球墨鑄鐵件表面缺陷的形成機理及預防措施

郭新光，徐國強，張守全，王洪濤

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川750021）

球墨鑄鐵件表面缺陷的形成機理及預防措施

郭新光，徐國強，張守全，王洪濤

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川750021）

介紹了球墨鑄鐵件表面缺陷對鑄件質(zhì)量的影響、形成機理和預防措施，主要從澆注系統(tǒng)設計、熔煉與澆注、型砂、涂料等多個方面對形成表面缺陷的原因進行了詳細的分析，并提出了相應的預防措施。

球墨鑄鐵；表面缺陷；形成機理

鑄造是通過將液態(tài)金屬澆入具有一定形狀的空腔，金屬凝固，而得到最終產(chǎn)品，但液態(tài)金屬具有很強的化學反應活性，為與周圍環(huán)境達到平衡，它會與其上方的氣體和周圍環(huán)境（鐵水包，型砂，涂料等）發(fā)生反應，這些反應可能會導致液態(tài)金屬凝固后在內(nèi)部或表層存在一定缺陷，而表面缺陷尤為重要，其不但會影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量，還會影響材料的物理、化學和力學性能。

自從1984年發(fā)明球墨鑄鐵材料以來，由于其綜合了鋼鐵材料的韌性和灰鐵材料的鑄造性能，而成為高性能復雜鐵基鑄件的最佳選擇。相對于灰鑄鐵，球墨鑄鐵的生產(chǎn)工藝較為復雜，球化劑和孕育劑的種類、形式、加入的時機（溫度、時間）等等因素會使材料的微觀組織結構發(fā)生異常，導致性能不良，對鑄件的材料品質(zhì)產(chǎn)生巨大的影響。有研究表面球墨鑄鐵件表面的夾渣缺陷和變異組織將大大降低鑄件的疲勞性能。由于球墨鑄鐵多用于耐壓承載高端鑄件上，其內(nèi)部和表面缺陷受到極大的關注。本文將重點討論球墨鑄鐵鑄件表面缺陷的形成機理和預防辦法。

1 球墨鑄鐵件表面缺陷形成機理分析

球墨鑄鐵件表面缺陷主要來自三個方面：一是澆注過程的造渣過程，形成氧化渣堆積在鑄件表面；二是熔煉鐵水品質(zhì)差，鐵水內(nèi)熔煉渣較多，澆注后堆積在鑄件表面；三是鐵水與涂料及型砂內(nèi)的有害元素發(fā)生反應，導致鐵水品質(zhì)退化，澆注后產(chǎn)生鑄件表面缺陷。

另外從鑄件表面缺陷內(nèi)的結構分析，可以將表面缺陷分為兩種：第一種是由物理原因導致的表面異常結構，這主要是由于液態(tài)金屬內(nèi)的夾雜移動、漂浮、粘結造成的；第二種是由于化學原因導致表面異常結構，主要由于物質(zhì)間發(fā)生化學反應形成渣雜，或導致球化/孕育異?！，F(xiàn)主要從以下方面對表面缺陷的形成機理進行分析。

1.1 鑄件澆注系統(tǒng)設計

通常高溫金屬液體的表面并不是液態(tài)，而是肉眼難以觀察到的氧化物固體薄膜。一旦金屬液發(fā)生潰浪或飛濺，都將導致固體薄膜發(fā)生折卷進入金屬液內(nèi)，如圖1所示。一方面兩個固體氧化膜折疊形成疊膜形式線性缺陷，另一方面卷入金屬液的氣體也將與金屬液發(fā)生反應形成氧化渣。澆注過程的以下幾個方面均可以導致這種機制的發(fā)生。

1.1.1 內(nèi)澆口流速過快

圖1 澆注過程液相金屬前沿形態(tài)示意圖

在液態(tài)金屬進流過程中，在流速較低的條件下，固態(tài)氧化膜不斷被撕裂，新的固態(tài)氧化膜不斷形成，只要固態(tài)金屬膜保持連續(xù)，就可以保證液態(tài)金屬完美純凈。當內(nèi)澆口進流速度提高，液相金屬前沿高出液面較多，并在重力作用下回落，將形成飛濺和卷氣，這已經(jīng)通過計算機模擬得到了驗證。進一步的研究表明，防止發(fā)生蘑菇狀液相金屬前沿的臨界速度Vc與液相金屬的表面張力γ和密度ρ有關，近似關系為：Vcrit=2（γ·g/ρ）1/4.計算表明，對于純Fe，其臨界進流速度為0.45 m/s.圖2為不同內(nèi)澆口流速液相金屬前沿形態(tài)示意圖。

