摘要：影响铸态球墨铸铁生产稳定性的因素很多，要稳定地生产球墨铸铁，必须在生产中把握好以下几点：稳定的化学成分和铁液温度，准确的铁液量，合适的球化和孕育处理方法，以及可靠的炉前控制。所以选择中频感应电炉能很好地控制球墨铸铁件的质量，典型缺陷形成及防止措施。

关键词：球墨铸铁；化学成分；质量

 

         

1 影响球墨铸铁质量因素

1.1 熔炼设备选择

熔炼设备的选用首先是在满足生产需要的前提下，遵循高效、低耗的原则。感应电炉的优点是加热速度快，炉子的热效率较高，氧化烧损较轻，吸收气体较少。因此，用中频电炉熔炼，可避免增硫、磷问题，使铁液中P不大于0.04％、S不大于0.025％。

1.2 球化包的确定

为了提高球化剂的吸收率，增加球化效果，球化处理包应比一般铁液包深。球化包的高度与直径之比为2:1。

1.3 原材料选择

1.3.1 炉料选择

球墨铸铁球化剂的加入效果条件是高碳、低硅、大孕育量。为了稳定化学成分和有效地控制促进白口化元素和反球化元素，保证熔炼铁液的质量，选用Q10～Q12生铁。

1.3.1 球化剂的选择

球化剂的选用根据出铁温度及铁液的纯净度而定。常用稀土镁硅铁球化剂，采用这种球化剂处理时，由于合金中含硅量较高，可显著降低镁处理时反应的剧烈程度。同时也能因增硅而有些孕育作用。

1.4 炉前控制

1.4.1 化学成分选择

球铁原铁液应高碳、低硅、低硫、低磷。控制好硫的含量，是生产球铁的一个重要条件。

1.4.2 球化和孕育处理

球化剂加入量应根据铁液成分、铸件壁厚、球化剂成分和球化处理过程的吸收率等因素分析比较确定。一般为0.9～1.3％，若球化剂放置时间较长则应适量多加。球化反应控制的关键是镁的吸收率，温度高，反应激烈，时间短，镁烧损多，球化效果差；温度低，反应平稳，时间长，镁吸收率高，球化效果好。因此，一般在保证足够浇注温度的前提下，宜尽可能降低球化处理温度，控制在1440～1500℃。孕育处理是球墨铸铁生产过程中的一个重要环节，它不仅促进石墨化防止自由渗碳体和白口出现，而且有助于球化，并使石墨变得更细小、更圆整，分布均匀，从而提高球墨铸铁的力学性能。孕育剂一般多采用FeSi75，其加入量根据对铸件的力学性能要求，一般为0.8～1.0％。孕育剂的粒度3～8mm的小块。孕育剂应保持干净、干燥。

球化剂和孕育剂要在出铁前加入包中，在连续生产时，刚出完前一炉铁后，包很热，过早加入会使其粘结在包底而削弱球化和孕育效果。为了延迟球化反应时间，增强球化和孕育效果，要在球化剂和孕育剂的上面覆盖一层铁屑。球化处理的方法较多，一般多采用操作简便的冲入法处理球铁。

1.4.3 球化效果炉前检验

炉前检验孕育、球化效果好坏，一般采用三角试样。浇注三角试样，冷至暗红色，淬水冷却，砸断后观察断口。断口银白色，尖端白口，中心有疏松，两侧凹缩,同时砸断时有电石气味，敲击声和钢相似，则球化良好，否则球化不良。

由于球铁液容易出现球化衰退，因此，铁液球化处理后要尽快浇注，一般在处理后15min内浇注完毕，则不会有球化衰退问题。

         

2 球铁化学成份设计原则

2.1 球铁化学成份设计原则

(1)球铁的牌号及性能要求。

(2)铸件的形状、尺寸、重量及冷却速度。

(3)铸造工艺状况、砂型、是否用冷铁、冒口、球化孕育处理工艺。

(4)铸态还是热处理。

(5)原材料条件。

2.2 球铁化学成份常规5大元素

2.2.1 碳当量和碳

碳当量，无论是对于铸态球铁还是处理球铁，无论是铁素体球铁、珠光体球铁或者是混合基体球铁。碳当量与铸件壁厚25～50、50～100、大于100，CE％应为4.7～4.4、4.5～4.3、4.4～4.1。如果采用纯净的低锰炉料时，CE取下限，如果促进碳化物形成元素（Mn、Cr、V、Mo）含量较高，Mg_残、RE_残较高或者孕育不充分，CE取上限。在不引起石墨漂浮的条件下，适用提高CE，有利改善流动性和石墨化膨胀补缩。确定CE后，根据高碳低硅强化孕育技术原则，C含量选取3.5～3.9％，厚大件取下限，薄小件取上限。以确保充分的石墨化，防止石墨漂浮，改善铸造性能为准则。

