球墨铸铁中碎块状石墨的形成原因及防止措施

韩 虎，王 娟

（江苏力源金河铸造有限公司，江苏 如皋 226500）

1 碎块状石墨的形成原因

相比于正常球状石墨，碎块状石墨的差异性主要表现在两个方面，一方面是形态上的差异性，正常石墨以球状形式呈现，而碎块状石墨则为不规则碎块；另一方面是分布特点的差异性，一般情况下正常石墨分布在奥氏体基体之上，而碎块状石墨则是沿奥氏体枝晶分布。从碎块状石墨与正常球状石墨的差异性表现可以看出，两者的形成机理也有所不同。

国外有学生认为二次石墨会产生的一定的膨胀压力，在这一压力作用之下初生是石墨球会出现发生破裂的情况，进而形成碎块状石墨，但是这一理论无法对碎块状石墨沿奥氏体枝晶分布进行合理的解释，这一理论的准确性有待商榷；国内学者周继扬等人认为碎块状石墨形成的原因主要是石墨与奥氏体之间的松散耦合所形成的，但是他们没有对为何会形成松散耦合做出合理的解释与说明。结合多年的时间经验，并查阅了相关资料，本人认为无论是球状石墨还是碎块状石墨，它们都是从液态中直接析出而成，但具体形成的原因与生长条件存在着一定程度的差异[1-3]。

一般情况下，当铁液发生凝固时，会首先析出初生石墨球与共晶石墨球。在液态中，球状石墨会进行自由形核生长，在这一过程之中石墨球周边的贫C铁液逐渐形成奥氏体，随着时间的推移奥氏体外壳会对球状石墨进行包围。反之，当铁液在凝固的过程之中，初生石墨的形核能力相对较弱，同时受到周边环境的影响，使得石墨晶核在析出之后再次发生一定程度的溶解。

在这一情况之下，过冷铁液会对初生奥氏体枝晶进行优先析出，因此奥氏体枝晶间便会形成一定的残余液体，且这些残余液体是相互连通的。而在残余液体之中，C原子呈现出过度饱和状态。在这种情况之下，当残余铁液发生凝固之后，c原子便会从中析出。需要注意的是，此时周围固态奥氏体会受到一定程度限制，因此无法以正常的形态进行析出，只能自由长大，进而形成了碎块状石墨。

2 碎块状石墨形成的影响因素

2.1 Ni、Si的影响

相比于一般的球墨铸铁，碎块状石墨更容易在高Ni奥氏体球墨铸铁中形成，究其原因，主要是与合金元素含量存在着一定的联系。当高Ni球墨铸铁在凝固的过程中，Ni、Si能够对奥氏体壳产生一定程度的影响并使其熔点降低，在这种情况之下，共晶石墨球在凝固时不容易被奥氏体壳包围，共晶石墨表现出不稳定的状态。同时，Ni是促进奥氏体的元素，会促使奥氏体枝晶单独析出并生长，当w（Ni）量在30%以上时，在室温状态之下仍然为稳定的奥氏体组织。除此之外，w(C)量相对较低时，在凝固过程中石墨化能力较弱[4-6]。

2.2 RE的影响

当前状况下，RE对碎块状石墨的影响，国内外学者持有不同的看法。本人认为Ce可以直接导致奥氏体球墨铸铁形成碎块状石墨。在铸件的浅表面，其冷却的速度相对较快，在这种情况之下RE元素无法及时偏析，同时由于石墨晶核较多，最终会形成正常组织。而对于铸件的其它部位而言，其冷却速度相比于铸件的浅表面较慢，在这一情况下RE存在着足够的时间进行偏析，进而对石墨球周围奥氏体壳的稳定性造成一定程度的破坏，难以形成正常共晶体。同时，还受到高含量Ni、Si的影响，多个方面的因素最终导致了碎块状石墨的形成。

2.3 凝固时间的影响

一般情况下，凝固时间与铸件厚度为正比例关系，即凝固时间也随着铸件部位厚度的增加而增长，同时石墨的形核能力响度调查。在这种情况之下很难形成正常的共晶团组织，就算其中不含有Ni元素，也存在很高的可能性会形成碎块状石墨，而要想对厚大件的碎块状石墨进行有效的减轻或消除，就必须具备足够多的石墨形核数量。基于这一方面的考虑，可以采取如下三种方式进行处理：第一，强化孕育；第二，对Sb、Sn等表面活性元素进行一定程度的添加；第三，对散热条件进行科学合理的优化。

2.4 孕育的影响

通过对孕育进行一定程度的强化，可以对正常石墨晶核起到一定的促进作用，使得共晶团数增加，即使w（Ni）y与w（Si）量高，但是同样存在着较多数量的石墨核心，因此可以对碎块状石墨的形成条件起到一定的抑制作用。当铸件厚大部位冷却时间相对较慢时，可以采用强化孕育的方式对碎块状石墨进行一定程度的消除。当普通球铁中存在少量的RE时，通过强化孕育的方法也能够取得较为明显的效果。

3 碎块状石墨的防止措施

①对出炉温度进行合理有效的控制，将原先的(1600℃ ～1630℃调整到1570℃ ～1600℃ )1570℃ ～1600℃调整到1540℃～1560℃的范围之间，通过降低铁液温度的方式对孕育效果进行一定程度的增强，避免因为温度过高而造成孕育衰退的情况，对石墨球数进行有效增加。②多次孕育，包内孕育为0.2%～0.3%的Si-Ba孕育剂，倒包孕育为(0.4%～0.6%)0.2%至0.3%的(Si-Sr)Si-Ba孕育剂；同时，在浇注的过程中加入(0.1%～0.15%)0.1%～0.15%的Si-Ba孕育剂，使其随流孕育。除此之外，对孕育剂的粒度进行一定程度的(增加)增大，从原先的2mm～5mm之间增加至3mm～8mm的范围之内，这样一来，就可以的孕育效果进行一定程度的保证。③（加入一定的Sn，质量分数控制在0.05%～0.08%之间。）球化剂中Re含量由2%～2.5%，降为1%～1.5%。

为了对上述碎块状石墨的防止措施进行验证，我们通过公司一款新产品经过了多次验证检测，根据检测结果显示，铸件的厚处与薄处（的）均无碎块状石墨与球化率都达到了相关标准的要求。综合分析上述的碎块状石墨解决措施，强化孕育是一种十分有效的措施，通过强化孕育可以对铁液中石墨的形核能力与长大能力进行一定程度的提升，并有效解决了碎块状石墨的问题。

4 结束语

本文主要针对球墨铸铁中碎块状石墨的形成原因及防止措施进行研究与分析。首先对碎块状石墨的形成原因进行了一定程度的阐述，提出了本人的看法。然后在此基础之上从Ni与Si的影响、RE的影响、凝固时间的影响、孕育的影响等方面分析了碎块状石墨形成的影响因素。最后提出了三项碎块状石墨的防止措施，分别为控制出炉温度、多次孕育以及加入0.05%～0.08%的Sn，降低球化剂中Re含量至1%～1.5%，经过实际验证，取得了良好的效果。综上所述，碎块状石墨会对球墨铸铁件造成十分不利的影响，了解碎块状石墨的形成原因，掌握碎块状石墨形成的影响因素，提出具有针对性且行之有效的防止措施，切实提高球墨铸铁件的生产质量，具有十分重要的现实意义与经济意义。