圖2 不同內(nèi)澆口流速液相金屬前沿形態(tài)示意圖

1.1.2 澆注過程中造渣與擋渣

不合理的澆注系統(tǒng)設計將導致澆注過程中液態(tài)金屬發(fā)生飛濺和卷氣，尤其是在第一股鐵水進入澆注系統(tǒng)和型腔時，發(fā)生的鐵水飛濺，造成二次氧化造渣，而合理澆注系統(tǒng)設計可以將鐵水平穩(wěn)的引入鑄件，并阻擋一部分渣雜。合理澆注系統(tǒng)設計必須滿足三大原則：一是第一股鐵水絕對不能進入鑄件；二是澆注系統(tǒng)（包括直澆道，橫澆道，內(nèi)澆道）必須快速充滿；三是內(nèi)澆道口流速應盡量低。

首先是澆注系統(tǒng)的形式，澆注系統(tǒng)一般分為封閉式澆注系統(tǒng)和開放式澆注系統(tǒng)。封閉式澆注系統(tǒng)也稱壓力沖型澆注系統(tǒng)，其特點是內(nèi)澆口為最小截面，即阻流截面，從橫澆道的底部或中下部搭接。橫澆道為窄高型，鐵水流速低，渣雜有足夠的時間上浮至橫澆道頂部，并粘附在橫澆道頂部，有較好的擋渣效果。開放式澆注系統(tǒng)的特點是直澆道為最小截面，即阻流截面，橫澆道和內(nèi)澆口的截面逐級放大。這種澆注系統(tǒng)的內(nèi)澆口一般較低。當橫澆道置于鑄件底部以下時可以保證橫澆道快速充滿，但當橫澆道置于分型面時，必須將內(nèi)澆口從橫澆道頂部搭接出來，否則可能導致橫澆道無法快速充滿。這種澆注系統(tǒng)擋渣效果稍差，不過可以結合過濾網(wǎng)的合理布置，增加擋渣效果。由于球墨鑄鐵含有殘余Mg，更容易通過紊流、卷氣造渣。橫澆道設計要講究快速充滿排出氣體，穩(wěn)定流動利于渣子上浮，因此球墨鑄鐵件一般采用開放式澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆口流速一般控制在1 m/s以內(nèi)。

另外在澆注系統(tǒng)設計時還應該從以下幾個方面注意較少飛濺和紊流：一是應在直澆道底部設置直澆道窩，避免鐵水持續(xù)沖砂和飛濺；二是開放式澆注系統(tǒng)應在橫澆道上設置阻流斷面，以便直澆道快速充滿；三是應保證第一個內(nèi)澆口與直澆道的距離，以易于渣雜上?。凰氖菨沧⑾到y(tǒng)要設計合理的圓角過渡，以利于鐵水流動。

1.2 熔煉與澆注

熔煉的質(zhì)量和工藝決定了液態(tài)金屬的品質(zhì)，而澆注決定了水口杯/盆內(nèi)液態(tài)金屬的品質(zhì)。提高液態(tài)金屬的品質(zhì)是控制鑄件夾渣和表面缺陷質(zhì)量的前提條件。

1.2.1 原材料及熔煉方法

原材料表面的氧化層在一定條件下可以進入鑄件，并導致鑄件表面缺陷夾渣，這主要與熔煉方式及熔爐結構有關。沖天爐提供了一種經(jīng)典的熱對流方式，預熱的配料逐漸下沉，同時熔煉爐渣鑄件上浮，產(chǎn)生一種冶金效果，同時使液態(tài)金屬與熔渣分離。而電爐熔煉則沒有冶金過程，所以熔渣主要從控制原材料方面入手，1）所有原材料必須先除銹，避免帶入熔渣；2）必須設置合適的加料順序，盡量減小熔煉過程氧化。由于環(huán)境和成本方面的考慮，電爐熔煉正在逐漸取代傳統(tǒng)的沖天爐熔煉，沖天爐和電爐在熔煉方面各有優(yōu)缺點。中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院張伯明教授對沖天爐的優(yōu)點給予了充分肯定，尤其是新一代熱風沖天爐，其排放和能耗都可以滿足國家標準，電爐和沖天爐都是熔煉好設備，應該從熔煉金屬的質(zhì)量要求和企業(yè)的實際生產(chǎn)出發(fā)綜合考慮選擇熔煉設備。

