不同孕育劑對灰鑄鐵件致密性的影響

程俊偉，蔡安克，郭亞輝，范隨長，李自君

（中國一拖集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471004）

為了改善鑄件的力學(xué)性能和組織形態(tài)，鐵液需進(jìn)行孕育處理，但孕育劑的加入對鐵液冶金特性和凝固特點(diǎn)會產(chǎn)生顯著影響，還可能引起鑄造缺陷。鐵液孕育處理往往會細(xì)化共晶團(tuán)，從而降低鑄件的致密度，導(dǎo)致鑄件滲漏，也會引起氫針孔等其他缺陷。因此，需要選用合適的孕育劑和孕育量，使得孕育處理在改善材質(zhì)的力學(xué)性能和石墨形態(tài)的同時(shí)，能有效抑制由孕育處理引起的各種缺陷，從而提高鑄鐵的致密性。

1 試驗(yàn)方法與條件

鑄鐵件的致密性主要由鑄鐵的缺陷引起，收縮類缺陷是孕育處理最容易引起的一種缺陷。而缺陷復(fù)制是研究鑄件缺陷形成規(guī)律和影響因素的一種試驗(yàn)方法，陳國楨等專家指出[1]：經(jīng)過診斷缺陷的生成機(jī)理，設(shè)定若干有關(guān)因素，對于這些促進(jìn)缺陷形成的因素在生產(chǎn)中有意加強(qiáng)，或在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造條件使其發(fā)生作用，如缺陷率提高或試樣上重復(fù)出現(xiàn)，則消除缺陷的有效性得到驗(yàn)證。

復(fù)制試驗(yàn)盡最大可能控制可變影響因素，改變其中一個(gè)因素進(jìn)行缺陷復(fù)制，研究分析不同因素對缺陷形成的影響程度。由于鑄造過程中影響因素眾多而且復(fù)雜，對影響因素做到精確控制非常困難，因此在同樣的條件下重復(fù)進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，以缺陷出現(xiàn)概率的多少來確定各因素影響程度的大小。缺陷出現(xiàn)概率在50%以上的因素，確定為主要影響因素。缸蓋生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)縮松是影響鑄件致密性的一種主要缺陷，因此說研究縮松的變化規(guī)律能夠進(jìn)一步提高鑄鐵件的致密性。

試驗(yàn)采用250 kg 無芯中頻電爐熔煉，采用缸蓋造型用粘土煤粉砂造型，其型砂性能控制指標(biāo)為:水分4.0%～5.0%，緊實(shí)率50%～70%，透氣性120～130，濕壓強(qiáng)度0.12～0.14 MPa。造型時(shí)采用砂型硬度計(jì)檢測砂型硬度，砂型硬度控制在65～85 之間，平面硬度在中上限，立面硬度控制在中限左右。

試驗(yàn)采用多熱節(jié)的模樣（圖1 所示），鑄件質(zhì)量26 kg。澆注時(shí)稱量鐵液總量，出爐和澆注溫度采用便攜式熱電偶檢測，試驗(yàn)采用底注充型、無冒口澆注工藝，型上扎多個(gè)?4～?6 mm 出氣針。試驗(yàn)時(shí)采用同一爐熔煉鐵液，澆注不同鑄件的對比方案，對多種因素變化和異常情況的試樣不列為分析對象。試驗(yàn)時(shí)熔煉全部采用同一爐料配比：生鐵45%，回爐料20%，廢鋼35%，爐底加入適宜的增碳劑保證碳量。

圖1 試驗(yàn)用模樣

2 試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果

試驗(yàn)進(jìn)行不同孕育劑種類和同一孕育劑不同加入量的對比試驗(yàn)，主要方案有加入量0.5%硅鐵，0.8%硅鐵，0.3%鋇硅鐵，0.5%鋇硅鐵，0.2%鋇硅鐵+0.3%硅鐵、0.2%硅鍶+0.3%硅鐵，0.5%硅鍶，共計(jì)七種對比方案。

