孕育處理對大斷面球鐵件力學(xué)性能和石墨形態(tài)的影響

周惦武，邵 斌，劉金水，蘇 華，李冬珍，代德利，胡國良，張 元

（1.武漢武重鑄鍛有限公司,湖北武漢 430205；2.湖南大學(xué)，湖南長沙 410082）

高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)是發(fā)展國家制造業(yè)的基礎(chǔ)，高檔數(shù)控機(jī)床裝備對鑄件有很高的要求，鑄鐵件的好壞，直接影響機(jī)床的質(zhì)量、壽命和精度保持性[1]。大斷面球鐵件是制造高檔數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件的常用鑄件，由于成形性能好、成本低，替代大型鑄鋼件具有明顯優(yōu)勢，但生產(chǎn)重復(fù)性差，爐前控制困難，鑄件金相組織、力學(xué)性能不能穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計要求，鑄件內(nèi)部易產(chǎn)生變異石墨、縮孔、縮松等缺陷。大斷面球鐵件縮孔、縮松缺陷的形成，其直接原因在于石墨化提供的膨脹量不足以補償液態(tài)和凝固收縮的總和量，提高碳含量、降低澆注溫度、改進(jìn)球化和孕育處理等均是利于減少鑄件縮孔、縮松缺陷的重要措施[2-6]，如鐵液中的碳以石墨形式析出，變異石墨少，且石墨球細(xì)小、均勻分散，則石墨的膨脹作用明顯，可有效補償液態(tài)和凝固收縮。由于孕育處理能引導(dǎo)熔融鐵液中石墨成形，改善石墨的形態(tài)和分布，是解決鑄件縮孔、縮松缺陷的技術(shù)關(guān)鍵，為此本文以實際生產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床某一關(guān)鍵零部件為例，基于金相組織、力學(xué)性能、拉伸斷口特征、石墨結(jié)晶核心及變異石墨形態(tài)的分析，研究了孕育處理對大斷面球鐵件力學(xué)性能和石墨形態(tài)的影響，期望為制定大斷面球鐵件鑄造工藝控制其組織和性能提供依據(jù)，為提高數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件產(chǎn)品的鑄造技術(shù)水平奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 孕育處理工藝分析

大斷面球鐵件冷卻速度緩慢，凝固時間長，易產(chǎn)生球化和孕育衰退，其中孕育衰退占主導(dǎo)地位，實際生產(chǎn)需采用多次孕育。由于小劑量隨流瞬時孕育時，低溫鐵液溶解吸收孕育劑的能力有限，而瞬時孕育劑的用量少，大斷面鑄件所需鐵液多，實際操作時，隨流加入難以均勻分散，往往在澆注的前半期就全部加入；提高澆注溫度，雖能促進(jìn)孕育劑吸收，但易造成液態(tài)收縮量增大，導(dǎo)致熔體中析出石墨易長大、破碎和漂浮。因此小劑量隨流瞬時孕育需針對鑄件充型、凝固，尤其鐵液充填速度的模擬計算，來合理匹配孕育劑的給料重量、顆粒度大小、給料速度、澆注溫度和鐵液充填速度之間的相互關(guān)系；將隨流瞬時孕育取消，生產(chǎn)中可帶來操作上的方便，但為達(dá)到隨流瞬時孕育效果，需采取鑄件所需鐵液石墨結(jié)晶核心減少的補救措施，如將隨流瞬時孕育條件下作為爐料的Si-Fe放到爐外加入，希望以爐外增Si方式發(fā)揮Si-Fe自身孕育作用；此外澆注時由于沒有瞬時孕育劑的加入，澆注溫度可適當(dāng)調(diào)低，充分利用石墨化的膨脹進(jìn)行自補縮，預(yù)防或減輕鑄件縮孔、縮松等缺陷，但降低澆注溫度，生產(chǎn)操作上易造成球化處理溫度降低，如采用珍珠巖集渣，由于降溫造成球化孕育處理不充分，實際鑄件易出現(xiàn)渣孔缺陷，為此合理制定孕育處理工藝是生產(chǎn)大斷面球鐵件的技術(shù)關(guān)鍵。

2 生產(chǎn)試驗與結(jié)果討論

2.1 試驗條件與方法

試驗爐料選用Q10生鐵和專用碳素廢鋼，選用江西龍釔生產(chǎn)的重稀土ZY-7和湖北楚峰生產(chǎn)的輕稀土3-7組成的混合稀土作球化劑，采用江西龍釔生產(chǎn)的YFY-1、YFY-8和湖北楚峰生產(chǎn)的SPI、BaSi組成含RE、Ba、Sb、Ca等元素的長效復(fù)合孕育劑，原材料的化學(xué)成分如表1所示。球化處理采用沖入法，球化劑用量1.5%；為對比研究孕育處理對球鐵件力學(xué)性能和石墨形態(tài)影響，采用了兩種孕育處理。隨流瞬時孕育條件下，球化處理溫度1460℃～1480℃，澆注溫度1330℃～1350℃；取消隨流瞬時孕育條件下，球化處理溫度1430℃～1440℃，澆注溫度1320℃～1330℃。兩種孕育處理方式，孕育劑的加入總量均為1.2%～1.3%。

