陳鵬輝，柯志敏

（1.廣東中天創(chuàng)展球鐵有限公司，廣東 英德 513000；2.廣東省高性能大型鑄件制造及模擬工程技術研究中心，廣東 英德 513000）

隨著球墨鑄鐵工藝技術的發(fā)展，大斷面球墨鑄鐵件的類型越來越多，如:大型柴油機缸體、大型輪轂、大球磨機端蓋、大型注塑機模板等，由于大斷面球鐵在凝固過程中具有典型的斷面效應，鑄件凝固時間長，加之結晶過程中釋放大量熱量，使冷卻速度降低，鑄件易產生球化與孕育的衰退、石墨漂浮、碎塊石墨、反白口、縮松、縮孔等缺陷，所以大斷面球鐵的生產技術難度較大。本文針對大斷面球墨鑄鐵陶瓷機械底座的生產工藝進行了技術攻關。

1 鑄件結構及技術要求

圖1 陶瓷機械底座鑄件

底座鑄件結構如圖1，材質EN-GJS400-18C-RT，鑄件重量20.5 t，鑄件輪廓尺寸3 050 mm×1 435 mm×1 220 mm，最大壁厚為1 050 mm，屬典型超大斷面球鐵件。鑄件技術要求為:抗拉強度350 MPa～400 MPa，屈服強度大于230 MPa，延伸率大于18%；金相組織檢驗符合GB/T9441《球墨鑄鐵金相檢驗》的要求，并要求進行鑄件心部套樣檢驗；同時鑄件進行超聲波探傷和磁粉探傷，特別是要求超聲波聲速大于5 500 m/s.

2 鑄造工藝

造型用砂采用呋喃樹脂砂，控制砂型（芯）強度σb≥10 kg/cm2；造型用砂箱剛性要好，鑄型吃砂量要夠大，保證鑄型整體剛性。在上下平面、側面以及凹位位置均勻布置冷鐵，保證厚大區(qū)域冷卻速度，如圖2 a）、b）所示；采用半開放式加過濾器底注式澆注系統(tǒng)，保證澆注平穩(wěn)并防止鐵水中夾雜進入，澆注系統(tǒng)簡圖如圖3 所示。

圖2 底座的冷鐵示意圖

圖3 陶瓷機械底座澆注系統(tǒng)簡圖

3 熔煉工藝

3.1 爐料的選擇

EN-GJS400-18C-RT 為高延伸率球鐵的牌號，要求原鐵水中Cr、Mn、Mo 等形成碳化物的合金元素相對要低，并要求其中的干擾元素盡可能低，盡可能不使用回爐料，因為經過一次球化處理一些微量元素亦會發(fā)生變化，所以應采用干擾元素含量低的原材料，爐料使用質量分數50%～60%高純生鐵和質量分數40%～50%優(yōu)質廢鋼。

3.2 化學成分的選擇

3.2.1 C、Si、CE 的選擇

對厚大斷面球墨鑄鐵件，C 的范圍的選擇既要保證充分的石墨化的要求，又要考慮到發(fā)生石墨漂浮的風險，為此選擇C 質量分數3.65%～3.7%；隨Si 含量增加，石墨化能力增強，石墨球數增加容易獲得鐵素體基體，但在厚大斷面球鐵中提高Si 含量也增加了產生碎塊狀石墨的傾向，根據經驗一般控制Si 質量分數2.0%～2.4%；CE 范圍的選擇既要保證充分的石墨化的要求，又要考慮到大斷面鑄件發(fā)生石墨漂浮的風險，為此為獲得良好的補縮性能和健全的鑄件，一般選擇共晶點附近或接近共晶點的亞共晶成分，即CE 值控制在4.2%～4.4%.

3.2.2 Mn、P

大斷面球鐵的生產中，因為P、Mn 的偏析傾向，加之底座的高延伸率要求，要對其進行嚴格的控制，要求錳質量分數不超過0.40%，P 質量分數不超過0.05%.

3.2.3 殘鎂（Mg）、稀土元素（RE）、微量元素Sb

對一般球鐵件，Mg 質量分數在0.025%～0.04%即可滿足要求，但對厚大斷面球鐵來說，為了保證厚大斷面球鐵質量，一般Mg 的質量分數應控制在0.035%～0.05%；稀土（RE）元素主要起凈化鐵水作用，即主要起脫O、S 和消除有害微量元素的作用，考慮到殘余稀土對大斷面球鐵組織的影響，確定RE 的質量分數控制在0.015%～0.03%；鐵水中加入微量Sb，能夠有效防止石墨畸變和長大，減輕球狀石墨的畸變程度，增加石墨數量和球化級別，經試驗在底座鑄件中加入質量分數0.004%～0.006%的Sb 可以獲得比較好的效果。

