鋼琴鐵板是鋼琴共鳴盤中的一個主要部件,它是鋼琴的骨架,承受著來自琴弦系統的張力,是鋼琴音準穩定的重要保障,一旦鐵板斷裂,鋼琴就會報廢。由此可見,確保鋼琴鐵板的強度,避免鐵板在裝配、調律,以及運輸過程出現斷裂顯得至關重要。
鋼琴鐵板是由灰鑄鐵鑄造而成,灰鑄鐵作為一種結構材料具有廣泛的應用,許多重要的機器零件,如機床床身,內燃機缸體、缸蓋、殼體、歧管,壓縮機缸體和液壓閥等都采用灰鑄鐵鑄造。然而,不同的鑄造控制過程對灰鑄鐵件的性能影響很大。要保證鋼琴鐵板鑄件擁有足夠的強度可以從以下的幾個方面進行操作:
一、材料化學成分的選擇
對化學成分的控制在熔煉技術中非常重要,合理的化學成分,是保證材料性能的基礎。
決定灰鑄鐵性能的主要因素為石墨形態和金屬基體的性能。當碳當量(CE=C+1/3Si)較高時,石墨的數量增加,在孕育條件不好或有微量有害元素時,石墨形狀惡化。這樣的石墨使金屬基體能夠承受負荷的有效面積減少,而且在承受負荷時產生應力集中現象,使金屬基體的強度不能正常發揮,從而降低鑄鐵的強度。在材料中珠光體具有好的強度、硬度,而鐵素體則質地較軟而且強度較低。當隨著C、Si的量提高,會使珠光體量減少,鐵素體量增加。因此,碳當量的提高將在石墨形狀和基體組織兩方面影響鑄鐵鑄件的抗拉強度和鑄件實體的硬度。在熔煉過程控制中,碳當量的控制是解決材料性能的一個很重要的因素。
在灰鑄鐵中的合金元素主要是指Mn、Cr、Cu、Sn、Mo等促進珠光體生成元素,這些元素含量會直接影響珠光體的含量,同時由于合金元素的加入,在一定程度上細化了石墨,使基體中鐵素體的量減少甚至消失,珠光體則在一定的程度上得到細化,而且其中的鐵素體由于有一定量的合金元素而得到固溶強化,使鑄鐵總有較高的強度性能。在熔煉過程控制中,對合金的控制同樣是重要的手段。
對于鋼琴鐵板的強度要求,鑄件的成分控制主要有C、Si、Mn、P、S、Cu、Cr、Pb、N 等,成分控制如表1。
C
Si
Mn
P
S
Cu
Cr
Pb
N
3.0~3.8%
1.8~2.1%
0.6~1.2%
<0.1%
<0.1%
0.4~0.8%
<0.12%
<20 ppm
70~120ppm
表1二、爐料配比對材料的控制
過去我們一直堅持只要化學成分符合規范要求就應該能夠獲得符合標準機械性能材料的觀點,而實際上這種觀點所看到的只是常規化學成分,而忽略了一些合金元素和有害元素在其中所起的作用。如生鐵是Ti的主要來源,Ti在鑄鐵中是屬于一種有害元素,究其原因是鈦與氮的親和力較強,當灰鑄鐵中的鈦含量較高時無益于氮的強化作用,首先與氮形成TiN化合物,這就減少了固溶于鑄鐵中的自由氮,事實上正是由于這種自由氮對灰鑄鐵起著固溶強化的作用。因此鈦含量的高低間接影響著灰鑄鐵的性能。 因此生鐵使用量的多少會直接影響材料中Ti的含量,對材料機械性能產生很大的影響。同樣廢鋼是許多合金元素的來源,廢鋼用量對鑄鐵的機械性能的影響是非常直接的。因此爐料配比對鑄鐵材料的機械性能有著直接的影響,也是熔煉控制的重點。
通常對于鋼琴鐵板鑄造爐料配比如表2。
生鐵
廢鋼
回爐鐵
50~70
6~20%
其余
表2
三、孕育處理
孕育處理目的在于促進石墨化,降低白口傾向,降低端面敏感性;控制石墨形態,消除過冷石墨;適當增加共晶團數和促進細片狀珠光體的形成,從而達到改善鑄鐵的強度性能和其它性能的目的。鐵液溫度對孕育的影響及控制鐵液溫度對孕育的影響顯著。在一定的范圍內提高鐵液的過熱溫度并保持一定時間,可以使鐵液中殘存著未溶的石墨質點,完全溶入鐵液中,以消除生鐵的遺傳影響,充分發揮孕育劑的孕育作用,提高鐵水受孕育能力。
孕育劑的粒度是孕育劑狀況的重要指標,對孕育效果有很大影響。粒度過細,易于分散或被氧化進入溶渣而失去作用,粒度太大,孕育劑熔化或溶解不盡,不僅不能充分發揮孕育作用,反而會造成偏析、硬點、過冷石墨等缺陷。
在實際過程控制中,灰鑄鐵的孕育處理需要控制的參數如表3。
孕育劑種類
粒度
加入量
孕育溫度
孕育方式
75Si-Fe
3~5mm
0.3~0.6%
1420~1460℃
爐前隨流孕育
表3上述灰鑄鐵的熔煉參數,不論對鐵板的抗拉強度指標,還是厚、薄截面組織的一致性、鑄件的尺寸穩定性都能很好的滿足要求。而且,還很大程度上提高了鑄件的機加工性能。