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如何防止厚大断面球铁的石墨畸变和球化衰退

NJTRYQ

2017/11/02

元素分析综合讨论

?1、石墨形态是影响球铁铸件性能的关键性因素，厚大断面球铁件断面厚、热节多、凝固时间长，极易发生石墨畸变，一般有以下几种石墨形态：不规则的球状石墨、团絮状石墨、片状石墨、蠕虫状石墨、开花状石墨、碎块状石墨。
? ? ? ? 球化衰退也就是绝大数石墨成球失败，出现求化衰退的原因是镁量和稀土随着铁液停置时间的延长而发生衰减。镁和稀土与氧的亲和力大于与硫的亲合力，所以浮在铁液表面的 MgS、Ce 2 S 3 夹杂物与空气中的氧反应生成S，S 与 Mg 和 Ce 反应消耗镁量和稀土，出现回硫现象，使铁液中球化元素的残留量低于石墨化所需的临界值时而产生球化级别严重下降。

减少球化衰退的措施有以下几点：

1）通过合理的生产组织安排，缩短铁液停置时间；

2）降低原铁液含硫量（＜0.012%）；

3）转运铁水过程中合理覆盖液面；

4）适当增加球化剂加入比例。

? ? ? ?开花状石墨是厚大断面球墨铸铁中最常见的畸变石墨，开花状石墨恶化了铸件上表面的质量和力学性性，增加了铸件装机后运转的风险。开花状石墨的形成机理如下：共晶前期形成的石墨球在浮力作用下向上漂浮，聚集在铸件的上表面形成开花石墨。当石墨的固-液界面前沿存在过量的 Ce、Mg 的不均匀吸附时，破坏规则分支的生长，使石墨分支的基面生长速度远大于石墨分支柱面的生长速度，造成石墨在过冷区发生不均匀的包状分叉，导致开花石墨形成。厚大铸件的上表面往往 RE、Mg 偏高，容易提供漂浮的生长环境。

? ? ? 开花状石墨与碳当量和铁液的冷却速度有关，还与浇注温度有关。碳当量越高、铁液冷却速度越慢、浇注温度越高石墨漂浮开花的可能性就越大；中小型铸件的碳当量控制在 4.3%-4.7%，但是对于厚大断面的球铁碳当量控制在 4.3%-4.4%，浇注温度在不影响铁水流动性的条件下尽可能低，一般在 1300℃-1360℃为宜；控制碳硅与残余稀土的含量以及提高冷却速度可以减少漂浮石墨形成。另外可使用铸铁冷铁加速冷却，利用球状石墨外围奥氏体晕圈提早形成，增大石墨球比重，减小上浮趋势。
2、解决碎块状石墨应注意哪些问题

? ? ? ?碎块状石墨是厚大断面球墨铸铁中或是在热节部位经常出现的畸变石墨。出现碎块状石墨的部位，材质疏松，力学性能下降，特别是塑性指标明显降低。所以厚大断面球铁中出现碎块状石墨是目前国内外铸造领域研究与生

产面临的难题。

? ? ? 由于厚大断面铸件的铁水凝固过程十分缓慢，形成的共晶团粗大，而这种碎块状石墨分支频繁和细小，在铁液对流的作用下，有可能把靠近共晶团边界的石墨冲走，形成游离的碎块。其次凝固缓慢，析出的石墨比一般初生石墨球大得多。当尺寸很大时形成内应力，内应力随石墨球的长大持续累积，最后石墨球破裂形成碎块。根据日月公司多年的控制经验，防止碎块状石墨的产生，应从以下几个方面优化工艺控制：

1） ?厚大断面球铁碳当量在 4.2%-4.4%，并采取较低的含硅量；

2） ?稀土含量不超过 0.03%，镁量不小于 0.05%；

3） ?还可以加入微量元素锑来提高石墨圆整度；

4） ?多次孕育和型内孕育同步使用；

5） ?可使用适量的钇基球化剂；

6） ?采用铸铁冷铁来提高铁水冷却速度等。

3、合理的化学元素控制和孕育处理是生产厚大断面球铁的核心

? ? ? ?对于厚大断面球墨铸铁，由于合金元素很多，宏观偏析和微区偏析都会加剧。厚大断面球铁的韧性更多依赖于铁素体的面积分数。铁素体球墨铸铁具有强度、塑性和韧性综合性能好等特点，对于厚大断面球铁铸件，一般要求铁素体基体。

