倒包孕育在厚大断面球墨铸铁上的应用

陈光金，杨春黎，王宣

宜宾普什联动铸造分公司 四川宜宾 645152

1 序言

厚大球墨铸铁材质的铸件壁厚通常＞100mm，由于凝固过程十分缓慢，凝固时间长，所以易于造成铸件出现石墨漂浮、碎块状石墨、铸件上表面夹渣及气孔等质量问题，从而导致铸件因质量不合格而报废。在球化时为了保证球化效果，以及除渣彻底，需要采用适当高温球化，而在浇注工艺设计时往往会采用低温浇注方案，以尽量减少铁液凝固时间，防止球化因衰退而导致的石墨畸变。

我公司某铸件重量约8.5t，出铁重量10t以上，铸件断面主要壁厚150mm，最大壁厚300mm左右，产品结构如图1所示。

图1 产品结构

2 产品结构特点及生产难点

此产品材质为EN-GJS-450-10，产品主要壁厚较大，在产品上附铸70mm厚标准试块用于性能检测。产品中间砂芯较深，不易于布置冷铁，凝固初期砂芯蓄热降低产品温度，但是随着时间推移砂芯蓄热饱和后无法散热，砂芯和铸件成为一体只能依靠外侧砂型散热，因此产品实际模数是非常大的。相关资料显示，如此壁厚的产品凝固时间一般在3h左右[1]。

综上所述，由于产品凝固缓慢，因此如何考虑成分、球化、孕育及浇注方案是生产此类产品的关键。

3 化学成分设计

化学成分设计时，首要考虑碳当量（CE），此铸件主要壁厚较大，极易产生石墨漂浮，同时凝固时间较长，石墨易于畸变，石墨球数少，因此综合考虑，决定取CE＝4.3%。

合金化的考虑，要满足材质EN-GJS-450-10要求，可以采用硅固溶强化或铜合金化，前者伸长率较高，但对于厚大件不合适，硅含量高易于产生碎块状石墨[2]；后者伸长率不易控制且成本较高，但可以得到较好的材质，因此考虑采用铜合金化。主要化学成分见表1。

表1 EN-GJS-450-10化学成分（质量分数）（%）

4 球化工艺设计

（1）球化方法 结合我公司生产产品种类，采用冲入法生产厚大球墨铸铁件。

（2）球化剂的选择 首先，考虑到浇注铸件的温度略低，适当选取球化能力较强的球化剂，选择球化剂wMg＝6.0%；其次，考虑RE特别是Ce对厚大断面铸件金相的影响。我公司生产球墨铸铁件原材料比较纯净，原铁液S含量较低，因此选择wRE＜1%的球化剂。考虑到尽量减少Mg的夹渣物，提高有效Mg含量，要求球化剂MgO含量＜0.5%，且断面干净无夹杂。另外，不得因Ca含量过高而影响球化起爆时间和球化效果。

（3）球化过程控制 通过生产验证发现，球化剂爆发时对铁液的搅拌能力直接影响到铁液的球化效果。球化时球化剂爆发对铁液搅拌能力较弱时，球化剂中Mg吸收率很高，铁液中碳的烧损较低，铁液中Mg含量较高，碳含量也高，但是除气、除渣效果不明显，铁液的均匀性较差，球墨铸铁的伸长率略低；球化时球化剂爆发对铁液搅拌能力太强时，球化过程非常剧烈，出现很亮白的Mg光，Mg的氧化很严重，Mg吸收率较低，碳含量也低，除渣、脱气能力强，但是Mg含量较低，性能可能会出现不合格。因此，生产上需要控制球化过程，一旦球化剂起爆后，球化过程剧烈，铁液剧烈翻滚，炉渣不断在液面形成并推向浇包一侧，直到球化反应完毕，Mg含量合适，Mg吸收率稳定，碳烧损也稳定，铁液球化的均匀性和一致性较好，金相组织、力学性能合格。基于以上考虑，选择冲入法球化，球化温度控制在1470～1500℃，选择wMg＝6%、wCa＝1.5%的低稀土球化剂球化。

