喂線球化生產(chǎn)薄壁球鐵排氣管研究與應(yīng)用

張壽濤

(哈爾濱東安動(dòng)力股份有限公司，哈爾濱 150060)

1 緒論

1.1 球墨鑄鐵排氣管的應(yīng)用現(xiàn)狀

排氣管是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件,其工作狀態(tài)較惡劣,工作時(shí),由于尾氣產(chǎn)生的熱量,其自身溫度可達(dá)500℃左右,若材質(zhì)不好,會(huì)出現(xiàn)裂紋,所以對(duì)其材質(zhì)要求較高。目前世界上1.0升以上汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的排氣管都使用鐵素體基的球墨鑄鐵,由于球墨鑄鐵中的球狀石墨彼此分離,與片狀石墨鑄鐵相比阻礙了高溫下氧的擴(kuò)散,因此球墨鑄鐵的抗氧化性和抗生長(zhǎng)性優(yōu)于灰鑄鐵,也優(yōu)于可鍛鑄鐵。并且鐵素體球墨鑄鐵的高溫抗生長(zhǎng)性優(yōu)于珠光體球墨鑄鐵。所以排氣管的化學(xué)成分的選定、球化和孕育處理方法，對(duì)其組織和使用性能影響較大。另外由于排氣管在發(fā)動(dòng)機(jī)的位置和作用決定了排氣管的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，排氣管一般是四個(gè)排氣道，外形根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)變化，從鑄造角度上，其出模困難，都需要兩個(gè)內(nèi)腔管芯組合及一個(gè)外皮芯，才能出模。目前多數(shù)排氣管都是用砂型鑄造，水平分型，國(guó)內(nèi)的河南西峽排氣管廠，天津新偉祥鑄造廠等都是水平分型，由于排氣管的芯子多，并且是組合芯，所以芯子定位較關(guān)鍵，水平分型相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)芯子的定位有好處，東安發(fā)動(dòng)機(jī)公司鍛鑄廠是采用DISA無(wú)箱垂直分型砂型鑄造，此生產(chǎn)線相對(duì)芯子的定位上較水平分型的較難控制。

1.2 排氣管的組織要求

圖1為其金相組織的標(biāo)準(zhǔn)照片金相組織要求:球化率>90%,鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤90%,石墨尺寸:最大≤80um,平均≤60um,滲碳體≤5%。性能要求；抗拉強(qiáng)度≥450Mpa，延伸率≥10%。硬度要求HB163-229。

圖1 顯微組織要求

1.3 排氣管的鑄造工藝簡(jiǎn)介

1.3.1 材質(zhì)

材料牌號(hào)：QT450-10；化學(xué)成分(%)：C3.4-3.9 Si2.2-2.5 Mn0.2-0.4 P≤0.05 S≤0.02 Mg0.025-0.05。

1.3.2 工藝方法

采用三個(gè)砂芯，兩個(gè)管芯組合，及一個(gè)外皮芯。具體結(jié)構(gòu)如圖2示：

圖2 排氣管型芯及外形

1.3.3 現(xiàn)有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

1.3.3.1 熔化設(shè)備 采用5t中頻感應(yīng)電爐熔化。配料為1 500～2 500kg廢鋼、3 500-2 500kg回爐料及60～100kg增碳劑。1 540～1 560℃時(shí)進(jìn)行清渣保溫10min,出鐵溫度為1 520～1 570℃(根據(jù)澆注溫度調(diào)整)。

1.3.3.2 球化處理方法

1.喂絲法 把高鎂合金包芯線用喂線機(jī)加入球化包內(nèi)，進(jìn)行球化處理。采用的高鎂合金包芯為Ф13mm(外皮厚0.35mm)的30 Mg線。喂絲速度25m/min；喂入長(zhǎng)度20m,成分見(jiàn)表1。

