球墨鑄鐵中碎塊狀石墨的形成原因及防止措施

韓 虎，王 娟

（江蘇力源金河鑄造有限公司，江蘇 如皋 226500）

1 碎塊狀石墨的形成原因

相比于正常球狀石墨，碎塊狀石墨的差異性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是形態(tài)上的差異性，正常石墨以球狀形式呈現(xiàn)，而碎塊狀石墨則為不規(guī)則碎塊；另一方面是分布特點(diǎn)的差異性，一般情況下正常石墨分布在奧氏體基體之上，而碎塊狀石墨則是沿奧氏體枝晶分布。從碎塊狀石墨與正常球狀石墨的差異性表現(xiàn)可以看出，兩者的形成機(jī)理也有所不同。

國(guó)外有學(xué)生認(rèn)為二次石墨會(huì)產(chǎn)生的一定的膨脹壓力，在這一壓力作用之下初生是石墨球會(huì)出現(xiàn)發(fā)生破裂的情況，進(jìn)而形成碎塊狀石墨，但是這一理論無(wú)法對(duì)碎塊狀石墨沿奧氏體枝晶分布進(jìn)行合理的解釋，這一理論的準(zhǔn)確性有待商榷；國(guó)內(nèi)學(xué)者周繼揚(yáng)等人認(rèn)為碎塊狀石墨形成的原因主要是石墨與奧氏體之間的松散耦合所形成的，但是他們沒(méi)有對(duì)為何會(huì)形成松散耦合做出合理的解釋與說(shuō)明。結(jié)合多年的時(shí)間經(jīng)驗(yàn)，并查閱了相關(guān)資料，本人認(rèn)為無(wú)論是球狀石墨還是碎塊狀石墨，它們都是從液態(tài)中直接析出而成，但具體形成的原因與生長(zhǎng)條件存在著一定程度的差異[1-3]。

一般情況下，當(dāng)鐵液發(fā)生凝固時(shí)，會(huì)首先析出初生石墨球與共晶石墨球。在液態(tài)中，球狀石墨會(huì)進(jìn)行自由形核生長(zhǎng)，在這一過(guò)程之中石墨球周邊的貧C鐵液逐漸形成奧氏體，隨著時(shí)間的推移奧氏體外殼會(huì)對(duì)球狀石墨進(jìn)行包圍。反之，當(dāng)鐵液在凝固的過(guò)程之中，初生石墨的形核能力相對(duì)較弱，同時(shí)受到周邊環(huán)境的影響，使得石墨晶核在析出之后再次發(fā)生一定程度的溶解。

在這一情況之下，過(guò)冷鐵液會(huì)對(duì)初生奧氏體枝晶進(jìn)行優(yōu)先析出，因此奧氏體枝晶間便會(huì)形成一定的殘余液體，且這些殘余液體是相互連通的。而在殘余液體之中，C原子呈現(xiàn)出過(guò)度飽和狀態(tài)。在這種情況之下，當(dāng)殘余鐵液發(fā)生凝固之后，c原子便會(huì)從中析出。需要注意的是，此時(shí)周圍固態(tài)奧氏體會(huì)受到一定程度限制，因此無(wú)法以正常的形態(tài)進(jìn)行析出，只能自由長(zhǎng)大，進(jìn)而形成了碎塊狀石墨。

2 碎塊狀石墨形成的影響因素

2.1 Ni、Si的影響

相比于一般的球墨鑄鐵，碎塊狀石墨更容易在高Ni奧氏體球墨鑄鐵中形成，究其原因，主要是與合金元素含量存在著一定的聯(lián)系。當(dāng)高Ni球墨鑄鐵在凝固的過(guò)程中，Ni、Si能夠?qū)W氏體殼產(chǎn)生一定程度的影響并使其熔點(diǎn)降低，在這種情況之下，共晶石墨球在凝固時(shí)不容易被奧氏體殼包圍，共晶石墨表現(xiàn)出不穩(wěn)定的狀態(tài)。同時(shí)，Ni是促進(jìn)奧氏體的元素，會(huì)促使奧氏體枝晶單獨(dú)析出并生長(zhǎng)，當(dāng)w（Ni）量在30%以上時(shí)，在室溫狀態(tài)之下仍然為穩(wěn)定的奧氏體組織。除此之外，w(C)量相對(duì)較低時(shí)，在凝固過(guò)程中石墨化能力較弱[4-6]。

2.2 RE的影響

當(dāng)前狀況下，RE對(duì)碎塊狀石墨的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者持有不同的看法。本人認(rèn)為Ce可以直接導(dǎo)致奧氏體球墨鑄鐵形成碎塊狀石墨。在鑄件的淺表面，其冷卻的速度相對(duì)較快，在這種情況之下RE元素?zé)o法及時(shí)偏析，同時(shí)由于石墨晶核較多，最終會(huì)形成正常組織。而對(duì)于鑄件的其它部位而言，其冷卻速度相比于鑄件的淺表面較慢，在這一情況下RE存在著足夠的時(shí)間進(jìn)行偏析，進(jìn)而對(duì)石墨球周圍奧氏體殼的穩(wěn)定性造成一定程度的破壞，難以形成正常共晶體。同時(shí)，還受到高含量Ni、Si的影響，多個(gè)方面的因素最終導(dǎo)致了碎塊狀石墨的形成。

