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一、铸态铁素体球墨铸铁件质量控制

铸态铁素体基体球墨铸铁的生产存在诸多方面需加以留意，不然难以满足客户要求。像原材料的挑选、熔炼工艺的拟定、温度的把控以及炉前球化孕育处理等。历经数年的探索，在生产球墨铸铁方面积累了一些自身经验，现在将其进行介绍。

1、生产的基本条件

其三，出铁温度要高，一般在 1500 - 1550℃。

造型设备的球墨铸铁在凝固时会有石墨析出，其膨胀量较大。在生产过程中，可以利用这一特点，采用刚性铸型，这样就能避免铸型胀大，从而获得致密的铸件，并且铸件没有缩孔，也没有宏观缩松。

2、原材料的控制

铸造生铁应具有高碳、低硅、低磷、低硫的特点，且干扰元素要少。若含有干扰元素，就会致使球化不良。对于石墨片粗大、渣气孔较多的生铁，应尽量避免使用或减少使用。在选定生铁时，首先要依据球铁的基体要求以及回炉料的用量来确定生铁的硅量（确定牌号）。其次，要根据韧性要求和是否进行热处理来限定锰量（确定分组）。生铁中的磷硫量越少越好。磷有分级，硫有分类，不同的生铁在这些方面的界定量有所不同。球铁用生铁的磷界定量为 P≤0.05%，硫界定量为 S≤0.02%。炼钢生铁的硫界定量为 S≤0.02%，但其磷一般较高。铸造生铁没有特级磷和特类硫，其一级磷的界定量为≤0.06%球墨铸铁用废钢的作用，一类硫的界定量为≤0.03%。

生铁中常含有 Cu、Cr、Mo、Ti、Sn、Al、Pb、Bi、Te、Cd、Zn、As 和 Sb 等微量元素，这是因为铁矿来源不同。其中，As、Pb、Zn、Ti、Bi、Sb、Cd 和 Te 等元素，如果超过一定含量，就会干扰球化，或者生成晶界脆性相，或者生成硬质点，进而影响球化成败、球铁的韧性和切削加工性。这些干扰元素的作用较为复杂。当它们共存时，会产生倍增效应或者抵消作用，其机理还需要进一步去研究。为了能够控制干扰元素，就需要对生铁中微量元素的总量（∑T）进行限制。比如德国规定∑T 要小于等于 0.0745%，日本规定∑T 小于等于 0.089%，并且其中的 Ti 不大于 50%的∑T。我国目前通常约定∑T 小于等于 0.1%，同时其中的 Ti 要小于等于 0.045%。

回炉铁用于生产球铁浇冒口和废品铸件，同时禁止使用市场收购的废旧铸铁件。

废钢主要用于调整碳量，并且是用于废钢增碳生产球铁的主要原材料。废钢应是成分明确的无锈碳素钢，不能使用合金钢，也不能使用来历不明的废钢。

球化剂要求成分稳定且均匀。球化剂的选用要依据熔炼设备、铁液的含硫量以及铁水出炉温度的不同情况来确定。使用冲天炉生产时，铁水温度相对较低，硫量较高，铁液纯净度不好。所以要选用含稀土、镁量较高的球化剂，通常会选用 Mg7 - 9%，Re5% 或 7% 的球化剂；而在电炉生产时，因为铁水温度能达到要求，铁水冶金质量好且纯净度高，就应选用稀土、镁含量较低的球化剂，一般选用含 Mg6 - 8%，Re2 - 4% 的球剂，对于薄小件则选用 Mg5 - 7%，Re1 - 3% 的球化剂。孕育剂在球铁生产环节中是重要的铁合金材料。球化处理后加入孕育剂，一方面能消除渗碳体，另一方面可以提高球化率并细化石墨球，让石墨球变得圆整且分布均匀。实践表明，孕育效果与孕育剂的成分存在很大关联。当前，国内应用最为广泛的是 75 硅铁，有些单位会采用由钡、锶、钙、铝、铋等元素组成的长效复合孕育剂，像硅钡、硅锶、硅钙等。

3、炉前控制

球铁的组织和性能与化学成分组成关系密切，这一点众所周知。所谓球铁的成分设计，主要涉及碳和硅。而锰、磷、硫等元素，是靠原材料来进行控制的。

碳、硅生产铸态铁素体球铁采用的是高碳、低硅且孕育量较大的方法。碳元素和硅元素对球铁的性能有着较大的影响。通常是通过碳当量来进行综合考量。碳当量的选择主要是为了改善铸造性能、消除铸造缺陷，以获得健全的铸件和较高的机械性能。我公司的铸态铁素体球铁要求其基体为铁素体，并且不允许有渗碳体存在。因此在设计碳当量时，要以铸件不出现石墨飘浮、不出白口且保证球化为准则。碳当量需控制在 4.3 - 4.8%，其中碳为 3.3 - 3.9%。原铁水硅组织含量大于 80%的量为 1.2 - 1.6%，终硅量为 2.6 - 3.0%。然而硅量不宜过高，因为硅会强化铁素体基体，使其变脆，导致塑性韧性下降。

