提高大吨位厚大断面球墨铸铁球化率的探索

王敏刚，郭 敏，宫显辉，李 飞，刘 海，卫 蓉

（陕西柴油机重工有限公司，陕西兴平713105）

大吨位厚大断面球墨铸铁件一般指铁水重量不小于10吨，主要壁厚不小于100mm。其凝固时间?一般超过半个小时，心部区域球化率一般仅有Ⅵ+Ⅴ=30%～50%，且经常会出现反白口现象，为了提高厚大断面球墨铸铁球化率我们进行了一系列试验。

1 试验内容

试验采用3吨中频炉熔炼，炉料采用高纯生铁，低合金碳素废钢同材质回炉料等。熔炼时先加入生铁，待生铁熔清后加废钢回炉料等，待铁水熔清后，升温至1420～1440℃取样分析，化学成分如表1所示。浇包为堤坝式3吨浇包，采用冲入法球化，出铁水3吨。

表1 原铁水化学成分 ωB/%

试验用如图1所示的阶梯试样，三个阶梯体积由小到大分别为：200mm×200mm×200mm、300mm×300mm×300mm、500mm×500mm×500mm，开放式顶注浇注系统，直浇道、横浇道、内浇道面积比为1：1.5：2，阻流截面为直浇道截面积为2826mm2。

图1 试验用模具工装

2 试验方案

试验采用3吨中频炉，原铁水微量元素总和小于0.05%，其中钛含量小于0.02%，以下三种方案化学成分基本相同。

方案一：采用1.2%复合稀土球化剂，稀土含量约1%，球化坑依次装入球化剂，粒度：20～30mm，0.1%的低硫增碳剂；粒度：2～5mm，0.2%高钙钡孕育剂；粒度：2～7mm，再覆盖约0.3%的矽钢片，最后盖压铁板。球化温度1460～1480℃，浇注温度1370～1380℃，待球化反应基本结束时加入随流孕育，0.4%的高钙钡，粒度：5～7mm，瞬时孕育剂使用硫氧铈孕育剂：0.2%，粒度0.2～0.7mm，浇注时加入。

方案二：球化坑最低部装入0.008%的纯锑，粒度：10～30mm，其余与方案一相同。

方案三：采用稀土含量约0.5%球化剂,球化内坑装入0.005%的纯锑，其余与方案一相同。

3 试验结果及分析

3.1 方案一结果分析

试块解剖之后发现：200mm厚心部区域石墨球多且小,但局部石墨球不圆甚至出现蠕虫状石墨，如图2所示；300mm厚心部区域出现了大范围的碎块状石墨，其余区域石墨球多且小，如图3所示；500mm厚心部石墨球长大且大多为碎块状、团状，蠕虫状，经腐蚀出现了约10%的珠光体组织，球化率仅为40%，如图4所示。在生产铁素体球墨铸铁时使用复合稀土球化剂、高钙钡孕育剂及硫氧铈孕育剂会产生多且细小的石墨球，但当铸件壁厚增大，石墨球会畸变，过量的稀土将导致碎块石墨的增多。由于偏析作用尤其稀土中的铈的富集，会产生碎块状石墨[2]。

图2 方案一200mm厚心部石墨形态

图3 方案一300mm厚心部石墨形态

图4 方案一500mm厚心部石墨形态

3.2 方案二结果分析

试块解剖后发现：200mm厚心部区域石墨呈球团状，石墨球少且大并出现约10%珠光体，如图5所示；300mm厚心部区域出现了蠕虫状和钉状石墨，珠光体含量进一步增多约25%，如图6所示；500mm厚心部出现了大量的钉状石墨，珠光体含量高达60%，球化率仅为30%，如图7所示。在没有铈和其他微量元素的情况下，加入0.002%锑，可使200mm断面球墨铸铁的心部位的石墨球非常圆整。但锑不仅是反球化元素还是珠光体形成元素，过量的锑会使石墨球变差并产生珠光体，当壁厚增加，冷却缓慢，稀土和锑都会富集，过量的稀土会恶化石墨形态，过量的锑不仅会产生大量的珠光体还会产生钉状石墨[2]，图6、图7中的钉状石墨就是锑富集过量产生的。

图5 方案二200mm厚心部石墨形态

图6 方案二300mm厚心部石墨形态

图7 方案二500mm厚心部石墨形态

图8 方案三200mm厚心部石墨形态

3.3 方案三结果分析

试块解剖后发现：200mm厚心部区域石墨球多且圆，无珠光体组织，如图8所示；300mm厚心部区域出现了少量了球团状石墨，石墨球进一步长大，珠光体含量约5%，如图9所示；500mm厚心部出现了团状石墨，石墨球长大且大石墨球表面长出小的芽状石墨，珠光体含量高达40%，但球化率到达了80%，如图10所示。减少稀土和锑的含量，可有效的减少稀土和锑的不良作用。少量的稀土可以抵消铁水中微量反球化元素的作用，一定量的锑可以有效的消除碎块状石墨。在厚大断面球墨铸铁中，可与Ce一起加入适量的Sb、Bi等微量元素。锑和铋本来是干扰球化的元素，这时不但不会干扰石墨球化，反而能消除碎块状石墨[2]。

图9 方案三300mm厚心部石墨形态

4 结论

（1）使用复合稀土球化剂、高钙钡孕育剂及硫氧铈孕育剂在壁厚不小于200mm时会产生大量的碎块状石墨。

图10 方案三500mm厚心部石墨形态

（2）添加0.008%的锑可以有效的消除碎块状石墨，但壁厚在200mm以上时会产生珠光体，壁厚在300mm以上时还会产生大量的钉状石墨。

（3）使用高纯炉料低稀土球化剂添加0.005%的锑可以消除壁厚200mm～500mm的试块中的碎块状石墨，且石墨形态良好，球化率达到了≥80%。