鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵件質(zhì)量控制

1、生產(chǎn)的基本條件1.1熔煉設(shè)備

鑄態(tài)鐵素體球鐵對(duì)原鐵水的質(zhì)量要求是：化學(xué)成分穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求；好的冶金質(zhì)量，潔凈，無氧化現(xiàn)象；高的出鐵溫度（一般1500-1550℃）。1.2造型設(shè)備

球墨鑄鐵凝固時(shí)有石墨析出，膨脹量大，生產(chǎn)上可利用這一特點(diǎn)，采用剛性鑄型，避免鑄型脹大，獲得致密、無縮孔，無宏觀縮松的鑄件。

2、原材料的控制2.1鑄造生鐵

生鐵應(yīng)高碳低硅、低磷低硫。干擾元素少。但如含有干擾元素，就導(dǎo)致球化不良。對(duì)石墨片粗大、渣氣孔較多的生鐵也就盡量不用或少用。選定生鐵時(shí)，首先要根據(jù)球鐵的基體要求及回爐料用量來確定生鐵的硅量(定牌號(hào))。其次，根據(jù)韌性要求和熱處理與否限定錳量(定分組)。生鐵中的磷硫量則越少越好。磷的分級(jí)和硫的分類，各種生鐵的界定量不太一樣。球鐵用生鐵有特級(jí)磷(P≤0.05%)和特類硫(S≤0.02%)。煉鋼生鐵有特類硫(S≤0.02%)，但磷一般較高。鑄造生鐵沒有特級(jí)磷和特類硫，其一級(jí)磷和一類硫分別為≤0.06%和≤0.03%。

因鐵礦來源的不同，生鐵中常含有Cu、Cr、Mo、Ti、Sn、Al、Pb、Bi、Te、Cd、Zn、As和Sb等微量元素。其中As、Pb、Zn、Ti、Bi、Sb、Cd和Te等超過一定含量，或干擾球化，或生晶界脆性相，或生硬質(zhì)點(diǎn)，從而影響著球化成敗、球鐵的韌性和切削加工性。這些干擾元素的作用很復(fù)雜，它們共存時(shí)，有倍增效應(yīng)或抵消作用，機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

為了控制干擾元素，需對(duì)生鐵中微量元素總量(∑T)加以限制。例如德國(guó)規(guī)定∑T≤0.0745%，日本規(guī)定為∑T≤0.089%，其中Ti不大于50%∑T。我國(guó)目前一般約定為∑T≤0.1%，其中Ti≤0.045%。

2.2

回爐鐵

回爐鐵用生產(chǎn)的球鐵澆冒口和廢品鑄件，杜絕使用市場(chǎng)收購(gòu)的廢舊鑄鐵件。

2.3

廢鋼

廢鋼主要是用來調(diào)整碳量，或是用于廢鋼增碳生產(chǎn)球鐵的主要原材料，應(yīng)是成分明確的無銹碳素鋼，杜絕使用合金鋼或來歷不明的廢鋼。

2.4

球化劑、孕育劑

球化劑要求成分穩(wěn)定、均勻。它的選用應(yīng)根據(jù)熔煉設(shè)備、鐵液的含硫量、鐵水出爐溫度的不同而定。使用沖天爐生產(chǎn)時(shí)，因鐵水溫度相應(yīng)較低，硫量較高，鐵液純凈度較差，因此，要選用含稀土、鎂含量較高的球化劑，通常選用Mg7-9%，Re5%或7%的球化劑；而電爐生產(chǎn)時(shí)，由于鐵水溫度達(dá)到要求，鐵水冶金質(zhì)量好，純凈度高，應(yīng)選用稀土、鎂含量較低的球化劑一般選用含Mg6-8%，Re2-4%的球劑，薄小件選用Mg5-7%，Rel-3%的球化劑。

孕育劑是球鐵生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要鐵合金材料，球化處理后加入孕育劑不僅能消除滲碳體，而且還可以提高球化率、細(xì)化石墨球，使之圓整、分布均勻。實(shí)踐證明，孕育效果和孕育劑的成分有很大關(guān)系。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的是75硅鐵，有些單位采用含有鋇、鍶、鈣、鋁、鉍等元素組成的長(zhǎng)效復(fù)合孕育劑，如硅鋇、硅鍶、硅鈣等。

3、爐前控制

3.1

化學(xué)成分的選擇

眾所周知，球鐵的組織和性能與化學(xué)成分組成有著密切的關(guān)系。所謂球鐵的成分設(shè)計(jì)主要就是碳和硅，其他如錳、磷、硫是靠原材料加以控制。

