球墨铸铁球化不良的预防及改进措施

孟德凤

沈阳亚特重型装备制造有限公司 辽宁沈阳 110135

为了生产出高质量的球墨铸铁件，其球化率必须在90%以上，若球化率达不到标准或球化不良，先要区分是何种原因导致的球化不良。冬季采用树脂砂造型时，必须经常检测原铁液的硫含量，以此防止硫含量高影响球化率。

1 球墨铸铁的发展历史

球墨铸铁是20 世纪50 年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，正是基于其优异的性能，已成功用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求高的零件。球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁、应用广泛的铸铁材料。

法国的雷奥姆尔（Reaumur）于1722 年制成了白心可锻铸铁。后来,美国的塞斯·包伊登（Seth·Boyden）于1826 年发明了黑心可锻铸铁。

到20 世纪20 代,由于对铸铁中碳、硅等主要成分及加入其他合金元素的影响、熔化方法、孕育效果等方面的研究并有了进展，出现了高级铸铁。因此，材质有了相当可观的改善，并在一定程度上扩大了应用范围。但由于存在着韧性低的缺点，未能迅速扩大其应用范围[1]。

1947 年，烟的莫罗（Morrogh）发现了铸态下存在球状石墨的铸铁。

1948 年，通过在高碳，低硫、低磷的灰铸铁中加入Ce，并使其残留量保持在0．02%以上，制得了球墨铸铁。同时，美国国际镍公司（INCO）加格奈宾（Gagnebin）等通过在铸铁中加Mg，并使其残留量保持在0．04%以上，获得了相同的球墨铸铁。

2 球墨铸铁生产现状

在球墨铸铁件生产中，为保证其产品质量，要求同炉产品附铸试块的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和球化率必须在材质牌号要求范围内，这一要求必须在理化检验规范中严格控制，特别是试块球化率不合格时，要看铸件本体的金相，若铸件本体金相球化率低于90%，则铸件必须报废，这将造成一定的经济损失。

某公司理化室在常规随炉附铸试块拉伸试验时，发现球墨铸铁试块的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率存在不合格现象，从试样上截取的金相块球化率也仅为65-80%,这是不合格的。立即检测本体金相，结果一部分铸件本体金相球化率仅为70-85%。因此，对性能不合格的铸件必须报废[2]。

3 球墨铸铁球化不良的分析

出现不良球化现象后，需加强原铁液及球化处理后的铁液中的硫检测，以及对回炉料使用的控制，防止此类问题的发生。要想生产高质量球墨铸铁件，球化率必须达到90%以上。通过总结长期生产实践和查阅相关文献，影响球化率的主要因素包括以下方面。

3.1 炉料中含有反球化元素

在铁液中含有某些杂质元素，会破坏球化效果，得到的是片状石墨而不是球状石墨。常见的反球化元素有锑（sh）、锡（sn）、铋（Bi）、碲（Te）、铅（Pb）、砷（As）、钛（Ti）等。这些元素通过消耗镁的含量或富集在共晶团边界，形成畸形石墨。球铁铸件使用的油漆通常加入金属元素，常见的加入元素有铅、镉、锡，这些元素都有反球化作用。另外，废钢中可能含有电镀件、铅料等杂件，应予以避免。

3.2 孕育效果不强或衰退

孕育衰退的原因主要与孕育剂加入量低或孕育工艺不完善有关。因镁的存在是球化的必要条件，充分的孕育处理是促进石墨化的保证，因此只讲球化处理而不重视孕育处理，是生产不出高质量球墨铸铁的。因而孕育剂的选用及添加量应适当，应采用含钡、钙的长效孕育剂，并采取二次孕育和随流孕育的复合措施。

3.3 球化剂加入量过少

铁水中加入球化剂，使石墨结晶成为球状。在工业生产领域，主要的球化剂是镁和稀土合金。Mg 的密度为1．7389/cm3，熔点为651℃，沸点为1107℃，其化学性质活泼，脱氧脱硫能力很强，与S 结合生成的MgS 由于密度小，极易上浮，通过除渣的方式去除。由于镁的密度小、沸点低，加入铁液中的Mg 一部分变成镁光汽化，一部分去硫去氧，剩余的部分才在铁液中进行球化反应。球化剂的加入量主要取决于原铁液中的含硫量、铁液的出炉温度、出铁冲入方式（是否盖包），一般加入量是处理铁水质量的1．0%-1．6%。

3.4 干扰元素含量过高

（1）原铁水的含硫量偏高。硫是主要的反球化元素，含硫量越高，球化反应的效果就越不好，因此需控制原铁液中的含硫量。当原铁液中的含硫量偏高时，相应的球化剂加入量应增多。球化剂脱硫的化学反应原理为：

Mg+S=MgS

2Ce+3S=Ce2S3

需注意的是，要及时将铁液上的浮渣清除，否则浮在铁液表面的MgS、Ce2S3夹杂物与空气中的氧会发生下列反应：

2MgS+02=2MgO+2S

2Ce2S3+302=2Ce2S3+6S

此时生成的硫又从浮渣中进入铁液，与镁和稀土发生作用，反复消耗球化剂，形成“回硫现象”，致使球化效果不好。

（2）反球化元素过量。严格控制反球化元素含量，特别是钛与铅。可选用高纯生铁，控制废钢及生铁中的反球化元素。

（3）铁液温度过高或过低。当球化铁液温度过高时，覆盖剂无法压实，导致球化剂熔化速度过快，致使其烧损过多。但当球化铁液温度低于1390℃时，合金不易熔化，球化反应不完全，球化水平难以满足要求。另外，在球化剂上浮过程中，由于铁液温度低，球化剂不能迅速熔化吸收，导致球化剂上浮到铁液面熔化燃烧。因此，铁液温度应控制在工艺要求范围内。

4 整改措施与效果

①规范操作规程，控制浇注时间。②球化包结构不合理，控制高径比。③控制原铁液的硫含量及回炉料使用量。④铁液中反球化元素含量超标，因此需控制铅、钛、锡等微量元素。

采取上述整改措施后，试块和本体的金相球化率在80%左右，仍不合格。同时检测到原铁液中wS 为0．025%-0．026%，超出了本厂规定的≤0．020%。在生产高质量球墨铸铁时，国外一般将原铁液的硫含量控制在0．020%以内，高于该含量都要进行脱硫处理。在冬季，树脂砂造型用固化剂中总酸及游离硫酸的含量高于其他季节，即硫含量较高，因此渗透到浇道及铸件表面会造成回炉料中硫的偏高。硫是一种反球化元素，它与镁有很强的亲和力，与镁反应生成MgS，消耗了有效镁量，导致铁液中游离镁含量不足，致使球化不良，此时需更多的球化剂来保证球化效果[3]。因此，球化剂的加入量从原来的1%增加到1．1%，经生产跟踪检测，附铸试块和本体球化率均达到90%以上，球化不良现象消失。