表1 包芯線的技術(shù)參數(shù)表

1.3.3.3 造型 DISA線垂直分型無(wú)箱造型、砂型硬度≥60°型板尺寸600×480型號(hào)為DISA2013LP。

1.3.3.4 配砂 采用德國(guó)愛(ài)立許混砂機(jī),每碾子混砂1.2噸,采用質(zhì)量師在線檢測(cè)及化驗(yàn)室檢測(cè)雙重方法。主要檢測(cè)型砂的濕壓強(qiáng)度、水份、緊實(shí)率、膨潤(rùn)土含量、及灰份含量、砂溫及型砂的發(fā)氣性。

1.3.3.5 孕育處理 采用兩次孕育的方法。一次孕育在球化包內(nèi)加入，加入量為4～6kg,占鐵水重的0.5%～0.8%，二次孕育在澆注時(shí)隨流孕育,加入量為0.1%～0.3%。

1.3.3.6 澆注 使用1.2噸氣壓澆注機(jī)，澆注機(jī)內(nèi)采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，澆注溫度為1380℃～1430℃，澆注速度：10～14s。

1.4 鑄鐵排氣管常見(jiàn)問(wèn)題

1.4.1 球化不良和球化衰退

球化不良指球化處理末達(dá)到球化等級(jí)要求。球化衰退指澆注后期的鑄件球化元素殘留量過(guò)低引起球化不合格。宏觀特征：鑄件斷口為銀灰色基體上分布著芝麻狀黑色斑點(diǎn)，其數(shù)量多，直徑大，表明程度嚴(yán)重。全部呈暗灰色粗晶粒，表明完全不球化。金相組織：集中分布大量厚片狀石墨，其數(shù)量越多，面積率增加，表明程度越嚴(yán)重。完全不球化者呈片狀石墨。

1.4.2 夾渣

形貌特征：分布于鑄件澆注位置上表面，型芯的下面及鑄件的死角處，破斷面上顯現(xiàn)暗黑色無(wú)光澤深淺不一的夾雜物，斷續(xù)分布。金相觀察可見(jiàn)條狀，塊狀?yuàn)A雜物，鄰近的石墨可呈片狀或球狀.磁粉控傷時(shí)磁痕呈條狀分布,條紋多而粗,堆積密表明夾渣嚴(yán)重。球化處理時(shí)Mg、RE與鐵液中的O、S反應(yīng)形成渣.當(dāng)鐵液溫度低、稀渣劑效果不好,渣上浮不充分或扒渣不凈而殘留于鐵液中,此為一次渣。鐵液在運(yùn)輸、倒包、澆注、充型時(shí)氧化膜破碎并被卷入鑄型，在型內(nèi)上浮吸咐硫化物聚集于上表面或死角處，此為二次渣。一般以二次渣為主。

1.4.3 鑄件的組織有碳化物

鑄件生產(chǎn)時(shí),在落砂后到磷板機(jī)處,鑄件出現(xiàn)脆斷的現(xiàn)象,斷口為白口，觀察其金相組織以滲碳體為主，金相組織見(jiàn)圖6。

圖6 斷口上的白口組織

2 468排氣管喂線法球化處理工藝優(yōu)化

2.1 配料與熔化優(yōu)化

我們對(duì)配料進(jìn)行了優(yōu)化，選用了兩種配料工藝，見(jiàn)表2、表3。表2為采用喂線法回爐料多時(shí)使用，表3為喂線法生產(chǎn)正?；瘯r(shí)使用回爐料穩(wěn)定。為了解決熔化保溫對(duì)碳燒損及白口的影響，采用出鐵增碳的方法，每出一包鐵水爐內(nèi)增碳0.015%，以保證原鐵水的重新形核及碳含量。

表2 喂線法熔化爐配料1(kg)

表3 喂線法熔化爐配料2(kg)

2.2 包芯線的質(zhì)量改進(jìn)

按原工藝，經(jīng)計(jì)算可知：每600kg鐵水加入10m高鎂合金包芯線，可使鐵水中稀土含量增加0.0075%～0.0105%，這無(wú)疑有點(diǎn)高，鑒于回爐料中稀土量高平均達(dá)0.02%～0.03%，因此應(yīng)降低高鎂合金包芯線中稀土量。為了保證鐵水的稀土含量為0.01%～0.02%，我們選用了低稀土量的高鎂合金包芯線，要求包芯線含稀土量1.0%～1.5%，這樣使得鐵水中稀土含量增加最大為0.0045%。當(dāng)稀土含量低時(shí)，采用1號(hào)稀土硅鐵以孕育的方式加入。同時(shí)對(duì)包芯線的其他參數(shù)進(jìn)行要求。改進(jìn)后的包芯線的參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 改進(jìn)后的包芯線的參數(shù)

