淺談混合基體球墨鑄鐵的質(zhì)量控制要點(diǎn)

周春燕

（東風(fēng)精密鑄造有限公司，湖北十堰 442714）

球墨鑄鐵在一些主要的工業(yè)國家中，其產(chǎn)量超過鑄鋼，成為僅次于灰鑄鐵的鑄鐵材料。我國從1950年開始生產(chǎn)球墨鑄鐵，其使用范圍已遍及汽車、農(nóng)機(jī)、船舶、冶金、化工等部門，成為重要的鑄鐵材料。

根據(jù)基體組織的不同，球墨鑄鐵可分為珠光體基體球墨鑄鐵、鐵素體基體球墨鑄鐵、混合基體球墨鑄鐵和奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵。混合基體型球墨鑄鐵是鐵素體和珠光體混合基體的球墨鑄鐵，典型牌號QT500-7，這種鑄鐵由于具有較好的強(qiáng)度和韌性的配合，多用于汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械、冶金設(shè)備及柴油機(jī)中的一些部件，例如我公司生產(chǎn)的高牌號球鐵搖臂系列產(chǎn)品。

混合基體球墨鑄鐵具有高的力學(xué)性能，是以石墨球化狀況良好為前提的，判定混合基體球墨鑄鐵是否合格的標(biāo)準(zhǔn)主要是球化級別、珠光體含量、滲碳體量及硬度，而為此就需要熔煉出良好質(zhì)量的鐵液并進(jìn)行良好的球化處理和孕育處理，也就是混合基體球墨鑄鐵生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制顯得尤為重要。

1 化學(xué)成分的選定[1,2]

選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分是保證鑄鐵獲得良好的組織狀態(tài)和高性能的基本條件，化學(xué)成分的選擇既要有利于石墨的球化和獲得滿意的基體，以期獲得所要求的性能，又要使鑄鐵有較好的鑄造性能。

1.1 基本元素

1）碳、硅

由于球狀石墨對基體的削弱作用很小，故球墨鑄鐵中石墨數(shù)量的多少，對力學(xué)性能的影響不顯著，當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3.2%～3.8%范圍內(nèi)變化時(shí)，實(shí)際上對混合基體球墨鑄鐵的力學(xué)性能無明顯影響。確定混合基體球墨鑄鐵的碳硅含量時(shí)，主要從保證鑄造性能考慮，為此將碳當(dāng)量選擇在共晶成分左右，由于球化元素使相圖上共晶點(diǎn)的位置右移，因而使共晶碳當(dāng)量移至4.6%～4.7%左右具有共晶成分的鐵液流動性最好，鐵液的致密度高。碳當(dāng)量過低時(shí)，易產(chǎn)生滲碳體且鑄件易產(chǎn)生縮松和裂紋，碳當(dāng)量過高時(shí)，就會出現(xiàn)石墨漂浮的現(xiàn)象，造成全爐報(bào)廢。硅能減小鐵液結(jié)晶過冷和形成白口的傾向，還能細(xì)化石墨，提高石墨的圓整度，但是硅又降低鑄鐵的韌性，并使韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，因此在選擇碳硅含量時(shí)，應(yīng)按照高碳低硅的原則。實(shí)際生產(chǎn)中，對于混合基體球墨鑄鐵，碳硅含量選擇爐后w（C）：3.4%～3.6%、w（Si）：2.4%～2.8%較合適。

2）錳Mn

具有嚴(yán)重的正偏析傾向，往往有可能富集于共晶團(tuán)晶界處，嚴(yán)重時(shí)會促使形成晶間碳化物，顯著降低混合基體球墨鑄鐵的韌性，且造成鑄件硬度不均勻，有硬點(diǎn)，因此w（Mn）要控制在0.3%以內(nèi)。

3）磷P

在混合基體球墨鑄鐵中同樣具有嚴(yán)重的偏析傾向，易在晶界處形成磷共晶，嚴(yán)重降低混合基體球墨鑄鐵的韌性，磷還增大球墨鑄鐵的縮松傾向，因此對于混合基體球墨鑄鐵，w（P）控制在0.05%以下。

4）硫

球墨鑄鐵中硫與球化元素有很強(qiáng)的化合能力，生成硫化物或硫氧化物，不僅消耗球化劑，造成球化不穩(wěn)定，而且還使夾雜物數(shù)量增多，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生缺陷，此外還會使球化衰退速度加快，故在球化處理前應(yīng)對原鐵液的含硫量加以嚴(yán)格控制，生產(chǎn)上一般要求原鐵液中w（S）低于0.02%.