2.2.2 硅

对于铁素体球铁，在满足石墨化要求条件，尽可能控制较低的终硅量，珠光体球铁硅量应低于铁素体球铁硅量。

2.2.3 锰

各种球铁要求设计成份中锰均较低，尤其是铸态的大断面球铁及铁素体球铁。

2.2.4 磷

属于有害元素，对于有低温工作要求的铁素体球铁，应严格控制较低的P含量。

2.2.5 硫

亦为有害元素，力保原铁液较低的S含量，以求球化稳，减少夹渣，节约球化剂用量。电炉熔炼S≤0.02％最好。

2.3 铸态铁素体球化生产技术要点

(1)使用低Mn低P的纯净炉料，严格限制白口化、反球铁元素含量。

(2)强化孕育、倒包孕育、随流孕育等后期孕育工艺或使用含力孕育剂等增加石墨球数的孕育剂。

(3)控制终硅量，在保证铁素体量条件下尽量降低硅量。

(4)生产高韧性QT400-18及QT400-18Al时，要求限制Si、Mn、P含量更低,炉料中含有干扰元素时，少量添加稀土，一般采用退火工艺。

我厂生产的3种铁素体球铁使用的化学成分如表１：

表１

 

2.4 珠光体球墨铸铁

含硅量：小件取上限，大件取下限，只要不出现渗碳体，终硅量尽管低。由于锰易偏析和形成碳化物，不宜依靠添加锰获取珠光体组织，尤其大断面或特别薄小铸件的含锰量应按下限控制。铸态或大断面铸件应添加Cu或同时添加Cu和Mo。也可以添加Ni(≤2.0％)、V≤（0.3％）、Sn（0.05～0.10％）等以稳定珠光体。我厂生产的3种铁素体球铁使用的化学成分如表２：

表２

         

铸态珠光体球墨铸铁生产应遵循下列原则：

(1)严格控制炉料避免含有强烈促进形成碳化物如Cr、V、Mo、Te等，含锰量也不宜过高，避免铸态下形成渗碳体。

(2)强化孕育防止形成碳化物，可采用稳定孕育剂。

(3)根据铸件壁厚和牌号要求适量添加稳定珠光体，但不促进形成碳化物的元素如Cu、Ni、Sn等。生产高强度高韧性珠光体球墨铸铁时应选用纯净炉料，严格控制碳化物形成元素、P、S等有害杂质元素。

2.5 球化元素

在保证球化合格的原则下，力求较小的镁和稀土的添加量和较低的残留量。原铁液含S量低，则允许残留镁和稀土较低时，而不致迅速出现球化衰退。含有反球化元素较多时，（V、Ti）要适量增加稀土量，生产铸态高韧性铁素体球铁，球化应以Mg为主，少用稀土强孕育，以减少白口倾向。砂型铸造稀土镁球铁球化元素残留量控制与主要壁厚关系，如表３：

表３

         

根据球铁化学成份选定原则，希望采用干扰元素，促进白口化元素，P、S杂质元素含量低，Si、Mn含量低的生铁及废钢炉料。

2.6 埋包

(1)原材料烘烤：把球化剂、孕育剂、覆盖剂加入烘干槽（窑）内烘干至100～150℃保温4小时以上。

(2)根据《工艺通知单》进行称量，称量完后在指定位置放好。

把球化剂加入包内靠扒渣口一侧，摊平捣实。（图１）

把覆盖剂埋入球化剂上部，摊平捣实。（图２）

把球铁盖板盖在覆盖剂上方，四周空隙用硅钢片填平压实，再在盖板表面覆盖少量硅钢片或铁屑。（图３）

图１                      图2                    图3

         

3 孕育剂的选用及常用孕育工艺

3.1 孕育剂的选用

浇注前向铁液添加少量物质，引起某种反应的产生，影响生核过程、改善凝固特性的处理工艺称孕育。用硅铁其瞬时孕育效果最好，大型厚壁铸件或浇注和运输时间较长时，可选用钡硅铁。

