球墨铸铁工艺探析

武惠敏，张凤清

（山西源盛铸锻公司，山西忻州 035400）

·铸造工艺·

球墨铸铁工艺探析

武惠敏，张凤清

（山西源盛铸锻公司，山西忻州 035400）

本文主要通过生产中积累的实际经验，探索了球墨铸铁件在生产中的工艺控制、生产方法以及球铁件最常见缺陷的防止，对球铁件的生产具有一定的指导作用。

球墨铸铁；熔炼；热处理

球墨铸铁和灰铸铁相比，具有强度高、延伸率大、冲击值高的优点；和碳素钢及合金钢相比，具有较好的铸造、加工性能。因此，球墨铸铁在各个领域得到广泛应用。但由于其生产过程复杂，不容易控制，又给铸件生产带来了很大困难。下面就球墨铸铁的生产过程谈一些个人的看法，以供同行参考。

1 球铁的熔炼要求

1.1化学成分的选定

球墨铸铁的化学成分与其组织、机械性能和铸造性能有很大关系，因此必须合理选定。首先判定牌号，由牌号来确定其组织是珠光体基还是铁素体基，还是混合体基。从宏观上来讲是高碳、高硅、低硫、低锰，但是，具体问题要具体分析。

1.1.1 碳（C）和硅（Si）

碳促进石墨化，减少白口倾向。含碳量在一定程度上影响球化效果，含碳量高，石墨数量多，提高镁吸收率，有利于石墨球化。硅是强烈促进石墨化和渗碳体分解的元素，硅能够细化石墨，有利于石墨球化，并得到细小圆整的石墨球。石墨成球状后，石墨数量对机械性能的影响已减少到最小程度，因此在选定碳、硅含量时，主要着眼于改善铸造性能，消除铸造缺陷，以获得健全铸件以保证有高的机械性能。从改善铸造性能的角度出发，铁水的碳当量选在共晶点附近较适宜，此时流动性最好，集中缩孔较大，易于补缩。C质量分数一般定为3.7%～3.9%.硅对基体组织的影响十分明显，球化处理后的终硅量影响铸件的铁素体含量；而且适当提高硅含量可有效提高球墨铸铁的高温力学性能和抗热疲劳性能，终硅质量分数一般定为2.0%～3.1%.一般铁素体球铁，如 QT400、QT450、QT500，含硅质量分数控制在2.6%～2.9%.综合考虑碳当量取CE4.3%～4.6%.珠光体球铁，如 QT600、QT700、QT800，硅质量分数一般在2.0%～2.4%，综合考虑碳当量取CE3.9%～4.3%.

1.1.2 锰（Mn）

由于锰在球墨铸铁中主要起稳定和细化珠光体的作用，在珠光体球墨铸铁中添加一定量的锰可以消除铁素体，特别是消除“牛眼”状铁素体组织。随着含锰量的增加，当w（Mn）＞0.6%时，对强度有明显的提高，但是，锰促进珠光体的作用毕竟是有限的，含锰量增加会在基体中形成碳化物、白口层或者网状碳化物，极大消弱球墨铸铁的力学性能，使延伸率迅速下降。因此，即使是珠光体球铁，含锰质量分数也不应超过0.6%.为了获得足够的珠光体组织，可以加适量的锡（Sn），一般控制在质量分数0.05%～0.1%.除此之外还可以加铜（Cu），加入铜可以起到降低白口倾向、提高铸件力学性能的作用，一般控制在质量分数为0.45%～0.65%.综合而言，稳定珠光体的能力上铜的效果是锰的3倍，而锡是铜的N倍。

1.1.3 磷（P）

磷在球墨铸铁中有严重的偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低球墨铸铁的韧性。磷还增大球墨铸铁的缩松倾向。当要求球墨铸铁有较高的韧性时，应将磷质量分数控制在0.05%以下。

1.1.4 硫（S）

控制原铁液硫含量是稳定生产球墨铸铁的关键之一。如果原铁液含硫较高，球化剂的加入量就会增多，形成硫化物夹渣就会越多，同时也加速球化衰退。采用电炉熔炼可以使原铁液质量分数控制在0.03%以下，而且保持稳定；当然，过度控制硫的有害作用对铁水质量也不利，因为含硫太低，球化剂中的稀土元素因为没有发挥消灭有害元素的作用而过剩，从而成为新的有害元素，比如增加白口倾向等。

1.1.5 镁（Mg）和稀土（Re）

镁是主要的球化元素。稀土具有脱硫、中和反球化元素的作用，对镁具有保护作用，提高铁液的抗衰退能力。但是稀土元素是碳化物形成元素，因此在保证球化良好的情况下尽量控制稀土的残留量；残余镁质量分数一般控制在0.03%～0.07%.70 mm壁厚以下的铸件残Mg质量分数在0.03%～0.045%，残余稀土质量分数在0.02%～0.03%即可球化。对于厚断面的球铁，残余镁量要相对高点，但残余稀土质量分数应＜0.02%，以避免石墨变坏，激冷倾向加大，造成脆性。

