QTRSi4Mo 耐热铸铁的工艺研究

（潍柴重机股份有限公司 滨海铸造厂，山东 潍坊 261001）

关键字：耐热铸铁；化学成分；性能检测

铸铁长时间在高温条件下使用，表面会形成氧化层，并且随着时间的延长氧化层厚度增加，减弱材质的力学性能。同时，高温条件下使用的铸铁还会出现生长的现象，即铸件的尺寸会出现不可逆的变大。这两方面原因会导致铸件力学性能急剧下降。发动机排气管、涡轮增压器壳体等铸件长时间在高温条件下工作，多采用耐热铸铁进行生产，耐热铸铁在高温下具备一定的抗氧化和抗声场的能力，并且因为其成本较低，在制造业中被广泛应用。

1 耐热铸铁机理

1.1 抗氧化性

影响铸铁抗氧化性的主要因素是石墨形态和合金元素。

有研究表明，灰铸铁中石墨呈片状结构，共晶团相互连接，是氧进入铸铁内部的天然通道，所以灰铸铁的氧化速度很快。而球墨铸铁当中石墨球是封闭的，没有氧进入的通道，因此球墨铸铁的氧化速度极低。

铸铁氧化表面形成的氧化膜，其致密性、稳定性决定了其能否阻止氧进入金属内部，在铸铁中加入某些合金元素使氧化膜成分发生变化，会形成复杂化合物。如果加入的元素含量足够高，复杂化合物会连续分布，氧很难通过这层致密氧化膜进行扩散，此时铸铁的抗氧化能力会显著提升。常用合金元素中硅元素就具备这样的作用[1]。

1.2 抗生长性

长期在高温条件下工作的铸铁件，其尺寸会出现不可逆的变大，这种现象被称为铸铁的生长。主要由内部氧化引起，氧通过石墨与基体的间隙渗入金属内部发生氧化反应，氧化物体积变大造成铸件膨胀。其次，高温下游离渗碳体的分解及石墨在奥氏体中反复溶解析出等原因也会造成铸铁的生长[1]。

综上所述，改善石墨形态，使石墨呈球状以及加入适当的合金元素可提高铸铁的抗氧化性和生长[1-5]。

2 选定耐热铸铁牌号

我厂产品主要为船用、发电设备用柴油机机体、缸盖，生产的铸铁牌号涵盖灰铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁，此前没有生产耐热铸铁的经历。此次接到耐热铸铁排气管的生产计划，对各类耐热铸铁牌号进行对比，并结合实际生产条件，最终选定中硅钼球墨铸铁QTRSi4Mo，硅系耐热铸铁成本低，铸造性能较好，生产工艺易于掌握。

3 化学成分选择

参考有关资料，制定耐热铸铁终成分范围见表1.

碳质量分数选择3.50%～3.80%是兼顾正常球墨铸铁铸件的生产任务，该成分范围内，现有球铁牌号球化率稳定在90%以上，球径4～6 级，可满足耐热铸铁金相要求。

前文中提到，硅元素可在铸铁表面形成连续致密的氧化膜阻挡氧渗入铸铁内部，这正是选择QTRSi4Mo 牌号的原因。并且硅是石墨化元素，可以使基体组织形成单一的铁素体，并起到固溶强化的作用。硅的孕育作用可有效增加石墨球数量，减小石墨球尺寸。

钼元素可以提高耐热铸铁的高温强度，提高材料的热稳定性。鉴于本次生产的8250 机体排气管工作温度在600 ℃左右，钼元素质量分数选定在0.5%～0.6%.

其他元素按照现有球墨铸铁控制范围，硫质量分数控制在0.020%以下、磷质量分数控制在0.040%以下。

4 生产过程

4.1 熔化原铁水

使用ABP6100kW 中频感应电炉进行熔炼，以Q10 生铁、废钢及我厂QT900-2 牌号回炉料为原材料，升温至1 520 ℃～1 540 ℃后高温静置。

4.2 球化处理

炉前加入钼铁，0.3%～0.4%质量分数的硅钡孕育剂配合75 硅铁将铁水硅质量分数调整至3.5%～3.6%，吊运至球化站进行喂线法球化处理。

共进行两次生产，为兼顾正常生产任务，两次工艺差别较大：第一次炉内剩余2 t 铁水，将炉内铁水硅质量分数调整至3.0%～3.2%，炉前加入硅钡孕育剂与75 硅铁，温度1 520 ℃出铁；第二次铁水熔化完毕立即生产，原铁水硅质量分数1.2%～1.5%，需加入大量的75 硅铁，为防止硅铁、钼铁等材料熔化不良，将出铁温度调整至1 540 ℃.直读光谱仪检测两次生产硅元素、钼元素含量均在制定的成分范围内。

4.3 浇注

此次浇注的排气管壁厚在7 mm～8 mm，将浇注温度定在1 420 ℃～1 430 ℃，使用硅锆孕育剂进行随流孕育。浇注Y 型Ⅱ类单铸试块进行力学性能检测。

5 单铸试块力学性能检测结果与分析

目前我厂并无相关产品的生产任务，力学性能检测项目仅依据《GB/T9437-2009 耐热铸铁件》、《GB/T9441-2009 球墨铸铁金相检验》制定，屈服强度、延伸率及珠光体含量范围等性能未进行检测。

5.1 力学性能检测

表2 Y 型试块力学性能

力学性能检测结果见表2，检测结果符合《GB/T9437-2009 耐热铸铁件》国家标准。表3 为《GB/T9437-2009 耐热铸铁件》国家标准中对QTRSi4Mo 力学性能的规定。

表3 QTRSi4Mo 力学性能要求

5.2 金相检测

图1 Y 型试块金相图

图1 为Y 型试块金相图。球化2 级，石墨大小6级，珠光体含量15%，珠光体含量略高但仍以铁素体为主。

排气管、涡轮增压器壳体等零部件形状复杂，要求材质在具备良好高温性能的同时还应具备较好的铸造性能。QTRSi4Mo 材质作为中硅钼球墨铸铁，具有良好的高温性能与铸造性能，适用于热负荷在600 ℃～700 ℃的柴油发动机，符合我厂产品的需求。

6 总结

耐热铸铁在工业上早已广泛应用，我厂一直没有相关的产品，因此起步较晚。此次验证生产的QTRSi4Mo 牌号耐热铸铁仅进行有限的检测，待有正式产品时，再根据铸件的具体要求对工艺进行改进。