5 孕育工艺

5.1 孕育方法

主要有埋包孕育、出铁时随流孕育、浇注时随流孕育，以及型内孕育等4种，以上方法通常单独或配合使用。

（1）埋包孕育 是将孕育剂覆盖在球化剂上，实现球化和孕育同时进行，特点是能够预防球化提前起爆，从而使球化过程稳定，不利因素是孕育至浇注时间会略长，孕育衰退风险较大，比较适合小包处理少量铁液，并在短时间内完成浇注。

（2）出铁时随流孕育 是目前常用的方法，出铁过程待球化开始后，借助工装将孕育剂送入球化的浇包内，以实现边球化边孕育，借助球化剂爆发对铁液的搅拌能力实现孕育剂的均匀性，此方案效果较好。

（3）浇注时随流孕育 是在浇注过程将孕育剂通过工装输入铁液流中进入型腔，此方法是比较理想的孕育方案，具有孕育剂使用量少、不存在孕育衰退，以及孕育效果最佳的特点。

（4）型内孕育 是将孕育块设计在浇注系统中，浇注时铁液流进孕育块实现铁液孕育。实践证明，这种孕育方法效果很好，但是浇注系统必须要有好的挡渣设计，孕育块的利用率略低，因此该方法在生产中使用率并不大。

5.2 厚大断面球墨铸铁的孕育

厚大件凝固时间往往很长，特别是浇注温度偏高时，易于导致石墨球数降低、球化率降低、石墨畸变等问题。生产上为了降低上述风险，采用了低温球化、低温浇注方案，但球化能力不足，球化后铁液温度低，铁液黏度大，球化后渣难以上浮被彻底除去，往往铸件上部位夹杂类缺陷会比较严重。为了解决这一难题，采用了1470～1500℃的高温球化，以提高球化效果，降低铁液黏度以方便除渣干净后浇注。

在孕育方面，先采用埋包0.2%铁液重量的孕育剂，为了防止高温球化时球化剂提前起爆，球化完毕后除渣干净；然后进行倒包孕育，将铁液倒入另一准备好的浇包中，期间采用0.5%铁液重量的硅钡孕育剂进行倒包孕育，可以实现先高温球化（见图2），后倒包孕育（见图3），同时降低铁液温度至1300℃左右。最后，浇注时采用0.2%硅钡孕育剂进行随流孕育。

图2 铁液高温球化

图3 球化后倒包孕育

6 浇注工艺

为了尽可能缩短孕育后至浇注的时间，铁液倒包孕育后立即吊运至现场测温，温度控制在1300℃左右，进行挡渣浇注。浇注工艺采用低温快浇方案，浇注10t铁液时控制在100s内浇注完毕，浇注过程加入0.2%铁液重量的孕育剂进行随流孕育。

7 产品质量检测

（1）铸件外观质量 铸件外表面未见肉眼可视夹杂类缺陷，依据EN 1369：2012要求采用磁粉探伤仪对铸件近表面质量进行检测，产品外观面符合EN 1369：2012 LEVEL2（SM2/LM2/AM2）的质量要求。

（2）铸件内在质量 采用超声波探伤仪，对铸件图样要求区域依据EN 12680-3：2011进行超声波检测，未见超标缺陷显示，其质量符合 EN 12680-3：2011 LEVEL3要求。

（3）铸件球化率 依据ISO 945要求对附铸70mm厚的试块进行金相检测（见图4、表2），其球化率（V+VI）≥95%，满足客户要求；为了进一步了解球化和孕育效果，对铸件厚大部位进行本体金相检测（见图5），其球化率为（V+VI）≥85%，也符合标准要求。

表2 试块金相测试

图4 附铸试块金相检测（未腐蚀100×）

图5 本体金相检测（未腐蚀100×）

需说明的是，由于现场本体金相检测设备原因，金相抛光不够，本体金相中存在划痕和石墨拖拽，但依然能够看出球化率是较高的。

（4）铸件性能检测 检测结果见表3。

表3 试块力学性能测试

从表3可以看出，铸件力学性能满足客户技术要求。

8 结束语

1）通过成分设计，产品性能、金相组织满足客户要求。

2）通过适当提高球化温度，有利于反应渣的上浮，方便一次将渣除尽，避免其带入铸件。

3）高温球化后进行一次倒包孕育，能够达到降低浇注温度，也可以防止孕育衰退，达到孕育效果最大化的目的。

综上所述，通过制定球化、浇注温度、孕育方法等措施，在厚大断面球墨铸铁上可以得到合格的球墨铸铁。