QT600-8 輪轂法蘭盤防止碎塊狀石墨出現(xiàn)的生產(chǎn)工藝

王 輝，代 超，張懷紅，趙 科，王開文

（青島青特集團(tuán)，山東 青島 266000）

本公司生產(chǎn)的輪轂法蘭盤類型鑄件如圖1 所示，該產(chǎn)品壁厚懸殊，厚大位置直徑為171 mm，薄壁位置為25 mm，該鑄件要求不允許有任何鑄造缺陷，牌號(hào)要求為QT600-8.鑄件屬于高抗拉強(qiáng)度，高延伸率要求鑄件，為了實(shí)現(xiàn)這些要求，必須采用較高的Si 含量來保證其本體延伸率，同時(shí)需要加入Cu 合金來保證鑄件的抗拉強(qiáng)度。

圖1 輪轂法蘭盤鑄件三維圖

1 常規(guī)熔煉生產(chǎn)工藝

采用Q12 高純球鐵生鐵，純凈的車身廢鋼。配料比為30%的生鐵，30%的廢鋼，40%的回爐料生產(chǎn)。球化劑采用牌號(hào)為3-8 的Ce 基鎂合金球化劑，孕育劑使用硅鋇孕育劑，進(jìn)行包底孕育、倒包孕育、隨流孕育三次鐵水孕育，提高孕育效果，防止孕育衰退。處理后的鐵水成分如表1 所示。

表1 鐵水化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

經(jīng)切割解剖后發(fā)現(xiàn)厚大位置存在明顯的碎塊狀石墨，宏觀組織如圖2 所示，金相組織如圖3 所示。經(jīng)機(jī)械性能檢測(cè)，抗拉強(qiáng)度和延伸率均低于客戶要求，根據(jù)文獻(xiàn)記載，根據(jù)碎塊狀石墨在金相組織中所占體積分?jǐn)?shù)的不同，會(huì)使鑄件的抗拉強(qiáng)度降低20%～40%，伸長(zhǎng)率降低50%～80%，沖擊韌度降低50%[1].為了獲得滿足客戶要求的鑄件，解決碎塊狀石墨問題是本工藝的重點(diǎn)。

圖2 碎塊狀石墨的宏觀形態(tài)

圖3 碎塊狀石墨的金相組織100×

2 碎塊狀石墨產(chǎn)生原因分析

目前厚大位置容易產(chǎn)生碎塊狀石墨已經(jīng)是業(yè)界共識(shí)，但具體產(chǎn)生原因和形成機(jī)理還處于百家爭(zhēng)鳴階段。日本東北大學(xué)的系藤春喜對(duì)1950 年到2010 年間各國(guó)發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了分析和評(píng)述，并計(jì)算了各種影響因素在文獻(xiàn)中所占的比重。就文獻(xiàn)中論及的影響碎塊狀石墨產(chǎn)生的原因歸納、區(qū)分為7 個(gè)方面，各影響因素所占的比重為：稀土元素含量的影響占24.1%；鑄件壁厚和凝固過程中溫度梯度的影響占22.4%；碳當(dāng)量和硅含量的影響占19.1%；球化處理和孕育處理的影響占18.2%；鐵液的純度和硅鐵帶入的Al、Ca 的影響占8.3%；鑄型的影響占5.3%；鐵液過熱的影響占2.6%[2].

結(jié)合前人的研究對(duì)該鑄件中可能導(dǎo)致碎塊狀石墨產(chǎn)生的因素進(jìn)行了分析：

1）鑄件本身結(jié)構(gòu)存在厚大位置，厚大部位凝固時(shí)間長(zhǎng)，石墨的形核能力差，存在嚴(yán)重的石墨畸變傾向，要減輕或消除厚大件的碎塊狀石墨，需要足夠的石墨形核數(shù)量，因此強(qiáng)化孕育、添加Sb、Sn 等表面活性元素、增強(qiáng)散熱條件等可有效防止碎塊狀石墨的出現(xiàn)[3]；