包芯線的制作質(zhì)量對(duì)處理結(jié)果的好壞有很重要的影響。如果包芯線的粉芯量不均衡(即單位線長(zhǎng)的粉芯量忽多忽少)，不僅會(huì)影響加鎂量的精確計(jì)量；而且更嚴(yán)重的是會(huì)造成喂線速度的忽快忽慢，從而因不能使包芯線一直在包底附近熔化而使鎂的收得率大為下降；另外，在相同加入長(zhǎng)度的條件下，若線的質(zhì)量不好，則鎂的加入量發(fā)生變化，必然導(dǎo)致殘鎂量變化。因此，對(duì)包芯線的質(zhì)量要嚴(yán)格檢驗(yàn)。

2.3 澆包大小的選擇

澆包大小與衰退時(shí)間及澆注速度、鐵水停留時(shí)間有關(guān)[29]。在澆注排氣管等重量小壁薄件時(shí)，澆注時(shí)間長(zhǎng)，澆注機(jī)內(nèi)鐵水駐留時(shí)間長(zhǎng)，球化孕育衰退嚴(yán)重。

澆包的大于對(duì)球化的效果影響也較大，鐵水包過(guò)大鐵水停留的時(shí)間長(zhǎng)，球化衰退嚴(yán)重，澆包過(guò)小，球化的效果不好。

為了提高鎂的作用效果，在處理包的設(shè)計(jì)上應(yīng)使高徑比(H/D)盡量大些，因?yàn)橄嗤莘e的處理包，裝入鐵液時(shí)高徑比(H/D)越大，則其溶池就越深，鐵液的靜壓頭越高，這樣在喂線處理時(shí)鎂蒸氣析出的就慢些，從而延長(zhǎng)了鎂與鐵液的作用時(shí)間，達(dá)到較好的處理效果。

在生產(chǎn)條件下，曾用三包鐵水專門(mén)做了球化衰退試驗(yàn)，用每隔5min從經(jīng)過(guò)球化處理的鐵水中取一鐵水樣進(jìn)行光譜分析的方法，測(cè)定其殘鎂含量隨時(shí)間的變化情況。

(1)處理溫度： 1 480～1 500℃,鐵水重量≈900kg

(2)原鐵水成分：見(jiàn)表5

(3)球化孕育：孕育劑為75SiFe，粒度4-10mm。具體見(jiàn)表6。

表5 衰退試驗(yàn)的原鐵水成分(%)

表6 球化孕育處理工藝參數(shù)

(4)測(cè)定結(jié)果列在表7。

表7 衰退試驗(yàn)結(jié)果

由上表可以看出：用高鎂合金包芯線處理過(guò)的鐵水在15min內(nèi)，衰退后的鎂符合使用的要求；但是10min以后孕育衰退嚴(yán)重，二次孕育后澆注的鑄件硬度高，白口現(xiàn)象出現(xiàn)，鑄件無(wú)法使用。因此，球化處理后鐵水的量必須在10min內(nèi)澆注完畢。

468排氣管的吃水量每型為14～20kg(計(jì)算值)，每15s澆注一型，10min內(nèi)澆注30型，澆注鐵水量500～580kg。由于澆注時(shí)的溢流損失，實(shí)際10min內(nèi)澆注鐵水量可達(dá)550-600kg。因此，我們選擇所球化處理的原鐵水的量為：600kg。

喂線球化處理需要一定的反應(yīng)空間，約為鐵水所占體積的20%～30%，因此，我們選擇800kg的標(biāo)準(zhǔn)球化包，注入原鐵水550～600kg進(jìn)行球化處理。喂線球化處理包尺寸為：直徑450mm(平均直徑)，高900mm，高徑比2∶1。

