鑄態(tài)球墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)

1、鑄態(tài)球墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)陳永成(中天創(chuàng)展球鐵有限公司 佛山順德 528313 )球墨鑄鐵是一種廣泛應(yīng)用于各工業(yè)部門的重要結(jié)構(gòu)材料，它的出現(xiàn)使鑄鐵材料的性能發(fā)生了質(zhì)的飛躍，因此在國內(nèi)外發(fā)展都很快，許多方面已取代了鍛鋼、鑄鋼及可鍛鑄鐵的應(yīng)用，成為產(chǎn)量僅次于灰鑄鐵的鑄造合金材料。以往球鐵均需通過各種不同的熱處理手段方能達(dá)到相應(yīng)的牌號(hào)要求，從而耗費(fèi)能源、污染環(huán)境、增加成本、延長生產(chǎn)周期、加重工人勞動(dòng)強(qiáng)度，因此生產(chǎn)鑄態(tài)球鐵便成為近年來國內(nèi)外球鐵生產(chǎn)方面的一個(gè)重要發(fā)展方向。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國用于灰鑄鐵件熱時(shí)效的能耗每噸鑄件為40100kg標(biāo)準(zhǔn)煤，而用于球墨鑄鐵件退火、正火的能耗每噸鑄件為100180kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

2、我國球墨鑄鐵件中高韌性鐵素體球鐵和高強(qiáng)度珠光體球鐵占有很大的比重，通常是采用退火、正火處理。采用鑄態(tài)球墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)省去了退火、正火處理工序，節(jié)約能源，避免了因高溫處理而帶來的鑄件變形、氧化等缺陷。所以，推廣應(yīng)用鑄態(tài)球墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)，對(duì)于鑄造行業(yè)的節(jié)能降耗減少排放，以及提高經(jīng)濟(jì)效益都具有非常重要的意義。圖1.燃煤退火爐 圖2.正火球鐵件出爐空冷一、鑄態(tài)球鐵生產(chǎn)的基本條件廣義上的鑄態(tài)球鐵應(yīng)包括GB/T 1348-2009球墨鑄鐵件中的所有材質(zhì)牌號(hào)，但是由于QT800-2和QT900-2在鑄態(tài)條件下極難穩(wěn)定地生產(chǎn)，所以一般不考慮在內(nèi)。近年來隨著對(duì)優(yōu)質(zhì)球鐵件的需求量越來越大，對(duì)其質(zhì)量要求也越來越高，

3、甚至達(dá)到了苛刻的程度。除了抗拉強(qiáng)度和伸長率之外，室溫或低溫沖擊功、屈服強(qiáng)度、硬度、球化率、石墨大小、基體組織一直到化學(xué)成分對(duì)重要球鐵件或某些客戶來說，也成為了質(zhì)量驗(yàn)收指標(biāo)。除了澆注單鑄試塊，附鑄試塊外，還有要求鑄件指定位置的本體試塊，最近發(fā)展到在鑄件里取樣的掏料試樣。球鐵鑄造廠要生產(chǎn)鑄態(tài)球墨鑄鐵，必須經(jīng)得起客戶指定的力學(xué)性能、金相組織等綜合性能檢驗(yàn)的考驗(yàn)，必須能夠穩(wěn)定地生產(chǎn)，鑄態(tài)合格率要達(dá)到90%以上，否則不能認(rèn)為是成功。1.熔煉設(shè)備鑄態(tài)球鐵對(duì)原鐵水的質(zhì)量要求: 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。目前我省大部分鑄鐵廠是采用沖天爐熔煉，也有部分采用沖天爐電