1.2.2 澆注方法

液態(tài)金屬在澆注過程中，金屬液流表面氧化太快，以至于液流表面會形成一個氧化物薄殼管道，此管道可隔絕空氣與液態(tài)金屬。但是澆注高度太高將會破壞這個保護管道。1928年的一項專利對液態(tài)鎂金屬的澆注高度進行描述，要求澆包距離澆口杯越近越好，并且澆包盡可能固定以保持氧化物薄殼管道的連續(xù)性。這在其他金屬中也同樣存在，如果液態(tài)金屬的澆注高度過高，金屬流與氧化物薄殼壁的剪切力將增大，剪切力有可能撕碎氧化物薄殼，并進入鑄件，而液流表面又重新形成氧化物殼，并再次被撕碎，周而復始，從而產(chǎn)生較多氧化夾雜。這些夾雜由于密度較小，通常會漂浮至鑄件的表面，導致形成表面變異結構。表1為幾種液態(tài)純金屬的表面張力及臨界澆注高度。

表1 幾種液態(tài)純金屬的表面張力及臨界澆注高度

1.3 鑄造用型砂

除了由于原鐵水內(nèi)的渣雜和澆注設計導致型內(nèi)二次造渣上浮至表面導致表面結構發(fā)生變異以外，還有一種現(xiàn)象是表面石墨退化，形成蠕蟲狀或片狀石墨，如圖3所示。對于不同壁厚的鑄件和不同的冷卻速度，表面石墨退化層的厚度約為0.1 mm～3 mm，對于特殊結構位置可能會更多。在加工面上的缺陷會被加工去除，但這些缺陷在非加工面依然存在，片狀石墨相當于一個缺口，在疲勞加載時會大大降低材料的疲勞性能。

這種缺陷的發(fā)生主要與造型材料內(nèi)的S含量有關。造型材料內(nèi)的S將擴散并溶于鐵水中，與鐵水內(nèi)的Mg發(fā)生反應，形成MgS，造成自由Mg的消耗，從而導致靠近鑄型表層的鐵水內(nèi)Mg含量降低，當w（Mg）＜0.015%時，將導致球化不足，石墨保持片狀，凝固形成含片狀石墨的組織結構。另外型腔內(nèi)大量存在的O2也會溶于鐵水并與鐵水內(nèi)的Mg發(fā)生反應形成MgO，這同樣會導致鐵水內(nèi)的自由Mg含量不足導致形成片狀石墨。造型材料內(nèi)的S主要來自于冷自硬樹脂。

有研究者對呋喃樹脂自硬砂進行研究后建議對甲苯磺酸基固化劑應盡量少使用，或與膦酸混合使用。對再生砂進行深入研究后建議壁厚小于25mm的鑄件，型砂內(nèi)的S的質(zhì)量分數(shù)應控制在0.15%以下，壁厚在25 mm到75 mm之間的，型砂內(nèi)的S的質(zhì)量分數(shù)應控制在0.07%以下。

圖3 球墨鑄鐵表面石墨退化層金相

除了S和O2，型砂內(nèi)其他有害元素也有可能擴散至鐵水內(nèi)形成渣雜，另外有研究表明SiO2與Mg可以發(fā)生反應，SiO2+2Mg=Si+2MgO2導致自由Mg消耗。

總之，砂型內(nèi)的S含量是導致發(fā)生表面石墨形態(tài)退化的主要原因，雖然增加球化劑量有所幫助，但仍然不足以補償S導致的消耗。

1.4 涂料

涂料施涂與砂型表面用于隔離高溫鐵水，涂料是與高溫鐵水直接接觸的輔材。涂料的主要成分有溶劑、骨料和有機黏合劑，在使用過程中，溶劑經(jīng)過干燥就完全被去除，有機黏合劑的主要有C、H、O、N組成，在高溫下被燒損，主要起到隔絕作用的是涂料中骨料。

常規(guī)涂料中使用的骨料主要有SiO2、Al2O3、FeO、MgO、ZrO2和石墨，這些涂料骨材的耐火度都在1 500℃以上，可以滿足鑄鐵的熔煉澆注。由于SiO可以與Mg發(fā)生反應導致自由Mg消耗，所以骨料含SiO2較多的涂料不宜用于球墨鑄鐵鑄件砂型使用。其他種類骨料不會產(chǎn)生類似問題，特別是MgO，有多位研究者提到含有MgO的涂料對于改善球墨鑄鐵表面石墨退化的問題有較好的效果，另外也有鑄造涂料供應商聲稱研發(fā)成功一種含Mg的球墨鑄鐵專用涂料可以解決球墨鑄鐵表面石墨退化的問題，對此筆者未進行驗證。

涂料的一個重要作用是隔離鐵水與型砂，這種隔離作用由于涂料中骨料形態(tài)的不同而效果不同。這主要是由于涂料與型砂在高溫下的受熱膨脹系數(shù)不同導致。涂料骨料的熱膨脹系數(shù)很小，在高溫下基本不發(fā)生膨脹，而回用石英砂的膨脹系數(shù)約為0.7%，而新石英砂由于會發(fā)生相變，膨脹系數(shù)可達1.9%左右，因此在高溫條件下涂料將收到來自型砂的張應力，對于骨料為片層狀的涂料，堆疊的片層將發(fā)生重新排布，而對于細微顆粒的滲透性涂料，將形成微裂紋，如圖4所示。

