提高球墨铸铁球化效果的途径

王兴正

沈阳亚特重型装备制造有限公司 辽宁沈阳 110135

球墨铸铁因其石墨呈球状和金属基体割裂小而具有优异的性能。此外，其成本低、重量轻等优点，在轻量化时代发展迅速，应用范围不断扩大。球墨铸铁最基本的要求是球化效果必须要好，自球墨铸铁诞生以来，人们对球化机理、球化剂、球化处理工艺等进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果，然而，为了适应新形势带来的新变化，对如何提高球化效果、球化剂、球化处理工艺等提出了新的要求。

1 降低原铁液的S、O 含量

镁、稀土元素、钙是石墨球化的主要元素，当前后两种元素不再单独使用，而是与镁复合使用。

镁是能力最强和应用最广的球化元素，镁对铁液中的氧及硫有很强的亲和力，是一种强脱氧脱硫剂。在原铁液中加入镁后，在石墨球化形成前先进行脱氧脱硫。当铁液中的硫及氧含量很低时，约需0．018%的镁就足以形成球状石墨组织，但实际生产中却要高得多。

镁脱硫产生硫化镁（MgS），其是一种低密度化合物，易上浮到铁液表面进入铸件的倾向。此外，硫化镁的稳定性差，与氧接触时会形成氧化镁，硫释放回铁液后，与镁再次反应生成硫化镁，这种脱氧脱硫反应不断发生，使保持石墨球化所需的镁含量逐渐降低，致使球化衰退。因此，为保证球化效果，应将原铁液含硫量控制在很低的水平，并在球化处理后应尽快对铁液表面的浮渣扒净并浇注。

灰口铸铁与球墨铸铁硫含量的差异是由于片状石墨及球状石墨形成机理不同所致。石墨是六方晶格结构，其正常生长方式为沿基面的择优生长。灰口铸铁因活性元素硫、氧等吸附在棱面上，使石墨生长成片状。球铁因硫和氧含量低，所以棱面生长速度与棱面相同，石墨生长成球状[1]。

在灰口铸铁中，硫和锰的结合生成高熔点的MnS，并以颗粒状分散在铁液中，可作为石墨的非均匀晶核，有利于石墨的析出。电炉生产的灰口铸铁硫含量低，为保证孕育效果，应将硫含量提高到0．05%-0．06%以上。为了保证石墨球化，应将铁液硫含量控制在很低的水平。建议铁液硫含量控制在0．008%-0．015%间，将铁液硫含量控制在这个水平十分有必要，在目前大多采用电炉熔炼的情况下，可通过加强炉料管理，不使用高硫炉料及高硫增碳剂等措施来实现。

镁脱氧产生的氧化镁（MgO）呈白色，化学稳定性高，具有熔点高、密度低等特点，并在铁液中溶解度较低。氧化镁浮在铁液表面，浇入铸型后会累积在铸件上表面，也可能被卷进铸件内部形成有害夹杂物。

在球化过程中，严重氧化的铁液会消耗镁，从而降低镁的吸收率。但因中频电炉有电磁搅拌及“沸腾”作用，以及较好的排渣除气能力，若炉料干净、后期添加的辅材不潮湿、并能认真除渣，铁液含氧量一般可低于20×10-6，对铁液质量影响不大。但高温铁液若在电炉内长时间停留，不仅会增加铁液含氧量，而且会降低碳含量，增加硅含量及增大对炉衬的侵蚀。球化处理时，铁液应有一定的过热温度，以保证浇注温度及温降。因此，出炉温度应根据工艺要求的浇注温度加上处理过程中的降温来确定。当达到设定的出炉温度后，不要停留太久，应尽快扒渣、出炉。同样，若电炉容量大，每次出铁后都要加入一些新料，这样虽对生产有一定影响，但能获得相对稳定的冶金质量[2]。

球化处理后，铁液会吸收各种来源的氧，并且镁可能在保温停留、浇注、浇注系统等过程中发生紊流时损失。因此，应优化工艺设计，尽量缩短从球化处理完毕到浇注结束的时间。

铁液预处理，即在熔炼后期向炉内加入碳化硅等合金，目的是使铁液的O/S 能稳定在较低的水平，同时，可形成若干形核质点，以稳定球化和孕育处理的效果，从而获得质量稳定的球墨铸铁。

2 降低干扰球化元素的含量

含有一定数量就会阻碍石墨球化的元素称为反球化元素，这些元素的特点是表面活性高，在石墨-铁液或石墨-固相间的界面处易发生富集，严重影响了石墨的形态，这些元素不仅有各自的不良作用，而且与其他元素有非线性叠加和整合作用。此外，某些元素在一定含量范围内有利于球化，但在其他含量时会严重破坏球化效果，从而使石墨畸形。

反球化元素可分为三类：第一类是促进块状石墨形成的元素；第二类是晶界易偏析的元素，增加了局部含量，促进了片片石墨的形成；第三类是直接干扰球化和影响石墨形态的元素。其中，第二类元素的不利影响可通过添加第一类元素来抵消，反之亦然。对于第三类元素，在选择炉料和其他添加剂时，应注意使这些元素的含量保持在较低的水平，或添加更多的镁球化剂来抵消这些元素的影响。

此外，铁液中不可避免地含有一些反球化元素。在大多数情况下，反球化元素的含量不是很高，若炉料来源固定，则可用球化剂中的稀土元素进行抵消。若炉料来源不固定，且反球化元素种类及含量不可预知，等发现时则为时过晚，会导致铸件报废。因此，采用高纯生铁或优质球墨铸铁专用生铁，可给铸造厂提供成分稳定、微量元素含量最低的炉料，从而降低上述危害。

3 在保证球化效果的基础上降低残余镁和稀土含量

若上述工作均已做得，则只需较少的球化剂就能使铁液球化。在保证球化效果的前提下，尽量降低铸件残余镁及稀土含量，这样既能降低成本，又能保证球墨铸铁的质量[3]。

镁是石墨球化过程中最重要的元素，但它的作用是一把双刃剑，低了不球化，过量会促进碳化物的形成，从而使铸件产生缩松、夹渣等缺陷。凝固速度越快，上述风险越大，球墨数越少，从而越严重。建议将球墨铸铁的残余镁含量控制在0．030%-0．045%（总镁量，除有效镁外，还包括MgO、MgS、MgSiO3化合物中的镁）。

稀土的球化效果不如镁，其主要作用是中和反球化元素的影响。在原料质量好、干扰元素少的情况下，应特别注意稀土含量过高会使石墨球的圆整度恶化，不论在厚壁或薄壁球墨铸铁件中，均应避免过量的铈渣。薄壁铸件有产生碳化物的风险，而厚壁铸件可能增大石墨漂浮和产生花状石墨的风险，特别是热节处产生的块状石墨。建议球墨铸铁中残余稀土含量控制在0．010%-0．015%间。

4 球化剂的要求

①球化能力强；②资源丰富，价格低廉；③对各种成分和温度的铁水适应能力强；④球化反应动力学条件好，反应产物易于排除，用量低，降温少，球化处理工艺性好。