球墨鑄鐵管過度孕育的危害研究

郭洪濤

（山東球墨鑄鐵管有限公司鑄管車間，山東濟(jì)南250101）

球墨鑄鐵管過度孕育的危害研究

郭洪濤

（山東球墨鑄鐵管有限公司鑄管車間，山東濟(jì)南250101）

離心球墨鑄鐵管在生產(chǎn)和使用過程中常見管體開裂缺陷，導(dǎo)致鑄管報(bào)廢。通過對(duì)開裂部位進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其共同特征是局部高硅、石墨呈細(xì)小高密度分布（點(diǎn)狀石墨）。本文通過試驗(yàn)，比較系統(tǒng)地分析了點(diǎn)狀石墨的形成原因，指出球墨鑄管在生產(chǎn)過程中局部過度孕育導(dǎo)致石墨呈點(diǎn)狀分布，這是造成球墨鑄鐵管異常開裂的主要原因，其危害性較大。同時(shí)通過提高噴粉控制精度，完善噴粉設(shè)備和噴粉控制程序，確保管模布粉均勻，可以有效避免過度孕育缺陷的出現(xiàn)，穩(wěn)定鑄管質(zhì)量。

球墨鑄管；模粉；過度孕育；點(diǎn)狀石墨；機(jī)械性能

離心球墨鑄鐵管在生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)管體開裂事故，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。本文從斷口對(duì)比分析入手，采用金相、光譜分析、掃描電鏡能譜分析及機(jī)械性能檢測(cè)等多種手段，揭示過度孕育導(dǎo)致鑄管開裂的原因，并提出改進(jìn)意見。

圖1 鑄管開裂情況

在生產(chǎn)廠，鑄管發(fā)生斷裂問題主要集中在以下幾個(gè)工序：①鑄后脫模拔管時(shí)；②退火過程中；③矯形、涂襯等管體受力過程中；④打壓過程中。鑄管開裂情況如圖1-圖4所示。

1 試驗(yàn)檢測(cè)

1.1 DN300斷管金相檢驗(yàn)

為分析鑄管開裂原因，從圖1b）DN300報(bào)廢鑄管的裂口部位截取試樣觀察金相。為進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)在同一只鑄管的插口部位截取試樣觀察金相。兩個(gè)部位的石墨形態(tài)如圖2、圖3.

圖2 DN300裂口部位金相

圖3 DN300鑄管插口部位金相

1.2 DN400斷管金相檢驗(yàn)：

一只DN400鑄管退火、噴鋅后在涂水泥內(nèi)襯的過程中被滾輪壓裂（實(shí)物照片未附）。分別在裂口和插口部位截取試樣，進(jìn)行金相觀察。兩個(gè)部位的石墨形態(tài)如圖4、圖5.

圖4 DN400裂口部位金相

圖5 DN400鑄管插口部位金相

對(duì)圖4、圖5兩個(gè)試樣進(jìn)行腐蝕后觀察組織金相如圖6.

圖6 裂口與插口部位組織比較

將圖6b）放大倍數(shù)增至1000倍，暗色基體具有明顯的片層結(jié)構(gòu)特征，為珠光體組織。金相照片如圖7.

1.3 DN100斷管金相、化學(xué)成分、機(jī)械性能檢驗(yàn)

為對(duì)DN100鑄管（圖4所示鑄管）打壓時(shí)插口崩裂的原因進(jìn)行深入分析，分別在裂口部位和插口部位取樣，分析金相組織、化學(xué)成分、力學(xué)性能和硬度。

圖7 圖6b）中的珠光體基體

1.3.1 石墨形態(tài)

石墨形態(tài)如圖8.

圖8 DN100石墨形態(tài)

1.3.2 化學(xué)成分

試樣1，DN100裂口部位光譜分析、硬度試樣如圖9a）.試樣2，DN100鑄管插口部位光譜分析試樣如圖9b）.化學(xué)成分如表1所示。

圖9 光譜分析、硬度試樣

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.3.3 力學(xué)性能

DN100裂口部位取樣加工成性能試樣，檢測(cè)機(jī)械性能。圖10為試樣3和4，DN100裂口部位力學(xué)性能拉伸試樣，圖10b）為試樣5，DN100裂口部位拉伸試樣上截取的金相樣進(jìn)行金相觀察和掃描電鏡能譜分析。表2為試樣3和試樣4的力學(xué)性能。圖11a）為試樣5金相、石墨形態(tài)。圖11b）為試樣5金相、基體組織，全部為鐵素體。

圖10 DN100力學(xué)性能試樣

表2 試樣3和試樣3的力學(xué)性能

圖11 DN100試樣5組織形態(tài)

1.3.4 掃描電鏡能譜分析

分別取圖10中的試樣5（DN100鑄管裂口樣）和正常鑄管試樣進(jìn)行掃描電鏡能譜分析，對(duì)基體組織進(jìn)行面掃描，分析基體的化學(xué)成分，如圖12～圖14.