2.3 凝固時(shí)間的影響

一般情況下，凝固時(shí)間與鑄件厚度為正比例關(guān)系，即凝固時(shí)間也隨著鑄件部位厚度的增加而增長(zhǎng)，同時(shí)石墨的形核能力響度調(diào)查。在這種情況之下很難形成正常的共晶團(tuán)組織，就算其中不含有Ni元素，也存在很高的可能性會(huì)形成碎塊狀石墨，而要想對(duì)厚大件的碎塊狀石墨進(jìn)行有效的減輕或消除，就必須具備足夠多的石墨形核數(shù)量。基于這一方面的考慮，可以采取如下三種方式進(jìn)行處理：第一，強(qiáng)化孕育；第二，對(duì)Sb、Sn等表面活性元素進(jìn)行一定程度的添加；第三，對(duì)散熱條件進(jìn)行科學(xué)合理的優(yōu)化。

2.4 孕育的影響

通過(guò)對(duì)孕育進(jìn)行一定程度的強(qiáng)化，可以對(duì)正常石墨晶核起到一定的促進(jìn)作用，使得共晶團(tuán)數(shù)增加，即使w（Ni）y與w（Si）量高，但是同樣存在著較多數(shù)量的石墨核心，因此可以對(duì)碎塊狀石墨的形成條件起到一定的抑制作用。當(dāng)鑄件厚大部位冷卻時(shí)間相對(duì)較慢時(shí)，可以采用強(qiáng)化孕育的方式對(duì)碎塊狀石墨進(jìn)行一定程度的消除。當(dāng)普通球鐵中存在少量的RE時(shí)，通過(guò)強(qiáng)化孕育的方法也能夠取得較為明顯的效果。

3 碎塊狀石墨的防止措施

①對(duì)出爐溫度進(jìn)行合理有效的控制，將原先的(1600℃ ～1630℃調(diào)整到1570℃ ～1600℃ )1570℃ ～1600℃調(diào)整到1540℃～1560℃的范圍之間，通過(guò)降低鐵液溫度的方式對(duì)孕育效果進(jìn)行一定程度的增強(qiáng)，避免因?yàn)闇囟冗^(guò)高而造成孕育衰退的情況，對(duì)石墨球數(shù)進(jìn)行有效增加。②多次孕育，包內(nèi)孕育為0.2%～0.3%的Si-Ba孕育劑，倒包孕育為(0.4%～0.6%)0.2%至0.3%的(Si-Sr)Si-Ba孕育劑；同時(shí)，在澆注的過(guò)程中加入(0.1%～0.15%)0.1%～0.15%的Si-Ba孕育劑，使其隨流孕育。除此之外，對(duì)孕育劑的粒度進(jìn)行一定程度的(增加)增大，從原先的2mm～5mm之間增加至3mm～8mm的范圍之內(nèi)，這樣一來(lái)，就可以的孕育效果進(jìn)行一定程度的保證。③（加入一定的Sn，質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.05%～0.08%之間。）球化劑中Re含量由2%～2.5%，降為1%～1.5%。

為了對(duì)上述碎塊狀石墨的防止措施進(jìn)行驗(yàn)證，我們通過(guò)公司一款新產(chǎn)品經(jīng)過(guò)了多次驗(yàn)證檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果顯示，鑄件的厚處與薄處（的）均無(wú)碎塊狀石墨與球化率都達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。綜合分析上述的碎塊狀石墨解決措施，強(qiáng)化孕育是一種十分有效的措施，通過(guò)強(qiáng)化孕育可以對(duì)鐵液中石墨的形核能力與長(zhǎng)大能力進(jìn)行一定程度的提升，并有效解決了碎塊狀石墨的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要針對(duì)球墨鑄鐵中碎塊狀石墨的形成原因及防止措施進(jìn)行研究與分析。首先對(duì)碎塊狀石墨的形成原因進(jìn)行了一定程度的闡述，提出了本人的看法。然后在此基礎(chǔ)之上從Ni與Si的影響、RE的影響、凝固時(shí)間的影響、孕育的影響等方面分析了碎塊狀石墨形成的影響因素。最后提出了三項(xiàng)碎塊狀石墨的防止措施，分別為控制出爐溫度、多次孕育以及加入0.05%～0.08%的Sn，降低球化劑中Re含量至1%～1.5%，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，取得了良好的效果。綜上所述，碎塊狀石墨會(huì)對(duì)球墨鑄鐵件造成十分不利的影響，了解碎塊狀石墨的形成原因，掌握碎塊狀石墨形成的影響因素，提出具有針對(duì)性且行之有效的防止措施，切實(shí)提高球墨鑄鐵件的生產(chǎn)質(zhì)量，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義與經(jīng)濟(jì)意義。