（1.廣東中天創(chuàng)展球鐵有限公司，廣東英德 513042；2.廣東省高性能大型鑄件制造及模擬工程技術(shù)研究中心，廣東英德 513042）

某設(shè)備的重要軋輥部件，原為焊接件，現(xiàn)改為球墨鑄鐵件試制。應(yīng)客戶要求，材質(zhì)應(yīng)符合DIN EN 1563：2012-3 《鑄造—球墨鑄鐵》，牌號(hào)EN-GJS-400-18U-RT，附鑄試塊尺寸為200 mm×200 mm×200 mm.鑄件需要在本體兩端軸心部套樣做力學(xué)性能、金相組織檢查，要求本體力學(xué)性能Rm≥350 MPa，Rp0.2≥230 MPa，A≥10%.鑄件需要100%進(jìn)行超聲波、磁粉探傷；兩端軸100%滲透探傷。本文從鑄造工藝、熔煉工藝和生產(chǎn)結(jié)果介紹大型球墨鑄鐵軋輥的試制情況。

1 鑄造工藝分析與設(shè)計(jì)

軋輥結(jié)構(gòu)如圖1 所示，外形尺寸為φ2 000 mm×4 500 mm，鑄件重量約19 t，輥身段主要壁厚，兩端軸直徑φ320 mm.加工后要求用超聲波檢測(cè)壁厚，要求壁厚均勻；若壁厚不均勻，將嚴(yán)重影響動(dòng)平衡的配重重量。軋輥重量大，壁厚要求均勻，生產(chǎn)的技術(shù)難度較大。

圖1 大型軋輥結(jié)構(gòu)示意圖

雖然軋輥的主要壁厚是55 mm～107 mm，但最厚處軸為φ320 mm，也可以算為厚大斷面球墨鑄鐵。生產(chǎn)厚大斷面球鐵件常常出現(xiàn)石墨漂浮、石墨開花、碎塊狀石墨，直接影響到本體套樣的力學(xué)性能和金相組織。軋輥輪廓尺寸大，在上下端法蘭與輥身連接處熱節(jié)厚大，必須設(shè)計(jì)出適合的澆注系統(tǒng)和補(bǔ)縮系統(tǒng)，使鐵液充型平穩(wěn)、快速，鑄造凝固均衡，補(bǔ)縮良好，防止出現(xiàn)沖砂、夾渣、縮孔、縮松等鑄造缺陷。如澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，未對(duì)鐵液進(jìn)行有效過濾，則容易在上法蘭附近產(chǎn)生夾渣缺陷，因此在橫澆道底部與陶瓷管連接位置放置過濾網(wǎng)。

設(shè)計(jì)鑄造工藝時(shí)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行凝固模擬，根據(jù)凝固模擬的結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整冒口、冷鐵的大小和位置，最終獲得一個(gè)比較滿意的凝固模擬結(jié)果，軋輥鑄造工藝見圖2.澆注系統(tǒng)采用底注式，澆注時(shí)間為120 s，直澆道采用φ120 陶瓷管，澆注系統(tǒng)各組元的比例F直∶F橫∶F內(nèi)=1∶2∶1.2.

圖2 軋輥鑄造工藝模擬圖

在軋輥上端法蘭端面放置陶瓷管做暗冒口。上端軸頂部放大冒口補(bǔ)縮?？紤]到上法蘭附近是厚大熱節(jié)部位，最容易出現(xiàn)補(bǔ)縮不足造成的縮孔，為了提高補(bǔ)縮效率，取得良好的補(bǔ)縮效果，采用冷鐵和冒口相結(jié)合的補(bǔ)縮系統(tǒng)。

2 造型工藝

造型采用呋喃樹脂自硬砂造型、制芯，涂料使用醇基鋯英涂料，防止粘砂。由于軋輥整體需要100%超聲波檢測(cè)，如果鑄型的剛性（強(qiáng)度）不夠，則易出現(xiàn)超聲探傷缺陷超標(biāo)導(dǎo)致不合格等問題。為了防止這些鑄造缺陷，需要適當(dāng)增加型砂中樹脂的加入量，以提高砂型的強(qiáng)度。