2.4 喂線速度優(yōu)化選擇

根據(jù)包芯線熔化機(jī)理及實(shí)踐證實(shí)，影響喂線速度主要因素是處理包的尺寸(高徑比)和待處理鐵水的重量(更確切一點(diǎn)說(shuō)是鐵水的深度)，但鐵水處理溫度對(duì)殘余鎂影響很大。

根據(jù)喂線速度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

V=(8/Dx-0.3)Q

(1)

式中Dx—鐵水處理包裝有鐵水部位的真實(shí)平均直徑，m；

Q—鐵水的重量，t；

V—喂線速度，m/min

上面已知：Dx=0.45；Q=0.6；計(jì)算得V=10.5m/min

為了進(jìn)一步優(yōu)化喂線速度，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

鐵水成分和出爐溫度基本不變，喂線長(zhǎng)度保持固定(12m)的情況下，改變喂線速度所取得的結(jié)果如表8所列：

表8 不同喂線速度下的處理結(jié)果

注：鎂的收得率的計(jì)算公式為：

(2)

式中Q—鐵水重量，kg；

WMg殘—球化處理后鐵水中的殘余鎂量，wt.%；

q—包芯線單位長(zhǎng)度的含鎂重量，合金成分(g/m)；

△S—處理前后鐵水的含硫量變化，wt.%；

L—喂入的包芯線長(zhǎng)度，m

由以上的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在包芯線喂入量以及其它條件基本不變的情況下，改變喂線速度對(duì)處理效果有較大的影響。在試驗(yàn)所用鐵水處理包尺寸的條件下，喂線速度在10～15m/min時(shí)可獲得最高的鎂的收得率。這也說(shuō)明在此速度下，包芯線是在處理包的最深處開(kāi)始熔化的。

由于喂線機(jī)在使用的過(guò)程中，喂線速度有慢速波動(dòng)，因此，喂線速度選定為：12m/min；實(shí)際操作中為：10～15m/min。

2.5 球化處理溫度的確定

球化處理溫度對(duì)鎂的收得率、加入量和白口傾向等均有影響。

現(xiàn)將鐵水量設(shè)定600kg，喂線速度10～15m/min，喂線長(zhǎng)度12m，球化處理溫度在1420～1550℃之間變化。所得結(jié)果如表9所列。從該表中可以看出，鎂收得率將隨著處理溫度升高而下降，處理溫度升高式樣白口增大。

表9 不同處理溫度下的鐵水處理結(jié)果

考慮澆注溫度及澆注爐的影響，選擇的處理溫度為1480～1500℃。

2.6 喂線加入量選擇

包芯線喂入量的不同，對(duì)殘鎂含量、殘硫含量、鎂的收得率以及處理溫降都有一定的影響，同時(shí)包芯線喂入量的多少也影響處理后的鐵水的白口傾向、孕育衰退。包芯線喂入量影響白口傾向試驗(yàn)時(shí)是將鐵水量設(shè)定為600kg，喂線速度為12m/min，處理溫度為1480～1490℃之間變化，喂線長(zhǎng)度在5～12m之間變化。所得結(jié)果如表10所列。從該表中可以看出，加入量越大，白口傾向越大。

表10 不同加入量對(duì)白口的影響

在其它條件不變的情況下，隨著包芯線喂入長(zhǎng)度的增加，鐵水的殘余鎂量隨之增加，鐵水殘硫量隨之減少，脫硫率也相應(yīng)地增加，但鎂的收得率變化不大；當(dāng)喂入長(zhǎng)度增加到一定長(zhǎng)度后再繼續(xù)增加，則殘鎂量增加很少，鎂的收得率非常低。這主要是因?yàn)椋弘S著溶解在鐵水中的鎂不斷增加，鐵水能繼續(xù)溶入的鎂量將減少，鎂的收得率變低，這必然導(dǎo)致所增加的鎂量將大部分被燒損氧化，從而導(dǎo)致殘鎂增加量低、鎂的收得率小。因此，為節(jié)約成本，應(yīng)盡量減少包芯線的喂入量。

