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球墨铸铁生产工艺及控制方法的探讨

球墨铸铁生产工艺及控制方法的探讨

谢均芳，张健月，朱淑圭

杭州汽轮铸锻有限公司技术开发部，杭州310000

摘 要：铸态球墨铸铁的生产是多年来国内外发展的主要趋势，对于高强度高韧性球铁的生产，可采用高质量的原材料、合理的化学成分选择、通过球化处理、孕育处理及合理的热处理工艺，可获得高质量的铁水，进而满足高质量球墨铸铁的性能要求。

关键词：球磨铸铁；高强度高韧性；热处理；球化处理

Discussion on the Production Process and Control Method for Nodular Cast Iron

Xie junfang, Zhang jianyue, Zhu shugui

Technical Development Department of Hangzhou steam turbine casting & forging Co., LTD, Hangzhou 310000

Abstract: The production of nodular cast iron is the main development trend at home and abroad for many years. The high strength and toughness nodular cast iron can be obtained by using high quality raw materials, selecting the reasonable chemical composition, spheroidizing treatment, inoculation treatment and reasonable heat treatment process. That will be met the performance requirements of high quality nodular cast iron.

Key words: nodular cast iron; high strength and toughness; heat treatment; spheroidizing treatment

一、国内外球墨铸铁发展水平及动向

球墨铸铁作为一种新型工程材料，已有很多年的历史， 全世界的球铁产量已从八十年代初的700万吨到2018年差不多将近3000万吨，进入21世纪以后，球铁产量的增长势头飞快，生产水平和铸件质量也有更大幅度提高，使球铁发展进入了一个新的阶段，其主要表现有：

（1）高品质球化剂的选用及新型球化工艺方法的应用^[1]

（2）高强度、高韧性球墨铸铁的生产^[2]

（3）新型球铁材质如奥氏体-贝氏体球铁的研制^[3]

（4）特大型球铁件的生产^[4]

（5）计算机辅助设计用于球铁生产^[5]

对于高强度高韧性球铁来说，目前珠光体型球铁的抗拉强度可达800MPa以上，延伸率为5％左右，而铁素体型球铁的延伸率可达12％，抗拉强度最高达到500—600MPa。采用变质剂、合金化配合余热正火处理，调整基体珠光体和铁素体含量比，细化珠光体层片间距，开发出了稳定抗拉强度大于800MPa，延伸率大于等于5％的铸态球墨铸铁件^[6]。总而言之，球铁机械性能的发展趋势是高强度和高韧性的统一，以适应更高的和多方面的需求。

二、铸态球墨铸铁生产概况

铸态球墨铸铁的生产是多年来国内外发展的主要趋势之一，勇于实际生产的铸态球铁，主要是指基体为珠光体或铁素体的球铁。传统的人处理工艺使球铁获得所需的基体组织和机械性能，对于能源日益紧张的发展无疑是十分不利的。生产每吨合格球铁件所消耗的能量为3000-7000千瓦/小时，比灰铸铁(1400-1600千瓦/小时）大得多，而且能量利用率低，因此，取消热处理工艺而直接在铸态下获得满足性能、组织要求的球铁生产，对节约能耗、降低成本，改善生产化解有着重要意义。同时，取消认出来，还可以提高铸件尺寸精度，避免由于热处理造成的变形、氧化、降低废品率，缩短生产周期，提高生产效益。

三、高强度高韧性球铁生产中的关键问题

1、采用高质量的原材料

铸造工作者都知道，用不同生铁炉料生产的球铁，质量差异很大，有的合格率达95％，有的仅有50～60％。因而在生产高质量球铁件时，炉料中应尽量配有高纯生铁，以熔制优质铁水。作为高纯生铁就是低锰、磷、硫、低微量元素，且含量稳定的生铁。

采用高纯生铁球铁，主要有以下几点好处：

（1）易于获得合格成分的铁水，如Mn＜0.3％；

（2）减少杂质元素的晶界偏析；

（3）由于微量元素含量少（一般总和＜0.1％），削弱了烦扰石墨球化和生成碳化物的作用；

（4）可显著提高性能,特别是塑韧性。

国外相当重视在球铁生产中配以高纯生铁。一般加入40～60%的高纯生铁。我国的高纯生铁产地不多，以本溪等地的生铁为佳，应加以合理利用。

2、化学成分的选择

化学成分的选择主要是控制C、Si、Mn、P、S的含量，一般认为它们的含量应分别为：Si=2.0～2.7%, Mn≤0.30%, P≤0.04%,S≤0.02%。对于控制铁水成分的精确度，国外可达到△C±0.05%,△Si±0.10%。