圖12 試樣5的掃描電鏡圖像及基體能譜分析結(jié)果1（基體中Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.77%～4.05%）

圖13 試樣5的掃描電鏡圖像及基體能譜分析結(jié)果2（基體中Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.83%～4.16%）

圖14 正常鑄管的掃描電鏡圖像及基體能譜分析結(jié)果（基體中Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.92%～2.38%）

2 技術(shù)分析

2.1 裂口金相特征分析

圖2、圖4和圖8a）分別為DN300、DN400和DN100三種規(guī)格球墨鑄管裂口的金相照片，反映的是裂口石墨形態(tài)?？梢钥闯?，三個(gè)裂口的石墨形態(tài)存在極為相似的共性：石墨球較為圓整，極為細(xì)小，在基體中分布密度極高。參照GB/T 9441-2009標(biāo)準(zhǔn)，球化級(jí)別為1～2級(jí)，石墨大小比標(biāo)準(zhǔn)中的最小級(jí)別8級(jí)還要細(xì)小。經(jīng)測(cè)量統(tǒng)計(jì)，三種鑄管裂口金相的石墨球直徑均小于10μm，多數(shù)直徑分布在5μm～10μm之間；石墨球數(shù)為3 000個(gè)/mm2～3 500個(gè)/mm2.

圖3、圖5和圖8b）分別為以上三只鑄管插口端的金相照片。經(jīng)評(píng)定：球化級(jí)別為1～2級(jí)，石墨大小為7級(jí)。石墨球直徑分布在10μm～30μm之間。DN300、DN400和DN100三只鑄管插口部位的石墨球數(shù)分別為350個(gè)/mm2，400個(gè)/mm2和770個(gè)/mm2.

從以上金相圖片中石墨球的對(duì)比可以看出，同一只鑄管的裂口和插口部位在石墨球參數(shù)上存在著顯著的差別。裂口部位石墨球圓整、細(xì)小、異常高密度特征極為突出，稱之為點(diǎn)狀球墨特征。而插口部位石墨球圓整、直徑相對(duì)較大、石墨球密度屬于正常范圍。同一只鑄管化學(xué)成分可視為相同、澆注溫度、冷卻條件相近，澆注過程中隨流孕育條件基本一致，造成這種組織顯著差異的原因可推定為模粉孕育處理的差異造成的。裂口部位的球墨異常現(xiàn)象符合急冷條件下大量、強(qiáng)化孕育的特征。

2.2 化學(xué)成分分析

圖9a）是從打壓開裂的DN100鑄管裂口部位截取的光譜分析試樣1，圖9b）是從同一只鑄管插口部位截取的光譜分析試樣2.打磨試樣1的表層后進(jìn)行光譜分析，然后將試樣1表層加工去2 mm后再進(jìn)行光譜分析。為進(jìn)行對(duì)比，打磨插口部位截取的試樣2的表層，然后進(jìn)行光譜分析，三次光譜分析數(shù)據(jù)列于表1.

從表1可以看出，裂口和插口部位的Si、Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在著顯著的差別。

裂口部位的Si元素表層為5.21%，深層為4.58%，平均4.9%；Al元素表層為0.047%，深層為0.039%，平均0.043%.

插口部位的Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.3%；Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.011%.

插口部位的Si、Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)符合工藝要求，沒有異常；而斷口部位的Si、Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅升高，顯著異常。參照模粉的化學(xué)成分（表3），可以推定裂口、插口的成分差異是模粉不均勻熔入鐵液造成的。模粉的化學(xué)成分見表3.