1.2 原材料的控制

1.2.1 生铁、废钢、回炉铁的选用

生铁的选用首先要保证成分均匀，然后根据球铁牌号选用合适的生铁。当然，也有铸造厂不使用生铁，采用增碳剂加废钢的方法也是比较常见的。废钢的选用一般以碳钢为主，尽量控制合金元素。回炉铁也要严格区分，尽量使用相同材料，以保证

配料的准确性。

1.2.2 球化剂、孕育剂的选用

球化剂是球化处理的必要条件，没有它就谈不上球化。球化剂分为重稀土和轻稀土两种，一般小于500 kg，壁厚小于l00 mm的铸件采用轻稀土球化剂；而壁厚大于l20 mm，重量大于3 t的铸件选用重稀土球化剂。

在球铁生产中孕育也是必不可少的，孕育剂及其孕育处理是球化成功的重要保证。球化后的铁水只有进行孕育处理，才能得到细小石墨球，才能保证该组织的机械性能。常见的孕育剂有75SiFe、Si-Ba-Ca、Si-Re-Mn-Cr，等等。生产重大铸件时，必须采用多元素复合孕育剂，如Si-Ba-Ca、Si-Re-Mn-Cr等，以达到好的孕育效果。

1.3 铁水温度

每种材质都有各自的最佳温度范围，高了不行，低了也不行。一般球化处理温度控制于l 420℃～l470℃.低于l420℃是很危险的，很难保证球化成功。若金属液长时间处于l 500℃的情况下，C和Mg等元素都要过烧，消耗增大，也很难保证成功。同样，浇注温度也不能太高，也不能过低，一般小件浇注温度≥l350℃，厚大件要低些，最低不能低于l 280℃.

1.4 铸型工艺

球铁在凝固过程中，有收缩和膨胀两种现象。而石墨化膨胀是球铁的特征之一。由于铁水凝固膨胀对铸型产生推力、压力，如果铸型的强度、硬度不够，铸型就会迁移，铸件就要变形、胀砂，也可能随之产生缩松、缩坑、缩沉等现象，所以铸型表面硬度≥90 HBS.另外型砂必须严格控制水分质量分数，一般在4.0%～5.0%，视气候及造型方法而定；型砂必须有足够的透气性和好的排气能力，这点对于能否提高铸型紧实度特别重要，另外还要有牢固的砂箱夹紧措施。

1.5 浇注系统设计

球墨铸铁容易产生夹杂和皮下气孔的缺陷，因此，浇注系统应能保证铁水平稳地流入铸型，并要求有良好的挡渣作用。原则上采用半封闭式浇注系统，尽量采用同时凝固或均衡凝固。另外还要合理地使用冒口和冷铁，克服铸件的缩孔、缩松缺陷。冒口的设计和使用要讲究方法，冒口不一定非要设在最厚的部位和最后凝固的地方，不能完全依靠冒口的补缩作用，在制定工艺时要灵活使用。

1.6 球化处理

1.6.1 处理设备

目前常用的设备有中频感应电炉，冲天炉及其双联。使用电炉的好处是铁水成分易于调整，浇注温度易于保证，这也是熔炼设备的发展趋势。

1.6.2处理方法

球化处理时，目前多采用冲入法和喂丝球化。冲入法一般比较简单，容易掌握；缺点是镁吸收率低，一般为40%～60%.喂丝法一般自动造型线用的多，人为因素少，比较稳定，容易控制。冲入法的工艺过程：脱硫（一般针对冲天炉铁水，电炉就不必。一般用 CaO50%～70%+CaC2l5%～20%或者Na2CO30.3%～0.5%）→球化和孕育（加球化剂和孕育剂）→除渣（一般用珍珠盐）→加覆盖剂→浇注。一般铁水从处理到浇注完毕，时间最多不超过l5 min.孕育处理越接近浇注，孕育效果越好。为了防止孕育衰退，一般采取以下措施：l）使用长效孕育剂（含有一定量的钡、锶、锆或锰的硅基孕育剂）2）尽量缩短孕育到浇注的时间。孕育剂的加入质量分数控制在0.6%～1.4%，孕育剂加入量过少，直接造成孕育效果差。孕育剂的量过大，导致铸件夹渣。

2 球铁的热处理

球铁的机械性能主要取决于金属基体，通过热处理改变基体组织可以显著改善球铁的机械性能。控制不同的加热温度和保温时间可以获得不同比例铁素体和珠光体基体，从而可大幅调整球铁的机械性能。球铁主要热处理工艺有：退火、正火、调质和等温淬火。

