控制鐵液共晶度和再輝度提高球墨鑄鐵球化等級

呂 猛，王玉國

（太重集團榆次液壓工業有限公司，山西 榆次 030600）

近年來，隨著制造業的飛速發展，鑄造行業的發展也得到了長足的進步。隨著行業的進步，球墨鑄鐵件在制造業中的使用占比也逐步提高。球墨鑄鐵是一種斷面呈銀灰色，通過球化處理使石墨形態呈球狀或團絮狀的鑄鐵合金，其具有一定的強度的同時還具有一定的塑性的材料，在液壓、工程機械、汽車零部件領域均得到了越來越廣泛的應用[1-3]。

對球墨鑄鐵來說，球化等級是衡量球鐵件質量一個最關鍵的指標。國內的球鐵件球化等級大部分在3 級以上，而國外的球鐵件要求球化等級往往要達到2 級以上。為進一步提高球鐵件球化率，依托兩個球墨鑄鐵產品，通過研究采用不同的孕育處理工藝，來控制鐵液共晶度及再輝度，提高球墨鑄鐵球化等級，生產球化等級達到2 級的高質量的球墨鑄鐵件。

1 生產現狀

1.1 產品參數

圖1 和圖2 為兩種產品的結構圖。其中產品A 的材質為QT450-10，單重42 kg；產品B 的材質為QT600-3，單重23 kg.兩種產品均采用水平靜壓造型。

圖1 產品A

圖2 產品B

1.2 生產現狀

兩種球墨鑄鐵件均采用潮膜砂造型，熔煉采用中頻感應電爐，喂絲球化法，一次孕育加隨流孕育進行生產。產品A 及產品B 化學成分見表1、表2，配料比例均為生鐵57%+廢鋼13%+回爐料30%，喂絲球化后進行倒包孕育，孕育劑加入質量分數為0.6%，澆注時隨流孕育質量分數為0.1%.

表1 產品A 化學成分要求（質量分數，%）

表2 產品B 化學成分要求（質量分數，%）

對鑄件機械性能及金相組織進行檢測，鑄件機械性能均達標，但球化等級基本在3 級，未達到2級，石墨存在部分團絮狀石墨和蠕蟲狀石墨，且石墨數量偏少；其原因在于鐵液為過共晶，在凝固過程中初生石墨提前析出并長大，凝固后期缺少形核質點，同時殘留鎂偏高，孕育效果不佳，導致石墨畸形，從而球化等級偏低。在形核過程中為要想提升球化等級，需控制好鐵液質量，而共晶度及再輝度是兩個不可忽視的核心指標，鐵水的共晶度決定了枝晶生成量和漂浮堆積狀石墨的生成量，共晶鐵液較亞共晶及過共晶鐵液在凝固初期生成更少的初生奧氏體枝晶及初生石墨，在凝固中后期能析出更多的細小石墨；再輝度是在共晶凝固期間石墨集中析出伴隨的放熱反應的體現，其與鐵液中的形核物質的量成反比，反映鐵水的孕育效果。再輝度越高，鐵液形核物質越少，其孕育效果也越差，球化等級也越低；再輝度越低，鐵液形核物質越多，其孕育效果也越好，球化等級也越高。下面重點圍繞鐵液共晶度及再輝度做一些工藝改進并驗證效果。

2 工藝改進及試驗結果

2.1 改進目標

根據共晶度及再輝度原理并結合實際，我們通過改進一些處理工藝來控制鐵液共晶度及再輝度，力求控制鐵液共晶度接近于1（共晶鐵液），再輝度＜3，提高鐵液質量，達到提升鑄件球化等級的效果。

2.2 產品A 球化孕育處理工藝改進

2.2.1 產品A 球化工藝改進

球化處理采用喂絲法，為了提升球化質量，試驗時嚴格控制出鐵量、出鐵溫度、球化喂絲速度和喂絲量，殘留鎂質量分數嚴控在0.04%～0.05%的水平，做到既球化良好且又不至于殘留鎂太高。