表3 模粉的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

從模粉的主要成分、粒度和加入鐵水的時(shí)機(jī)可以得出，模粉具有瞬時(shí)、強(qiáng)效孕育功能，可以促進(jìn)鐵水的石墨化轉(zhuǎn)變，使石墨球細(xì)小并增加石墨球數(shù)量，同時(shí)使鐵素體數(shù)量增多，這是提升鑄管管體機(jī)械性能的有效手段。但是，因模粉中Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～70%，AI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～2%，模粉熔入鐵水會(huì)造成鐵水一定程度的增Si、增Al.一般球鐵瞬時(shí)孕育劑的加入量控制在0.1%～0.3%，因其加入總量微乎其微，對(duì)鐵水的增Si、增Al效應(yīng)可以忽略不計(jì)。

從裂口和插口的化學(xué)成分對(duì)比看出，裂口部位因模粉過量熔入鐵水，使鐵水大幅增Si、增Al，與插口相比Si增至原鐵水的2.13倍，Al增至原鐵水的3.9倍。由增硅量可以倒推，在鑄管裂口處，模粉作為孕育劑融入鐵水量已經(jīng)達(dá)到4.3%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鑄件孕育總量為1.0%～1.5%，瞬時(shí)孕育為0.1%～0.3%的控制范圍，產(chǎn)生了過度孕育的效果。過度孕育分別對(duì)石墨球和基體產(chǎn)生正反兩個(gè)方面的影響。

2.2.1 過度孕育對(duì)石墨球的影響

據(jù)資料介紹，目前國(guó)內(nèi)高韌性鑄管石墨球數(shù)的控制目標(biāo)一般在600個(gè)/mm2～700個(gè)/mm2左右，日本久保田公司球墨鑄管的石墨球數(shù)經(jīng)檢測(cè)為445個(gè)/mm2.大劑量過度孕育促使共晶石墨球數(shù)量增多、球經(jīng)細(xì)小，形成了點(diǎn)狀球墨特征。三種鑄管裂口金相的石墨球直徑均小于10μm，石墨球數(shù)為3 000個(gè)/mm2以上。就石墨球來說，正常孕育情況下，球墨鑄鐵很難達(dá)到如此高的球化水平，只有急冷條件下的過度孕育才會(huì)導(dǎo)致這種結(jié)果。球化級(jí)別高、石墨球密度高、球經(jīng)細(xì)小為提高球鐵的機(jī)械性能提供了可能，但是最終性能不僅取決于石墨球本身，同時(shí)取決于基體組織的性能。

2.2.2 過度孕育對(duì)基體組織的影響

光譜分析表明過度孕育使球鐵中的Si元素和Al元素陡增，超出了正常范圍。能譜分析確認(rèn)過度孕育使球鐵鐵素體基體中融入了過量的Si元素，這就會(huì)對(duì)鑄管的的組織和性能會(huì)產(chǎn)生重要影響。

2.2.2.1 Si提高基體鐵素體含量

Si首先是一個(gè)強(qiáng)石墨化元素，它可以完全溶解在奧氏體中，使碳在奧氏體中的溶解度減小，提高碳的活度，這是硅的直接石墨化作用；其次，硅提高石墨共晶的平衡溫度，降低滲碳體共晶的平衡溫度，有利于石墨轉(zhuǎn)變；另外，硅提高鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變時(shí)的臨界冷卻速度，即使快速冷卻，也能石墨化。因此，Si的增高會(huì)減少碳化物和珠光體的產(chǎn)生，促進(jìn)石墨球和鐵素體的生成。從圖6a）DN400鑄管退火后兩個(gè)部位的金相照片可以看出，由于裂口部位Si很高，基體均為鐵素體組織，沒有滲碳體和珠光體。插口部位Si含量正常，雖是同一只鑄管，熱處理工藝也相同，但是基體中仍有15%左右的珠光體組織。圖11b）中DN100鑄管裂口部位金相照片同樣顯示，由于Si高，裂口組織全部為鐵素體基體。這些都是基體中過量的Si促成的。

2.2.2.2 Si固溶于鐵素體，提高鑄管的強(qiáng)度和硬度，降低塑性

Si可以固溶于奧氏體和鐵素體起到固溶強(qiáng)化的作用，從而提高鑄鐵強(qiáng)度和硬度。表4為Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3.5%～4.5%和4.5%～5.5%范圍的中硅耐熱球鐵的機(jī)械性能。

表4 中硅耐熱球鐵機(jī)械性能

GB/T 13295-2008規(guī)定球墨鑄鐵管的機(jī)械性能應(yīng)符合表5要求。

表5 GB/T13295-2008

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前在球墨鑄管日常機(jī)械性能檢測(cè)中，DN40～DN1000合格鑄管的抗拉強(qiáng)度在450 MPa～550 MPa范圍，硬度在140 HBW～170 HBW范圍，伸長(zhǎng)率在13%～20%范圍。

