生產中球鐵遇見難點及控制

球墨鑄鐵是一種具有優良機械性能的灰口鑄鐵。一般在澆注之前，在鐵液中加入少量球化劑（通常為鎂、稀土鎂合金或含鈰的稀土合金）和孕育劑（通常為硅鐵），使鐵水凝固后形成球狀石墨。此種鑄鐵的強度和韌性比其他鑄鐵高，有時可代替鑄鋼和可鍛鑄鐵（ｍａｌｌｅａｂｌｅｃａｓｔｉｒｏｎ），在機械制造工業中得到了廣泛應用。球墨鑄鐵在國外是１９４７年用于工業生產的。

一、球鐵件生產難點

此類鑄件因斷面厚大冷卻緩慢，金屬液體凝固時間長，鑄件內部很容易產生縮松。

生產鐵素體球墨鑄鐵時，為了獲得較高的抗拉強度、屈服強度和延伸率，以往均要進行鐵素體化熱處理，熱處理溫度是根據鑄態組織中是否存在游離滲碳體或珠光體，而采用900-950℃的高溫熱處理。但生產成本高，工藝復雜，生產周期長，給生產組織以及交貨期帶來非常大的困難，這就要求必須在鑄態下獲得鐵素體基體。因此生產這種材料的難點主要有以下幾方面：

a．鑄件要進行指定區域的射線探傷，如何解決鑄件的內部縮松；
b．如何保證在鑄態下獲得鐵素體基體90%以上；
c．如何使材料有足夠的抗拉強度和屈服強度；
d．如何獲得足夠的延伸率（>18%），在合金化處理后,獲得規定的延伸率；
c．采用最優的合金化處理工藝。

二、厚大斷面鑄態鐵素體球墨鑄鐵件的質量控制技術

1．化學成份的控制

1）C、Si、CE的選擇

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量的多少，對力學性能的影響不顯著，當含碳量在3.2%~3.8%范圍內變化時，對力學性能無明顯的影響。所以過程中確定碳硅含量時，主要考慮保證鑄造性能，將碳當量選擇在共晶成分左右。具有共晶成分的鐵液的流動性能最好，形成集中縮孔的傾向大，鑄件組織的致密度高。但碳當量過高時，容易產生石墨漂浮的同時，一定程度上對球化有影響，主要表現在要求的殘余Mg量高。使鑄鐵中夾雜物的數量增多，降低鑄鐵性能。

硅球墨鑄鐵中使鐵素體增加的作用比灰鑄鐵大，所以硅含量的高低，直接影響球墨鑄鐵基體中的鐵素體量。硅在球墨鑄鐵中對性能的影響很大，主要表現在硅對基體的固溶強化作用的同時，硅能細化石墨，提高石墨球的圓整度。所以球鐵中的硅含量的提高，很大程度上提高強度指標，降低韌性。球墨鑄鐵經過球化處理過的鐵液有較大的結晶過冷和形成白口傾向，硅能夠減少這種傾向。但是硅量控制過高，大斷面球鐵中促使碎塊狀石墨的生成，降低鑄件的力學性能。資料顯示，球墨鑄鐵中硅以孕育的方式加入，一定程度上提高性能。

根據上述分析，從改善鑄造性能的角度出發，鐵水的碳當量選在共晶點附近最好，此時鐵水的流動性最好，集中縮孔傾向較大，易于補縮等。但碳當量過高會引起石墨漂浮，石墨漂浮層的厚度會隨著碳當量的增加而加厚。應當指出，碳當量太高是產生石墨漂浮的主要原因，但不是唯一的原因，鑄件大小、壁厚、澆注溫度也是一些重要因素。

碳當量、鑄件壁厚和石墨漂浮三者的關系，顯然鑄件壁薄碳當量可以選擇得高一些，不會出現石墨漂浮，相反厚大鑄件的碳當量應當選得低些。總之碳當量上限以不出現石墨漂浮為原則，下限以不出現滲碳體，保證完全球化為準，在這樣的前提下，應盡可能提高碳當量以便獲得致密的鑄件。