2）鑄件中間位置比較厚大，為了防止出現(xiàn)縮松，在澆注系統(tǒng)布置時(shí)，上面加了一個(gè)高發(fā)熱冒口，降低了鐵水冷卻速度；

3）鑄件要求高抗拉強(qiáng)度，高延伸率，Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.4%～2.5%，含量較高。硅是反偏析元素，富集于奧氏體內(nèi)，以?shī)W氏體的物理化學(xué)性質(zhì)影響石墨結(jié)晶[4]，這進(jìn)一步導(dǎo)致了石墨畸變的風(fēng)險(xiǎn)。硅元素為石墨化元素，與C 結(jié)合，加快了石墨析出的速度，導(dǎo)致石墨生長(zhǎng)過快，奧氏體可破裂。如向鐵水中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 PPM～50 PPM 的Sb，即使Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)2.5%也不會(huì)出現(xiàn)碎塊狀石墨，其原因可能是Sb 元素能穩(wěn)定和強(qiáng)化奧氏體殼[5]；

4）由于該鑄件凝固時(shí)間較長(zhǎng)，為了防止球化衰退，球化劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高1.25%，導(dǎo)致稀土殘余量大。稀土元素在球化過程中的作用并不總是正作用，如果稀土元素過多，又缺少干擾元素，則剩余的稀土元素會(huì)導(dǎo)致石墨發(fā)生畸變。

3 工藝改進(jìn)與結(jié)果分析

3.1 工藝改進(jìn)

根據(jù)對(duì)碎塊狀石墨產(chǎn)生原因的分析，計(jì)劃從以下幾個(gè)方面進(jìn)行工藝改進(jìn)：

1）降低原鐵水C 的含量，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從3.7%～3.9%降為3.5%～3.6%；降低CE 含量；

2）采用釔基稀土球化劑，提高鐵水的抗衰退能力；同時(shí)控制加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%；Y 在鐵液中形成的高熔點(diǎn)六方晶系的Y2O3可作為石墨結(jié)晶核心[7]；

3）降低倒包孕育量，孕育劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%～0.8%降為0.2%～0.4%，隨流孕育量0.1%；有實(shí)驗(yàn)表明[6]大劑量的孕育不僅不能消除碎塊狀石墨，反而會(huì)助長(zhǎng)碎塊狀石墨的產(chǎn)生，因該產(chǎn)品終Si含量較高，故孕育量取中限，既能保證孕育需求，又避免惡化石墨形態(tài)。

4）加入Sb 元素，消除稀土元素的不利影響，同時(shí)起到細(xì)化石墨的作用，加入方式為覆蓋在球化劑上方，同時(shí)用孕育劑將其覆蓋。

3.2 試生產(chǎn)方案

由于影響碎塊狀石墨的因素很多，為了具體分析那種因素占主導(dǎo)原因，試生產(chǎn)時(shí)按照表2 三種方案執(zhí)行，除表中所述改變，其他一切配料等均相同。

表2 試產(chǎn)方案

3.3 鐵水成分

表3 為三種方案原鐵水和處理后鐵水的主要化學(xué)成分。

表3 原鐵水和處理后鐵水的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

3.4 試生產(chǎn)結(jié)果

經(jīng)過多輪試制驗(yàn)證，方案1 和方案2 均出現(xiàn)了碎塊狀石墨。但并非每次都出現(xiàn)，出現(xiàn)的概率大于2/5；方案3 未出現(xiàn)碎塊狀石墨。

方案3 的金相組織如圖4 所示，球化等級(jí)2級(jí)，大小6 級(jí)，珠光體量55%，余為鐵素體。碳化物磷化物微量，每平方毫米內(nèi)石墨球數(shù)約為140 個(gè)。

圖4 方案3 金相組織（未腐蝕）100×

本體試棒取樣位置如圖5 所示，方案3 的本體試棒性能如表4 所示，表5 為含有碎塊狀石墨的本體性能與位置，可見含有碎塊狀石墨的試樣，其力學(xué)性能下降很多。

表4 方案3 本體試棒力學(xué)性能

表5 含有碎塊狀石墨的本體力學(xué)性能位置

圖5 輪轂法蘭盤本體試棒取樣位置

4 結(jié)論

1）厚大件可以通過降低原鐵水的C，采用Y 基球化劑和加入Sb 元素的方式獲得穩(wěn)定無碎塊狀石墨的基體；

2）厚大球墨鑄鐵件，單純通過降低CE 和采用Y 基球化劑的方式不能穩(wěn)定獲得無碎塊狀石墨的基體；

3）驗(yàn)證稀土元素在碎塊狀石墨產(chǎn)生的過程中占主導(dǎo)作用，可以通過加入Sb 消除其不利影響；

4）大面積碎塊狀石墨嚴(yán)重影響鑄件的力學(xué)性能。