2.1 高温退火

用Mg处理的球铁形成白口的倾向性大，铸态组织中常出现莱氏体和自由渗碳体，需进行高温石墨化退火。

退火工艺：铸件加热到900℃～950℃，保温l h～4 h，进行第一阶段石墨化，然后炉冷至720℃～780℃，保温2 h～8 h，进行第二阶段石墨化。

2.2 低温退火

当铸态球铁组织只有铁素体、珠光体及球状石墨而无自由渗碳体时，为了获得高韧性铁素体球铁，可采用低温退火。

退火工艺：720℃～760℃保温3 h～6 h，随炉缓冷至600℃，出炉空冷，使珠光体中渗碳体发生石墨化分解。

2.3 正火

正火的目的是使铸态下的铁素体-珠光体转变为珠光体球铁，并细化组织，以提高球铁的强度、硬度和耐磨性。分为高温正火和低温正火。

高温正火：800℃～950℃保温l h～3 h，出炉空冷。正火冷却易产生内应力，故球化正火后需进行回火消除，一般550℃～600℃保温2 h～4 h时空冷。

低温正火：820℃～860℃保温l h～4 h.

2.4 调质处理

将球铁加热到 850℃～900℃保温2 h～4 h油淬，再经550℃～600℃，回火4 h～6 h得到回火索氏体+球状石墨组织。目的是得到高强度和韧性的球铁，其综合性能比正火还高。一般适用于截面较大、受力复杂连杆、曲轴等重要机器零件。

目的：得到高强度、高韧性的球铁。

2.5 等温淬火

将铸件加热到850℃～920℃保温后立即投入250℃～350℃的硝酸盐中等温30 min～90 min，使过冷奥氏体转变为下贝氏体。等温淬火后应进行低温回火，以进一步提高球铁的强韧性。等温淬火适用于截面不大但受力复杂的齿轮、曲轴、凸轮轴等重要机器零件。

3 球铁件常见缺陷及防止方法

在球墨铸件生产中，除了会产生一般的铸造缺陷以外，还经常会产生一些特有的缺陷，如：缩孔及缩松、夹渣、皮下气孔、石墨飘浮、球化不良及衰退，球铁件常见缺陷及防止方法如下。

3.1 缩孔及缩松

缩孔及缩松是球墨铸铁最常见的铸造缺陷。集中性缩孔多产生在铸件热节处。除缩孔外，球墨铸铁形成缩松的倾向比灰铁要大得多。缩孔和缩松可以通过以下措施消除：l）提高碳当量，有利于石墨化，通过石墨化膨胀减少缩孔及缩松。2）合理使用冒口、冷铁及浇注系统。3）合理选定浇注温度，浇注温度高些有利于补缩。

3.2 夹渣

夹渣通常称黑渣，是球墨铸铁特有的缺陷之一。夹渣缺陷多出现在铸件上表面或型芯下表面部位。防止措施：l）降低铁水残余镁量（当然要保证球化），原铁水硫量越低越好。2）有一定的稀土元素残余量，质量分数控制于0.02%～0.04%之间。3）提高浇注温度，最好不低于l 350℃.

3.3 皮下气孔

皮下气孔是球铁件最常见的缺陷之一，经常出现在铸件上表面的表皮层内，一般位于0.5 mm～2mm处，直径在l mm～2 mm，其内表面光洁，又带有石墨薄膜。实践证明：残镁量质量分数和过多水分是造成皮下气孔的最主要因素。防止措施：l）残镁量小于0.05%，水分小于5%可基本消除皮下气孔。2）铁水除渣要干净。3）工艺设计上尽量使铁水平稳进入，不要产生涡流。4）适当提高浇注温度有利于皮下气孔的消除。

3.4 球化不良及球化衰退

球化不良是由于铁水球化条件不充分造成的，比如温度低或者球化剂及孕育剂量不足造成石墨成球质量差。球化衰退是由于铁水在浇注过程中孕育不足或浇注时间太长造成石墨球逐渐还原。球化不良的特征是在银白色的断口上，分布有肉眼可见的黑点。防止措施：l）铁水中应保持有足够的残余镁及稀土含量；2）降低铁水中的含硫量，防止铁水的氧化。3）保证铁水球化所需的温度。球化衰退的特征是断口呈灰色，铸件强度、韧性急剧下降。防止措施：l）缩短铁水经球化处理后的停留时间。2）增加铁水孕育次数。

4 结束语

球铁的生产主要难点是成分和温度的有效控制，通过合理的原材料配比和合理的球化工艺，就可以得到相应要求的球铁。

［l］郭亮,孙升,周文军.瞬时孕育对球墨铸铁组织的影响［J］.铸造设备与工艺，20l6（6）：l3-l5.

［2］宋亮,苏少静,刘利平.大型厚壁球墨铸铁件铸造工艺研究［J］.铸造设备与工艺，20l7（l）：20-22.

［3］周春燕.浅谈混合基体球墨铸铁的质量控制要点［J］.铸造设备与工艺，20l4（l）：46-48.

［4］李子海,宫本奎,刘绍昌,张继业,黄文泰.高性能球墨铸铁表面热处理方法研究［J］.铸造设备与工艺，20l5（3）：46-47.

TG255

A

1674-6694（20l7）05-0015-03

2017-06-28

武惠敏（1969-），男，高级工程师，学士，主要从事铸造技术工作。

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.05.003