2.2.2 產品A 孕育處理工藝改進

為了使石墨得到充分孕育，對孕育工藝進行了多次改進，具體方案如下：

方案A：加大倒包孕育量，球化后倒包時加入質量分數0.8%硅鋇孕育劑+0.1%隨流孕育；為控制終硅量，降低原鐵液的含Si 量。

方案B：澆注前兩次孕育，即球化前在包底加入質量分數0.4%硅鋇孕育劑，球化處理后加入0.4%硅鋇孕育劑+0.1%隨流硫氧孕育劑。

方案C：出鐵后在鐵液表面加0.4%的尺寸為30 mm～40 mm 的大塊75 硅鐵（大粒度硅鐵熔化增氧），球化處理后倒包時加入質量分數0.4%硅鋇孕育劑+0.1%隨流硫氧孕育劑。

2.2.3 增加共晶度、再輝度在線監測

生產過程中使用高精度的熱分析儀器監測球化處理后每包鐵液的共晶度及再輝度。

2.2.4 試驗結果

工藝改進前后原鐵水化學成分見表3.球化處理后鐵水成分見表4.由表可以看出，改進方案中殘留鎂質量分數都控制在0.05%以下。

表3 產品A 原鐵水化學成分（質量分數，%）

表4 球化處理后鐵水化學成分（質量分數，%）

工藝改進前后鐵水共晶度、再輝度見表5.由表可以看出，改進方案中，B 方案和C 方案共晶度均接近于1，再輝度小于3，達到預定目標，A 方案再輝度偏高。

表5 鐵水共晶度和再輝度

工藝改進前后產品A 力學性能見表6.由表可知，在改變孕育處理工藝后，試樣的抗拉強度、屈服強度、伸長率、硬度基本不變，滿足客戶要求。

表6 產品A 鑄件力學性能（單鑄試棒）

工藝改進前后產品A 金相組織、球化等級，見表7 和圖3 和圖4，B 方案和C 方案球化等級均達到2 級，A 方案球化級別為3 級。

圖3 產品A 石墨形態（×100）

圖4 產品A 基體組織（×100）

表7 產品A 金相組織、球化等級

實驗結果表明，單純的加大孕育量可以在一定程度上提高球化率，增加石墨數量，并不能有效降低鐵液再輝度。而從根源上增加形核所需的[O]（方案B 采用硫氧孕育劑，方案C 通過球化處理時加入大粒度75 硅鐵增氧）不僅能有效提高球化率，增加石墨數量，還能有效降低鐵液再輝度，使得生成更多的再生石墨，從而提高球化等級。改變孕育處理工藝后的球墨鑄鐵的基體組織中的鐵素體量穩定在90%以上，鐵素體晶粒的平均尺寸減小。

2.3 產品B 球化孕育處理工藝改進

2.3.1 球化孕育處理工藝改進

為進一步驗證效果，針對產品B 采用上述同樣的技術路線，依舊降低殘留鎂含量，控制在0.04%～0.05%的水平，增加鐵液共晶度及再輝度檢測，控制共晶度接近1.

2.3.2 試驗結果

工藝改進前后原原鐵水化學成分，見表8.球化處理后鐵水成分，見表9.由表看出，改進方案中，殘留鎂質量分數都在0.05%以下。

表8 產品B 原鐵水化學成分（質量分數，%）

表9 產品B 球化處理后鐵水化學成分（質量分數，%）

工藝改進前后鐵水共晶度、再輝度，見表10.從表10 可以看出方案A 再輝度偏高。

表10 產品B 鐵水共晶度和再輝度

工藝改進前后產品B 鑄件力學性能見表11.由表可知，在改變孕育處理工藝后，試樣的抗拉強度、屈服強度、伸長率、硬度基本不變，滿足客戶要求。

表11 產品B 鑄件力學性能

工藝改進前后產品B 金相組織見表12 和圖5、圖6.從表12 可以看出方案A 球化級別與石墨數都較方案B、C 低。

圖5 產品B 石墨形態（×100）

圖6 產品B 基體組織（×100）

表12 QT600-3 離合器殼體金相組織、球化等級

產品B 的試驗結果表明：改進方案A 共晶度接近于1，再輝度＞3，球化等級為3 級，B 方案和C 方案，鐵液共晶度接近于1，再輝度＜3，球化等級同樣達到了2 級。

4 結論

適當降低殘留鎂，從根源上增加石墨形核所需的[O]，可以有效控制鐵液共晶度，降低再輝度，生成更多的再生石墨，細化共晶組織，提高球化等級。