? ? ? ?通过孕育处理可以控制铸态球墨铸铁的基体组织，特别是球墨铸铁中的铁素体含量。孕育处理是球墨铸铁生产中必不可少的环节，可减少白口倾向，减少元素偏析，提高球化率，促进铁素体化，抑制石墨畸变。

? ? ? ?合适的化学成分是保证球铁组织和性能的必要条件，通常，化学成分的选择由要求的性能和铸件断面尺寸决定，低温厚大断面球铁对成分的要求更为严格。

? ? ? ?碳当量 CE 和硅 Si 均是促进石墨化的元素。随着碳当量 CE 的增加，球状石墨数量增加，畸变石墨数量减少，Si 高有利于石墨化，并且基体易于形成铁素体，故铸态厚大断面铁素体球铁 Si 量应尽可能高。

? ? ? ?Si 是厚大断面球铁中一个极为敏感的元素，Si 和 CE 一样影响碎块状石墨的形成。研究发现，降低 Si 含量可以减少碎块状石墨的形成。因此，对于厚大断面球墨铸铁，高的 CE 和 Si 含量可以保证高的球化率，提高球铁的力学性能；而低的 CE 和 Si 含量可以抑制石墨漂浮和碎块状石墨。为了获得良好的铸造性能和减少对冒口的需求，要求 CE 一般在共晶点附近，一般选在 CE4.25～4.35%，有低温要求的，Si 控制在 1.95～2.15%较为适宜，无低温要求的 QT450铸件，则将 Si 提高到 2.40-2.60%。

? ? ? ?Mn 要比碳在铁液中扩散困难的多，铁与锰在液态可完全互相溶解，在凝固过程中锰具有很大的偏析倾向而富集于晶界，促使碳化物形成，如果形成的碳化物呈网状分布在共晶团边界上，对力学性能是极为有害的。由于Mn 的反石墨化作用，促进白口形成，在生产时一般都不得大于 0.3%。

? ? ? ?P 元素极易偏析，常在晶界以磷共晶形式出现。共晶团边界形成的磷共晶容易成为珠光体的核心，从而促进晶界形成珠光体，降低球铁的塑韧性，因而其含量应越低越好。

? ? ? ?S 一般在球铁中被认为是反球化元素。S 高会消耗更多的 RE 和 Mg，引起球化衰退，对厚大断面球铁件 S含量应≤0.010%。Mg 是球铁中最主要的球化元素，对于一般球铁件，含量 0.030%～0.045%可以满足球化要求。

? ? ? 随着凝固时间的延长，铁液中的含 Mg 量逐渐降低。对于厚大断面球铁件，残余镁量应控制在 0.05%～0.06%之间，小于 0.04%会出现球化不良问题，而大于 0.06%可能出现明显的夹杂物及缩松缺陷。

4. 低温厚大断面球铁生产的注意事项

? ? ? ?在厚大断面球铁中由于中心部位和边缘位置的冷却速度有很大差别，就会造成球铁的基体组织和石墨球的形态等有很大差别。

? ? ?化学元素对厚大断面球铁低温力学性能的影响是通过显微组织实现的，除此之外，孕育和球化也通过影响显微组织来影响厚大断面球铁的低温性能。

? ? ? ?孕育的实质是脱氧、脱硫，不仅可以增加石墨形核能力，细化晶粒，还可以增加石墨球数量，增加铁素体含量，多次孕育，细化孕育剂颗粒都可以显著细化晶粒，从而提高厚大断面球铁的低温力学性能。

? ? ? ?球化处理通过影响石墨的形态影响球铁整体力学性能。另外，球化剂的选型也非常重要。钇基球化剂抗衰退能力较强，可采用钇基和铈基按一定的比例搭配使用，既可以确保球化质量，又能得到较好的石墨形态，以满足低温厚大断面球铁的各项力学性能要求。

结束语

? ? ? 生产厚大断面铁素体球墨铸铁，由于铁液需求大，设备能力及精心的生产组织安排是前提保证；要获得良好的经济效益，必须实现铸态组织满足机械性能要求；铸态组织要满足性能要求，必须要合理选择铁水化学元素和适宜的球化、孕育工艺。

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