武惠敏，張鳳清

（山西源盛鑄鍛公司，山西忻州 035400）

·鑄造工藝·

球墨鑄鐵工藝探析

武惠敏，張鳳清

（山西源盛鑄鍛公司，山西忻州 035400）

本文主要通過生產(chǎn)中積累的實際經(jīng)驗，探索了球墨鑄鐵件在生產(chǎn)中的工藝控制、生產(chǎn)方法以及球鐵件最常見缺陷的防止，對球鐵件的生產(chǎn)具有一定的指導作用。

球墨鑄鐵；熔煉；熱處理

球墨鑄鐵和灰鑄鐵相比，具有強度高、延伸率大、沖擊值高的優(yōu)點；和碳素鋼及合金鋼相比，具有較好的鑄造、加工性能。因此，球墨鑄鐵在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但由于其生產(chǎn)過程復雜，不容易控制，又給鑄件生產(chǎn)帶來了很大困難。下面就球墨鑄鐵的生產(chǎn)過程談一些個人的看法，以供同行參考。

1 球鐵的熔煉要求

1.1化學成分的選定

球墨鑄鐵的化學成分與其組織、機械性能和鑄造性能有很大關(guān)系，因此必須合理選定。首先判定牌號，由牌號來確定其組織是珠光體基還是鐵素體基，還是混合體基。從宏觀上來講是高碳、高硅、低硫、低錳，但是，具體問題要具體分析。

1.1.1 碳（C）和硅（Si）

碳促進石墨化，減少白口傾向。含碳量在一定程度上影響球化效果，含碳量高，石墨數(shù)量多，提高鎂吸收率，有利于石墨球化。硅是強烈促進石墨化和滲碳體分解的元素，硅能夠細化石墨，有利于石墨球化，并得到細小圓整的石墨球。石墨成球狀后，石墨數(shù)量對機械性能的影響已減少到最小程度，因此在選定碳、硅含量時，主要著眼于改善鑄造性能，消除鑄造缺陷，以獲得健全鑄件以保證有高的機械性能。從改善鑄造性能的角度出發(fā)，鐵水的碳當量選在共晶點附近較適宜，此時流動性最好，集中縮孔較大，易于補縮。C質(zhì)量分數(shù)一般定為3.7%～3.9%.硅對基體組織的影響十分明顯，球化處理后的終硅量影響鑄件的鐵素體含量；而且適當提高硅含量可有效提高球墨鑄鐵的高溫力學性能和抗熱疲勞性能，終硅質(zhì)量分數(shù)一般定為2.0%～3.1%.一般鐵素體球鐵，如 QT400、QT450、QT500，含硅質(zhì)量分數(shù)控制在2.6%～2.9%.綜合考慮碳當量取CE4.3%～4.6%.珠光體球鐵，如 QT600、QT700、QT800，硅質(zhì)量分數(shù)一般在2.0%～2.4%，綜合考慮碳當量取CE3.9%～4.3%.

1.1.2 錳（Mn）

由于錳在球墨鑄鐵中主要起穩(wěn)定和細化珠光體的作用，在珠光體球墨鑄鐵中添加一定量的錳可以消除鐵素體，特別是消除“牛眼”狀鐵素體組織。隨著含錳量的增加，當w（Mn）＞0.6%時，對強度有明顯的提高，但是，錳促進珠光體的作用畢竟是有限的，含錳量增加會在基體中形成碳化物、白口層或者網(wǎng)狀碳化物，極大消弱球墨鑄鐵的力學性能，使延伸率迅速下降。因此，即使是珠光體球鐵，含錳質(zhì)量分數(shù)也不應(yīng)超過0.6%.為了獲得足夠的珠光體組織，可以加適量的錫（Sn），一般控制在質(zhì)量分數(shù)0.05%～0.1%.除此之外還可以加銅（Cu），加入銅可以起到降低白口傾向、提高鑄件力學性能的作用，一般控制在質(zhì)量分數(shù)為0.45%～0.65%.綜合而言，穩(wěn)定珠光體的能力上銅的效果是錳的3倍，而錫是銅的N倍。