4、爐雙聯(lián)熔煉和中頻感應(yīng)爐。用沖天爐熔煉時(shí)，要保證低硫鐵水和準(zhǔn)確的重要元素含量，出爐溫度穩(wěn)定在14201480。使用雙聯(lián)熔煉和中頻爐獨(dú)立熔煉更有利于控制鐵水化學(xué)成分和溫度，特別是使用中頻爐使鐵水清潔少雜質(zhì)，操作更簡便。2.檢測(cè)儀器加強(qiáng)對(duì)鐵水質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)是控制熔化過程的關(guān)鍵，爐前快速分析法是非常有效的控制方法。浸入式快速熱電偶測(cè)溫，是獲得合適出鐵溫度、澆注溫度的保證；根椐熱分析法結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)而研制成功的鐵水質(zhì)量管理儀、快速微分熱分析儀等，快速測(cè)定C、Si量、鐵水凝固冷卻曲線、球化率等，實(shí)踐證明是極有推廣價(jià)值的先進(jìn)即時(shí)檢測(cè)儀器, 對(duì)生產(chǎn)高性能高品質(zhì)鑄態(tài)球墨鑄鐵件必不可少。3. 球化判斷（爐前檢驗(yàn)）

5、爐前球化情況判斷可采用火苗觀察法，爐前三角試片法，爐前快速金相法和爐前快速光譜分析法。（1）火苗觀察法。當(dāng)球化反應(yīng)結(jié)束或補(bǔ)加鐵水時(shí)，鐵水表面逸出鎂光及白黃色火焰，則表示球化良好。（2）三角試片法。較常采用的一種方法，球化、孕育處理后，待試樣表面呈暗紅色時(shí)取出；底部向下淬水，打斷觀察斷口。如斷口底部及兩側(cè)有縮凹，中心有縮松，斷口不平齊呈鋸齒狀，銀灰色（銀白色），致密，晶粒細(xì)小，敲擊有鋼聲，嗅有電石味，表示球化孕育良好。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。（3）爐前快速金相法。試樣直徑為2030mm（視鑄件大小，壁厚大小定）。金相觀察球化級(jí)

6、別要求不低于4級(jí)，表明球化良好。低于4級(jí)，表明球化不良或球化衰退。（4） 爐前快速光譜法?？焖贉y(cè)定球鐵的化學(xué)成分，鑄件的五大元素及殘留鎂、稀土量、微量元素等15種元素同時(shí)測(cè)出。以含鎂量來判定球化情況。4. 原材料的選擇原材料的選擇對(duì)生產(chǎn)鑄態(tài)球鐵是很重要的，原材料的質(zhì)量對(duì)鑄件的質(zhì)量起決定性作用，必須要選擇質(zhì)量穩(wěn)定的供應(yīng)商，加強(qiáng)原材料的進(jìn)廠檢驗(yàn)。4.1 鑄造生鐵 生鐵應(yīng)高碳低硅，低錳、低磷硫。由于這種鐵素體球鐵的化學(xué)成分要求較高。選用地方生鐵應(yīng)慎重，因常規(guī)五元素（C、Si、Mn、P、S）雖然符合要求，但如果含有干擾元素或有害元素，就會(huì)導(dǎo)致球化不良、出現(xiàn)白口等。對(duì)石墨片粗大，渣氣孔較多的生鐵也盡量不

7、用或少量搭配使用。4.2 回爐鐵回爐鐵應(yīng)用本廠生產(chǎn)的球鐵澆冒口和廢品鑄件，杜絕使用市場(chǎng)收購的廢舊成分不明的鑄鐵件。對(duì)于生產(chǎn)中產(chǎn)生的球化衰退件，也要求單獨(dú)堆放，并在生產(chǎn)中搭配使用。回爐鐵在使用前應(yīng)清除表面粘砂及型腔內(nèi)的砂芯等，并力求潔凈不混有雜物。4.3 廢鋼廢鋼主要是用來調(diào)整碳量，應(yīng)是成分明確的碳素鋼，或是品種單一的合金元素含量低的碳鋼。廢鋼表面不得有嚴(yán)重銹蝕和油污，夾帶的泥砂必須清理干凈。使用“廢鋼增碳”電爐獨(dú)立熔煉工藝時(shí)，作為主要金屬爐料的廢鋼最好是汽車、五金沖壓件邊角料壓成團(tuán)塊的純凈碳素廢鋼。4.4 焦炭焦炭的優(yōu)劣直接影響到?jīng)_天爐熔煉時(shí)的冶金質(zhì)量和鐵水溫度，要求固定碳高、強(qiáng)度高、硫量低、

