厚大斷面球墨鑄鐵件球化率的控制

■ 陳光金

由于厚大斷面球墨鑄鐵件模數(shù)大、過冷度低、石墨核心較少，以及在促進(jìn)奧氏體枝晶形成元素的作用下，奧氏體枝晶生產(chǎn)時間長，枝晶豐富且分支較大，其對共晶凝固石墨的形成和分布有著一定的影響，通常會出現(xiàn)碎塊狀石墨、開花狀石墨、畸形石墨，以及球化衰退或孕育衰退等問題，從而嚴(yán)重影響球墨鑄鐵的球化率，進(jìn)而影響到力學(xué)性能。

一、大試塊試驗(yàn)設(shè)計

1.試塊尺寸設(shè)計

為了盡可能模擬厚大斷面鑄件的凝固過程，設(shè)計了尺寸為400mm×400mm×400mm的大試塊，其凝固時間可以通過經(jīng)驗(yàn)公式來核算，也可通過凝固模擬來測算。本試驗(yàn)經(jīng)過核算，設(shè)計澆注溫度為1340℃，立方體試塊凝固時間約4h，用于模擬厚大斷面球墨鑄鐵件的凝固。

2.試塊澆注系統(tǒng)設(shè)計

考慮到大試塊凝固時間長，液態(tài)收縮過程是需要液態(tài)補(bǔ)縮的，通過直澆道給予少許液態(tài)補(bǔ)縮是需要的。鐵液通過縫隙式內(nèi)澆口從試塊側(cè)面進(jìn)入，保證鐵液充型過程液面的平穩(wěn)性。試塊鑄造工藝如圖1所示。

圖1 大試塊的鑄造工藝

3.試塊造型工藝要求

采用泡沫模樣縮尺1%，做成試塊形狀，周邊填砂后挖出泡沫模樣，使用耐火度好的鋯英粉涂料施涂后進(jìn)行烘干，合箱后澆注。特別注意，為了盡可能模擬厚大件凝固過程，不得使用耐火度蓄熱能力強(qiáng)的鉻鐵礦砂，更不得使用冷鐵，試塊必須采用普通呋喃樹脂砂造型，盡可能地模擬實(shí)際生產(chǎn)情況。

4.試塊取樣位置要求

圖2 大試塊金相及力學(xué)性能取樣

如圖2所示，在距離試塊一側(cè)開始距離為100mm、200mm、350mm處切取φ30mm×400mm的棒料3根，再從棒料中間鋸切成兩半共6根φ30mm×200mm的棒料，按照GB/T1348－2009加工成φ14mm的試樣，然后進(jìn)行力學(xué)性能測試和金相檢驗(yàn)。

5.配料

鑄造材料的遺傳性包含了化學(xué)成分遺傳性、結(jié)構(gòu)的遺傳性。為了防止因?yàn)樯F中粗大石墨的遺傳效應(yīng)，也為了降低生產(chǎn)成本，該試塊鐵液熔煉主材采用40%～60%的廢鋼加上40%～60%的澆冒口系統(tǒng)返回料，通過熔煉過程添加高溫石墨化增碳劑，來保證鐵液的冶金質(zhì)量。為了防止微量元素帶來石墨形態(tài)的畸變，選擇純凈的沖壓廢鋼邊角料和明確成分的澆冒口系統(tǒng)返回料，爐料要求干凈無銹蝕，以減少爐內(nèi)鐵液O、S帶來的影響。

6.化學(xué)成分的選擇

首先結(jié)合試塊的模數(shù)及澆注溫度，為了降低石墨漂浮，防止碎塊狀石墨的產(chǎn)生，控制CE＝4.15%～4.25%、wC＝3.45%～3.60%、wSi＝2.10%～2.25%?？紤]到利用M n的合金化作用（部分固溶強(qiáng)化、另外提高珠光體含量），控制wMn＝0.30%～0.40%。P、S為有害元素，控制wP＜0.07%、wS＜0.02%。在厚大斷面球墨鑄鐵中，為了防止球化衰退，控制wMg＝0.035%～0.045%。厚大斷面易于出現(xiàn)碎塊狀、開花狀石墨，適當(dāng)?shù)呐淙肱c稀土匹配的Sb元素，原鐵液中加入wSb＝0.003%～0.005%，以減小碳的擴(kuò)散能力，從而阻礙碳的過分石墨化。

7.球化及孕育

總體球化思路是選擇純凈的原鐵液，采用低稀土球化劑，利用沖入法先球化后孕育的方式，待球化進(jìn)行時孕育劑采用孕育工裝進(jìn)行孕育，澆注時再進(jìn)行一次隨流孕育。球化劑及孕育劑的加入量及成分見表1。