1.1.3 磷（P）

磷在球墨鑄鐵中有嚴重的偏析傾向，易在晶界處形成磷共晶，嚴重降低球墨鑄鐵的韌性。磷還增大球墨鑄鐵的縮松傾向。當要求球墨鑄鐵有較高的韌性時，應(yīng)將磷質(zhì)量分數(shù)控制在0.05%以下。

1.1.4 硫（S）

控制原鐵液硫含量是穩(wěn)定生產(chǎn)球墨鑄鐵的關(guān)鍵之一。如果原鐵液含硫較高，球化劑的加入量就會增多，形成硫化物夾渣就會越多，同時也加速球化衰退。采用電爐熔煉可以使原鐵液質(zhì)量分數(shù)控制在0.03%以下，而且保持穩(wěn)定；當然，過度控制硫的有害作用對鐵水質(zhì)量也不利，因為含硫太低，球化劑中的稀土元素因為沒有發(fā)揮消滅有害元素的作用而過剩，從而成為新的有害元素，比如增加白口傾向等。

1.1.5 鎂（Mg）和稀土（Re）

鎂是主要的球化元素。稀土具有脫硫、中和反球化元素的作用，對鎂具有保護作用，提高鐵液的抗衰退能力。但是稀土元素是碳化物形成元素，因此在保證球化良好的情況下盡量控制稀土的殘留量；殘余鎂質(zhì)量分數(shù)一般控制在0.03%～0.07%.70 mm壁厚以下的鑄件殘Mg質(zhì)量分數(shù)在0.03%～0.045%，殘余稀土質(zhì)量分數(shù)在0.02%～0.03%即可球化。對于厚斷面的球鐵，殘余鎂量要相對高點，但殘余稀土質(zhì)量分數(shù)應(yīng)＜0.02%，以避免石墨變壞，激冷傾向加大，造成脆性。

1.2 原材料的控制

1.2.1 生鐵、廢鋼、回爐鐵的選用

生鐵的選用首先要保證成分均勻，然后根據(jù)球鐵牌號選用合適的生鐵。當然，也有鑄造廠不使用生鐵，采用增碳劑加廢鋼的方法也是比較常見的。廢鋼的選用一般以碳鋼為主，盡量控制合金元素?；貭t鐵也要嚴格區(qū)分，盡量使用相同材料，以保證

配料的準確性。

1.2.2 球化劑、孕育劑的選用

球化劑是球化處理的必要條件，沒有它就談不上球化。球化劑分為重稀土和輕稀土兩種，一般小于500 kg，壁厚小于l00 mm的鑄件采用輕稀土球化劑；而壁厚大于l20 mm，重量大于3 t的鑄件選用重稀土球化劑。

在球鐵生產(chǎn)中孕育也是必不可少的，孕育劑及其孕育處理是球化成功的重要保證。球化后的鐵水只有進行孕育處理，才能得到細小石墨球，才能保證該組織的機械性能。常見的孕育劑有75SiFe、Si-Ba-Ca、Si-Re-Mn-Cr，等等。生產(chǎn)重大鑄件時，必須采用多元素復合孕育劑，如Si-Ba-Ca、Si-Re-Mn-Cr等，以達到好的孕育效果。

1.3 鐵水溫度

每種材質(zhì)都有各自的最佳溫度范圍，高了不行，低了也不行。一般球化處理溫度控制于l 420℃～l470℃.低于l420℃是很危險的，很難保證球化成功。若金屬液長時間處于l 500℃的情況下，C和Mg等元素都要過燒，消耗增大，也很難保證成功。同樣，澆注溫度也不能太高，也不能過低，一般小件澆注溫度≥l350℃，厚大件要低些，最低不能低于l 280℃.