锰能促进珠光体生成。它固溶在铁素体中，会提高强度但降低韧性。这对生产铸态铁素体球铁不利。所以要求锰的含量尽可能低，要控制含锰量低于 0.4%，薄小件的含锰量要低于 0.2%。

3.1.3磷、硫

磷是有害元素，磷含量高容易在基体晶界上形成磷共晶，这会使材质的伸长率下降，并且使材质的脆性增加。硫是有害元素，硫含量高会造成球化元素残留量少，从而导致球化不良，还会使铸件产生皮下气孔、夹渣等铸造缺陷。我们将磷含量控制在 0.06%以下，在球化处理前将原铁水的含硫量控制在 0.04%以下，处理后将含硫量控制在小于 0.02%。

铸铁中需有一定的镁和稀土元素残留量，这样才能保证石墨成球。镁在铁水中主要发挥球化作用，稀土的作用主要是除气、脱硫以及中和干扰元素，从而起到净化铁水的效果。然而，镁和稀土又是强烈形成碳化物的元素，若残留量过高，会使石墨形态恶化，增加铸件的白口倾向以及夹渣、缩孔、皮下气孔等铸造缺陷。在生产铸态铁素体球铁件时，要保证球化良好。在此前提下，应尽可能降低镁和稀土的残留量，尤其对于薄小件，这一点很重要。一般将残留镁量控制在 0.03 - 0.05%，把残留稀土量控制在 0.02 - 0.03%。

3.2球化及孕育处理

球化处理为保证球化处理成功，须注意以下几点：

铁水包的结构需适应工艺要求。通常情况下，铁水包的内腔高度与内径的比值在 1.0 到 1.2 之间，这样有利于镁和稀土元素的吸收。包底应当搪成凹坑或者堤坝式。

球化剂被破碎成合适的粒度大小。如果粒度过小，就容易浮起来并且发生氧化；要是粒度过大，那么溶解速度就会很慢，会延长反应时间，还会使铁水降温幅度较大。粒度的大小是根据每次处理的铁水量来确定的。球化剂最好在当天进行破碎并且当天使用，不能长时间放置或者受潮。

球化剂的加入量需依据原铁水的含硫量来决定。

4）电炉熔炼时，出铁前要将渣扒净。

球化处理方法需合理。我们运用冲入法，将球化剂放置于包坑内，并且要捣紧，同时在上面覆盖孕育硅铁和铸铁屑。不能在铁水包处于红热状态时放入球化剂，以防其氧化，导致失去球化能力。在出铁时，铁水流不能直接冲向球化剂。铁水流既不能过大也不能过小，不能出现断流的情况。出铁量要尽量做到准确，上下误差不能超过 5%。球化反应结束之后，需立刻将其放入集渣剂。接着进行搅拌扒渣的操作，之后再开展后续的孕育处理。

孕育处理的作用主要在于消除由球化元素所导致的白口倾向，促使石墨析出，让球化率得以提高，石墨球得以细化，并且能让石墨球分布得更加均匀。不同的孕育剂、不同的加入量、不同的孕育处理方法以及不同的孕育处理时间，都会对球铁的机械性能产生较大的影响。我公司采用的孕育方式有包内孕育（一次）、铁水包浮硅孕育（二次）以及转包孕育（三次）。实践证明，这种孕育方式是可行的，并且孕育效果良好。

1）三角试块法是普遍采用的一种方法球墨铸铁用废钢的作用，可进行立浇或卧浇。待试样表面变为暗红色时取出，将底部向下淬入水中，然后打断观察断口。断口及两侧若有缩凹，且中心有缩松，断口呈现崎岖不平的状态，呈锯齿状，颜色为银灰色（银白色），质地致密，晶粒细小，尖部没有白口或者白口小于 1 - 2mm，敲击时能发出钢声，嗅之有电石味，这表明球化孕育情况良好。若断口有小黑点，那么球化情况不太好。若断口乌黑，晶粒粗大或者有许多黑点，呈现麻脸状，敲击时声音沉闷，则为不球化。

炉前采用快速金相法。试样的尺寸为φ20×30mm（根据铸件的大小和厚薄来确定）。通过金相观察，球化级别需在 2 级以上，这表明球化情况良好。若球化级别低于 2 级，则表明球化情况不太好。