8、灰分少。如果焦炭的含硫量高，焦炭中的硫就會(huì)大量進(jìn)入到鐵液中，鐵液含硫量就高，勢(shì)必在球化處理時(shí)球化劑要多加，還容易導(dǎo)致球形較差，白口增大，薄件加工困難，甚至有可能出現(xiàn)球化不良、球化衰退現(xiàn)象。因此，生產(chǎn)中最好選用鑄造焦炭，固定碳要大于80%以上，含硫量要小于0.5%。4.5 球化劑球化劑是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要材料，要求成分穩(wěn)定、均勻。其選用應(yīng)根據(jù)熔煉設(shè)備、鐵液的含硫量、鐵水的處理溫度和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)而定。對(duì)于沖入法球化處理工藝，球化劑一般采用稀土硅鐵鎂合金。塊度為1025mm，粉狀物不大于10%，MgO%含量小于1%。4.6 孕育劑孕育劑也是球鐵生產(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

9、滲碳體，而且還可以提高球化率，細(xì)化石墨球，使其圓整，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，國內(nèi)使用最多的是FeSi75，有的企業(yè)采用含鋇、鍶、鈣、鋁、鉍等元素組成的長效復(fù)合孕育劑。如硅鋇、硅鍶、硅鈣等。組合使用FeSi75和長效復(fù)合孕育劑效果較好。4.7增碳劑使用“廢鋼增碳”電爐獨(dú)立熔煉工藝時(shí)，要用到增碳劑。最好選用化學(xué)純度高及晶體形態(tài)好的結(jié)晶石墨增碳劑。好的增碳劑除了無硫、高而穩(wěn)定的增碳率外，還有促進(jìn)石墨化及增強(qiáng)孕育的功能。二、鑄態(tài)球鐵的工藝控制1.化學(xué)成分眾所周知，球鐵的組織和性能與化學(xué)成分組成有著密切的關(guān)系。各種牌號(hào)的鑄態(tài)球鐵，各鑄造廠可按鑄件質(zhì)量要求、實(shí)際工藝和設(shè)

10、備條件在一個(gè)相對(duì)地寬的范圍內(nèi)變動(dòng)。1.1 碳和硅碳、硅元素對(duì)球鐵性能有較大影響，通常以碳當(dāng)量來綜合考慮。碳和硅都能促進(jìn)石墨化，細(xì)化石墨，提高石墨球的圓整度，有利于形成鐵素體，減少白口傾向，防止產(chǎn)生滲碳體。但碳當(dāng)量太高時(shí)，易出現(xiàn)石墨漂浮。一般情況下碳: 3.43.9%，硅:1.83.0%。珠光體球鐵硅取低一些，鐵素體球鐵高一些。但硅量不宜過高，因?yàn)楣鑿?qiáng)化鐵素體基體，使之變脆，降低塑性韌性。1.2 錳錳是促進(jìn)珠光體生成的元素，它固溶于鐵素體中提高強(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，鐵素體球鐵要求錳量要盡可能的低，控制含錳量低于0.4%，薄壁小件要低于0.2%。珠光體球鐵含錳量0.30

11、.5%。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)的延伸率下降，脆性增加。硫高還會(huì)造成稀土鎂殘留量不足而導(dǎo)致球化不良及球化衰退。應(yīng)控制磷含量在0.05%以下。球化處理前原鐵水含硫量為0.06%以下，否則，應(yīng)在球化處理前進(jìn)行脫硫處理，球化處理后含硫量要小于0.03%。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球化。鎂在鐵液中主要起球化作用。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)烈形成碳化物的元素。如果殘留量過高，會(huì)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)球鐵件時(shí)，在保證球化