對(duì)打壓開裂的DN100鑄管的斷口取樣，加工出2件拉伸試樣，檢驗(yàn)機(jī)械性能。同時(shí)在光譜分析試樣上進(jìn)行硬度檢測(cè)。結(jié)果如表2.性能分別為：抗拉強(qiáng)度720MPa、745MPa；伸長(zhǎng)率5.5%、6.5%；硬度228HBW、230 HBW.可見，因開裂的DN100鑄管組織基體中由于固溶了過量的Si元素，顯著強(qiáng)化了基體，強(qiáng)度和硬度比合格鑄管有了明顯的提升，伸長(zhǎng)率出現(xiàn)了明顯的下降，說明該鑄管塑性下降，表現(xiàn)出了強(qiáng)、硬性質(zhì)。在性能上已經(jīng)不合格。

2.2.2.3 高Si含量使球鐵表現(xiàn)出“脆”性特征

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)硅系耐熱鑄鐵研究認(rèn)為，過量的硅（≥3.1%）溶入鐵素體引起晶格變形和扭曲，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力過大而產(chǎn)生脆性，即所謂“硅脆性”，同時(shí)伴生有“氫脆性”。并且隨含硅量的增加，脆性相應(yīng)增大。文獻(xiàn)指出，一般常規(guī)球墨鑄鐵的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于-40℃，Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4.1%的球墨鑄鐵脆性轉(zhuǎn)變溫度提高到150℃，并且隨著含硅量的增加，脆性轉(zhuǎn)變溫度也會(huì)進(jìn)一步提高，兩者相差200℃以上。這即是說明，常溫下Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4.1%的球墨鑄鐵“脆”性特征非常明顯，韌性極低，對(duì)應(yīng)力集中和熱沖擊敏感性增強(qiáng)，極易出現(xiàn)開裂問題。資料介紹，國(guó)內(nèi)中硅耐熱鑄鐵（RTSi5.5）因脆裂而造成的廢品率高達(dá)20%～50%.原因分析及相應(yīng)對(duì)策也在不斷深入研究之中。

綜上所述，過度孕育使鐵水過量增硅，對(duì)球鐵組織形成產(chǎn)生了雙重作用。對(duì)性能有益的正面作用是使球墨圓整、細(xì)小、數(shù)量增多；有害的負(fù)面作用是使基體增硅，導(dǎo)致強(qiáng)度、硬度增高，韌性、塑性降低，表現(xiàn)出“硅脆”特性。實(shí)際結(jié)果是由于過度孕育，增硅的正面作用不足以抵消負(fù)面危害，嚴(yán)重惡化了球墨鑄管的局部機(jī)械性能，“硅脆”大幅度提高了對(duì)應(yīng)力集中的敏感性，管身上各種微觀的缺陷在應(yīng)力作用下成為裂紋的源頭，由此引發(fā)鑄管異常斷裂。

需要重視的是，因中硅球墨鑄鐵的脆性轉(zhuǎn)變溫度較高（≥150℃），在熱處理加熱時(shí)，若升溫速度過快，鑄件承受不了熱應(yīng)力極易造成開裂。因此，鑄件升溫時(shí)在脆性轉(zhuǎn)變溫度以下應(yīng)緩慢加熱，當(dāng)溫度超過脆性轉(zhuǎn)變溫度再正常升溫。以防止鑄管熱處理時(shí)發(fā)生開裂。

3 綜述

綜合以上試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和分析論述，離心球墨鑄管在澆注過程中模粉的加入量控制和分布的均勻程度會(huì)對(duì)鑄管的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，必須加以重視。

1）模粉的使用具有雙重作用。首先是保護(hù)管模、利于脫模、彌補(bǔ)舊管模的不利影響，減少鑄管表面缺陷。其次是肩負(fù)瞬時(shí)高效孕育的作用，增加石墨球和鐵素體數(shù)量，并促進(jìn)石墨球圓整、細(xì)小。單從孕育功能的層面上來看，孕育過程是一個(gè)往鐵水中摻入雜質(zhì)的過程，當(dāng)加入總量過量或分布不均、局部過量時(shí)，宏觀上會(huì)造成鐵水溫降過快、管身出現(xiàn)夾渣和冷隔等缺陷；微觀上孕育過量會(huì)導(dǎo)致鐵水過量增硅，促使石墨析出為高密度點(diǎn)狀球墨形態(tài)；硅過量固溶于鐵素體基體中，管身局部轉(zhuǎn)變?yōu)橹泄枨蜩F，誘發(fā)“硅脆”現(xiàn)象的出現(xiàn)，發(fā)生裂紋、斷管問題。因此，模粉的使用不是越多越好，需要嚴(yán)格控制加入總量并確保在管模內(nèi)壁分布均勻，才能恰當(dāng)?shù)陌l(fā)揮模粉的保護(hù)功能，提高鑄管的綜合性能，減少?gòu)U品管的出現(xiàn)。特別是小規(guī)格薄壁管，鐵水總量少，管壁薄，對(duì)管身局部過度孕育更加敏感，需要有針對(duì)性地采取措施，加以避免。