綜上所述，陶瓷機械底座的化學成分如表1 所示。

表1 陶瓷機械底座鑄件主要元素化學成分（質量分數，%）

3.3 球化及孕育處理

3.3.1 球化處理

采用5 t 和15 t 中頻感應電爐同時熔煉，加料順序:加增碳劑→回爐料→加廢鋼→加增碳劑，增碳劑隨廢鋼分多批次加人。選擇堤壩式球化包，沖入法的球化處理方式。

由于厚大斷面球鐵件凝固時間長，易產生球化衰退或石墨畸變，則要求球化劑不僅球化能力強而且應具抗衰退或畸變的能力，所以選用兩種球化劑A 和B，兩球化劑的成分如表2 所示。球化劑A 為含Ce 的輕稀土球化劑，其中的稀土Ce 能與Sb 產生熔點高的化合物，提高異質石墨形核，為增加大斷面石墨球數和保證石墨圓整度創(chuàng)造條件；球化劑B 是含Y 的釔基重稀土球化劑，釔基重稀土球化劑具有克服球化衰退和減輕斷面敏感性的作用。而且對厚大斷面球鐵鑄件，A 和B 兩種球化劑混合使用具有更強的抗衰退的能力，加之A/B 球化劑中鎂含量低，適量的鈣，可以使球化過程更加平穩(wěn)。生產實踐證明:將球化劑A 和球化劑B 按質量比7:3 的比例加入，能取得更好的效果，球化劑總加入質量分數為1.2%～1.4%.

使用爐前碳硅分析儀檢測原鐵水碳硅成分，并根據分析儀所測結果調整原鐵水碳、硅成分，調整為C 質量分數為3.65%～3.70%，Si 質量分數為1.0%～1.2%，并將鐵水溫度升溫至1 440 ℃～1 460 ℃左右時出水球化，控制出水量。澆注溫度控制在1 350℃～1 365 ℃.

表2 球化劑A/B 化學成分和粒度

3.3.2 孕育處理

孕育處理是獲的高質量厚大斷面球鐵的關鍵，主要使用含Ca、Ba 的硅基復合長效孕育劑。對于大斷面球鐵孕育效果不只是依靠孕育劑的組成和數量，而更重要的是在于孕育作用時間，采用多次孕育+瞬時孕育的孕育方式是很有效的方法，也更容易得到高延伸率、細小、圓整度好的石墨球和達到延緩孕育衰退保證球化效果的作用，所以確定孕育處理工藝為:在包底加入質量分數為0.3%～0.4%的孕育劑（一次孕育），出水過程加入0.4%～0.5%孕育劑（二次孕育），扒渣后在鐵水包液面加入0.2%浮硅孕育，最后在定量的澆口杯內放置質量分數為0.1%～0.15%粒度為0.2mm～0.7mm 的硫氧孕育劑。

4 試樣制備

按以上鑄造工藝生產澆注了多件陶瓷機械底座鑄件，選擇3 件鑄件的附鑄試塊進行試驗，3 塊附鑄試塊的編號分別為F1、F2、F3.將附鑄試塊加工成國標要求的試棒尺寸，檢查力學性能和金相組織，并對試塊進行濕法分析，獲取各試塊的化學成分；力學性能采用WA-600KD 型電液式萬能試驗機測試；試棒金相φ20 mm×15 mm 在XJG-05 大型顯微鏡上檢查組織；用TH110 里氏硬度計測量試塊硬度。

5 試驗結論及分析

經檢測各附鑄試塊化學成分如表3 所示，各附鑄試塊力學性能如表4 所示，

在附鑄試塊F1、F2、F3 加工取得的拉伸試棒上各截取φ20 mm×15 mm 試樣進行金相檢測，金相組織如圖4、圖5、圖6 所示，具體試樣金相檢測結果見表5.

表3 附鑄試塊主要元素的化學成分（質量分數，%）

表4 附鑄試塊力學性能

圖4 附鑄試塊F1 金相基體組織

圖5 附鑄試塊F2 金相基體組織

圖6 附鑄試塊F3 金相基體組織

從附鑄試塊的力學性能來看，三件陶瓷機械底座鑄件的各自的附鑄試塊的力學性能均滿足EN-GJS400-18C-RT 的技術標準要求；從金相組織來判定，三件鑄件的球化級別均為2 級，石墨大小都是7 級，基體組織鐵素體均大于95%，鑄態(tài)下完全符合陶瓷機械底座鑄件的力學性能和金相基體組織要求。

表5 附鑄試塊金相基體組織評價結果

經客戶檢驗反饋:鑄件本體（心部）的套樣試樣的力學性能抗拉強度（Rm）為340 MPa～370 MPa，屈服強度為Rp0.2 為223 MPa～264 MPa，伸長率11%～14.5%，超聲波聲速為5 600 m/s～5 830 m/s，質量全部滿足客戶的技術要求。

6 結論

陶瓷機械底座是大斷面高延伸率的鑄件，有著典型的斷面效應、鑄件凝固時間長、冷卻速度慢等特點，易產生球化與孕育的衰退、石墨球數少、石墨球畸變、碎塊石墨等缺陷。本文通過設計合理的鑄造工藝以及熔煉工藝，確定合適的化學成分，特別是微量元素Sb 的加入，減少了碎塊石墨的形成傾向，增加細化了石墨球。選用重稀土和輕稀土混合的球化劑A、B，并按A、B 質量比7:3 的比例加入，選用含Ba 的長效孕育劑以及多次孕育+瞬時孕育的孕育工藝，在生產過程中嚴格控制生產工藝的各個環(huán)節(jié)，生產出了客戶滿意、質量合格的陶瓷機械底座鑄件。