12、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)于薄壁小件尤為重要。通常殘留鎂量控制在0.0350.06%，殘留稀土量控制在0.020.04%。2. 球化處理最常用的工藝是稀土硅鐵鎂合金作球化劑的沖入法，在鐵水包底部不正對(duì)著鐵水流一側(cè)放入球化劑，并舂緊，然后覆蓋好（先用硅鐵粒覆蓋，然后再用無銹鐵屑或薄鐵板，或膨脹珍珠巖砂等覆蓋）。根據(jù)原鐵水含流量確定球化劑加入量，在保證球化前提下加入量越低越好?，F(xiàn)已有適用于鑄態(tài)珠光體球鐵、大斷面球鐵等專用球化劑系列供應(yīng)。 一些球鐵廠選用蓋包法、型內(nèi)球化法等處理工藝，達(dá)到減少鎂燒損、反應(yīng)時(shí)無鎂光煙氣的環(huán)保目的。而喂絲球化法由于殘余鎂量波動(dòng)小，球化質(zhì)量穩(wěn)定，改

13、善勞動(dòng)環(huán)境，清潔生產(chǎn)，操作簡單，易于控制等特點(diǎn)正在被推廣應(yīng)用。3. 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。目前國內(nèi)企業(yè)采用孕育劑和孕育方法不盡相同，但都強(qiáng)調(diào)要采用多次孕育、瞬時(shí)孕育工藝，以強(qiáng)化孕育效果，保證鐵水在較長時(shí)間直至澆注完畢均處在良好的孕育狀態(tài)，有效地消除滲碳體組織。對(duì)于鑄態(tài)球鐵，孕育劑大多采用75硅鐵合金，除了包底放孕育劑或出鐵隨流一次孕育外，還采取浮硅孕育、澆注隨流孕育、澆口杯硅塊型上孕育、型內(nèi)孕育等方法，效果都很好。鐵素體球鐵的孕育量要比珠光體球鐵大一些。目前已有多種專用含鈣、鋇、鍶、等元素的長效復(fù)合孕育劑出售

14、，更有利于鑄態(tài)球鐵的生產(chǎn)。4. 澆注澆注溫度一般13101370。輕小件或薄件取上限，厚大件取下限。球化處理后力求15分鐘內(nèi)澆完澆包內(nèi)鐵水，以免球化或孕育衰退。三鑄態(tài)球鐵生產(chǎn)技術(shù)要點(diǎn)1. 鐵素體和珠光體混合型球鐵 有兩種牌號(hào)QT500-7和QT550-5，以QT500-7應(yīng)用最廣泛，例如注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、橡膠機(jī)模板。鑄態(tài)下比較容易生產(chǎn)，但如果對(duì)珠光體有規(guī)定含量要求時(shí)，要控制好Si2.22.7%,Mn70%）,QT700-2球鐵多用于軸類和柱塞類零件。生產(chǎn)時(shí)應(yīng)注意以下問題：嚴(yán)格控制爐料避免含有強(qiáng)烈促進(jìn)形成碳化物元素如 V、Mo、 Te等，避免鑄態(tài)下形成滲碳體，含Mn量也不宜過高，約0.30.5%、

15、Si1.82.3%；強(qiáng)化孕育防止形成碳化物，采用瞬時(shí)孕育工藝；根據(jù)鑄件壁厚和牌號(hào)要求應(yīng)適量添加穩(wěn)定珠光體，但不促進(jìn)形成碳化物的元素如Cu Ni Sn等; 對(duì)厚重鑄件或QT700-2還應(yīng)使用含Sb、Ba的復(fù)合孕育劑或低稀土含Sb專用球化劑。3.鐵素體型球鐵QT350-22、2QT400-15、QT450-10、QT400-18特點(diǎn)是要求很高的伸長率。生產(chǎn)時(shí)應(yīng)注意以下問題：使用低錳低磷的純凈爐料，嚴(yán)格限制白口化元素和促進(jìn)生成珠光體元素含量；加大孕育量強(qiáng)化孕育，采用多次孕育和瞬時(shí)孕育工藝，或使用含鉍孕育劑等強(qiáng)烈增加石墨球數(shù)的孕育劑；中小鑄件控制原鐵水Si1.52.0%，終Si2.63.0%，厚大鑄件