熔煉設(shè)備為20t/h、8000kW中頻無芯感應(yīng)電爐。采用光譜和ICP等手段分析25mm的Y型單鑄和本體試塊的化學(xué)成分；采用光學(xué)金相顯微鏡觀察石墨形態(tài)、石墨球大小，對照圖譜分析球化率、F和P含量；利用電子掃描顯微鏡（SEM）觀察球鐵試樣的顯微組織特征、破碎狀石墨表面形貌，并用EDX能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析；利用微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)測試試樣抗拉強度與伸長率等力學(xué)性能。

2.2 試驗結(jié)果及分析

2.2.1 金相組織與力學(xué)性能分析

表1 原材料的化學(xué)成分（%）

不同爐次球鐵試塊的化學(xué)成分、金相組織與力學(xué)性能分別如表2和表3所示。從試驗結(jié)果來看，取消隨流瞬時孕育，采用電爐熔煉工藝生產(chǎn)大斷面球鐵件，球化等級與化學(xué)成分穩(wěn)定控制有關(guān)，抗拉強度、伸長率等力學(xué)性能與化學(xué)成分、基體組織相關(guān)。而隨流瞬時孕育條件下，本體試塊球化等級2～3級，個別4級，石墨大小穩(wěn)定控制在6級水平。與取消隨流瞬時孕育相比較，石墨大小穩(wěn)定控制在6級水平，表明隨流瞬時孕育條件下，孕育衰退作用減慢。進(jìn)一步分析（表3）發(fā)現(xiàn)隨流孕育條件下，球鐵本體試塊的抗拉強度和伸長率得到提高。

表2 球鐵的化學(xué)成分（%）

表3 球鐵試塊的金相組織與力學(xué)性能

2.2.2 拉伸斷口分析

取消隨流瞬時孕育條件下，試樣拉伸斷口存在脫落石墨球留下的孔洞及白色異性相，如圖1。對白色異性相進(jìn)行EDX分析，結(jié)果分別如圖2和表4。從表4顯示的成分分析來看，白色異性相Fe含量低，O 含量高，還含有少量的 Mg、Si、Ca、Y、Ce 等元素?？烧J(rèn)為白色異性相為含有Y、Ce等稀土元素的氧化物夾雜。

圖1 試樣拉伸斷口形貌

圖2 試樣EDX圖譜

表4 白色異性相的化學(xué)成分（原子分?jǐn)?shù)，%）

隨流瞬時孕育條件下，試樣拉伸斷口存在很多凸凹不平的圓球和韌窩，沒有發(fā)現(xiàn)白色異性相（圖3）。通常解離臺階的形成是由于在解理的中間部位存在某種雜質(zhì)，在雜質(zhì)的尖角處形成微裂紋源，微裂紋尖端的應(yīng)力集中使該裂紋源迅速擴(kuò)展，從而造成局部穿晶斷裂。在取消隨流瞬時孕育條件下，可能含Y、Ce等稀土的氧化物夾雜的存在造成了穿晶斷裂，而隨流瞬時孕育條件下，Y、Ce等稀土的氧化物夾雜含量減少，對試樣造成穿晶斷裂傾向小，因而本體試塊的力學(xué)性能提高。

圖3 試樣拉伸斷口形貌

2.2.3 本體試塊石墨核心分析

圖4 試樣41的EDX圖譜

圖4為隨流瞬時孕育條件下石墨球化等級2級試樣的SEM照片。發(fā)現(xiàn)石墨中心存在很多白亮物質(zhì)，對白亮物質(zhì)取不同位置進(jìn)行EDX分析，結(jié)果分別如圖 4.b、4.d、4.f 和表 5。

表5 白亮物質(zhì)的化學(xué)成分（原子分?jǐn)?shù)，%）

圖5為隨流瞬時孕育條件下石墨球化等級3級試樣的SEM照片，發(fā)現(xiàn)石墨中心存在白亮物質(zhì)，對其進(jìn)行EDX分析，結(jié)果如圖5和表6。

圖5 試樣4911的EDX圖譜

表6 白亮物質(zhì)的化學(xué)成分（原子分?jǐn)?shù)，%）

圖6為隨流瞬時孕育條件下石墨球化等級4級試樣的SEM照片。發(fā)現(xiàn)石墨中心存在白亮物質(zhì)，對白亮物質(zhì)不同位置進(jìn)行EDX分析，結(jié)果如圖6.b、6.d和表7。