8.澆注溫度設(shè)計

由于試塊整體比較厚大，依據(jù)模數(shù)、C E，綜合考慮選擇大試塊的澆注溫度為（1340±10）℃。

二、大試塊初次試驗(yàn)結(jié)果

加工制取φ14m m拉伸試樣，進(jìn)行力學(xué)性能測試。

1.力學(xué)性能及球化率測試

試塊力學(xué)性能及金相檢測出現(xiàn)嚴(yán)重不合格，力學(xué)性能見表2，金相檢測見表3。

2.試塊快冷表層與慢冷心部的元素宏觀偏析情況

為了進(jìn)一步了解元素Mg的心部宏觀的偏析及衰退情況，對試塊表層快冷部分及心部慢冷部分取樣做化學(xué)分析，測試結(jié)果未見明顯宏觀偏析和衰退。Mg的衰退不明顯，這是由于Mg的衰退與Mg氧化有關(guān)，進(jìn)入型腔的鐵液在還原氣氛下Mg的衰退可以忽略不計，因此筆者認(rèn)為相關(guān)教科書中所述厚大球墨鑄鐵件必須采用高的殘余Mg的說法有必要進(jìn)一步論證，實(shí)際上在厚大球墨鑄鐵件上的殘余Mg控制筆者不主張高的Mg含量，控制在wMg＝0.035%～0.045%即可。Mg、RE的測試結(jié)果見表4。

表1 球化劑及孕育劑的成分及加入量

表2 力學(xué)性能測試（GB/T228.1-2010 ）

表3 金相測試（GB/T9441-2009 ）

三、大試塊球化率的改進(jìn)

1.碎塊狀石墨形成的原因分析

目前關(guān)于碎塊狀石墨形成沒有統(tǒng)一的結(jié)論，筆者認(rèn)為試塊心部出現(xiàn)碎塊狀石墨的主要原因是試塊壁厚較大，心部冷卻緩慢及石墨化核心不足造成的。周繼揚(yáng)老師認(rèn)為壁厚厚大、凝固時間長、過冷度小，使離異共晶條件遭到破壞，共晶條件向非離異共晶發(fā)展。因此凝固時間和過冷度是主要原因，此外大試塊凝固時間太長，RE、Sb等微量元素會存在偏析，也會破壞奧氏體殼的穩(wěn)定性，石墨沿著奧氏體殼破壞通道生長，石墨發(fā)生變異。

Cathrine Hartung， Oddvar Knustad， Kjell Wardener等人認(rèn)為，碎塊狀石墨是在冷卻緩慢、成核潛能低、CE高、以及RE和微量元素偏析情況下造成的，建議從孕育效果、Sb中和RE、阻礙碳原子擴(kuò)散，以及提高冷卻速度方面著手解決。

2.球化率的改進(jìn)措施

主要從提高球化能力、增加石墨核心、縮短凝固時間方面著手來解決碎塊狀石墨，具體措施如下。

（1）配料 考慮到成本問題不做調(diào)整，試塊鐵液熔煉主材采用40%～60%的廢鋼加40%～60%的澆冒口返回料。

（2）化學(xué)成分 適當(dāng)提高CE，控制wCE＝4.35%～4.45%，產(chǎn)生開花狀石墨的風(fēng)險不會太大?？刂苭C＝3.65%～3.75%、wSi＝2.10%～2.25%，其他方面暫時不做調(diào)整。

（3）縮短凝固時間 降低澆注溫度，控制在（1320±10）℃。

（4）提高球化能力 將球化溫度控制在1450℃左右，球化劑上覆蓋0.2%硅鋇孕育劑，球化能力剛好合適，既不會太強(qiáng)也不會太弱。球化完畢后鐵液中的渣易于浮出，便于除渣，可保證鐵液純凈。

（5）孕育處理 分3次孕育，包括球化時的埋包孕育、球化完畢的倒包孕育、澆注時的隨流孕育，總孕育量控制在鐵液重量的0.6%～0.9%。

3.改進(jìn)效果

試塊力學(xué)性能有較大的提高，滿足預(yù)設(shè)要求。大試塊心部金相球化率在2～3級，也滿足了預(yù)設(shè)結(jié)果，力學(xué)性能檢測結(jié)果見表5，金相檢測結(jié)果見表6。

四、結(jié)語

（1）從400mm×400mm×400mm的球墨鑄鐵大試塊試驗(yàn)結(jié)果來看，即使在很低Si含量的情況下，厚大斷面球墨鑄鐵也極易出現(xiàn)碎塊狀石墨，從而嚴(yán)重影響其力學(xué)性能，生產(chǎn)上必須給予足夠的重視。

表4 試塊心部與試塊表層殘余Mg（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的宏觀差異 （%）

表5 試塊力學(xué)性能測試結(jié)果

表6 試塊金相測試結(jié)果

（2）通過合理選擇CE值和澆注溫度，可以防止厚大斷面球墨鑄鐵出現(xiàn)開花狀石墨的風(fēng)險。

（3）碎塊狀石墨可以通過縮短凝固時間、加強(qiáng)孕育效果、適當(dāng)提高碳當(dāng)量等方面的措施來解決。

（4）在原鐵液S含量較低的情況下，即使是厚大球墨鑄鐵件，也沒必要必須保證較高的殘余Mg含量，對于球墨鑄鐵而言，低S情況下殘余Mg衰退并不嚴(yán)重。

綜上所述，通過選擇合適的配料、碳當(dāng)量、澆注溫度、孕育方法及球化劑等措施，在厚大斷面球墨鑄鐵上依然可以得到2～3級球化率的球墨鑄鐵。