1.2 合金元素

1）銅Cu

具有穩(wěn)定珠光體含量的作用，生產(chǎn)混合基體球墨鑄鐵時(shí)一般控制w（Cu）：0.2%～0.4%，Cu 含量偏低造成珠光體含量偏低，Cu 含量偏高則鑄件硬度偏高。

2）鉻Cr

可起到顯著的穩(wěn)定珠光體及強(qiáng)化力學(xué)性能的作用，但是當(dāng)w（Cr）大于0.15%時(shí)，會造成混合基體球墨鑄鐵強(qiáng)度高、延伸率低，因此應(yīng)嚴(yán)格控制。根據(jù)本公司實(shí)際生產(chǎn)情況，總結(jié)出：爐后的成分可以取w（C）：3.4%～3.6%、w（Si）：2.4%～2.8%、w（Mn）≤0.3%、w（P）≤0.05%、w（S）≤0.02%、w（Cu）：0.2%～0.4%較為合適。

2 出爐溫度的選擇

由于混合基體球墨鑄鐵在球化和孕育處理的過程中加入大量的處理劑，這使得鐵液要降低50 ℃～100 ℃.所以，在生產(chǎn)過程中，應(yīng)采取較高的出爐溫度，一般要求出爐溫度控制在1520 ℃～1540 ℃范圍內(nèi)，溫度偏低易造成滲碳體和珠光體含量偏低，且不利于澆注過程中型殼的排氣，鑄件內(nèi)部易出現(xiàn)氣孔缺陷；溫度偏高則容易造成球化不良。

同時(shí)，生產(chǎn)混合基體球墨鑄鐵時(shí)模殼出爐溫度不能低于650 ℃，出爐溫度偏低同樣也易造成滲碳體和珠光體含量偏低。

因此，為了生產(chǎn)合格的混合基體球墨鑄鐵，必須采取高溫出爐、“紅殼”澆注的工藝，模殼焙燒好、燒透，鐵液出爐溫度控制在1520 ℃～1540 ℃范圍內(nèi)：室溫低于15 ℃時(shí)取上限，冷包時(shí)取上限；室溫在15 ℃～25 ℃之間時(shí)取中間值；室溫在30 ℃以上時(shí)取下限。

3 球化和孕育處理

所謂球化是指在鐵液中加入某種處理劑使石墨在結(jié)晶生長時(shí)長成球狀。目前公司使用的球化劑是稀土鎂合金，其性質(zhì)活躍、脫硫、去氧能力強(qiáng)，生成的硫化鎂、氧化鎂熔點(diǎn)高，密度小，較易浮出鐵液而被除去，鎂進(jìn)入鐵液后首先起脫硫去氧作用，當(dāng)鐵液中硫量降至一定值時(shí)，鎂開始對石墨的球化起作用，促進(jìn)石墨長成球狀。但是鎂又是強(qiáng)烈穩(wěn)定碳化物的元素，殘留一定鎂量的鐵液在凝固時(shí)有很大的白口傾向，故在球化處理之后，必須進(jìn)行有效的孕育，此外孕育處理還具有消除結(jié)晶過冷、促進(jìn)石墨球化、減小晶間偏析的作用。

球化時(shí)間一般控制在30 s～50 s 內(nèi)，球化時(shí)間過短會造成球化不良，出現(xiàn)蠕蟲狀石墨；球化時(shí)間過長則導(dǎo)致球化衰退。此外，操作過程控制不當(dāng)，例如壓包不實(shí)、忘記放孕育劑等等同樣會造成球化不良、球化衰退的現(xiàn)象。因此在球化孕育過程中，不但要選擇合適的球化和孕育劑，操作過程也非常重要。

4 冷卻速度的控制

公司生產(chǎn)的混合基體球墨鑄鐵搖臂系列產(chǎn)品，是通過鑄態(tài)手段調(diào)整和改善組織中珠光體和鐵素體的相對數(shù)量及形態(tài)與分布，從而可在一定范圍內(nèi)改善和調(diào)整其強(qiáng)度和韌性的配合。而這種鑄態(tài)手段除了加入合金元素之外，對冷卻速度控制有非常嚴(yán)格的要求。