1.4 鑄型工藝

球鐵在凝固過程中，有收縮和膨脹兩種現(xiàn)象。而石墨化膨脹是球鐵的特征之一。由于鐵水凝固膨脹對鑄型產(chǎn)生推力、壓力，如果鑄型的強度、硬度不夠，鑄型就會遷移，鑄件就要變形、脹砂，也可能隨之產(chǎn)生縮松、縮坑、縮沉等現(xiàn)象，所以鑄型表面硬度≥90 HBS.另外型砂必須嚴格控制水分質(zhì)量分數(shù)，一般在4.0%～5.0%，視氣候及造型方法而定；型砂必須有足夠的透氣性和好的排氣能力，這點對于能否提高鑄型緊實度特別重要，另外還要有牢固的砂箱夾緊措施。

1.5 澆注系統(tǒng)設(shè)計

球墨鑄鐵容易產(chǎn)生夾雜和皮下氣孔的缺陷，因此，澆注系統(tǒng)應(yīng)能保證鐵水平穩(wěn)地流入鑄型，并要求有良好的擋渣作用。原則上采用半封閉式澆注系統(tǒng)，盡量采用同時凝固或均衡凝固。另外還要合理地使用冒口和冷鐵，克服鑄件的縮孔、縮松缺陷。冒口的設(shè)計和使用要講究方法，冒口不一定非要設(shè)在最厚的部位和最后凝固的地方，不能完全依靠冒口的補縮作用，在制定工藝時要靈活使用。

1.6 球化處理

1.6.1 處理設(shè)備

目前常用的設(shè)備有中頻感應(yīng)電爐，沖天爐及其雙聯(lián)。使用電爐的好處是鐵水成分易于調(diào)整，澆注溫度易于保證，這也是熔煉設(shè)備的發(fā)展趨勢。

1.6.2處理方法

球化處理時，目前多采用沖入法和喂絲球化。沖入法一般比較簡單，容易掌握；缺點是鎂吸收率低，一般為40%～60%.喂絲法一般自動造型線用的多，人為因素少，比較穩(wěn)定，容易控制。沖入法的工藝過程：脫硫（一般針對沖天爐鐵水，電爐就不必。一般用 CaO50%～70%+CaC2l5%～20%或者Na2CO30.3%～0.5%）→球化和孕育（加球化劑和孕育劑）→除渣（一般用珍珠鹽）→加覆蓋劑→澆注。一般鐵水從處理到澆注完畢，時間最多不超過l5 min.孕育處理越接近澆注，孕育效果越好。為了防止孕育衰退，一般采取以下措施：l）使用長效孕育劑（含有一定量的鋇、鍶、鋯或錳的硅基孕育劑）2）盡量縮短孕育到澆注的時間。孕育劑的加入質(zhì)量分數(shù)控制在0.6%～1.4%，孕育劑加入量過少，直接造成孕育效果差。孕育劑的量過大，導致鑄件夾渣。

2 球鐵的熱處理

球鐵的機械性能主要取決于金屬基體，通過熱處理改變基體組織可以顯著改善球鐵的機械性能?？刂撇煌募訜釡囟群捅貢r間可以獲得不同比例鐵素體和珠光體基體，從而可大幅調(diào)整球鐵的機械性能。球鐵主要熱處理工藝有：退火、正火、調(diào)質(zhì)和等溫淬火。

2.1 高溫退火

用Mg處理的球鐵形成白口的傾向性大，鑄態(tài)組織中常出現(xiàn)萊氏體和自由滲碳體，需進行高溫石墨化退火。

退火工藝：鑄件加熱到900℃～950℃，保溫l h～4 h，進行第一階段石墨化，然后爐冷至720℃～780℃，保溫2 h～8 h，進行第二階段石墨化。

2.2 低溫退火

當鑄態(tài)球鐵組織只有鐵素體、珠光體及球狀石墨而無自由滲碳體時，為了獲得高韌性鐵素體球鐵，可采用低溫退火。

退火工藝：720℃～760℃保溫3 h～6 h，隨爐緩冷至600℃，出爐空冷，使珠光體中滲碳體發(fā)生石墨化分解。

2.3 正火

正火的目的是使鑄態(tài)下的鐵素體-珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w球鐵，并細化組織，以提高球鐵的強度、硬度和耐磨性。分為高溫正火和低溫正火。

高溫正火：800℃～950℃保溫l h～3 h，出爐空冷。正火冷卻易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，故球化正火后需進行回火消除，一般550℃～600℃保溫2 h～4 h時空冷。

低溫正火：820℃～860℃保溫l h～4 h.