3.1.1

碳、硅

生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球鐵是采用高碳、低硅，大孕育量的方法。碳、硅元素對(duì)球鐵性能有較大影響。通常是以碳當(dāng)量來綜合考慮。碳當(dāng)量的選擇主要著眼于改善鑄造性能、消除鑄造缺陷，獲得健全鑄件和高的機(jī)械性能。我公司鑄態(tài)鐵素體球鐵要求鐵素體基體組織含量大于80%，且不允許有滲碳體存在。因此在設(shè)計(jì)碳當(dāng)量時(shí)應(yīng)以鑄件不出現(xiàn)石墨飄浮，不出白口，保證球化為準(zhǔn)則，碳當(dāng)量控制在4.3-4.8%，其中碳為3.3-3.9%，原鐵水硅量為1.2-1.6%，終硅量為2.6-3.0%。但硅量不宜過高，因?yàn)楣鑿?qiáng)化鐵素體基體，使之變脆，塑性韌性下降。

3.1.2

錳

錳是促進(jìn)珠光體生成的元素，它固溶鐵素體中提高強(qiáng)度降低韌性，對(duì)生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球鐵是不利的，因此要求錳盡可能的低，控制含錳量低于0.4%，薄小件低于0.2%。

3.1.3

磷、硫

磷、硫都是有害元素，磷高易在基體晶界上形成磷共晶，使材質(zhì)的伸長(zhǎng)率下降，脆性增加。硫高會(huì)造成球化元素殘留量少而導(dǎo)致球化不良，以及鑄件產(chǎn)生皮下氣孔，夾渣等鑄造缺陷。我們控制磷含量0.06%以下，球化處理前原鐵水含硫量0.04%以下，處理后小于0.02%.

3.1.4

鎂、稀土殘留量

鑄鐵中應(yīng)有一定的鎂和稀土元素的殘留量才能保證石墨成球。鎂在鐵水中主要起球化作用，稀土主要是除氣，脫硫和中和干擾元素，起到凈化鐵水的作用。鎂和稀土又是強(qiáng)烈形成碳化物元素，如果殘留量過高，惡化石墨形態(tài)，增大鑄件白口傾向和夾渣、縮孔、皮下氣孔等鑄造缺陷。因此，在生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球鐵件時(shí)，在保證球化良好的情況下，應(yīng)盡可能降低鎂和稀土的殘留量，這一點(diǎn)對(duì)于薄小件尤為重要。通常殘留鎂量控制在0.03-0.05%，殘留稀土量控制在0.02-0.03%。

3.2

球化及孕育處理

球化處理

為保證球化處理成功，須注意以下幾點(diǎn)：

1）鐵水包的結(jié)構(gòu)要適應(yīng)工藝要求，一般鐵水包的內(nèi)腔高度與內(nèi)徑之比值為1.0-1.2，有利于鎂和稀土元素的吸收。包底應(yīng)搪成凹坑或堤壩式。

2）球化劑破碎成適當(dāng)大小的粒度。粒度過小，容易浮起，氧化；過大，則溶解速度過慢，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，鐵水降溫大。粒度的大小視每次處理的鐵水量而言。球化劑最好當(dāng)天破碎、當(dāng)天使用，不要久放或受潮。

3）球化劑的加入量要根據(jù)熔煉工藝、出鐵溫度和原鐵水的含硫量來決定。

4）電爐熔煉時(shí)，出鐵前要將渣扒凈。

5）球化處理方法要合理。我們采用沖入法，球化劑放入包坑內(nèi)，應(yīng)搗緊，上面覆蓋孕育硅鐵、鑄鐵屑。不要在鐵水包紅熱時(shí)放入球化劑，以免氧化，失去球化能力，出鐵時(shí)，鐵水流不能直接沖入球化劑。鐵水流不能太大太小，不能斷流。出鐵量要盡量準(zhǔn)確，上下不能有5%的誤差。球化反應(yīng)結(jié)束后，要盡快放入集渣劑，攪拌扒渣，進(jìn)行后續(xù)孕育處理。