对于球铁的含硅量，过去一般认为珠光体球铁含Si量为2.0～2.4%左右，铁素体球铁合Si量为2.6～3.0%。但由于高强度高韧性珠光体—铁素体型球铁系列化的出现使珠光体含量和铁素体合量的比例产生了“中间状态”，加上其它因索(如合金化等)的影响，便产生了“一水多用”的可能性。当然，铁水的含Si量也可以稳定控制在一个范围内。

锰和磷显著恶化球铁的性能，特别是塑性和韧性，因而必须严格控制在规定范围内。磷、锰对铸态球铁QT800-2的性能影响可从下表1中看出。

表1 锰、磷含量变化对铸态球铁性能的影响

锰和磷对组织、性能的危害作用还可以从电镜动态观察球铁组织中显微裂纹的发展过程看出来。一般来说，球铁显微组织中出现微裂纹有下述五个过程:

（1）石墨球与周围基体脱离形成裂纹源

（2）基体内出现区域性塑性变形

（3）石墨球周围产生微裂纹

（4）微裂纹经基体连接形成较大裂纹

（5）较大裂纹与其裂纹前沿连接。

总之，裂纹起源于石墨球，然后经基体连接扩展起来。可是，经电镜动态观察不同加工过程中的高锰、磷球铁组织(含Mn0.65%，P0.082%)，发现其裂纹的产生和扩展不同于普通球铁，主要有两点^[7]：

（1）在高锰、磷球铁中，锰和磷的偏析组织(电子探针分析其成分为，Fe86.14%，P6.61%，Mn3.67%，Al3.24%，Ti0.34%)是主要的裂纹源；

（2）塑性强度很差的锰磷偏析组织是裂纹在基体内传播的桥粱，使裂纹在基体中极易扩展开来。

3、高温低硫原铁水

一般认为，高温低硫原铁水是获得高质量铸态球铁的关键之一。

原铁水出炉温度：1500℃左右。

熔炼方法:（1）低硫生铁，工频炉熔炼，可以保证原铁水硫含量在0.02%以下；

（2）冲天炉熔化的铁水，出炉后用转动包加入1.5%CaCO₂进行脱硫处理，硫量可低达0.01～0.02%，然后再进入感应电炉升温。也可以用其他脱硫方法，例如多孔塞气动脱硫法。

4、球化剂和球化处理

根据我国目前的国情,铸态球铁对球化剂的要求是：

（1）球化剂成分稳定,特别是镁和稀土；

（2）可用纯镁球化剂，也可用中镁（6～8%）低稀土（2～3%）的镁稀土硅铁合金。

经过长期的实践和试验证明，镁——稀土系列球化剂中镁含量高，反应过程中镁的气化和氧化烧损严重，起脱硫作用的元素减少，脱硫效果变差，使其韧性下降^[8]；

（3）球化处理方法目前国内仍以冲入法和转包法为主。国外一些工厂采用型内球化处理方法。

5、合金化

对于铸态珠光体型球墨铸铁，由于其质量、性能要求高，要考虑合金化的问题。有些高牌号的珠光体——铁素体型铸态球铁，如QT65-5、QT60-10等，也要采用合金化措施。

采用合金化生产球铁具有工艺简便、效果稳定，适应性强等优点。当然，也要考虑其合理性和经济性。

常用的合金元素有Cu、Ni、Su、Mn、Mo、Sn、Cr、V等。就生产铸态珠光体型球铁而言，一般采用Cu、Sn等合金元素。常见元素的特性见表2。

表2 元素特性对照表

通过合金化来生产铸态珠光体球铁的关键问题是选择合金元素及合适的用量，只有对一些常用的合金元索有其本的认识和了解，才能在应用中取得良好的效果。

铜：在一次结晶时有中等石墨化作用，降低白口倾向，其石墨化能力相当于硅的1/3。铜降低共析转变温度,稳定奥氏体。共析转变时，铜阻碍石墨化，促进珠光体的形成。铜可以细化珠光体和共晶团。

一般加入少量铜（<0.5%），强度、硬度急剧提高，延伸率有所下降。Cu>0.5%时，如再进一步增加铜含量，其强度提高不显著，但脆性增加；

铜在2%以下，对球化无显著影响，大于2%则使球形明显变坏，含钛时影响更剧烈。铈可以抵消铜的反球化作用；

铜可以提高球铁的疲劳强度。普通球铁正火时疲劳强度只有26 MP_a，加入0.5～0.8％的铜，疲劳强度可提高至29.4 MP_a，二次正火可提高至36 MP_a。