3.2 常用孕育工艺

3.2.1 炉前孕育

冲入法球化时，孕育剂部分覆盖于球化剂上，出铁槽冲入包内，根据浇包容量选定孕育剂粒度，见下表，硅铁粒加入量一般为0.8～1.2％，铁素体球墨铸铁按上限，其量应根据炉前三角试片白口宽度及铸件要求进行调整。钡硅铁约减少1/3～1/4。此法需控制孕育后浇注时间以防孕育衰退，必要时可用长效孕育剂，如表4。

表4

 

3.2.2 浇口杯孕育法

在炉前孕育的基础上，将粒度0.2～2㎜孕育剂放入带拔塞的定量浇口杯或撒在浇注铁液流上，硅铁加入量0.1～0.2％，适用于大型铸件。

         

4 典型缺陷的形成防止措施

铸件的主要缺陷有球化不良及球化衰退、缩孔（松）、夹渣。

球化不良表现为：集中分布的厚片状石墨和少量球状、团状石墨,有时还有水草状石墨。随着球化不良程度的加剧，集中分布的厚片状石墨的数量逐渐增多、面积增大。

球化衰退的特征是炉前球化良好，在铸件上球化不好；或者同一包的铁液先浇注的铸件球化良好，后浇注的铸件球化不好。球化不良及球化衰退将使球墨铸铁的力学性能达不到铸件牌号要求的指标。

缩孔（松）缺陷形成与铸造工艺及浇注温度有着明显而直接的关系，合理的铸造工艺及浇冒口一体化补缩，配合一定数量的外冷铁，内浇口短薄宽与分散引入，配合以合适的浇注温度和浇注速度是防止缩孔的较为有效的技术措施。

风电底座的大平面、圆弧面及法兰面最容易夹渣，风电轮毂的底法兰面也容易夹渣。

生产中如果铸态金相组织合格，力学性能中个别数据接近要求而不合格，尤其是低温冲击韧度，可以通过对铸件及试样同炉石墨化退火补救。

4.1 防止铸件产生球化不良和球化衰退的技术措施

(1)严格控制铁液成分：铁液的碳当量控制在4.3％以下，原铁液中的含硫量必须小于0.015％。

(2)如果球化剂中球化元素含量不足，加入量不够，根据生产条件经过炉前取样后计算出稀土、球化剂的加入量。严格掌握铁液量，防止失控造成出铁量过大使球化剂量相对减少，处理后的球铁铁液中稀土镁的残留量不应过低，而且一定要使用H/D在1.8以上的球化包；

(3)温度控制，要控制出炉温度，以防球化剂严重烧损；装包质量要保证，防止球化剂提前反应；铁液扒渣后应用硅酸铝覆盖；

(4)缩短铁液的停滞时间，铁液球化后应及时浇注，从球化处理完毕到浇注结束时间不得超过10min。

4.2 产生夹渣的影响因素

(1)型砂：若型腔表面粘附有多余的砂子或灰尘，它们可与金属液中的氧化物合成熔渣，导致夹渣产生；砂型的紧实度低，型壁表面容易被金属液侵蚀和形成低熔点的化合物，导致铸件产生夹渣。

(2)浇注系统：浇注系统设计应具有挡渣功能，使金属液平稳地充填铸型，避免飞溅及紊流造成的夹渣。

(3)化学成份：硅的氧化物是夹渣的主要组成部分，因此含硅量越低，铸件夹渣越少，但是硅对铸件的性能影响较大，如果硅含量越低，则铸件的低温冲击性能越高，而铸件的抗拉性能越差。硫严重消耗镁的元素，铁液中的硫化物是球铁件形成夹渣缺陷的主要原因之一。硫化物的熔点比铁液熔点低，在铁液凝固过程中，硫化物将从铁液中析出，增大了铁液的粘度，使铁液中的熔渣或金属氧化物等不易上浮。而铁液中硫含量太高时铸件易产生夹渣，因此残余镁和稀土不应太高。

(4)浇注温度：生产中浇注温度太低是引起夹渣的主要原因之一。

4.3 防止铸件产生夹渣的技术措施

(1)控制铸型紧实度，合箱时应吹净铸型中的砂子。

(2)浇注系统要使铁液流动平稳，并且设有集渣包和挡渣装置(如滤渣网等)，避免直浇道冲砂。

(3)严格控制铁液成分：尽量降低铁液中的含硫量，防止形成氧化镁杂质。

(4)浇注温度：过热温度必须达到1500℃，适宜的静置，以利于非金属夹杂物的上浮、聚集。球化孕育处理完毕后扒干净铁液表面的渣子，铁液表面放上覆盖剂，防止铁液氧化。选择合适的浇注温度。
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