孕育處理

孕育處理的作用主要是消除球化元素造成的白口傾向，促進(jìn)石墨析出，提高球化率、細(xì)化石墨球，使之分布均勻。不同的孕育劑，不同的加入量，不同的孕育處理方法和不同的孕育處理時(shí)間對(duì)球鐵機(jī)械性能都有較大影響。目前國(guó)內(nèi)處企業(yè)采用孕育劑和孕育方法不盡相同，但都強(qiáng)調(diào)要采有瞬時(shí)孕育工藝，強(qiáng)化孕育效果，保證鐵水在較長(zhǎng)時(shí)間直至澆注完畢處在良好的孕育狀態(tài)。我公司采用的是包內(nèi)孕育（一次）+鐵水包浮硅孕育（二次）+轉(zhuǎn)包孕育（三次），實(shí)踐表明是可行的，孕育效果良好。

3.3.3爐前檢驗(yàn)

爐前球化情況判斷可用爐前三角試塊法、爐前快速金相法、光譜分析等智能化儀器測(cè)定。

1）三角試塊法。普遍采用的一種方法，立澆或臥澆。待試樣表面呈暗紅色時(shí)取出，底部向下淬入水中，打斷觀察斷口。如斷口及兩側(cè)有縮凹，中心有縮松，斷口崎嶇不平、呈鋸齒狀、銀灰色（銀白色）、致密、晶粒細(xì)小，尖部無白口或＜1-2mm白口，敲擊有鋼聲，嗅有電石味，表明球化孕育良好。如斷口有小黑點(diǎn)，球化不太好。如斷口烏黑、晶粒粗大或有許多黑點(diǎn)，呈麻臉狀，敲擊悶聲，則為不球化。

2）爐前快速金相法。試樣為φ20×30mm（視鑄件大小、厚薄定）。金相觀察，球化級(jí)別要在2級(jí)以上，表明球化良好。低于2級(jí)表明球化不太好。

3）光譜分析儀，光譜分析儀能過在2分鐘以內(nèi)測(cè)定鐵水的化學(xué)成分，及時(shí)、準(zhǔn)確，分析誤差小。4、鑄造工藝控制

鑄態(tài)鐵素體球鐵件鑄造工藝設(shè)計(jì)要有利于促進(jìn)鐵素體的形成和有利于獲得健全的鑄件。

1）球鐵在球化處理后，有很多的稠渣，澆注系統(tǒng)要考慮撇渣、擋渣裝置和工藝措施；

2）球鐵容易氧化，澆注時(shí)如果出現(xiàn)紊流、飛濺，則產(chǎn)生二次氧化渣，因此，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮鐵水平穩(wěn)進(jìn)入型腔；

3）球鐵凝固時(shí)有石墨析出，膨脹量大。鑄型要有足夠的剛性，以獲得無縮孔的鑄件。工藝設(shè)計(jì)上亦可考慮實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造；

4）球鐵具有粥狀凝固的特點(diǎn)，冒口的有效補(bǔ)縮距離短，可多設(shè)置冒口，或冒口與冷鐵相配合等措施來消除縮孔、縮松。

鑒于上述特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)鑄態(tài)鐵素體球鐵鑄造工藝時(shí)澆注系統(tǒng)一般采用半封閉或開放式。

5、開箱時(shí)間不同的鑄件在鑄型中的冷卻速度是不同的。不同的開箱時(shí)間將得到不同的基體組織。要在鑄態(tài)下獲得以鐵素體基體為主的組織，除鑄型要有足夠的吃砂量外，鑄件在鑄型中要有足夠的保溫和緩冷時(shí)間，至少要使鑄件在型內(nèi)冷卻到650℃以下方可開箱取出。鑄態(tài)鐵素體基體球墨鑄鐵的生產(chǎn)有很多方面要加以注意，否則難以達(dá)到客戶要求。例如原材料的選擇、熔煉工藝的制定、溫度的控制、爐前球化孕育處理。通過幾年的摸索，對(duì)于生產(chǎn)球墨鑄鐵有了自己的一些經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)加以介紹。

1、生產(chǎn)的基本條件1.1熔煉設(shè)備

鑄態(tài)鐵素體球鐵對(duì)原鐵水的質(zhì)量要求是：化學(xué)成分穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求；好的冶金質(zhì)量，潔凈，無氧化現(xiàn)象；高的出鐵溫度（一般1500-1550℃）。1.2造型設(shè)備

