球鐵及其球化不良問題探討分析

1、球鐵及其球化不良問題探討分析 崗鐵的應(yīng)用使人類文明進入了鐵器時代。球墨鑄鐵的誕生，是繼人類發(fā)明煉鋼技術(shù)之后，在黑色金屬應(yīng)用技術(shù)方面又一次大的技術(shù)創(chuàng)新，是20世紀材料科學最重大的技術(shù)進展之一。 我國古代工匠早在2000年前就已制造出具有球狀石墨的鑄鐵，分析表明上述鑄鐵件不含鎂或稀土元素，是采用高純木炭生鐵熔劑，在金屬型中澆注，經(jīng)熱處理后制成。但由于這種工藝難于大量生產(chǎn)，因而這種古代球鐵的獨特技藝沒有流傳至今。現(xiàn)代球墨鑄鐵采用向鐵液中添加球化劑的方法使其在鑄態(tài)下析出球狀石墨，使得球墨鑄鐵真正登上了工業(yè)應(yīng)用的舞臺。 世界鑄鐵件的生產(chǎn)狀況和趨勢是，灰鑄鐵件的比例明顯下降，但仍占優(yōu)勢。球墨鑄鐵件的產(chǎn)量持

2、續(xù)增長，蠕墨鑄鐵和特種鑄鐵也有了較大的發(fā)展。 我國球墨鑄鐵件在質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性方面的差距也較大。我國球墨鑄鐵生產(chǎn)較突出的問題是材質(zhì)強韌性上、缺陷多，其原因除爐料、球化處理方法和球化劑等因素外，主要是球化處理前對鐵液含硫量要求過松。因此，為使我國球墨鑄鐵生產(chǎn)能有大幅度的增長，必須大力實施能穩(wěn)定提供質(zhì)量可靠的優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵件的配套技術(shù)?，F(xiàn)在就球鐵常見的缺陷球化不良結(jié)合我們單位的實際系統(tǒng)地進行論述一下。 球化劑的合理選用和稀土（RE）元素的加入是實現(xiàn)高強度薄壁球墨鑄鐵鑄造的關(guān)鍵。該技術(shù)的核心是在鑄造（熔煉）工藝中要保證RE/S=22.5。球化劑要選用Fe-Si-Mg-RE-Ca系材料，其中稀土元素（C

3、e、La、Pr）的加入并使之與硫保持一定比例是球化技術(shù)的關(guān)鍵。試驗證實，當RE/S2時，出現(xiàn)球化不良；RE/S2.5、Mg/S5時，易出現(xiàn)白口，同時嚴格控Wp0.04%、WBi=0.003%0.007%。 灰鑄鐵鑄件所產(chǎn)生的各種鑄造缺陷（如縮孔、氣孔、渣孔、夾砂、冷隔、澆不足等）都會在生產(chǎn)稀土鎂球墨鑄鐵時產(chǎn)生。球墨鑄鐵常見缺陷有球化不良（球鐵處理不成）、球化衰退、縮松、皮下氣孔等缺陷。 球化不良是稀土鎂球墨鑄鐵經(jīng)常遇到的問題之一。球化不良是指球化劑加入量不足以使鑄鐵石墨充分球化。鑄件中的石墨多呈團塊狀、開花狀、枝晶狀、蠕蟲狀、厚片狀。 球化不良其宏觀觀特征為：銀白色的斷口上分布有黑色斑點，破斷

4、鑄件在其整個斷面上分布有明顯可見的小黑點，愈往中心愈密。球化不良的程度越嚴重，黑斑直徑越大數(shù)量越多，甚至全部斷口為黑灰色，類似灰鑄鐵的斷口。金相微觀分析能發(fā)現(xiàn)有集中分布的厚片狀石墨或晶間石墨以及少量球狀、團狀石墨，嚴重時還出現(xiàn)片狀石墨。球化不良使力學性能急劇下降，不能達到牌號所規(guī)定的性能指標。 球化不良主要是因為鎂和稀土元素的殘留量不足造成的。 產(chǎn)生的原因主要有： （1）使用高硫的焦炭和新生鐵，根據(jù)我廠生產(chǎn)的經(jīng)驗，當原鐵水含硫量達0.1%以上時，經(jīng)常造成球化不良； （2）與灰鑄鐵交界鐵水沒有分離干凈，由于爐料計算誤差，灰鑄鐵鐵水過多，交界鐵水沒有分離干凈。結(jié)果高硫、低碳的灰鑄鐵鐵水混入球墨鑄鐵