2）點(diǎn)狀球墨特征可以作為過度孕育的判據(jù)。今后在金相檢查過程中，若觀察到石墨球直徑均小于10μm，石墨球呈高密度點(diǎn)狀分布，可以判定為過度孕育，需要采取措施加以預(yù)防。

3）局部存在過度孕育問題的鑄管，在脆性轉(zhuǎn)變溫度（≥150℃）以下都有潛在的“硅脆”特征，常溫或低溫下工作時(shí)，在應(yīng)力作用下存在早期開裂的風(fēng)險(xiǎn)。過度孕育的位置和嚴(yán)重程度決定于模粉分布的不均勻程度，最終的增硅量和增硅部位具有一定的“外部監(jiān)控”。

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［6］程明.電氣工程本科專業(yè)認(rèn)證的實(shí)踐與思考［J］.高等工程教育研究，2008（1）：120-122.偶發(fā)性。從實(shí)際結(jié)果來看，噴粉過程的特點(diǎn)決定了插口部位出現(xiàn)的幾率不大。因此常規(guī)在插口取樣檢驗(yàn)存在一定的局限性，尚不能有效檢出管身局部有過度孕育缺陷的問題管，存在一定的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，需要引起重視。據(jù)了解，在用戶打壓復(fù)驗(yàn)出現(xiàn)開裂的鑄管斷口上，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀石墨特征，就是這個(gè)原因。

4）在鑄管生產(chǎn)過程中，應(yīng)重視鑄管管身模粉堆積問題，防止“硅脆”苗頭的出現(xiàn)。

4 孕育處理的改進(jìn)建議

1）在操作環(huán)節(jié)應(yīng)充分重視模粉功能的利弊雙重性，做到總量不超標(biāo)、局部不堆積，避免鑄管過度孕育缺陷的出現(xiàn)。

2）提高噴粉控制精度，完善噴粉設(shè)備和噴粉控制程序，確保噴粉的均勻程度。手動(dòng)噴粉操作時(shí)準(zhǔn)確掌握開、關(guān)時(shí)機(jī)，防止模粉在管模內(nèi)局部過量堆積。人工布粉也要控制總量，同時(shí)確保布粉均勻。

3）目前鑄管澆注過程中采用了隨流和模粉雙重孕育措施，實(shí)際效果非常好。但是模粉孕育控制不好，負(fù)面作用不容忽視，危害較大。可以探索強(qiáng)化隨流孕育、弱化模粉孕育方案；同時(shí)，探索使用低硅模粉的可行性，從根本上解決過度孕育問題。

Hazards of Excessive Inoculation on Ductile Cast Iron

GUO Hong-tao
（Shandong Ductile Cast Iron Pipe CO.LTD.，Jinan Shandong 250101，China）

The tube cracking defect is common in the production and use of centrifugal ductile cast iron pipe，which causes the cast pipe scrapping.Through the analysis of cracking position，it was found that the commom feature is local high-silicon，and the tiny and high density distribution of graphite（dot graphite）.Through experiments，this article systematical analyzed the reason of dot graphite forming，and pointed out that the local excessive inoculation in the production of the ductile cast iron pipe caused the graphite dotted distribution，which was the main reason of the ductile iron pipe abnormal cracking.Meanwhile，through improving the pulverized coal conrrol precision，perfecting the equipment and control program of the powder injectionto assure the uniform distribution of the pipe mould powder，it was effective to avoid the appearance of the local excessive inoculation and stabilize the cast tube quality.

ductile cast iron pipe，mould powder，excessive inoculation，dot graphite，mechanical capacity

TG255

A

1674-6694（2015）05-0040-06

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.05.013

2015-05-09

郭洪濤（1967-），男，研究生，高級(jí)工程師。主要從事鑄鋼、鑄鐵及有色金屬鑄件的鑄造技術(shù)研究。