軋輥鑄件的高度為4 500 mm，加上冒口和拔塞澆口杯的高度，整個(gè)鑄造高達(dá)7 m 多，考慮到操作方便，因此采用三箱造型。雖然外模結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但要保證壁厚均勻，首先要保證砂型尺寸準(zhǔn)確，型腔內(nèi)尺寸均勻是保證壁厚的關(guān)鍵。內(nèi)孔砂芯直徑φ1 880 mm，屬于大砂芯，大砂芯下芯難度大，砂芯定位精度低，加上下型深度偏高，因此在合箱前需要仔細(xì)測(cè)量上下型多個(gè)位置的型腔尺寸，確保砂芯垂直度。

由于鐵液的壓頭很高，容易發(fā)生脹砂、粘尖、跑火等鑄造缺陷。壓頭高抬箱力大，除了采用常規(guī)的放置壓鐵、用螺栓緊固砂箱的方法，還要焊接鋼板在分型面，對(duì)砂箱分型面進(jìn)行圍砂加固，以防止跑火。

3 熔煉工藝

3.1 確定化學(xué)成分

鑄件的化學(xué)成分直接影響鑄件的力學(xué)性能，而且也影響到流動(dòng)性、收縮性等工藝性能。對(duì)于高要求鐵素體球墨鑄鐵件應(yīng)當(dāng)采用“高碳、低硅、低錳、低硫、低磷、較低的稀土和鎂”的原則來確定成分。

3.1.1 C 含量

對(duì)球墨鑄鐵來說，含碳量高，有利于石墨析出，石墨球圓整度增加，球徑?。贿m當(dāng)提高碳當(dāng)量也有利于減少縮孔，提高鑄件的致密度。但考慮到過高的含碳量可能出現(xiàn)石墨漂浮，將碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)定為3.60%～3.70%.

3.1.2 Si 含量

Si 是石墨化元素，隨著含硅量的增加，球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度增加，伸長(zhǎng)率和沖擊韌性下降。在生產(chǎn)鐵素體球墨鑄鐵時(shí)，含硅量的控制尤為重要。較高的含硅量會(huì)引起大斷面球墨鑄鐵件出現(xiàn)碎塊狀石墨。從金相組織、強(qiáng)度以及防止石墨畸變等方面綜合考慮，確定合適的含硅量，將硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在2.20%～2.40%.

3.1.3 碳當(dāng)量

防止石墨漂浮的主要措施是控制好碳當(dāng)量。結(jié)合以往往做厚大斷面球鐵件的經(jīng)驗(yàn)，碳當(dāng)量控制在4.40%～4.60%.

3.1.4 Mn 含量

Mn 屬于反石墨化元素，促進(jìn)珠光體和滲碳體的形成。錳和硅的作用類似，可以提高球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度，但對(duì)伸長(zhǎng)率的不利影響較硅更為嚴(yán)重。錳的增加使珠光體量增加，而且固溶于鐵素體中并強(qiáng)化鐵素體，此外錳還容易出現(xiàn)微區(qū)偏析。對(duì)于鑄態(tài)高韌性球墨鑄鐵來說，錳是屬于弊大于利的元素，應(yīng)當(dāng)盡可能將含錳量控制在較低的水平。將錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.3%以下。

3.1.5 P 含量

P 在球墨鑄鐵中很容易偏析，在晶界形成磷共晶硬脆相，對(duì)球墨鑄鐵的力學(xué)性能特別是塑性和沖擊韌性產(chǎn)生十分惡劣的影響。所以，生產(chǎn)鐵素體球墨鑄鐵時(shí)，總是希望磷越低越好。但受生鐵磷含量限制，控制過低的磷是不現(xiàn)實(shí)的。使用高純生鐵，可以將磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.03%以下。

3.1.6 S 含量

S 是球墨鑄鐵中最主要的反球化元素，屬于雜質(zhì)有害元素，當(dāng)然是越低越好。還應(yīng)該注意到，較低的含硫量不僅有利于球化反應(yīng)和保持球化效果，而且較低的含硫量，對(duì)減輕“回硫現(xiàn)象”，減少夾渣也大有益處。這一點(diǎn)，對(duì)要求進(jìn)行超聲波探傷、磁粉探傷的鑄件很值得重視。

3.1.7 RE 含量

RE 是屬于反石墨化元素，又易于偏析，過高的殘留稀土量將可能導(dǎo)致異形石墨的形成，這在厚大斷面球墨鑄鐵中值得重視。因?yàn)樯a(chǎn)要求高的鑄件必須使用微量元素較低的高純生鐵，不必要求較高的殘留稀土量。所以，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格將殘留稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.02%以下。

3.1.8 Mg 含量

Mg 是主要的球化元素，生產(chǎn)厚大斷面球鐵件要求有足夠的石墨球數(shù)，隨著鑄件壁厚的增大，凝固時(shí)間延長(zhǎng)，鐵水中殘留鎂量會(huì)逐漸消耗。石墨球數(shù)量是隨著殘留鎂的增加而增加的，但殘留鎂量超過一定數(shù)值后，石墨球數(shù)不增反減。另外，較高的殘留鎂量還會(huì)影響到石墨的圓整度，增大縮松傾向和夾渣。因此，在確保石墨球化的前提下，把殘留鎂量控制中下限較為合適，將殘留鎂控制在0.030%～0.050%.