5、中，而造成球化不良。生產(chǎn)中經(jīng)常遇到與灰鑄鐵交界的第一包球墨鑄鐵球化不良； （3）鐵水氧化，最后一包球墨鑄鐵是打爐鐵水，操作不當往往造成鐵水氧化，鎂石強烈脫氧劑，結(jié)果一部分鎂耗費在脫氧上，起球化作用的鎂量不足而造成球化不良。 （4）使用鎂燒損嚴重的稀土鎂合金； （5）鐵水溫度過高或過低，鐵水溫度過高，中間合金與鐵水作用激烈，鎂燒損嚴重；鐵水溫度過低，中間合金容易“結(jié)死”在包底不起作用， （6）前爐儲存鐵水不足，球化處理時將爐渣也出到鐵水包中。由于稀土鎂中間合金與鐵水作用，產(chǎn)生強烈的翻滾，使爐渣卷入鐵水與球化劑作用。因為渣中硫高，氧化物多，就消耗了部分鎂和稀土，這也造成球化不良的原因之一。 針對上

6、述原因，根據(jù)導(dǎo)致殘留量不足，應(yīng)采取不同的措施來防止球化不良的產(chǎn)生： （1）如果球化劑中球化元素含量不足，加入量不夠，則應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)條件，選用合適的球化劑和確定加入量，要嚴格掌握鐵水量，防止失控造成出鐵量過大失球化劑量相對減少； （2）處理前鐵水溫度過高或過低；過高球化劑作用激烈，球化元素燒損嚴重；過低，則球化劑易在包底凍結(jié)。應(yīng)根據(jù)出鐵溫度掌握好球化劑和覆蓋物的緊實程度，球化劑放在包中裝的太松，反應(yīng)過于激烈，如出鐵溫度過低，則應(yīng)及時捅開包底的“結(jié)殼”，使球化劑順利反應(yīng)； （3）嚴格控制鐵水的含硫量和含氧量。選用低硫焦炭和生鐵。掌握好合理的供風制度，防止鐵水過度氧化，在和其他牌號的鐵水同爐熔化時，要

7、注意分離交界鐵水，防止混入高硫鐵水； （4）出鐵時要防止酸性爐渣流入鐵水包，特別是當采取爐外去硫操作時，要及時扒渣，以免“回硫”，消耗過多的球化元素，造成球化失敗。 （5）生鐵中有時會含有一些妨礙球化的元素，數(shù)量雖不多，危害卻很大，因此球化處理不順利時，可更換一下生鐵。 討論分析結(jié)論：針對我國目前球墨鑄鐵在鋼鐵行業(yè)中的重要地位，以及其將來的發(fā)展和壯大，我們必須加大對球墨鑄鐵的研究和應(yīng)用，以便為我們的經(jīng)濟發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。同時減少球墨鑄鐵鑄件的缺陷是首要問題，球化不良是其中的一項重要問題，對以上的討論和分析，我們在生產(chǎn)中要注意球化劑的使用和球化劑在球化過程中必須注意的問題。孕育劑改善球墨鑄鐵的

8、石墨化通常球鐵生產(chǎn)中氧與硫成核的可能性取決于鐵水的純度和添加物，其保持時間和溫度以及鐵水的處理方法和添加物。此前使用的孕育劑是添加了Ca、Ba、Sn、Zn等金屬的硅鐵。添加這些元素的目的是使之與鑄鐵中氧和硫相結(jié)合以生成石墨核。但是與處理生成的有效的核數(shù)相比，鐵水中的氧化硫數(shù)量相對較少，因此，用金屬孕育劑的方法受到了限制。為使其增加有效性而使用了加入Ce、Ca、S、O等元素的新的孕育劑（詳見下表）     Si    Ca    Ce   

