厚大断面球墨铸铁件球化率的控制

■ 陈光金

由于厚大断面球墨铸铁件模数大、过冷度低、石墨核心较少，以及在促进奥氏体枝晶形成元素的作用下，奥氏体枝晶生产时间长，枝晶丰富且分支较大，其对共晶凝固石墨的形成和分布有着一定的影响，通常会出现碎块状石墨、开花状石墨、畸形石墨，以及球化衰退或孕育衰退等问题，从而严重影响球墨铸铁的球化率，进而影响到力学性能。

一、大试块试验设计

1.试块尺寸设计

为了尽可能模拟厚大断面铸件的凝固过程，设计了尺寸为400mm×400mm×400mm的大试块，其凝固时间可以通过经验公式来核算，也可通过凝固模拟来测算。本试验经过核算，设计浇注温度为1340℃，立方体试块凝固时间约4h，用于模拟厚大断面球墨铸铁件的凝固。

2.试块浇注系统设计

考虑到大试块凝固时间长，液态收缩过程是需要液态补缩的，通过直浇道给予少许液态补缩是需要的。铁液通过缝隙式内浇口从试块侧面进入，保证铁液充型过程液面的平稳性。试块铸造工艺如图1所示。

图1 大试块的铸造工艺

3.试块造型工艺要求

采用泡沫模样缩尺1%，做成试块形状，周边填砂后挖出泡沫模样，使用耐火度好的锆英粉涂料施涂后进行烘干，合箱后浇注。特别注意，为了尽可能模拟厚大件凝固过程，不得使用耐火度蓄热能力强的铬铁矿砂，更不得使用冷铁，试块必须采用普通呋喃树脂砂造型，尽可能地模拟实际生产情况。

4.试块取样位置要求

图2 大试块金相及力学性能取样

如图2所示，在距离试块一侧开始距离为100mm、200mm、350mm处切取φ30mm×400mm的棒料3根，再从棒料中间锯切成两半共6根φ30mm×200mm的棒料，按照GB/T1348－2009加工成φ14mm的试样，然后进行力学性能测试和金相检验。

5.配料

铸造材料的遗传性包含了化学成分遗传性、结构的遗传性。为了防止因为生铁中粗大石墨的遗传效应，也为了降低生产成本，该试块铁液熔炼主材采用40%～60%的废钢加上40%～60%的浇冒口系统返回料，通过熔炼过程添加高温石墨化增碳剂，来保证铁液的冶金质量。为了防止微量元素带来石墨形态的畸变，选择纯净的冲压废钢边角料和明确成分的浇冒口系统返回料，炉料要求干净无锈蚀，以减少炉内铁液O、S带来的影响。

6.化学成分的选择

首先结合试块的模数及浇注温度，为了降低石墨漂浮，防止碎块状石墨的产生，控制CE＝4.15%～4.25%、wC＝3.45%～3.60%、wSi＝2.10%～2.25%。考虑到利用M n的合金化作用（部分固溶强化、另外提高珠光体含量），控制wMn＝0.30%～0.40%。P、S为有害元素，控制wP＜0.07%、wS＜0.02%。在厚大断面球墨铸铁中，为了防止球化衰退，控制wMg＝0.035%～0.045%。厚大断面易于出现碎块状、开花状石墨，适当的配入与稀土匹配的Sb元素，原铁液中加入wSb＝0.003%～0.005%，以减小碳的扩散能力，从而阻碍碳的过分石墨化。

7.球化及孕育

总体球化思路是选择纯净的原铁液，采用低稀土球化剂，利用冲入法先球化后孕育的方式，待球化进行时孕育剂采用孕育工装进行孕育，浇注时再进行一次随流孕育。球化剂及孕育剂的加入量及成分见表1。

