浅谈混合基体球墨铸铁的质量控制要点

周春燕

（东风精密铸造有限公司，湖北十堰 442714）

球墨铸铁在一些主要的工业国家中，其产量超过铸钢，成为仅次于灰铸铁的铸铁材料。我国从1950年开始生产球墨铸铁，其使用范围已遍及汽车、农机、船舶、冶金、化工等部门，成为重要的铸铁材料。

根据基体组织的不同，球墨铸铁可分为珠光体基体球墨铸铁、铁素体基体球墨铸铁、混合基体球墨铸铁和奥氏体-贝氏体球墨铸铁。混合基体型球墨铸铁是铁素体和珠光体混合基体的球墨铸铁，典型牌号QT500-7，这种铸铁由于具有较好的强度和韧性的配合，多用于汽车、农业机械、冶金设备及柴油机中的一些部件，例如我公司生产的高牌号球铁摇臂系列产品。

混合基体球墨铸铁具有高的力学性能，是以石墨球化状况良好为前提的，判定混合基体球墨铸铁是否合格的标准主要是球化级别、珠光体含量、渗碳体量及硬度，而为此就需要熔炼出良好质量的铁液并进行良好的球化处理和孕育处理，也就是混合基体球墨铸铁生产过程的质量控制显得尤为重要。

1 化学成分的选定[1,2]

选择适当的化学成分是保证铸铁获得良好的组织状态和高性能的基本条件，化学成分的选择既要有利于石墨的球化和获得满意的基体，以期获得所要求的性能，又要使铸铁有较好的铸造性能。

1.1 基本元素

1）碳、硅

由于球状石墨对基体的削弱作用很小，故球墨铸铁中石墨数量的多少，对力学性能的影响不显著，当碳的质量分数在3.2%～3.8%范围内变化时，实际上对混合基体球墨铸铁的力学性能无明显影响。确定混合基体球墨铸铁的碳硅含量时，主要从保证铸造性能考虑，为此将碳当量选择在共晶成分左右，由于球化元素使相图上共晶点的位置右移，因而使共晶碳当量移至4.6%～4.7%左右具有共晶成分的铁液流动性最好，铁液的致密度高。碳当量过低时，易产生渗碳体且铸件易产生缩松和裂纹，碳当量过高时，就会出现石墨漂浮的现象，造成全炉报废。硅能减小铁液结晶过冷和形成白口的倾向，还能细化石墨，提高石墨的圆整度，但是硅又降低铸铁的韧性，并使韧性-脆性转变温度升高，因此在选择碳硅含量时，应按照高碳低硅的原则。实际生产中，对于混合基体球墨铸铁，碳硅含量选择炉后w（C）：3.4%～3.6%、w（Si）：2.4%～2.8%较合适。

2）锰Mn

具有严重的正偏析倾向，往往有可能富集于共晶团晶界处，严重时会促使形成晶间碳化物，显著降低混合基体球墨铸铁的韧性，且造成铸件硬度不均匀，有硬点，因此w（Mn）要控制在0.3%以内。

3）磷P

在混合基体球墨铸铁中同样具有严重的偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低混合基体球墨铸铁的韧性，磷还增大球墨铸铁的缩松倾向，因此对于混合基体球墨铸铁，w（P）控制在0.05%以下。

4）硫

球墨铸铁中硫与球化元素有很强的化合能力，生成硫化物或硫氧化物，不仅消耗球化剂，造成球化不稳定，而且还使夹杂物数量增多，导致铸件产生缺陷，此外还会使球化衰退速度加快，故在球化处理前应对原铁液的含硫量加以严格控制，生产上一般要求原铁液中w（S）低于0.02%.

1.2 合金元素

1）铜Cu

具有稳定珠光体含量的作用，生产混合基体球墨铸铁时一般控制w（Cu）：0.2%～0.4%，Cu 含量偏低造成珠光体含量偏低，Cu 含量偏高则铸件硬度偏高。

2）铬Cr

可起到显著的稳定珠光体及强化力学性能的作用，但是当w（Cr）大于0.15%时，会造成混合基体球墨铸铁强度高、延伸率低，因此应严格控制。根据本公司实际生产情况，总结出：炉后的成分可以取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%较为合适。

2 出炉温度的选择

由于混合基体球墨铸铁在球化和孕育处理的过程中加入大量的处理剂，这使得铁液要降低50 ℃～100 ℃.所以，在生产过程中，应采取较高的出炉温度，一般要求出炉温度控制在1520 ℃～1540 ℃范围内，温度偏低易造成渗碳体和珠光体含量偏低，且不利于浇注过程中型壳的排气，铸件内部易出现气孔缺陷；温度偏高则容易造成球化不良。