9、0;Al    S    O 規(guī)定成份    70-75    0.75-1.25    1.5-2    0.75-1.25    <1    <1 有代表性加成份    73    1

10、    1.75    1    Tnace    tnace 用這種孕育劑不產(chǎn)生白口，為使阻礙球狀化的有害元素無害化可調(diào)整Ca、Ce的量。另外，此孕育劑中含有少量的S、O在其溶入鐵水過程中與Ce、Ca反應(yīng)。此項孕育劑首要目的是：在鐵水中引入金屬元素同時也引入S、O等非金屬元素。S可使石墨有效的生成，O在孕育過程起著非常重要作用。Ca在孕育時是第一反應(yīng)元素同時在共晶時對石墨的核生成起著重要作用。Ce對S和O親和力非常強，可以緩和其害處，

11、Ce的化合物也起核生成的作用。 由于增加這些元素使核數(shù)比通常的要增加，有助于石墨化，冷鐵的減少白口并減少收縮。結(jié)果可制成有較高韌性和沖擊性能的鐵素體系鑄鐵。特別是這種孕育劑對低S鐵水，使用精包處理的鐵水和用喂係法的鐵水都有效果。 這種新的孕育劑在二次孕育前的鐵水和Mg處理后的鐵水，經(jīng)過長時間保持后，也同樣可以陸續(xù)生成核。 制成鐵素體、基體球鐵時，強的生核作用和增加石墨數(shù)是必要條件。石墨數(shù)增加及其均一分布，有助于珠光體助長元素的偏析和縮孔的減少，和鐵素體的生成。 使用這種孕育劑而得到改善的事例。 例1用加有Zn、Mn、Ca的孕育劑進行隨流孕育，在薄壁鑄件中苦于碳化物的生成和縮孔，改成這種孕育劑后

12、，沒有白口，壁厚部位也無有縮孔。石墨粒數(shù)在壁厚2-3mm部位，原來為3N一粒/mm2，改變了孕劑后達到602粒，孕育劑的用量也減少25%。 例2用加有Sn的孕育劑，在壁厚5mm處石墨粒數(shù)只有312，而用這種孕育劑后在壁厚40mm處也可增加到340，并因此而減少了縮孔缺陷，同時減少了孕育劑的用量。 例3壁厚的鑄件中由于石墨漂浮、偏析、縮孔、低球化率而受到困擾，原來用含Ba孕育劑，石墨數(shù)只有187個，后用這種孕育劑增加到357。而且縮孔減少，球化率提高10%，抗拉強度和沖擊值提高了，加工時刀具的壽命也提高了50%。 含硫、氧的球墨鑄鐵孕育劑 常規(guī)的球墨鑄鐵生產(chǎn)中，鐵中能否有硫化物和氧化物作為石墨結(jié)

13、晶的核心，取決于原鐵水的純度和添加劑、保持時間和溫度以及冶金處理工藝和添加劑。 生產(chǎn)中通用的孕育劑是硅鐵，其中還含有鈣、鋇、鍶、錳和鋯等金屬元素。加入上述有反應(yīng)能力的元素，目的是使其與鐵中的硫和氧結(jié)合，為石墨提供有效的非均質(zhì)結(jié)晶核心。但是，鐵水中能起作用的硫和氧是有限的，孕育劑中的添加元素的作用，因而也是有限的。處理后可能形成的有效晶核的數(shù)量將制約孕育的效果。 為了增強孕育效果，推出了一種新型孕育劑，其中含有鈰（Ce）、鈣（Ca）、硫（S）和氧（O），見表I。已經(jīng)證實，采用這種孕育劑，能使球墨鑄鐵的顯微組織，更為均勻，縮孔傾向較小，從而有較好的加工性能。 表1 新型孕育劑的化學成分（%） &#