2.4 調(diào)質(zhì)處理

將球鐵加熱到 850℃～900℃保溫2 h～4 h油淬，再經(jīng)550℃～600℃，回火4 h～6 h得到回火索氏體+球狀石墨組織。目的是得到高強度和韌性的球鐵，其綜合性能比正火還高。一般適用于截面較大、受力復雜連桿、曲軸等重要機器零件。

目的：得到高強度、高韌性的球鐵。

2.5 等溫淬火

將鑄件加熱到850℃～920℃保溫后立即投入250℃～350℃的硝酸鹽中等溫30 min～90 min，使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w。等溫淬火后應(yīng)進行低溫回火，以進一步提高球鐵的強韌性。等溫淬火適用于截面不大但受力復雜的齒輪、曲軸、凸輪軸等重要機器零件。

3 球鐵件常見缺陷及防止方法

在球墨鑄件生產(chǎn)中，除了會產(chǎn)生一般的鑄造缺陷以外，還經(jīng)常會產(chǎn)生一些特有的缺陷，如：縮孔及縮松、夾渣、皮下氣孔、石墨飄浮、球化不良及衰退，球鐵件常見缺陷及防止方法如下。

3.1 縮孔及縮松

縮孔及縮松是球墨鑄鐵最常見的鑄造缺陷。集中性縮孔多產(chǎn)生在鑄件熱節(jié)處。除縮孔外，球墨鑄鐵形成縮松的傾向比灰鐵要大得多。縮孔和縮松可以通過以下措施消除：l）提高碳當量，有利于石墨化，通過石墨化膨脹減少縮孔及縮松。2）合理使用冒口、冷鐵及澆注系統(tǒng)。3）合理選定澆注溫度，澆注溫度高些有利于補縮。

3.2 夾渣

夾渣通常稱黑渣，是球墨鑄鐵特有的缺陷之一。夾渣缺陷多出現(xiàn)在鑄件上表面或型芯下表面部位。防止措施：l）降低鐵水殘余鎂量（當然要保證球化），原鐵水硫量越低越好。2）有一定的稀土元素殘余量，質(zhì)量分數(shù)控制于0.02%～0.04%之間。3）提高澆注溫度，最好不低于l 350℃.

3.3 皮下氣孔

皮下氣孔是球鐵件最常見的缺陷之一，經(jīng)常出現(xiàn)在鑄件上表面的表皮層內(nèi)，一般位于0.5 mm～2mm處，直徑在l mm～2 mm，其內(nèi)表面光潔，又帶有石墨薄膜。實踐證明：殘鎂量質(zhì)量分數(shù)和過多水分是造成皮下氣孔的最主要因素。防止措施：l）殘鎂量小于0.05%，水分小于5%可基本消除皮下氣孔。2）鐵水除渣要干凈。3）工藝設(shè)計上盡量使鐵水平穩(wěn)進入，不要產(chǎn)生渦流。4）適當提高澆注溫度有利于皮下氣孔的消除。

3.4 球化不良及球化衰退

球化不良是由于鐵水球化條件不充分造成的，比如溫度低或者球化劑及孕育劑量不足造成石墨成球質(zhì)量差。球化衰退是由于鐵水在澆注過程中孕育不足或澆注時間太長造成石墨球逐漸還原。球化不良的特征是在銀白色的斷口上，分布有肉眼可見的黑點。防止措施：l）鐵水中應(yīng)保持有足夠的殘余鎂及稀土含量；2）降低鐵水中的含硫量，防止鐵水的氧化。3）保證鐵水球化所需的溫度。球化衰退的特征是斷口呈灰色，鑄件強度、韌性急劇下降。防止措施：l）縮短鐵水經(jīng)球化處理后的停留時間。2）增加鐵水孕育次數(shù)。

4 結(jié)束語

球鐵的生產(chǎn)主要難點是成分和溫度的有效控制，通過合理的原材料配比和合理的球化工藝，就可以得到相應(yīng)要求的球鐵。

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TG255

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1674-6694（20l7）05-0015-03

2017-06-28

武惠敏（1969-），男，高級工程師，學士，主要從事鑄造技術(shù)工作。

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.05.003