中硅鉬耐熱球墨鑄鐵的生產(chǎn)控制

房敏，吳小雄

中硅鉬球墨鑄鐵具有良好的高溫力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性能和抗氧化性能，因而被廣泛地用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的制造，已成為國(guó)際上排氣歧管的首選材料。

我公司長(zhǎng)期為國(guó)外某大型發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)提供中硅鉬耐熱球墨鑄鐵排氣歧管，在多年的生產(chǎn)實(shí)踐中得出：通過嚴(yán)格的爐料選擇，合理的成分控制，選擇合適的球化劑、孕育劑，以及球化處理和孕育處理工藝，可以確保排氣歧管本體材質(zhì)合格，不出現(xiàn)顯微縮松等缺陷。

1.材料技術(shù)要求

（1）化學(xué)成分 客戶要求的化學(xué)成分如下：wC＝3.00%～3.35%，wSi＝3.80%～4.20%，wMn≤0.40%，wS≤0.020%，wP≤0.04%，wMo＝0.60%～0.80%，wMg＝0.028%～0.060%。

（2）金相組織及力學(xué)性能 本體金相組織：球化率≥85%，基體組織中珠光體≤10%，碳化物≤3%。要求本體力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度≥450MPa，屈服強(qiáng)度≥310MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥8%，硬度179～241HBW。

2.遇到的難點(diǎn)

在實(shí)際開發(fā)初期以及前期試制生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)中硅鉬球墨鑄鐵會(huì)出現(xiàn)以下問題。

（1）中硅鉬球墨鑄鐵由于硅量較高且含有一定的鉬，因此流動(dòng)性差，鑄件的冷隔、縮松、縮孔缺陷傾向較大，尤其是顯微枝晶縮松特別突出。

（2）由于硅鉬球墨鑄鐵主要在高溫下使用，對(duì)熱穩(wěn)定性要求很高，為避免因發(fā)生相變而影響材料的力學(xué)性能和產(chǎn)品的幾何尺寸，要求基體為鐵素體組織，珠光體和碳化物不能超過規(guī)定的最大值。

（3）金相組織中會(huì)出現(xiàn)碎塊狀石墨，實(shí)際生產(chǎn)中當(dāng)熔煉工藝不合理時(shí)，壁厚大于30mm的心部很容易出現(xiàn)碎塊狀石墨，導(dǎo)致本體球化率達(dá)不到85%以上，且會(huì)嚴(yán)重降低斷后伸長(zhǎng)率。

（4）中硅鉬球墨鑄鐵中，鉬是強(qiáng)烈促進(jìn)碳化物形成的元素。隨著鉬含量的增加，鉬的碳化物量增加，材料的塑性下降，同時(shí)鉬導(dǎo)致硅鉬球墨鑄鐵的自補(bǔ)縮能力下降，產(chǎn)生顯微枝晶縮松，使材料的塑性進(jìn)一步急劇下降，不能穩(wěn)定達(dá)到客戶的要求。

3.成分控制及熔煉工藝

（1）碳和硅的控制 中硅鉬球墨鑄鐵中的硅能固溶于鐵素體中，強(qiáng)化基體，提高材料的強(qiáng)度和硬度，但硅含量過高會(huì)使鐵素體晶格畸變太大，增加了材料的脆性，同時(shí)過高的硅會(huì)相應(yīng)地使碳量控制降低，這就會(huì)加重鐵液的收縮。在保證其具有良好的抗氧化性、高溫抗蠕變性能和耐熱性能下，同時(shí)考慮到鑄件的縮松特性，硅可以控制在要求的下限。通過控制合適的碳當(dāng)量（一般在4.5%～4.7%，實(shí)際中發(fā)現(xiàn)太高或者太低都會(huì)出現(xiàn)很大的縮松、縮孔傾向），計(jì)算出合適的碳的控制量。因?yàn)楦吖韬亢透咛籍?dāng)量通常會(huì)使硅鉬球墨鑄鐵更容易產(chǎn)生碎塊狀石墨，同時(shí)會(huì)增強(qiáng)對(duì)稀土元素的敏感性?？紤]到硅鉬球墨鑄鐵碳當(dāng)量的重要性，因此推薦采用碳硫分析儀測(cè)量碳（包括硫）。終鐵液目標(biāo)碳控制在客戶要求的上限即wC＝3.20%～3.35%，終鐵液目標(biāo)硅控制在客戶要求的下限，即wSi＝3.80%～4.00%。

（2）鉬的控制 鉬能使球墨鑄鐵的耐熱疲勞性、高溫強(qiáng)度、高溫下的抗氧化性、尺寸穩(wěn)定性等性能大為提高。同時(shí)鉬溶入鐵素體，形成穩(wěn)定的特殊碳化物Fe3Mo3C，強(qiáng)化鐵素體基體，緩解球墨鑄鐵在高溫下的軟化趨勢(shì)，提高其抗蠕變的能力，但鉬價(jià)格昂貴，基于成本方面的考慮，將鉬含量控制在客戶要求的中下限，即wMo＝0.6%～0.7%。