16、原鐵水Si1.01.2%，終Si2.42.8%；含Mn量 0.3%。QT350-22、QT400-18鑄態(tài)組織中鐵素體的含量須達(dá)到8590%以上，球化率90%以上，沖天爐熔煉條件下極難鑄態(tài)穩(wěn)定生產(chǎn)。4.低溫高韌性鐵素體球鐵在低溫寒冷環(huán)境下，高速列車零件、汽車底盤件、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等領(lǐng)域要大量應(yīng)用高韌性抗低溫沖擊的QT350-22AL、QT400-18AL球鐵。這兩種牌號(hào)一般采用電爐熔煉的“廢鋼增碳”合成球鐵工藝生產(chǎn)，金屬爐料90%以上為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)廢鋼，只搭配少量高純生鐵。由于純凈廢鋼中的磷、硫、錳及其他雜質(zhì)元素含量極低，通過添加增碳劑和硅鐵調(diào)整原鐵水碳、硅量，控制殘留稀土0.03%、殘留鎂0.

17、05%，強(qiáng)化孕育處理去獲得低溫高韌性鐵素體球鐵。球化率要求90%以上、石墨大小67級(jí)、珠光體含量10%，其余為鐵素體；控制終Si1.82.4%,對(duì)于QT400-18AL Mn0.3%、QT350-22AL Mn0.2%。 圖3. QT400-18AL風(fēng)電制動(dòng)環(huán)鑄件 圖4. QT350-22AL 風(fēng)電輪轂鑄件四，鑄態(tài)球鐵的新發(fā)展1. 薄壁鑄態(tài)鐵素體球鐵這種球鐵在轎車保安件等方面有廣泛用途，如轉(zhuǎn)向節(jié)、前后臂等，鑄件壁厚一般在10mm左右，目前已能生產(chǎn)的最薄壁厚為3mm。這類鑄件的凝固特點(diǎn)是，冷卻速度快、白口傾向大，鐵水容易形成晶間碳化物和珠光體的共析組織，鑄態(tài)大批量生產(chǎn)難度很大。因此，必須采取相應(yīng)

18、的措施控制其冶金條件：選擇合適的鐵水成分（包括金屬爐料中的有害微量元素控制等），碳當(dāng)量在CE5.0%的范圍內(nèi)盡量高，終Si2.42.9%,Mn0.2%;原材料來源及配比的控制（如廢鋼用量的控制等）；采用高效孕育劑及瞬時(shí)孕育工藝；選用低稀土球化劑；較高的澆注溫度。2. 厚大斷面球鐵隨著機(jī)械裝備業(yè)向重型化方向發(fā)展，優(yōu)質(zhì)大型球鐵件的需求量增大。目前我國最重球鐵件為北一重型鑄造公司鑄造的機(jī)床身，長19.5米，重135噸。大型鑄件由于尺寸太大，受熱處理爐容量限制，只能是鑄態(tài)生產(chǎn)，并且壁厚一般100mm以上,為大斷面球鐵。大斷面球墨鑄鐵由于冷卻速度緩慢，凝固時(shí)間長，使得鑄件尤其是鑄件中心部位易出現(xiàn)石墨畸變、球數(shù)減少、石墨球增大、晶粒變粗、球化率降低、成份偏析、晶間碳化物增多及石墨漂浮，造成球化衰退現(xiàn)象，引起鑄件力學(xué)性能大大降低。最近通過試驗(yàn)研究，采用如下方法改善：在重型球墨鑄鐵件中，復(fù)合添加適量的Sb(0.005-0.01%)，可以消除碎塊狀石墨，增加石墨球數(shù)，獲得滿意的球狀石墨。選用釔基重稀土鎂復(fù)合球化劑，REO(Y)：%、Mg：69%