如上所述，化學(xué)成分控制范圍如表1 所示。

表1 化學(xué)成分控制范圍（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

3.2 原材料的選擇

生產(chǎn)鑄態(tài)高韌性的球墨鑄鐵要求選用優(yōu)質(zhì)的原材料。一般選用低錳、低磷、低硫的高純生鐵，尤其應(yīng)嚴(yán)重控制Ti、V、Cr、Pb、Sn、As、B 等雜質(zhì)元素的含量，微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和不大于0.06%.

用成分穩(wěn)定的碳素廢鋼，所用廢鋼取樣做光譜分析檢驗(yàn)，控制ω（Mn）≤0.30%，ω（Ti）＜0.030%.

3.3 球化處理

一般認(rèn)為，厚大斷面球鐵鑄件生產(chǎn)中，重稀土與輕稀土相比較，重稀土的抗球化衰退作用更強(qiáng)，因此在厚大斷面球墨鑄鐵中提倡用釔基重稀土球化劑。但也此有不同的意見，認(rèn)為在1 300 ℃以下，重稀土的抗球化衰退作用并不比輕稀土強(qiáng)?？紤]到輥身部位壁厚并不是太大，采用經(jīng)驗(yàn)的做法，按照一定的比例，將重稀土和輕稀土混合使用，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.3%～1.4%.

用沖入法進(jìn)行球化處理?？刂畦F液出爐溫度在1 430 ℃～1 450 ℃，防止球化劑嚴(yán)重?zé)龘p。在操作過程中防止鐵液提前反應(yīng)，球化劑放入堤壩式鐵水包后用矽鋼片覆蓋表面。

3.4 孕育處理

孕育處理是鐵液處理的關(guān)鍵，孕育劑采用75#、高鈣鋇孕育劑相結(jié)合三次孕育方法。包底孕育的孕育劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.3%，隨流孕育的孕育劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%～0.5%，瞬時(shí)孕育的孕育劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.2%，控制總孕育劑的加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.8%～1.0%。控制澆注溫度在1 350 ℃～1 360 ℃.

4 生產(chǎn)結(jié)果

圖3 為鑄件實(shí)物圖。

圖3 鑄件實(shí)物圖

4.1 附鑄試塊檢驗(yàn)

圖4 為附鑄試塊切割取樣圖，試塊切割嚴(yán)格按照DIN EN1563-2012 鑄造-球墨鑄鐵附錄G（規(guī)范性的）鑄樣附鑄試件類型D 的切割步驟進(jìn)行，每一個(gè)試樣的位置都要有嚴(yán)格的標(biāo)識(shí)要求。

圖4 附鑄試塊切割取樣圖

從附鑄試塊位置B 取樣做化學(xué)成分、力學(xué)性能、沖擊韌性、金相組織檢驗(yàn)。表2 為用濕化分析檢驗(yàn)附鑄試塊的化學(xué)成分。表3 附鑄試塊檢驗(yàn)的力學(xué)性能。表4 為附鑄試塊的金相組織。圖5 為金相組織。

表2 試塊化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表3 試塊力學(xué)性能

表4 試塊金相組織

圖5 附鑄試塊金相組織

4.2 本體取樣檢驗(yàn)

圖6 為兩端軸心部套樣實(shí)物照片。表5 為軸心部本體力學(xué)性能。表6 為軸心部本體套樣金相組織。圖7 為軸心部本體金相組織。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過詳細(xì)分析軋輥結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)鑄造工藝時(shí)全面考慮可能存在的問題，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果不斷完善鑄造工藝。在造型過程控制好型腔均勻性達(dá)到控制壁厚均勻的目的。同時(shí)選擇合適的化學(xué)成分，強(qiáng)化球化孕育處理，可以穩(wěn)定生產(chǎn)出高要求的軋輥。

圖6 軸心部套樣實(shí)物圖

表5 軸心部力學(xué)性能

表6 軸心部金相組織

圖7 本體金相組織