硬度區域的差異。控制冷卻速度和後續處理有助於減輕此問題。

高鉻鑄鐵的高澆注溫度可能侵蝕模具表面,導致夾雜物或表面粗糙。採用特殊耐火塗層和高品質砂可解決此問題。

高鉻鑄鐵砂模鑄造的優勢

與精密鑄造等其他方法相比,砂模鑄造更經濟,特別是在製造大型耐磨零件時。

可實現複雜設計和多種尺寸。

能有效處理高鉻鑄鐵的高溫和特殊需求。

隨著3D列印模型等技術進步,砂模鑄造支持快速開發周期。

高鉻鑄鐵砂模鑄件的應用

高鉻鑄鐵的耐磨性被廣泛用於製造以下零件:

  • 磨機襯板
  • 研磨滾輪
  • 槽道與輸送機

在酸性或氧化環境中,高鉻鑄鐵零件(如漿液泵和葉輪)必不可少。

高鉻鑄鐵在發電廠和其他高溫環境中被用於耐熱和抗氧化的關鍵部件。

高鉻鑄鐵砂模鑄造的進步

計算機輔助模擬工具可預測:

  • 凝固模式
  • 收縮
  • 熱應力

這些工具有助於減少缺陷並優化鑄造設計。

具有優越熱性能和黏結劑系統的砂配方增強了模具強度和精度。

模具製作、澆注和後處理的自動化提高了砂模鑄造的生產力和一致性。

砂模鑄造

鑄造因其靈活性、成本效益以及生產複雜幾何形狀的能力,仍然是高鉻鑄鐵製造的核心工藝。通過解決收縮、碳化物偏析和模具侵蝕等挑戰,製造商能夠生產符合現代工業嚴格需求的高品質鑄件。隨著材料和技術的不斷進步,砂模鑄造仍將保持其重要性,尤其是在需要高鉻鑄鐵卓越耐磨性和耐腐蝕性的應用中。