14、160;   Si    Ca    Ce    Al    S    O 規(guī)格要求    70-76    0.75-1.25    1.5-2.0    0.75-1.25   

15、; 1.0    1.0 典型實例    73    1    1.75    1    微量    微量 1Ca- Ce -S O的配合作用 孕育劑中的Ca和Ce，其含量已經(jīng)調(diào)定到能使鑄鐵的白口傾向最小，并能中和阻礙形成球狀石墨的微量元素的作用。孕育劑中含有少量的S和O，加入鐵水后，可以和Ca和Ce反應(yīng)。

16、新型孕育劑的主要作用是：在加入金屬元素的同時，引進一定濃度的非金屬元素（S和O）。孕育劑中反應(yīng)能力強的Ca和Ce與硫、氧作用后，就會產(chǎn)生較多的石墨晶核。硫有利于形成石墨晶核，氧則對孕育過程有重要的作用。 通過瞬時孕育處理，石墨生核過程中，將同時受益于鈣、鈰、硫、氧的協(xié)同作用。孕育處理時，鈣是首要反應(yīng)元素，對共晶石墨生核有決定性的作用。均衡含量的鈰，可以中和有害元素的作用，產(chǎn)生穩(wěn)定的金屬間化合物，且對硫和氧有強親和力，從而生成高度穩(wěn)定的氧化物、硫化物和硫氧化物。在整個凝固區(qū)間內(nèi)，此類含鈰的化合物都有助于改善生核條件，有益于孕育處理過程。 在球化劑、孕育劑和原鐵水之間反應(yīng)并產(chǎn)生晶核的同時，上述晶核

17、也一并起作用。 孕育劑成分的擬定，是要使球墨鑄鐵在減輕白口傾向和縮孔傾向的同時，還能強化石墨的生核條件。這種孕育的理念是新的，體現(xiàn)在加入硅鐵的同時還加入非金屬粉末，以使其有特殊的性能。 制造對韌性和沖擊性能要求較高的鐵素體球墨鑄鐵時，適于采用此種新型孕育劑。對于含硫量低的球墨鑄鐵，在轉(zhuǎn)包中用鎂處理的球墨鑄鐵或用喂線法處理的球墨鑄鐵，這種孕育劑特別有效。 2石墨球數(shù)增多 用含鈣、鈰、硫、氧的新型孕育劑，能使球墨鑄鐵中的石墨球數(shù)增多，并可改善各種性能，如： 因避免了形成硬質(zhì)碳化物，加工性能改善； 促進石墨和鐵素體形成； 減輕合金元素和微量元素的偏析； 減少凝固過程中的收縮； 提高韌性； 形成復(fù)雜的

18、鑄件，不同部位的組織和性能比較均一。 大家都知道，瞬時孕育前保持了較長時間的原鐵水或加鎂處理過的鐵水，其生核能力會大為減弱。此種情況下，采用新型孕育劑能有效地提供新的晶核。 生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵件時，強生核作用和石墨球數(shù)增多是使鐵素體含量最多的前提條件。采用新型孕育劑，可使石墨球的尺寸有大、小二種，呈雙峰分布，這有助于減少收縮，并可在富含珠光體促進元素的偏析區(qū)沉積碳，以產(chǎn)生較多的鐵素體。這種情況，間接地使鑄件的加工性能改善。 3鑄造廠的實際用例 這里，簡略地舉四個現(xiàn)場用例，供參考。 （1）鑄造廠A A廠用感應(yīng)電爐熔化，用蓋包法進行球化處理。原先用含鋯、錳、鈣的孕育劑隨流瞬時孕育。常遇到的問題是：在薄壁的復(fù)雜鑄件上出現(xiàn)碳化物和收縮過多。 改用親型孕育劑隨流孕育后，薄壁處的碳化物消除了，肥厚部位鉆孔后，