高鎂合金包芯線對(duì)鐵水進(jìn)行球化處理，加入鐵水中的鎂，一部分用于脫硫；一部分被氧化燒損。

脫硫所消耗的鎂量、稀土量依據(jù)反應(yīng)式：

Mg+FeS(液)=MgS(固)+Fe(液)

RE+FeS(液)=RES(固)+Fe(液)

由這個(gè)反應(yīng)式可以算出：WMg脫S=0.76(WS原-WS終)=0.76△S

式中 0.76—是Mg與S原子量之比：24.32/32.06=0.76；

WS原—處理前鐵水含硫量，wt.%；

WS終—球化處理后鐵水含硫量，wt.%；

△S—處理前后鐵水的含硫量變化，wt.%

這樣即可求得包芯線的加入量：

(3)

式中Q—鐵水重量，kg；

η—Mg的收得率，一般取36%；

WMg殘—球化處理后鐵水中的殘余鎂量，wt.%；

q—包芯線單位長(zhǎng)度的含鎂重量，合金成分(g/m)

這樣在處理前已知：△S、WMg殘、q及鐵水重量Q的前提下，即可確定在對(duì)鐵水進(jìn)行球化脫硫處理時(shí)所需的包芯線的喂入長(zhǎng)度。對(duì)于上式中的△S和殘鎂量，在計(jì)算中不能隨意確定其值，因?yàn)殍F水中的硫并不是想脫多少就能脫多少的。它與鐵水原硫量及溶解于鐵水中的鎂量有關(guān)，若鐵水原硫量及鐵水中的溶解鎂量較高，則△S可設(shè)置大些。相反，則應(yīng)設(shè)得小些。

原鐵水的含硫量一般在0.010%～0.015%，殘鎂量要求在0.04%～0.05%。喂線處理后硫脫到0.007%左右，殘鎂量達(dá)到0.04%～0.05%。因此可計(jì)算得加入量的范圍為：8～10m。

在鐵水成分和溫度基本保持不變，喂線速度設(shè)定在12m/min的條件下，改變包芯線的喂入長(zhǎng)度所取得的結(jié)果如表11所列。由表中可以看出：在喂線速度不變的情況下，隨著包芯線喂入量的增加，殘鎂量將逐漸增大，殘硫量逐漸減少，當(dāng)喂線長(zhǎng)度增加到一定長(zhǎng)度后，隨著其長(zhǎng)度的增加，殘鎂量和殘硫量變化不大，鎂的收得率將隨之下降。這主要是與鎂在鐵水中的溶解度有限引起的。由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，在此條件下，喂線長(zhǎng)度為8～12m是比較合適的，而且金相組織符合技術(shù)要求。

表11 殘鎂量與不同芯線加入量的關(guān)系

2.7 包蓋密封及入射角對(duì)處理結(jié)果的影響

在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，喂線機(jī)包蓋密封對(duì)鎂的收得率影響很大。包蓋密封不好，造成鐵水發(fā)生強(qiáng)烈噴濺時(shí)將使鎂的收得率降低30%，增加了包芯線的加入量，更為嚴(yán)重的是容易導(dǎo)致鑄件白口。為了保證處理包的密封，我們用橡皮泥打制包蓋，每周更換，保證了鎂的收得率的穩(wěn)定。

如果不合適或?qū)Ч軟](méi)有足夠長(zhǎng)的直線段去克服其彎曲段對(duì)包芯線的預(yù)彎成型，這樣，就會(huì)使包芯線剛進(jìn)入鐵水時(shí)，就在鐵水的黏性和浮力的促使下，立即刺向包壁，并將高鎂合金釋放到處理包上部的鐵水中。因此保證包芯線的入射角與鐵水液面呈90度進(jìn)入具有很重要的作用。

2.8 喂線球化孕育處理工藝參數(shù)的確定

球化孕育處理工藝參數(shù)包括球化處理溫度、芯線加入量、喂線速度、殘鎂量、孕育劑加入量。由上所述球化處理溫度由澆注溫度和后置處理因素共同決定，選定為：1 480～1 500℃。喂線速度根據(jù)公式及實(shí)驗(yàn)得為12m/min。殘鎂量按照包內(nèi)的殘鎂量高于出鐵槽的0.015%。孕育采用三次孕育，芯線加入量實(shí)驗(yàn)確定為600kg鐵水10～12m。球化孕育處理工藝參數(shù)見(jiàn)表12。