孕育處理對高強(qiáng)度鑄鐵是不可或缺的環(huán)節(jié)，但在孕育量過大共晶團(tuán)數(shù)太多的情況下，孕育鑄鐵的收縮也加大。共晶團(tuán)數(shù)過高，往往使鑄件的致密性變差，發(fā)生滲漏缺陷[2]，對缸體、缸蓋之類的鑄件極為不利，為了克服這樣的缺陷，使用硅鍶孕育劑，有很強(qiáng)抑制白口的能力，而卻很少增加共晶團(tuán)數(shù)，因此試驗(yàn)中選擇使用了硅鍶孕育劑作為比較對象。

孕育劑試驗(yàn)主要進(jìn)行了不同孕育劑種類和同一孕育劑不同加入量的對比試驗(yàn)，同一爐鐵液分包澆注，澆注溫度控制在1 400 ℃±25 ℃范圍內(nèi)。

孕育劑加入包內(nèi)，對每包出鐵量進(jìn)行稱量控制，以保證孕育劑加入量在合理的變動范圍內(nèi)。對澆注跑火和出鐵量較多等異常情況的試驗(yàn)試樣，不計(jì)入分析對象。表1 為試驗(yàn)期間的檢測包內(nèi)鐵液或縮松鑄件化學(xué)成分。鑄件的碳當(dāng)量基本控制在3.75%～3.88%以內(nèi)，鉻控制在0.24%～0.33%之間，化學(xué)成分的一致性很大程度上縮小了碳當(dāng)量、鉻、磷等因素對收縮傾向影響的差異。此外同樣的爐料、一樣的配比、一致的出爐溫度、相同的造型工藝與造型材料也減少了各個(gè)因素的影響。

表1 試驗(yàn)化學(xué)成分

表2 為試驗(yàn)次數(shù)和鑄件縮松缺陷（不包括表面縮陷）出現(xiàn)的概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

對0.5% 加入量的硅鐵、硅鋇、硅鍶孕育和0.8%加入量的硅鐵孕育的鑄件，進(jìn)行了不同部位共晶團(tuán)數(shù)檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)0.5% 硅鐵和0.8% 硅鐵孕育的鑄件共晶團(tuán)數(shù)差別大（如表3），縮松缺陷大小也有明顯差別，0.5% 硅鐵、硅鋇、硅鍶孕育的鑄件共晶團(tuán)數(shù)差別不大，也只有硅鋇出現(xiàn)極少量的縮松缺陷，圖3 至圖6 是不同孕育劑及加入量鑄件斷面出現(xiàn)的縮松特征，圖7、圖8 是檢測的鑄件共晶團(tuán)數(shù)對比，圖9、圖10 是石墨形態(tài)的對比。

從鑄件出現(xiàn)縮松的概率分析，使用加入量0.8%硅鐵孕育劑和0.5%硅鋇孕育劑時(shí)，鑄件出現(xiàn)內(nèi)縮松的概率最大，超過了85%以上，而使用加入量0.5%硅鐵、0.5%鍶硅鐵和0.3%鋇硅鐵孕育劑時(shí)，鑄件出現(xiàn)內(nèi)縮松的概率相對較小，為9.5%～25%，其中加入量0.5%的硅鐵出現(xiàn)縮松的概率更低，只 有9.5%，而使用兩種復(fù)合孕育劑時(shí)，鑄件出現(xiàn)內(nèi)縮松的概率率為零，在各種熱節(jié)上均無縮松，因此說使用加入量0.2%硅鋇+0.3%硅鐵孕育劑、0.2%硅鍶+0.3%硅鐵孕育劑，0.5%75 硅鐵孕育劑進(jìn)行孕育處理，能夠防止或減少鑄件出現(xiàn)縮松缺陷，提高鑄鐵件的致密性，尤其是能夠防止密封鑄件的滲漏。

表2 鑄件縮松概率

表3 不同孕育量鑄件 縮松部位組織

圖2 0.8%硅鐵孕育鑄件

圖3 0.8%硅鐵孕育鑄件

圖4 0.5%硅鍶孕育鑄件

圖5 0.5%硅鋇孕育鑄件

圖6 0.8%硅鐵孕育鑄件共晶團(tuán)數(shù)

圖7 0.5% 硅鐵孕育鑄件共晶團(tuán)數(shù)