圖4 不同涂料在常溫、高溫下的覆蓋形態(tài)示意圖

由于涂料不同的開裂狀況，導致涂料對形成表面缺陷的影響也不同。片狀骨料涂料可以通過重新排布適應砂型的膨脹，在高溫條件下形成密實的燒結層，可以較好的阻礙S元素向鐵水內(nèi)的擴散，有利于減弱表面的石墨退化和渣雜；而滲透性涂料在高溫下由于砂型膨脹形成大量微裂紋，這些微裂紋可以作為擴散的快速通道，不能有效阻礙S元素的擴散，故不能有效減弱表面變異結構層。

綜上所述，鑄鐵件的表面缺陷主要是由于原液態(tài)金屬渣雜上浮至鑄件表面和型砂內(nèi)的S含量過高導致的表面球化不良；而澆注系統(tǒng)、澆注工藝和涂料不是其主要原因，但也會給對表面缺陷產(chǎn)生一定的影響。

2 球墨鑄鐵表面缺陷的預防辦法

根據(jù)以上的分析，預防或減弱鑄件表面缺陷可以從以下幾個方面著手。

1）應保證液態(tài)金屬的潔凈，在澆注前及時去除表面的氧化物和渣雜等，避免鐵水渣雜進入鑄件。

2）應設計合理的澆注系統(tǒng)，保證液態(tài)金屬慢速平穩(wěn)的進入鑄件，防止由于卷氣，飛濺導致的型內(nèi)氧化造成的夾渣。

3）應該選用合適的鑄造用型砂黏合劑和催化劑，必須盡量減低型砂中的S含量，從根本上解決液態(tài)金屬中自由Mg的消耗問題，解決表面石墨變異。

4）應該選用阻礙性較好的片狀骨料的涂料，阻礙型砂內(nèi)S元素的擴散，有利于減弱表面石墨變異。

3 結論

通過對球墨鑄鐵常見的表面缺陷的組織結構和組成的簡要分析，從多個角度研究了表面缺陷的形成原因和機理。

1）型砂中的S元素容易擴散至液態(tài)金屬中，與自由Mg元素形成MgS渣，導致自由Mg元素的消耗，自由Mg元素是石墨球形轉變決定元素，自由Mg元素的消耗是導致表面發(fā)生石墨變異的最為主要的因素，必須將型砂內(nèi)的S質(zhì)量分數(shù)控制在0.15%以下。

2）原液態(tài)金屬中的渣雜必須提前去除，這些渣雜容易進入鑄件并上浮至鑄件澆注方向的上表面，形成表面結構的變異。

3）澆注系統(tǒng)的設計必須要保證液態(tài)金屬平穩(wěn)慢速進入鑄件，避免澆注過程二次造渣，澆注系統(tǒng)設計合理擋渣結構，有利于減少渣雜進入鑄件。

4）原材料的選用和熔煉方法對原液態(tài)金屬中渣雜控制有較大的影響，合理的冶金過程有利于減少渣雜，而電爐熔煉必須對原材料進行嚴格的控制，澆注工藝也必須盡量減少氧化和造渣的可能。

5）涂料的合理選用可以在一定程度上阻礙S元素的擴散，有利于減弱由于自由Mg的消耗導致的石墨變異。

［1］劉增林.鑄鐵件澆注系統(tǒng)撇渣能力的探討［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2014（06）：58-61.

［2］張守全，徐國強，林艷茹.灰鑄鐵感應電爐熔煉與沖天爐熔煉的差異［J］.鑄造設備與工藝，2013（5）：1-3.

［3］黃天佑.鑄造手冊“造型材料”［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

Surface Defects Formation Mechanism of Ductile Iron Casting and Prevention Measures

GUO Xin-guang，XU Guo-qiang，ZHANG Shou-quan，WANG Hong-tao
（Kocel Machinery Co.Limited，Yinchuan 750021，China）

This article introduced the effect of ductile iron casting surface defects on the casting quality，formation mechanism and prevention measures.The causes of surface defect were studied in detail based on the gating system，melting and pouring process，molding sand，coating and so on.

ductile iron，surface fault，formation mechanism

TG245

A

1674-6694（2015）05-0047-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.05.015

2015-03-13

郭新光（1976-），男，青海平安人，工程師，從事質(zhì)量檢驗、質(zhì)量管理工作。。