表12 球化孕育處理工藝參數(shù)

2.9 小結(jié)

(1)用喂線技術(shù)進(jìn)行球化處理，孕育衰退比球化衰退更嚴(yán)重，因此在這種條件下，孕育衰退決定了澆注時(shí)間和澆包的大小及處理鐵水的重量。喂線的加入量對(duì)處理后的鐵水的白口傾向、孕育衰退有著重大影響，加入量越大，白口傾向越大，孕育衰退越嚴(yán)重。

(2)最佳芯線加入量為每600kg鐵水加入10-12m高鎂合金包芯線；最佳喂線速度為12m/min；每包澆注時(shí)間小于8min。

(3)通過(guò)對(duì)喂線法球化處理在工藝優(yōu)化控制，大大提高了排氣管的質(zhì)量，排氣管的合格率達(dá)到了90%以上。

3 鑄件的缺陷分析及解決措施

3.1 夾渣缺陷

3.1.1 原因分析

在X光檢測(cè)及機(jī)加過(guò)程中可發(fā)現(xiàn)夾渣，在靠近內(nèi)澆道處及砂芯下面出現(xiàn)了不規(guī)則渣孔。夾渣部位的共同特點(diǎn)是：都是鐵水充型的死角，該處渣子不易上浮。渣子的主要來(lái)源是球化處理時(shí)，鎂、稀土與鐵水中的O、S反應(yīng)形成的氧化物、硫化物。在澆注時(shí)這些氧化物、硫化物充入鑄型型腔形成夾渣。

3.1.2 解決措施

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，擋渣能力不足，在澆注系統(tǒng)中沒(méi)有采取集渣措施，結(jié)果造成渣子直接流入型腔。夾渣主要分布在鑄件的上分型面上，表面呈現(xiàn)暗黑色無(wú)光澤深淺不一的孔，有的表面上可以看出，有的只有在加工后才能發(fā)現(xiàn)。為此采取以下措施:

(1)改進(jìn)了原材料的爐料配比。將回爐料進(jìn)行拋丸處理,爐料采用1tQ10(本溪)生鐵+1t廢鋼+28KgC+3t回爐料的方法進(jìn)行熔化。

(2)鐵水熔化時(shí)爐內(nèi)進(jìn)行高溫保溫，保溫溫度為1 550～1 570℃保溫10min，打凈爐內(nèi)的渣子，從而凈化鐵水保證鐵水的純度。

(3)改進(jìn)澆口杯，采用新形式的澆口杯，加入過(guò)濾網(wǎng)，利用這種形式的澆口杯，可以防止由于溫度降低而形成的二次熔渣進(jìn)入鑄型內(nèi)，避免鐵水二次夾渣進(jìn)入鑄件內(nèi)部。

(4)提高澆注溫度,根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況及設(shè)備的最大功率,將澆注溫度定為1 385℃～1 420℃，防止二次夾渣的產(chǎn)生。

(5)增設(shè)冒口,在排氣管頭部設(shè)置冒口，一方面起到集渣作用，另一方面為型腔的鐵水提供靜壓力，具有補(bǔ)縮作用。把原來(lái)的封閉式澆注系統(tǒng)改為半封閉半開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，以保證鑄件的型腔首先充滿后，鐵水再由過(guò)熱澆道進(jìn)入冒口，形成冒口過(guò)熱。這樣避免了鐵水自內(nèi)澆口及冒口同時(shí)充入鑄件型腔，形成對(duì)流。