圖8 0.8%硅鐵孕育鑄件石墨形態(tài)

圖9 0.5 %硅鐵孕育鑄件石墨形態(tài)

重復(fù)試驗(yàn)表明,加入量0.5%的硅鐵孕育處理的鑄件縮松出現(xiàn)在大熱節(jié)上，在?60 mm 園熱節(jié)上并沒有出現(xiàn)縮松，隨著熱節(jié)直徑的增大，出現(xiàn)內(nèi)縮松的概率變化為0～1/9～1/5。

關(guān) 于 孕育劑孕育形成縮松的機(jī)理，國外資料[3]對澆包孕育的孔隙度進(jìn)行了研究，隨著孕育劑加入量的增加，鑄鐵的孔隙度也增加，特別在孕育劑過量時(shí)，孔隙度劇增，這表明鑄鐵的收縮加大。英國研究資料[4]也指出：造成孕育處理鑄鐵中有縮松的原因是由于這種鑄鐵在凝固時(shí)有大的膨脹之故，鑄件實(shí)際檢測發(fā)現(xiàn)：在碳當(dāng)量一定的條件下，經(jīng)孕育處理的鑄件尺寸要比未經(jīng)孕育處理的大。

周繼楊在著作鑄鐵彩色金相學(xué)[4]中也指出：共晶團(tuán)數(shù)對鑄鐵件縮松的影響是明顯的，隨著共晶團(tuán)數(shù)的增多，鑄鐵件的縮松傾向增大，致密性下降。為了保證致密性，防止縮松的產(chǎn)生，將共晶團(tuán)數(shù)控制在300～400 個(gè)/cm2以下。試驗(yàn)中采用的硅鋇與硅鍶孕育劑都能夠明顯降低鑄件的白口傾向，但硅鍶孕育劑不會促進(jìn)共晶團(tuán)數(shù)的增加，而硅鋇孕育劑卻會明顯增加共晶團(tuán)數(shù)，因此說在同樣條件下，硅鋇孕育劑引起縮松的概率大于硅鍶孕育劑。采用復(fù)合孕育后的鑄鐵件縮松概率最小，致密性最好就在于減少了硅鋇孕育劑增加共晶團(tuán)數(shù)造成的不利影響，同時(shí)彌補(bǔ)了75 硅鐵孕育劑在減少白口傾向方面的不足。

3 結(jié)論

不同孕育劑及加入量的對比試驗(yàn)得出：

（1）采用加入量0.8%的硅鐵和加入量0.5%的硅鋇孕育處理的鑄件，出現(xiàn)內(nèi)縮松的概率最大，超過了85%，也就是說這兩種加入量的孕育劑對鑄件的致密性影響最大。

（2）采用加入量0.5%的硅鐵、加入量0.5%的硅鍶和加入量0.3%的硅鋇孕育處理的鑄件，出現(xiàn)內(nèi)縮松的概率相對較小，概率只有9.5%～25%。

（3）采用兩種復(fù)合孕育劑加入量0.2%硅鋇+0.3%硅鐵、加入量0.2%硅鍶+0.3%硅鐵孕育處理的鑄件不出現(xiàn)內(nèi)縮松，說明這兩種復(fù)合孕育劑對鑄件的致密性影響最小。

（4）在75 硅鐵孕育下，隨著孕育量的不斷增大，鑄鐵件內(nèi)縮松出現(xiàn)的概率逐步增加，鑄件的致密性下降。

[1]陳國楨等，鑄件缺陷和對策[M].北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2007:61.

[2]王春祺.鑄鐵孕育理論與實(shí)踐[M].天津，天津大學(xué)出版社.1991:188.

[3]K.F.L.Nicholas,金屬因素對灰鑄鐵收縮缺陷的影響[J].國外鑄造,1964.2:40-43.

[4]周繼楊，鑄鐵彩色金相學(xué)[M].北京，機(jī)械工業(yè)出版社.2002:47.

[5]歐陽代云,羅雪峰,蘇建勇,等.優(yōu)化爐料配比改善灰鑄鐵組織致密性的探索[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2013(4).