同时，生产混合基体球墨铸铁时模壳出炉温度不能低于650 ℃，出炉温度偏低同样也易造成渗碳体和珠光体含量偏低。

因此，为了生产合格的混合基体球墨铸铁，必须采取高温出炉、“红壳”浇注的工艺，模壳焙烧好、烧透，铁液出炉温度控制在1520 ℃～1540 ℃范围内：室温低于15 ℃时取上限，冷包时取上限；室温在15 ℃～25 ℃之间时取中间值；室温在30 ℃以上时取下限。

3 球化和孕育处理

所谓球化是指在铁液中加入某种处理剂使石墨在结晶生长时长成球状。目前公司使用的球化剂是稀土镁合金，其性质活跃、脱硫、去氧能力强，生成的硫化镁、氧化镁熔点高，密度小，较易浮出铁液而被除去，镁进入铁液后首先起脱硫去氧作用，当铁液中硫量降至一定值时，镁开始对石墨的球化起作用，促进石墨长成球状。但是镁又是强烈稳定碳化物的元素，残留一定镁量的铁液在凝固时有很大的白口倾向，故在球化处理之后，必须进行有效的孕育，此外孕育处理还具有消除结晶过冷、促进石墨球化、减小晶间偏析的作用。

球化时间一般控制在30 s～50 s 内，球化时间过短会造成球化不良，出现蠕虫状石墨；球化时间过长则导致球化衰退。此外，操作过程控制不当，例如压包不实、忘记放孕育剂等等同样会造成球化不良、球化衰退的现象。因此在球化孕育过程中，不但要选择合适的球化和孕育剂，操作过程也非常重要。

4 冷却速度的控制

公司生产的混合基体球墨铸铁摇臂系列产品，是通过铸态手段调整和改善组织中珠光体和铁素体的相对数量及形态与分布，从而可在一定范围内改善和调整其强度和韧性的配合。而这种铸态手段除了加入合金元素之外，对冷却速度控制有非常严格的要求。

4.1 选择适宜的时间加快冷却速度，促进珠光体的生存

以摇臂产品为例，选择在共析温度730 ℃～780 ℃时开始吹风冷却，由于受外界自然气温的影响，模组从浇注完最后一组到冷却至共析温度730 ℃～780 ℃的时间有很大的区别，因此根据自然气温的情况选择了如下几个时段进行控制：

1）自然气温在20 ℃～30 ℃之间，从浇注完最后一组模组起，12 min 后放倒模组，15 min 时开始吹风，吹风过程需经10 min～15 min；

2）自然气温等于或高于30 ℃时，浇注完15 min～18 min 放倒模组，20 min 时开始吹风，吹风过程必须在15min 或更长时间；

3）自然气温在10 ℃～20 ℃时，浇注完10 min放倒模组，12 min 时吹以微风或不吹风，但是放到模组是必须的过程，因三联模组底面积大又埋在砂里面，冷却速度太慢造成珠光体过低，达不到工艺要求。

4.2 创造上下、左右冷却条件一致，保证模组各个部位珠光体均匀

为了保证模组各个部位冷却条件一致应严格控制装箱标准，经过多轮的验证，每箱装9 组模组冷却质量最有保证，且浇注完放倒后采用两个轴流风机实施两侧吹风，使得模组各个部位冷却均匀。

因公司摇臂系列产品产量较大，对放倒模组的时间有严格的要求，且现场工作环境温度高，所以受人为因素影响，质量总是不稳定，经常会出现整炉报废现象，严重增加制造成本。为了改善之前的现状，经过几个月的反复验证，终于找到一种更好的办法——悬空冷却，如图1c）所示，这样不但大大降低了工人的劳动强度，改善了现场的作业环境，而且冷却条件不再受人为和时间控制，铸件质量稳定性大大提高。

5 不合格品的挽救

当球化级别达到1～3 级、珠光体含量40%～80%、渗碳体≤3%、硬度在187 HB～255 HB 范围内，产品为合格。一般情况下，混合基体球墨铸铁出现超标准渗碳体、珠光体含量偏低和硬度偏高的时候，需通过热处理手段进行挽救。其热处理工艺如表1 所示。

图1 摇臂产品冷却条件改善过程图

表1 混合基体球墨铸铁不良品热处理工艺

6 结 论

为了生产出合格的混合基体球墨铸铁，避免生产过程中出现珠光体含量不均匀、渗碳体含量超标等不良品，必须要满足以下基本条件：

1）选择合适的化学成分：参考范围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“高温出炉、红壳浇注”的原则，中小件参考出炉温度1520 ℃～1540 ℃，模壳温度≥650 ℃；

3）良好的球化和孕育，球化时间控制在30 s～50 s 范围内；

4）浇注后保证模组均匀冷却。

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