球墨鑄鐵凝固時(shí)有石墨析出，膨脹量大，生產(chǎn)上可利用這一特點(diǎn)，采用剛性鑄型，避免鑄型脹大，獲得致密、無縮孔，無宏觀縮松的鑄件。

2、原材料的控制2.1鑄造生鐵

生鐵應(yīng)高碳低硅、低磷低硫。干擾元素少。但如含有干擾元素，就導(dǎo)致球化不良。對(duì)石墨片粗大、渣氣孔較多的生鐵也就盡量不用或少用。選定生鐵時(shí)，首先要根據(jù)球鐵的基體要求及回爐料用量來確定生鐵的硅量(定牌號(hào))。其次，根據(jù)韌性要求和熱處理與否限定錳量(定分組)。生鐵中的磷硫量則越少越好。磷的分級(jí)和硫的分類，各種生鐵的界定量不太一樣。球鐵用生鐵有特級(jí)磷(P≤0.05%)和特類硫(S≤0.02%)。煉鋼生鐵有特類硫(S≤0.02%)，但磷一般較高。鑄造生鐵沒有特級(jí)磷和特類硫，其一級(jí)磷和一類硫分別為≤0.06%和≤0.03%。

因鐵礦來源的不同，生鐵中常含有Cu、Cr、Mo、Ti、Sn、Al、Pb、Bi、Te、Cd、Zn、As和Sb等微量元素。其中As、Pb、Zn、Ti、Bi、Sb、Cd和Te等超過一定含量，或干擾球化，或生晶界脆性相，或生硬質(zhì)點(diǎn)，從而影響著球化成敗、球鐵的韌性和切削加工性。這些干擾元素的作用很復(fù)雜，它們共存時(shí)，有倍增效應(yīng)或抵消作用，機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

為了控制干擾元素，需對(duì)生鐵中微量元素總量(∑T)加以限制。例如德國(guó)規(guī)定∑T≤0.0745%，日本規(guī)定為∑T≤0.089%，其中Ti不大于50%∑T。我國(guó)目前一般約定為∑T≤0.1%，其中Ti≤0.045%。

2.2

回爐鐵

回爐鐵用生產(chǎn)的球鐵澆冒口和廢品鑄件，杜絕使用市場(chǎng)收購(gòu)的廢舊鑄鐵件。

2.3

廢鋼

廢鋼主要是用來調(diào)整碳量，或是用于廢鋼增碳生產(chǎn)球鐵的主要原材料，應(yīng)是成分明確的無銹碳素鋼，杜絕使用合金鋼或來歷不明的廢鋼。

2.4

球化劑、孕育劑

球化劑要求成分穩(wěn)定、均勻。它的選用應(yīng)根據(jù)熔煉設(shè)備、鐵液的含硫量、鐵水出爐溫度的不同而定。使用沖天爐生產(chǎn)時(shí)，因鐵水溫度相應(yīng)較低，硫量較高，鐵液純凈度較差，因此，要選用含稀土、鎂含量較高的球化劑，通常選用Mg7-9%，Re5%或7%的球化劑；而電爐生產(chǎn)時(shí)，由于鐵水溫度達(dá)到要求，鐵水冶金質(zhì)量好，純凈度高，應(yīng)選用稀土、鎂含量較低的球化劑一般選用含Mg6-8%，Re2-4%的球劑，薄小件選用Mg5-7%，Rel-3%的球化劑。

孕育劑是球鐵生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要鐵合金材料，球化處理后加入孕育劑不僅能消除滲碳體，而且還可以提高球化率、細(xì)化石墨球，使之圓整、分布均勻。實(shí)踐證明，孕育效果和孕育劑的成分有很大關(guān)系。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的是75硅鐵，有些單位采用含有鋇、鍶、鈣、鋁、鉍等元素組成的長(zhǎng)效復(fù)合孕育劑，如硅鋇、硅鍶、硅鈣等。

3、爐前控制

3.1

化學(xué)成分的選擇

眾所周知，球鐵的組織和性能與化學(xué)成分組成有著密切的關(guān)系。所謂球鐵的成分設(shè)計(jì)主要就是碳和硅，其他如錳、磷、硫是靠原材料加以控制。

3.1.1

碳、硅

生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球鐵是采用高碳、低硅，大孕育量的方法。碳、硅元素對(duì)球鐵性能有較大影響。通常是以碳當(dāng)量來綜合考慮。碳當(dāng)量的選擇主要著眼于改善鑄造性能、消除鑄造缺陷，獲得健全鑄件和高的機(jī)械性能。我公司鑄態(tài)鐵素體球鐵要求鐵素體基體組織含量大于80%，且不允許有滲碳體存在。因此在設(shè)計(jì)碳當(dāng)量時(shí)應(yīng)以鑄件不出現(xiàn)石墨飄浮，不出白口，保證球化為準(zhǔn)則，碳當(dāng)量控制在4.3-4.8%，其中碳為3.3-3.9%，原鐵水硅量為1.2-1.6%，終硅量為2.6-3.0%。但硅量不宜過高，因?yàn)楣鑿?qiáng)化鐵素體基體，使之變脆，塑性韌性下降。