(6)鐵水在進(jìn)入澆注機(jī)前扒渣要徹底。減少由于球化反應(yīng)出現(xiàn)的熔渣進(jìn)行鑄型內(nèi)。

3.2 鑄件脆性缺陷

3.2.1 硫和稀土的作用與分析

硫具有表面活性，它在鐵水中具有以下作用：在石墨晶體表面上選擇吸附，大大降低鐵水，石墨(1010)晶面間的界面能；吸附在螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)的臺(tái)階出口處，阻止了石墨球的螺旋位錯(cuò)方式，消耗球化劑，降低球化元素在鐵水中的殘留量；與鎂、稀土反應(yīng)生成大量硫化物，有加快球化衰退速度和生成夾渣、氣孔等缺陷。當(dāng)硫量大于0.025%時(shí)，嚴(yán)重影響鐵水球化。

根據(jù)鑄鐵結(jié)晶理論，在一般熔煉條件下的非高純鑄鐵中，石墨的形核主要為非均質(zhì)形核，稀土、鎂、鈣、等與硫化合形成的硫化物可作為石墨的非均質(zhì)核心，所以硫含量能增加石墨球數(shù)。另外硫還有降低鐵液中石墨溶解度的作用。含硫量高將使鐵液中預(yù)存的和孕育過(guò)程中因濃度、溫度起伏產(chǎn)生的石墨結(jié)晶核保留較長(zhǎng)的時(shí)間，著也有利于石墨球數(shù)的增加，從而能加快按鐵——石墨凝固的速度，所以含硫量白口傾向減小。

少量稀土增加作為石墨結(jié)晶核心的稀土硫化物顆粒數(shù)，而增加石墨球數(shù)減少白口傾向；由于稀土又具有激冷傾向的元素，所以當(dāng)稀土超過(guò)與硫結(jié)合所需要的量后，石墨球數(shù)反而減少，白口傾向增加，所以在一定的硫量下，存在一最佳的稀土量。當(dāng)鐵液含硫量高時(shí)，與硫反應(yīng)平衡所需要的稀土量就要高一些，所以隨原鐵液含硫量增加，獲得最多的石墨數(shù)和最少的碳化物所需要的稀土量也高一些。

硫及稀土對(duì)薄壁試樣的石墨球數(shù)和碳化物影響顯著，而對(duì)于厚壁試樣影響不明顯是由于石墨的形核率有冷卻速度和可作為石墨結(jié)晶的異質(zhì)核心時(shí)，冷卻速度快，石墨形核數(shù)量多，石墨球數(shù)就多，因此，對(duì)于冷卻速度快的薄壁處需要有更多的可作為石墨結(jié)晶核心的夾雜物。硫及稀土影響可作為石墨結(jié)晶核心的夾雜物數(shù)量，因而硫和稀土對(duì)薄壁處石墨球數(shù)的影響顯著。相比之下，對(duì)于冷卻速度慢一些的厚壁處，能作為石墨結(jié)晶核心的夾雜物數(shù)量少，表現(xiàn)出硫與稀土產(chǎn)生的大量夾雜物未起到石墨結(jié)晶核心的作用，而對(duì)石墨數(shù)的影響不大。生產(chǎn)薄壁鑄態(tài)球墨鑄鐵時(shí)，保持原鐵液中有一定的硫量對(duì)于防止白口是有益的。

稀土含量高時(shí)，又使碳化物增加；原鐵水含硫量對(duì)稀土的作用有影響；使碳化物最少的稀土量隨原鐵水含硫量增加，且隨原鐵水含硫量的增加，稀土的作用減弱。一般認(rèn)為，稀土與硫、氧等元素有很大的親合力，在鐵水中稀土與硫和氧結(jié)合形成稀土碳化物和稀土氧化物。稀土硫化物和稀土氧化物的懸浮于鐵水中，在結(jié)晶時(shí)成為石墨的非均質(zhì)核心，從而能增加石墨球數(shù)。少量稀土增加球鐵中硫的殘留量，也進(jìn)一步說(shuō)明稀土與硫結(jié)合成化合物，作為石墨結(jié)晶核心的可能性。由于稀土又是具有激冷傾向的元素，所以當(dāng)稀土超過(guò)一定數(shù)量后石墨球數(shù)反而減少，碳化物含量增加。