分析表5～表7的檢測結(jié)果，如表8。發(fā)現(xiàn)隨流瞬時孕育條件下，與采用SPI作瞬時孕育劑相比，采用YFY-1A，試樣Y的平均含量高，Sb的平均含量少，由于Sb是反球化元素，而Y氧化生成氧化釔，石墨以Y2O3為核心進(jìn)行形核和生長，在鐵液中殘存時間長，起到有效核心作用。因此，采用YFY-1A作瞬時孕育劑，獲得良好石墨形態(tài)，石墨衰退能力強，試樣球化等級高，石墨球大小穩(wěn)定。

圖6 試樣302的EDX圖譜

表7 白亮物質(zhì)的化學(xué)成分（原子分?jǐn)?shù)，%）

表8 白亮物質(zhì)的化學(xué)成分（原子分?jǐn)?shù)，%）

2.2.4 本體試塊變異石墨分析

鑄件本體試樣82心部破碎石墨如圖7，發(fā)現(xiàn)破碎石墨邊界和周圍存在很多雜亂無章分布的夾雜物，對不同位置夾雜物進(jìn)行EDX分析，結(jié)果分別如圖 7.b、7.d、7.f 和表 9。

鑄件本體試樣249心部破碎石墨如圖8，發(fā)現(xiàn)在破碎石墨邊界和周圍存在很多雜亂無章分布的夾雜物，對不同位置夾雜物進(jìn)行EDX分析，結(jié)果分別如圖 8.b、8.d、8.f 和表 10。

圖7 試樣82的 EDX圖譜

表9 變異石墨邊界夾雜物的化學(xué)成分（原子分?jǐn)?shù)，%）

鑄件本體試樣302心部破碎石墨如圖9，發(fā)現(xiàn)在破碎石墨邊界和周圍存在很多雜亂無章分布的夾雜物，對不同位置夾雜物進(jìn)行EDX分析，結(jié)果分別如圖 9.b、9.d、9.f和表 11 所示。

分析表9～表11的檢測結(jié)果，如表12。發(fā)現(xiàn)隨流瞬時孕育條件下，采用YFY-1A作瞬時孕育劑，試樣含有 Mg、Ca、Ba、Y、La、Ce 等球化元素，Sb、Ti反球化元素以及Cu、Ti偏析元素。其中O平均含量高，O含量高易導(dǎo)致球化元素氧化，氧化物富集在晶界，破壞了奧氏體殼的穩(wěn)定性，是石墨產(chǎn)生變異的主要原因。采用SPI作瞬時孕育劑，試樣同樣也含有Mg、Ca、Ba、Y、La、Ce 等球化元素，Sb、Ti反球化元素以及Cu、Ti偏析元素，但Sb、Ti反球化元素以及Cu、Ti偏析元素的含量高于YFY-1A作瞬時孕育劑處理的試樣。由于Sb、Ti元素在石墨與鐵液之間形成界面層，通過成分過冷方式影響球狀石墨的生長，Mg不能清除O、S（注：SPI作瞬時孕育劑，試樣S平均含量高），因此導(dǎo)致石墨形態(tài)發(fā)生了變異。

圖8 試樣249 EDX圖譜

表10 變異石墨邊界夾雜物的化學(xué)成分（原子分?jǐn)?shù)，%）

圖9 試樣302的EDX圖譜

表11 變異石墨邊界夾雜物的化學(xué)成分（原子分?jǐn)?shù)，%）

3 結(jié)論

（1）采用電爐熔煉工藝生產(chǎn)大斷面球鐵件，隨流瞬時孕育條件下，孕育衰退作用減慢，本體試塊球化等級2～3級，石墨大小穩(wěn)定在6級水平，抗拉強度和伸長率提高；

表12 變異石墨夾雜物的化學(xué)成分（原子分?jǐn)?shù)，%）

（2）隨流瞬時孕育條件下，與采用SPI作瞬時孕育劑相比，采用YFY-1A，試樣Y平均含量高，Sb平均含量少。由于Sb是反球化元素，而Y氧化生成氧化釔，石墨以Y2O3為核心進(jìn)行形核和生長，在鐵液中的殘存時間長，起到有效核心作用，石墨形態(tài)良好，抗石墨衰退能力強，試樣球化等級高，石墨球大小穩(wěn)定；

（3）隨流瞬時孕育條件下，YFY-1A作瞬時孕育劑，石墨發(fā)生變異的主要原因在于試樣O含量高，導(dǎo)致球化元素氧化，富集在晶界的氧化物破壞了奧氏體殼的穩(wěn)定性；而SPI作瞬時孕育劑，試樣Sb、Ti反球化元素以及Cu、Ti偏析元素含量高，由于Sb、Ti元素在石墨與鐵液之間形成界面層，通過成分過冷方式影響球狀石墨生長，Mg不能清除O、S，因此導(dǎo)致石墨形態(tài)發(fā)生了變異。

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