大型厚壁球墨铸铁组织性能优化分析

王臆皓++王燕

摘 要：球墨铸铁主要是以石墨形式呈球状所析出的铸铁，由于球状石墨可以减小应力集中对基体产生的割裂作用，所以可以将基体强度的利用率提高到70-90%，可见，球墨铸铁的力学性能显著优于其他铸铁。但对球墨铸铁性能产生影响的因素也比较多，需要进一步优化。本文通过对合金元素及微量元素对大型厚壁球墨铸铁组织性能的影响进行分析，提出了相应的优化措施，以期进一步提高球墨铸铁的质量和利用率。

关键词：大型厚壁球墨铸铁；组织性能；优化措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.211

0 引言

厚壁铸铁由于其冷却速度较慢，致使其在凝固过程中所需要的共晶时间较长，由此也就导致石墨出现球数减少、畸变的可能性增加，不利于保证球铁的铸造质量。对此，需要根据球墨铸铁的含量对其组织性能进行优化。通过对球铁的含量进行分析可知，其中的合金元素及微量元素对于球铁组织性能的影响最为显著，因此，本文主要分析这两类元素对球铁的组织性能的影响，并据此提出相应的优化组织性能的措施。

1 合金元素对大型厚壁球墨铸铁组织性能的影响

在厚壁球墨铸铁部件中，合金元素主要包括镁、硅、锰、硫、磷及稀土元素，其中，镁是球铁球化的关键元素，如果镁量不足，会导致球化不良，过高又会导致球墨畸变，且影响到综合性能。要想保证厚壁球铁质量，应将镁的质量分数控制在0.04-0.06%之间。硅含量过高，会导致石墨异形，影响球铁的化学性能，因此，硅含量应偏低，控制在2.0-2.2%之間。铸铁中含有适量的锰，可以提高珠光体的含量，对于基体组织起到强化作用，因此锰含量应控制在0.8-1.2%之间。硫和磷属于球铁中的表面活性物质，如果含量增加，会对球铁的铸造性能及力学性能产生恶劣影响，因此其含量应严格控制在0.03-0.05%之间。稀土元素在球铁中主要有两个作用，一是脱硫去气，二是与微量元素形成高熔点化合物，以中和微量元素的不利作用。微量元素的含量应控制在0.3-0.5%之间。对于上述微量元素，如果含量控制不好，就会对球铁的性能产生不利影响，因此，应当加强对合金元素在球铁中含量的控制研究。

2 微量元素对大型后壁球墨铸铁组织性能的影响

厚壁球铁中包含的微量元素有Sb、Sn、Cu、Ni、Bi等，Sb是一种非常强的珠光体稳定元素，合理的含量可以防止出现碎块状的石墨，因此，含量应控制在0.005-0.007%之间。Sn也是消除碎块状石墨的主要元素，含量为0.05%。Cu、Ni属于反偏析元素，如果在高Ni的球墨铸铁中，Ni会与Mn在共晶晶粒周边贫化处富集，由此导致球墨铸铁的韧性及强度降低。在厚壁球铁中加入少量的Bi，可以减少和防止异形石墨形成，但对于此项元素的含量也应严格控制，不能过少，以免起不到防止石墨异形的作用。

3 大型厚壁球墨铸铁组织性能优化策略

3.1 加强合金元素及微量元素的含量控制

对于大型厚壁球墨铸铁中含有的合金元素及微量元素，其含量都应当控制在合理的范围内，以将其对球铁造成的影响降到最低。如其中对于Cu含量的分析可知，通过添加不同含量的Cu，球化率会发生较大的变化。随着球化剂中Ce的含量增加，会导致石墨颗粒数增加，而每个石墨颗粒的面积较小，因此石墨球较为细小，并且呈现弥散分布状态，这种现象的出现与稀土元素作为石墨中核心的因素有关。另外，由于Ce是一种反球化的元素，因此，只有将其在球铁中的含量控制在某一范围内，才能够保证球铁质量，如果超出这个范围，就会导致石墨球的数量减少，颗粒变大。Bi在球铁中的应用，可以对铁水中硅元素浓度扩散产生阻碍作用，使得碳和硅元素的浓度发生起伏并加强，以形成石墨形核。Bi可以与稀土元素形成化合物，成为石墨异质核心。而且此种化合物还能够一部分的硫化物相溶，从而增加大异质核心的尺寸，有效延长孕育剂的衰退时间。例如铜含量对球铁力学性能的影响，如表1。

3.2 适当增加球铁中的元素含量

通过已有的关于球墨铸铁的实验分析可知，球铁中所含的各种元素对于其组织性能都有显著影响，因此需要把这些元素的含量控制在合理范围内。如果能够加入某些适当的元素，对球铁的基体组织进行适当调整，以改变基体组织中的珠光体及铁素体含量，从而改善球铁的低温性能及韧性，以实现其综合力学性能的最优化。此外，还可以通过改变球铁中成分的方法强化孕育，以提高石墨形态，减少变形石墨，这样可以提高球墨的球化率和石墨球数，从而减少对基体组织的割裂作用，提高厚壁球铁铸件的力学性能。

4 结束语

在大型厚壁球墨铸铁工艺中，成分含量对于球铁的铸造质量有较大影响，不同含量的元素，会产生不同的影响，这就要求对于铸铁工艺，应当加强元素含量控制，实现组织性能的优化，以将石墨质量实现最优化，减少石墨变形的情况，提高利用率。

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