當(dāng)鐵水含硫量高時(shí)，與其平衡所需要的稀土量就要高一些，所以隨原鐵水含硫量增加，獲得最多的石墨球數(shù)和減少的碳化物所需要的稀土量也高一些，含硫量高時(shí)，碳化物數(shù)量也多，可作為石墨結(jié)晶異質(zhì)核心的數(shù)

3.3 冒口處縮松缺陷

把原來(lái)的封閉式澆注系統(tǒng)改為半封閉半開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，以保證鑄件的型腔首先充滿后，鐵水再由過(guò)熱澆道進(jìn)入冒口，形成冒口過(guò)熱。這樣避免了鐵水自內(nèi)澆口及冒口同時(shí)充入鑄件型腔，形成對(duì)流，造成其它的鑄造缺陷。 根據(jù)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，把半開(kāi)放式澆注系統(tǒng)的節(jié)流口(阻流截面)選擇在橫澆道與直澆道的接口，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，保證澆注速度控制在8～12sec。選擇橫澆道、直澆道與內(nèi)澆道截面積比為1.2:1:1.5；計(jì)算后實(shí)際選取它們的截面積分別為：408cm2、340cm2、510cm2, 從而避免了對(duì)流的形成及其它鑄造缺陷的產(chǎn)生。并改進(jìn)冒口頸的形狀及冒口頸尺寸,減小接觸熱節(jié),防止冒口頸處產(chǎn)生縮孔。

3.4 小結(jié)

(1)研究了原鐵液中硫、稀土、鎂對(duì)顯微組織的影響，采用高鎂合金包芯線進(jìn)行喂線球化生產(chǎn)，鑄件產(chǎn)生批量性的脆性斷裂報(bào)廢，斷口為白色滲碳體，其根本原因是回爐料循環(huán)使用，造成回爐料的含硫量極低和稀土含量高而導(dǎo)致的。鑄件中的稀土含量與含硫量的最佳比值為1～3，比值大于8時(shí)將造成鑄件產(chǎn)生大量碳化物，直接導(dǎo)致鑄件脆性斷裂。實(shí)際生產(chǎn)中，爐內(nèi)的含硫量可以控制為0.010%～0.025%，可以解決原鐵水稀土含量為0.010%～0.050%的鑄件白口及脆性斷裂問(wèn)題。

(2)針對(duì)排氣管的夾渣缺陷，采取了相應(yīng)的措施，得到了改進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述試驗(yàn)研究可得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)喂線法球化處理在工藝優(yōu)化控制，提高了排氣管類薄壁球鐵件的質(zhì)量，合格率達(dá)到了90%以上。解決了機(jī)加困難的問(wèn)題及回爐料過(guò)剩問(wèn)題。降低了生產(chǎn)成本，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)薄壁球鐵件白口傾向還與原鐵水的靜止時(shí)間、孕育、芯線加入量、喂線速度、澆注時(shí)間有關(guān)。原鐵水的靜止時(shí)間超過(guò)10min采取爐中間歇增碳的方法；孕育采用了3次孕育的方式；最佳芯線加入量為每600kg鐵水加入10-12m高鎂合金包芯線；最佳喂線速度為12m/min；每包澆注時(shí)間小于8min。

(3)研究了原鐵液中硫、稀土、鎂對(duì)顯微組織的影響，采用高鎂合金包芯線進(jìn)行喂線球化生產(chǎn)，鑄件產(chǎn)生批量性的脆性斷裂報(bào)廢，斷口為白色滲碳體，其根本原因是回爐料循環(huán)使用，造成回爐料的含硫量極低和稀土含量高而導(dǎo)致的。鑄件中的稀土含量與含硫量的最佳比值為1～3，比值大于8時(shí)將造成鑄件產(chǎn)生大量碳化物，直接導(dǎo)致鑄件脆性斷裂。實(shí)際生產(chǎn)中，爐內(nèi)的含硫量可以控制為0.010%～0.025%，可以解決原鐵水稀土含量為0.010%～0.050%的鑄件白口及脆性斷裂問(wèn)題。

(4)通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)后，質(zhì)量有較大的提高，綜合質(zhì)量水平均達(dá)到90%以上。