8.浇注温度设计

由于试块整体比较厚大，依据模数、C E，综合考虑选择大试块的浇注温度为（1340±10）℃。

二、大试块初次试验结果

加工制取φ14m m拉伸试样，进行力学性能测试。

1.力学性能及球化率测试

试块力学性能及金相检测出现严重不合格，力学性能见表2，金相检测见表3。

2.试块快冷表层与慢冷心部的元素宏观偏析情况

为了进一步了解元素Mg的心部宏观的偏析及衰退情况，对试块表层快冷部分及心部慢冷部分取样做化学分析，测试结果未见明显宏观偏析和衰退。Mg的衰退不明显，这是由于Mg的衰退与Mg氧化有关，进入型腔的铁液在还原气氛下Mg的衰退可以忽略不计，因此笔者认为相关教科书中所述厚大球墨铸铁件必须采用高的残余Mg的说法有必要进一步论证，实际上在厚大球墨铸铁件上的残余Mg控制笔者不主张高的Mg含量，控制在wMg＝0.035%～0.045%即可。Mg、RE的测试结果见表4。

表1 球化剂及孕育剂的成分及加入量

表2 力学性能测试（GB/T228.1-2010 ）

表3 金相测试（GB/T9441-2009 ）

三、大试块球化率的改进

1.碎块状石墨形成的原因分析

目前关于碎块状石墨形成没有统一的结论，笔者认为试块心部出现碎块状石墨的主要原因是试块壁厚较大，心部冷却缓慢及石墨化核心不足造成的。周继扬老师认为壁厚厚大、凝固时间长、过冷度小，使离异共晶条件遭到破坏，共晶条件向非离异共晶发展。因此凝固时间和过冷度是主要原因，此外大试块凝固时间太长，RE、Sb等微量元素会存在偏析，也会破坏奥氏体壳的稳定性，石墨沿着奥氏体壳破坏通道生长，石墨发生变异。

Cathrine Hartung， Oddvar Knustad， Kjell Wardener等人认为，碎块状石墨是在冷却缓慢、成核潜能低、CE高、以及RE和微量元素偏析情况下造成的，建议从孕育效果、Sb中和RE、阻碍碳原子扩散，以及提高冷却速度方面着手解决。

2.球化率的改进措施

主要从提高球化能力、增加石墨核心、缩短凝固时间方面着手来解决碎块状石墨，具体措施如下。

（1）配料 考虑到成本问题不做调整，试块铁液熔炼主材采用40%～60%的废钢加40%～60%的浇冒口返回料。

（2）化学成分 适当提高CE，控制wCE＝4.35%～4.45%，产生开花状石墨的风险不会太大。控制wC＝3.65%～3.75%、wSi＝2.10%～2.25%，其他方面暂时不做调整。

（3）缩短凝固时间 降低浇注温度，控制在（1320±10）℃。

（4）提高球化能力 将球化温度控制在1450℃左右，球化剂上覆盖0.2%硅钡孕育剂，球化能力刚好合适，既不会太强也不会太弱。球化完毕后铁液中的渣易于浮出，便于除渣，可保证铁液纯净。

（5）孕育处理 分3次孕育，包括球化时的埋包孕育、球化完毕的倒包孕育、浇注时的随流孕育，总孕育量控制在铁液重量的0.6%～0.9%。

3.改进效果

试块力学性能有较大的提高，满足预设要求。大试块心部金相球化率在2～3级，也满足了预设结果，力学性能检测结果见表5，金相检测结果见表6。

四、结语

（1）从400mm×400mm×400mm的球墨铸铁大试块试验结果来看，即使在很低Si含量的情况下，厚大断面球墨铸铁也极易出现碎块状石墨，从而严重影响其力学性能，生产上必须给予足够的重视。

表4 试块心部与试块表层残余Mg（质量分数）的宏观差异 （%）

表5 试块力学性能测试结果

表6 试块金相测试结果

（2）通过合理选择CE值和浇注温度，可以防止厚大断面球墨铸铁出现开花状石墨的风险。

（3）碎块状石墨可以通过缩短凝固时间、加强孕育效果、适当提高碳当量等方面的措施来解决。

（4）在原铁液S含量较低的情况下，即使是厚大球墨铸铁件，也没必要必须保证较高的残余Mg含量，对于球墨铸铁而言，低S情况下残余Mg衰退并不严重。

综上所述，通过选择合适的配料、碳当量、浇注温度、孕育方法及球化剂等措施，在厚大断面球墨铸铁上依然可以得到2～3级球化率的球墨铸铁。