铜的加入量一般为0.5～1.0%，加入量高会引起塑韧性显著下降，甚至发生脆断。标准等级的球铁的性能范围可以简单地依靠调节铸态或热处理后的珠光体含量来达到。珠光体化元素，特别是铜和锡有助于在铸态条件下特别是在厚截面的铸件中获得全部或大部珠光体组织。铜和锡的加入量可分别为1.5%和0.1%左右。

镍：镍细化基体组织，提高组织均匀性，改善机械性能。镍稳定珠光体的作用比铜差。含镍4.8%时铸态得到细化的珠光体组织。少量镍（<1%）可以细化珠光体。镍促进珠光体的能力大约是铜的1/3。

镍促进石墨化的能力相当于硅的1/3,加入1%镍，有助于块状石墨的消除。同时镍也有利对降低共析转变的临界温度。镍亦属反偏析元素，含镍铸件凝固后，共晶团边界上的镍分布很少。当镍合量<2.0%时，对韧性几乎无影响。

锡：锡强烈促进珠光体化，单独加入0.1%就可得到全珠光体的球铁基体。一般认为Sn<0.1%时对石墨化没有干扰，而Sn>0.5%以后，则石墨出现畸变。

锡可以使球铁的抗拉强度、屈服强度、和硬度、有较大的提高;但使球铁的延伸率、下降，不过即使基体全部珠光体化，延伸率仍可达A >4%；锡也使球铁的冲击韧性R_p0.2/ MP_a值下降，但若球铁中Sn<0.05%，且低硅量，则冲击韧性下降较小。锡的偏析是球铁塑性下降的主要原因。

一般来讲，铜、镍、锡等合金元素在铸态珠光体球铁中的加入量范围为: Cu0.5～1.0%，Ni0.25～1.5%,Sn<0.1%。表3是对加入不同含量合金后铸态球铁机械性能比较。

表3加入不同含量合金后球铁机械性能比较

6、孕育工艺

球墨铸铁经过多年的生产实践，铸造生产者提出了“原材料是基础，孕育是关键”这个重要结论。有效的孕育处理可减少或消除铸态碳化物，增加石墨球数，提高球墨的圆整度和均匀度，从而大幅度地提高球铁的质量和性能。

提高孕育效果的途径有两种：一种途径是在孕育剂成分上进行优选，如复合孕育剂。据统计，目前世界上已有一千多种孕育剂。但应用最多、最广泛的还是75%Si-Fe合金；另一种途径是孕育方法的改进。孕育方法从包内前孕育发展到瞬时后孕育，使孕育衰退情况和机械性能大大改善。瞬时孕育又有许多方法，如随流孕育、孕育丝、型内孕育块等等。

下表为几种孕育方法的效果以及性能比较。

表4几种孕育方法的比较

表5孕育工艺对铸态QT800—2机械性能影响

近几年来，在大量生产中采用型内孕育块的型内孕育工艺发展很快。型内孕育作为后孕育处理的一种方法，因其方便、无环境污染、孕育效果好等优点而日益得到人们的重视。从七十年代开始，国内外已有很多铸造厂采用型内孕育工艺生产铸态球铁和高强度高韧性球铁。但是，从目前国内使用情况来看，孕育块主要是以石蜡和水玻璃作粘结剂。这种孕育块除保存性差外，还经常在铸件表面产生硬质点(简称亮点)。这些缺点阻碍了型内孕育工艺在国内铸造行业的进一步推广使用。

清华大学球墨铸铁课题组研制成功过TH-1型内孕育块^[9]，在一汽、上汽、二汽使用，取得较好的技术经济效果。这种孕育块具有以下特点:

(1) 室温强度高，表面光滑，不怕摔打和磨损，不吸潮、便于储存；

(2) 制作简单、方便，可制成任何所需的形状；

(3) 成本低，适于批量或单件生产；

(4) 可实现逐层熔化，不会产生“亮点”；

(5) 具有很强的孕育效果。

7.热处理

高强度高韧性系列中的较高牌号-般要经过热处理。 热处理工艺对球铁的组织、性能有很大影响。表12为不同热处理工艺对同一成分的球铁的性能的影响。表为不同正火温度对球铁性能的影响。

表6不同热处理工艺对性能的影响

  表7不同正火温度对性能的影响

四、结论

1.球墨铸铁的发展动向之一是高强度、高韧性球铁的生产和应用;

2.从球墨铸铁标准的不断提高可见我国球铁材质已接近国际水平;

3.铸态珠光体型和铁素体型球铁是目前最广泛用于实际生产的铸态球铁；

4.铸态球铁和高强度高韧性球铁生产中的关键问题是原材料质量、化学成分的选择、高温低硫原铁水、球化剂和球化处理、孕育剂和孕育处理、合金化和热处理工艺等。

参考文献

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   现代铸造.1990(1)：3-5