2)錳（Mn）

錳在球墨鑄鐵中起的作用與灰鑄鐵不同。灰鑄鐵中，錳除了強化鐵素體和穩定珠光體外，還能減少硫的危害作用。球墨鑄鐵中，球化元素具有很強的脫硫能力，錳不再具有這種作用。由于錳具有嚴重的正偏析傾向，往往富集于共晶團晶界處，促使形成晶間碳化物，顯著降低球墨鑄鐵的韌性。對厚大斷面球鐵來說，錳的偏析傾向更嚴重。同時錳含量的提高，基體中的珠光體含量提高，所以提高了強度指標的同時，降低韌性。對高韌性球墨鑄鐵中錳含量控制應更嚴格。

因此，在原材料可能的情況下Mn越低越好。對與大型鑄件錳的控制上限為Mn<0.3%。

3）磷：

磷在球墨鑄鐵中有嚴重的偏析傾向，易在晶界處形成磷共晶，嚴重降低球墨鑄鐵的韌性。磷還增大球墨鑄鐵的縮松傾向。當要求球墨鑄鐵有高的韌性時，應將磷控制在0.06%以下。

4）硫：

球墨鑄鐵中的硫與球化元素有很強的化合能力，生成硫化物和硫氧化物，不僅消耗球化劑，造成球化不穩定，而且還使夾雜物數量增多，球化衰退速度加快。熔煉中硫涉入從增碳劑中，過程控制盡可能降低原材料中硫含量的同時，采取爐前脫硫措施。

用Re—Mg合金處理后，一般硫的殘留量S<0.02% ，這對球化衰退和硫化物夾渣都沒有影響，當原鐵水中的S>0.02%時，必須采用脫硫處理。

5）鉬：

Mo提高了材料的高溫強度和常溫強度，由于的使用，容易形成一定量的珠光體和碳化物，降低韌性，對于有Mo合金化的球墨鑄鐵，材料規范要求Mo含量0.3~0.7%控制。

6）鎂和稀土的含量

鎂是主要的球化元素，稀土具有脫硫，中和反球化元素，對Mg具有保護作用，提高鐵水的抗衰退能力。但是稀土元素是碳化物形成元素，因此在保證球化良好的情況下盡可能控制稀土的殘留量。Re=0.01~0.04%，Mg=0.03~0.06%時可以保證球化。

根據上述分析計算，最終確定化學成份如下：

C：3.3-3.8%；Si：2.2-2.7%；Mn：<0.30%；S<0.02%；Re=0.01~0.04%；Mg=0.03~0.06%，Mo：0.3~0.7%

三、熔煉控制

1．原材料的選擇

鐵素體球鐵的生產，選擇高純的原材料是非常必要的，原材料中的Si、Mn、S、P含量要少（Si<1.0%, Mn<0.3% S<0.03%, P<0.03%），對Cu、Cr、Mo等一些合金元素要嚴格控制含量。由于很多微量元素對球化衰退最為敏感，如，鎢、銻、錫、鈦、釩等。鈦對球化影響很大應加以控制，但鈦高是我國生鐵的特點,這主要與生鐵的冶金工藝有關。

2．脫硫

原鐵液含硫量決定球化劑的加入量，原鐵液中的含硫量越高，則球化劑的加入量越多，否則不能獲得球化良好的鑄件。球化處理前原鐵液中的S含量控制在0.02%以下。對球化處理前原鐵液的含硫量高時，必須進行脫硫處理。

3．Mo合金處理：

Mo合金化處理，采用渦流工藝，加入量控制在0.5~1.0%，具體根據最終Mo含量進行調整。為了確保Mo的有效吸收，對合金的粒度應該嚴格要求。

4．球化劑和球化處理

生產厚大斷面球鐵件時，為了提高抗衰退能力，在球化劑中加入一定比例的重稀土，這樣既可以保證起球化作用的Mg的含量，同時也可以增加具有較高抗衰退能力的重稀土元素，如，釔等。根據國內很多工廠的試驗和生產實踐，采用Re—Mg與釔基重稀土的復合球化劑作為厚大斷面球鐵件生產的球化劑是非常理想的，使用這種球化劑在我們公司的實際生產應用過程中也取得了很好的效果。據有關資料表明，釔的球化能力僅次于鎂，但其抗衰退能力比鎂強的多，且不回硫，釔可過量加入，高碳孕育良好時，不會出現滲碳體。另外，釔與磷可形成高熔點夾雜物，使磷共晶減少并彌散，從而進一步提高球鐵的延伸率。在球化處理時，為了提高鎂的吸收率，控制反應速度及提高球化效果，采用特有的球化工藝。對球化處理的控制，主要是在反應速度上進行控制，控制球化反應時間在2分鐘左右。