光谱分析仪可以在 2 分钟以内测定铁水的化学成分。它能做到及时且准确，分析误差较小。

4、铸造工艺控制

铸态铁素体球铁件的铸造工艺设计，需要有利于铁素体的形成，同时也要有利于获得健全的铸件。

球铁经过球化处理后，会产生较多稠渣。在浇注系统的设计中，需要考虑撇渣装置、挡渣装置以及相应的工艺措施。

球铁容易发生氧化现象。在进行浇注的时候，如果出现紊流或者飞溅的情况，就会产生二次氧化渣。所以，在设计浇注系统的时候，需要考虑让铁水能够平稳地进入型腔。

球铁在凝固时会有石墨析出，并且膨胀量较大。铸型需要具备足够的刚性，这样才能获得没有缩孔的铸件。在工艺设计方面，也可以考虑实现无冒口铸造。

球铁具有粥状凝固的特性，冒口的有效补缩距离较短。因此，可以采取多设置冒口的措施，或者将冒口与冷铁相配合等措施，以消除缩孔和缩松。

因为有上述这些特点，所以在对铸态铁素体球铁进行铸造工艺设计的时候，浇注系统通常会采用半封闭的方式或者开放式的方式。

5、开箱时间

不同铸件在铸型中的冷却速度存在差异。开箱时间不同，得到的基体组织也不同。若要在铸态下获得以铁素体基体为主的组织，除铸型需有足够的吃砂量外，铸件在铸型中还需有足够的保温和缓冷时间，至少要让铸件在型内冷却到 650℃以下，然后才可开箱取出。

二、铁素体球墨铸铁浇口杯孕育

我公司是一家专业铸造公司，与中船重工 711 研究所合资兴办。主要生产灰铸铁和球墨铸铁毛坯，像机体、缸盖等。之前生产的球墨铸铁毛坯材质主要为 QT500—7。随着新产品的开发，开始生产引进天源二手物资的 16/24 五缸至九缸中速机机体毛坯，以及风电的前箱体、后箱体等。

16/24 五缸至九缸中速机的机体毛坯（见图 1），其材质是 QT400—15。铸件毛坯重量在 1900 左右，浇注重量在 2600 左右。金相组织方面：球化等级为 1 至 2 级，石墨大小为 5 至 7 级，珠光体粗细分级属于细级，珠光体数量不超过 15%，磷共晶和渗碳体的数量为 0。风电前箱体和后箱体，见图 2 和图 3，其材质为 QT400—18AL，浇注重量在 2500 左右。金相组织方面，球化等级为 1 到 2 级，石墨大小为 5 到 7 级，珠光体粗细分级属于细级，珠光体数量小于等于 5%，磷共晶和渗碳体数量为 0。在力学检验中，多了一项 -20℃下三块试样冲击吸收能量的要求，其平均数值要大于等于 14J。

１．原熔炼浇注工艺存在的问题分析

低温冲击不合格，其范围是 10 至 12J。改为二次随流孕育：在包底加入 2/3 的孕育剂以及全部的球化剂，先放出 2/3 的铁液。当球化反应结束后，将熔渣扒净，接着放出剩余的铁液。在放出剩余铁液的同时，随流加入剩余的孕育剂。经检验得知：伸长率基本合格，处于 18%至 20%之间；但低温冲击吸收能量仍不合格，为 9 至 11J。并且，这种操作方式极为不方便。分析后认为：二次随流孕育增强了孕育效果，使石墨球得到细化。同时，低温冲击性能与终硅量存在直接关系，当终硅量大于 2.0%时，低温冲击不合格。如何在现有条件下，略微调整配料，生产出合格的铸件，成为了主要问题。

一般加强孕育的方法有以下几种：

（1）二次随流孕育，但操作极不方便。

同时，倒包孕育会使铁液降温较多。

型内孕育这种方式，在生产中未曾使用过，需要进行大量的试验，并且交货期不允许进行这样的操作。

（4）使用重稀土孕育剂，除要做大量的试验外，成本增加。

在生产过程中发现，我们采用的是定量浇口杯拔塞浇注这种方式。如果将部分孕育剂放置在浇口杯内，其效果与倒包二次孕育是相同的。这或许是一种能够解决问题的简便且有效的方法。

２.改进后的熔炼浇注工艺

机体铸件炉前化学成分的范围是：wC 在 3.7%至 3.8%之间，wSi 在 1.4%至 1.5%之间，wMn 小于等于 0.2%。球化剂的加入量为 1.5%至 1.7%。孕育剂的加入量分别为：包内 0.5%至 0.6%，浇口杯内 0.2%。风电铸件的化学成分如下：碳的含量在 3.7%至 3.8%之间；硅的含量在 0.9%至 1.0%之间；锰的含量小于等于 0.2%；球化剂的含量为 1.5%至 1.7%；孕育剂的加入量，在包内为 0.5%至 0.6%，在浇口杯内为 0.2%，其余部分保持不变。经过调试生产后，铸件的理化指标都达到了合格标准，简单且有效地解决了问题。

结语

中大型铁素体球墨铸铁铸件，即便使用普通的原辅材料，通过浇口杯孕育的方法，也能够生产出合格的铸件。

可以在铁素体 - 珠光体球墨铸铁件上尝试浇口杯孕育方法进行生产，也可以在珠光体铸件上尝试浇口杯孕育方法进行生产。

（3）为防止球化、孕育衰退，用含钡孕育剂效果更好。

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