3.1.2

錳

錳是促進(jìn)珠光體生成的元素，它固溶鐵素體中提高強(qiáng)度降低韌性，對(duì)生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球鐵是不利的，因此要求錳盡可能的低，控制含錳量低于0.4%，薄小件低于0.2%。

3.1.3

磷、硫

磷、硫都是有害元素，磷高易在基體晶界上形成磷共晶，使材質(zhì)的伸長(zhǎng)率下降，脆性增加。硫高會(huì)造成球化元素殘留量少而導(dǎo)致球化不良，以及鑄件產(chǎn)生皮下氣孔，夾渣等鑄造缺陷。我們控制磷含量0.06%以下，球化處理前原鐵水含硫量0.04%以下，處理后小于0.02%.

3.1.4

鎂、稀土殘留量

鑄鐵中應(yīng)有一定的鎂和稀土元素的殘留量才能保證石墨成球。鎂在鐵水中主要起球化作用，稀土主要是除氣，脫硫和中和干擾元素，起到凈化鐵水的作用。鎂和稀土又是強(qiáng)烈形成碳化物元素，如果殘留量過高，惡化石墨形態(tài)，增大鑄件白口傾向和夾渣、縮孔、皮下氣孔等鑄造缺陷。因此，在生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球鐵件時(shí)，在保證球化良好的情況下，應(yīng)盡可能降低鎂和稀土的殘留量，這一點(diǎn)對(duì)于薄小件尤為重要。通常殘留鎂量控制在0.03-0.05%，殘留稀土量控制在0.02-0.03%。

3.2

球化及孕育處理

球化處理

為保證球化處理成功，須注意以下幾點(diǎn)：

1）鐵水包的結(jié)構(gòu)要適應(yīng)工藝要求，一般鐵水包的內(nèi)腔高度與內(nèi)徑之比值為1.0-1.2，有利于鎂和稀土元素的吸收。包底應(yīng)搪成凹坑或堤壩式。

2）球化劑破碎成適當(dāng)大小的粒度。粒度過小，容易浮起，氧化；過大，則溶解速度過慢，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，鐵水降溫大。粒度的大小視每次處理的鐵水量而言。球化劑最好當(dāng)天破碎、當(dāng)天使用，不要久放或受潮。

3）球化劑的加入量要根據(jù)熔煉工藝、出鐵溫度和原鐵水的含硫量來決定。

4）電爐熔煉時(shí)，出鐵前要將渣扒凈。

5）球化處理方法要合理。我們采用沖入法，球化劑放入包坑內(nèi)，應(yīng)搗緊，上面覆蓋孕育硅鐵、鑄鐵屑。不要在鐵水包紅熱時(shí)放入球化劑，以免氧化，失去球化能力，出鐵時(shí)，鐵水流不能直接沖入球化劑。鐵水流不能太大太小，不能斷流。出鐵量要盡量準(zhǔn)確，上下不能有5%的誤差。球化反應(yīng)結(jié)束后，要盡快放入集渣劑，攪拌扒渣，進(jìn)行后續(xù)孕育處理。

孕育處理

孕育處理的作用主要是消除球化元素造成的白口傾向，促進(jìn)石墨析出，提高球化率、細(xì)化石墨球，使之分布均勻。不同的孕育劑，不同的加入量，不同的孕育處理方法和不同的孕育處理時(shí)間對(duì)球鐵機(jī)械性能都有較大影響。目前國(guó)內(nèi)處企業(yè)采用孕育劑和孕育方法不盡相同，但都強(qiáng)調(diào)要采有瞬時(shí)孕育工藝，強(qiáng)化孕育效果，保證鐵水在較長(zhǎng)時(shí)間直至澆注完畢處在良好的孕育狀態(tài)。我公司采用的是包內(nèi)孕育（一次）+鐵水包浮硅孕育（二次）+轉(zhuǎn)包孕育（三次），實(shí)踐表明是可行的，孕育效果良好。

3.3.3爐前檢驗(yàn)

爐前球化情況判斷可用爐前三角試塊法、爐前快速金相法、光譜分析等智能化儀器測(cè)定。

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