對此采用中低Mg、Re球化劑和釔基重稀土的復合球化劑，球化劑的加入量根據殘留Mg量確定。

球化衰退防止：球化衰退的原因一方面和Mg、RE元素由鐵液中逃逸減少有關，另一方面也和孕育作用不斷衰退有關，為了防止球化衰退，采取以下措施：A、鐵液中應保持有足夠的球化元素含量；C、降低原鐵液的含硫量，并防止鐵液氧化；C、縮短鐵液經球化處理后的停留時間；D、鐵液經球化處理并扒渣后，為防止 Mg、RE元素逃逸，可用覆蓋劑將鐵液表面覆蓋嚴，隔絕空氣以減少元素的逃逸。

5．孕育劑和孕育處理

球化處理是球鐵生產的基礎，孕育處理是球鐵生產的關鍵，孕育效果決定了石墨球的直徑、石墨球數和石墨球的園整度，為了保證孕育效果，孕育處理采用多級孕育處理。孕育處理越接近澆注，孕育效果越好。從孕育到澆注需要一定的時間，該時間越長，孕育衰退就越嚴重。為了防止或減少孕育衰退，采用以下措施：

A、使用長效孕育劑（含有一定量的鋇、鍶、鋯或錳的硅基孕育劑）；

B、采用多級孕育處理（包內孕育、孕育槽孕育、水口瞬時孕育等）；

C、盡量縮短孕育到澆注時間。

孕育劑的加入量控制在0.6~1.4%，孕育劑加入量過少，直接造成孕育效果差，孕育量過大，導致鑄件夾雜。

6．澆注工藝控制

澆注應采用快澆，平穩注入的原則。為了提高瞬時孕育的均勻性及防止熔渣進入型腔，水口盆的總容量應與鑄件的毛重相當，澆注時將孕育劑放入水口盆中，將鐵水一次全部注入水口，使鐵水與孕育劑充分混合，扒去表面浮渣，提出水口堵澆注。

四、鑄造工藝的控制原則

1）合理的鑄造工藝是至關重要的因素，

2）通過鑄造工藝對凝固時間加以控制，其原則是在厚大斷面處放置冷鐵來調節溫度場加速鐵水凝固。（同行業中有些工廠采用強制冷卻工藝，既在使用冷鐵的條件下再增加水冷或空氣冷卻等強制措施以強化鑄件凝固，減少凝固時間，效果非常好。但有一定的危險性，技術要求高。除此之外，為獲得鐵素體基體開箱溫度要控制 600℃以下。）

五、結果分析

根據上述工藝方法，在生產實踐中完全可以在鑄態下獲得顧客標準要求，從圖中可以看出基體完全為鐵素體，球化等級為ASTM標準I-II級。

六、結論

通過對影響鑄鐵鐵素體球鐵的各個因素進行分析，對其進行控制，各項性能指標完全滿足要求；在獲得高的抗拉強度和屈服強度的前提下，得到高的延伸率；合理控制球化孕育工藝，鑄態下得到全鐵素體組織，避免后續的熱處理。

根據上述鐵素體球墨鑄鐵的控制技術，我們在生產美國GE公司球鐵件時已得到充分的驗證，取得了較好的結果。有關厚大斷面球墨鑄鐵的生產技術國內外都有報道，雖然各自的方法不同，但所遵循的原則是相同的。

即：

1．嚴格控制原材料，合理選擇化學成份，減少干擾球化的元素含量。2．采用有效的防衰退措施。3．選擇合理的鑄造工藝。4．合理的選擇球化孕育處理方法