4.1 選擇適宜的時(shí)間加快冷卻速度，促進(jìn)珠光體的生存

以搖臂產(chǎn)品為例，選擇在共析溫度730 ℃～780 ℃時(shí)開始吹風(fēng)冷卻，由于受外界自然氣溫的影響，模組從澆注完最后一組到冷卻至共析溫度730 ℃～780 ℃的時(shí)間有很大的區(qū)別，因此根據(jù)自然氣溫的情況選擇了如下幾個(gè)時(shí)段進(jìn)行控制：

1）自然氣溫在20 ℃～30 ℃之間，從澆注完最后一組模組起，12 min 后放倒模組，15 min 時(shí)開始吹風(fēng)，吹風(fēng)過程需經(jīng)10 min～15 min；

2）自然氣溫等于或高于30 ℃時(shí)，澆注完15 min～18 min 放倒模組，20 min 時(shí)開始吹風(fēng)，吹風(fēng)過程必須在15min 或更長時(shí)間；

3）自然氣溫在10 ℃～20 ℃時(shí)，澆注完10 min放倒模組，12 min 時(shí)吹以微風(fēng)或不吹風(fēng)，但是放到模組是必須的過程，因三聯(lián)模組底面積大又埋在砂里面，冷卻速度太慢造成珠光體過低，達(dá)不到工藝要求。

4.2 創(chuàng)造上下、左右冷卻條件一致，保證模組各個(gè)部位珠光體均勻

為了保證模組各個(gè)部位冷卻條件一致應(yīng)嚴(yán)格控制裝箱標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過多輪的驗(yàn)證，每箱裝9 組模組冷卻質(zhì)量最有保證，且澆注完放倒后采用兩個(gè)軸流風(fēng)機(jī)實(shí)施兩側(cè)吹風(fēng)，使得模組各個(gè)部位冷卻均勻。

因公司搖臂系列產(chǎn)品產(chǎn)量較大，對放倒模組的時(shí)間有嚴(yán)格的要求，且現(xiàn)場工作環(huán)境溫度高，所以受人為因素影響，質(zhì)量總是不穩(wěn)定，經(jīng)常會出現(xiàn)整爐報(bào)廢現(xiàn)象，嚴(yán)重增加制造成本。為了改善之前的現(xiàn)狀，經(jīng)過幾個(gè)月的反復(fù)驗(yàn)證，終于找到一種更好的辦法——懸空冷卻，如圖1c）所示，這樣不但大大降低了工人的勞動強(qiáng)度，改善了現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境，而且冷卻條件不再受人為和時(shí)間控制，鑄件質(zhì)量穩(wěn)定性大大提高。

5 不合格品的挽救

當(dāng)球化級別達(dá)到1～3 級、珠光體含量40%～80%、滲碳體≤3%、硬度在187 HB～255 HB 范圍內(nèi)，產(chǎn)品為合格。一般情況下，混合基體球墨鑄鐵出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)滲碳體、珠光體含量偏低和硬度偏高的時(shí)候，需通過熱處理手段進(jìn)行挽救。其熱處理工藝如表1 所示。

圖1 搖臂產(chǎn)品冷卻條件改善過程圖

表1 混合基體球墨鑄鐵不良品熱處理工藝

6 結(jié) 論

為了生產(chǎn)出合格的混合基體球墨鑄鐵，避免生產(chǎn)過程中出現(xiàn)珠光體含量不均勻、滲碳體含量超標(biāo)等不良品，必須要滿足以下基本條件：

1）選擇合適的化學(xué)成分：參考范圍w（C）：3.4%～3.6%、w（Si）：2.4%～2.8%、w（Mn）≤0.3%、w（P）≤0.05%、w（S）≤0.02%、w（Cu）0.2%-0.4%；

2）掌握“高溫出爐、紅殼澆注”的原則，中小件參考出爐溫度1520 ℃～1540 ℃，模殼溫度≥650 ℃；

3）良好的球化和孕育，球化時(shí)間控制在30 s～50 s 范圍內(nèi)；

4）澆注后保證模組均勻冷卻。

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