（3）鎂及其他元素的控制 錳促進(jìn)珠光體的形成，鐵素體量相應(yīng)減少，且使得碳化物極易在晶界處形成，導(dǎo)致塑性下降。磷、硫及其他微量元素都是有害元素，其含量應(yīng)越低越好。鎂和稀土元素加入量應(yīng)合適，其都是促進(jìn)珠光體和碳化物形成的元素，在保證球化率的前提下，硅鉬球墨鑄鐵中鎂要控制在低限。因?yàn)楣杩梢蕴岣呤驍?shù)和石墨化，因此在硅鉬球墨鑄鐵中鎂含量可以低一些。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)硅鉬球墨鑄鐵中殘余鎂和稀土量超過一定量時(shí)，會(huì)強(qiáng)烈促進(jìn)碎塊狀石墨的出現(xiàn)。綜合考慮，應(yīng)控制wMn＜0.20%，wP＜0.035%，wS＝0.008%～0.020%（原鐵液），wMg殘余＝0.028%～0.040%，wRE殘余＜0.010%。

（4）球化孕育工藝的選擇 硅鉬球墨鑄鐵比一般球墨鑄鐵收縮大，顯微縮松傾向大，即使壁厚不是很厚，也很容易形成碎塊狀石墨（見圖1）。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在硅鉬球墨鑄鐵中超量的稀土很容易導(dǎo)致碎塊狀石墨的產(chǎn)生，且其敏感性比一般的球墨鑄鐵要嚴(yán)重，雖然在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)可以添加適量的銻來解決，但是銻會(huì)增加珠光體量，導(dǎo)致鑄件需要熱處理消除珠光體，這不僅會(huì)增加成本且鑄件會(huì)有變形的風(fēng)險(xiǎn)。為此，通過多次試驗(yàn)及總結(jié)，在優(yōu)質(zhì)原鐵液情況下選用含鑭球化劑，其加入量為1.1%～1.2%。包內(nèi)孕育劑采用硅鍶，加入量0.40%～0.60%，隨流孕育劑采用硫氧孕育劑，以進(jìn)一步增加鐵液的形核能力，可以獲得金相良好和收縮小的硅鉬球墨鑄鐵。

鑄件生產(chǎn)配料如下:廢鋼35%～50%、高純Q10生鐵15%～25%、其余為回爐料。此外沖入法澆包高徑比大于1.8，要保證快速一次出鐵以及準(zhǔn)確的出鐵量，以保證較高且穩(wěn)定的鎂吸收率。

4.中硅鉬球墨鑄鐵中的富鉬沉淀相

由于鉬是強(qiáng)碳化物形成元素，所以中硅鉬球墨鑄鐵中的顯微結(jié)構(gòu)通常在鐵素體基體上含有少量晶粒邊界碳化物。金相中可見一定數(shù)量的白色組織在晶界存在（見圖2a)，從其形態(tài)初步判斷為晶界碳化物，基體以鐵素體為主，白色組織沿晶界分布，周圍伴生少量的“珠光體”。某些規(guī)范要求進(jìn)行鐵素體化退火來消除這種“珠光體”。但是在較高放大倍數(shù)下觀察，發(fā)現(xiàn)其晶粒邊界含有精細(xì)沉淀，該沉淀呈現(xiàn)出類似于球體或桿狀的形狀（見圖2b)。國(guó)外有文獻(xiàn)從顯微結(jié)構(gòu)分析，半量化的化學(xué)分析和膨脹計(jì)算結(jié)果已經(jīng)證明其不是真正意義上的珠光體，而是高溫穩(wěn)定性更好的富鉬沉淀相。在實(shí)際生產(chǎn)的熱處理中發(fā)現(xiàn)，這種組織在960℃以上都難以全部分解。圖3a是在800℃保溫2h進(jìn)行退火的顯微結(jié)構(gòu)，圖3b是在960℃保溫2h進(jìn)行退火的顯微結(jié)構(gòu)。

5.結(jié)語

（1）在客戶要求范圍選擇最佳的內(nèi)控化學(xué)成分:wC＝3.20%～3.35%，wSi＝3.80%～4.00%，wMn＜0.20%，wS＜0.020%，wP＜0.035%，wMo＝0.60%～0.70%，wMg＝0.028%～0.040%。

圖1 典型的碎塊狀石墨（本體壁厚35mm）

圖2 硅鉬球墨鑄鐵沉淀相的顯微結(jié)構(gòu)（鑄態(tài)）

圖3 硅鉬球墨鑄鐵沉淀相的顯微結(jié)構(gòu)（高溫退火）

（2）合理地選擇配料方案，選擇優(yōu)質(zhì)生鐵（如南非生鐵），將原鐵液的各種微量元素控制到最低。

（3）選用合適成分的含鑭球化劑及硅鍶孕育劑并適度孕育，不僅可獲得良好的球化率，避免出現(xiàn)碎塊狀石墨，同時(shí)可使鐵液縮松傾向降低到最小。

（4）中硅鉬耐熱球墨鑄鐵中存在高溫穩(wěn)定性很好的富鉬沉淀相。

由于鑄造生產(chǎn)影響的因素較多，各公司需結(jié)合具體情況選擇適合的球化工藝，以上論述僅供同行參考。